蘇海波

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

當(dāng)前許多城市水資源供需處于較為不平衡狀態(tài)，需要依靠外界調(diào)水引水才可滿足各用水項(xiàng)目需求，此對人民生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展均是負(fù)面影響，故而研究討論水資源在規(guī)劃年份的供需平衡具有重要作用[1-3]。已有一些學(xué)者通過研究水資源在歷史年份中的演變規(guī)律，探討水資源在未來年份中的供需狀態(tài)，并評估最適合當(dāng)前地區(qū)內(nèi)水資源用水項(xiàng)目供需量，并可提升水資源的綠色環(huán)保利用[4-6]。近年來，人工算法引入到水資源優(yōu)化配置模型中，根據(jù)所創(chuàng)建的水資源模型，采用人工智能算法迭代求解[7-9]，獲得優(yōu)化配置結(jié)果，并評價模型適用性，對比優(yōu)化配置結(jié)果與預(yù)測結(jié)果之間差異，為地區(qū)編制水資源規(guī)劃年表提供重要理論參考。

1 工程概況與水資源現(xiàn)狀

某城市位于西北地區(qū)，城區(qū)面積約為100 km2，流域內(nèi)共有3條主要河流，其中以陽河為主要干流，流域面積超過600 km2，占總流域面積的48%，區(qū)域內(nèi)農(nóng)田灌溉區(qū)分布在南部，坡度約為1/500。地區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)資料表明，春冬季溫差較大，降雨主要集中在夏季，最大降雨量可達(dá)600 mm，陽河所在流域內(nèi)已建設(shè)有防洪堤壩，夏季水位較高，最大水位可達(dá)8.8 m，水流過境較快，岸坡水土流失較嚴(yán)重。另其他支流流域占全市總面積的30%，另地區(qū)內(nèi)建設(shè)有3個蓄水庫，多個地面引水泵站，其中蓄水庫總庫容超過13億m3；另引渠調(diào)水工程共有6個取水站，可供水3億m3，建設(shè)輸水渠道長度貫穿城區(qū)和周邊區(qū)縣，總長度超過150 km，面向地區(qū)工農(nóng)業(yè)、生活用水以及水生態(tài)恢復(fù)調(diào)節(jié)；所在省份從南部富水城市建設(shè)有補(bǔ)水管道工程，為該城市年引水700萬m3，提升區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉效率，其中農(nóng)田灌溉面積為31.33萬hm2，而該城市6個區(qū)縣均分布有一定農(nóng)田面積。城市工業(yè)生產(chǎn)包括有第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)，各部分占比為12∶43∶45。

根據(jù)水資源現(xiàn)狀調(diào)查得知，2015年地區(qū)內(nèi)各具體用水量如圖1所示，從各行政區(qū)縣用水可看出，以B區(qū)年用水量為最高，在25.0%保證率條件下，其總用水量達(dá)23 600.2萬m3，占比達(dá)25.0%，且隨保證率增大，占比基本穩(wěn)定不變；其中用水具體項(xiàng)目中又以第一產(chǎn)業(yè)為最大占比，該城市全年第一產(chǎn)業(yè)總用水達(dá)60 015.0萬m3，占比超過60.0%，符合該城市以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主，工業(yè)生產(chǎn)為輔的定位。另從圖中亦可看出，生態(tài)用水僅在C、D區(qū)內(nèi)供應(yīng)，其中C區(qū)生態(tài)用水最多，達(dá)4030.5萬m3。

圖1 各區(qū)縣水資源現(xiàn)狀及用水項(xiàng)目

同時也獲得了該城市2015年水資源供應(yīng)情況，如圖2所示。水資源供應(yīng)來源已在前文水文地質(zhì)資料中闡述，供應(yīng)量最大區(qū)縣屬C區(qū)，占比為28.5%，而供應(yīng)量最小為F縣，其可供水量在25.0%保證率時為15 023.0萬m3。從各曲線供水來源項(xiàng)目可看出，地表水占比最大，部分縣區(qū)引渡水為0或占比較低，其中以D區(qū)為例可看出，其全年可供總水量為51 504.9萬m3，而地表水占比69.4%，引渡水占比為13.9%。綜合該城市2015年水資源供需狀況可知，城市以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主，水資源供應(yīng)傾向于第一產(chǎn)業(yè)，工業(yè)生產(chǎn)與生活用水為其次；從整體供水狀態(tài)來看，水資源供需在6個區(qū)縣內(nèi)較為平衡，而供水來源以地表水為主，現(xiàn)狀年各區(qū)縣地表水總供應(yīng)量在供水總量中占比超過63.8%。

圖2 水資源供應(yīng)狀況(保證率25%)

2 規(guī)劃水平年供需預(yù)測

2.1 需水量預(yù)測

在調(diào)查獲得水資源供需現(xiàn)狀后，針對2022水平年開展水資源供需預(yù)測，按照不同用水項(xiàng)目需求進(jìn)行分類預(yù)測分析。結(jié)合該城市地區(qū)人口與農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)人口比例，給出6個區(qū)縣具體生活用水預(yù)測量，如圖3所示。從圖3中可看出，按照城鎮(zhèn)人口量發(fā)展趨勢，以C區(qū)、D區(qū)需水量最高，其中C區(qū)生活用水量占比最高達(dá)24.4%，其人口總量亦占比超過22.0%，F(xiàn)縣由于城鎮(zhèn)人口數(shù)量較少，在預(yù)測時考慮城鎮(zhèn)用水管網(wǎng)滲漏率為10.0%，其生活用水總量占比為7.5%，為843.6萬m3。而生活用水總需水量預(yù)測為11 315.5萬m3。

圖3 行政區(qū)縣生活需水預(yù)測

圖4為農(nóng)業(yè)用水預(yù)測量，根據(jù)預(yù)測可知，B區(qū)、E縣農(nóng)業(yè)用水占比最高，達(dá)26.2%、24.6%，該城市規(guī)劃水平年豐水年農(nóng)業(yè)總用水量為51 176.1萬m3，農(nóng)業(yè)用水總量預(yù)測時按照各區(qū)縣主要作物年均需灌溉用水量預(yù)測。

圖4 行政區(qū)縣農(nóng)業(yè)需水預(yù)測

地區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)總值最高屬C區(qū)與D區(qū)，故而考慮該兩區(qū)工業(yè)用水占比為最高，占比分別達(dá)26.4%、24.5%，工業(yè)總需水量預(yù)測值為10 059.8萬m3，兩個傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)縣工業(yè)用水占比為最低，為12.6%、9.2%，符合水資源消耗按照靶向需求分配。行政區(qū)縣工業(yè)用水預(yù)測見表1。

表1 行政區(qū)縣工業(yè)用水預(yù)測 萬m3

生態(tài)用水預(yù)測按照各區(qū)縣內(nèi)河流流量的30%～40%，生態(tài)總需水量為1675.1萬m3，由于各區(qū)縣河流分布時空不均，因而生態(tài)需水量根據(jù)各個縣區(qū)實(shí)際流域面積，按照補(bǔ)給系數(shù)0.63進(jìn)行水資源供應(yīng)。

綜合各需水項(xiàng)目可知，規(guī)劃水平年總需水量為247 547.1萬m3，各區(qū)縣占比與2015年現(xiàn)狀年具有相似之處，而用水項(xiàng)目中農(nóng)業(yè)用水與工業(yè)用水降低了，主要是由于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)更新?lián)Q代與農(nóng)業(yè)灌溉效率提高，水資源用量得到縮減。各區(qū)縣生態(tài)需水與總需水預(yù)測見圖5。

圖5 各區(qū)縣生態(tài)需水與總需水預(yù)測

2.2 供水量預(yù)測

供水來源分為地下水、地表水、引渡水與再生水，其中地表水供應(yīng)預(yù)測值為26 244.1萬m3，占比水資源供應(yīng)總量的26.8%，其中各區(qū)縣內(nèi)又以E縣蓄水工程最多，因而該區(qū)可供應(yīng)地表水達(dá)8040.9萬m3，占比總地表水供應(yīng)量的30.6%，與2015年現(xiàn)狀年具有相似之處。地下水供應(yīng)總量為32 598.4萬m3,而各區(qū)縣供應(yīng)量與所在區(qū)縣環(huán)境有關(guān)，B區(qū)所在盆地四周地勢較高，地勢適合積水，故而其地下水資源供應(yīng)總量達(dá)8112.0萬m3，乃各區(qū)縣中最高，占地下水總供應(yīng)量24.9%。引渡水供應(yīng)總量整體較低，可供應(yīng)22 556.2萬m3，相比地表、地下水供應(yīng)量，引渡水僅僅是面向于緊急用水項(xiàng)目。再生水為地區(qū)污水處理廠所生產(chǎn)水資源，但受限于工廠運(yùn)力，按照生產(chǎn)率提升15.0%計(jì)算，再生水在規(guī)劃水平年可供應(yīng)量為16 502.1萬m3。各區(qū)縣供水量預(yù)測見圖6。

圖6 各區(qū)縣供水量預(yù)測

對比規(guī)劃水平年水資源供需關(guān)系可知，在保證率25.0%條件下，水資源供應(yīng)處于富余狀態(tài)，但富余量較少，僅為15 861.1萬m3，但當(dāng)保證率提升至50.0%以上時，出現(xiàn)缺水量，其中保證率75.0%時，缺水率達(dá)22.2%，水資源供應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重短缺。為此考慮地區(qū)內(nèi)水資源供需平衡，應(yīng)對水資源配置進(jìn)行優(yōu)化。

3 水資源優(yōu)化配置研究

3.1 水資源優(yōu)化配置模型

根據(jù)該地區(qū)內(nèi)水資源配置要求，以及水資源配置規(guī)劃后帶來效益，建立水資源配置模型。其中經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)函數(shù)表述如式(1)所示：

(1)

式中:bij、cij分別指效益價值系數(shù)；αij、βij分別指供、需水優(yōu)先次序系數(shù)。

以地區(qū)水資源供需調(diào)度所帶來的社會公平公正價值來反映社會效益指標(biāo)，當(dāng)供水優(yōu)化配置處于最佳狀態(tài)時，社會公平公正狀況反應(yīng)最好，則此時社會效益指標(biāo)為最大，因而建立社會效益指標(biāo)函數(shù)如式(2)所示：

(2)

環(huán)境效益指標(biāo)表征了水資源優(yōu)化配置過程中，給生態(tài)環(huán)境帶來的正面價值，反映了水資源供需是否符合生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，因而其目標(biāo)函數(shù)可表述如式(3)所示：

(3)

式中:dj、pj均指表征污染物系數(shù)與污染物濃度。

在綜合各目標(biāo)函數(shù)后，獲得水資源優(yōu)化配置模型，還應(yīng)限制其邊界約束條件，包括有地區(qū)水資源最大承載能力、各部分用水項(xiàng)目需水約束量以及水資源供需變量均應(yīng)涵蓋在內(nèi)，三個函數(shù)約束關(guān)系，分別以函數(shù)式表述如式(4)所示：

(4)

式中：Wi指供應(yīng)水量最大能力；Qmin,j、Qmax,j分別指用水項(xiàng)目所需最小、最大水量。

為求解上述多目標(biāo)函數(shù)水資源優(yōu)化配置模型，引入免疫克隆算法與遺傳算法，其中免疫克隆算法乃是一種多次迭代尋找解集的智能算法，再利用遺傳算法針對解集，模擬人類基因遺傳原理，找到不同解對應(yīng)的算子式，對比各個種群P(t)，類似于各個解在解集合中關(guān)系，不斷針對每個隨機(jī)種群解評價，進(jìn)而找到符合目標(biāo)函數(shù)最適的解[10-11]。

3.2 優(yōu)化配置結(jié)果分析

在上述水資源優(yōu)化配置模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，求解獲得地區(qū)內(nèi)水資源優(yōu)化配置結(jié)果，如圖7所示，限于篇幅，本文只展示給出豐水年優(yōu)化配置結(jié)果。從圖7中可看出，在規(guī)劃水平年2022年，豐水期總共可供應(yīng)水資源量為81 889.1萬m3，總需水量約為81 830.4萬m3，水資源供需基本平衡；各城區(qū)內(nèi)水資源分配量基本滿足需求，缺水量城區(qū)屬E縣、F縣，但B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)均可內(nèi)部調(diào)度，保證地區(qū)內(nèi)總體上水資源平衡。

枯水年地區(qū)內(nèi)水資源可供應(yīng)總量為80 523.2萬m3，總需水量約為91 734.5萬m3，缺水率為12.3%；6個區(qū)縣整體上缺水率最大不超過15.0%，為F縣，平均缺水率僅為9.2%，另在枯水年B區(qū)供水仍能滿足自身需求，缺水率為0；對比各保證率條件下各區(qū)縣缺水狀態(tài)，傳統(tǒng)水資源供需常常隨保證率增大，缺水率逐漸增大，且在低保證率條件下的區(qū)縣內(nèi)處于缺水狀態(tài)，高保證率條件下缺水亦較為顯著，但本文經(jīng)過水資源模型優(yōu)化配置后，枯水年各區(qū)縣缺水率并未一昧隨保證率增大，缺水率穩(wěn)定升高，而是在處于有機(jī)調(diào)節(jié)作用下，缺水狀態(tài)在高保證率時會進(jìn)行轉(zhuǎn)移至較為不缺水區(qū)縣，形成缺水率相對其他區(qū)縣可降低狀態(tài)。對比規(guī)劃水平年2022年水資源預(yù)測結(jié)果可看出，在保證率增大至50.0%后，缺水率逐漸增大，其中75.0%保證率條件下缺水率達(dá)22.0%，而根據(jù)水資源優(yōu)化配置后，豐水年在75.0%保證率以下均不出現(xiàn)水資源缺口，其中75.0%保證率下缺水率最大為E縣，亦僅為9.3%，枯水年在75.0%保證率下平均值為20.5%，如圖7(b)所示，水資源優(yōu)化配置后供需平衡關(guān)系大大增強(qiáng)。

圖7 水資源配置結(jié)果及缺水率曲線

4 結(jié) 論

為研究地區(qū)水資源供需平衡狀態(tài)，分析了地區(qū)內(nèi)水資源當(dāng)前現(xiàn)狀，并進(jìn)行預(yù)測規(guī)劃水平年2022年供需狀態(tài)，引入免疫克隆算法與遺傳算法，建立水資源模型優(yōu)化配置，分析優(yōu)化配置結(jié)果，得到以下結(jié)論。

(1)研究了地區(qū)規(guī)劃年各用水項(xiàng)目以農(nóng)業(yè)用水最多，達(dá)51 176.1萬m3，生態(tài)用水最少，為1675.1萬m3，供水來源以地表水為主，地表水供水量占總供水量26.8%；豐水年在保證率50.0%以上時出現(xiàn)缺水，其中75.0%保證率時缺水率達(dá)22.2%。

(2)分析引入免疫克隆算法與遺傳算法，創(chuàng)建綜合經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)、社會效益指標(biāo)以及生態(tài)效益指標(biāo)的多目標(biāo)水資源模型函數(shù)，并求解獲得了地區(qū)水資源優(yōu)化配置后結(jié)果，具有良好的適用性與正確性。

(3)獲得了規(guī)劃年豐水年水資源供需平衡，枯水年與高保證率豐水年缺水率較低，相比水資源預(yù)測時均顯著降低；地區(qū)枯水年25.0%保證率下總?cè)彼蕿?2.3%，各區(qū)縣內(nèi)最大缺水率不超過15.0%，平均缺水率僅為9.2%，水資源供需關(guān)系平衡性顯著提高，且年保證率與區(qū)縣缺水率并無顯著正相關(guān)關(guān)系。