孫凌虹,王 靜

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院,陜西 西安 710127;2.西安理工大學水電學院,陜西西安 710148)

隨著城市經(jīng)濟的繁榮和工業(yè)化的發(fā)展,各地區(qū)對城市生活空間和環(huán)境質(zhì)量的要求也日益提高,相應(yīng)地,出現(xiàn)了對資源的過度需求以及大規(guī)模的開發(fā)利用。而水資源的供需矛盾也首當其沖,成為當今世界普遍關(guān)注的一個問題。如何科學合理地對城市水資源進行配置,不僅關(guān)系到城市經(jīng)濟社會的進步,也成為影響城市發(fā)展的最大“瓶頸”之一。因此,從國家水資源配置的全局性出發(fā),以改善城市用水緊張,實現(xiàn)城市水資源的可持續(xù)利用為前提,進一步總結(jié)和發(fā)展水資源配置的相關(guān)理論體系和關(guān)鍵技術(shù),對我國水資源的持續(xù)利用,以及城市經(jīng)濟、社會、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展都具有重大的理論和現(xiàn)實意義。

1 水資源配置理論研究概述

1.1 水資源合理配置的概念辨析

近年來,國內(nèi)很多學者分別從不同的角度和領(lǐng)域?qū)λY源配置問題進行了深入的探討和研究,他們都給出了自己的解釋：

(1)王順久等認為[1]：水資源的合理配置是指在一個特定的區(qū)域或流域內(nèi),通過提高水資源的配置效率,綜合解決各行各業(yè)之間的用水問題,即對不同形式的有限的水資源進行科學合理的分配,其最終目的就是實現(xiàn)水資源的協(xié)調(diào)利用。

(2)趙斌等人認為：水資源合理配置是指通過工程與非工程手段,以及跨流域調(diào)水等措施,在一定時間段內(nèi),合理改變水資源的區(qū)域結(jié)構(gòu)及天然時空分布,在協(xié)調(diào)好各地區(qū)之間利益矛盾的同時,最終實現(xiàn)某一特定區(qū)域或流域的經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)展。

(3)王濟干等提出在和諧發(fā)展的前提下,對一特定區(qū)域或流域內(nèi)一定量和質(zhì)的水資源,按照不同的需求和用途,通過工程和非工程措施,將水資源在各用戶之間進行科學合理的分配。

(4)王浩、秦大庸等認為[2]：在水資源生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi),通過工程與非工程措施,對一定范圍內(nèi)不同形式的多種可利用水源,按照有效性、公平性、可持續(xù)性和系統(tǒng)性的原則,綜合調(diào)控各區(qū)域和用水部門之間的利益分配,即是對水資源的合理配置。

(5)甘泓、李令躍等將水資源的合理配置定義為[3]：按照公平、有效和可持續(xù)的原則,對一特定區(qū)域或流域內(nèi)水資源在各用水戶之間的科學分配。

以上是各學者在近期的研究中對水資源合理配置的一些看法,其中,以我國頒布的《全國水資源綜合規(guī)劃大綱》提出的概念最為廣大學者所接受,即[4]：“在流域或特定的區(qū)域范圍內(nèi),遵循公平、高效和可持續(xù)性的原則,利用各種工程與非工程措施,考慮市場經(jīng)濟的規(guī)律和資源配置準則,通過合理抑制需求、保障有效供給、維護和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等手段和措施,對多種可利用水源在區(qū)域間和各用水部門間進行的配置”。

從上述定義可以看出,對水資源合理配置的要求,大體上有以下幾個共性：①運用工程與非工程措施;②遵循公平、有效、系統(tǒng)以及可持續(xù)等原則;③按需分配;④最大限度地利用水資源。實際上,水資源的合理配置問題就是提出一個更好地利用稀缺水資源的方法和手段,在對人類城市影響最小的前提下,從一系列復雜關(guān)系中找出相對公平的、可接受的水資源分配方案,從而實現(xiàn)對水資源的開發(fā)、利用、保護與管理之間效益的最大化。

1.2 水資源優(yōu)化配置的基本原則

廣義的水資源是指水環(huán)境資源或水體資源,即指可利用或有可能被利用的各種天然的或人為的水體。我國《水法》中所稱的水資源,包括河流、湖泊、水庫中的地表水以及地下水。我國是一個水資源貧乏的國家,人均水資源擁有量僅為世界平均水平的四分之一。在全球一體化的時代背景下,隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展,城市工業(yè)和生活用水的需求不斷激增,而個人普遍缺乏節(jié)水意識,造成水資源浪費現(xiàn)象極其嚴重。因而,對已有水資源的有效利用更顯得尤為重要?？偟恼f來,水資源的合理配置應(yīng)該遵循公平原則和效率原則的統(tǒng)一[5]。在具體實施時,應(yīng)設(shè)置以下幾個原則：

1.2.1 可持續(xù)化原則。

對水資源的開發(fā)利用要有一定的限度,要按照水資源的承載能力,推進社會和水利的協(xié)調(diào)發(fā)展。只有水資源承載能力與社會經(jīng)濟發(fā)展的水平相協(xié)調(diào)時,才能實現(xiàn)整個社會的可持續(xù)發(fā)展。

1.2.2 宏觀調(diào)控原則。

水資源是由人類所共有的物質(zhì)財富。在承認資源共享的前提下,由權(quán)威的國家政治權(quán)力機構(gòu)進行宏觀調(diào)配,從而實現(xiàn)水資源的合理開發(fā)和可持續(xù)利用。

1.2.3 開源與節(jié)流并重原則。

這涉及到一個水資源總量控制的問題。計劃用水、節(jié)約用水,是實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的長久之策。對于在取水,也即開發(fā)水源的過程當中,也要有一個排放總量的控制限額。只有開源與節(jié)流并重,才能在滿足當代人用水需求的前提下,保障后代人的用水權(quán)利不被剝奪。

1.2.4 因地制宜以及使用權(quán)優(yōu)先原則。

水資源配置應(yīng)根據(jù)當?shù)氐淖匀粭l件及社會經(jīng)濟發(fā)展狀況進行有計劃地配置,并在分配過程當中解決優(yōu)先使用權(quán)的問題,例如生活(生存)優(yōu)先原則,因為水資源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),各地在進行水資源配置中都必須首先保證城鄉(xiāng)居民生活用水以及施工安全生產(chǎn)所必須的水。

1.2.5 綜合效益最大化原則。

從水資源的開發(fā)利用及保護的角度出發(fā),綜合調(diào)配各項相關(guān)資源,從而獲得經(jīng)濟、社會、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的最佳綜合效益。

1.2.6 不損害原則。

自然水體有一定的自凈能力,所以,生活和生產(chǎn)廢物的排放應(yīng)盡可能降低到最低程度,即維持在生態(tài)環(huán)境承載力的范圍之內(nèi),從而保持水體清潔和水域功能。

必須說明,水資源優(yōu)化配置的原則是多方面的,因為影響水源的因子是各種各樣的。我們只能在社會的發(fā)展和問題出現(xiàn)的過程當中不斷地加以調(diào)整和完善,但就目前來看,主要是以上 6個原則。

2 水資源優(yōu)化配置模型的建立

城市水資源是一個復雜的大系統(tǒng),一般由 4個部分組成,即供水、輸水、用水以及排水系統(tǒng)。城市水資源的配置過程可描述為[6]：水資源配置系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)輸入的信息,從水資源系統(tǒng)通過輸水系統(tǒng)將水分配到各個用水部門,然后由用水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)反饋信息給水資源分配系統(tǒng),水資源分配。如此反復,直到得到最優(yōu)配置結(jié)果。

2.1 子區(qū)劃分與水源、用戶構(gòu)成

設(shè)區(qū)域劃分為 k個子區(qū),定義 k子區(qū)水源與用戶之間的供需關(guān)系矩陣。子區(qū)內(nèi)水源與用戶間的供求關(guān)系系數(shù),i=1,2,m為不同供水水源,j=1,2,,n為不同需水用戶。當k子區(qū)的 i水源和 j用戶存在供求關(guān)系時

2.2 模型目標的確立

水資源系統(tǒng)優(yōu)化的最高目標是,實現(xiàn)水資源合理配置,使經(jīng)濟、社會的綜合效益達到最大。并且,水資源利用不是僅追求某一方面效益的大小,而是追求整體效益最高。因此,水資源優(yōu)化配置問題實際上是一個多目標決策問題。

其目標函數(shù)形式可表示為：

式中：X為決策向量,由不同數(shù)量、質(zhì)量和賦存形式的水資源組成;分別為水資源開發(fā)利用的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

2.2.1 經(jīng)濟效益

以區(qū)域供水凈效益最大來表示：

2.2.2 社會效益

以區(qū)域總?cè)彼孔钚肀硎荆?/p>

式中：Dkj為 k子區(qū) j用戶的需水量(萬 m3)。

2.2.3 環(huán)境效益

以區(qū)域重要污染物(COD)的排放量最小來表示：

式中：dkj為 k子區(qū) j用戶單位廢水排放量中重要污染因子(化學需氧量 COD)的含量(mg/l);Pkj為 k子區(qū) j用戶廢污水排放系數(shù)。

2.3 約束條件

2.3.1 區(qū)域供水系統(tǒng)的供水能力約束

即 k子區(qū) i水源向所有用戶的供水量之和應(yīng)小于其可供水量：

式中：為 k子區(qū)i水源的可供水量。

2.3.2 區(qū)域用水系統(tǒng)的需水能力約束

即 k子區(qū) j用戶從水源獲得的水量應(yīng)該介于該用戶需水量的上下限之間：

2.3.3 區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展約束

區(qū)域水資源利用與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)度 μB1(σ1)、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量改善的協(xié)調(diào)度 μB2(σ2),此處分別用供需水量比值、區(qū)域生產(chǎn)總值增長率與污水處理能力增長率的比值來反映;并假定區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)最低值 μ＊為0.8。

2.3.4 變量非負約束

2.4 總體模型

將目標函數(shù)與約束條件組合在一起就構(gòu)成了水資源優(yōu)化配置的總體模型,即 Obj

此模型可以得到某一區(qū)域內(nèi)各子區(qū)及用戶的缺水程度,結(jié)合各區(qū)域的實際情況,最終提出解決區(qū)域供需水矛盾的方法與途徑。

3 水資源優(yōu)化配置研究建議

針對水資源配置的研究現(xiàn)狀,結(jié)合國內(nèi)水資源利用的實際情況,提出以下建議：

1)完善水資源配置體系。水資源涉及經(jīng)濟、社會和環(huán)境等多種影響因素,要充分協(xié)調(diào)各因素之間的關(guān)系,最終實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與發(fā)展。

2)利用科學技術(shù)及現(xiàn)代化手段提高水資源利用效率。正確估計水資源承載能力,重視科技進步和現(xiàn)代化管理對提高水資源利用效率的巨大作用。

3)建立合理的水資源配置模型。重視模型的實用價值以及可行性,切忌主觀色彩過濃,以滿足實際需求為主。

4 結(jié)語

由于我國水資源相對匱乏,合理配置城市水資源,是實現(xiàn)我國經(jīng)濟社會發(fā)展的前提和保障。隨著科學技術(shù)的日新月異,會出現(xiàn)越來越多的新方法和新理論。我們應(yīng)該在科學發(fā)展觀的指引下,從社會學、生態(tài)學、經(jīng)濟學等角度綜合研究,建立一套符合我國水問題國情的科學的水資源配置體系,從而實現(xiàn)整個社會的可持續(xù)發(fā)展。

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