云南文山州区域水资源优化配置计算分析

崔东文

（云南省文山州水利学会，云南 文山 663000）

0 引言

水资源优化配置是指在流域或特定区域范围内，以水资源安全和可持续利用为目标，遵循公平、高效和环境完整性原则，通过各种工程与非工程措施，对多种可利用水资源在各区域和部门之间进行科学分配，协调和处理水资源天然分布与生产力布局的相互关系，实现流域或区域水资源永续利用和社会、经济、生态环境的可持续发展。

目前，水资源配置理论主要有以需定供、以供定需和基于宏观经济与可持续发展的水资源优化配置等。 在水资源优化配置中，由于通常比较关注将水资源按一定的需求比例分配给各需水部门，而对产生的经济效益、水资源的边际成本等考虑不完全，因而缺乏有效的利益补偿和激励机制，妨碍了节水水平和水资源利用效率的进一步提高，在一定程度上造成水资源整体配置的不合理[1]。 本文依据《文山州水资源综合规划报告》的基础数据，从经济效益、社会效益和生态效益多目标的结合上，建立了基于最大经济效益的水资源多目标优化配置模型，并以文山州在不同规划水平年、不同保证率情况下的水资源优化配置为对象，进行计算分析，旨在为文山州水资源优化配置提供参考和决策依据。

1 文山州概况

文山州位于云南省东南部，东邻广西，北接曲靖，西与红河州毗邻，南与越南接壤，总面积31 456 km2，辖文山、砚山、西畴、麻栗坡、马关、丘北、广南、富宁8 县。 其中部呈西东方向隆起的地带把全州分为北南两半，北半部属珠江流域，面积17 144 km2,占全州面积的54.5%；南半部属红河流域，面积14 312 km2，占全州面积的45.5%。境内干、支河流、沟溪众多，流域面积大于50 km2的河溪共139 条，分属珠江水流域西江水系和红河流域泸江水系。

文山州地处低纬度高原季风气候区域，水资源总量丰富。 根据1959～2005 年水文资料，该区年平均降雨量为379.95 亿m3，多年平均径流深为501 mm，多年平均水资源总量157.7 亿m3， 水资源可利用量49.7 亿m3。 全州人均水资源占有量为5 303m3，略高于全省平均水平。 在现状条件下，各类水利工程年设计供水能力9.02 亿m3，实际供水达7.42 亿m3[2]。

2 文山州区域水资源优化配置模型构建

2.1 模型构成

水资源优化配置涉及经济、社会、生态环境等多个决策主体，是典型的多目标决策问题[3～4]。 本文基于水资源经济效益最大化的思想，建立以水资源经济效益最大化、生态用水量得到最大满足和缺水量最小为目标函数的水资源优化配置模型，并以生存条件约束、承载力约束和用水公平性约束等作为约束空间，以平衡各部门的经济用水量。 在建模过程中，坚持可持续发展、优先保证生活和生态用水、用水经济效益最大化3 条基本原则。

2.1.1 目标函数

根据区域水资源的特点以及区域经济社会发展对水资源的需求，建立如下以经济效益、生态效益和社会效益为目标的水资源优化配置子模型。

（1）经济目标。 区域用水产生的经济效益最大，即

式中：xkij为水源i 向k 子区j 用户的供水量，万m3；bkij为水源i 向k 子区j 用户的单位供水量效益系数， 元/m3；ckij为水源i 向k 子区j 用户的单位供水量费用系数，元/m3。

（2）生态目标。 区域生态用水量得到最大满足，即

式中：Dks为k 子区生态需水量，万m3。

（3）社会目标。 区域缺水量之和最小，即

式中：Dkj为k 子区j 用水户的总需水量，万m3。

2.1.2 约束条件

（1）可供水量约束。供水量必须在供水工程的供水能力范围内，同时不超过水资源的利用潜力，即

式中：Wki为k 子区水源i 的可供水量，万m3。

（2）生存条件约束。 水资源净效益供水量和水环境质量必须满足人们生存的最低需求。 约束主要是为了保证各部门用水量的平衡，避免水量在用水效益较高的部门过分集中，而使用水效益较低的部门只分配到很少的水量，甚至分配不到水量。 生存条件约束主要包括生活需水量约束、生态需水量约束、农业需水量约束、工业需水量约束。

生活需水量约束是优先保证生活用水，即

式中：D1上、D1下分别为生活需水上下限，万m3；D1为生活需水量，万m3。由于生活需水是首先要保证项，因此，D1下=D1上=D1。

生态需水量约束是保证环境质量不遭破坏，即

式中：D2下为生态需水量下限， 万m3；D2上为生态需水量上限，万m3。

农业需水量约束是保证粮食用水安全，即

式中：D3下为农业需水量下限， 万m3；D3上为农业需水量上限，万m3。

工业需水量约束，即

式中：D4下为工业需水量下限，万m3；D4上为工业需水量上限，万m3。

2.2 模型求解

如上建立的区域水资源优化配置模型是一个十分复杂的多目标线性优化模型。 多目标数学模型的求解有两种方法，一种是将多目标模型转化为单目标模型，另一种是把其中的一个目标作为目标函数，将其他目标变为约束条件。 本文采用第二种方法求解。 根据水资源优化配置的基本原则，结合文山州区域水资源实际情况，以水资源经济效益最大为目标函数，优先保证和满足生活和生态用水，并以其他项为约束条件。 在用水部门效益系数和费用系数的制约下（见下表1），水资源优化配置数学模型如下：

采用MATLAB 软件中线性规划linprog 函数对模型进行求解[5-6]。

3 文山州区域水资源优化配置计算结果及分析

利用建立的水资源优化配置模型，通过计算，可以得到文山州区域不同规划水平年、 不同保证率情况下的水资源优化配置方案。 配置结果见表2～表4。

分析表2～表4，可以得出以下结论。

（1）2005 规划水平年，在不同保证率情况下，文山州均存在缺水现象。 在50%保证率下，农业用水出现18.1%的缺水，缺水量达18 208 万m3，水资源最大经济效益达115 亿元，其他部门供水均得到保证，总缺水率为15.6%；在75%和90%保证率年份，工业和农业均出现不同程度缺水， 缺水率分别为20.6%、33.7%和40.0%、55.4%，水资源最大经济效益为100 亿元和89.9 亿元，总缺水率为35.7%和50.1%，缺水较为严重。

表1 文山州不同水平年各用水部门供水效益系数和费用系数 单位：元/m3Table 1 Water delivery benefit coefficient and cost coefficient of water department in different years of Wenshan state (Unit: yuan/m3)

表2 文山州2005 年不同保证率水资源优化配置结果 单位：万m3Table 2 Water resource optimization configuration results with different reliabilities in 2005 of Wenshan state (Unit: 10000m3)

表3 文山州2020 年不同保证率水资源优化配置结果 单位：万m3Table 3 Water resource optimization configuration results with different reliabilities in 2020 of Wenshan state (Unit: 10000m3)

（2）2020 规划水平年，当来水保证率P=50%时，水资源的可供水量大于需水量， 也就是平水年份，文山州不缺水。 在75%和90%保证率情况下，农业出现不同程度缺水，缺水率分别为18.3%和36.2%，水资源最大经济效益为736 亿元和723 亿元，总缺水率为15.7%和31.1%，其他部门供水均得到保证。

（3）2030 规划水平年，在50%和75%保证率情况下，农业出现不同程度缺水，缺水率分别为6.5%和29.3%，水资源最大经济效益为1622 亿元和1 602亿元，总缺水率为5.4%和24.3%，其他部门供水均得到保证。 在90%保证率情况下，工业和农业均出现不同程度缺水，缺水率分别为72.9%和40.0%，水资源最大经济效益为964.4 亿元，总缺水率为38.3%，其中工业缺水15 906 万m3， 农业缺水108 556 万m3，缺水均较为严重。 尤其工业缺水，所造成的经济损失最为严重。

表4 文山州2030 年不同保证率水资源优化配置结果 单位：万m3Table 4 Water resource optimization configuration results with different reliabilities in 2030 of Wenshan state(Unit:10000m3)

（4）从各用水部门之间的配置情况看，由于模型中在保证生活、生态用水条件下注重了经济效益最大化，所以不同水平年、不同保证率下的生活用水和生态用水优先得到满足。 在枯水年，农业用水首先受到影响；在特枯年，农业和工业部门都会有不同程度地缺水。

（5）从规划水平年配置情况分析，在2020 年、2030 年，研究区尽管各用水部门需水量增加，但缺水程度却会比2005 年降低。 这主要是根据水利发展规划，新增水源及节水工艺的发展等原因。

（6）从表2～表4 的水资源配置结果可以看出，农业需水量所占比例最大。 在基于最大经济效益的水资源配置模型中，由于农业用水效益系数较小，为保证农业用水需求和粮食安全，模型中农业用水约束条件为不低于农业需水量的60%。 即使如此，规划中农业缺水仍较为普遍，这就必须加强需水管理，充分挖掘农业节水工程的潜力，进一步提高水资源利用效率。

（7）在《文山州水资源综合规划报告》中，文山州在不同规划水平年经济社会发展预测指标（GDP）为：2005 年148 亿 元；2020 年778 亿 元；2030 年1 680 亿元。 与本文基于最大经济效益的水资源配置模型计算结果较为接近，说明模型具有一定的参考意义。

4 结语

（1）水资源优化配置涉及经济、社会、生态环境等多个系统，是典型的用多目标决策系统分析问题。优化配置的难点是如何以水资源的可持续利用为指导思想，兼顾效率、公平等原则，把区域内可供水量合理地分配到各子区域或用水部门。 其关键之处在于如何确定最大化或最优的配置目标，以及约束条件等。

（2）水质问题是当前水资源优化配置中的难点所在。 而本文在建立模型时，由于缺少资料，并未对水质条件进行约束，模型在实际运用中，应对水质或纳污能力进行约束，以满足环境要求。

（3）本文从经济效益、社会效益和生态效益的结合上， 建立了基于最大经济效益的水资源多目标优化配置模型，并以文山州不同规划水平年不同保证率情景下的水资源配置为对象，运用MATLAB 软件、调用linprog 函数进行计算分析，计算结果验证了该模型的科学性、有效性和实用性，对文山州区域经济发展具有参考意义。

[1] 耿福明,薛联青,吴义锋. 基于净效益最大化的区域水资源优化配置[J]. 河海大学学报,2007,35(2):149-152.

[2] 文山壮族苗族自治州水资源综合规划报告[R].文山州水利电力勘测设计院,2009.

[3] 王顺久,张欣莉,倪长键,等.水资源优化配置原理及方法[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[4] 杜守建,崔振才.区域水资源优化配置与利用[M].郑州:黄河水利出版社,2009.

[5] 陈杰.MATLAB 宝典[M].北京:电子工业出版社，2009：4.

[6] 龚纯,王正林.精通MATLAB 最优化计算[M].北京:电子工业出版社,2010.