基于多目標效益函數智能算法求解下的西北某地區水資源優化配置分析研究

蘇海波

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

當前許多城市水資源供需處于較為不平衡狀態，需要依靠外界調水引水才可滿足各用水項目需求，此對人民生活及經濟發展均是負面影響，故而研究討論水資源在規劃年份的供需平衡具有重要作用[1-3]。已有一些學者通過研究水資源在歷史年份中的演變規律，探討水資源在未來年份中的供需狀態，并評估最適合當前地區內水資源用水項目供需量，并可提升水資源的綠色環保利用[4-6]。近年來，人工算法引入到水資源優化配置模型中，根據所創建的水資源模型，采用人工智能算法迭代求解[7-9]，獲得優化配置結果，并評價模型適用性，對比優化配置結果與預測結果之間差異，為地區編制水資源規劃年表提供重要理論參考。

1 工程概況與水資源現狀

某城市位于西北地區，城區面積約為100 km2，流域內共有3條主要河流，其中以陽河為主要干流，流域面積超過600 km2，占總流域面積的48%，區域內農田灌溉區分布在南部，坡度約為1/500。地區內水文地質資料表明，春冬季溫差較大，降雨主要集中在夏季，最大降雨量可達600 mm，陽河所在流域內已建設有防洪堤壩，夏季水位較高，最大水位可達8.8 m，水流過境較快，岸坡水土流失較嚴重。另其他支流流域占全市總面積的30%，另地區內建設有3個蓄水庫，多個地面引水泵站，其中蓄水庫總庫容超過13億m3；另引渠調水工程共有6個取水站，可供水3億m3，建設輸水渠道長度貫穿城區和周邊區縣，總長度超過150 km，面向地區工農業、生活用水以及水生態恢復調節；所在省份從南部富水城市建設有補水管道工程，為該城市年引水700萬m3，提升區域內農業灌溉效率，其中農田灌溉面積為31.33萬hm2，而該城市6個區縣均分布有一定農田面積。城市工業生產包括有第一、第二、第三產業，各部分占比為12∶43∶45。

根據水資源現狀調查得知，2015年地區內各具體用水量如圖1所示，從各行政區縣用水可看出，以B區年用水量為最高，在25.0%保證率條件下，其總用水量達23 600.2萬m3，占比達25.0%，且隨保證率增大，占比基本穩定不變；其中用水具體項目中又以第一產業為最大占比，該城市全年第一產業總用水達60 015.0萬m3，占比超過60.0%，符合該城市以農業經濟發展為主，工業生產為輔的定位。另從圖中亦可看出，生態用水僅在C、D區內供應，其中C區生態用水最多，達4030.5萬m3。

圖1 各區縣水資源現狀及用水項目

同時也獲得了該城市2015年水資源供應情況，如圖2所示。水資源供應來源已在前文水文地質資料中闡述，供應量最大區縣屬C區，占比為28.5%，而供應量最小為F縣，其可供水量在25.0%保證率時為15 023.0萬m3。從各曲線供水來源項目可看出，地表水占比最大，部分縣區引渡水為0或占比較低，其中以D區為例可看出，其全年可供總水量為51 504.9萬m3，而地表水占比69.4%，引渡水占比為13.9%。綜合該城市2015年水資源供需狀況可知，城市以農業發展為主，水資源供應傾向于第一產業，工業生產與生活用水為其次；從整體供水狀態來看，水資源供需在6個區縣內較為平衡，而供水來源以地表水為主，現狀年各區縣地表水總供應量在供水總量中占比超過63.8%。

圖2 水資源供應狀況(保證率25%)

2 規劃水平年供需預測

2.1 需水量預測

在調查獲得水資源供需現狀后，針對2022水平年開展水資源供需預測，按照不同用水項目需求進行分類預測分析。結合該城市地區人口與農業、城鎮人口比例，給出6個區縣具體生活用水預測量，如圖3所示。從圖3中可看出，按照城鎮人口量發展趨勢，以C區、D區需水量最高，其中C區生活用水量占比最高達24.4%，其人口總量亦占比超過22.0%，F縣由于城鎮人口數量較少，在預測時考慮城鎮用水管網滲漏率為10.0%，其生活用水總量占比為7.5%，為843.6萬m3。而生活用水總需水量預測為11 315.5萬m3。

圖3 行政區縣生活需水預測

圖4為農業用水預測量，根據預測可知，B區、E縣農業用水占比最高，達26.2%、24.6%，該城市規劃水平年豐水年農業總用水量為51 176.1萬m3，農業用水總量預測時按照各區縣主要作物年均需灌溉用水量預測。

圖4 行政區縣農業需水預測

地區內工業生產總值最高屬C區與D區，故而考慮該兩區工業用水占比為最高，占比分別達26.4%、24.5%，工業總需水量預測值為10 059.8萬m3，兩個傳統農業生產縣工業用水占比為最低，為12.6%、9.2%，符合水資源消耗按照靶向需求分配。行政區縣工業用水預測見表1。

表1 行政區縣工業用水預測 萬m3

生態用水預測按照各區縣內河流流量的30%～40%，生態總需水量為1675.1萬m3，由于各區縣河流分布時空不均，因而生態需水量根據各個縣區實際流域面積，按照補給系數0.63進行水資源供應。

綜合各需水項目可知，規劃水平年總需水量為247 547.1萬m3，各區縣占比與2015年現狀年具有相似之處，而用水項目中農業用水與工業用水降低了，主要是由于工業生產技術更新換代與農業灌溉效率提高，水資源用量得到縮減。各區縣生態需水與總需水預測見圖5。

圖5 各區縣生態需水與總需水預測

2.2 供水量預測

供水來源分為地下水、地表水、引渡水與再生水，其中地表水供應預測值為26 244.1萬m3，占比水資源供應總量的26.8%，其中各區縣內又以E縣蓄水工程最多，因而該區可供應地表水達8040.9萬m3，占比總地表水供應量的30.6%，與2015年現狀年具有相似之處。地下水供應總量為32 598.4萬m3,而各區縣供應量與所在區縣環境有關，B區所在盆地四周地勢較高，地勢適合積水，故而其地下水資源供應總量達8112.0萬m3，乃各區縣中最高，占地下水總供應量24.9%。引渡水供應總量整體較低，可供應22 556.2萬m3，相比地表、地下水供應量，引渡水僅僅是面向于緊急用水項目。再生水為地區污水處理廠所生產水資源，但受限于工廠運力，按照生產率提升15.0%計算，再生水在規劃水平年可供應量為16 502.1萬m3。各區縣供水量預測見圖6。

圖6 各區縣供水量預測

對比規劃水平年水資源供需關系可知，在保證率25.0%條件下，水資源供應處于富余狀態，但富余量較少，僅為15 861.1萬m3，但當保證率提升至50.0%以上時，出現缺水量，其中保證率75.0%時，缺水率達22.2%，水資源供應出現嚴重短缺。為此考慮地區內水資源供需平衡，應對水資源配置進行優化。

3 水資源優化配置研究

3.1 水資源優化配置模型

根據該地區內水資源配置要求，以及水資源配置規劃后帶來效益，建立水資源配置模型。其中經濟效益指標函數表述如式(1)所示：

(1)

式中:bij、cij分別指效益價值系數；αij、βij分別指供、需水優先次序系數。

以地區水資源供需調度所帶來的社會公平公正價值來反映社會效益指標，當供水優化配置處于最佳狀態時，社會公平公正狀況反應最好，則此時社會效益指標為最大，因而建立社會效益指標函數如式(2)所示：

(2)

環境效益指標表征了水資源優化配置過程中，給生態環境帶來的正面價值，反映了水資源供需是否符合生態循環經濟理念，因而其目標函數可表述如式(3)所示：

(3)

式中:dj、pj均指表征污染物系數與污染物濃度。

在綜合各目標函數后，獲得水資源優化配置模型，還應限制其邊界約束條件，包括有地區水資源最大承載能力、各部分用水項目需水約束量以及水資源供需變量均應涵蓋在內，三個函數約束關系，分別以函數式表述如式(4)所示：

(4)

式中：Wi指供應水量最大能力；Qmin,j、Qmax,j分別指用水項目所需最小、最大水量。

為求解上述多目標函數水資源優化配置模型，引入免疫克隆算法與遺傳算法，其中免疫克隆算法乃是一種多次迭代尋找解集的智能算法，再利用遺傳算法針對解集，模擬人類基因遺傳原理，找到不同解對應的算子式，對比各個種群P(t)，類似于各個解在解集合中關系，不斷針對每個隨機種群解評價，進而找到符合目標函數最適的解[10-11]。

3.2 優化配置結果分析

在上述水資源優化配置模型構建基礎上，求解獲得地區內水資源優化配置結果，如圖7所示，限于篇幅，本文只展示給出豐水年優化配置結果。從圖7中可看出，在規劃水平年2022年，豐水期總共可供應水資源量為81 889.1萬m3，總需水量約為81 830.4萬m3，水資源供需基本平衡；各城區內水資源分配量基本滿足需求，缺水量城區屬E縣、F縣，但B區、C區、D區均可內部調度，保證地區內總體上水資源平衡。

枯水年地區內水資源可供應總量為80 523.2萬m3，總需水量約為91 734.5萬m3，缺水率為12.3%；6個區縣整體上缺水率最大不超過15.0%，為F縣，平均缺水率僅為9.2%，另在枯水年B區供水仍能滿足自身需求，缺水率為0；對比各保證率條件下各區縣缺水狀態，傳統水資源供需常常隨保證率增大，缺水率逐漸增大，且在低保證率條件下的區縣內處于缺水狀態，高保證率條件下缺水亦較為顯著，但本文經過水資源模型優化配置后，枯水年各區縣缺水率并未一昧隨保證率增大，缺水率穩定升高，而是在處于有機調節作用下，缺水狀態在高保證率時會進行轉移至較為不缺水區縣，形成缺水率相對其他區縣可降低狀態。對比規劃水平年2022年水資源預測結果可看出，在保證率增大至50.0%后，缺水率逐漸增大，其中75.0%保證率條件下缺水率達22.0%，而根據水資源優化配置后，豐水年在75.0%保證率以下均不出現水資源缺口，其中75.0%保證率下缺水率最大為E縣，亦僅為9.3%，枯水年在75.0%保證率下平均值為20.5%，如圖7(b)所示，水資源優化配置后供需平衡關系大大增強。

圖7 水資源配置結果及缺水率曲線

4 結 論

為研究地區水資源供需平衡狀態，分析了地區內水資源當前現狀，并進行預測規劃水平年2022年供需狀態，引入免疫克隆算法與遺傳算法，建立水資源模型優化配置，分析優化配置結果，得到以下結論。

(1)研究了地區規劃年各用水項目以農業用水最多，達51 176.1萬m3，生態用水最少，為1675.1萬m3，供水來源以地表水為主，地表水供水量占總供水量26.8%；豐水年在保證率50.0%以上時出現缺水，其中75.0%保證率時缺水率達22.2%。

(2)分析引入免疫克隆算法與遺傳算法，創建綜合經濟效益指標、社會效益指標以及生態效益指標的多目標水資源模型函數，并求解獲得了地區水資源優化配置后結果，具有良好的適用性與正確性。

(3)獲得了規劃年豐水年水資源供需平衡，枯水年與高保證率豐水年缺水率較低，相比水資源預測時均顯著降低；地區枯水年25.0%保證率下總缺水率為12.3%，各區縣內最大缺水率不超過15.0%，平均缺水率僅為9.2%，水資源供需關系平衡性顯著提高，且年保證率與區縣缺水率并無顯著正相關關系。