考慮水資源管理影響的水源配置方案優選研究

摘要：針對水源配置方案較少考慮水資源管理影響的問題，以東莞市為例，考慮水資源管理影響，構建水管理-安全-經濟-環境全方位評價指標體系，并引入灰色關聯系數，建立基于灰色關聯-模糊綜合評價耦合模型，實現水源配置方案優選。結果表明：水管理指標對方案優選結果存在影響，不考慮水資源管理影響時，水經濟指標起主導作用，最優方案為3.65億m3/a的江庫聯網工程和0.95億m3/a的珠配工程，較優備選方案為2.92億m3/a的江庫聯網工程和1.68億m3/a的珠配工程；考慮水資源管理影響時，最優方案為3.65億m3/a的江庫聯網工程和0.95億m3/a的珠配工程，較優備選方案為0.37億m3/a的江庫聯網工程、3.3億m3/a的珠配工程和0.93億m3/a的已建水廠。因此，構建的指標體系與優選模型不僅考慮了當下的供水成本、供水保證率與廢污水排放情況，還考慮了未來的管理難度及其帶來的未知管理成本，為決策者提供更科學全面的決策依據。

關鍵詞：水資源管理；水源配置方案優選；灰色關聯；模糊綜合評價

中圖分類號：TV213.4文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）08-0065-08

Optimal Selection of Water Resource Allocation Schemes Considering the Impact of WaterResource Management

XIAO Yixuan1，ZHENG Yanhui1，2*，HE Yanhu3，CHEN Xiaohong4，GU Xihui5，TU Jingjing1

（1.GuangzhouFranzero Water Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China;2.School of Environment，Southern University ofScience and Technology，Shenzhen 518055，China;3.School of Ecology，Environment and Resources，Guangdong University ofTechnology，Guangzhou 510006，China;4.Center for Water Resources and Environment，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China;5.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：Considering the impact of water resources management，with Dongguan City as an example，a comprehensive evaluation system consisting of water management，safety，economy，and environment index was constructed.A gray correlation coefficient was also introduced to establish a coupling model based on gray correlation-fuzzy comprehensive evaluation，to achieve the optimal selection of the water source allocation scheme.It was found that the water management index would affect the optimal selection result of the scheme.When the impact of water source management is not considered，the water economic index plays a leading role.The optimal scheme is 365 million m3/year of river-reservoir interconnection project（RRIP）and 95 million m3/year Pearl River Delta Water Resources Allocation project（PRDWRAP），while the alternative is 292 million m3/year of RRIP and 168 million m3/year of PRDWRAP.When the impact of water resources management is considered，the optimal scheme is 365 million m3/year of RRIP and 95 million m3/year of PRDWRAP，while the alternative is 37 million m3/year of RRIP，330 million m3/year of PRDWRAP and 93million m3/year of built waterworks.The index system and optimal model constructed in this study not only consider the current water supply cost，water supply guarantee rate and waste sewage discharge，but also the management difficulty in the future and the unknown following management cost.A more scientific and comprehensive decision-making basis for decision makers is thus provided.

Keywords：water resource management;optimization of water resource allocation schemes;grey relational analysis;fuzzy comprehensive evaluation

城市水資源合理開發利用是落實區域社會經濟高質量發展的重要基石，水源配置是水資源利用的核心環節［1］，也是開展水利工作的基礎，近年中國在水利發展中貫徹落實“三新一高”，全國“水網建設”鋪開，逐步通過外調水工程等方式實現水系聯通［2］，多水源可選擇情況下的水源配置合理優選也成為解決城市用水問題研究的重要部分。

外調水工程是增加區域水源來源的最直接有效的方式之一［3］，為使區域供水保障程度通過增加水源來源得到提升，進行水源配置優選是在保障安全經濟等原則下合理使用各類水源。水源配置主要為區域在多種水源可使用的情況下，優選水源及使用方案等，目前常用于水資源配置的水資源評價方法主要有層次分析法、灰色關聯分析法、模糊綜合評價法、多目標分析法及粒子群算法等［4-8］，基于上述方案通過供需平衡分析［9］或是多水源供水優化模型［10］、水源工程選擇模型［11］等建立進行水源配置方案優選，上述方法或模型均考慮了供水保障、經濟效益、生態環境、用水效率等指標，但對于水資源管理的考慮較為缺乏。新增水源后，水資源管理將會有一系列工作，例如：調水工程和新建工程新增用水量指標的確認、“外調水”與“本地水”的用水指標置換、新建工程與已有工程的指標置換、現有取水戶的協調、整合或關停等水行政管理工作，這些管理工作對水源配置方案的實際推進及實現會產生一定的阻力，因此在水源配置工作中都需要重點考慮。

本研究針對水源配置方案較少考慮水資源管理影響的問題，充分考慮水管理指標，建立水管理-安全-經濟-環境全方位評價指標體系，引入灰色關聯系數構建基于灰色關聯-模糊綜合評價耦合模型，以東莞市為例，進行水源配置方案優選，為城市供水工程優選水源以及城市水源合理開發利用提供理論依據與技術支撐。

1研究區概況

東莞市位于廣東省中南部、珠江口東岸，西北接廣州市、南接深圳市、東北接惠州市，屬亞熱帶季風氣候，長夏無冬，雨量充沛，是珠三角中心城市之一、粵港澳大灣區城市之一。根據統計數據，東莞市2022年人均水資源量為226 m3/（人·a）［12］，僅達廣東省全省平均值1 755 m3/（人·a）的13%，位居廣東省全省21個地市中第20位，按照國際公認的標準，人均水資源低于3 000 m3為輕度缺水，人均水資源低于2 000 m3為中度缺水，人均水資源低于1 000 m3為重度缺水，人均水資源低于500 m3為極度缺水，東莞市屬于極度缺水類型城市，且供水壓力隨社會經濟發展日益增大。

廣東省開展流域調水工程——珠江三角洲水資源配置工程（以下簡稱“珠配工程”）建設，預計“十四五”期間工程建成后，工程設計對東莞市的年分配水量規模為3.30億m3［13-14］，具體通水量以實際工程建設及上級水行政部門發放許可等為準，珠配工程為東莞引入西江水外調水源，主要用于東莞南部供水，同時考慮珠配工程檢修期停供等情況，東莞配套啟用已建成的東江與水庫聯網工程（以下簡稱“江庫聯網工程”）向南部補充供水，輸水線路概化圖見圖1。根據廣東省人民政府下達的用水總量管控指標，東莞市2030年用水總量控制指標為22.48億m3/a［15］，東莞市2022年全市取水許可證總量約為21.87億m3/a（不含調水工程部分），指標存量（0.61億m3/a）已接近限值。

需要強調的是，外調水及新建供水工程將對東莞市用水總量控制指標有影響，因此需要確認珠配工程入莞水量與“江庫聯網工程”取用水量，若超過指標存量（0.61億m3/a），需進行用水總量指標協調，需對東莞市現有取水戶進行調整，關閉部分已有取水工程，進行用水總量指標置換。由于現有取水許可的取水戶主要為居民生活自來水廠及支柱工業企業等，指標協調工作存在困難，涉及到已有取水戶的協調或關停、取水許可新發及注銷管理等相關水資源管理工作，對區域水資源管理工作帶來一定困難。

因此本次研究將水管理指標納入優選評價指標體系，通過水管理指標體現水源配置方案在實際落地時水行政主管部門進行水管理的工作難度，在“水安全、水經濟、水環境”的基礎上，進一步考慮水資源管理影響，建立水管理-安全-經濟-環境全方位評價指標體系，優選水源配置最優方案及較優備選方案。

2評價指標體系及計算模型

2.1評價指標體系

綜合考慮近年水源配置優選研究評價指標主要為水安全指標、經濟指標和生態環境指標，在中國水資源管理思想的變革與深化影響下，水資源配置逐漸融合節水優先等水資源管理理念［16］，水資源管理制度中最嚴格水資源管理是中國現階段提升水資源管理科學性和高效性的有力抓手，因此，水源配置需考慮水資源管理的影響，本次進行水源優選研究，將置換水量作為水管理指標，因為最嚴格水資源管理制度下，區域用水總量已定，若超過用水總量控制指標，則“外調水”需要與“本地水”進行指標置換，新建水源需要與已有水源進行指標置換，置換水量越多，置換水量越多代表為了滿足用水指標考核需要對應開展水資源管理工作難度越大，本次采用置換水量代表水管理指標具有合理性和代表性。水安全指標參考熊雪珍等［17］和郭世浩等［18］在水資源配置方案評價和水源配置問題討論中采用生活供水保證率或供需平衡情況作為水安全指標或多目標中的水資源目標，考慮本次研究東莞市水源配置主要為實現東莞南部區域的生活供水更為合理化且得到更好的保障，且水源配置優化的重要目標之一是合理開發利用水源、實現優化供水以及為城市的“以水四定”等水資源發展做好堅實基礎，供水穩定保證是上述目標實現的重要表現，本次選取供水保證率代表不同方案的水安全指標具有一定合理性和代表性。水經濟指標參考陳利群［19］和尤祥瑜等［20］對水源配置方案對應的供水成本影響的思考，本次主要考慮水源優化方案的順利實現的重要性，以及方案涉及多類型的工程建設和水源調配等，綜合的供水成本體現了方案落地的經濟投入程度，也側面反映了在城市水價基本穩定的情況下不同方案能實現的經濟效益程度，本次選取供水成本作為水經濟指標具有一定合理性和代表性。水環境指標參考熊雪珍等［17］對不同方案的生態效益的考慮以及尤祥瑜等［20］使用排污情況作為多目標中的環境目標進行分析，本次主要考慮不同水源配置方案對應的工程及供用水使用情況也不盡相同，對應帶來的廢污水排放情況存在差異，遵循“綠水青山就是金山銀山”的發展原則，在保障水管理、水安全、水經濟的基礎上，還應考慮水環境影響，本次選取不同方案的廢污水排放量作為水環境指標具有一定合理性和代表性。同時引入灰色關聯系數，構建灰色關聯-模糊綜合評價耦合模型，通過結果比對，分析水管理指標對方案優選結果的影響，并完成優選，評價指標體系見表1。

2.2計算模型

建立灰色關聯－模糊綜合評價耦合模型，模型中的評價指標不存在絕對的優劣之分，評價模型主要為對各個方案各項評價指標的相對優劣比較進行方案優選。

2.2.1方案集和指標集［21］

考慮本次方案優選分析涉及多項指標，采用模糊綜合評價模型，m個方案形成方案集A={a 1，a2，…，am}，n個評價指標形成指標集B={b 1，b2，…，bn}，其中指標分為成本型指標（越小越優）和效益型指標（越大越優）。

2.2.2評價指標數據歸一化處理

評價指標值進行歸一化，轉化為從優隸屬度。

成本型指標隸屬度計算見式（1）：

效益型指標隸屬度計算見式（2）：

式中：Rij為第i個方案的第j個指標對應的隸屬度；?為取最大運算符；?為取最小運算符；bij為第i個方案的第j個指標歸一化數值。根據隸屬度計算結果，形成指標的隸屬度矩陣Rmn。

2.2.3指標權重計算［22］

a）參考序列及差異空間變換矩陣。設定最優序列為參考序列am，從優隸屬度數值均為1，am={1，1，…，1}，根據參考序列am與數據列Rij差值絕對值及計算得到差異空間變換矩陣Δij。

b）灰關聯系數。取值考慮分辨系數η的抗干擾作用，本次取η=Δa/Δmax，Δa為Δij平均值，δ的取值范圍為η≤δ≤2η（Δmaxgt;3Δa時，取η≤δ≤1.5η;Δmax≤3Δa時，取1.5η≤δ≤2η）。確定分辨系數后，灰關聯系數采用式（3）：

式中：Δmax為Δij的最大值，Δmin為Δij的最小值。計算灰關聯系數得到灰關聯系數矩陣ξ。

c）信息群灰關聯度及權重。

式中：rj為信息群灰關聯度。歸一化處理得到指標權重wj和權重集W：

wj=rj/rj W=（w 1，w2，…，w n）（6）

2.2.4方案綜合評價

本次綜合評價模型因涉及多指標，采用加權平

均方法進行評價結果值計算，Z值越大則方案越優。

Z=WξT（7）

3優選計算

考慮調水工程珠三角配置工程引西江水進入東莞后，東莞啟用新建工程江庫聯網工程，聯合本地已有供水水廠，東莞將形成“東西結合”雙水源格局，本次對江庫聯網工程、珠配工程、已建水廠的供水組合不同方案進行優選，同時根據評價指標是否包含水管理指標分為對照結果組A組和B組，其中A組不對水管理指標進行考慮。

3.1方案集

以保障東莞市南部供水需求為邊界條件，以江庫聯網工程、珠配工程、已建水廠不同的供水量組合進行方案集設置，其中南部片區最大供水需求為4.6億m3/a，珠配工程供水量最高為3.3億m3/a，江庫聯網工程供水量最低為0.37億m3/a（10.0萬m3/d），供水缺口由本地已有水廠（即表2中的“已建水廠”）補充，由于東莞市供水管網聯通情況較好，方案一至七情況下已建水廠均另向南部片區之外區域進行供水，方案五至七中已建水廠配置水量為0時，對應情況為該方案情況下東莞市南部區域不使用已建水廠供水，已建水廠繼續向東莞市南部片區之外其他區域供水。方案集見表2。

3.2技術指標集及優選關系矩陣

本次指標集包含水管理指標（置換水量Hw）、水安全指標（供水保證率Dw）、水經濟指標（供水成本Mw）、水環境指標（廢污水排放量Qw）。其中供水保證率屬于效益型指標，越大越優，本次分析水源配置優選的主要受水區域為東莞南部片區，根據需水預測進行南部片區自來水用水需求量預測，結合水源供水量進行供需平衡分析，計算供水保證率=可供水量/需求量。置換水量、供水成本、廢污水排放量屬于成本型指標，越小越優，置換水量=珠配工程入莞水量+江庫工程新增水量-東莞市現有用水總量指標余量；供水成本根據不同水源對應的水資源費或原水采購成本等以及對應的供水水廠、供水路線涉及泵站的人員成本和設施設備電費等主要成本進行核算，其中東江水源原水水費成本及供水工程費用成本相對珠配工程相關成本更低，方案供水成本與東江水源使用程度呈負相關關系；廢污水排放量=供水水量×排放系數，其中排放系數主要考慮供水區域污水收集程度、入河排放情況及供水工程檢修期管道排空情況在0.7～0.8選取。對上述指標進行計算，計算結果見表3。

根據式（1）、（2）及指標值矩陣歸一化處理后得到相對隸屬度矩陣：

計算差異空間變換矩陣及分辨系數，由于Δa=0.57、Δmaxlt;3Δa，分辨系數按照1.5η～2η進行取值，本次選取取值范圍中間值0.71，代入式（3）得到灰關聯系數計算公式并計算得到灰關聯系數矩陣。

根據式（4）—（6）計算信息群灰關聯度rj、權重wj和權重集W。得到含水管理指標在內的A組權重集WA，依序為水安全、水經濟、水環境、水管理指標權重：WA={0.264 0.258 0.243 0.236}。

剔除水管理指標重復上述計算得到不含水管理指標在內的B組權重集WB，依序為水安全、水經濟、水環境指標權重：WB={0.288 0.424 0.288}。

3.3綜合評價結果

根據式（7）對各方案指標數值及權重集進行分數結果Z值計算，其中ZA為不考慮水管理指標、ZB考慮水管理指標，結果見表4。

A組（不考慮水管理指標）優選結果：在僅考慮水安全、水經濟、水環境指標的A組優選方案中，最優方案為方案七，即使用3.65億m3/a的江庫聯網工程和0.95億m3/a的珠配工程，該方案供水保證率較高，供水成本最低，廢污水排放量較低，較優備選方案為方案六，即使用2.92億m3/a的江庫聯網工程和1.68億m3/a的珠配工程，在方案七的基礎上減少江庫聯網工程的供水比例、增加珠配工程的供水比例，水安全、水經濟、水環境指標情況相較方案7得分略低。

B組（考慮水管理指標）優選結果：考慮水管理指標后，B組優選方案為方案七，但分數相較A組優選時降低，B組與A組優選結果對比變化較為明顯的是較優備選方案變為方案一，即用0.37億m3/a的江庫聯網工程、3.3億m3/a的珠配工程和0.93億m3/a的已建水廠，方案一在A組中為得分最低，但其置換水量最低（即水管理工作難度最低），對分數結果提升較為明顯，即是說水管理指標對水源優選存在較大影響。

4結果與分析

以東莞市為例，通過置換水量考慮水資源管理影響，構建水管理-安全-經濟-環境全方位評價指標體系，并引入灰色關聯系數，建立基于灰色關聯-模糊綜合評價耦合模型，評價水管理指標對優選結果的影響，并分析優選方案結果。

不考慮水資源管理影響時，東江水源比例最高的方案七各項指標評分較高、總分最高，為A組最優方案，該方案水經濟分數最高，主要是東莞市進行珠配工程西江原水購買成本及供水工程相關成本相對較高，導致西江水比例較低的方案的供水成本相對較低，得分較高，該組中方案六僅供水成本評價指標得分較方案七低，為A組較優備選方案；從該組方案的分數可知，在不考慮水資源管理影響時，由于水安全與水環境指標分數較為接近，水經濟指標起主導作用，即在當下技術水平與環境管理要求下，水源配置優選以經濟因素為主要考慮因素。

考慮水資源管理影響時，納入水管理指標進行評價時，各項指標權重發生變化，各方案的分數也有所變化，最優方案仍為方案七，但其分數有所降低。變化較大的為較優備選方案變為方案一，方案一的水管理指標分數最高，在考慮水資源管理影響情況下，由于方案一置換水量最低，需要關停注銷協調原有取水戶最少，由此帶來的后續管理與賠償成本也最低，即是說在考慮水資源管理影響時，水管理指標確對水源優選存在較大影響。在原先水源配置優選以經濟因素為主要考慮因素的基礎上，提供了考慮水資源管理影響的較優備選方案，因此納入水管理指標的評價體系，不僅考慮了當下建設成本，還考慮了未來的管理難度及其帶來的未知管理成本，為決策者提供更科學全面的決策依據。

5結論與展望

以東莞市為例，構建水管理-安全-經濟-環境全方位評價指標體系，并引入灰色關聯系數，建立基于灰色關聯-模糊綜合評價耦合模型，實現水源配置方案優選。相關結論及展望如下：①本研究考慮最嚴格水資源管理下，水源配置方案在實際落地時水行政主管部門進行水管理的工作難度，將水管理指標納入優選指標體系，結果表明水資源管理對水源配置方案優選有影響，并且考慮水資源管理影響時，不僅考慮了當下建設成本，還考慮了未來的管理難度及其帶來的未知管理成本，優選方案與較優備選方案相結合，能夠為決策者提供更科學全面的決策依據；②從中國城市整體發展的長遠考慮，為提高水資源開發利用合理性、供水保障，因地制宜發展多水源建設，特別是非常規水源利用建設是適應中國當前水源利用發展方向的。多水源配置方案優選研究從“經濟”和“管理”多方向、多維度地配合城市建設的智慧化、一體化建設道路，繼續銜接水管理指標豐富深化城市水源優選研究的指標體系和模型建立是必要的。

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（責任編輯：向飛）