城市水资源优化配置概述

孙凌虹,王 静

(1.西北大学 城市与环境学院,陕西 西安 710127;2.西安理工大学水电学院,陕西西安 710148)

随着城市经济的繁荣和工业化的发展,各地区对城市生活空间和环境质量的要求也日益提高,相应地,出现了对资源的过度需求以及大规模的开发利用。而水资源的供需矛盾也首当其冲,成为当今世界普遍关注的一个问题。如何科学合理地对城市水资源进行配置,不仅关系到城市经济社会的进步,也成为影响城市发展的最大“瓶颈”之一。因此,从国家水资源配置的全局性出发,以改善城市用水紧张,实现城市水资源的可持续利用为前提,进一步总结和发展水资源配置的相关理论体系和关键技术,对我国水资源的持续利用,以及城市经济、社会、环境的协调发展都具有重大的理论和现实意义。

1 水资源配置理论研究概述

1.1 水资源合理配置的概念辨析

近年来,国内很多学者分别从不同的角度和领域对水资源配置问题进行了深入的探讨和研究,他们都给出了自己的解释：

(1)王顺久等认为[1]：水资源的合理配置是指在一个特定的区域或流域内,通过提高水资源的配置效率,综合解决各行各业之间的用水问题,即对不同形式的有限的水资源进行科学合理的分配,其最终目的就是实现水资源的协调利用。

(2)赵斌等人认为：水资源合理配置是指通过工程与非工程手段,以及跨流域调水等措施,在一定时间段内,合理改变水资源的区域结构及天然时空分布,在协调好各地区之间利益矛盾的同时,最终实现某一特定区域或流域的经济、社会和生态环境的协调展。

(3)王济干等提出在和谐发展的前提下,对一特定区域或流域内一定量和质的水资源,按照不同的需求和用途,通过工程和非工程措施,将水资源在各用户之间进行科学合理的分配。

(4)王浩、秦大庸等认为[2]：在水资源生态经济系统内,通过工程与非工程措施,对一定范围内不同形式的多种可利用水源,按照有效性、公平性、可持续性和系统性的原则,综合调控各区域和用水部门之间的利益分配,即是对水资源的合理配置。

(5)甘泓、李令跃等将水资源的合理配置定义为[3]：按照公平、有效和可持续的原则,对一特定区域或流域内水资源在各用水户之间的科学分配。

以上是各学者在近期的研究中对水资源合理配置的一些看法,其中,以我国颁布的《全国水资源综合规划大纲》提出的概念最为广大学者所接受,即[4]：“在流域或特定的区域范围内,遵循公平、高效和可持续性的原则,利用各种工程与非工程措施,考虑市场经济的规律和资源配置准则,通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和措施,对多种可利用水源在区域间和各用水部门间进行的配置”。

从上述定义可以看出,对水资源合理配置的要求,大体上有以下几个共性：①运用工程与非工程措施;②遵循公平、有效、系统以及可持续等原则;③按需分配;④最大限度地利用水资源。实际上,水资源的合理配置问题就是提出一个更好地利用稀缺水资源的方法和手段,在对人类城市影响最小的前提下,从一系列复杂关系中找出相对公平的、可接受的水资源分配方案,从而实现对水资源的开发、利用、保护与管理之间效益的最大化。

1.2 水资源优化配置的基本原则

广义的水资源是指水环境资源或水体资源,即指可利用或有可能被利用的各种天然的或人为的水体。我国《水法》中所称的水资源,包括河流、湖泊、水库中的地表水以及地下水。我国是一个水资源贫乏的国家,人均水资源拥有量仅为世界平均水平的四分之一。在全球一体化的时代背景下,随着城市经济的发展,城市工业和生活用水的需求不断激增,而个人普遍缺乏节水意识,造成水资源浪费现象极其严重。因而,对已有水资源的有效利用更显得尤为重要。总的说来,水资源的合理配置应该遵循公平原则和效率原则的统一[5]。在具体实施时,应设置以下几个原则：

1.2.1 可持续化原则。

对水资源的开发利用要有一定的限度,要按照水资源的承载能力,推进社会和水利的协调发展。只有水资源承载能力与社会经济发展的水平相协调时,才能实现整个社会的可持续发展。

1.2.2 宏观调控原则。

水资源是由人类所共有的物质财富。在承认资源共享的前提下,由权威的国家政治权力机构进行宏观调配,从而实现水资源的合理开发和可持续利用。

1.2.3 开源与节流并重原则。

这涉及到一个水资源总量控制的问题。计划用水、节约用水,是实现水资源可持续利用的长久之策。对于在取水,也即开发水源的过程当中,也要有一个排放总量的控制限额。只有开源与节流并重,才能在满足当代人用水需求的前提下,保障后代人的用水权利不被剥夺。

1.2.4 因地制宜以及使用权优先原则。

水资源配置应根据当地的自然条件及社会经济发展状况进行有计划地配置,并在分配过程当中解决优先使用权的问题,例如生活(生存)优先原则,因为水资源是人类赖以生存和发展的物质基础,各地在进行水资源配置中都必须首先保证城乡居民生活用水以及施工安全生产所必须的水。

1.2.5 综合效益最大化原则。

从水资源的开发利用及保护的角度出发,综合调配各项相关资源,从而获得经济、社会、环境协调发展的最佳综合效益。

1.2.6 不损害原则。

自然水体有一定的自净能力,所以,生活和生产废物的排放应尽可能降低到最低程度,即维持在生态环境承载力的范围之内,从而保持水体清洁和水域功能。

必须说明,水资源优化配置的原则是多方面的,因为影响水源的因子是各种各样的。我们只能在社会的发展和问题出现的过程当中不断地加以调整和完善,但就目前来看,主要是以上 6个原则。

2 水资源优化配置模型的建立

城市水资源是一个复杂的大系统,一般由 4个部分组成,即供水、输水、用水以及排水系统。城市水资源的配置过程可描述为[6]：水资源配置系统根据系统输入的信息,从水资源系统通过输水系统将水分配到各个用水部门,然后由用水系统和排水系统反馈信息给水资源分配系统,水资源分配。如此反复,直到得到最优配置结果。

2.1 子区划分与水源、用户构成

设区域划分为 k个子区,定义 k子区水源与用户之间的供需关系矩阵。子区内水源与用户间的供求关系系数,i=1,2,m为不同供水水源,j=1,2,,n为不同需水用户。当k子区的 i水源和 j用户存在供求关系时

2.2 模型目标的确立

水资源系统优化的最高目标是,实现水资源合理配置,使经济、社会的综合效益达到最大。并且,水资源利用不是仅追求某一方面效益的大小,而是追求整体效益最高。因此,水资源优化配置问题实际上是一个多目标决策问题。

其目标函数形式可表示为：

式中：X为决策向量,由不同数量、质量和赋存形式的水资源组成;分别为水资源开发利用的经济、社会和环境效益。

2.2.1 经济效益

以区域供水净效益最大来表示：

2.2.2 社会效益

以区域总缺水量最小来表示：

式中：Dkj为 k子区 j用户的需水量(万 m3)。

2.2.3 环境效益

以区域重要污染物(COD)的排放量最小来表示：

式中：dkj为 k子区 j用户单位废水排放量中重要污染因子(化学需氧量 COD)的含量(mg/l);Pkj为 k子区 j用户废污水排放系数。

2.3 约束条件

2.3.1 区域供水系统的供水能力约束

即 k子区 i水源向所有用户的供水量之和应小于其可供水量：

式中：为 k子区i水源的可供水量。

2.3.2 区域用水系统的需水能力约束

即 k子区 j用户从水源获得的水量应该介于该用户需水量的上下限之间：

2.3.3 区域协调发展约束

区域水资源利用与区域经济发展的协调度 μB1(σ1)、区域经济发展与区域水环境质量改善的协调度 μB2(σ2),此处分别用供需水量比值、区域生产总值增长率与污水处理能力增长率的比值来反映;并假定区域协调发展指数最低值 μ＊为0.8。

2.3.4 变量非负约束

2.4 总体模型

将目标函数与约束条件组合在一起就构成了水资源优化配置的总体模型,即 Obj

此模型可以得到某一区域内各子区及用户的缺水程度,结合各区域的实际情况,最终提出解决区域供需水矛盾的方法与途径。

3 水资源优化配置研究建议

针对水资源配置的研究现状,结合国内水资源利用的实际情况,提出以下建议：

1)完善水资源配置体系。水资源涉及经济、社会和环境等多种影响因素,要充分协调各因素之间的关系,最终实现水资源的可持续利用与发展。

2)利用科学技术及现代化手段提高水资源利用效率。正确估计水资源承载能力,重视科技进步和现代化管理对提高水资源利用效率的巨大作用。

3)建立合理的水资源配置模型。重视模型的实用价值以及可行性,切忌主观色彩过浓,以满足实际需求为主。

4 结语

由于我国水资源相对匮乏,合理配置城市水资源,是实现我国经济社会发展的前提和保障。随着科学技术的日新月异,会出现越来越多的新方法和新理论。我们应该在科学发展观的指引下,从社会学、生态学、经济学等角度综合研究,建立一套符合我国水问题国情的科学的水资源配置体系,从而实现整个社会的可持续发展。

[1]王顺久,侯玉,张欣莉.中国水资源优化配置研究的进展与展望[J].水利发展研究,2002,2(9).

[2]王浩,陈敏建,秦大庸.西北地区水资源合理配置和承载能力研究[M].郑州：黄河水利出版社,2003.

[3]甘汉,李令跃,尹明万.水资源合理配置浅析.中国水利,2000,04.

[4]水利部水利水电规划设计总院,全国水资源综合规划技术细则[Z].2002.

[5]许怡,高惠珠.水资源配置的公平与效率问题[J].科技信息(学术研究).2008.

[6]张成凤.基于遗传算法的榆林市水资源优化配置的研究[M].2008.

[7]王小平.曹立明.遗传算法—理论、应用与软件实现[M].西安：西安交通大学出版社,2002.

[8]李文丽,王宏伟.区域水资源优化配置模型分析[J].黑龙江水利科技.2006(3).