基于“三条红线”及SE-DEA模型的水资源优化配置

姜志娇，杨军耀，任兴华(太原理工大学水利科学与工程学院， 太原 030024)

水是人类生命的源泉，是人类生活赖以生存、无法替代的基础性自然资源。但是近些年来，随着经济的高速发展、城镇化脚步的加快以及人口数量的不断增长，水资源供需矛盾日益突出，水资源短缺和水环境恶化已成为亟待解决的问题。2011年中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》中明确提出：严格执行关于水资源的管理规定，针对水资源进行用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三条红线”的规定。目前最严格水资源管理“三条红线”的研究成果很多，但仍然是以定性研究为主，最严格水资源管理制度和水资源配置结合的研究成果较少。鉴此，本文以山西平定县为例，科学划定“三条红线”管理指标，构建了“三条红线”约束下的多水源、多用户、多目标的水资源优化配置模型，为区域实施水资源配置提供参考。

1 “三条红线”控制指标

三条控制红线是最严格水资源管理制度[1]的核心内容，其主要包括用水总量控制红线、用水效率控制红线、水功能区限制纳污红线。“三条红线”从不同层面、角度对水资源的利用保护进行管理，其具体内容分别与水资源管理中的供、用、排3方面对应，构成了一个完整的水资源管理体系。

在严格遵守“三条红线”控制指标选取原则：核心性、代表性、系统性、可操作性及可比性的基础上，参考相关文献[2]，给出了“三条红线”控制指标体系(见表1)。

表1 三条红线控制指标体系

2 基于“三条红线”约束的水资源优化配置模型的构建

2.1 模型目标函数

大多传统的水资源配置模型可以兼具多水源、多用户、多目标等特点，发展已相对成熟。如何在“三条红线”约束下，使水资源配置模型达到用水总量控制、用水效率控制和污染物排放控制等要求，是本文研究的重点。

区域水资源优化配置的目的是合理分配水资源，实现水资源与区域社会、经济、生态环境的和谐可持续发展。因此，一般水资源优化配置的目标函数应包括经济效益目标、社会效益目标和水环境效益目标。目标函数[3,4]如下：

(1)

经济效益目标：

(2)

式中：αlp为l子区内p部门单方水产值系数。

社会效益目标：

(3)

式中：cp为用水户p的缺水权重；blp为l子区p用水部门的需水量。

水环境效益目标：

(4)

式中：wlp为l子区p污水排放系数，g/m3，一般选取COD表示。

G(x)：约束条件集。使用该模型需要满足以下条件：分配给各用水部门的总水量不能超过各类水源总可供水量、分配给各用水部门的水量不能超过其需水总量和数值非负以及各子区自身特殊条件要求等。

2.2 模型约束条件

模型的约束条件包括两个方面：①以构成水资源配置系统的个组成部分为 分析对象进行研究。②水资源配置系统内部各组成部分的相关关系着手分析。其中，水量约束主要考虑供水量和需水量两个方面。需水约束旨在保证不同用户需水量，供水约束旨在保证各供水水源分配到各用水部门的水量小于等于该水源所能提供的水量[5]。

(1)供水水源可供水量约束。

①公共水源满足下式约束：

(5)

式中：Wi为公共水源的可利用水资源量。

②专用水源满足下式约束：

(6)

式中：WL为L子区地表水、地下水和再生水的可供配置的总水量。

(2)各用水部门需水量约束。需水约束是指每个用水部门分配到的总水量不能超过其需水量。

(7)

式中：Dlp为l子区p用水部门的需水量。

(3)变量非负约束。

xlmp≥0

(8)

3 实例分析

平定县境内有绵河和甘陶河两大流域，流域面积占全县总面积的15%，多年平均降水量514.44 mm，多年平均河川径流量0.32亿m3，地下水资源量1.59亿m3，扣除地表与地下水重复计算量0.21亿m3，多年平均水资源总量1.70亿m3。平定县水资源相对丰富，但是随着经济的发展，出现了用水效率偏低、用水浪费以及水环境污染的问题。因此有必要对该地区进行以“三条红线”为主要约束的水资源优化配置工作，实现对水资源的最严格管理，缓解该地区水资源现存的问题。

综合考虑区域的水资源实际情况和经济社会发展现状及未来规划，以平定县行政区划为依据进行子区划分，分为10个子区，用l来表示。每个子区内按照行业种类对用水户进行分类，分为生活用水(城镇居民和农村居民)，生产用水(农业用水和工业用水)和生态环境用水。各用水部门用P表示，p=1代表生活用水，p=2代表农业用水，p=3代表工业用水，P=4代表生态环境用水。本文将不同水源分配给各个用水部门的水量设定为水资源优化配置模型的决策变量，用X表示，xl=(xlmp)，[m=1,2,…,i+j(l);j=1,2,…,j(l)]，其中xlmp代表m水源分配给l子区p用水部门的水量。

3.1 模型约束条件参数的确定

(1)用水总量控制指标：根据水资源分配中以供定需的原则，以水资源用水总量控制为主要目标，对该地区未来规划水平年水资源供需平衡进行分析。拟定2020、2030年用水控制指标见表2。此外，缺水权重cp用部门用水优先系数ηlp来表示，本文生活、生态、工业和农业的用水优先系数分别取0.4、0.3、0.2、0.1。

表2 平定县规划水平年用水总量控制指标 万m3

(2)用水效率控制指标：用水部门单方水国内生产总值GDP产值αlp，经过预算得出，到2020规划水平年，每消耗1 m3水，农业的GDP产值达到14元/m3，工业的GDP产值达到239元/m3；到2030规划水平年，每消耗1 m3水，农业的GDP产值为18元/m3，工业的GDP产值为375元/m3。

(3)水功能区限制纳污控制指标：污水排放系数wpl是污水排放量与用水量的比值，该地区主要污染物为COD，因此以COD的排放量代表该地区污水排放量。由该地区研究资料可以得出，城镇生活、农村生活、工业和农业的污水排放系数分别为28、21.75、36.3和7.25 g/m3。

3.2 配置方案的设定

基于水资源配置过程中优先考虑的因素不同，本文应用AHP层次分析法来确定各目标的权重主要产生下面4个配置方案。

方案1：均衡考虑3个目标的权重，基于层次分析法AHP计算出社会效益目标、经济效益目标和环境效益3个目标的权重分别为w1=0.637，w2=0.258，w3=0.105。

方案2：这种方案优先考虑的是社会效益，在综合考虑其他约束条件和为满足社会效益的期望值所分配的用水量。基于层次分析法AHP计算出经济和水环境2个目标的权重为w1=0.675,w2=0.325。

方案3：这种方案优先考虑的是经济效益，在综合考虑其他约束条件和为满足经济效益的期望值所分配的用水量。基于层次分析法AHP计算出社会和水环境2个目标的权重为w1=0.675,w2=0.325。

方案4：这种方案优先考虑的是水环境，在综合考虑其他约束条件和为满足环境效益的期望值所分配的用水量。基于层次分析法AHP计算出社会和经济2个目标的权重为w1=0.675,w2=0.325。

应用人工鱼群算法[6]在matlab中进行编程处理，对本文所采用的多目标配置模型进行计算。结合平定县的实际情况和社会经济发展规划目标，对求解结果进行相关处理，得到如下水资源配置结果。2020、2030年规划水平年水资源优化配置结果见表3。

表3 2020、2030年平定县水资源优化配置方案 万m3

从规划水平年4个方案的水资源配置情况来看,方案2缺水量相对最小，满足其侧重社会效益的目标；提水工程耗资较大，供水费用较贵，从经济合理性的角度分析，方案3中提水工程提水比例相对比较小，满足其侧重经济效益最大的目标；从水环境效益方面来考虑，方案4中供水分配中再生水所占的比例较大，保护了清洁水资源，提高了水资源的重复利用效率，且生态环境用水能够得到满足，有易于减轻水环境的污染程度，保护地表水环境，满足其侧重水环境效益的最大的目标。

4 基于SE-DEA模型的水资源优化配置效果评价

SE-DEA模型(超效率数据包络分析法)是一种基于数学规划模型对决策单元间的相对效率进行比较的评价分析方法。其目的是分析出每个决策单元综合效率的数量指标，根据综合效率数量指标对各决策单元进行分析，找出有效的(即效率相对最高的)决策单元，作为水资源配置方案进行决策的依据[7]。

基于社会合理性评价准则、经济效益评价准则、生态环境评价准则、效率合理性评价准则及适度开发评价准则这5条评价指标选取准则以及用水总量、用水效率、纳污能力控制“三条红线”，并考虑平定县的实际情况，建立如下评价指标体系。研究区水资源优化配置效果评价决策体系见表4。计算得出的各方案评价指标结果见表5和表6。

将2020、2030年规划水平年的各个方案的量化指标输入SE-DEA模型中进行运算，得到各个方案的水资源配置效果评价的效率值如表7所示。

表4 研究区水资源优化配置效果评价决策体系表

表5 2020年规划水平年各评价指标计算结果表

表6 2030年规划水平年各评价指标计算结果表

表7 2020、2030年水平年水资源配置方案评价效率表

使用SE-DEA模型对2020、2030年规划水平年各方案的量化指标经过输入、输出后得到的结果进行评价分析。从计算结果中可以看到，将各个水资源配置方案按超效率值进行排序，从高到低为社会效益优先>经济效益优先>水环境效益优先方案>基本方案优先。4个方案的超效率值都大于1，均为有效方案。经过对超效率值进行排序可以得出，在此次评价中，社会效益优先的方案是最佳的水资源配置方案。

5 结 语

实施最严格的水资源管理制度是现代水资源管理对我国水资源和经济社会发展新时期形式下的要求，本文针对平定县实际情况，建立了服务于最严格水资源管理的多目标水资源优化配置模型，基于SE-DEA模型得出了平定县水资源优化配置的最佳方案，旨在为新时期最严格水资源管理制度下的水资源利用提供参考，模型应用结果表明，“三条红线”约束的多水源联合调度模型不仅满足当前水资源保护的要求，而且有利于节水社会的建立，具有重要的推广意义。

[1] 王 浩.实行最严格水资源管理制度关键技术支撑探析[J].中国水利，2011,(6):28-29.

[2] 王 偲，窦 明，张润庆，等. 基于“三条红线”约束的滨海区多水源联合调度模型[J].水利水电科技进展，2001，(6):6-10.

[3] 孙振东，刘 冰.面向可持续发展的区域水资源优化配置模型[J].吉林水利，2007，(Z1):3-5.

[4] 岳剑飞.基于IACA的水资源优化配置及SE-DEA模型的配置效果评价研究[D].太原:太原理工大学，2013.

[5] 邓彩琼，付 慧，吴新广.武汉市水资源合理配置初探[J].水利科技与经济，2006，(2):88-92.

[6] 王联国.人工鱼群算法及其应用研究[D].兰州:兰州理工大学，2009.

[7] 孙玉琴.基于DEA的滨海区域生态旅游效率评价及优化研究[D].长沙:中南林业科技大学，2012.

[8] 戴莲莲.区域水资源合理配置方案综合评价体系的建立研究[J].中国水运(学术版)，2008，(6):116-117.