張正蘋，成自勇，沈國云，張 芮

(1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2 甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400)

黃河流域向甘肅省可供水資源優(yōu)化配置研究

張正蘋1，成自勇1，沈國云2，張 芮1

(1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2 甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400)

【目的】構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型.【方法】以黃河流域向甘肅省可供水資源為研究對(duì)象，通過多年供需水量平衡分析，采用水資源管理決策支持系統(tǒng)中的最優(yōu)化技術(shù),構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型.【結(jié)果和結(jié)論】模型計(jì)算結(jié)果顯示：近期2020年和遠(yuǎn)期2030年水資源配置分別為52.75和64.52億m3，其中農(nóng)業(yè)用水較前10年分別減少2.8和0.7億m3，其他行業(yè)用水不同幅度增加.預(yù)測(cè)該配置方案能滿足該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境發(fā)展對(duì)水資源的要求.

黃河流域; 水資源； 供需平衡; 優(yōu)化配置; 最優(yōu)化技術(shù)

水資源配置是指在流域或特定的區(qū)域范圍內(nèi)，遵循有效性、公平性和可持續(xù)性原則，利用各種工程和非工程措施，按照市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律和資源配置準(zhǔn)則，通過合理抑制需求、保障有效供給、維護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等手段和措施，對(duì)多種可利用水資源在區(qū)域間和各用水部門間進(jìn)行調(diào)配[1].隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、人口的不斷增加、城鎮(zhèn)化率的提高，甘肅省需水量不斷增加，尤其是蘭州新區(qū)、蘭白經(jīng)濟(jì)區(qū)、游牧民族定居供水、隴東能源基地的規(guī)劃與開發(fā)等對(duì)水資源的需求，水資源供需矛盾日趨嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境將面臨嚴(yán)竣的考驗(yàn)，嚴(yán)重制約著該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展.通過水資源優(yōu)化配置提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，是21世紀(jì)我國的水利工作的首要任務(wù)[2].對(duì)有限的水資源進(jìn)行合理配置，實(shí)現(xiàn)高效利用是緩解水資源短缺、供需矛盾的必要手段[3-4].

本研究以《甘肅省地級(jí)行政區(qū)用水總量控制指標(biāo)研究》[5]、《甘肅省地級(jí)行政區(qū)用水效益控制指標(biāo)研究》[6]相關(guān)研究為基本依據(jù)，以甘肅省水資源供需平衡分析為基礎(chǔ)，結(jié)合黃河流域?qū)嶋H情況，構(gòu)建了黃河流域向甘肅省可供水資源優(yōu)化配置模型，通過求解模型，得到該流域規(guī)劃水平年的最優(yōu)配水量，可為相關(guān)部門提供參考.

1 研究區(qū)概況

甘肅地域遼闊，省內(nèi)分屬黃河、長江、內(nèi)陸河三大流域，水資源時(shí)空分布不均、各地氣候條件差異明顯、地貌特征各有不同[7].其中黃河流域包括黃河干流(包括支流莊浪河、大夏河、祖厲河及直接入干流的小支流)、洮河、湟水、渭河、涇河、北洛河等6個(gè)水系，年徑流量大于1億m3的河流有36條，其中黃河干流10條、洮河水系12條、湟水水系1條、渭河水系7條、涇河水系6條.黃河流域自產(chǎn)水資源量為125.16億m3，入境水資源量為239.64億m3，出境水量為341.08億m3.黃河流域向甘肅省供水包括武威市、蘭州市、白銀市、臨夏州、定西市、天水市、平?jīng)鍪?、慶陽市和甘南州等9個(gè)地級(jí)行政區(qū).供水系統(tǒng)見圖1.

圖1 黃河流域向甘肅省地級(jí)行政區(qū)供水系統(tǒng)

Fig.1 A water supply system of the Yellow River basin for the prefecture-level administrative region in Gansu Province

2 模型構(gòu)建

本研究將黃河流域可供水分區(qū)作為研究區(qū)，根據(jù)甘肅省多年平均供需水量和用水發(fā)展趨勢(shì)，采用水資源管理決策支持系統(tǒng)中的最優(yōu)化技術(shù)，建立一個(gè)分別以城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)村生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水為尋優(yōu)目標(biāo)，以地表水、地下水供水量為約束條件，以尋優(yōu)目標(biāo)的最優(yōu)化為目標(biāo)的水資源優(yōu)化配置模型[8-9]，通過求解模型，確定近期(2020年)和遠(yuǎn)期(2030年)最優(yōu)供水方案，將水資源在各分區(qū)不同用水部門間進(jìn)行最優(yōu)化配置.

2.1 變量設(shè)置

共設(shè)有4個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)參與優(yōu)化的用水行業(yè)有城鎮(zhèn)生活用水、農(nóng)村生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水共5個(gè)行業(yè)，分別用xiC,xiR,xiI,xiA和xiE表示第i分區(qū)上述各用水行業(yè)分配的水量(i=1,2，…，4).水資源分為地表水資源和地下水資源，用S表示使用地表水源，用G表示使用地下水源.

2.2 約束條件

在建立模型時(shí)考慮了如下約束條件.

地表水約束:一個(gè)流域的地表水可供水量與河流的水文特性和河道上的引、蓄水工程的規(guī)模、質(zhì)量以及管理措施等許多因素有關(guān).計(jì)算中各用水行業(yè)用地表水量不能超過可供水量，因而形成如下約束條件：

地下水約束:要求地下水開采量不能超過該流域內(nèi)地下水可開采量.如果破壞了這一關(guān)系，過量開采地下水就會(huì)產(chǎn)生一系列環(huán)境負(fù)效應(yīng).因此，必須加以限制.數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2.3 尋優(yōu)目標(biāo)

2.3.1 城鎮(zhèn)生活用水目標(biāo) 城鎮(zhèn)生活用水有如下式成立:

2.3.2 農(nóng)村生活用水目標(biāo) 農(nóng)村生活用水有如下公式成立：

2.4 各目標(biāo)優(yōu)先級(jí)別的確定

在實(shí)際計(jì)算時(shí)，各個(gè)具體目標(biāo)需要根據(jù)它在區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和長遠(yuǎn)規(guī)劃中的相對(duì)重要性，確定優(yōu)先級(jí)別.擬定了下列5級(jí)目標(biāo)：

2.5 目標(biāo)函數(shù)的確定

由以上各目標(biāo)優(yōu)先級(jí)別的確定，目標(biāo)函數(shù)可以表示為：minZ=P1+P2+P3+P4+P5+P6.即目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型.

3 模型求解與結(jié)果分析

3.1 參數(shù)選擇

模型中涉及的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、需水量和供水量，其他系數(shù)主要有萬元產(chǎn)值耗水量、生活用水標(biāo)準(zhǔn)、灌溉定額、用水效益系數(shù)等，來自于《甘肅省地級(jí)行政區(qū)用水總量控制指標(biāo)研究》和《甘肅省地級(jí)行政區(qū)用水效率控制指標(biāo)研究》中提供的資料.如表1～3所示.

表1 黃河流域2020和2030年年需水量預(yù)測(cè)表Tab.1 The Yellow River basin forecasting annual water demands in 2020 and 2030 億m3

表2 黃河流域2020和2030年為甘肅省供水總量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The Yellow River basin total water supply statistical table for Gansu Province in 2020 and 2030 億m3

表3 甘肅省黃河流域2010年用水指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of water indicators of Gansu province in 2010

3.2 模型求解

水資源管理決策支持系統(tǒng)是以水資源開發(fā)利用的管理決策為主要內(nèi)容，根據(jù)研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及自然地理?xiàng)l件，在綜合利用各種信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上研究與開發(fā)的.水資源管理決策可用圖2所示流程概化.將模型有關(guān)約束條件存入模型數(shù)據(jù)庫中，打開水資源管理決策支持系統(tǒng)模型庫，點(diǎn)擊目標(biāo)規(guī)劃模型，輸入有關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算出不同供水區(qū)、不同產(chǎn)業(yè)部門水量配置結(jié)果.水資源配置結(jié)果見表4～5.

圖2 水資源管理決策流程圖Fig.2 Water resources management decision flow chart

3.3 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 供需平衡分析 本研究確定的2020、2030年黃河流域向甘肅省供水量分別為52.76和64.52億m3，超過了黃河流域向甘肅省可供水30.4億m3的分水指標(biāo)(按照“87”分水制，耗水率按0.61計(jì)算)，考慮省內(nèi)南水北調(diào)工程調(diào)水量，同時(shí)2020年前甘肅省黃河流域分水指標(biāo)增加，才能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求；地下水總量控制指標(biāo)為6.78億m3，未超過地下水可開采量18.8億m3.由模型配置結(jié)果可知，在75%的保證率下，無論是2020年還是2030年，可供水資源的優(yōu)化分配實(shí)現(xiàn)了在保證人民生活、工業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)供水的同時(shí)，還能滿足生態(tài)與環(huán)境用水的需求，有利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)與環(huán)境保護(hù)的統(tǒng)一.

表4 2020年黃河流域向甘肅省可供水資源優(yōu)化配置表

表5 2030年黃河流域向甘肅省可供水資源優(yōu)化配置表

3.3.2 用水結(jié)構(gòu)分析 將規(guī)劃年2020年、2030年甘肅省各用水行業(yè)需水量與現(xiàn)狀年2010年需水量進(jìn)行比較，結(jié)果見表6.

表6甘肅省現(xiàn)狀年與規(guī)劃水平年需水總量增量比照表

Tab.6GansuProvinceplanningannualwaterdemandincrementalcomparedwiththepresentyear億m3

行業(yè)2010年2020年需水量增量1)2030年需水量增量2)城鎮(zhèn)生活4.096.842.758.791.95農(nóng)村生活2.223.801.584.370.57工業(yè)15.1020.845.7429.838.99農(nóng)業(yè)21.3318.53-2.8017.83-0.70生態(tài)1.162.751.593.700.95合計(jì)43.9052.768.8664.5211.76

1) 2020年與2010年比； 2) 2030年與2020年比.

由表6可以看出，確定的2020年需水量較2010年用水量增加8.86億m3，其中城鎮(zhèn)生活用水增加2.75億m3，農(nóng)村生活用水增加1.58億m3，農(nóng)業(yè)用水減少2.8億m3，工業(yè)用水新增5.74億m3，生態(tài)用水增加1.59億m3.確定的2030年需水總量較2020年用水量增加11.76億m3，其中城鎮(zhèn)生活用水增加1.95億m3，農(nóng)村生活用水增加0.57億m3，農(nóng)業(yè)用水減少0.7億m3，工業(yè)用水新增8.99億m3，生態(tài)用水增加0.95億m3.該模型確定的配置水量，使得用水結(jié)構(gòu)更加合理，水資源效益進(jìn)一步提高.

4 討論與結(jié)論

在水資源嚴(yán)重短缺的今天，正確分析各用水部門的需水量和可供水量，科學(xué)合理的配置水資源，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和能源開發(fā)的根本保障，對(duì)于協(xié)調(diào)好資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)關(guān)系和實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和資源的可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用[9-11].甘肅省地處干旱氣候區(qū)，生態(tài)與環(huán)境脆弱，水資源貧乏，時(shí)空分布不均，屬資源性缺水區(qū).近十年來，人類活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響，同時(shí)由于水資源開發(fā)利用中缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和科學(xué)管理，使城市產(chǎn)生了地下水位持續(xù)下降、水質(zhì)污染等問題；灌區(qū)出現(xiàn)水質(zhì)惡化、土壤鹽漬化等一系列環(huán)境負(fù)效應(yīng)，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加劇了水資源不足的供需矛盾，造成了嚴(yán)重的社會(huì)危害[12].因此，加強(qiáng)水資源科學(xué)管理勢(shì)在必行，黃河流域向甘肅省可供水資源管理決策支持系統(tǒng)可為水資源科學(xué)管理與決策提供輔助依據(jù).

系統(tǒng)中采用的多目標(biāo)水資源管理模型，實(shí)現(xiàn)了分析者與決策者之間的信息交流，使決策者在整個(gè)水資源決策過程中，從定義模型的目標(biāo)與約束到分析理解結(jié)果都更主動(dòng).

水資源管理決策支持系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在我國起步尚晚，缺乏經(jīng)驗(yàn)，需進(jìn)一步完善水資源管理決策支持系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)，加強(qiáng)本系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)行檢驗(yàn)、改進(jìn)和完善.

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【責(zé)任編輯霍 歡】

OptimalwaterresourcesallocationoftheYellowRiverbasinforGansuProvince

ZHANG Zhengping1, CHENG Ziyong1, SHEN Guoyun2, ZHANG Rui1

(1 Engineering College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2 Jingtaichuan Electrical Lifting Irrigation Administration Bureau of Gansu Province, Jingtai 730400, China)

【Objective】 To construct an optimal water resources allocation model.【Method】This study chose the water resources of the Yellow River for Gansu Province as the research object. The optimal technique of water resources management decision support system was used to construct the model of optimal allocation of water resources through years of water supply and demand balance analysis.【Result and conclusion】Model calculation results showed that in the 2020 and forward 2030 time period, water resources allocation would be 5.275 billion cubic meter and 6.452 billion cubic meter respectively, including a reduction in agricultural water for 280 million cubic meter and 70 million cubic meter compared to their last decade’s respectively, and other industry water consumption would increase to some extent. This scheme can meet region’s socioeconomic and ecoenvironmental development demands for water resources according to the prediction.

the Yellow River basin； water resources; supply and demand balance; optimal allocation; optimization technique

2012- 12- 31優(yōu)先出版時(shí)間2014- 01- 03

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.S.20140103.0830.023.html

張正蘋(1988—)，女，碩士，E-mail:zhzp0723@126.com;通信作者：成自勇(1956—)，男，教授，E-mail：chengzy@gsau.edu.cn

甘肅省教育廳研究生導(dǎo)師項(xiàng)目(0902- 02)

張正蘋，成自勇，沈國云，等.黃河流域向甘肅省可供水資源優(yōu)化配置研究[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,35(2):105- 109.

S336

A

1001- 411X(2014)02- 0105- 05