基于不同驅動因素的廣東省珠江三角洲水資源優化配置研究

胡 培，黃本勝，雷洪成

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術國家地方聯合實驗室，廣東 廣州 510635)

珠江三角洲位于廣東省東南部沿海，是我國改革開放的先行地區，是粵港澳大灣區的重要組成，也是亞太地區最具活力的經濟區之一[1-2]。

近幾十年來，隨著城鎮化與工業化高速發展，珠江三角洲地區用水需求與水資源承載力、用水總量控制紅線之間的矛盾日益凸顯，水資源在不同城市不同行業之間的競爭日益嚴峻，如何通過水資源優化配置獲取最大綜合效益[3]顯得尤為重要。水資源作為一種稀缺性資源，已由原來的水量、水質為核心因素的配置理念，向公平、高效、低碳等配置需求轉變[4-5]。本文研究了不同驅動因子下的珠江三角洲水資源優化配置模型及產生的綜合效益，以期為該區域水資源配有效利用提供理論和應用價值。

1 研究區域概況

廣東省珠江三角洲由西北江三角洲、東江三角洲和注入三角洲的其他各河流流域所組成，涉及廣州、深圳、珠海、佛山、江門、東莞、中山、惠州市及肇慶市等9市(見圖1所示)。近年來，廣東省珠江三角洲地區人口總量增加、工業規模擴大、水質性缺水以及用水總量控制指標限制等因素都直接或間接地加劇水資源與城市發展之間的矛盾[6]。2018年廣東省珠江三角洲9市人均水資源量為1 012 m3，低于廣東省人均水平(1 683 m3)；2018年9市用水總量為184.88億m3，距總量控制指標限值剩余33.38億m3，深圳、珠海、江門已十分接近紅線。

圖1 廣東省珠江三角洲范圍示意

2 水資源優化配置模型

2.1 配置模型目標

水資源配置模型目標函數如式(1)，追求供水效益、社會效益、生態效益的綜合效益最大化[3，7-8]。

Max{f1(x),f2(x),f3(x)}

G(x)≤0x≥0

(1)

式中x為決策向量；f1(x)、f2(x)、f3(x)分別為供水效益、社會效益和生態環境效益；G(x)為約束條件集，表示各約束條件的狀態方程。

1) 供水效益目標

以區域總供水效益的最大值表示。

(2)

式中f1(x)為總供水效益；ωk為第k子區的權重系數(可由層次分析法或專家法等得到)；i=(1，2，3，4，5，6)分別為生活需水、工業需水、建筑業需水、第三產業需水、農業需水以及河道外生態需水；bi(k)為水源向k子區i用戶供水的綜合效益系數，由考慮的不同驅動因素來確定；xi(k)為k子區i用水戶的配水量。

2) 社會效益

以區域總缺水量的最小值表示。

(3)

式中Di(k)為k子區i用戶的需水量,萬m3；其他符號意義同前。

3) 生態環境效益

以區域廢污水排放量的最小值表示。

(4)

式中i=(1，2，3，4)分別為生活、工業、建筑業、第三產業的廢污水排放量；di(k)為k子區i用戶的廢污水排放系數；其他符號意義同前。

2.2 模型約束條件

1) 區域水資源量約束

(5)

WQ(m,k)=μ(k)×[WQ1(m,k)+WQ2(m,k)+WQ3(m,k)-WQ4(m,k)-WQ5(m,k)]。

2) 水庫樞紐水量平衡約束

VR(m+1,j)=VR(m,j)+WQRC(m,j)-WQRX(m,j)-WQVL(m,j)

(6)

式中VR(m+1，j)為第m+1時段第j個水庫樞紐的庫容；WQRC(m，j)為水庫的來水量；WQRX(m，j)為水庫的下泄水量；WQVL為水庫的水量損失。

3) 河渠節點水量平衡約束

(7)

式中WH(m，k)為第m時段第k節點的過水量；WQH為區間來水量；WQRX為第j個水庫的下泄水量。

2.3 模型求解

在基本遺傳算法的基礎上，設計了一個混合算子遺傳算法，以克服早熟現象和通過設計罰函數來有效處理約束條件[3]。其中，基本遺傳算法的編碼與解碼方法、個體適應度評價函數和懲罰函數、選擇運算、交叉運算等參考文獻[9]和[10]。

本次混合算子遺傳算法中，變異運算采用的是均勻變異，見式(8)，因為優化問題的最優解極可能存在可行域的邊界上，故增加了邊界變異運算，見式(9)。

假定要變異的染色體為x=(x1，x2， …，xn)，具體公式如下：

(8)

(9)

2.4 模型構建

1) 系統概化

以各地市行政分區為基礎，結合廣東省珠江三角洲水系特點及水源工程供水特征，建立水資源優化配置計算的網絡節點示意，并與珠江三角洲水資源配置工程相銜接，重點考慮佛山、廣州(不含南沙，下同)、南沙、江門、中山、珠海、惠州、東莞、深圳等分區(見圖2所示)。

圖2 廣東省珠江三角洲水資源優化配置節點示意

2) 配置模型的主要參數

需水方面參考文獻[11]的成果，河道外需水按照各計算分區2030年生活、工業、建筑業、第三產業、農業的預測成果(見圖3)；河道內需水按各地市多年平均徑流量的10%計算(見圖4)；生活、農業、工業、河道內生態用水保證率分別取97%、90%、95%、90%。

圖3 2030年河道外需水預測成果示意(P=50%)

圖4 河道內生態需水計算成果示意

供水方面參考文獻[11]的成果，主要考慮現狀河流供水工程、水庫供水工程和調水工程。其中，河流以西江干流、北江干流、潭江、高明河、流溪河、石馬河、增江和東江干流為主要水源，水庫以珠江三角洲地區現有的73座中型水庫和各計算分區打捆處理的小型水庫為主要水源，調水工程主要考慮深圳市東江水源工程、廣東粵港供水工程、廣州市西江引水工程、廣州市北江引水工程等。

遺傳算法中種群初始規模設為100，終止迭代次數設為600，交叉概率設為0.9，變異概率為0.06。

3 配置結果及分析

3.1 配置方案設置

各方案的主要驅動因素、模型參數見表1。

表1 廣東省珠江三角洲水資源優化配置方案設置

3.2 不同方案配置結果

1) 方案1配置結果

在該配置思路下，97%來水頻率各地市總配置水量為177.44億m3/a，缺水9.35億m3/a，水量保證率94.99%(結果見表2)。

表2 方案1水資源配置結果(P=97%) 億m3/a

2) 方案2配置結果

在該配置思路下，97%來水頻率各地市總配置水量為177.35億m3/a，缺水9.44億m3/a，水量保證率94.95%(結果見表3)。

表3 方案2水資源配置結果(P=97%) 億m3/a

3) 方案3配置結果

在該配置思路下，由于配置模型中所采用的單位用水量碳排放量無法細分到各行業，因此，該方案按生活、生產、生態的要素配置水量。97%來水頻率各地市總配置水量為177.08億m3/a，缺水9.70億m3/a，水量保證率94.81%(結果見表4)。

表4 方案3水資源配置結果(P=97%) 億m3/a

3.3 配置結果分析

1) 方案1配置結果分析

根據表2的計算結果，97%來水頻率下，廣東省珠江三角洲西北江片區(廣州、佛山、江門、中山、珠海)水量豐沛，各地市供水工程建設比較完善，水量保證率均達95%以上，供水保障程度較高，缺水主要發生在江門市第一產業；東江片區(惠州、東莞、深圳)用水需求較大，水資源開發利用程度較高，惠州、東莞、深圳的水量保證率分別為91.21%、74.65%、99.17%，特枯年份各地區的用水均存在不同程度的破壞。

基于均衡發展的配置思路，廣東省珠江三角洲各地市用水保障程度較高，生活用水基本得到滿足，各行業水量保證率也比較高。

2) 方案2配置結果分析

根據表3的計算結果，并統計對比方案1和方案2的水資源配置結果和經濟效益結果(見圖5～6)。從方案2的配置結果上看，廣東省珠江三角洲缺水量仍主要集中在東江流域片區；從各行業上看，第二產業、第三產業等用水效益較高行業缺水量明顯減少，第一產業、河道外生態、生活等用水效益較低的行業缺水量有不同程度的增加。

圖5 方案1和方案2配置缺水量對比示意

97%來水頻率下，與方案1進行對比，方案2在總缺水量上有所增加，缺水量增加0.085億m3/a，水資源在保障了基本生活、生態的基礎上，更多的向經濟效益高的東莞市等區域以及第二產業、第三產業流動，GDP增加了3 314.76億元/a。

圖6 方案1和方案2經濟效益對比示意

3) 方案3配置結果分析

根據表4的計算結果，并統計對比方案1和方案3的水量配置結果和碳排放結果(見圖7～8)。從方案3的配置結果上看，東江流域片區仍是廣東省珠江三角洲較為缺水的片區；從各行業上看，生活、生態等碳排放強度低的行業缺水量明顯減少，東莞、江門等碳排放強度較大的地市生產用水缺水量有所增加。

圖7 方案1和方案3配置缺水量對比示意

97%來水頻率下，與方案1進行對比，方案3在總缺水量上有所增加，缺水量增加0.35億m3/a，在低碳發展的驅動下，水資源更多的向碳排放強度較低的深圳市、廣州市等區域以及生活、生態等行業流動，碳排放量減少了392.39萬t/a。

圖8 方案1和方案3碳排放量對比示意

4 結語

1) 現階段的水資源配置主要考慮水資源的均衡配置，要求各地市各行業盡量保障供水，實現最小缺水；在該配置模式下，廣東省珠江三角洲各地市用水保障程度較高，97%來水頻率下配置水量為177.44億m3/a，水量保證率94.99%，各行業水量保證率也比較高。

2) 隨著珠江三角洲社會經濟快速發展，水資源在區域之間、在行業之間的競爭日益嚴峻，需要進一步結合用水效率、環境保護的特點，進行區域水資源的優化配置。其中，基于經濟效益驅動模式下，水資源更多向經濟效益高的東莞市等區域以及第二產業、第三產業流動，配置水量有所減少，GDP增加了3 314.76億元/a；基于低碳發展模式下，水資源更多向碳排放強度較低的深圳市、廣州市等區域以及生活、生態等行業流動，配置水量減少，碳排放量也減少了392.39萬t/a。

3) 在粵港澳大灣區等區域發展背景下，水資源的配置需要更多的考慮區域內各地市、各行業的用水特征，由各地市、各行業的均衡配置，向用水效率更高、更環保的用水對象供水轉變，進一步實現區域水資源的優化配置和社會經濟的高效發展。