引洮受水区水资源多目标优化配置研究

王兴宗，张陇娟，张 亮

引洮受水区水资源多目标优化配置研究

王兴宗，张陇娟，张 亮

(中共定西市委党校，甘肃 定西 743000)

水资源；供需平衡；多目标优化配置；引洮受水区

甘肃省引洮工程通水后，其受水区的水资源匮乏状况将得到极大改善，如何高效合理地利用水资源是该区域亟待解决的重要课题。在对当地水资源供需状况全面预测的基础上，建立受水区家庭、工业、农业、服务业、建筑业、生态六大用水户水资源综合效益最大化多目标优化配置模型，采用多目标规划法进行求解，得到7种水资源配置方案，并对各方案进行分析，以期为促进受水区水资源利用效益的最大化和经济、社会、生态的协调发展提供决策依据。

引洮工程是甘肃省大型跨区域调水工程，受水区包括位于甘肃中部的安定、陇西、临洮、通渭、榆中、会宁、静宁、渭源、武山、甘谷、秦安等11个国家扶贫开发工作重点县，涉及155个乡镇330多万人。工程致力于解决该区域城乡家庭用水、工业用水、生态环境用水、农业灌溉用水，缓解水资源供需矛盾，改善家庭供水条件及工农业生产条件，基本改变区域水资源极度紧缺的局面[1]。通水后该区域水资源量将得到极大补充，但要为当地经济社会发展提供可靠的供水保障，让有限的水资源得到可持续利用，最大限度地发挥综合效益，还需要进一步对水资源的高效配置进行研究。

水资源的开发利用具有多目标、多层次属性，各用水户在用水数量、方式上相互制约，在水资源有限的情况下，区域发展过程中生产、家庭、生态等各项用水效益的最大化目标互不相容，一个用水户目标的实现往往伴随着另一些用水户目标的削弱。因此，在对区域水资源进行优化配置时，还需从全局出发，统筹安排，权衡各用水户利益及区域发展需要，选择适合的配置方案，以达到用水系统的最优化。

1 水资源供需平衡分析

1.1 经济发展状况与需水量预测

对未来需水量合理的预测和估算是进行水资源合理配置的前提和重要组成部分。以2015年为现状年，采用定额法对2020年受水区六大用水户即家庭用水、农业用水、工业用水、建筑业用水、服务业用水、生态用水的需水情况进行预测(表1)。定额法是根据区域发展现状和规划对用水户发展指标(产值、人口)和用水定额进行预测，从而得出各用水户的需水量。

表1 2020年引洮工程受水区六大用水户需水情况

1.1.1 家庭需水量预测

家庭需水主要包括城乡居民生活用水和农村牲畜用水。家庭需水量与人口数量、城镇化程度、用水定额、居民生活习惯等有关，需水量最终由人口数量与用水定额两个因素决定。人口数量根据受水区人口基数和“十三五”规划人口增长率7‰推算。目前，受水区城镇化率在25%左右，并处于快速城镇化阶段，预计到2020年受水区城镇化率可达到42%。城乡生活用水定额参考引洮一期工程初设报告确定，城镇生活用水为100～130 L/(人·d)，农村生活用水为40～60 L/(人·d)，大牲畜为35～42 L/(头·d)，小牲畜为5.8～7.5 L/(头·d)，结合规划目标，2020年家庭需水量最大值和最小值分别为15 542.486万、20 925.855万m3。

1.1.2 农业需水量预测

农业用水量会随着作物种植结构调整、节水设施使用、灌溉设施完善、灌溉制度调整而变化。工程通水后，受水区灌溉面积将达到15.744万hm2。今后几年受水区将继续建设田间水利设施，改善渠灌，推广地膜覆盖，节水保墒，加大微灌、喷灌、管灌比例，降低灌溉定额。据测算，将综合灌溉定额确定为3 150～3 450 m3/hm2，则2020年农业需水量将会在49 593.600万～54 316.800万m3之间。

1.1.3 工业需水量预测

工业需水定额以万元工业增加值取水量作为指标。今后几年将是受水区完成从初步工业化向工业化更高水平迈进的重要阶段，将通过调整工业结构布局，大力开发和推广节水工业生产技术，提高水的重复利用率。2020年万元增加值取水量将由目前的110 m3/万元降到40～50 m3/万元，因此将工业需水量确定为8 812.360万～11 015.451万m3。

1.1.4 建筑业需水量预测

受水区城镇化进程加快，推进了建筑业的蓬勃发展。建筑业一直是耗水大户，用水定额也较大，为80～90 m3/万元，据预测到2020年受水区建筑业的总产值将达到1 178 748.800万元，需水量在9 429.990万～10 608.739万m3之间。

1.1.5 服务业需水量预测

受水区服务业发展相对不足，产业结构层次较低，主要以交通运输、商贸流通、餐饮服务为主。未来随着产业结构的不断调整，现代物流、金融保险、科技教育、文化旅游等新兴服务业将得到大力发展。这些行业属于耗水量较少的行业，将其用水定额确定为10～20 m3/万元，预计2020年实现产值4 461 673.280万元，需水量为4 461.673万～8 923.347万m3。

1.1.6 生态需水量预测

长期以来，受气候、环境、水资源条件等多方限制，受水区生态环境极差，水土流失严重，引洮工程的实施将极大地促进受水区生态环境的恢复。根据受水区的生态治理目标，今后几年退耕还林还草力度将会加大，林草覆盖率将从24%逐步提高到30%，甚至35%以上[2]，长期困扰当地的生态环境问题将得到基本解决。预计，2020年牧草地和林地的灌溉定额分别为2 700～3 000、3 150～3 510 m3/hm2，面积分别为0.610万、1.781万hm2，生态总需水量为7 257.150万～8 081.310万m3之间。

1.2 水资源开发潜力与供水量预测

2020年引洮二期工程实现通水后，受水区的主要供水水源将来自4个方面，即当地地表水、地下水和外调水、回收利用的中水。到2020年，当地自产水资源总量为48 200万m3，其中地表水资源量44 000万m3、地下水资源量4 200万m3，自产可利用水资源总量39 100万m3，其中地表水资源可利用量35 200万m3、地下水可开采量3 900万m3[3]。目前，受水区本地水资源开发利用程度已达57%，尤其是地下水超采现象更甚，进一步开发的潜力很小。2020年外调水55 000万m3，主要供水对象是城乡居民生活、工农业生产和生态修复，能够显著增强区域供水能力。开展污水处理、对中水回收利用是增强水资源供给潜力的重要途径。按照区域污水排放情况，可在受水区兴建污水处理厂，收集家庭、工业、建筑业污水，按照70%的回收利用率处理后，再用于工业和建筑业。此外，在开发潜力既定的条件下，可采用节水技术和节水设施减少水资源的浪费以增加水资源的供给能力。

总体上，实现通水后，受水区在水资源的总量上能够实现供需平衡，但在水资源利用系统内部如何实现各目标之间的平衡，还应对水资源在各用水户之间的配置做进一步研究。

2 水资源多目标决策分析

受水区水资源优化配置的目标是家庭、农业、工业、建筑业、服务业和生态六大类用水户综合效益最大化，并保持系统的协调持续发展，其模型为

maxF(x)=max[f1(x),f2(x),…,f6(x)] (x≥0)

(1)

G(x)≤0

(2)

上式中：F(x)为水资源总效益；f1(x)，f2(x)，…，f6(x)为6个用水户的用水效益目标；x为决策变量；G(x)为对系统起约束作用的约束条件集，G(x)≤0是其在模型中的最优表达形式。

在对各用水户用水效益进行折算时，均以单位工业用水效益为基准[4]，根据其他用水户用水量与效益的关系确定其单位用水效益，按照各用水户的社会效益、环境效益、经济效益，以发展目标、人口规模、经济实力为准则，用层次分析法或德尔菲法确定用水效益系数[5-6]。

2.1 用水效益目标函数

2.1.1 工业用水效益

单位工业用水效益采用产值分摊方法，计算公式为

Bg=β(q1/W)/q1=β/W

(3)

式中：Bg为单位工业用水效益；β为工业供水效益分摊系数；q1为工业用水量；W为工业万元产值用水量，取40 m3/万元。

2.1.2 其他用水户用水效益

建筑业用水效益按照工业用水效益确定，其他4个用水户以单位工业用水效益(Bg)为基准，根据用水分配水量占需水量的不同比例，通过层次分析法或德尔菲法确定其比例系数γj、βj, 再乘以Bg得到其用水效益函数，计算公式为

fj(x)=

(4)

式中：Qjmin、Qjmax分别为用水户j的最小、最大需水量，根据规划的发展目标确定；qj为用水户j实际分配水量；γj、βj分别为用水户j的用水效益折算系数，家庭、农业、服务业、生态4个用水户的折算系数分别为γ2=1.70、β2=0.4，γ3=1.1、β3=0.2，γ4=1.4、β4=0.6，γ6=1.2、β6=0.8[7]。

2.2 约束条件

(1)不同水源约束条件为

(5)

式中：xij为第i个供水源为用水户j的供水量；Q为所有水源的总供水量。

(2)供水能力约束条件为

(6)

式中：Qi为第i个供水源供水量，i=1、2、3、4，分别为地表水、地下水、外调水和中水。

(3)各用水户取水量约束条件为

(7)

(4)决策变量非负约束条件为

xij≥0

(8)

2.3 决策变量

根据受水区4种水源的水质和水量特点，选择不同供水水源，得到其决策变量，见表2。

表2 决策变量

2.4 效益函数

(1)工业和建筑业效益函数。按照公式(3)计算工业和建筑业单位用水效益，分别为Bg=27.500元/m3，B5=13.800元/m3，乘以决策变量得到效益函数，即：工业用水效益最大，maxf1(x) =27.500(x1+x2+x3+x4)；建筑业用水效益最大，maxf5(x) =13.800(x12+x13+x14)。

(2)其余4个用水户效益函数。将表1中家庭、农业、服务业和生态用水的最大、最小需水量数据带入公式4(因水量分配不能超过各用水户需水量的上、下限，故取Qjmin

2.5 优化配置模型求解

根据水资源多目标优化配置多约束、多关联、规模大、结构复杂的特点，模型求解采用改进的目标规划法，利用Matlab软件优化工具箱函数fgoalattain[8]，编制引洮受水区六大用水户水资源优化配置程序，目标值取各用水户最大需水量下的相应目标，权重按相应目标值确定，按照方案的侧重点赋予不同的初始值，运行得到7种配置方案，见表3、4。

方案1是基准方案，将4种水源平均分配给6个用水户，赋初始值为平均值，经模型运算后得到。该方案的总效益是7种方案中最大的，但依据前文各用水户的需水量情况，水量平均分配后，家庭用水和农业用水的最小需水量远远不能满足，而其余4个用水户在保证最大需水量的情况下，所配水量仍有结余，尽管总效益最大，但水资源的配置不合理。因此，该方案不具有参考价值。

方案2、4、5、6侧重于优先满足各产业用水，4种方案都侧重体现水资源配置的经济效益。其中，方案5，即优先满足服务业用水的情况下，总效益实现最大化，其余方案总效益大小排序依次为优先满足工业用水效益(方案2)、农业用水效益(方案4)、建筑业用水效益(方案6)。由于工业和建筑业均属第二产业，其产业结构层次更高，因此水资源发挥的效益也更大。对受水区而言， 配水效益最大的服务业和工业发展都不足，要提升受水区水资源配置的经济效益，应当提升本地产业结构层次。农业配水效益虽然较低，但因其基础性和所占份额较大，今后一段时间内，仍然是水资源分配的倾斜对象。侧重建筑业用水的总效益最低，按照受水区的实际和国家去库存的政策导向，可适当降低其发展速度。

表3 引洮工程受水区水资源优化配置结果 万m3

表4 引洮工程受水区水资源优化配置效益 亿元

方案3侧重于家庭用水，其总效益要低于侧重工业和服务业用水(方案2和5)的效益，但作为民生工程，调水的重要目的就是要改善受水区城乡居民的用水条件，提升生活质量。因此，家庭用水所体现的社会效益也足以引起决策者的重视。

方案7侧重于生态用水，其总效益最小。因此，在通水前水资源极度短缺和单一追求经济利益的价值导向下，生态配水在受水区发展中考虑得较少，也造成了当地生态环境恶劣的现状。实现通水后，水资源的分配中应当加大生态用水比例，努力修复生态环境，实现受水区的“绿色发展”。

3 结论与讨论

(1)引洮受水区供需平衡测算结果表明，2020年工程完全通水后，受水区的水资源可以基本实现供需平衡，可为受水区经济社会发展提供较好的供水保证。但随着人口数量不断增加、居民生活质量提升，以及工业化进程的有效推进，对水资源的要求将会更高，要支撑受水区的可持续发展，还应对水资源进行科学管理，加大节水力度，提高水资源利用效率。

(2)通水后，受水区水资源总量仍然有限，并不能确保各用水户均实现效益最大化的目标。多目标优化配置中多个用水目标不可能同时达到最优，也就不存在唯一最优解。因此，应依据区域发展的需要，取舍各种用水效益，选择适宜的配置方案。

(3)区域水资源的供需控制和优化配置是一个复杂、动态的长期战略。本研究所做的探讨仅仅得到了初步成果，要增强对实践的指导性，还应做进一步的完善，如：用水定额是否是实际配置定额；可供水量仅考虑气候正常年份；水资源的配置是针对受水区全局提出的参考思路，对具体县域的发展来说还应开展具体研究。

[1] 王兴宗,张陇娟.引洮工程受水区资源承载力现状与发展对策[J].中国水土保持,2016(8):27-29.

[2] 张涛,李世林.引洮工程与甘肃中部地区生产力布局和可持续发展[J].开发研究,2002(2):40-43.

[3] 甘肃省水利水电勘测设计研究院.甘肃省洮河九甸峡水利枢纽及引洮供水一期工程水资源论证报告书[R].兰州:甘肃省水利水电勘测设计研究院,2002:3-9.

[4] 张民安.渭南市水资源优化配置研究[D].西安:西安理工大学,2002:3.

[5] 陈建勋,傅升.探悉德尔菲法的知识自增值机制及其改进[J].软科学,2005,19(1):9-14.

[6] WANG Jihua,GUO Huaicheng,RICHARD Dawson,et al.Assessment of tourism resources in the Rutog area of Tibet: based on an analytic hierarchy process[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2004,40(2):287-295.

[7] 冯艳.蔚汾河流域水资源多目标优化配置研究[D].太原:太原理工大学,2010:6.

[8] 苏金明.MATLAB工具箱的应用[M].北京:电子工业出版社,2004:268.

(责任编辑 李杨杨)

2016年甘肃省社科规划项目(YB183)

TV213.4

A

1000-0941(2017)09-0036-04

王兴宗(1965—)，男，甘肃天水市人，副教授，学士，研究方向为区域经济与生态建设。

2017-03-15