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        剛性約束下人民勝利渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案研究

        2024-12-31 00:00:00張修宇康惠澤
        人民黃河 2024年11期

        摘 要:為解決人民勝利渠灌區(qū)水資源利用的“瓶頸”制約問題,創(chuàng)新性地構(gòu)建了基于剛性水資源約束的灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型,并引入高效的改進型非支配遺傳算法(NSGA-II)求解,生成規(guī)劃水平年2035 年不同供水保證率的100 組優(yōu)化配置方案。采用結(jié)合層次分析法(AHP)與CRITIC 權(quán)重法的綜合權(quán)重計算方法,利用TOPSIS 法進行方案排序與優(yōu)選,從眾多可行方案中遴選出最優(yōu)配置方案,為人民勝利渠灌區(qū)水資源節(jié)約集約利用提供參考,并有助于實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

        關(guān)鍵詞:水資源;剛性約束;優(yōu)化配置;NSGA-II;AHP;CRITIC 權(quán)重法;TOPSIS 法;人民勝利渠灌區(qū)

        中圖分類號:TV213.4;TV882.1 文獻標志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.11.011

        引用格式:張修宇,康惠澤.剛性約束下人民勝利渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案研究[J].人民黃河,2024,46(11):68-73.

        0 引言

        引黃灌區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地,在確保我國糧食安全等方面發(fā)揮著重要作用。長期以來,引黃灌區(qū)存在大水漫灌、粗放式管理等問題,灌溉用水效率不高,水資源浪費嚴重[1] 。近些年來,國家加大了對引黃灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入,使灌溉水利用率不斷提高,但仍然存在水資源“瓶頸”制約問題。研究人民勝利渠灌區(qū)在水資源剛性約束條件下如何實現(xiàn)優(yōu)化配置,有效緩解水資源緊張問題,促進灌區(qū)經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,具有重要意義。

        水資源剛性約束是指在“以水定需”理念下,根據(jù)水資源的稟賦,制定約束指標體系,處理好水資源保護利用與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系,劃定水資源保護利用的范圍邊界,提高水資源利用效率,根據(jù)水資源約束規(guī)劃國土空間布局。水資源剛性約束的目的是強化節(jié)水意識,促進用水結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高用水效率,保障生態(tài)環(huán)境需水,實現(xiàn)經(jīng)濟社會用水需求與可用水量之間的平衡。水資源剛性約束的具體內(nèi)容包括基本生態(tài)用水保障、經(jīng)濟社會發(fā)展用水控制、分行業(yè)用水管制、用水效率控制等。

        1 水資源優(yōu)化配置研究概述

        水資源優(yōu)化配置研究經(jīng)歷了較為漫長的發(fā)展歷程,20 世紀40 年代美國學(xué)者Masse[2] 提出以水資源系統(tǒng)分析為手段解決水資源優(yōu)化配置問題,之后關(guān)于水資源配置問題的研究成果不斷涌現(xiàn)[3-4] ,計算機技術(shù)的發(fā)展使水資源系統(tǒng)優(yōu)化模擬配置模型得到快速發(fā)展。國外學(xué)者在水資源優(yōu)化配置的研究中綜合考慮了水質(zhì)與環(huán)境等因素,如:Minsker 等[5] 在氣候變化等不確定的條件下,基于遺傳算法建立了水資源多目標配置模型;McKinney[6] 利用傳統(tǒng)物理模型對研究區(qū)域進行水文模擬,建立了以GIS 為基礎(chǔ)的集成水資源配置模型。我國學(xué)者從20 世紀60 年代開始開展水資源優(yōu)化配置研究[7] ,80 年代華士乾[8] 利用系統(tǒng)工程方法進行水資源優(yōu)化配置研究,將可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護納入研究范圍。

        灌區(qū)水資源優(yōu)化配置研究近幾十年來得到較快發(fā)展,如:曾賽星等[9] 采用大系統(tǒng)分解與協(xié)調(diào)的方法,建立地表水、地下水共同利用譜系模型,并在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)義長灌域永聯(lián)試驗區(qū)進行了應(yīng)用;張展羽等[10] 根據(jù)農(nóng)業(yè)水土資源相互關(guān)聯(lián)、相互制約的特點,將目標函數(shù)確定為灌區(qū)經(jīng)濟效益最大或灌區(qū)供水量最大、將決策變量確定為農(nóng)作物種植面積或各種作物供水量,建立了缺水灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型;唐德善[11] 運用多目標規(guī)劃的思想方法,建立了大流域水資源多目標優(yōu)化配置模型,提出了大系統(tǒng)遞階動態(tài)規(guī)劃的求解方法,并較好地應(yīng)用在黃河流域。

        水資源剛性約束是實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的重要手段,水資源優(yōu)化配置是水資源剛性約束的重要目標[12] 。水資源剛性約束與水資源優(yōu)化配置之間是相互促進、相互支撐的關(guān)系。只有通過實施水資源剛性約束,才能有效控制用水總量,促進節(jié)約集約用水,為優(yōu)化配置提供條件;只有通過實施水資源優(yōu)化配置,才能充分發(fā)揮水資源的綜合效益,為剛性約束提供動力。因此,水資源剛性約束下的水資源優(yōu)化配置是指在“以水定需”理念指導(dǎo)下,在科學(xué)測算水資源承載能力基礎(chǔ)上,制定水資源剛性約束指標體系。

        本文根據(jù)《河南省四水同治規(guī)劃(2021—2035年)》提出的水資源節(jié)約集約利用水平大幅度提升等要求,將供水總量、用水戶用水量、萬元GDP 用水量、人均用水量等作為剛性約束條件,進行規(guī)劃水平年2035 年人民勝利渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案研究,以期為灌區(qū)水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供方案支持。

        2 研究區(qū)概況與水資源優(yōu)化配置方法

        2.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

        人民勝利渠灌區(qū)的主要供水水源為黃河水,多年平均引黃水量為6.906 億m3,灌區(qū)地下水資源總量約為3.2 億m3(其中引黃灌區(qū)入滲補給量占總補給量的48.6%)。工業(yè)和生活用水主要開采深層水,近20 a 來隨著引黃灌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的迅猛發(fā)展和灌區(qū)人民生活水平的穩(wěn)步提高,地下水開采量逐年增大,造成局部出現(xiàn)地下水降落漏斗。人民勝利渠灌區(qū)工程主要由引水工程、渠系工程和建筑物構(gòu)成,引水工程由2 條引水渠和渠首閘組成,渠系工程由總干、干、支、斗、農(nóng)5 級渠系工程(其中:總干渠1 條、干渠6 條、支渠43 條)及排水、機井、沉沙系統(tǒng)組成,建筑物有2 173 座??偢汕L約52.7 km,引黃河水自南向北注入新鄉(xiāng)衛(wèi)河。

        本文所用數(shù)據(jù)主要來源于《河南省水資源公報》《人民勝利渠志》《新鄉(xiāng)統(tǒng)計年鑒》《安陽統(tǒng)計年鑒》等資料。

        2.2 供需水量預(yù)測

        根據(jù)人民勝利渠灌區(qū)中長期規(guī)劃與水資源狀況,預(yù)測規(guī)劃水平年2035 年50%、70%、90%保證率的灌區(qū)供需水量??晒┧繀⒄杖嗣駝倮走^水能力及灌區(qū)地下水利用規(guī)劃分不同水源進行預(yù)測,需水量分不同用水戶采用定額法進行預(yù)測,得出2035 年人民勝利渠灌區(qū)的可供水量為10.256 億m3,其中引黃水量7.204 億m3、地下水量3.052 億m3,各用水戶需水量見表1。

        2.3 水資源優(yōu)化配置模型

        2.3.1 目標函數(shù)

        人民勝利渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的目標是通過對水資源的合理配置,實現(xiàn)灌區(qū)水資源利用的經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益最大化,目標函數(shù)表達式為

        Z = max[f(x),g(x),y(x)] (1)

        式中:x 為決策變量,f(x)為經(jīng)濟效益,g(x)為社會效益,y(x)為生態(tài)效益。

        1)經(jīng)濟效益目標。把各區(qū)域各用水戶供水凈效益最大化作為經(jīng)濟效益目標,計算公式為

        式中:bnij為i 水源(引黃水和地下水,i = 1,2)向n 區(qū)域(n =1,2,…,6)j 用水戶(農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài),j =1,2,3,4)供水的效益系數(shù),cnij為i 水源向n 區(qū)域j 用水戶供水的費用系數(shù),xnij為i 水源向n 區(qū)域j 用水戶的供水量,αj為j 用水戶的用水公平系數(shù),βi 為i 水源的供水次序系數(shù)。

        2)社會效益目標。社會效益用各區(qū)域各用水戶總?cè)彼孔钚『饬?,計算公式?/p>

        式中:Qnj為n 區(qū)域j 用水戶的需水量。

        3)生態(tài)效益目標。把各區(qū)域各用水戶的主要污染物排放量最小作為生態(tài)環(huán)境效益目標,計算公式為

        式中:dnj為n 區(qū)域j 用水戶排放的廢水中主要污染物的濃度,pnj為n 區(qū)域j 用水戶的廢水排放系數(shù)。

        2.3.2 剛性約束條件

        1)供水總量約束。供水總量約束是指供水量不得超過研究區(qū)用水總量控制指標。供水總量約束的表達式為

        式中:Xmax為研究區(qū)用水總量控制指標。

        2)用水戶用水量約束。各水源向j 用水戶的供水量qi 下限是該用水戶的最小需水量,上限是該用水戶的最大需水量。j 用水戶用水量約束的表達式為

        Lnj≤qj≤Hnj(6)

        式中:Lnj和Hnj分別為n 區(qū)域j 用水戶的最小需水量和最大需水量。

        各用水戶用水量上限均與其需水量相等,生活用水量的下限是其需水量的95%,農(nóng)業(yè)用水量下限為其需水量的90%,工業(yè)用水量下限是其需水量的80%,生態(tài)用水量下限為其需水量。

        3)萬元GDP 用水量約束。根據(jù)《河南省四水同治規(guī)劃(2021—2035 年)》,規(guī)劃水平年2035 年的萬元GDP 用水量比2020 年下降25%。萬元GDP 用水量約束的表達式為

        式中:G 為規(guī)劃水平年研究區(qū)的GDP,U1 為規(guī)劃水平年萬元GDP 用水量上限。

        4)人均用水量約束。根據(jù)《河南省四水同治規(guī)劃(2021—2035 年)》,規(guī)劃水平年2035 年的人均用水量比2020 年下降12%。人均用水量約束的表達式為

        式中:P 為規(guī)劃水平年研究區(qū)的總?cè)丝冢眨矠橐?guī)劃水平年人均用水量上限。

        人民勝利渠灌區(qū)各區(qū)域2035 年萬元GDP 用水量與人均用水量上限見表2。

        5)非負約束。非負約束是指決策變量值不能是負數(shù),表達式為

        xnij≥0 (9)

        2.4 模型參數(shù)確定

        2.4.1 用水效益系數(shù)與費用系數(shù)

        1)農(nóng)業(yè)用水效益系數(shù)和費用系數(shù)。根據(jù)《用水定額:河南省地方標準(DB41/ T 385—2009)》,結(jié)合各區(qū)域種植結(jié)構(gòu)與規(guī)模,利用單位面積作物產(chǎn)值/ 用水量計算得到各區(qū)域的用水效益系數(shù),利用各區(qū)域的農(nóng)業(yè)用水費用總額/ 農(nóng)業(yè)用水量計算得到農(nóng)業(yè)用水費用系數(shù),結(jié)果見表3。

        2)工業(yè)用水效益系數(shù)與費用系數(shù)。工業(yè)用水效益系數(shù)以每立方米用水產(chǎn)生的工業(yè)增加值確定,取405.4元/ m3;工業(yè)用水費用系數(shù)根據(jù)當?shù)毓┧畠r格管理辦法確定,包含基本水費、附加費、污水處理費,取5.1元/ m3。

        3)生活用水效益系數(shù)與費用系數(shù)。生活用水費用系數(shù)?。矗?元/ m3,效益系數(shù)計算公式為

        b3 = δ(pl/Kl )(10)

        式中:b3為生活用水效益系數(shù);pl 為平均最低工價;Kl 為生活用水定額,根據(jù)《河南省地方標準:工業(yè)與城鎮(zhèn)生活用水定額》,?。叮?L/ (人·d);δ 為當?shù)貏趧尤丝诒壤?/p>

        利用式(10)計算人民勝利渠灌區(qū)各區(qū)域生活用水效益系數(shù),結(jié)果見表4。

        4)生態(tài)用水效益系數(shù)與費用系數(shù)。為了充分保障生態(tài)用水,生態(tài)效益系數(shù)與費用系數(shù)取值與生活用水相同。

        2.4.2 供水次序系數(shù)

        1)用水戶用水公平系數(shù)。根據(jù)“先生活,后生產(chǎn)”的水資源分配原則,各區(qū)域各用水戶用水的優(yōu)先程度有所差異。各用水戶用水優(yōu)先程度用用水公平系數(shù)表示,計算公式為

        式中:tmax為用水戶用水次序最大值;tj為j 用水戶的用水次序。

        結(jié)合實際情況與《中華人民共和國水法》,用水次序為生活用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水、工業(yè)用水。經(jīng)計算,上述4 個用水戶的用水公平系數(shù)依次為0.40、0.26、0.20、0.14。

        2)水源供水次序系數(shù)。各水源供水優(yōu)先程度用供水次序系數(shù)表示,計算公式為

        式中:umax為水源供水次序最大值;ui 為i 水源供水次序。結(jié)合實際情況,確定水源供水次序依次為引黃水、地下水。經(jīng)計算,引黃水、地下水供水次序系數(shù)分別為0.67、0.33。

        2.5 優(yōu)化算法應(yīng)用

        遺傳算法(GA)是一種模擬生物進化過程的優(yōu)化方法,包括編碼、操作、適應(yīng)度評估和參數(shù)設(shè)置等步驟[13] 。該算法通過選擇、交叉和變異等操作來尋找最優(yōu)解,類似于自然選擇中的優(yōu)勝劣汰。遺傳算法存在可能過早收斂到局部最優(yōu)解的局限,不能充分利用某些優(yōu)秀個體的信息[14] 。因此,本研究采用改進型非支配遺傳算法(NSGA-II),該算法通過引入分布函數(shù)來降低選擇優(yōu)秀個體的難度,可避免算法陷入局部最優(yōu)解。本研究采用基于MATLAB 進化算法開發(fā)的多目標優(yōu)化平臺PlatEMO[15] 對目標函數(shù)進行求解,從而得到相應(yīng)的最優(yōu)解。

        2.6 配置方案優(yōu)選

        2.6.1 方案優(yōu)選指標

        水資源優(yōu)化配置應(yīng)遵循綜合效益最大原則,在不同區(qū)域、用水目標和部門間合理分配水資源,以實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和生態(tài)協(xié)同發(fā)展。為全面反映水資源剛性約束的核心內(nèi)容,推動區(qū)域水資源可持續(xù)利用,本研究圍繞水資源優(yōu)化配置的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益三大目標,選取能直觀、全面反映水資源優(yōu)化配置的指標(區(qū)域經(jīng)濟效益、供水量、需水量、缺水量、污染物排放量等),構(gòu)建人民勝利渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型。

        2.6.2 方案優(yōu)選指標賦權(quán)方法

        本研究綜合考慮指標的客觀特征和專家的主觀偏好,采用CRITIC 權(quán)重法與層次分析法(AHP)[16] 進行組合賦權(quán)。CRITIC 權(quán)重法是一種基于指標的對比強度和沖突性的客觀賦權(quán)方法,能夠反映指標的重要性和差異性;AHP 是一種基于判斷矩陣的主觀賦權(quán)方法,能夠反映專家的主觀判斷和偏好。應(yīng)用組合賦權(quán)法對水資源優(yōu)化配置方案指標進行組合賦權(quán),能夠提高權(quán)重的合理性與可信度。

        2.6.3 方案比選方法

        TOPSIS 法是一種根據(jù)理想解相似性的優(yōu)選評價方法,通過計算各方案到最優(yōu)、最劣解之間的距離和貼近度來評價方案的優(yōu)劣。本研究首先采用NSGA-II對構(gòu)建的水資源優(yōu)化配置模型進行求解, 其次采用TOPSIS 法,按貼近度的大小對各種配置方案進行排序,貼近度越大則表明方案越優(yōu)。

        3 人民勝利渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置結(jié)果

        3.1 水資源優(yōu)化配置模型求解

        采用NSGA-II 求解人民勝利渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型,規(guī)劃水平年2035 年50%、70%、90%保證率分別產(chǎn)生100 個方案,經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益Pareto 三維散點圖見圖1,不同保證率的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益最大值和最小值見表5。

        3.2 方案比選結(jié)果

        將不同保證率下規(guī)劃水平年2035 年100 種配置方案貼近度按由大到小的順序進行排序,發(fā)現(xiàn)58、25和55 號方案的貼近度分別為50%、70%、90%保證率下的最大值,從而被確定為最優(yōu)配置方案。不同保證率下2035 年水資源優(yōu)化配置最優(yōu)方案的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益見表6。

        3.3 結(jié)果分析

        1)缺水分析。不同保證率下2035 年人民勝利渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置情況見表7。

        2)供水結(jié)構(gòu)分析。不同保證率下2035 年人民勝利渠灌區(qū)不同用水戶供水占比見表8。由表8 可知:生態(tài)用水量占比基本保持穩(wěn)定,為5%左右,表明本次水資源優(yōu)化配置充分考慮了生態(tài)環(huán)境保護的需求,生態(tài)用水得到了保障;生活用水量和工業(yè)用水量占比隨保證率提高呈下降趨勢,分別由50%保證率的14.6%和14.0%下降到90%保證率的10.9%和10.9%,而農(nóng)業(yè)用水量占比呈明顯的上升趨勢,從50%保證率的65.2%上升到90%保證率的73.5%,說明隨著供水保證率的提高,農(nóng)業(yè)用水量的比例逐漸提高,降低了生活用水量和工業(yè)用水量的比例。農(nóng)業(yè)始終是用水大戶,灌區(qū)管理部門應(yīng)采取有效措施,切實提高農(nóng)業(yè)用水效率,實行水資源節(jié)約集約利用。

        5 結(jié)論

        1)人民勝利渠灌區(qū)2035 年不同區(qū)域缺水狀況差異明顯,延津縣缺水量和缺水率最大(50%、70%、90%保證率下的缺水率分別為9.96%、9.77%、9.76%),其次為新鄉(xiāng)縣。

        2)供水結(jié)構(gòu)隨供水保證率變化顯著。隨著保證率的提高,生態(tài)用水量占比保持相對穩(wěn)定,而生活用水量和工業(yè)用水量占比有所下降,農(nóng)業(yè)用水量占比則顯著上升。

        3)農(nóng)業(yè)始終是用水大戶,灌區(qū)管理部門應(yīng)采取有效措施,切實提高農(nóng)業(yè)用水效率,實行水資源節(jié)約集約利用。本研究尚存在一些不足之處,如在灌區(qū)水資源優(yōu)化配置過程中未考慮作物種類、灌溉方式等因素,配置指標選取不夠全面,且配置結(jié)果僅從缺水量、缺水率及供水結(jié)構(gòu)等方面進行分析,實踐價值有所欠缺。下一步應(yīng)全面考慮灌區(qū)特性、生態(tài)環(huán)境等因素,將灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉方式等作為優(yōu)化變量,進一步完善灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型,為水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供更有價值的參考。

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        【責任編輯 張華興】

        基金項目:河南省科技研發(fā)計劃聯(lián)合基金資助項目(232103810102); 水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)研究基金資助項目(2023-SYSJJ-04);河南省重大公益科技專項(201300311500);河南省科技攻關(guān)項目(212102311156);水利部黃河泥沙重點實驗室開放課題基金資助項目(HHNS202005)

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