海日姑·阿布都熱西提

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700）

隨著人口數(shù)量的不斷增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)社會(huì)的缺水問題越發(fā)嚴(yán)重，加上水資源在時(shí)間和空間上的不均勻分布使得水資源危機(jī)越發(fā)嚴(yán)峻。特別是工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致水污染嚴(yán)重，使得農(nóng)業(yè)用水顯得更為艱難，因此，保護(hù)水質(zhì)質(zhì)量、合理優(yōu)化水資源配置對(duì)于緩解水資源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。對(duì)此，大量學(xué)者進(jìn)行了深入研究。姜秋香等[1]對(duì)黑龍江省的歷史供需水?dāng)?shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)等建立了相應(yīng)的區(qū)間多階段規(guī)劃模型，在滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效益的最大化。邊樂康等[2]根據(jù)農(nóng)業(yè)用水的不確定性和地表水的動(dòng)態(tài)性，將區(qū)間規(guī)劃模型、約束規(guī)劃模型和概率規(guī)劃模型相結(jié)合，建立一種新的模型，并在實(shí)際灌區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的可行性。向杰等[3]考慮到某金屬尾礦對(duì)地下水存在一定的污染可能性，故取土進(jìn)行淋溶試驗(yàn)，建立相應(yīng)的水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，提出該地區(qū)的水資源優(yōu)化配置方案。肖雪等[4]以京津冀地區(qū)為研究對(duì)象，制定了供需雙方的水資源優(yōu)化方案，可以達(dá)到高質(zhì)量的水資源供需平衡。齊學(xué)斌[5]等在考慮氣候變化、人類活動(dòng)等因素影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)用水特點(diǎn)，提出保障我國(guó)農(nóng)業(yè)用水安全的方法和水資源優(yōu)化配置的研究重點(diǎn)。本文以某水庫灌區(qū)為例，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水庫水質(zhì)進(jìn)行評(píng)判，并以農(nóng)作物系統(tǒng)收益最大化為目標(biāo)，采用區(qū)間非線性規(guī)劃模型對(duì)水資源進(jìn)行優(yōu)化配置。

1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

水質(zhì)評(píng)價(jià)是水資源優(yōu)化配置中非常重要的環(huán)節(jié)，通過對(duì)具體水體的質(zhì)量進(jìn)行深入的分析研究，可以得到相應(yīng)的水體受污染的程度，從而規(guī)劃合理的保護(hù)、開發(fā)、管理方案，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

水體當(dāng)中包含了大量不同的污染介質(zhì)，其種類和數(shù)量均為隨機(jī)的，故對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)價(jià)具有一定的困難度，目前常用的評(píng)價(jià)方法有層次分析法、灰色理論法和本文選用的模糊綜合評(píng)價(jià)法。模糊綜合評(píng)價(jià)法是指利用模糊數(shù)學(xué)原理，將水質(zhì)的定性評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，將其中的模糊指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榫_評(píng)價(jià)，利用隸屬度函數(shù)綜合分析多個(gè)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，從而對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)判[6]。模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算步驟如下。

首先，要確定影響因素集合U和相應(yīng)的評(píng)價(jià)集合V，如式（1）—（2）所示：

式中：ui（i=1，2，…，n）是指第i類影響水質(zhì)的因素的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值（共n類），若存在多個(gè)監(jiān)測(cè)值，則取其平均數(shù)；vj（j=1，2，…，m）是指第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)（共m個(gè)）。

根據(jù)影響因素集合評(píng)價(jià)集利用超標(biāo)法確定權(quán)重，按式（3）—（4）進(jìn)行歸一化處理，可建立歸一化的權(quán)重矩陣F，見式（5）：

式中：sij（j=1，2，3，4，5）表示第i類影響水質(zhì)的因素的第j等評(píng)價(jià)等級(jí)值；si表示第i類影響水質(zhì)的因素的算數(shù)平均值；Wi表示第i類影響水質(zhì)的因素的權(quán)重；fi表示權(quán)重進(jìn)行歸一化處理后的結(jié)果。

建立相應(yīng)的隸屬度評(píng)價(jià)矩陣E，見下式：

式中：eij表示第i類影響水質(zhì)的因素與其對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)的比值。

根據(jù)歸一化權(quán)重矩陣F和隸屬度評(píng)價(jià)矩陣E，可以得到相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果C，見下式：

式中：ci表示綜合考慮后第i類影響水質(zhì)的因素對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要性。

隸屬度函數(shù)決定了綜合模糊評(píng)價(jià)法的準(zhǔn)確度，根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，本文選擇降半梯形分布一元線性隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)對(duì)應(yīng)公式詳見表1。其中，rij表示第i類影響水質(zhì)的因素的第j等評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，其余變量含義同上。

表1 隸屬度函數(shù)對(duì)應(yīng)公式

1.2 某水庫水體質(zhì)量

經(jīng)過資料搜集與分析，認(rèn)為水體pH值在合適范圍內(nèi)時(shí)，水中微生物才能有良好的活性，水體生態(tài)鏈才能完整，水體才能保持一定的自凈能力；充足的溶解氧保障有機(jī)物能夠完全氧化，以減少因氧化不完全而產(chǎn)生的有毒污染物；高錳酸鉀鹽指數(shù)相當(dāng)于一種幾乎無毒、無副作用的消毒劑，可以氧化水中細(xì)菌和有機(jī)物，釋放生態(tài)氧，其指數(shù)高意味著水中寄生蟲的數(shù)量較低；氨氮含量高，則意味著水體營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，使得藻類大量生長(zhǎng)繁殖，從而導(dǎo)致水質(zhì)下降。上述4 個(gè)因素對(duì)水體質(zhì)量影響極大，故根據(jù)其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該水庫的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，這4個(gè)因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳見表2。由表2 可知，溶解氧含量數(shù)值越低，其水質(zhì)等級(jí)越差，故應(yīng)當(dāng)選擇指標(biāo)大為優(yōu)的方式計(jì)算隸屬度；而高錳酸鉀鹽指數(shù)和氨氮含量數(shù)值越高，其水質(zhì)等級(jí)越差，故應(yīng)當(dāng)選擇指標(biāo)大為差的方式計(jì)算隸屬度。

表2 水庫水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)當(dāng)?shù)厮|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本文共選取某連續(xù)3 a監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按每月1 次的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)，并利用式（3）—（5）計(jì)算得到其每年的權(quán)重向量矩陣F，結(jié)果詳見表3—5。

表3 第1年水庫水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果

表4 第2年水庫水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果

表5 第3年水庫水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上文按照隸屬度計(jì)算表可以得到3 a 水庫水質(zhì)的權(quán)重向量矩陣為：F1=（0.326 3，0.581 8，0.080 5，0.011 8），F(xiàn)2=（0.324 5，0.597 6，0.065 3，0.012 4），F(xiàn)3=（0.317 5，0.605 4，0.063 9，0.013 1）。

其隸屬度矩陣為：

按照式（7）進(jìn)行計(jì)算可得其水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，詳見表6。按照最大隸屬度原則判斷，3 a水庫水質(zhì)等級(jí)均為Ⅰ級(jí)，故將該水庫的水應(yīng)用于灌區(qū)水資源的優(yōu)化。

表6 水庫水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

2 水庫灌區(qū)水資源區(qū)間優(yōu)化模型和成果

該區(qū)域地下水埋深大、不易開采，加上大氣降水隨季節(jié)變化明顯且不穩(wěn)定，故其灌溉所用水源主要來自于水庫配水。隨著當(dāng)?shù)毓I(yè)的迅速發(fā)展，水庫作為常用水源供應(yīng)壓力不斷增大，水資源十分緊張。因此，按照需求進(jìn)行水資源優(yōu)化配置，盡量避免無端浪費(fèi)至關(guān)重要。

本文根據(jù)該水庫灌區(qū)的種植特征，選用計(jì)算較為簡(jiǎn)單的區(qū)間非線性規(guī)劃方法，按照農(nóng)產(chǎn)品收益最大化原則建立相應(yīng)的優(yōu)化模型，模型選取冬季小麥、夏季玉米和棉花這3種農(nóng)作物作為水資源優(yōu)化的研究對(duì)象，其優(yōu)化范圍為水庫周邊4個(gè)區(qū)縣，分別稱其為縣1、縣2、縣3、縣4。根據(jù)資料收集，可得優(yōu)化范圍的地表水、地下水供水量，供水成本以及3種農(nóng)作物的種植面積區(qū)間。根據(jù)區(qū)間優(yōu)化模型，結(jié)合農(nóng)作物充分灌溉后的產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)價(jià)格等因素，得到相應(yīng)的優(yōu)化配水量結(jié)果。各縣針對(duì)各農(nóng)作物的優(yōu)化配置水量曲線，如圖1所示。

圖1 各縣針對(duì)各農(nóng)作物的優(yōu)化配置水量曲線

3 種農(nóng)作物中，冬季小麥所需要的配水量最多，主要是因?yàn)槎拘←湻N植面積大，且從10月開始生長(zhǎng)，至次年6 月結(jié)束，在此期間天氣較為干旱，大氣降水較少，因此需要水庫增大供水量方能滿足其生長(zhǎng)需要。所需配水量排第二的為夏季玉米，夏季玉米種植面積相對(duì)冬季小麥少，且從6月開始生長(zhǎng)，至9月末或10月初左右結(jié)束，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骺芍?，該時(shí)間段內(nèi)大氣降水充足，故需要水庫額外供水量較小。棉花種植面積最少，且其生長(zhǎng)性質(zhì)特殊，喜愛較為干燥的土壤環(huán)境，若土壤過分濕潤(rùn)則可能導(dǎo)致其生長(zhǎng)周期延長(zhǎng)且產(chǎn)量降低，故所需配水量最少。

冬季小麥的生長(zhǎng)全周期主要可以分為苗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期及成熟期6個(gè)階段，根據(jù)區(qū)間優(yōu)化模型，對(duì)4 個(gè)縣的冬季小麥配水量進(jìn)行優(yōu)化。各縣針對(duì)小麥生長(zhǎng)的優(yōu)化配置水量曲線，如圖2所示。

圖2 各縣針對(duì)小麥生長(zhǎng)的優(yōu)化配置水量曲線

對(duì)于4 個(gè)縣而言，冬季小麥優(yōu)化配水量的趨勢(shì)基本一致，主要是與冬季小麥的生長(zhǎng)特性和生長(zhǎng)日期有關(guān)，其苗期一般開始于10 月初，此時(shí)大氣降水充足，土壤中含有大量的儲(chǔ)備水分，因此需要水庫配水量較少；隨著小麥的生長(zhǎng)，氣候逐漸寒冷，大氣降水量大幅降低，但此時(shí)小麥屬于拔節(jié)期，因生長(zhǎng)需要大量水分，因此需要增加水庫配水量；當(dāng)小麥進(jìn)入抽穗期時(shí)，水分過多會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)爛根現(xiàn)象，從而影響其產(chǎn)量，也會(huì)造成水資源的無端浪費(fèi)，因此此時(shí)可以適量減少水庫配水量；當(dāng)小麥進(jìn)入成熟期時(shí)，為了提高小麥最終的品質(zhì)，使其果實(shí)飽滿，產(chǎn)量增加，因此需要增加水庫配水量。

夏季玉米的生長(zhǎng)全周期主要可以分為苗期、拔節(jié)期、抽雄期及成熟期4 個(gè)階段，根據(jù)區(qū)間優(yōu)化模型，對(duì)4 個(gè)縣的夏季玉米配水量進(jìn)行優(yōu)化。各縣針對(duì)玉米生長(zhǎng)的優(yōu)化配置水量曲線，如圖3所示。

圖3 各縣針對(duì)玉米生長(zhǎng)的優(yōu)化配置水量曲線

對(duì)于4 個(gè)縣而言，夏季玉米的優(yōu)化配水量的趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出前期需水量少、中期需水量增加、后期需水量大量增加的發(fā)展規(guī)律，主要是與夏季玉米的生長(zhǎng)特性和生長(zhǎng)日期有關(guān)。夏季玉米種植于6 月中旬，其苗期大氣降雨量充足，已經(jīng)能夠滿足生長(zhǎng)所需要的用水量，若此時(shí)增加供水，則可能導(dǎo)致種子發(fā)霉無法發(fā)芽，因此此時(shí)需要減少水庫配水量；隨著玉米的生長(zhǎng)進(jìn)入抽雄期、成熟期，消耗的水量不斷增加，大氣降水已無法滿足其生長(zhǎng)的需要，因此需要不斷增加水庫配水量，其中成熟期所需配水量最大。

棉花的生長(zhǎng)全周期主要可以分為苗期、蕾期、花鈴期及吐絮期4 個(gè)階段，根據(jù)區(qū)間優(yōu)化模型，對(duì)4 個(gè)縣的棉花配水量進(jìn)行優(yōu)化。各縣針對(duì)棉花生長(zhǎng)的優(yōu)化配置水量曲線，如圖4所示。

圖4 各縣針對(duì)棉花生長(zhǎng)的優(yōu)化配置水量曲線

對(duì)于4 個(gè)縣而言，棉花的優(yōu)化配水量的趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出前期需水量大、中期需水量較為平穩(wěn)、后期需水量大量減少的發(fā)展規(guī)律，主要是與棉花的生長(zhǎng)特性和生長(zhǎng)日期有關(guān)。棉花種植于4月中下旬，其苗期需要較高的土壤含水率，約為60%，以保障其出芽率，而此時(shí)大氣降水量較少，無法滿足生長(zhǎng)所需要的用水量，因此此時(shí)需要增加水庫配水量；隨著棉花的生長(zhǎng)進(jìn)入蕾期、花鈴期，消耗的水量不斷增加，但此時(shí)大氣降水也大量增加，已經(jīng)能滿足其生長(zhǎng)的大部分需要，因此不需要過多水庫配水量；當(dāng)棉花進(jìn)入吐絮期，棉花已經(jīng)成熟，需水量大量降低，此時(shí)大氣降雨能滿足其全部水量需求，因此不需要水庫配水。

由上可知，3 種農(nóng)作物的最優(yōu)配水量與其生長(zhǎng)周期基本一致，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)各生長(zhǎng)階段的時(shí)間跨度進(jìn)行合理配水，在避免農(nóng)業(yè)水資源浪費(fèi)的基礎(chǔ)上，達(dá)到系統(tǒng)收益最大化。根據(jù)水資源區(qū)間優(yōu)化模型計(jì)算所得的系統(tǒng)收益與實(shí)際收益進(jìn)行對(duì)比可知，3 a優(yōu)化后所得收益均高于未優(yōu)化的實(shí)際收益，第1 年增加了0.3×107元，第2 年增加了12.4×107元，第3 年增加了5.4×107元。

3 結(jié)論

本文針對(duì)某水庫灌區(qū)具體案例，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水庫水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。采用區(qū)間非線性規(guī)劃方法建立了基于農(nóng)作物系統(tǒng)收益最大化的優(yōu)化配水模型，經(jīng)計(jì)算分析得到如下結(jié)論。

（1）搜集整理水庫水質(zhì)影響因素相關(guān)的監(jiān)測(cè)資料，按照超標(biāo)法計(jì)算其權(quán)重，根據(jù)最大隸屬度原則得到該水庫3 a水質(zhì)評(píng)級(jí)均為Ⅰ級(jí)，滿足農(nóng)業(yè)用水質(zhì)量需求，故可以用作農(nóng)作物供水水源。

（2）針對(duì)水庫灌區(qū)4 個(gè)縣的冬季小麥、夏季玉米、棉花3種農(nóng)作物，按照其不同的生長(zhǎng)需求特性和當(dāng)?shù)貧夂驐l件進(jìn)行最優(yōu)化配水，既減少了農(nóng)業(yè)水資源的浪費(fèi)，也較好地增加了系統(tǒng)收益。