段志豪1 溫海燕 曹中華

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.河北省唐山水文水資源勘測局，河北 唐山 063000)

水資源是支持人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源，是自然、經(jīng)濟(jì)、政治穩(wěn)定的重要因素，關(guān)系著人們的生活健康、生產(chǎn)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，但在一定時(shí)期和一定區(qū)域內(nèi)，水資源量是非常有限的。水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜開放的系統(tǒng)，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)以及政治因素密切相關(guān)，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長，水需求量的日益增加，以及區(qū)域水資源開發(fā)利用程度的日益提高，水資源供需矛盾正在加劇，過量利用水資源或不當(dāng)?shù)乃Y源開發(fā)方式導(dǎo)致了環(huán)境危機(jī)的不斷加劇。因此，水資源規(guī)劃管理問題引起了人們的廣泛關(guān)注，如何優(yōu)化分配區(qū)域內(nèi)有限的水資源已受到國內(nèi)有關(guān)部門的高度重視。

2011年中央出臺(tái)了最嚴(yán)格水資源管理制度，水資源的優(yōu)化配置開始以“三條紅線”為約束條件，更加注重水資源的生態(tài)屬性和環(huán)境屬性[1]。王偉榮等[2]詳細(xì)梳理了水資源配置方案與“三條紅線”制度之間的關(guān)系，量化了“三條紅線”對(duì)水資源配置的約束邊界，并以南四湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，比較了常規(guī)模式和紅線模式下的優(yōu)化水資源配置的結(jié)果。葛瑩瑩[3]針對(duì)不同缺水類型的區(qū)域，將“三條紅線”與約束條件對(duì)應(yīng)起來，運(yùn)用粒子群算法求解得到“三條紅線”約束下的安陽市水資源優(yōu)化配置結(jié)果。任興華[4]將“三條紅線”分別約束于可供水量預(yù)測、需水量預(yù)測、水功能區(qū)納污能力預(yù)測，運(yùn)用人工魚群算法對(duì)多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解，再通過SE-DEA模型對(duì)求解得到的配置方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選得到最佳配置方案。趙喜富[5]將用水效率控制紅線與水功能區(qū)納污紅線考慮到優(yōu)化配置模型的約束條件中，提出針對(duì)不同季節(jié)(或地區(qū))的水資源總量按時(shí)段進(jìn)行優(yōu)化配置，并分別優(yōu)化年內(nèi)調(diào)節(jié)和年際調(diào)節(jié)，得到了優(yōu)先考慮生活用水、生產(chǎn)用水、生態(tài)用水和統(tǒng)籌考慮等多個(gè)二次優(yōu)化配置方案。

目前用于水資源優(yōu)化配置的方法有運(yùn)籌學(xué)的規(guī)劃論、大系統(tǒng)優(yōu)化理論、模擬技術(shù)、智能算法和多目標(biāo)決策方法等。本文論述的水資源優(yōu)化配置采用多目標(biāo)決策方法中的目標(biāo)達(dá)到法，建立目標(biāo)函數(shù)系列，確定其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值，通過加權(quán)系數(shù)向量控制目標(biāo)函數(shù)的偏差，多目標(biāo)問題可化成標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化問題。

1 水資源優(yōu)化配置方法

根據(jù)水資源優(yōu)化配置的范圍、對(duì)象和規(guī)模的不同，可分為灌區(qū)、城市、流域和區(qū)域等類型。本文論述了面向城市的水資源優(yōu)化配置，以最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”為目標(biāo)，運(yùn)用系統(tǒng)分析理論與優(yōu)化技術(shù)，將城市內(nèi)有限的水資源在各用水部門間進(jìn)行最優(yōu)分配，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

“三條紅線”作為約束性指標(biāo)被考慮到區(qū)域水資源配置時(shí)應(yīng)作為最低目標(biāo)，其次再考慮供水和需水指標(biāo)。即配置區(qū)域水資源總量不能超過用水總量紅線約束指標(biāo)，地下水用量不能超過地下水開采總量紅線約束指標(biāo)，工業(yè)用水利用系數(shù)、農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)須達(dá)到用水效率控制紅線的約束指標(biāo)，生態(tài)用水須達(dá)到使水功能區(qū)達(dá)標(biāo)的水量約束指標(biāo)。“三條紅線”與水資源優(yōu)化配置關(guān)系見圖1。

圖1 “三條紅線”與水資源優(yōu)化配置關(guān)系

2 水資源優(yōu)化配置模型

2.1 建立模型的原則

建立水資源優(yōu)化配置模型應(yīng)遵循以下原則。

2.1.1 質(zhì)與量兼顧的原則

在水資源配置時(shí)，既要考慮水量，又要考慮水質(zhì)，做到優(yōu)水優(yōu)用、專水專用。如：地下水可以配置到各行業(yè)，再生水只能配置到農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)環(huán)境，外調(diào)工業(yè)水只能用于工業(yè)區(qū)用水，河流引水只能配置到灌區(qū)用水。

2.1.2 按不同保證率配置水源

考慮農(nóng)業(yè)用水在不同保證率條件下需水變化較大，故配置時(shí)按不同保證率區(qū)別對(duì)待。

2.1.3 符合“三條紅線”控制指標(biāo)要求

水資源配置總量不能超過用水總量控制指標(biāo)，地下水用水量不能超過地下水開采量控制指標(biāo)；工業(yè)用水、農(nóng)田灌溉水須達(dá)到用水效率控制紅線的約束指標(biāo)；生態(tài)用水須滿足水功能區(qū)達(dá)標(biāo)要求。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)水資源供需預(yù)測分析，得出基于可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型目標(biāo)函數(shù)，見下式：

F(x)=[f1(x),f2(x),f3(x),f4(x),f5(x)]

(1)

式中：f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)為子目標(biāo)函數(shù)；k1、k2、k3、k4、k5分別為權(quán)重系數(shù)；g1、g2、g3、g4、g5為子目標(biāo)用水量。

2.3 約束條件

約束條件主要有供(輸)水系統(tǒng)供水能力約束、用水系統(tǒng)供需變化約束、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展約束、非負(fù)約束等。

a.子區(qū)各部門需水約束：

(2)

式中：j(j=1，2，3)為子區(qū)域的需水量，萬m3。

b.水源可供水量約束：

(3)

式中:i(i=1，2，3，4)為水源(地表水、灌區(qū)引水、工業(yè)區(qū)引水、再生水)的可供水量，萬m3。

c.決策變量非負(fù)約束：

xij≥0

(4)

2.4 模型求解方法

水資源的優(yōu)化配置具有多目標(biāo)、多層次、多約束等特點(diǎn)，涉及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與人口、行業(yè)布局、水資源質(zhì)和量等多方面因素。依據(jù)唐山市豐南區(qū)水資源分布特點(diǎn)與用水結(jié)構(gòu)分布，對(duì)比多目標(biāo)傳統(tǒng)算法與多目標(biāo)智能法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用基于控制精英策略的多目標(biāo)粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解。

粒子群優(yōu)化(PSO)算法是由Kennedy和Eberhart于1995年用計(jì)算機(jī)模仿鳥群尋食這一簡略的社會(huì)行動(dòng)簡化之后而提出的方法。本文在率定水資源優(yōu)化配置時(shí)，設(shè)定種群規(guī)模n為42，自身學(xué)習(xí)因子c1和社會(huì)學(xué)習(xí)因子c2均為2，慣性權(quán)重w在區(qū)間[0.3，0.6]上采用線性遞減策略，如式(5)所示。

(5)

式中:wmax=0.6；wmin=0.3；T為總迭代次數(shù)。

圖2 粒子群算法流程圖

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 背景介紹

2013年以來，為加強(qiáng)水資源及水環(huán)境管理，唐山市政府開始對(duì)所轄各縣(市、區(qū))進(jìn)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核，也稱為“三條紅線”考核。本文初步建立以“三條紅線”為目標(biāo)，以需水量和供水量為約束條件的優(yōu)化配置模型，模擬了不同規(guī)劃水平年不同保證率在達(dá)到“三條紅線”考核目標(biāo)要求下、在滿足不同目標(biāo)條件下(生態(tài)最優(yōu)或經(jīng)濟(jì)最優(yōu))豐南區(qū)不同水資源配置時(shí)水資源缺水程度。從諸多模擬結(jié)果中選擇缺水量最小的結(jié)果，作為不同規(guī)劃水平年、不同保證率生態(tài)最優(yōu)及經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)下的配置方案。

本次水資源配置水量為豐南區(qū)在不同水平年、不同保證率時(shí)的可供水量，配置時(shí)主要分析不同供水條件下的水資源供需問題?？紤]到豐南區(qū)的用水產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和污染物排放控制情況，對(duì)豐南區(qū)水資源按下面兩種方案進(jìn)行優(yōu)化配置：即生態(tài)優(yōu)先的配置方案，經(jīng)濟(jì)優(yōu)先的配置方案。

豐南區(qū)的供水水源可分為地表水、地下水、再生水、陡河灌區(qū)引水以及工業(yè)區(qū)引水共5種水源。用水戶可分為生活、農(nóng)業(yè)、二產(chǎn)、三產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境共5個(gè)部門類。計(jì)算單元為北、中、南3個(gè)子區(qū)，以i種水源向j個(gè)用水部門提供的年供水量作為決策變量。決策變量設(shè)置見表1。

表1 決策變量設(shè)置

考慮到水資源配置時(shí)需符合最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”控制目標(biāo)要求，將控制目標(biāo)分解為5個(gè)子函數(shù)。

a.用水總量(對(duì)應(yīng)用水總量控制紅線)，北、中、南3個(gè)子區(qū)，生活、農(nóng)業(yè)、二產(chǎn)、三產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境5個(gè)用水部門的用水總和為

f1(x)=x1+x2+x3+…+x42

(6)

b.地下水用量(對(duì)應(yīng)用水總量控制紅線)，北、中、南3個(gè)子區(qū)，生活、農(nóng)業(yè)、二產(chǎn)、三產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境5個(gè)用水部門的地下水用水總和為

f2(x)=x7+x8+x9+…+x21

(7)

c.工業(yè)用水(對(duì)應(yīng)用水效率控制紅線)，北、中、南3個(gè)子區(qū)工業(yè)用水總量為

f3(x)=x10+x11+x12+x22+x27+x28+x37+x38

(8)

d.生態(tài)用水(對(duì)應(yīng)水功能區(qū)限制納污紅線)，北、中、南3個(gè)子區(qū)生態(tài)用水總量為

f4(x)=x4+x5+x6+x19+x20+x21+x24

+x34+x35+x36+x41+x42

(9)

e.農(nóng)業(yè)用水(對(duì)應(yīng)用水效率控制紅線)，北、中、南3個(gè)子區(qū)農(nóng)業(yè)用水總量為

f5(x)=x1+x2+x3+x16+x17+x18+x23+x31

+x32+x33+x39+x40

(10)

根據(jù)唐山市實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度紅線控制目標(biāo)分解方案，將豐南區(qū)作為一個(gè)整體，采用目標(biāo)達(dá)到法，為上面5個(gè)子函數(shù)確立5個(gè)子目標(biāo)。

用水總量目標(biāo)g1(對(duì)應(yīng)用水總量控制紅線)：采用豐南區(qū)用水總量控制指標(biāo)。

地下水用量目標(biāo)g2(對(duì)應(yīng)用水總量控制紅線)：根據(jù)地下水取水總量控制管理范圍，取礦化度不大于2g/L的淺層地下水和深層承壓水，采用豐南區(qū)地下水開采量控制指標(biāo)。

工業(yè)用水量目標(biāo)g3(對(duì)應(yīng)用水效率控制紅線)：依據(jù)《唐山市實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度紅線控制目標(biāo)分解方案》(2016—2020年)確定豐南區(qū)2020年工業(yè)用水效率控制指標(biāo)，再乘以“豐南區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展‘十三五’規(guī)劃”中2020年工業(yè)增加值，即得到豐南區(qū)2020年工業(yè)用水量控制指標(biāo)。根據(jù)豐南區(qū)2016—2020年工業(yè)用水效率下降率確定2030年工業(yè)用水效率，再乘以2030年工業(yè)增加值(按“十二五”時(shí)期平均增長水平進(jìn)行預(yù)測)，即得到豐南區(qū)2030年工業(yè)用水量控制指標(biāo)。

生態(tài)用水量目標(biāo)g4(對(duì)應(yīng)水功能區(qū)限制納污紅線)：水功能區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)為COD、氨氮。豐南區(qū)涉及的水功能區(qū)有陡河唐山工業(yè)用水區(qū)和沙河唐山農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類，現(xiàn)狀水質(zhì)為劣Ⅴ類。根據(jù)《唐山市最嚴(yán)格水資源管理制度紅線控制目標(biāo)分解方案》(2016—2020年)，2020年陡河和沙河水質(zhì)較現(xiàn)狀有所提高，水質(zhì)為Ⅴ類；2030年陡河和沙河水質(zhì)均達(dá)到水功能區(qū)水質(zhì)要求，即水質(zhì)為Ⅳ類，COD、氨氮濃度分別為30mg/L、1.5mg/L。根據(jù)污染物濃度及污水規(guī)劃水平年排放量，將水功能區(qū)納污紅線指標(biāo)換算為使水功能區(qū)達(dá)到目標(biāo)要求的水量。計(jì)算公式如下：

g4=M/CS×106

(11)

式中：M為污水排放量,t;CS為水質(zhì)目標(biāo),mg/L。

農(nóng)業(yè)用水量目標(biāo)g5(對(duì)應(yīng)用水效率控制紅線)：即北、中、南3個(gè)子區(qū)農(nóng)業(yè)需水總量。

生態(tài)優(yōu)先的配置方案，因需盡量達(dá)到生態(tài)用水量目標(biāo)，故生態(tài)目標(biāo)權(quán)重系數(shù)取值為：k3=0.96，其他各用水目標(biāo)權(quán)重系數(shù)取值為：k1=0.01，k2=0.01，k4=0.01，k5=0.01。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)先的配置方案，因需盡量達(dá)到工業(yè)用水量目標(biāo)，故取工業(yè)目標(biāo)權(quán)重系數(shù)k4=0.96，其他各用水目標(biāo)權(quán)重系數(shù)取k1=0.01，k2=0.01，k3=0.01，k5=0.01。

約束條件：

(12)

式中:A1、A2、A3分別為北區(qū)、中區(qū)、南區(qū)生活需水量；B1為地表水供水量；B2為陡河灌區(qū)引水量；B3為工業(yè)區(qū)引水量；B4為北區(qū)再生水量；B5為中區(qū)再生水量；B6為南區(qū)再生水量。

3.2 計(jì)算結(jié)果

唐山市豐南區(qū)2020年50%和75%保證率情況下預(yù)測缺水分別為1368萬m3和8280萬m3，2030年50%和75%保證率情況下預(yù)測缺水分別為284萬m3和7196萬m3。在“三條紅線”指標(biāo)控制下，采用優(yōu)化配置模型計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 各規(guī)劃年不同保證率情況下各方案缺水量

從圖3可以看出，唐山市豐南區(qū)不同規(guī)劃水平年、不同保證率生態(tài)最優(yōu)及經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)下的配置方案，在達(dá)到“三條紅線”目標(biāo)的情況下，將有限的水資源進(jìn)行合理的優(yōu)化配置，最后總?cè)彼颗c預(yù)測缺水量相差不大。子目標(biāo)缺水情況如下(地下水用量均達(dá)標(biāo))：

a.在2020年50%保證率情況下的缺水預(yù)測，見圖4。

圖4 2020年50%保證率各方案目標(biāo)達(dá)成度

生態(tài)優(yōu)先方案：滿足生態(tài)用水目標(biāo)g4需求；不滿足工業(yè)用水目標(biāo)g3，缺水584萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)g5，缺水590萬m3。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案：滿足工業(yè)用水目標(biāo)g3需求；不滿足生態(tài)用水目標(biāo)g4，生態(tài)缺水589萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)g5，缺水585萬m3。

b.在2020年75%保證率情況下的缺水預(yù)測，見圖5。

圖5 2020年75%保證率各方案目標(biāo)達(dá)成度

生態(tài)優(yōu)先方案：滿足生態(tài)用水目標(biāo)g4需求；不滿足工業(yè)用水目標(biāo)g3，缺水3337萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)g5，缺水3372萬m3。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案：滿足工業(yè)用水目標(biāo)g3需求；不滿足生態(tài)用水目標(biāo)g4，生態(tài)缺水1414萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)g5，缺水4661萬m3。

c.在2030年50%保證率情況下的缺水預(yù)測，見圖6。

圖6 2030年50%保證率各方案目標(biāo)達(dá)成度

生態(tài)優(yōu)先方案：滿足生態(tài)用水目標(biāo)g4需求；不滿足工業(yè)用水目標(biāo)g3，缺水143萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)g5，缺水144萬m3。

經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案：滿足工業(yè)用水目標(biāo)g3需求；不滿足生態(tài)用水目標(biāo)g4，生態(tài)缺水118萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)g5，缺水109萬m3。

d.在2030年75%保證率情況下的缺水預(yù)測，見圖7。

生態(tài)優(yōu)先方案：滿足生態(tài)用水目標(biāo)g4需求；不滿足工業(yè)用水目標(biāo)g3，缺水2882萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)g5，缺水2913萬m3。

圖7 2030年75%保證率各方案目標(biāo)達(dá)成度

經(jīng)濟(jì)優(yōu)先方案：滿足工業(yè)用水目標(biāo)g3需求；不滿足生態(tài)用水目標(biāo)g4，生態(tài)缺水1479萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標(biāo)g5，缺水3918萬m3。

4 結(jié) 語

通過對(duì)結(jié)果的分析，可以預(yù)測唐山市豐南區(qū)在各水平年不同保證率下的缺水形勢，得到最優(yōu)的生態(tài)優(yōu)先和經(jīng)濟(jì)優(yōu)先配置方案，使有限的水資源在滿足不同條件的情況下得到最有效的分配使用，可有效緩解唐山市豐南區(qū)的缺水形勢，同時(shí)可為其他地區(qū)的水資源優(yōu)化配置提供參考和借鑒。