張禮兵，喻海関，金菊良，胡亞南，崔 毅，吳成國

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所，安徽合肥 230009）

1 研究背景

經(jīng)濟社會高速非均衡發(fā)展會導(dǎo)致區(qū)域過度分化和各地嚴(yán)重失衡的利益格局［1］。進入21世紀(jì)以來，國家戰(zhàn)略由區(qū)域非均衡發(fā)展開始逐步向總體均衡發(fā)展轉(zhuǎn)變，這對保障經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善具有重要支撐作用的水資源管理提出了更高要求，特別是在習(xí)近平總書記就保障國家水安全戰(zhàn)略問題提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的十六字治水方針以來，水科學(xué)界迅速聚焦國家發(fā)展的這一重大需求，從理論和實踐出發(fā)持續(xù)開展水資源空間均衡概念內(nèi)涵、技術(shù)方法及應(yīng)用方面的研究。

1.1 在理論研究方面王浩等［2］初步闡述了水資源空間均衡的概念，即實現(xiàn)水資源系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)之間、不同區(qū)域之間的協(xié)調(diào)發(fā)展；酈建強等［3］認為“空間均衡”就是流域或某一區(qū)域范圍內(nèi)人口經(jīng)濟社會發(fā)展與資源環(huán)境相均衡；左其亭等［4］建議根據(jù)研究對象和目標(biāo)選擇的不同，將水資源空間均衡度具化為分布空間均衡度、供需平衡空間均衡度、社會經(jīng)濟匹配空間均衡度、調(diào)配格局空間均衡度、協(xié)調(diào)發(fā)展空間均衡度等；金菊良等［5］指出水資源空間均衡的核心是水資源系統(tǒng)的空間分布與經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境的空間分布在時間、空間上相協(xié)調(diào)相匹配的雙重水資源供需平衡；游進軍等［6］認為，空間均衡要求重新審視用水需求與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、水資源約束條件之間的關(guān)系，研究以宏觀供需形勢分析為目標(biāo)的技術(shù)方法，識別供需問題和調(diào)控方向，支撐供需總量平衡決策。

1.2 在應(yīng)用實踐研究方面彭祥等［7］通過構(gòu)建水資源配置博弈均衡模型，利用合作博弈理論對未來黃河水資源配置提出初步制度設(shè)計；成艾華［8］運用一般均衡分析方法，從現(xiàn)代經(jīng)濟學(xué)和參與方角度建立一個包括調(diào)水區(qū)、受水區(qū)、工程方的跨流域調(diào)水市場理想化模型，從靜態(tài)與動態(tài)、短期與長期探討工程參與多方一般均衡的實現(xiàn)與利益分配關(guān)系；朱彩琳等［9］構(gòu)建了面向空間均衡的水資源優(yōu)化配置模型，其著重考慮不同空間單元之間的關(guān)系；左其亭等［10］提出表征任意空間單元均衡程度的空間均衡系數(shù)，以及表征全區(qū)域均衡程度的總體空間均衡度概念和計算方法；王煜等［11］通過構(gòu)建水資源均衡調(diào)控函數(shù)來引導(dǎo)水資源配置，建立適用于黃河等缺水流域的水資源均衡調(diào)控方法；夏帆等［12］采用基尼系數(shù)與協(xié)調(diào)發(fā)展度的方法，基于水資源負載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)和用水效益計算水資源空間均衡系數(shù)，并以省級行政區(qū)為計算單元計算全國水資源空間均衡系數(shù)；楊亞鋒等［13］采用可變集原理及偏聯(lián)系數(shù)方法構(gòu)建一種新的水資源空間均衡評估模型并對全國水資源空間均衡狀況進行評價；Feng［14］采用滿意度來衡量生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)部門的水資源分配公平性，并提出一種多目標(biāo)動態(tài)優(yōu)化模型來優(yōu)化水資源配置。

綜上可見，目前水資源空間均衡研究與應(yīng)用主要集中在水資源空間均衡的理論內(nèi)涵、狀態(tài)識別、綜合評價和優(yōu)化調(diào)控等方面，一般圍繞水的節(jié)約高效利用、水的剛性合理需求、水的規(guī)模適度開發(fā)、水的高水平供需平衡4個方面開展［3，5］，前三者是實現(xiàn)水資源空間均衡目標(biāo)的保障措施和管控途徑，后者是水資源空間均衡的最終目標(biāo)，這是因為水的供需狀況及其變化是水的分布特征、開發(fā)利用、調(diào)節(jié)分配的綜合體現(xiàn)。因此，水資源空間均衡可概化為水資源系統(tǒng)供需之間的均衡關(guān)系，這就方便從供給和需求兩方面進行雙向調(diào)節(jié)；同時水資源供需空間均衡分析將水資源分布態(tài)勢與社會發(fā)展?fàn)顩r緊密結(jié)合，不僅能有效判斷水資源與經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展程度，也可以為水資源的合理配置提供重要依據(jù)。基于此，本文提出以供需差占供需總量之比定義水資源系統(tǒng)的單元供需均衡度，并以水資源單元供需均衡度為指標(biāo)，綜合考慮面積、經(jīng)濟和人口構(gòu)成系統(tǒng)綜合權(quán)重，結(jié)合水資源空間均衡等級標(biāo)準(zhǔn)和空間均衡狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，運用七元聯(lián)系數(shù)進行水資源空間均衡程度的綜合評價，并以淠河大型灌區(qū)工程實際水資源系統(tǒng)為例，在分析現(xiàn)狀水平年（2018年）灌區(qū)各單元（縣市）的需水量和可供水量的基礎(chǔ)上，計算淠河灌區(qū)水資源系統(tǒng)單元供需均衡度，并基于七元聯(lián)系數(shù)計算分析灌區(qū)有、無系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配的空間均衡等級，再利用加速遺傳算法（Accelerating Genetic Algorithm，AGA）優(yōu)化現(xiàn)狀水資源調(diào)配方案，同時開展遠景規(guī)劃年（2035年）灌區(qū)水資源系統(tǒng)的單元供需均衡度計算及系統(tǒng)空間均衡等級評價，最后針對性地提出改善灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)控方案和技術(shù)措施，為實現(xiàn)灌區(qū)水資源供給與社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)相適應(yīng)，改善區(qū)域水資源系統(tǒng)空間均衡狀態(tài)提供參考。

2 對象區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源淠河灌區(qū)位于江淮分水嶺兩側(cè)，跨越長江、淮河流域，南抵豐樂河及其主要支流張店河一線，北至淮河南岸，西界淠河，東至合肥，控制面積7750 km2。灌區(qū)覆蓋區(qū)域包括六安的霍山縣、六安市區(qū)（金安區(qū)和裕安區(qū)），合肥的長豐縣、肥東縣、肥西縣、合肥市區(qū)以及淮南的壽縣共7個縣市，是一個包括現(xiàn)代化大型城市2座、總?cè)丝?98萬、工業(yè)增加值3109億元、有效灌溉面積41.1萬hm2、農(nóng)作物產(chǎn)量占安徽省1/6的城鄉(xiāng)復(fù)合式大型灌區(qū)水資源系統(tǒng)。淠河灌區(qū)水源來自3個部分：上游骨干源頭水庫響洪甸、佛子嶺、磨子潭和白蓮崖，灌區(qū)內(nèi)部上百座中小型水庫和近萬座塘壩堰閘，以及灌區(qū)尾部瓦埠湖和巢湖等提灌工程，上游水庫供水經(jīng)橫排頭渠首樞紐進入淠河總干渠，再經(jīng)淠東、瓦西、瓦東、滁河、蜀山、潛南等干渠分別輸送至上述7個縣市。灌區(qū)水資源系統(tǒng)調(diào)水結(jié)構(gòu)概化如圖1所示。

圖1 淠河灌區(qū)水資源系統(tǒng)調(diào)水結(jié)構(gòu)示意

本研究以2005—2018年淠河灌區(qū)的水土資源稟賦、經(jīng)濟社會發(fā)展為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以2018年為現(xiàn)狀水平年，水資源數(shù)據(jù)主要來自《合肥市水資源公報（2010—2018）》《六安市水資源公報（2010—2018）》《淮南市水資源公報（2005—2018）》《安徽省水利年鑒（2005—2018）》等，灌區(qū)水庫蓄供水量、作物耕種面積、灌溉需水量等來自《安徽省中西部重點區(qū)域及淠史杭灌區(qū)水量分配方案》《安徽省淠史杭灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目（2019—2020年）可行性研究報告》等，城鄉(xiāng)人口、工業(yè)增加值等來源于《合肥市統(tǒng)計年鑒（2005—2018）》《六安市統(tǒng)計年鑒（2005—2018）》《淮南市統(tǒng)計年鑒（2015—2018）》，城市綠地總面積、湖泊面積等數(shù)據(jù)來自《合肥城市總體規(guī)劃（2006—2020）》《合肥城市總體規(guī)劃（2018—2035）》《六安城市總體規(guī)劃（2008—2030）》《淮南市城市總體規(guī)劃（2005—2020）》《淮南市空間規(guī)劃（2017—2035）》等。

2.2 數(shù)據(jù)分析計算根據(jù)基于水資源供需關(guān)系的水資源均衡度評價方法，需先對區(qū)域內(nèi)各縣市的自然社會數(shù)據(jù)進行分析、歸納和計算，以獲得系統(tǒng)各單元需水量及可供水量，簡述如下。

2.2.1 需水量計算 區(qū)域需水量主要包括生活需水、工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、生態(tài)需水等4個方面，其中生活需水主要是城鎮(zhèn)以及農(nóng)村生活需水［15］；農(nóng)業(yè)需水主要是灌溉以及畜牧業(yè)需水量［16］；生態(tài)需水量主要包括綠地生態(tài)環(huán)境、湖泊生態(tài)環(huán)境和河道生態(tài)環(huán)境需水量［17］。限于篇幅具體計算過程詳見參考文獻［15-18］。

2.2.2 可供水量計算 可供水量即水資源可利用量，是指可預(yù)見的時期內(nèi)，在統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境用水的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的措施，在流域水資源總量中可一次性利用的最大水量［19］。由于本研究區(qū)域?qū)俳辞鹆甑貐^(qū)，因地下水埋藏深、總量小而開發(fā)利用少，因此這里只考慮地表水資源可利用量，計算采用扣損法，即總水資源量扣除地表水資源量中不能利用水量和不可利用水量，加上（減去）區(qū)域的調(diào)入（調(diào)出）水量作為地表水資源可利用量［20-21］。不能利用水量主要指汛期棄水，不可利用水量指河道生態(tài)基流。本文可供水量包括單元自身可供水量、其他單元調(diào)入水量以及系統(tǒng)外調(diào)入水量（若有），計算式為：

式中：W河道生態(tài)基流主要考慮維持生態(tài)需水和保護河道水質(zhì)的環(huán)境用水；W汛期棄水是指汛期來水減去汛期用水和水庫汛期蓄水的水量。

2.3 基于聯(lián)系數(shù)的水資源空間均衡評價方法

2.3.1 水資源供需均衡狀態(tài)、單元供需均衡度定義及計算 如前所述，本文擬從刻畫區(qū)域水資源稟賦與需求量的差異性入手來測度水資源均衡情況。水資源供需均衡狀態(tài)是對水資源供需關(guān)系定性、直觀的表達，如供需相等為“絕對均衡”，此種情形現(xiàn)實中少見，供需相差不大為“基本均衡”，供需差別明顯可定義為“失衡”。由于獨特的氣象水文和地形地貌條件，我國大部分地區(qū)長期性或階段性的供水不足問題較為普遍，因此目前主要采用水資源開發(fā)利用率、缺水率等指標(biāo)來表征區(qū)域水資源供需不平衡程度。而對于水量豐沛地區(qū)或水量過多年份造成水資源開發(fā)利用不充分，甚或引發(fā)洪澇災(zāi)害問題，目前尚沒有相應(yīng)統(tǒng)一的水資源指標(biāo)加以描述。筆者認為，只有同時考慮缺水（可供水不足）和余水（可供水豐沛）方可全面刻畫區(qū)域水資源均衡問題，因此將失衡狀態(tài)中的需大于供稱為“缺水失衡”，供大于需則為“余水失衡”。結(jié)合失衡程度的輕、中、重描述需要，本文把區(qū)域水資源系統(tǒng)供需均衡狀態(tài)分為7種：重度缺水失衡、中度缺水失衡、輕度缺水失衡、供需基本均衡、輕度余水失衡、中度余水失衡和重度余水失衡。

單元供需均衡度是對水資源系統(tǒng)各單元供需均衡狀態(tài)的定量刻畫，即對需水量與可供水量的相對關(guān)系作無量綱化處理。目前常用的直線型無量綱化方法有閥值法和規(guī)格化法。閥值法是指標(biāo)實際值與該指標(biāo)的閥值相比較，如果閥值確定的太大，此法評價值對指標(biāo)變化的反應(yīng)就會很遲鈍，如果閥值太小，就會導(dǎo)致評價值過于靈敏而變化劇烈。規(guī)格化法也稱為極差正規(guī)化，就是以每個指標(biāo)實際值減去該指標(biāo)的最小值，再除以最大值與最小值的差，該法實際上是求各種評價指標(biāo)實際值在該指標(biāo)全距中所處位置的比例，但在非系列數(shù)據(jù)中一般沒有極值或人為經(jīng)驗設(shè)定極值，致使不同地區(qū)和部門指標(biāo)極值不同，因此方法缺乏可比性和通用性。鑒于此本文提出基于供需關(guān)系的單元均衡度量化指標(biāo)：

式中：D單元為水資源單元供需均衡度，其值若大于零或某較小正值表示單元余水失衡，小于零或某較小負值表示單元缺水失衡，等于零或在零附近表示單元供需絕對均衡或基本均衡；W可供水為單元可供水量；W需水為單元需水量；W供需水總量為W可供水與W需水之和。

本文提出的水資源供需均衡度的計算方法相較于以缺水率、水資源開發(fā)利用率作為水資源均衡評價指標(biāo)的傳統(tǒng)方法具有以下特點：（1）能同時刻畫缺水地區(qū)（或缺水時段）供水不足程度和豐水地區(qū)（或豐水時段）水資源富余程度；（2）開發(fā)利用率、缺水率等指標(biāo)對于不同區(qū)域由于水資源稟賦不同導(dǎo)致差別太大而可比性差，本法可以利用一定時間段內(nèi)（年或月）供水量和需水量的總體規(guī)模與水量供需差之間的關(guān)系綜合反映供需平衡狀態(tài)，供需總體規(guī)模類似于國家進出口貿(mào)易總額，可以直觀反映內(nèi)外貿(mào)易量的總體大小。該方法能嚴(yán)格保證均衡度變化范圍處于［-1，1］而更具普適性。由于水資源空間均衡狀態(tài)是在一定區(qū)間小范圍變化可以認為相對穩(wěn)定，因此本文定義了7種均衡狀態(tài)、代表色塊及相應(yīng)單元供需均衡度如表1所示。

表1 水資源系統(tǒng)單元供需均衡度及空間均衡等級評價標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 系統(tǒng)空間均衡等級定義與評價 水資源供需均衡是指一定區(qū)域的可供水資源量（包括自產(chǎn)水量和調(diào)入水量）與區(qū)域內(nèi)不同單元的需水量的平衡程度，包括系統(tǒng)內(nèi)部各單元的供需平衡程度以及單元之間的均衡協(xié)調(diào)程度。水資源自然分布差異性導(dǎo)致區(qū)域各單元供需均衡度有好有差，系統(tǒng)內(nèi)各單元之間和系統(tǒng)外水源的水量調(diào)配可以改變單元供需均衡度進而影響到系統(tǒng)總體空間均衡狀態(tài)，但這不是簡單的水量線性疊加，還要受到區(qū)域水利工程靜態(tài)供水能力和供需水量動態(tài)變化的制約。筆者認為系統(tǒng)空間均衡程度的計算不應(yīng)是各單元可供水量之和與需水量之和的比較，而是各單元供需均衡度在自然和社會等多維尺度上的耦合，是一個高維復(fù)雜系統(tǒng)的綜合評價問題。因此，本文開展的水資源空間均衡評價是以系統(tǒng)各單元水資源單元供需均衡度為指標(biāo)，以各單元的面積、經(jīng)濟（GDP）、人口占比為指標(biāo)綜合權(quán)重，結(jié)合空間均衡等級標(biāo)準(zhǔn)和空間均衡狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)進行的系統(tǒng)綜合評價。

針對上述復(fù)雜水資源系統(tǒng)的多維綜合評價問題，本文擬采用七元聯(lián)系數(shù)進行分析計算，技術(shù)路線如圖2所示。由于聯(lián)系數(shù)的關(guān)系結(jié)構(gòu)特征能把定性定量相結(jié)合、統(tǒng)一處理含有隨機性、模糊性、中介不確定性、未確知性等多種不確定性問題，可從同異反宏觀層次、差異度項不斷分解的微觀層次開展有關(guān)水資源確定性與不確定性的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換分析，得到的分析結(jié)果能較好地符合研究問題的實際情況［22］。因此，本文以上述各單元水資源供需均衡度作為水資源空間均衡的評價指標(biāo)，將其與灌區(qū)水資源空間均衡評價等級標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一個集對，構(gòu)造七元聯(lián)系數(shù)以分析二者之間的同異反聯(lián)系，從而綜合評價計算各種情景下水資源系統(tǒng)的空間均衡等級。

圖2 本研究技術(shù)路線

七元聯(lián)系數(shù)是在現(xiàn)有集對分析理論的基礎(chǔ)上［22-23］，進一步細化評價指標(biāo)與評價等級間的差異性分析，得到更加細致評價結(jié)果的一種數(shù)學(xué)計算方法，其表達式為：

式中：u為七元聯(lián)系數(shù)；a為集對系統(tǒng)的同一度聯(lián)系數(shù)分量；b1、b2、b3、b4、b5為集對系統(tǒng)的差異度聯(lián)系數(shù)分量；c為集對系統(tǒng)的對立度聯(lián)系數(shù)分量；I1、I2、I3、I4、I5為差異度系數(shù)；J為對立度系數(shù)，取值范圍為［-1，1］，根據(jù)均分原理I1可取2/3，I2為1/3，I3為0，I4為-1/3，I5為-2/3。

用集對分析構(gòu)造樣本i的第j個指標(biāo)值xij與評價等級g之間的單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)uijg，當(dāng)指標(biāo)為正向指標(biāo)，即指標(biāo)值越大，其對應(yīng)的評價等級也越高時，其計算方法見圖3。

圖3 單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)計算方法

圖中sgj（g=0，1，2，3，4，5，6，7）為第j個指標(biāo)水資源均衡度等級1、2、3、4、5、6、7的界限值。

樣本值xij隸屬于評價等級g的相對隸屬度為［24］：

對式（5）歸一化處理可得樣本i指標(biāo)j的單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)分量vijg為［23］：

樣本i的聯(lián)系數(shù)分量為：

式中：nj為隸屬于評價等級g的指標(biāo)個數(shù)；wj為指標(biāo)j的權(quán)重。

由式（7）得樣本i的水資源空間均衡評價指標(biāo)值聯(lián)系數(shù)：

利用級別特征值法［24］求得樣本i的水資源空間均衡評價等級值為：

這里水資源系統(tǒng)空間均衡評價等級設(shè)定為1—7級（見表1），分別對應(yīng)水資源空間均衡狀態(tài)的重度缺水失衡、中度缺水失衡、輕度缺水失衡、基本均衡、輕度余水失衡、中度余水失衡和重度余水失衡，也即評價等級越靠近4級，水資源空間均衡狀態(tài)趨向均衡。

2.4 灌區(qū)水資源空間均衡優(yōu)化調(diào)控方案的確定

2.4.1 目標(biāo)函數(shù)及調(diào)控變量 本文主要通過對灌區(qū)內(nèi)不同單元的水資源進行合理調(diào)配以及從灌區(qū)外進行多水源調(diào)水，改善和促進灌區(qū)各單元水資源的供需均衡，從而提升灌區(qū)整體的水資源空間均衡等級和均衡狀態(tài)?？紤]到淠河灌區(qū)7個縣市區(qū)域位置及供用水情況將之分為3個片區(qū)：霍山縣位于淠河灌區(qū)上游，來水豐富且有3座大型水庫而用水量少，定義為水源區(qū)；六安市區(qū)與合肥市區(qū)分別位于灌區(qū)首尾部平原地帶，城市化進程快，經(jīng)濟發(fā)展迅猛，定義為城市區(qū)；壽縣、長豐縣、肥西縣、肥東縣為糧食主產(chǎn)縣的農(nóng)業(yè)區(qū)?；羯娇h作為水量調(diào)出區(qū)，其它縣市皆因自身蓄水能力弱而需水量較大均為水量調(diào)入?yún)^(qū)。外部水源是已建的駟馬山引江水利工程和預(yù)計2023年建成的引江濟淮工程。調(diào)控目標(biāo)是使水資源空間均衡狀態(tài)接近供需基本均衡，即評價等級越靠近4 級越優(yōu)，目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造如式（10）所示。

式中：F為灌區(qū)水資源空間均衡等級與絕對均衡值（4級）的差值，F(xiàn)值越小，表明灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)越好；hi為第i種調(diào)配水方案下灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級評價結(jié)果；優(yōu)化調(diào)控變量為ΔWjk和ΔWjl，前者為灌區(qū)內(nèi)第j個用水單元（j=1～7表示7個縣市）從第k個供水單元（k=1，2分別表示霍山縣和響洪甸水庫）的受水量，后者為第j個用水單元從灌區(qū)外第l個水源（l=1，2分別表示引江濟淮和駟馬山引水工程）的受水量。

2.4.2 約束條件與優(yōu)化方法 由調(diào)控目標(biāo)函數(shù)和調(diào)控變量可知，灌區(qū)水資源空間均衡評價結(jié)果主要與灌區(qū)內(nèi)水資源調(diào)配以及灌區(qū)外水源調(diào)配有關(guān)，因此在制定優(yōu)化調(diào)控方案時受到灌區(qū)內(nèi)各單元的需水量、可供水量、可調(diào)水量，以及單元之間水利工程的輸配水能力等約束，本文采用AGA［25］優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)各縣市調(diào)配水量和系統(tǒng)外調(diào)水量，限于篇幅不再詳細介紹。

3 結(jié)果與討論

3.1 現(xiàn)狀水平年灌區(qū)水資源空間均衡評價及系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)化調(diào)控

3.1.1 單元供需均衡度計算 根據(jù)淠河灌區(qū)現(xiàn)狀水平年自然社會數(shù)據(jù)及2.2.1節(jié)需水量計算方法可得淠河灌區(qū)各縣市需水量、見表2。

表2 現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)各縣市需水量（單位：108m3）

采用式（1）、式（2）計算淠河灌區(qū)各縣市可供水量，根據(jù)淠河灌區(qū)逐月來水資料及對淠河灌區(qū)汛期劃分等已有的研究結(jié)果［26］，將5—8月定為汛期，汛期平均徑流量約占年均徑流量的55%。現(xiàn)狀水平年灌區(qū)可供水量計算及當(dāng)年實際調(diào)水情況如表3所示。

表3 現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)各縣市可供水量（單位：108m3）

將上節(jié)計算得到的各縣市水資源單元供需均衡度作為評價指標(biāo)，同時考慮各單元的行政面積、經(jīng)濟（GDP）、總?cè)丝诘缺戎卮_定各縣市的綜合權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 淠河灌區(qū)水資源空間均衡評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)現(xiàn)狀年水量實際配置的結(jié)果可知，灌區(qū)系統(tǒng)內(nèi)調(diào)水總量為7.42×108m3。根據(jù)式（3）對淠河灌區(qū)有、無系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配情況下各縣市水資源單元供需均衡度進行計算，結(jié)果見圖4（a）（b）。圖中縱坐標(biāo)為淠河灌區(qū)各縣市單元供需均衡度絕對值，橫坐標(biāo)為各縣市綜合權(quán)重的累加值，自左向右根據(jù)單元供需均衡度絕對值從高到低排列。

圖4 現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)各單元水資源供需均衡度計算結(jié)果

由圖4（a）可知，在灌區(qū)無系統(tǒng)內(nèi)水資源配置的情況下：長豐、肥西、肥東、壽縣等4個縣域水資源供需均衡狀態(tài)為中度缺水失衡；六安市區(qū)處于輕度缺水失衡；而合肥市區(qū)與霍山縣分別處于重度缺水失衡和重度余水失衡，兩地水資源余缺劇烈程度對比明顯。為緩解各地水資源不均衡程度，灌區(qū)管理總局進行了系統(tǒng)內(nèi)水資源配置，各單元供需均衡度如圖4（b）所示。結(jié)果可見各縣市的水資源均衡度均有明顯改善，其中提升最為顯著的是調(diào)入水量最多的合肥市區(qū)，說明灌區(qū)為政治、經(jīng)濟和文化中心的省會城市提供了重要的水資源支撐作用。

值得一提的是，圖4除了能直觀反映淠河灌區(qū)各縣市單元供需均衡度，還可大致刻畫灌區(qū)水資源系統(tǒng)的空間均衡狀態(tài)，各縣市柱狀圖面積和占1×1單位面積比能夠反映系統(tǒng)空間不均衡程度，即圖中柱狀圖面積和變化范圍為［0，1］，越小表示系統(tǒng)空間均衡狀態(tài)越好（面積和為零則為絕對均衡），反之則越差。由圖4（a）和圖4（b）對比可知，通過系統(tǒng)內(nèi)的水資源調(diào)配后各縣市柱狀圖面積和顯著減小，說明水資源系統(tǒng)空間均衡狀態(tài)明顯改善。

3.1.2 系統(tǒng)空間均衡等級評價 為保證評價基準(zhǔn)的一致性，本文給定s0—s7分別為-1、-0.5、-0.2、-0.05、0.05、0.2、0.5、1，且各指標(biāo)的等級界限值均相同。根據(jù)水資源系統(tǒng)內(nèi)各單元權(quán)重以及等級界限值，利用式（4）—（9）采用七元聯(lián)系數(shù)方法和級別特征法評價灌區(qū)有無水資源調(diào)配情況下的灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級和均衡狀態(tài)，結(jié)果見表5。

表5 現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級和均衡狀態(tài)評價結(jié)果

由表5可知，現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)在采用實際系統(tǒng)內(nèi)水資源配置方案情況下，灌區(qū)水資源空間均衡等級由無配置的2.95 提升至3.21，水資源空間均衡狀態(tài)亦由中度缺水失衡改善為輕度缺水失衡。為進一步提升均衡狀態(tài)，這里以式（10）作為目標(biāo)函數(shù)并利用AGA對水資源配置方案進行優(yōu)化，獲得合肥市區(qū)、肥東、肥西、長豐、六安市區(qū)、壽縣的水量分配比分別為54.84%、0.69%、3.77%、7.28%、30.32%、3.1%。圖4（c）顯示與實際方案相比，優(yōu)化方案中的合肥、六安市區(qū)作為調(diào)水重心加大了分配水量，因此單元供需均衡度提升明顯，而其他受水縣除長豐外供需均衡度雖稍有下降，優(yōu)化后的空間均衡等級為3.42，空間均衡狀態(tài)得到進一步改善（見表5）。調(diào)控結(jié)果直接說明了“系統(tǒng)內(nèi)水優(yōu)先利用”的傳統(tǒng)水資源調(diào)配策略對于促進現(xiàn)代水資源空間均衡管理有著立竿見影的效果，而優(yōu)化調(diào)配方案相較實際配置方案更能使灌區(qū)的水資源空間均衡狀態(tài)趨向均衡，這是因為優(yōu)化調(diào)配方案更傾向于將水量調(diào)入水資源空間均衡評價中所占的權(quán)重較大的缺水縣市。評價結(jié)果與圖4中柱狀圖面積變化趨勢相同，也說明了七元聯(lián)系數(shù)評價方法的可靠性。

需要指出的是，由水文頻率分析可知現(xiàn)狀水平年屬于偏豐年份（約20%），故而通過灌區(qū)系統(tǒng)內(nèi)水資源優(yōu)化調(diào)配可使系統(tǒng)接近基本均衡狀態(tài)，但對于平水年則情況不容樂觀，若遭遇枯水年份則極為嚴(yán)峻，因此有必要研究該灌區(qū)系統(tǒng)未來不同來水下水資源空間均衡狀態(tài)的可能變化及相應(yīng)調(diào)控措施。考慮與新時期國家經(jīng)濟社會中長期發(fā)展規(guī)劃同步，這里選取2035年作為遠景規(guī)劃年。

3.2 遠景規(guī)劃年灌區(qū)水資源空間均衡預(yù)測評價及優(yōu)化調(diào)控

3.2.1 需水量預(yù)測 影響灌區(qū)水資源系統(tǒng)需水量的社會經(jīng)濟主要因素有人口、工業(yè)增加值、耕地面積，生態(tài)環(huán)境因素主要有綠地面積、湖泊面積，本文利用不同預(yù)測模型分析以上相關(guān)因素變化趨勢，經(jīng)計算分析，利用Logistic函數(shù)分析人口數(shù)量變化趨勢，合肥市區(qū)逐年遞增、其它縣市呈波動趨勢，整體增幅較小。利用灰色預(yù)測模型分析工業(yè)增加值及耕地面積變化，工業(yè)增加值均呈增長趨勢，其中合肥各縣市漲勢較猛；合肥市區(qū)、肥西縣耕地面積逐年遞減，其它縣市呈波動趨勢，整體變化不大。綠地面積、湖泊面積參照城市中長期發(fā)展規(guī)劃。農(nóng)業(yè)灌溉需水以不同情景下的農(nóng)業(yè)灌溉定額與遠景規(guī)劃年灌溉面積的乘積預(yù)測各縣市農(nóng)業(yè)用水。經(jīng)檢驗，以上因素值預(yù)測結(jié)果與研究區(qū)域城市發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)較為吻合。以淠河灌區(qū)各縣市需水量相關(guān)因素為輸入變量、各縣市需水量為輸出變量構(gòu)建BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用訓(xùn)練后的BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推求規(guī)劃年份的需水量，結(jié)果見表6。

表6 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測2035年需水量結(jié)果

由需水量、可供水量預(yù)測結(jié)果可知，未來淠河灌區(qū)水資源供需矛盾較為尖銳，考慮實行節(jié)水措施來優(yōu)先滿足灌區(qū)剛性需水要求。節(jié)水措施主要參照《國家節(jié)水行動安徽實施方案》，實施方案主要是通過控制萬元工業(yè)增加值需水量、人均用水量以及提升灌溉水利用系數(shù)來減少工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)等三方面的需水量。充分節(jié)水條件下，各縣市需水量計算結(jié)果見表6。由表6可知，與現(xiàn)狀水平年相比，因人口增長以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大等原因，淠河灌區(qū)整體需水量增加明顯，各縣市單元需水量除肥西、壽縣外均有所增加，因為二者農(nóng)業(yè)用水所占比重較大且遠景規(guī)劃年耕地面積有所減少。

3.2.2 不同情景下可供水量計算 利用歷史供水資料推求多年平均來水和80%來水情景下的可供水量，結(jié)果見表7。

表7 遠景規(guī)劃年淠河灌區(qū)各縣市可供水量（單位：108m3）

3.2.3 單元供需均衡度預(yù)測評價及多水源優(yōu)化調(diào)控 根據(jù)遠景規(guī)劃年充分節(jié)水后需水量和不同情景下的可供水量，計算淠河灌區(qū)各縣市的單元供需均衡度見表8列（5）和圖5（a）（c）所示。結(jié)果可見，規(guī)劃年份在不同來水情景下灌區(qū)需水量與可供水量相差較大，各縣市除水源區(qū)霍山縣有余水外，其余各單元均處于中度或重度缺水失衡狀態(tài)，這時僅憑系統(tǒng)內(nèi)水資源優(yōu)化配置已難以保障灌區(qū)水的均衡利用，需要借助系統(tǒng)外水源引江濟淮工程和駟馬山引江工程進行系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)配。

圖5 遠景規(guī)劃年不同情景下淠河灌區(qū)各縣市單元供需均衡度

由已有研究知［27］：引江濟淮受水區(qū)在實施后相較于無工程情況下，長江區(qū)可供水量增幅約為5%，主要包括合肥市區(qū)、肥東縣、肥西縣，淮河區(qū)可供水量增幅約為16%，主要包括長豐以及壽縣；駟馬山引江工程為6級提水，總揚程30.1 m，提水成本較高。因此本優(yōu)化方案是先由引江濟淮工程供水再考慮駟馬山提水供水，主要供水范圍為合肥市區(qū)及肥東縣，兩者供水比例約為2∶1［28］。駟馬山引江工程作為遭遇嚴(yán)重干旱時的應(yīng)急水源，該工程設(shè)計引水流量約為15 m3/s，每年抽水站開機320 d，每天工作20 h，供水量為3.45×108m3。考慮到水源供水成本及距離遠近不同，這里優(yōu)先考慮引江濟淮工程調(diào)水，駟馬山引江工程作為遭遇嚴(yán)重干旱時的應(yīng)急水源?；诂F(xiàn)狀水平年系統(tǒng)內(nèi)水資源配置方案，以式（10）為目標(biāo)函數(shù)，利用AGA 優(yōu)化6 個主要受水縣市的淠河灌區(qū)調(diào)水量最優(yōu)分配比，來提升灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)。經(jīng)計算可得，多年平均來水情況下的合肥市區(qū)、肥東、肥西、長豐、六安市區(qū)和壽縣的最優(yōu)水量分配比分別為33.52%、2.36%、9.64%、12.00%、22.31%和20.17%；80%來水頻率對應(yīng)來水情況下，各縣市最優(yōu)分配比為35.67%、3.71%、30.98%、2.46%、11.95%和15.23%。結(jié)果見表8。

表8 遠景規(guī)劃年淠河灌區(qū)各縣市水資源系統(tǒng)單元供需均衡度計算結(jié)果（單位：108m3）

由表8 第8、第11 和第14 列對比可知，遠景規(guī)劃年灌區(qū)在多年平均以及80%來水情景下，將霍山縣及響洪甸水庫作為灌區(qū)水資源系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)水水源，引江濟淮與駟馬山引水工程作為灌區(qū)外部調(diào)水工程進行水資源優(yōu)化調(diào)配后，各缺水縣市水資源供需趨向均衡，單元供需均衡度均有所好轉(zhuǎn)，其中指標(biāo)權(quán)重較大的合肥市區(qū)、六安市區(qū)經(jīng)水資源優(yōu)化調(diào)配后均衡度提升較為顯著，霍山縣因受引水能力限制調(diào)出水量增加不大而余水失衡狀況改善有限。圖5通過地圖渲染直觀展示了灌區(qū)各縣市供需均衡度優(yōu)化前后的對比情況。

根據(jù)不同情景下灌區(qū)內(nèi)各縣市水資源單元供需均衡度評價結(jié)果，計算灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級和評價均衡狀態(tài)見表9。

表9 遠景規(guī)劃年淠河灌區(qū)水資源空間均衡等級評價結(jié)果

由表9可知，遠景規(guī)劃年淠河灌區(qū)在充分節(jié)水條件下，不考慮水資源優(yōu)化調(diào)配，多年平均來水及80%來水頻率情景下灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)分別處于中度缺水失衡和重度缺水失衡，系統(tǒng)空間均衡等級分別為2.75和2.38。經(jīng)水資源優(yōu)化調(diào)配后分別提升至3.79級和3.41級，水資源空間均衡狀態(tài)達到基本均衡和輕度缺水失衡，表明水資源優(yōu)化調(diào)配對于提升區(qū)域水資源空間均衡狀態(tài)具有重要作用。

4 結(jié)論

以淠河灌區(qū)為研究區(qū)域，提出了基于水資源供需關(guān)系的縣市水資源系統(tǒng)單元供需均衡度評價方法，將各縣市單元供需均衡度作為評價指標(biāo)，利用七元聯(lián)系數(shù)度量灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級。利用上述方法對2018年淠河灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)進行評價，對比分析了淠河灌區(qū)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配對灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)的影響。在考慮充分節(jié)水措施的基礎(chǔ)上，預(yù)測了2035年不同情景下淠河灌區(qū)有無系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配的空間均衡等級，并利用AGA優(yōu)化淠河灌區(qū)系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配方案，對優(yōu)化結(jié)果進行了評價分析，得到如下結(jié)論：（1）本文提出的單元供需均衡度，通過分析計算區(qū)域水量供需差與供需總水量的關(guān)系，能同時刻畫缺水地區(qū)供水不足程度和豐水地區(qū)水資源富余程度，直觀反映供需矛盾的大小，使我國不同地域的指標(biāo)評價結(jié)果都有相互可比性，因此本指標(biāo)具有很好的通用性；（2）現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)系統(tǒng)內(nèi)水資源實際配置方案，雖然中度缺水失衡狀態(tài)沒有改變，但系統(tǒng)空間均衡等級由無調(diào)配的2.95提升至3.21，進行系統(tǒng)優(yōu)化后則能改善至3.42即達到輕度缺水失衡，表明水資源合理調(diào)配可有效地改善區(qū)域水資源空間均衡狀態(tài)；（3）遠景規(guī)劃年淠河灌區(qū)在充分節(jié)水的基礎(chǔ)上，多年平均來水與80%來水情景下，不考慮系統(tǒng)內(nèi)外調(diào)水時灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級分別為2.75、2.38，均處于中度缺水失衡狀態(tài)，而以霍山縣及響洪甸水庫作為灌區(qū)內(nèi)調(diào)水水源，以引江濟淮工程（在建）、駟馬山引水工程作為灌區(qū)外調(diào)水水源時，利用AGA優(yōu)化水資源調(diào)配方案，則水資源系統(tǒng)空間均衡等級分別提高到3.79、3.41，即達到供需基本均衡和輕度缺水失衡狀態(tài)，進一步表明水資源優(yōu)化調(diào)配對于緩解水資源供需矛盾，實現(xiàn)水資源空間均衡具有重要意義。

綜上所述，水資源空間均衡是由水資源系統(tǒng)與經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境兩大系統(tǒng)的空間分布間在時空尺度上相匹配、協(xié)調(diào)的雙重水資源供需平衡，是在科學(xué)合理的綜合措施下由低向高不斷提升改善的發(fā)展演化過程，更是一個全新、有價值、頗具復(fù)雜性而充滿挑戰(zhàn)的廣闊研究領(lǐng)域。限于水平，本文基于“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理”等新時代治水要求，初步開展了水資源空間均衡綜合評價與優(yōu)化調(diào)控實踐探索，但仍存有不足，例如水資源系統(tǒng)空間均衡等級過多而給綜合評價帶來較大的困難，水資源調(diào)配沒有經(jīng)濟性約束以致“兩手發(fā)力”未及考慮等，這在今后的工作中有待深入研究。