平原河网地区水资源分配研究——以苏州平原河网为例

沈默，谈飞

（河海大学商学院，南京211100）

平原河网地区水资源分配研究
——以苏州平原河网为例

沈默，谈飞

（河海大学商学院，南京211100）

平原河网地区大都是高密度、高城市化的地区，将有限的水资源在这些地区进行合理的分配就显得尤为重要。基于狭义的水资源分配理论，在供需分析的基础上建立以需水量满意度最大为目标的分配模型，并将理论模型应用于苏州市平原河网地区，结合工程调度，在6个不同的调度方案中决策出满意度最大的方案，从而使整个区域的水资源达到最佳的使用价值。

水量分配；平原河网；需求分析；满意度

平原河网地区地势平坦，河流纵横，是河网高度发育并受城市化影响深刻的区域，因此，将有限的水资源在这些地区进行合理的分配就显得尤为重要。

国外的水资源优化配置研究是朝着开发多目标、多层次、多用户、群决策的流域水资源优化配置系统为目标一步一步发展起来的。Grigg等［2］将系统动力学应用到水资源系统的研究中；Haimes［3］把系统动力学和大系统理论结合起来，把复杂的流域大系统分解为若干个相对独立的子系统，先进行每个子系统的优化，然后将子系统的优化结果反馈给大系统模型，得出整个流域的最优解。发展至今，国外研究人员不断地将水资源配置模型、水位模型、地理信息系统以及经济模型进行耦合，已得到一些成功的应用实例和模拟模型［4］。例如，苏格兰的流域水资源系统模拟软件Aquator、美国的MITSM和流域水资源配置通用模型Aquarius、澳大利亚的水量水质综合模拟模型IQQM等［5］。

国内水资源优化配置的研究是从水库优化调度发展而来的，虽然起步晚，但发展十分迅速。目前常用的方法有线性规划、非线性规划、模拟技术、遗传算法、神经网络方法、多目标决策技术、大系统理论与方法以及衍生的一些其他方法［6］。

综上分析，国外的研究主要集中在流域的水资源分配上，系统集成性很强，且对资料的要求很高，直接在我国应用的可行性不高。而国内的研究多注重理论，结合实际案例来进行研究的较少，平原河网的水资源分配研究更是不多。本文从经济性出发，结合优化调度，选取苏州市平原河网地区为研究对象，建立以水资源需求量的满意程度最大为目标的分配模型，力求水资源的充分利用和合理分配。

1　平原河网水资源分配理论研究

从广义上说，水资源合理分配的目的是达到经济、环境、社会、资源、生态综合效益的最佳，并试图保持水资源系统的可持续发展［7］。而从狭义上说，水资源合理配置可以分为“水资源需求分析—水利工程优化调度—水量优化分配”3个步骤。水资源需求分析是以过去的资料为依据，根据经济条件、人口变化、资源情况等，采用一定的数据处理方法，分析及预测不同水平年和不同区域的生活、工业、农业等的需水量和可供水量。水利工程优化调度是要借助一定的工程措施来完成的，平原河网区域内有多个闸和泵，其开闭可形成多种组合方案，每一种组合方案下水量的不同形成了不同的调度方案。水量优化分配是在水量供不应求的情况下依据用水部门的供水矛盾和用水效益，结合工程调度方案，根据选定的分配准则进行优化调度、合理分配水量。

本文基于狭义的水资源分配理论，在保证平原河网地区最低用水量的基础上进行供-需分析，讨论如何在各个区域进行水量的合理分配，从而使整个区域的水资源达到最佳的使用价值。

1.1需水分析

需水分析主要是根据用水量的历时资料，对过去年份需水量的整理统计和对未来年份需水量的估计推测。平原河网地区的需水量主要分为农业、工业、服务业三大部门，需水量的预测方法可采取定额法和时间序列预测法，如式（1）所示。其中：W表示总需水量；Wagr，n表示农业需水量；Wind，n表示工业需水量；Wser，n表示服务业需水量；N表示整个平原河网所划分的区域数。

1.1.1农业需水量

广义的农业是以土地资源为生产对象的产业，包括种植业、林业、畜牧业、渔业、副业5种形式。本文选用有代表性的种植业、林业和渔业作为需水量的计算。计算方式有2种：①通过调研相关动植物的养殖（种植）面积和相应的定额标准来计算；②统计某一块区某些年份的农业需水量进行回归曲线拟合来进行估计，如式（2）所示。

式（2）中：Wzn表示第n块区的种植业需水量；表示第n块区的林业需水量；Wyn表示第n块区的渔业需水量。

3类农业需水量的计算都采用用水定额法进行计算：

1）种植业需水量

式中：Wzn为预测年份第n块区种植业需水量；aij为预测年份i种农作物j次的灌溉面积；ωij为预测年份i种农作物j次的用水定额；η为水利用系数。

2）林业需水量

3）渔业需水量

式中：Wyn为预测年份第n块区渔业需水量；ai为预测年份i种鱼类的养殖面积；ωi为预测年份i种鱼类的补水定额；η为水利用系数。

1.1.2工业需水量和服务业需水量

此处工业是指采矿业（不含开采辅助活动），制造业（不含金属制品、机械和设备修理业），电力，热力，燃气及水生产，供应业，建筑业等。第三产业即服务业，是指除第一产业、第二产业以外的其他行业，包括批发和零售业、交通运输、住宿和餐饮业、环境和公共设施管理业等。工业和服务业的预测需水量采用时间序列回归分析法：

式中：Wt为平原河网第n块区的工业（服务业）需水量；Wt-1，Wt-2，…，Wt-p为平原河网预测年份之前的工业（服务业）需水量；φ1，φ2，…，φp为回归系数；at为白噪声误差项。

1.2供水分析

平原河网地区供水来源分为3部分：①河道供水，这部分与调度规则紧密关联，调度规则的不同将导致河道水位的不同，直接影响河道的可供水量；②外部供水，主要是指自来水厂从外河道引水直接供给城乡居民使用的部分；③降雨，其对农作物的影响比较大，降雨量大的情况下，农业部门对其他供水渠道的压力会减小。

式中：Vn为第n块的供水量；Vh，n为第n块区某一河道内的可供水量；Vw，n为第n块区外部供水量；Vy，n为第n区块的降雨量。

1）河道内供水

式中：Vh，n为第n块区某一河道内的可供水量；Si（h）为某河道的截面面积，是水位h的函数；Li为某河道在该区域的长度。

2）外供水Vw，n

此处考虑的主要为平原河网地区的自来水厂从外河道引水供给城乡居民使用的部分，该部分数据需要针对具体的地区进行调研取得。

3）降雨Vy，n

式中：Vy，n为降雨量；q为降雨强度；t为降雨历时；S为有效降雨面积。

1.3理论模型及约束条件

平原河网地区的河流众多、纵横交错，相比我国西北部干旱地区，其缺水情况并不是特别严重。但是，该区域每个子区的经济重要性并不相同，如何将有限的水资源在各个子区之间合理分配，使产生的经济效益最大是亟待解决的问题。

1.3.1理论模型

为平衡各子区用水的经济价值，引入“名义缺水量”的概念。实际缺水量是指某子区需水量和可供水量的差值，但是由于每个子区经济的重要性不同，1单位水的经济产值不同，反过来说，缺1单位水的严重程度也不同。名义缺水量就是某子区的实际缺水量和该子区的经济重要程度的乘积。用名义缺水量代替实际缺水量，把经济价值不同的各子区转换成同一重要程度下进行水量的合理分配更加准确和直观。

因此，本文水资源分配的目标函数即为同等重要条件下各子区缺水量最小，也可以转换成各子区水资源需求量的满意程度最大，如式（10）所示。

式中：N为平原河网地区子区数量；k为第n子区内产业数量；βn为第n块区内农业、工业、服务业同等重要性转化权重；Wnk为第n子区内某种产业的需水量；Vn为第n子区内供水量。

1.3.2约束条件

保证用水安全是区域水资源合理配置的前提。针对区域水资源的时空分布不均性、社会经济发展不协调性等特点利用水利调度的手段合理配置水资源，必须保证各区域供给的水能够保证生命安全、社会能够存在的最低标准，即满足居民生活最低需水量、基础农业需水量、基础工业需水量以及航运的保证水位。

需水量的统计可以采用定额的方式，各行业的安全用水量统计方法如表1所示。

表1　各行业最低保证水量计算方法

根据本文研究可知，约束条件可以用式（11）表示。式中：第1式表示可供水量必须满足生活、基础农业、基础工业的基本需求；第2式表示河道水位必须大于最低航运水位。

2　苏州市平原河网水资源分配实例研究

苏州地处长江和太湖下游，境内河道纵横、湖泊众多、水域广阔、地势低平、水域面积与陆地面积之比达4∶6。苏州市共有大小河流2万多条，湖泊300多个，河网密度高达1.5 km/km2，是我国典型的平原河网地区［8］。在持续降雨时期，雨水充沛，水资源短缺问题并不突出，如何及时有效地防洪排涝才是决策的重点。但在持续干旱时期，水资源供需矛盾尤为突出，因此对苏州市平原河网的水资源分配研究以1978年枯水期的数据为计算的基础，研究不同的调度方案对水资源分配效果的影响。

2.1苏州市平原河网子流域划分及调度方案的产生

苏州地区属于典型的平原河网地区，水流往复运动通常没有一定的规律且极其复杂，一般很难明显地划分出子流域。本文按照苏州的行政区划、水系分布和集水域的外包线划分子流域，将计算区域划分为常熟、太仓、吴江等13个子流域，如图1所示。采用算术平均法来计算各子流域的面平均降雨量。各子流域的面积及计算面雨量所取用的雨量站统计见表2。

本课题在实例研究中不穷举所有方案，而是选择几种典型的调度方案进行优选。其中，调度方案的调整原则如下：

1）改变规则中各水文测站控制水位的上限；

2）水位根据3种情况进行调整：①只调整长江边上的控制水位；②只调整太湖边上的控制水位；③长江边上和太湖边上的控制水位同时调整。产生的典型调度方案如表3所示。

图1　改进的子流域划分法

表2　改进的子流域划分方法子流域面积与相关雨量站

2.2安全用水保证量计算

采用定额法，根据表1所列公式，参考2012年末的苏州市第6次人口普查数据、2013年的苏州市统计年鉴等资料，得出如表4所示的各子区安全用水保证量。

2.3各子区供水量计算

根据水动力模型模拟出各子流域的河道在不同调度方案下的水位，计算出各子区的河道供水量；根据苏州市水厂及取水口位置统计数据，计算出各子区的外部供水量，如表5所示。

由表4、5可知6个方案全部满足最低用水量的要求，可以进行下一步的方案优化决策。

表3　特枯时期各调度方案下水动力模拟调度方案

2.4各子区需水量计算

根据苏州市自身的种植情况，选取小麦、水稻和蔬菜瓜果作为典型农作物，参考需水定额数据计算出农业需水量。工业需水量是根据《苏州市水资源公报》中的数据，利用SPSS统计软件进行回归分析得到，如表6所示。

表4　各子区安全用水保证量合计m3

表5　各子区在不同调度方案下的期望供水量m3

2.5不同分配方案的水资源满意度

对苏州市平原河网地区水资源的配置以对子区需求量的满足程度最大作为目标，通过计算所有子区的满意度来进行调度方案的评价。

2.5.1权重的确定

权重反应的含义就是一个单位水的缺水损失，经济价值高的区域，缺水1个单位的水量其损失较大；反之，经济价值低的区域，缺少一个单位的水量其损失较小。因此，用计算子区域的GDP来反映其重要性是合理可行的。

式中：βn为某一块区内农业、工业、服务业同等重要性转化权重；Gn为某一块区的GDP产值；N为平原河网地区子区数量，N=13。

13个子区域的GDP数据资料参见《苏州市2013年统计年鉴》，由此得出13个子区域的权重，见表7。

表7　苏州市各子区权重

2.5.2不同分配方案决策

前文已列的决策所需的基础数据，根据式（13）计算出各调度方案供水满意程度，结果如表8所示。

表8　不同调度方案供水满意程度

计算结果绘制成柱状图如图2所示。

图2　不同方案供水满意程度

计算结果显示：调度方案6的供水满意程度最大。6个方案的供水满意度从大到小依次为方案6、方案3、方案5、方案1、方案2、方案4。

3　结束语

本文建立的以需水满足度最大为目标的分配模型，是在缺水损失最小的基础上简化得到的。进行简化的原因是后者需要精确的数据表明缺1单位的水所造成的经济损失是多少，而现阶段，这些数据没有专门的机构进行调研整理，即使有，也基本停留在理论层面，没有应用于实际。而本文所建立的分配模型可快速明确地为该地区水资源的优化调度提供必要的决策依据。在长远的研究中，本文所建立的水资源优化配置可以和防洪排涝、水环境保护结合起来，进行多层次的平原河网综合优化研究。

［1］袁雯，杨凯，唐敏.平原河网地区河流结构特征及其对调蓄能力的影响［J］.地理研究，2005，24（5）：717 -724.

［2］Grigg N S，Brgson M C.Interactive simulation forwater system dynamics［J］.Jof The Urban Planning and Development Division，1975，126（3）：116-124.

［3］Haimes Y Y.Hierarchical analysisofwater resources systems：modeling and optimization of large-scale systems［M］.New York：McGrawHill，1977.

［4］王皓.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.

［5］柳长顺，陈献，刘昌明.国外流域水资源配置模型研究进展［J］.河海大学学报：自然科学版，2005，33（5）：522-524.

［6］尤祥瑜，谢新民，孙仕军，等.我国水资源配置模型研究现状与展望［J］.中国水利水电科学研究院学报，2004，2（2）：131-140.

［7］傅冬绵，关于区域水资源的优化配置模型［J］.国土资源科技管理，2001，18（4），15-18.

［8］王凯.苏州市水资源配置研究［D］.南京：河海大学水文学，2007.

（责任编辑陈艳）

Distribution Research of W ater Resources in Plain River System：Taking Suzhou's Plain River as Exam p le

SHEN Mo，TAN Fei
（Business School，HohaiUniversity，Nanjing 211100，China）

It is particularly important to allot the limited water resources in the plain river area because of the high density and urbanization.Based on the narrow theory ofwater resources and analysis of supply and demand，the task established the distributionmodel aiming tomaximize the satisfaction of water demand.Combining with the project scheduling，the theoretical model was applied to Suzhou's plain river area and decided the greatest satisfaction level in six different scheduling schemes.And the whole regionalwater resources achieved the best use value.

water allocation；plain river system；demand analysis；satisfaction

O211

A

1674-8425（2015）06-0155-08

2015-01-16

水利部公益性行业科研专项经费资助项目（201201017）

沈默（1989—），女，浙江宁波人，硕士研究生，主要从事项目管理研究；谈飞（1959—），男，江苏常州人，副教授，主要从事建设项目管理研究。

沈默，谈飞.平原河网地区水资源分配研究——以苏州平原河网为例［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2015（6）：155-162.

format：SHEN Mo，TAN Fei.Distribution Research ofWater Resources in Plain River System：Taking Suzhou's Plain River as Example［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（6）：155 -162.