慕　琳，王應(yīng)軍（.重慶市合川區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，重慶合川4050；.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 成都6830）

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川西山區(qū)河流水電梯級(jí)開發(fā)減水河段用水分配研究

慕琳1，王應(yīng)軍2
（1.重慶市合川區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，重慶合川401520；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 成都611830）

本文根據(jù)白沙河流域水電梯級(jí)開發(fā)要求，建立水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型。通過求解模型提出白沙河流域水資源優(yōu)化配置方案，以追求流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境綜合效益最大化，促進(jìn)流域協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展。

水電梯級(jí)開發(fā)；減水河段；用水分配；優(yōu)化配置模型

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，資源利用的矛盾也日益突出。如何正確處理經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的關(guān)系，解決用水分配問題，是有待深入研究的課題。本文根據(jù)川西山區(qū)河流水資源利用特點(diǎn)，建立流域水資源優(yōu)化配置模型，進(jìn)行流域用水分配探討，為白沙河流域水資源合理開發(fā)利用與生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　水電梯級(jí)開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響

水電梯級(jí)開發(fā)將自然河流變成了人工渠道，對河流水文過程、泥沙輸送、水生生物以及河流兩岸的自然景觀等都有巨大的再造作用［1］。由于水電梯級(jí)開發(fā)，河流被分隔成許多片段，破壞了河流的連續(xù)性，而且引水式電站會(huì)使河流形成較長的減（脫）水段，河流的片段化以及減（脫）水段對流域的生態(tài)環(huán)境影響很大［2］。

2　流域用水分配模型

2.1建模思路

本文按照流域水電梯級(jí)開發(fā)的基本要求，在構(gòu)建模型時(shí)，其思路為以可用水資源量為前提，在滿足流域生態(tài)環(huán)境需水要求的同時(shí)能夠使流域獲得最大的綜合效益。

2.2目標(biāo)函數(shù)

本文選擇社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益等綜合效益最佳為優(yōu)化配置目標(biāo)。其中社會(huì)效益滿足農(nóng)村人畜用水需求，經(jīng)濟(jì)效益滿足梯級(jí)電站用水需求，生態(tài)效益滿足河道內(nèi)、外用水需求。

目標(biāo)1水資源利用綜合效益最大，即社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益總和最大。

式中：B為流域用水總效益；VL、VI、VE、VA分別為單方生活用水效益，單方經(jīng)濟(jì)用水效益，單方生態(tài)用水效益和單方農(nóng)業(yè)用水效益；xL、xI、xE、xA分別為地表水生活分配用水量，地表水經(jīng)濟(jì)分配用水量，地表水生態(tài)分配用水量和地表水農(nóng)業(yè)分配用水量；x′L′、x′E、x′A分別為地下水生活分配用水量，地下水生態(tài)分配用水量和地下水農(nóng)業(yè)分配用水量。

目標(biāo)2基本生活用水必須得到滿足，即滿足流域居民和牲畜用水。

式中：Wl為生活用水量；ki為人均用水定額，Ri為人口總數(shù)；kjs為j類牲畜平均用水定額，Rjs為j類牲畜數(shù)量；J為牲畜種類。

目標(biāo)3流域生態(tài)環(huán)境用水要求必須得到滿足，即減水河段總?cè)彼孔钚　?/p>

式中：Qs為減水河段總?cè)彼?；Qd，it為i電站t時(shí)段的下泄水量；Qa，it為i減水河段t時(shí)段的上游來水量；Qm，it為i減水河段t時(shí)段的區(qū)間來水量；We，it為i減水河段t時(shí)段的生態(tài)需水量；I為減水河段總數(shù)；T為時(shí)段總數(shù)。

目標(biāo)4流域經(jīng)濟(jì)用水效益最大，即梯級(jí)電站發(fā)電效益最大。

式中：BI為流域總發(fā)電效益；Nit為i電站t時(shí)段平均出力；Cit為i電站季節(jié)性電能價(jià)格；△T（t）為t時(shí)段長度；I為電站總數(shù)；T為時(shí)段總數(shù)。

2.3約束條件

2.3.1水量平衡約束

式中：QT為總用水量；QL為生活用水量；QI為經(jīng)濟(jì)用水量；QE為生態(tài)用水量；QA為農(nóng)業(yè)用水量；QP為水資源量；Qup為地表水量；Qdown為地下水量。

2.3.2生態(tài)需水量約束

（1）總量約束

式中：We，t為t時(shí)段流域總生態(tài)需水量；Win，t為t時(shí)段河道內(nèi)生態(tài)需水量，Wout，t為t時(shí)段河道外生態(tài)需水量。

（2）需水量約束

式中：Qt為t時(shí)段河流流量；Wet，min為t時(shí)段內(nèi)維持流域基本生態(tài)環(huán)境功能水量；Wet，max為t時(shí)段內(nèi)維持流域最佳生態(tài)環(huán)境功能水量。

2.3.3生態(tài)用水量約束

（1）總量約束

式中：QE，t為t時(shí)段流域總的生態(tài)用水量；QE，kt為t時(shí)段第k個(gè)生態(tài)用水對象的生態(tài)用水量。

（2）用水量約束

當(dāng) QE，t≥Wet，min時(shí)，滿足：Wet，min≤QE，t＜Wet，max

式中：Wet，min為t時(shí)段內(nèi)維持流域基本生態(tài)環(huán)境功能水量；Wet，max為t時(shí)段內(nèi)維持流域最佳生態(tài)環(huán)境功能水量。

2.3.4生活用水約束

式中：Wl為生活用水量；ki為人均用水定額，Ri為人口總數(shù)；kjs為j類牲畜平均用水定額，Rjs為j類牲畜數(shù)量；J為牲畜種類。

2.3.5電站出力約束

式中：Nit為i電站t時(shí)段平均出力；Nit，min為i電站t時(shí)段允許最小出力；Nit，max為i電站t時(shí)段允許最大出力。

2.3.6發(fā)電流量約束

式中：Qe，it為i電站t時(shí)段平均發(fā)電流量；Qe，it，min為i電站t時(shí)段允許最小發(fā)電流量；Qe，it，max為i電站t時(shí)段允許最大發(fā)電流量。

2.3.7電站大壩水位約束

式中：Vit為i電站t時(shí)段大壩水位；Vit，min為i電站t時(shí)段允許最小大壩水位；Vit，max為i電站t時(shí)段允許最大大壩水位。

2.3.8電站大壩下泄流量約束

式中：Qd，it為i電站t時(shí)段平均下泄流量；Qd，it，min為i電站t時(shí)段允許最小下泄流量；Qd，it，max為i電站t時(shí)段允許最大下泄流量。

2.3.9變量非負(fù)約束

2.4模型參數(shù)的確定

2.4.1需水量及其上、下限

生態(tài)需水量、生活需水量和農(nóng)業(yè)需水量上、下限采用文獻(xiàn)［3］數(shù)據(jù)。

2.4.2用水效益

流域用水效益的計(jì)算采用文獻(xiàn)［4］的方法，其結(jié)果詳見表1。

表1　白沙河流域各用水部門的用水效益

2.4.3權(quán)重系數(shù)

權(quán)重系數(shù)wi是某個(gè)目標(biāo)相對其它目標(biāo)而言的重要性程度。本文根據(jù)白沙河流域具體情況，采用層次分析法（AHP）［5］確定權(quán)重，其結(jié)果詳見表2。

表2　白沙河流域各目標(biāo)用水權(quán)重系數(shù)

2.4.4電站參數(shù)

梯級(jí)電站參數(shù)由白沙河流域梯級(jí)開發(fā)電站設(shè)計(jì)報(bào)告和環(huán)評報(bào)告獲取，詳見表3。

表3　白沙河流域梯級(jí)開發(fā)電站參數(shù)

2.5模型求解

3　實(shí)例研究

白沙河流域經(jīng)濟(jì)用水主要為梯級(jí)電站用水，生態(tài)用水為河道及兩岸生態(tài)環(huán)境用水，生活用水為居民及牲畜用水，農(nóng)業(yè)用水為農(nóng)作物及經(jīng)濟(jì)作物用水。本文以白沙河流域2010年和2020年不同設(shè)計(jì)保證率（P=50%、P=75%）的需水和現(xiàn)狀供水以及梯級(jí)電站開發(fā)情況為依據(jù)，擬定模型參數(shù)，利用MATLAB遺傳算法工具箱（GAOT）［7］求解，得到白沙河流域水資源優(yōu)化配置結(jié)果。

白沙河流域2010年和2020年在不同設(shè)計(jì)保證率 （P= 50%、P=75%）下水資源配置狀況詳見表4～5。在經(jīng)濟(jì)高效型發(fā)展方案中，經(jīng)濟(jì)用水和生活能夠得到滿足，生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)缺水嚴(yán)重，2010年生態(tài)缺水率分別為29.28%和43.98%，農(nóng)業(yè)缺水率分別為25.11%和 27.05%，2020年生態(tài)缺水率分別為33.33%和48.08%，農(nóng)業(yè)缺水率分別為26.20%和27.99%；在生態(tài)環(huán)境保護(hù)型發(fā)展方案中，生活用水和生態(tài)用水能夠得到滿足，農(nóng)業(yè)用水基本能夠得到滿足，缺水嚴(yán)重，2010年經(jīng)濟(jì)缺水率分別為 11.80%和 17.48%，2020年經(jīng)濟(jì)缺水率分別為13.13%和18.75%；在生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)型發(fā)展方案中，生活用水能夠得到滿足，農(nóng)業(yè)用水基本能夠得到滿足，經(jīng)濟(jì)用水與生態(tài)用水均有一定程度缺水，2010年經(jīng)濟(jì)缺水率分別為5.31%和9.82%，生態(tài)缺水率分別為16.66%和19.67%，2020年經(jīng)濟(jì)缺水率分別為6.77%和10.15%，生態(tài)缺水率分別為16.67%和22.48%。

表4　白沙河流域不同水平年P(guān)=50%保證率水資源優(yōu)化配置結(jié)果

表5　白沙河流域不同水平年P(guān)=75%保證率水資源優(yōu)化配置結(jié)果

4　結(jié)語

本文以川西山區(qū)白沙河為研究對象，針對流域水電梯級(jí)開發(fā)減水河段影響，建立以社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)的水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，提出水資源優(yōu)化配置方案。研究表明，通過水資源優(yōu)化配置，各用水部門協(xié)調(diào)用水分配，缺水情況能夠得到緩解，其中生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)型發(fā)展方案效果最佳，水資源能夠合理分配，為加強(qiáng)流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源開發(fā)利用等提供幫助。

［1］張承龍.水利水電項(xiàng)目的景觀環(huán)境影響評價(jià)［J］.云南水利水電，2003，19 （1）：51～54.

［2］劉蘭芬.河流水電開發(fā)的環(huán)境效益及主要環(huán)境問題研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2002（8）：121～128.

［3］楊軍.引水式電站大壩最小下泄生態(tài)流量實(shí)例分析［J］.小水電，2007 （3）：24～25.

［4］陳興茹，劉樹坤.經(jīng)濟(jì)合理的生態(tài)用水量及其計(jì)算模型（Ⅰ）-理論［J］.水利水電科技進(jìn)展，2006，26（5）：1～6.

［5］朱成濤.區(qū)域多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置研究［D］.河海大學(xué)，2006，36～37.

［6］王洪波，王宏偉.查哈陽灌區(qū)水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型及其應(yīng)用研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2007（7）：47～50.

［7］杜 東，馬 震，孫曉明.MATLAB遺傳算法工具箱（GAOT）在水資源優(yōu)化計(jì)算中的應(yīng)用［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2007，13（2）：73～78.

王應(yīng)軍（1972-），男，四川成都人，教授，畢業(yè)于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，主要從事環(huán)境水利、環(huán)境生物工程等方面的研究。

TV213.2

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2095-2066（2016）10-0042-03

2016-3-8

慕 琳（1981-），男，重慶江津人，中級(jí)工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。