考虑城市生态环境供水的灌区水资源配置

徐 丹，付 湘，谢亨旺，靳伟荣，万小丽

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.江西省灌溉试验中心站，南昌 330201)

随着城市化进程的加快、人口密度的加大和气候变化的影响，使得城市环境负荷加重，城市河湖水生态环境变得十分脆弱，水质明显变差，严重影响了城区人民的生活和城市的整体形象，逐渐成为制约城市经济发展的瓶颈因素。因此，开展灌区向城市生态环境供水的灌区水资源配置研究，对于有效提高灌区水利用效率、改善城市水生态环境意义重大。

在当前实行最严格水资源管理、推进城市水生态文明建设形势下，灌区外城市生态环境的用水与灌区内农业、工业、生活用水存在着很大的用水竞争性[1]。在竞争性用水情势下, 对水资源进行合理分配成为缓解水资源供需矛盾和提高使用效率的重要途径[2,3]。水资源合理配置中建立经济、社会和环境的目标，将水资源配置问题概化为多目标决策问题，运用最优化理论和决策论获得多目标的优化策略，为各用水户科学分配水资源提供参考[4-6]。针对赣抚平原灌区，何振[7]详细分析了赣抚平原灌区水资源现状及存在的问题，提出了相应的对策和措施。彭小斌等[8]分析了灌区农业面源、工业和生活污染，结合灌区水质评价分析，有针对性地提出灌区水污染防治办法和措施。张煜[9]根据赣抚平原灌区水资源利用现状，阐明了该灌区水资源优化配置原则，并提出强化水资源管理的措施。尹杰杰等[10]在自然条件、工程条件、用户需求特性等各类限制性约束条件下，选取水资源综合利用效益，人口数量，人均粮食产量，污水负荷量四个目标，用matlab 软件编程求解，得到不同水平年综合目标及相应决策变量优化结果。刘博等[11]建立基于动态规划和粒子群算法的灌区农业水资源优化配置模型，将有限的水量在不同作物和不同生育阶段之间进行最优分配，计算了三种降水频率、多种可供水条件下的农业水资源优化配置方案。针对以往灌区水资源配置中仅追求灌区内综合效益目标的不足，本文以灌区各用水户的缺水率最小为目标，建立了灌区向城市生态环境供水的水资源优化配置模型，制定出了不同降水年与用水高峰月份的参考水量分配方案，为指导江西省赣抚平原灌区水资源合理利用、保障城市水生态环境安全提供切实可行的参考依据。

1 研究区域概况

赣抚平原灌区位于江西省赣中偏北部(东经115°31′～116°10′及北纬28°00′～28°40′之间)，地处赣江和抚河下游三角洲地带(见图1)，属于亚热带季风气候区，总面积约2 000 km2，耕地面积13.3万hm2，设计灌溉面积8万hm2。灌区供水分为东、西总干渠，均从抚河引水，其中西总干渠供水面积占了灌区的绝大部分，为此次水资源配置的主要研究对象。西总干渠取水于抚河焦石进水闸，主要用于农业灌溉用水、生活用水、工业用水以及灌区外的南昌市城市生态环境用水。

图1 赣抚平原灌区位置示意图Tab.1 Ganfu plain irrigation area location diagram

目前，灌区水资源供应情况比较乐观，但是由于工程老化失修、用水管理不到位等各种原因，大量水资源被浪费，水资源综合利用程度很低[11]。2011年，国务院发布中央1号文件强调“推进最严格的水资源管理制度”后，江西省《江西省人民政府关于实行最严格水资源管理制度的实施意见》“赣府发【2012】29号”文件规定，抚河流域分配给赣抚平原灌区的地表水量为10.08 亿m3(未计张王庙水电站发电用水量)，可用水量大幅度减小[12]。而随着灌区的不断发展，生活用水、工业生产用水、特别是城区生态环境用水将日益增多，用水竞争日趋激烈，进行灌区水资源配置是非常有必要的。参考赣抚平原灌区现代化方案报告中的成果，得到灌区不同降水年的可供利用水量与各用水户需水量，见表1(降雨频率小于50%时，可供水量大于需水量，本次研究不予考虑)。根据年内每月各用水户的用水情况，得到不同月份的灌区各用水户需水量，考虑灌区渠道的供水能力后，灌区仅有用水高峰期的8月份存在缺水情况，见表2。

表1 灌区不同降水年水量供需表 万m3

表2 灌区不同降水年8月水量供需表 万m3

2 模型建立

灌区用水分为灌区内用水与灌区外用水。其中，工业、农业、生活用水为灌区内用水，它是灌区经济发展和人民生活的保障；灌区外用水即为通过渠道供往南昌市的城市生态环境用水，用于保证城市生态环境不被破坏、为人们提供良好的生活环境，关系到城市生态环境与整体形象，如图2所示。本次研究建立的灌区向城市生态环境供水的水资源优化配置模型，以灌区各用水户缺水率最小为配置目标，采用权重法进行求解。

图2 赣抚平原灌区用水示意图Fig.2 Schematic diagram of water consumption in Ganfu plain irrigation area

2.1 目标函数

水量配置模型的目标为实现灌区内各用水户缺水率最小，目标函数形式表达如下：

(1)

式中：ωi为赋予用水户i的权重；fi(xi)为各用水户缺水率，i=1,2,3,4分别代表城市生态环境、农业、生活、工业；xi为分配给用水户i的水量，为决策变量，x=[x1,x2,x3,x4]。

缺水率fi(xi)的表达式为：

(2)

式中：Di为用水户i的需水量，万m3。

则灌区各用水户的最优分配水量为：

(3)

2.2 约束条件

(1)可供分配水量约束：

(4)

式中：S为可供分配水量，万m3。

(2)需水约束：

xi≤Di

(5)

(3)非负约束：

0≤S,0≤xi,0≤Di

(6)

2.3 求解方法

因为用水总量的限制，用水存在竞争，各用户的目标之间是矛盾的，分配某个用户的水量增多，必然会导致其他用户可用水量的减少，所以求解使灌区内各用水户缺水率最小的水量分配方案是一个多目标问题。一般求解多目标问题是通过一定的方法，将多目标问题转化为单目标问题，常用的方法有约束法和权重法等。约束法求解多目标问题的思想是在多个目标中，选择其中的一个目标作为基本目标，而将其余的目标转化为不等式约束，通过求解约束问题生成非劣解[12]。权重法的思想是通过赋予各个子目标一定的权重，将其按照线性组合的方式将多目标优化转化为单个目标然后进行优化求解，通过设置不同的权重能代表决策者不同的决策倾向。由于约束法适合于求解2个目标的优化决策，当优化目标多于3个时，用约束法较为繁杂，由于本研究有4个目标，因而选取权重法求解优化模型。

3 计算及结果分析

灌区管理决策者在制定最终水量分配方案时更多是综合考虑各用水户的缺水情况，尽可能的兼顾各用水户。将模型应用于灌区并赋予各用水户不同的权重后进行计算，可得到不同的灌区水资源配置方案。决策者可根据决策倾向与实际情况赋予不同用水户不同的权重，得到对应适宜的水量分配方案。由于文章篇幅有限，仅列出在不同降水年份下，灌区各用水户权重相等的、以年为尺度进行配置的水量分配方案，见表3。

表3 年尺度下的水量分配方案 万m3

由表3的年尺度灌区水资源配置方案可看出，灌区在降水少的年份可供水量小于需水量，存在资源性缺水问题。在等权重的水量分配方案下，生活、工业、城市生态环境的用水都能得到满足，而灌区缺水集中于农业，具体表现为农业缺水量从50%降雨频率年的1 790 万m3上升90%降雨频率年的31 118 万m3，随降雨的减少缺水变得愈发严重。在灌区各用水户权重相同的情况下，缺水都由农业承担，其根本原因是农业需水量最大，并且占了灌区用水的绝大部分。灌区最根本的任务就是保证农业生产，所以在制定水量分配方案时，不能简单为了满足其他用水户的需水而减少分配给农业的水量。

由于农业用水存在较大的季节性，因此针对用农业水高峰期8月，考虑灌区渠道的供水能力，未考虑10.08 亿m3的政策规定年用水总量限制，进行水资源配置，配置结果见表4。灌区在降雨频率为75%与90%的年份时，仍存在缺水情况，这表明灌区在用水高峰期还存在工程性缺水问题，对灌区渠系的整改提出了新的要求。

表4 8月水量分配方案 万m3

4 结 语

本文考虑了灌区各用水户的用水需求，通过建立的模型对赣抚平原灌区进行了水资源配置，研究结果表明：灌区缺水情况受降水的影响较大，其中农业受影响最为明显；基于现状的水资源配置方案仍存在较大的水量缺口，在各用水户权重相等时，仅有农业存在缺水情况；灌区同时存在资源型缺水问题与工程性缺水问题。

本次研究根据建立的模型对灌区水资源进行配置，制定了不同降水年的水量分配方案，可为赣抚平原灌区的水资源管理决策提供参考。在实行最严格的水资源管理制度下，水资源总量是有限的，制定的水量分配方案只是基于现状的一种解决方案，仍存在较大的不足。农业用水量占灌区用水的大部分，用水效率仍有待提高，要从根本上解决灌区的用水紧张问题，实现灌区的更好、更快发展，推行更先进的节水灌溉模式、提高农业用水效率迫在眉睫。