程 凡

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆是我國西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口密集的地區(qū)，也是典型的干旱缺水地區(qū)。近年來，新疆水資源量嚴(yán)重減少，水污染問題加劇，水資源承載力大幅下降，嚴(yán)重影響和制約了新疆社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，新疆地區(qū)作為西部大開發(fā)的中心城市和戰(zhàn)略地位的輻射功能更加突出，新疆地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源的開發(fā)利用提出了更高的要求，因此對新疆地區(qū)水資源的可持續(xù)利用進(jìn)行認(rèn)真思考，建立符合新疆地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的水資源優(yōu)化配置模式，對于解決新疆地區(qū)水資源短缺的現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域概況

新疆位于歐亞大陸的中心，天山中部北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣。它是世界上離海最遠(yuǎn)的內(nèi)陸城市。以東經(jīng)86°38′～ 88°58′、北緯42°45′～ 44°08′為界，海拔680 ～ 920 m[1]。該省覆蓋15個城市，面積166萬km2，占中國陸地總面積的六分之一，是我國面積最大、陸地邊界最長、鄰國最多的省份。

新疆是典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，氣候干燥，降水量少，蒸發(fā)量大，日照時數(shù)長。冬天冷，夏天熱，晝夜溫差大。年平均氣溫6.4℃，年平均降水量236 mm，年平均蒸發(fā)量2300 mm[2]。新疆可利用的水資源可分為地表水資源和地下水資源。地表水資源總量為1038.868億m3，地下水資源總量為610.408億m3。各行政區(qū)域的水資源量見表1。

2 構(gòu)建優(yōu)化配置模型

根據(jù)國家現(xiàn)行水資源政策和地方規(guī)劃，以2016年水資源狀況為當(dāng)前水平年，2025年為規(guī)劃水平年，建立了新疆水資源聯(lián)合調(diào)配系統(tǒng)多目標(biāo)線性優(yōu)化模型。該模型包括新疆的地表水、地下水等其他水源，目標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。約束條件包括供水能力約束、需求約束、輸送水能力約束、污染排放的化學(xué)需氧量約束和變量的非負(fù)約束[3]。然后，依據(jù)前期收集的數(shù)據(jù)，通過多目標(biāo)規(guī)劃求解的方法得到最終的區(qū)域最優(yōu)配置規(guī)劃方案。

根據(jù)目前的問題，新疆水資源優(yōu)化配置的最終目標(biāo)是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)環(huán)境效益最大化。

表1 2016年新疆行政分區(qū)水資源總量表

(1)經(jīng)濟(jì)效益：以新疆供水凈效益最大為目標(biāo)，如式(1)[4]：

(1)

(2)社會效益：以新疆缺水量最小為目標(biāo)，如式(2)：

(2)

(3)生態(tài)環(huán)境效益：以新疆主要污染排放物化學(xué)需氧量的總和最小為目標(biāo)，如式(3)[5]：

(3)

根據(jù)問題的條件，考慮到約束水資源發(fā)展的共有以下幾個約束條件[6]：

(1)水資源供水能力約束，如式(4)：

(4)

式中：Si為i水源可供水量。

(2)水資源需求約束，如式(5)：

(5)

(3)水資源輸送水能力約束：

(6)

(4)水資源污染排放物COD約束：

(7)

(5)非負(fù)約束：

(8)

3 需水量分析計算

(1)居民生活需水量：采用定額法,用式(9)計算[5]。

Wh=365×10-3×(p×q)

(9)

式中：Wh為生活年需水量，m3/a；p為人口數(shù),人；q為用水定額，m3/人·d。

(2)工業(yè)需水量用式(10)計算

W=c×g

(10)

式中：W為規(guī)劃水平年工業(yè)需水量,億m3；c為規(guī)劃水平年工業(yè)增加值,萬元；g為規(guī)劃水平年工業(yè)每萬元增加值用水量，億m3/萬元。

(3)農(nóng)業(yè)需水量用式(11)計算。

Wt=∑(b×q/η)

(11)

式中：Wt為農(nóng)業(yè)需水量，億m3；b為灌溉面積,hm2；q為作物灌溉定額,億m3/hm2；η為作物所在灌區(qū)有效利用系數(shù)，取均值0.8[6]。

(3)生態(tài)需水量用式(12)計算。

Wn=∑ai×ri

(12)

式中：Wn為生態(tài)需水量,億m3；ai為不同類型覆蓋面積，hm2；ri為用水定額,億m3/hm2。

各個部門需水量值如表2所示。

不同部門在不同規(guī)劃水平下的用水量每年不同，每個季節(jié)也不同。生活用水和生態(tài)用水分為額定用水量和最低用水量。工業(yè)生產(chǎn)有高峰期和正常期，用水量也不同。農(nóng)業(yè)用水有灌溉期和非灌溉期，用水量也不同。因此，對于不同的部門使用不同的水量，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)姆秶鷣肀硎舅鼈?。一般來說，以規(guī)劃水平年需水量為基定標(biāo)準(zhǔn)，不同部門使用水量的下限和上限分別為規(guī)劃水平年需水量的0.8倍和1.2倍[7]。用水部門需水量的上限和下限的數(shù)據(jù)見表3。

表2 各個部門需水量表 億m3

表3 各個部門需水量上下限表 億m3

4 新疆水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置結(jié)果

4.1 求解方法主要步驟

(1)單一對象求解。首先將三個不同的目標(biāo)函數(shù)分解成各自目標(biāo)函數(shù)下的子系統(tǒng)[8]，然后求解每個子目標(biāo)的最優(yōu)解，實現(xiàn)子系統(tǒng)的局部優(yōu)化。

(2)求解最優(yōu)目標(biāo)。從單一目標(biāo)得到的函數(shù)得到新的約束，并對原始約束進(jìn)行綜合求解最優(yōu)解，實現(xiàn)系統(tǒng)的全局優(yōu)化。

4.2 新疆水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置結(jié)果

利用多目標(biāo)規(guī)劃求解的方法[9]對新疆水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解，得到結(jié)果如表4所示。

表4 新疆水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置結(jié)果 億m3

續(xù)表4 億m3

由表4可以看到，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益的共同情況下，新疆地區(qū)2025年規(guī)劃水平年的總需水量為42.367億m3，總供水量為42.277億m3，缺水量為0.1047億m3，總?cè)彼蕿?.600%。供水基本可以保證各個需水部門的需求。

5 結(jié) 語

本文建立了新疆水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，探討了社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境目標(biāo)的量化方法，確定了評價目標(biāo)的約束條件。根據(jù)多目標(biāo)規(guī)劃求解的方法，得到新疆水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置的結(jié)果，該結(jié)果提高了新疆水資源的利用效率。因此，水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置對于提高水資源利用效率，緩解和協(xié)調(diào)水資源短缺具有重要的理論意義。