基于紅線管理的鄭州市水資源優化配置研究

周 科

(華北水利水電大學 藝術與設計學院，河南 鄭州 450046)

1 研究背景

目前，就我國水資源配置來說，工業、農業、生活用水比例不斷變化，工業和生活用水兩者所占比例逐年增大，農業用水所占比例逐漸減小，且用水效率逐漸提高，非常規水資源的開發利用呈現出蓬勃發展的趨勢，水資源開發利用出現了一些新的特點。根據水利部發布的《2016年中國水資源公報》[1]，2016年，全國生活用水為821.6億m3，占用水總量的13.6%；工業用水為1 308.0億m3，占用水總量的21.6%；農業用水為3 768.0億m3，占用水總量的62.4%；人工生態環境補水為142.6億m3，占用水總量的2.4%。與2015年相比，農業用水量減少了84.2億m3，工業用水量減少了26.8億m3，生活用水量及人工生態環境補水量分別增加了28.1億m3和19.9億m3。

全國城市供水預計將越來越多地受到人口、缺水、氣候變化和生態環境需水的影響。面對缺水的嚴峻形勢，全國各地采取了許多對策。2012年1月，國務院國發(2012)3號文件發布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》[2-3]，對我國水資源近期、中期和遠期開發利用提出了量、效率和水功能區水資源保護管理紅線指標與四項基本制度，即“三條紅線，四項制度”。對于解決我國復雜的水資源水環境問題，實現經濟社會可持續發展具有深遠意義。近年來，為了實行最嚴格的水資源管理制度，全國各地開展了大量理論研究，同時也新建了一大批水利工程。有些地方采用了先進的水處理技術，提高了非常規水資源利用率[4-6]。但是，工程設施的老化和供水水質的提高迫使城市重新評估傳統的水資源管理模式。鑒于所面臨的水問題挑戰，無論是供水管理部門、還是用水戶，都需要采取科學的行動實現水資源的科學管理[7-10]。

近年來，國內外有關學者對水資源優化配置與管理進行了大量研究，積累了一些可供參考的經驗和成果[11-12]。一些水敏感城市強調適應性基礎設施建設，對傳統的用水模式改革和工程設施運行起到了支撐作用[13-14]。可持續城市水管理戰略框架將各部門的經濟、物質和體制觀點進行跨行業結合，同時吸收更廣泛的社會參與[15]。但是，大多數可持續城市水管理的障礙往往是來自體制方面的，而不是技術性的[16]。城市水治理系統支離破碎，缺乏基于公眾參與的投入，發展緩慢[17]。干旱缺水、社會偏好的演變和其他外部因素能激發新方法的產生[18]。對管理模式的科學評價需要不同尺度的時間與空間資料。在耦合和復雜系統中，不間斷地信息反饋可以改善行為與環境效果[19]。查閱國內外有關研究成果[20-22]，發現缺乏基于強化節水措施的水資源優化配置方案，大多數優化配置方案的結果仍然是缺水，還有缺乏組織管理為背景的水資源優化配置方案，許多方案中使用的指標仍然是傳統性的[23]。

就鄭州市水資源優化配置而言，已經進行了大量研究并取得了有價值的成果，但大多數屬于理論或計算方法方面的探索。首先在研究目標的選取上，以往研究目標的選取存在很大的任意性。研究人員根據自己研究的方法(理論、模型)不同，選取不同的研究目標，而不是考慮當地的實際社會經濟發展目標或水資源約束目標，因而嚴重脫離生產實際。其次，極少文獻將“三條紅線”考核指標作為主要評價指標，并融合在一個指標體系當中進行水資源優化配置。另外，在研究內容上，“三條紅線”的提出，對水資源的開發利用有了更加嚴格的要求，同時也提出應當制定相應的發展規模以滿足“三條紅線”的要求。目前，關于鄭州市水資源優化配置的研究中，還缺乏針對“三條紅線”控制目標進行水資源優化配置的研究成果。

綜上所述，本文結合我國實行最嚴格水資源管理“三條紅線”的有關指標和鄭州市強化節水措施情況，針對目前組織管理現狀、工程設施和科技認知水平，挖掘節水能力，擴大系統受益范圍，構建了水資源配置網絡框架模型和水資源優化配置數學模型。該模型將工程系統、水資源系統、組織管理等融合在一個耦合模型內，并進一步提出了基于“三條紅線”有關指標的鄭州市水資源開發利用優化方案和管理對策。研究結果表明，靈活和適應性強的建模技術在水資源優化配置和數據環境中非常具有優勢。

2 模型構建

2.1 模型構建

(1) 目標函數。以“三條紅線”指標為前提，強化節水措施，合理制定需水指標，實現缺水程度最小，即：

(1)

式中：D(i，j)t、W(i，j)t分別表示第t時段第i地區第j用水戶的需水量和供水量；S為缺水量；I為行政分區數；J為用水戶總數；T為時段總數。

(2) 河道生態環境需水量控制。滿足河道內生態環境需水，控制河道生態環境流量，以斷面生態環境需水滿足程度E來表征：

(2)

式中：E為河道生態環境需水滿足度，其值越大，表明河道生態需水滿足程度越高；QR(x，t)、Qe(x，t)分別為t時段、x河段的流量和河道生態環境需水量；φx為河段權重系數；X為河段總數。

(3) 約束條件。流量約束：滿足斷面最小流量要求，即

QR(x，t)≥Qmin(x，t)

(3)

工程約束：各水源工程供水量不超過其供水能力，即

QM(m，t)≤Qpmax(m)

(4)

河段水量平衡約束：

QR(x，t)=QR(x-1，t)+QRn(x，t)-QSx(x，t)-

QL(x，t)+QT(x-1，t)

(5)

紅線指標約束：區域耗水總量小于本區紅線用水指標，即

Qcon(i)≤QY(i)

(6)

流量非負約束：

Qijkt≥0

(7)

式中：QR(x，t)為斷面t時段下泄量，m3；Qmin(x，t)為斷面最小下泄水量，m3；QM(m，t)為m工程t時段取水量，m3；Qpmax(m)為工程最大取水能力，m3；QR(x-1，t)為x上一河段t時段的徑流量，m3；QRn(x，t)為x河段t時段的區間入流量，m3；QSx(x，t)為x河段t時段的取水量，m3；QL(x，t)為x河段t時段的水量損失，m3；QT(x-1，t)為x上一河段t時段的退水量，m3；Qcon(i)為i地區年度耗水量，m3；QY(i)為i地區分水指標。

(4) 水質模型。以河道污染物遷移、轉化模擬為基礎，以水功能區水質達標為控制目標，建立以數值模擬為核心的水質模型，用于模擬不同水資源分配、污染物排放情景下的河流環境效應[24]。

為滿足河段水功能區水質的要求，以河段水功能區水質指標與目標水質指標的偏差最小為目標，即

minF(QSx(x，t)，Cob，θ)

(8)

式中：θj為j河段水質的權重系數；Cob為水功能區目標水質控制指標；φ(QSx(x，t))為河段取水量在QSx(x，t)情況下的水質指標函數。

(5) 河流紅線管理約束與水功能區污染控制。① 徑流量和污染物濃度采用長期觀測數據；② 定期監測入河排污口排水量和排放濃度；③ 污染物濃度采用分布式模型分析，計算公式如下：

(9)

式中：mlt為入河排污口排入的污染物質量；QRn(l，t)為x河段內第l個入河排污口入流點的流入水量；Clt為第l個入河排污口污染物質濃度；L為河段入河排污口總數。

引出污染物質量與取水量及引出污染物的濃度有關，引出的污染物質量為

(10)

式中：m2t為引出的污染物質量；Cijt為第i地區j用戶t時段取水的污染物濃度；QS(i，j，t)為t時段i地區j用戶取用水量；I，J分別為河段內的行政分區和用水戶總數。

2.2 模型軟件開發

采用通用網絡流優化框架，該網絡流模型已在眾多的水資源管理問題的研究中得以應用[25-26]。該模型中的基本決策變量是k連線連接i和j之間的流量Qijk。

本文基于優化配水和水資源管理網絡中優化管理的概念開發了新的軟件。 該軟件結構靈活，可以對不同供需水方案進行評估，也可以評估水短缺風險。軟件模型的構建和分析思路方法如圖1所示。

圖1 模型構建與研究程序框架示意Fig.1 Description on study procedures and configuration of the model

3 鄭州市水資源優化配置方案與管理

3.1 研究區概況

鄭州市行政轄區總面積為7 446 km2，市區面積為1 010 km2。行政分區包括6個市轄區、1個縣和5個縣級市。鄭州市按流域劃分可分為6個水資源分區，其中淮河流域3個區，黃河流域3個區，分別為沙穎河平原區、沙穎河山區、渦河區、伊洛河區、小浪底～花園口干流區和花園口以下干流區。鄭州市屬于缺水地區，水資源在很大程度上依靠引黃河水和南水北調水。近年來，隨著工農業生產的發展以及生態環境保護的需求，水資源供需矛盾加劇，而要解決水資源供需矛盾，不但會受到水資源數量的限制，同時也會受到水體污染和管理水平的影響。

3.2 網絡節點設計與模型求解

3.2.1水資源管理節點規劃

經過系統分析，將鄭州市水資源優化配置與管理網絡系統設計為332個節點、682個連線；共劃分為47個供水單元、103個供水樞紐點、18個配水管理中心、13個地下水開發核心區、16個水庫和輸水工程設施，以及20處污水處理和再生水開發利用板塊。每個節點都有需水、供水和蓄水能力的屬性。通過指定起始和終止節點以及相應的流量，確定網絡連線，可以根據不同階段內的總水量分配外推到每月、每旬的數量。

資料時間序列為2000～2015 年，用實測流量和水質資料對輸出結果進行驗證。

對鄭州市主要河流及其流域進行了細分，并與上游產流區相對應，每一個節點都具有地下水和地表水交叉的主要特征。

鄭州市水資源網絡系統節點設計如圖2所示。

3.2.2資料輸入

(1) 當地水資源可利用總量。模型資料包括地下水開發利用、地下水補給、工業和農業生產需水量、生活需水量、市政與商業需水量、管理措施、生態需水、污水處理回用、外引水(南水北調、黃河引水等)以及降水與蒸發資料等。選擇資料時段為2000～2015年。鄭州市當地天然水資源計算成果如表1所列。

表1 鄭州市多年平均當地水資源可利用總量計算成果Tab.1 Calculation results of local annual average available water resources in Zhengzhou

(2) 客水資源可利用量。鄭州市客水資源量主要是黃河干流的引供水量、南水北調中線的供水量和洛陽陸渾水庫西水東引的調水量，如表2所列。

圖2 鄭州市水資源系統網絡節點設計示意Fig.2 The nodes map of Zhengzhou water resources system

表2 鄭州市客水資源可利用量 Tab.2 Water availability from other basins 萬m3

(3) “三條紅線”控制目標。依據《河南省實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》[5]，鄭州市的水資源開發利用總量、用水效率、水功能區的達標指標如表3所列。

表3 鄭州市“三條紅線”達標指標Tab.3 “Three Red Lines” indicators in Zhengzhou

3.2.3模型求解

網絡模型采用重復迭代法，迭代運行了55次，構成了55個初步方案，從中優選得出了優化方案。

本文考慮了優化水資源配置基本方案和強化節水措施方案條件下的供需水量、地下水補給和排水量。對于每一個配水點，根據人口數量(2015年水平)、對應需水量、生態環境需水、洪水安全指標、人均最低用水指標、工業萬元GDP(當年價)用水量、農田灌溉畝均用水量、生態環境用水量、考慮不同植被景觀地表覆蓋率、地下水提取量、雨水收集利用、污水再生利用以及外引水量和其他流量數據，綜合現有的基礎設施、管理體系和水資源管理制度等配套資料，經模型優化計算，從55個初步方案中，優選得出了水資源優化配置方案，最后計算得出各配水點在一定供需水條件下的缺水量。

在不同保證率、常規管理和紅線管理背景下，根據模型計算結果，從中優選得出的水資源優化配置方案如表4所列。

由表4可以看出：正常年份(P=50%)在常規管理下的總需水量為19.917 0億m3，對應的實際供水量為17.738 3億m3，實際缺水為10.94%；而實行“三條紅線”管理后，總需水量為17.641 8億m3，實際供水量為17.541 8億m3，缺水為0.56%。基本實現了正常年份的水資源供需平衡。

從水資源組成成分來看，外部引水(黃河、南水北調等)所占比例最大，紅線管理3種年型的外部引水均在50%以上。其次是地下水資源的開發利用，常規管理下，3種年型的外部引水均在20%以上。

從表4還可以看出：基于紅線管理，采取強化節水措施，通過構建的模型實施優化配置，則一般年型基本實現了缺水量為0，即使在P=95%的干旱年份，缺水量僅為2.21%。可見，實施水資源紅線管理和優化配置的效果顯著。

表4 基于“三條紅線”的水資源優化配置方案Tab.4 Water resources optimal allocation scheme based on “Three Red Lines” 億m3

同時由表4還可以看出：實行水資源紅線管理與強化節水措施，加上水資源優化配置，地下水補給量有所增加，在P=95%保證率下，地下水的提取量與補給量接近，實行常規管理下，地下水的補給量相當于提取量的40.39%，在實行紅線管理與強化節水措施的條件下，地下水的補給量相當于提取量的84.70%。因此，基本上解決了鄭州市地下水的下降漏斗問題。

在實行紅線管理與強化節水措施條件下，非常規水資源得到了進一步開發利用，非常規水資源的比例由4.49%提高到16.15%。

4 紅線管理與強化節水措施分析

為了確保實現“三條紅線”確立的目標，鄭州市制定了系統性強化節水措施方案。強化節水方案是在經濟合理、技術可行、增加節水投入的條件下推行的節水措施。根據估算的節水潛力以及各水平年水資源供需分析反饋的缺水狀況，擬定了逐步加大節水投資和力度的節水方案，明確了分階段采取的節水措施及其相應的技術經濟指標，估算了各計算分區不同水平年各部門的節水量，可供進一步開展供需分析和水資源配置選用。

基于鄭州市紅線管理目標和強化節水措施，應用本文模型進行了系統分析。基于分析結果，提出了科學管理措施及建議，如表5所列。

模型研究方案表明：實現水資源優化配置目標，必須強化各項管理，只有將科學的方案置于嚴格的管理措施下，才能發揮其優化配置的效果。解決缺水問題必須采用兩條腿走路：一是科學決策，二是科學管理，二者缺一不可。

表5 基于“三條紅線”管理和模型優化存在的問題與對策Tab.5 Optimizing development objectives and management countermeasures based on “Three Red Lines Model”

5 結 論

當前國內外供需水期望值不斷變化，在資金壓力和水資源短缺雙重壓力下，按照實行最嚴格的水資源管理“三條紅線”的目標，全國各地水資源優化配置水平得以不斷提高，水資源開發利用的經濟社會效益也得以不斷提升。

(1) 基于實行最嚴格水資源管理“三條紅線”的有關指標，本研究利用網絡流模型概念，構建了水資源優化配置模型，利用優化手段來評估鄭州市水資源優化配置情況，并提出了水資源優化配置方案。

(2) 根據本文研究結果，在正常年份(P=50%)實行“三條紅線”管理的情況下，總需水量為17.641 8億m3，實際供水量為17.541 8億m3，缺水為0.56%。基本實現了正常年份供需水量平衡。而常規管理下的總需水量為19.917 0億m3，對應的實際供水量為17.738 3億m3，實際缺水為10.94%。本文提出的水資源優化配置方案可為解決當地水資源短缺問題提供科學參考。

(3) 地下水補給量由現狀的2.861 8億m3增加到了3.921 3億m3，鄭州市的地下水下降漏斗區面積縮小約30%，既保證了水資源需求，同時對于鄭州市社會的經濟發展、城市生態景觀以及實現“三條紅線”目標具有十分重要的意義。

驗證結果表明：本文開發的模型具有一定的靈活性、自適應性和實用性，可以隨著新的數據和科學信息的變化而變化，從而產生出新的預測模型。

未來的研究應當瞄準系統的不確定性、水資源系統的泄漏損失、蒸散發損失和地下水補給，以便更好地揭示地表水與地下水的耦合流動。

基于本文構建的模型，未來的研究可以對一些重要的區域性問題進行檢驗，例如，已經規劃的水資源工程目標實現的可能性、地下水儲蓄工程運行和地下水的補給效果、配套的管理機構設置與管理運行，以及缺水程度的緩解、生態環境效益等。