潘月,楊廣*,田浩,趙麗,李毅,李小龍,劉兵,黃洲,古力生木·安甫丁

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003;2. 寒旱區(qū)生態(tài)水利工程兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003;3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

水資源優(yōu)化配置是采用科學(xué)手段結(jié)合用水需求,以公平、高效為基礎(chǔ),充分考慮水資源配置準(zhǔn)則,將有限的水資源科學(xué)合理地分配到目標(biāo)區(qū)域,以實(shí)現(xiàn)水資源高效利用[1].MAQSOOD等[2]在不確定條件下使用模糊隨機(jī)規(guī)劃法進(jìn)行水資源系統(tǒng)配置,分析如何有效地得出穩(wěn)定的解決方案以及風(fēng)險(xiǎn)水平.FARHADI等[3]以灌溉缺水量最少、水量分配公平度最大和地下水下降最小為目標(biāo),使用MODFLOW地下水運(yùn)動(dòng)模型求解出水資源優(yōu)化分配方案.付銀環(huán)等[4]運(yùn)用區(qū)間兩階段隨機(jī)規(guī)劃方法建立地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度的灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型,以提高干旱/半干旱地區(qū)的水分利用率和減少農(nóng)業(yè)灌溉水量.吳丹等[5]綜合考慮城市水資源利用的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與生態(tài)環(huán)境效益,通過(guò)建立非線(xiàn)性多目標(biāo)優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)了城市水資源優(yōu)化配置.目前國(guó)內(nèi)研究多側(cè)重于水資源優(yōu)化配置模型的研究[6-7],從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)對(duì)水資源配置后評(píng)價(jià)工作有待進(jìn)一步深入,將后效性研究引入水資源優(yōu)化配置中對(duì)于科學(xué)合理地制定水資源配置方案具有重要意義.

瑪納斯河灌區(qū)位于中國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū).隨著人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)、綠洲規(guī)模的擴(kuò)大及城市化進(jìn)程的加快,社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源需求越來(lái)越大,灌區(qū)水資源緊缺壓力進(jìn)一步增大.基于此,文中結(jié)合水資源總量約束條件構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型,以促進(jìn)灌區(qū)水資源高效分配,緩解灌區(qū)缺水狀況,并使用LINGO語(yǔ)言進(jìn)行模型求解,通過(guò)和諧性模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行水資源配置效果評(píng)價(jià),為區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)依據(jù),為瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年水資源優(yōu)化配置提供和諧性方案參考.

1 研究方法

1.1 Lasso算法

最小絕對(duì)值收斂和選擇算子是一種可縮減變量集的正則化技術(shù),核心是利用L1范數(shù)稀疏性來(lái)解決回歸相關(guān)的懲罰優(yōu)化問(wèn)題[8].

Lasso算法可以對(duì)一些不重要變量的系數(shù)進(jìn)行壓縮,甚至將它們縮減為0來(lái)降低解釋變量矩陣的維數(shù).目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題可以表示為

(1)

式中:λLasso為L(zhǎng)asso算法的非負(fù)正則化參數(shù),用于調(diào)節(jié)懲罰項(xiàng)對(duì)模型的壓縮強(qiáng)度, 增大λLasso的值,則被壓縮的解釋變量數(shù)目增加,不重要變量的?h系數(shù)可以壓縮為0,從而去除冗余信息,避免維數(shù)詛咒問(wèn)題;Yh為目標(biāo)樣本的第h個(gè)回歸系數(shù);N為回歸系數(shù)總個(gè)數(shù);?0為常數(shù)項(xiàng);P為特征維數(shù);?o為篩選出的第o個(gè)回歸系數(shù);Xho為樣本的第o個(gè)特征維數(shù);?h為篩選出的第h個(gè)回歸系數(shù).

圖1中Lasso算法曲線(xiàn)圖代表算法通過(guò)I=1下的懲罰函數(shù)來(lái)限制變量個(gè)數(shù)的情況,并優(yōu)先篩選掉一些不是特別重要的變量.其中,黃色正方形部分代表懲罰函數(shù)I=1;J(θ)代表突函數(shù);θ為參數(shù).

圖1 Lasso算法曲線(xiàn)

1.2 多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型

文中基于水資源總量約束條件構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型,以保障經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)3方面和諧穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展[9-10].

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

經(jīng)濟(jì)效益:將供水水源分配水量給用水戶(hù)所能帶來(lái)的最大凈效益表示為

(2)

社會(huì)效益:為了保證社會(huì)穩(wěn)定和諧發(fā)展,要盡量減少或避免缺水的情況,表示為

(3)

生態(tài)效益:令研究區(qū)內(nèi)排污后水體化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)含量最小,表示為

(4)

1.2.2 約束條件

供水量約束為

(5)

需水量約束為

(6)

水質(zhì)約束為

(7)

非負(fù)約束為

(8)

1.3 熵值法-線(xiàn)性加權(quán)法

1.3.1 熵值法

熵值法計(jì)算步驟為分別選取2025年和2030年的J(k)個(gè)灌區(qū)用水戶(hù),m個(gè)指標(biāo),則xjq為第j個(gè)用水戶(hù)的第q個(gè)指標(biāo)的數(shù)值,j=1,2,…,J(k);q=1,2,…,m.

指標(biāo)的歸一化處理:異質(zhì)指標(biāo)同質(zhì)化.由于各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)量單位并不統(tǒng)一,因此在計(jì)算綜合指標(biāo)前,先要對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.由于正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)數(shù)值代表的含義不同,因此,對(duì)于高低指標(biāo)采用不同的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理.

具體方法中正向指標(biāo)為

(9)

負(fù)向指標(biāo)為

(10)

為了方便,歸一化后的數(shù)據(jù)仍記為

(11)

計(jì)算第q項(xiàng)指標(biāo)下第j個(gè)用水戶(hù)占該指標(biāo)的比重eq為

(12)

A=1/ln(J(k))>0,

(13)

式中:A為第q項(xiàng)指標(biāo)的熵值.

計(jì)算信息熵冗余度dq為

dq=1-eq,

(14)

計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值wq為

(15)

計(jì)算各灌區(qū)用水戶(hù)的綜合得分sj為

(16)

1.3.2 線(xiàn)性加權(quán)法

由線(xiàn)性加權(quán)法構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù),由熵值法求得加權(quán)因子Wq[11],即

(17)

(18)

1.4 水資源優(yōu)化配置和諧性模糊綜合評(píng)價(jià)

文中以何國(guó)華等[7]的研究為基礎(chǔ),從水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)方面出發(fā),選取9個(gè)具有代表性的指標(biāo)反映區(qū)域水資源配置情況.

1.4.1 水資源優(yōu)化配置和諧性等級(jí)劃分

參考《中國(guó)水資源公報(bào)》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》等相關(guān)資料,將水資源配置的和諧性分為5個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)5個(gè)和諧標(biāo)準(zhǔn),各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)情況如表1所示.表中Ws為地表水資源量;Wg為地下水資源量;Wr為中水資源量;Vg為萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量;k為城鎮(zhèn)化率;Va為人均水資源量;γs為生活污水處理率;γg為工業(yè)污水處理率;γw為污水重復(fù)利用率.

表1 水資源配置和諧性各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)隸屬度確定

本研究的所有評(píng)價(jià)指標(biāo)都屬于區(qū)間型指標(biāo),將在評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)的基礎(chǔ)上,根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理,得其相對(duì)隸屬度函數(shù)為

(19)

式中:al1,al2分別為指標(biāo)所在區(qū)間的上限值和下限值;y為指標(biāo)值;l為第l個(gè)元素,l=1,2,…,n;s為第s個(gè)等級(jí),s=1,2,…,m.

1.4.3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

建立評(píng)價(jià)對(duì)象的因素論域U,U={u1,u2…,ul},其中u1,u2,…,ul表示評(píng)價(jià)對(duì)象因素論域中的元素;建立評(píng)語(yǔ)論域V,V={v1,v2,…,vs},其中v1,v2,…,vs表示評(píng)語(yǔ)論域中的元素;對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的U和V之間進(jìn)行單因素評(píng)價(jià),建立模糊關(guān)系矩陣為

(20)

式中:rls為U中的第l個(gè)元素(ul)對(duì)應(yīng)V中的第s個(gè)等級(jí)(vs)的相對(duì)隸屬度.

水資源配置和諧性的模糊綜合評(píng)價(jià)模型為模糊關(guān)系矩陣R與熵值W的合成運(yùn)算,即

B=(cs)1×m=RW,

(21)

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河灌區(qū)是典型中國(guó)西北歐亞大陸腹地的干旱/半干旱區(qū)域,降水少、蒸發(fā)量大、氣候干燥,屬典型大陸性干旱氣候[12],用水以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,近30 a農(nóng)業(yè)用水占比約87.70%.隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快,工業(yè)用水比重不斷增加,占比由1990年的1.53%增加到2020年的4.90%,截至2020年,生活、生態(tài)用水也增加至7.4%.隨著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,灌區(qū)水資源供需矛盾日益突出,因此科學(xué)合理地配置灌區(qū)有限水資源量對(duì)保障灌區(qū)水資源持續(xù)利用及緩解用水沖突具有重要意義[13].

2.2 需水量預(yù)測(cè)結(jié)果

2.2.1 農(nóng)業(yè)用水

根據(jù)《第八師石河子市用水總量控制實(shí)施方案報(bào)告》,確定瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年灌溉面積及灌溉定額數(shù)據(jù)如表2所示,表中S為灌溉面積;Q為灌溉定額.

表2 瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年灌溉面積與灌溉定額

2.2.2 工業(yè)用水

隨著“國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案”的實(shí)施和工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及用水水平的提高,工業(yè)用水定額逐步下降,預(yù)計(jì)2025年和2030年萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量分別下降至37,35 m3.將工業(yè)增加值(萬(wàn)元)與萬(wàn)元工業(yè)用水量相乘即可得到工業(yè)需水量分別為10 702.94萬(wàn)m3,13 299.65萬(wàn)m3.

2.2.3 生活用水

根據(jù)《第八師石河子市“十四五”期間水資源利用研究報(bào)告》中規(guī)劃年生活用水定額及管網(wǎng)漏損率數(shù)據(jù),瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年人口數(shù)量、管網(wǎng)滲漏率和人均生活用水定額見(jiàn)表3—5,表中N為單位人口數(shù)量;Nt為總?cè)丝跀?shù)量;Ra為管網(wǎng)滲漏率;Qa為人均生活用水定額.通過(guò)365QaN/Ra即可得到生活需水量.其中,將規(guī)劃年瑪納斯河灌區(qū)管網(wǎng)滲漏率、人均生活用水定額按照城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村進(jìn)行分層次劃分,以方便進(jìn)行對(duì)應(yīng)劃分區(qū)域的生活需水量計(jì)算.

表3 預(yù)測(cè)瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年人口數(shù)量

表4 瑪納斯河灌區(qū)管網(wǎng)滲漏率

表5 瑪納斯河灌區(qū)人均生活用水定額

2.2.4 生態(tài)用水

根據(jù)石河子市歷年《水利年報(bào)》及《石河子市城市總體規(guī)劃》得出瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年生態(tài)環(huán)境需水.通過(guò)Lasso算法和相關(guān)指標(biāo)計(jì)算法可得規(guī)劃年四類(lèi)用水需水量預(yù)測(cè)結(jié)果如表6所示,表中Da,Di,Dl,De分別表示農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)需水量.

表6 瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃水平年需水量預(yù)測(cè)

2.3 水資源總量控制指標(biāo)

根據(jù)自治區(qū)人民政府《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度落實(shí)“三條紅線(xiàn)”控制指標(biāo)的通知》(新政函〔2013〕111號(hào))文件和《第八師石河子市用水總量控制實(shí)施方案報(bào)告》中確定瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年供水計(jì)劃實(shí)施方案,“三條紅線(xiàn)”供水計(jì)劃如表7所示,表中Ss,Sg,So,St分別表示地表水、地下水、其他水供水量及總供水量.其中,三條紅線(xiàn)供水量計(jì)劃表按照規(guī)劃年瑪納斯河灌區(qū)中的石河子子灌區(qū)、莫索灣子灌區(qū)、下野地子灌區(qū)作為目標(biāo)研究區(qū)域劃分,為了進(jìn)行多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型的計(jì)算分析,將不同子灌區(qū)中不同類(lèi)型的供水量分配情況進(jìn)行詳細(xì)劃分,為后續(xù)模型計(jì)算提供研究基礎(chǔ).

表7 瑪納斯河灌區(qū)“三條紅線(xiàn)”供水計(jì)劃表

2.4 水資源供需平衡分析

對(duì)規(guī)劃年4類(lèi)用水量與瑪納斯河灌區(qū)“三條紅線(xiàn)”供水量進(jìn)行供需平衡分析.

2025年石河子灌區(qū)缺水3 819.24萬(wàn)m3,莫索灣余水1 366.29萬(wàn)m3,下野地灌區(qū)缺水1 802.42萬(wàn)m3,瑪納斯河灌區(qū)總?cè)彼? 255.37萬(wàn)m3.2030年石河子灌區(qū)缺水7 549.28萬(wàn)m3,莫索灣缺水153.68萬(wàn)m3,下野地灌區(qū)缺水2 703.61萬(wàn)m3,瑪納斯河灌區(qū)總?cè)彼?0 406.57萬(wàn)m3.需水量會(huì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口增長(zhǎng)逐年變化,為解決灌區(qū)規(guī)劃年用水量嚴(yán)重超指標(biāo)這一問(wèn)題,基于預(yù)測(cè)結(jié)果及水資源總量控制指標(biāo)提出適合灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的最佳方案.

2.5 構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型

文中選取農(nóng)業(yè)和工業(yè)效益參數(shù)、費(fèi)用系數(shù)進(jìn)行計(jì)算.

1) 效益參數(shù)及費(fèi)用系數(shù)的確定

工業(yè)用水的效益系數(shù)采用工業(yè)總產(chǎn)值分?jǐn)偡椒?計(jì)算公式為

(22)

式中:b為工業(yè)用水效益系數(shù),元/m3;Q為工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值取水量,m3/萬(wàn)元;β為工業(yè)用水效益分?jǐn)傁禂?shù),根據(jù)水利研究成果β取0.11.此外,農(nóng)業(yè)水利分?jǐn)傁禂?shù)取0.45;工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水費(fèi)用系數(shù)分別為4.74元/m3和0.50元/m3.

(23)

3) 生態(tài)環(huán)境相關(guān)參數(shù)

工業(yè)污水排放系數(shù)為0.75,生活污水排放系數(shù)為0.87.

4) 用水戶(hù)最小需水量

農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水最小需水量分別占實(shí)際需水量的75%,85%,95%和90%.

2.6 水資源優(yōu)化配置模型求解

2.6.1 確定經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益權(quán)重

計(jì)算出指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重見(jiàn)圖2.

圖2 熵值法計(jì)算權(quán)重指標(biāo)結(jié)果

2.6.2 優(yōu)化配置結(jié)果

規(guī)劃年水資源優(yōu)化配置方案如表8所示.表中Ua,Ui,Ul,Ue分別為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水量.

表8 瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年水資源優(yōu)化配置結(jié)果

經(jīng)過(guò)LINGO語(yǔ)言編寫(xiě)的多目標(biāo)規(guī)劃模型得到的水資源配置方案可滿(mǎn)足灌區(qū)用水需求且在灌區(qū)總水量約束范圍內(nèi).優(yōu)化后瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年用水總量分別降低5.88%和11.04%,水資源供需矛盾得到一定程度緩解.

2.7 水資源優(yōu)化配置和諧性評(píng)價(jià)結(jié)果

2.7.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

瑪納斯河灌區(qū)2025年和2023年水資源配置和諧性各評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值見(jiàn)表9,由表9計(jì)算可得規(guī)劃年9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重.

表9 瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年水資源配置和諧性各評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值

2.7.2 和諧性評(píng)價(jià)結(jié)果

由各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度建立模糊關(guān)系矩陣R,再由式(21)得到水資源配置和諧性評(píng)價(jià)矩陣B,最終得到和諧性評(píng)價(jià)結(jié)果如表10所示.

表10 瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年水資源配置和諧性評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討 論

文中從預(yù)測(cè)灌區(qū)規(guī)劃年需水量、建立多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型、和諧性評(píng)價(jià)方面切入實(shí)例研究.

為協(xié)調(diào)區(qū)域配水問(wèn)題,黃草等[14]認(rèn)為以區(qū)域綜合缺水率最小為目標(biāo)構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型可以滿(mǎn)足區(qū)域用水紅線(xiàn)要求.文中為保障瑪納斯河灌區(qū)綜合效益目標(biāo)共同發(fā)展,建立的多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型更加具有適宜性與實(shí)踐性,這與吳凡[15]的研究結(jié)果一致.

為提升水資源配置評(píng)價(jià)的透明度,韓宇平等[16]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立幸福河評(píng)價(jià)模型,研究幸福河指數(shù)需求層次.文中在此基礎(chǔ)上引入“和諧理論”,建立水資源配置和諧性模糊綜合評(píng)價(jià)模型,以判斷指標(biāo)的和諧水平并得出評(píng)價(jià)結(jié)果.

4 結(jié) 論

1) 運(yùn)用Lasso算法結(jié)合相關(guān)指標(biāo)計(jì)算法預(yù)測(cè)瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年4類(lèi)用水需水量,并與規(guī)劃年供水指標(biāo)進(jìn)行供需平衡分析.

2) LINGO語(yǔ)言作為利用信息技術(shù)進(jìn)行科學(xué)高效管理的有效工具之一,可以實(shí)現(xiàn)三大效益的有效結(jié)合.

3) 從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā),建立評(píng)價(jià)模型,通過(guò)分析不同評(píng)價(jià)指標(biāo)和諧度,判斷指標(biāo)的和諧水平并得出評(píng)價(jià)結(jié)果.