丹東市水資源優化配置研究

林青森

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

0 引 言

以宏觀經濟系統配置理論為基礎考慮環境、資源、人口和經濟協調發展的可持續發展配置理論，現階段該配置理論的實際操作不便，且仍未轉變應用實踐少、理論探討多的現狀。水資源優化配置涉及生態環境、經濟社會、人口資源等多種因素，這種多目標決策規劃問題強調不同目標間的協調發展，應考慮各類因素以避免忽視其他目標而僅實現某單一目標[1-3]。

針對水資源優化配置問題我國相關研究起步較晚，如辛玉深[4]、聶相田[5]、吳澤寧[6]等提出了區域水資源配置的多目標決策分析法，該方法以追求環境、社會、經濟效益最大化為目標，比較常用的求解方法有遺傳算法、線性加權法和目標法等。

丹東市地處亞歐大陸東岸中緯度地帶，屬溫暖帶亞濕潤季風型氣候，因地貌形態差異其氣候環境變化明顯，年降水量881.3-1087.5mm，夏季降水占全年的2/3，該區暴雨集中期為7月中旬至8月中旬。丹東地區水系發育良好、江河密布，境內有大洋河、鴨綠江和沿海水系，其中大江大河有渾江、大洋河、鴨綠江、叆河，河長超過2km的河流有944條。結合水文資料，該地區年均水資源量84.88億m3，平均徑流深81mm，區域產水模數57.48萬m3/km2，地下水補給量16.82億m3，屬于遼寧省降雨量最多且水資源最豐富的區域。受地勢地貌和自然條件限制，水資源開發利用存在的問題有：區域經濟發展與水資源利用不協調、干旱性缺水和地表水污染問題突出、局部地區超采現象嚴重、農業灌溉用水效率低等。因此，如何合理規劃、科學統籌地下水、地表水和外調水已成為水文領域研究的熱點。

1 水資源優化配置模型

以生態環境、經濟和社會的協調發展為區域水資源優化配置目標，即以各用水部門缺水量最小、綜合效益最大為目標構建水資源優化配置模型。對于社會、經濟方面的目標用缺水量最小和用水綜合效益最大來衡量，同時以水環境和水資源承載力為約束條件確保生態環境、經濟、社會的協調發展。

1.1 決策變量

1.2 目標函數

采用以下公式代表水資源綜合效益最大、缺水量最小函數，即：

(1)

(2)

模型中不可公度的有缺水量最小函數和綜合效益最大函數，其中綜合效益最大函數追求數值上的最大值，該線性函數所涉及到的參數均為標準化處理后的無量綱系數，如分區權重、供水次序系數和供水綜合效益系數等。

1.3 綜合效益系數

各個部門協調發展以及水資源合理分配的關鍵問題是如何合理確定用水綜合效益系數，結合區域發展情況和相關文獻資料，選擇水利用系數、供水成本、凈效益系數代表生態、社會和經濟評價因子。采用各個部門的供水成本、水利用系數、凈效益系數三組數據構成供水綜合效益系數矩陣，并對其利用德爾菲法和變異系數法進行求解。

設參評樣本數有n個，則樣本集為(x1，x2，…，xn)；參評指標數有m個，則指標集為(x1,x2,…,xn)；此時，考慮初始數據構造評判矩陣X=(xabm×n)，即：

(3)

式中：xab為指標a關于樣本b的實際值；m、n為單樣本指數數和樣本數。將樣本b表示為xb，則m個指標關于樣本b的實際值為(x1b，x2b，…，xb)。考慮到各指標為效益型，對以上矩陣利用標準化公式處理，則構造的標準矩陣R如下：

(4)

(5)

式中：rab為標準化處理后的xab數值。將德菲爾法、變異系數法求解的主觀和客觀效益系數求和，并利用歸一化公式處理確定供水綜合效益系數，該方法綜合了差異性數據和決策者的主觀偏好。

設(B1(2),B2(2)，Bn(2))代表水資源客觀效益指數，其表達式如下：

(6)

設(B1(1)，B2(1)，…，Bn(1))代表水資源主觀效益指數，將水資源主、客觀效益指數求和，經歸一化處理確定綜合效益系數，其計算式為：

Bb=Bb(1)+Bb(2)

(7)

式中：Bb(1)、Bb(2)為德爾菲法和變異系數法求解的效益指數；Bb為綜合效益系數。

1.4 約束條件

1)水資源承載力約束。各水源的可供水量不得小于總供水量，對獨立水源和公共水源，其約束條件為：

(8)

(9)

式中：ωc、ωik為第c種公共水源和k分區中第i種獨立水源的可供水量，m3。

2)環境承載力約束。各水源的污水處理能力不得小于其污水排放量，其約束條件可表示為：

(10)

3)用水公平性約束。各個水源提供的用水量不大于各用水部門的最大需水量，且不小于其最低需水量，其約束條件為：

(11)

4)變量非負約束。模型中各決策變量符合非負要求，其約束條件為：

(12)

2 丹東市水資源優化配置

地表水、地下水和外調水為丹東市主要的可利用水資源，模型中的獨立水源和公共水源取地表水、地下水與外調水，生態環境、生活、農業和工業為用水部門。根據相關統計資料、水利條件和區域水資源狀況，按將丹東市劃分為6個分區，具體如表1。

表1 不同水源的供水效益系數

2.1 參數的確定

1)供水綜合效益系數。根據供水成本等指標在不同供水水源中的差異性特征，丹東市水資源配置模型的供水綜合效益系數因水源的不同而存在差異。考慮不同水源實際的供水成本、水利用系數和凈效益系數，利用文中所述方法和公式求解不同水源在各分區中的供水效益系數，如表1。借鑒丹東市灌區規劃報告、供水工程規劃報告、飲水規劃等資料確定地下水和地表水3個指標數據，參考引水工程相關資料確定外調水指標數據。

2)供水次序系數。相對于其他水源各分區水源的供水優先程度利用供水次序系數來衡量，現階段丹東市地下水下降嚴重，局部地區地下水超采，應遵循充分利用外調水、地下水及改善地下水超采狀態的原則確定供水次序系數，利用以下公式確定供水次序系數aik，即：

(13)

式中：nmaxk、nik為分區k的最大供水水源序號和水源i的供水次序序號。

將丹東市地下水、地表水和外調水的供水次序系數利用公式(13)求解，結果顯示各水源為0.18、0.32、0.50。

3)分區權重。相對于其他分區某一分區的重要程度利用分區權重衡量，丹東市水資源配置分區權重運用層次分析法，并考慮丹東市總體規劃合理確定，如表1。

4)需水量上下限。首先滿足社會基本保障性用水(即居民生活用水)，取其需水量作為上下限值；目前，丹東市面臨著嚴峻的生態環境形勢，亟待進一步改善環境，故取其需水量作為生態環境用水上下限；采用規劃年需水量及其需水量的80%作為工業用水的上、下限；考慮多年來丹東市的農業灌溉保證率，取規劃年需水量及其需水量的75%作為農業用水的上、下限。

5)污水排放系數。生活和工業用水部門為丹東市污水排放的集中區，結合丹東市生活污水、工業污水排放情況和給排水標準規范實施手冊，工業和生活污水排放系數取0.5、0.8，并結合丹東市各分區的污水處理廠實際情況合理確定其污水處理能力。

2.2 多目標模型的求解

考慮到不同目標之間的矛盾性和不可公度性特征，多目標規劃問題通常無法達到所有項最優，即找不到確定的最優解。為解決此種問題，從多個有效解中決策者可以結合個人偏好選擇一個相對滿意解。各目標權重系數利用層次分析法計算，并將多目標優化問題利用線性加權法轉變成單目標問題。

對于給定的單目標滿意度μi、μj，將多目標決策問題利用線性加權法轉變成多個單項目標的滿意度函數，以此生成多綜合目標函數，即：

(14)

(15)

對加權后的目標函數利用Matlab軟件中的Linprog函數求解，通過對滿意度μi、μj上下限值的不斷調整實現決策交互，從而生成水資源優化配置有效解。

2.3 供需平衡分析

設基準年為2015年，結合丹東市總體規劃、水資源評價和水資源公報等資料，確定各用水部門在規劃水平年(2025年)的需水量和可供水量，采用所構建的模型輸入約束條件以及參數值，并借助Matlab軟件輸出丹東市各分區優化配置的水資源，如表2-3。

表2 規劃水平年丹東市水資源優化配置

由表3可知，丹東市2025年的總需水量、總供水量和總缺水量為63380萬m3、58426萬m3、4954萬m3，全市缺水率平均值7.82%，整體處于缺水狀態；其中，東港市、振興區、鳳城市的缺水率超過全市平均值；全市生態環境、生活用水總供水量為198萬m3和4866萬m3，在保證生態環境和生活用水的情況下，工業和農業缺水量達889萬m3和4065萬m3，缺水率為5.48%和9.65%。

表3 規劃水平年各分區水資源供需平衡

2.4 水資源配置總體思路

充分考慮丹東市2025年水資源供需平衡分析結果，合理制定水資源配置方案，其總體思路如下：

1)保障生態環境和生活用水。現階段，丹東市面臨著日益嚴峻的生態環境壓力，任何情況下都要優先滿足生活和生態環境用水。相對于農業、工業用水生態環境和生活用水比例較低，兩個用水部門的配水比重小幅度增加，如圖1，即從最初的10.20%、0.76%小幅增大至10.52%、0.75%。

圖1 優化配置前后各部門用水比重

2)工農業用水調整。2015年丹東市農業用水比例為77.6%，而第一產業占GDP比重僅有36.2%。農業用水效益低且用水量大，可見該地區存在灌溉效率低、農業用水定額高等問題；相對于農業用水比重工業明顯較低，并且遠遠高于農業用水效益，優化配置后農業用水比例減少至70.45%，而工業用水比例增大至11.43%，較優化前明顯增加。為有效緩解丹東市水資源供需緊張關系，應增加工業蓄水比重、調整產業結構以及抑制過快增長的用水需求，并提倡農業節水以提高灌溉效率。

3)嚴格控制地下水超采。目前，水環境日益惡化、地下水超采等為丹東市面臨的最大問題。優化配置前地下水為該地區主要供給水源，局部地區超采嚴重；考慮約束條件的優化配置模型，優化后的地下水供給比重明顯減少，從最初的85.2%顯著降低至50.6%，如圖2。優化配置后限制了水系統調節范圍內的地下水最大開采量，以保護地下水資源及改善區域供水結構。

圖2 優化配置前后的水資源供給占比

3 結 論

結合丹東市水資源特點，以缺水量最小和綜合效益最大為目標，綜合考慮地下水、地表水、外調水等聯合供水條件，運用多目標規劃法構建水資源優化配置模型。在實現綜合效益最大的目標中該模型考慮了供水成本、水利用率、用水凈效益指標和供水綜合效益系數，較傳統風閥能夠進一步提高凈效益系數的合理性；此外，將供水綜合效益系數利用德菲爾法和變異系數法求解，有效避免了單一方法存在的不足；在實現缺水量最小、綜合效益最大的同時引入環境承載力約束，為區域水資源合理開發提供了有效保障。然后利用Matlab軟件編程和線性加權法，通過模型參數的計算輸出最佳的優化配置方案。

采用構建的優化配置模型，合理配置生態環境、生活、農業和工業等用水部門的水資源。結果表明：丹東市2025年的總需水量、總供水量和總缺水量為63380萬m3、58426萬m3、4954萬m3，全市缺水率平均值7.82%，整體處于缺水狀態；外調水的引入有利于改善區域地下水超采的現狀，限制水系統調節范圍內的地下水最大開采量，為保護地下水資源及改善區域供水結構提供保障。