徐 丹，付 湘，謝亨旺，靳偉榮，萬小麗

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；2.江西省灌溉試驗中心站，南昌 330201)

隨著城市化進(jìn)程的加快、人口密度的加大和氣候變化的影響，使得城市環(huán)境負(fù)荷加重，城市河湖水生態(tài)環(huán)境變得十分脆弱，水質(zhì)明顯變差，嚴(yán)重影響了城區(qū)人民的生活和城市的整體形象，逐漸成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因素。因此，開展灌區(qū)向城市生態(tài)環(huán)境供水的灌區(qū)水資源配置研究，對于有效提高灌區(qū)水利用效率、改善城市水生態(tài)環(huán)境意義重大。

在當(dāng)前實行最嚴(yán)格水資源管理、推進(jìn)城市水生態(tài)文明建設(shè)形勢下，灌區(qū)外城市生態(tài)環(huán)境的用水與灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水存在著很大的用水競爭性[1]。在競爭性用水情勢下, 對水資源進(jìn)行合理分配成為緩解水資源供需矛盾和提高使用效率的重要途徑[2,3]。水資源合理配置中建立經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的目標(biāo)，將水資源配置問題概化為多目標(biāo)決策問題，運用最優(yōu)化理論和決策論獲得多目標(biāo)的優(yōu)化策略，為各用水戶科學(xué)分配水資源提供參考[4-6]。針對贛撫平原灌區(qū)，何振[7]詳細(xì)分析了贛撫平原灌區(qū)水資源現(xiàn)狀及存在的問題，提出了相應(yīng)的對策和措施。彭小斌等[8]分析了灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源、工業(yè)和生活污染，結(jié)合灌區(qū)水質(zhì)評價分析，有針對性地提出灌區(qū)水污染防治辦法和措施。張煜[9]根據(jù)贛撫平原灌區(qū)水資源利用現(xiàn)狀，闡明了該灌區(qū)水資源優(yōu)化配置原則，并提出強化水資源管理的措施。尹杰杰等[10]在自然條件、工程條件、用戶需求特性等各類限制性約束條件下，選取水資源綜合利用效益，人口數(shù)量，人均糧食產(chǎn)量，污水負(fù)荷量四個目標(biāo)，用matlab 軟件編程求解，得到不同水平年綜合目標(biāo)及相應(yīng)決策變量優(yōu)化結(jié)果。劉博等[11]建立基于動態(tài)規(guī)劃和粒子群算法的灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型，將有限的水量在不同作物和不同生育階段之間進(jìn)行最優(yōu)分配，計算了三種降水頻率、多種可供水條件下的農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方案。針對以往灌區(qū)水資源配置中僅追求灌區(qū)內(nèi)綜合效益目標(biāo)的不足，本文以灌區(qū)各用水戶的缺水率最小為目標(biāo)，建立了灌區(qū)向城市生態(tài)環(huán)境供水的水資源優(yōu)化配置模型，制定出了不同降水年與用水高峰月份的參考水量分配方案，為指導(dǎo)江西省贛撫平原灌區(qū)水資源合理利用、保障城市水生態(tài)環(huán)境安全提供切實可行的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

贛撫平原灌區(qū)位于江西省贛中偏北部(東經(jīng)115°31′～116°10′及北緯28°00′～28°40′之間)，地處贛江和撫河下游三角洲地帶(見圖1)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，總面積約2 000 km2，耕地面積13.3萬hm2，設(shè)計灌溉面積8萬hm2。灌區(qū)供水分為東、西總干渠，均從撫河引水，其中西總干渠供水面積占了灌區(qū)的絕大部分，為此次水資源配置的主要研究對象。西總干渠取水于撫河焦石進(jìn)水閘，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉用水、生活用水、工業(yè)用水以及灌區(qū)外的南昌市城市生態(tài)環(huán)境用水。

圖1 贛撫平原灌區(qū)位置示意圖Tab.1 Ganfu plain irrigation area location diagram

目前，灌區(qū)水資源供應(yīng)情況比較樂觀，但是由于工程老化失修、用水管理不到位等各種原因，大量水資源被浪費，水資源綜合利用程度很低[11]。2011年，國務(wù)院發(fā)布中央1號文件強調(diào)“推進(jìn)最嚴(yán)格的水資源管理制度”后，江西省《江西省人民政府關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的實施意見》“贛府發(fā)【2012】29號”文件規(guī)定，撫河流域分配給贛撫平原灌區(qū)的地表水量為10.08 億m3(未計張王廟水電站發(fā)電用水量)，可用水量大幅度減小[12]。而隨著灌區(qū)的不斷發(fā)展，生活用水、工業(yè)生產(chǎn)用水、特別是城區(qū)生態(tài)環(huán)境用水將日益增多，用水競爭日趨激烈，進(jìn)行灌區(qū)水資源配置是非常有必要的。參考贛撫平原灌區(qū)現(xiàn)代化方案報告中的成果，得到灌區(qū)不同降水年的可供利用水量與各用水戶需水量，見表1(降雨頻率小于50%時，可供水量大于需水量，本次研究不予考慮)。根據(jù)年內(nèi)每月各用水戶的用水情況，得到不同月份的灌區(qū)各用水戶需水量，考慮灌區(qū)渠道的供水能力后，灌區(qū)僅有用水高峰期的8月份存在缺水情況，見表2。

表1 灌區(qū)不同降水年水量供需表 萬m3

表2 灌區(qū)不同降水年8月水量供需表 萬m3

2 模型建立

灌區(qū)用水分為灌區(qū)內(nèi)用水與灌區(qū)外用水。其中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水為灌區(qū)內(nèi)用水，它是灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的保障；灌區(qū)外用水即為通過渠道供往南昌市的城市生態(tài)環(huán)境用水，用于保證城市生態(tài)環(huán)境不被破壞、為人們提供良好的生活環(huán)境，關(guān)系到城市生態(tài)環(huán)境與整體形象，如圖2所示。本次研究建立的灌區(qū)向城市生態(tài)環(huán)境供水的水資源優(yōu)化配置模型，以灌區(qū)各用水戶缺水率最小為配置目標(biāo)，采用權(quán)重法進(jìn)行求解。

圖2 贛撫平原灌區(qū)用水示意圖Fig.2 Schematic diagram of water consumption in Ganfu plain irrigation area

2.1 目標(biāo)函數(shù)

水量配置模型的目標(biāo)為實現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)各用水戶缺水率最小，目標(biāo)函數(shù)形式表達(dá)如下：

(1)

式中：ωi為賦予用水戶i的權(quán)重；fi(xi)為各用水戶缺水率，i=1,2,3,4分別代表城市生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)；xi為分配給用水戶i的水量，為決策變量，x=[x1,x2,x3,x4]。

缺水率fi(xi)的表達(dá)式為：

(2)

式中：Di為用水戶i的需水量，萬m3。

則灌區(qū)各用水戶的最優(yōu)分配水量為：

(3)

2.2 約束條件

(1)可供分配水量約束：

(4)

式中：S為可供分配水量，萬m3。

(2)需水約束：

xi≤Di

(5)

(3)非負(fù)約束：

0≤S,0≤xi,0≤Di

(6)

2.3 求解方法

因為用水總量的限制，用水存在競爭，各用戶的目標(biāo)之間是矛盾的，分配某個用戶的水量增多，必然會導(dǎo)致其他用戶可用水量的減少，所以求解使灌區(qū)內(nèi)各用水戶缺水率最小的水量分配方案是一個多目標(biāo)問題。一般求解多目標(biāo)問題是通過一定的方法，將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，常用的方法有約束法和權(quán)重法等。約束法求解多目標(biāo)問題的思想是在多個目標(biāo)中，選擇其中的一個目標(biāo)作為基本目標(biāo)，而將其余的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為不等式約束，通過求解約束問題生成非劣解[12]。權(quán)重法的思想是通過賦予各個子目標(biāo)一定的權(quán)重，將其按照線性組合的方式將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單個目標(biāo)然后進(jìn)行優(yōu)化求解，通過設(shè)置不同的權(quán)重能代表決策者不同的決策傾向。由于約束法適合于求解2個目標(biāo)的優(yōu)化決策，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)多于3個時，用約束法較為繁雜，由于本研究有4個目標(biāo)，因而選取權(quán)重法求解優(yōu)化模型。

3 計算及結(jié)果分析

灌區(qū)管理決策者在制定最終水量分配方案時更多是綜合考慮各用水戶的缺水情況，盡可能的兼顧各用水戶。將模型應(yīng)用于灌區(qū)并賦予各用水戶不同的權(quán)重后進(jìn)行計算，可得到不同的灌區(qū)水資源配置方案。決策者可根據(jù)決策傾向與實際情況賦予不同用水戶不同的權(quán)重，得到對應(yīng)適宜的水量分配方案。由于文章篇幅有限，僅列出在不同降水年份下，灌區(qū)各用水戶權(quán)重相等的、以年為尺度進(jìn)行配置的水量分配方案，見表3。

表3 年尺度下的水量分配方案 萬m3

由表3的年尺度灌區(qū)水資源配置方案可看出，灌區(qū)在降水少的年份可供水量小于需水量，存在資源性缺水問題。在等權(quán)重的水量分配方案下，生活、工業(yè)、城市生態(tài)環(huán)境的用水都能得到滿足，而灌區(qū)缺水集中于農(nóng)業(yè)，具體表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)缺水量從50%降雨頻率年的1 790 萬m3上升90%降雨頻率年的31 118 萬m3，隨降雨的減少缺水變得愈發(fā)嚴(yán)重。在灌區(qū)各用水戶權(quán)重相同的情況下，缺水都由農(nóng)業(yè)承擔(dān)，其根本原因是農(nóng)業(yè)需水量最大，并且占了灌區(qū)用水的絕大部分。灌區(qū)最根本的任務(wù)就是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，所以在制定水量分配方案時，不能簡單為了滿足其他用水戶的需水而減少分配給農(nóng)業(yè)的水量。

由于農(nóng)業(yè)用水存在較大的季節(jié)性，因此針對用農(nóng)業(yè)水高峰期8月，考慮灌區(qū)渠道的供水能力，未考慮10.08 億m3的政策規(guī)定年用水總量限制，進(jìn)行水資源配置，配置結(jié)果見表4。灌區(qū)在降雨頻率為75%與90%的年份時，仍存在缺水情況，這表明灌區(qū)在用水高峰期還存在工程性缺水問題，對灌區(qū)渠系的整改提出了新的要求。

表4 8月水量分配方案 萬m3

4 結(jié) 語

本文考慮了灌區(qū)各用水戶的用水需求，通過建立的模型對贛撫平原灌區(qū)進(jìn)行了水資源配置，研究結(jié)果表明：灌區(qū)缺水情況受降水的影響較大，其中農(nóng)業(yè)受影響最為明顯；基于現(xiàn)狀的水資源配置方案仍存在較大的水量缺口，在各用水戶權(quán)重相等時，僅有農(nóng)業(yè)存在缺水情況；灌區(qū)同時存在資源型缺水問題與工程性缺水問題。

本次研究根據(jù)建立的模型對灌區(qū)水資源進(jìn)行配置，制定了不同降水年的水量分配方案，可為贛撫平原灌區(qū)的水資源管理決策提供參考。在實行最嚴(yán)格的水資源管理制度下，水資源總量是有限的，制定的水量分配方案只是基于現(xiàn)狀的一種解決方案，仍存在較大的不足。農(nóng)業(yè)用水量占灌區(qū)用水的大部分，用水效率仍有待提高，要從根本上解決灌區(qū)的用水緊張問題，實現(xiàn)灌區(qū)的更好、更快發(fā)展，推行更先進(jìn)的節(jié)水灌溉模式、提高農(nóng)業(yè)用水效率迫在眉睫。