唐山市丰南区基于“三条红线”的水资源优化配置

2019-06-04段志豪1温海燕曹中华

水资源开发与管理 2019年5期

段志豪1 温海燕曹中华

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002；2.河北省唐山水文水资源勘测局，河北唐山 063000)

水资源是支持人类社会持续发展的重要基础资源，是自然、经济、政治稳定的重要因素，关系着人们的生活健康、生产发展和社会进步，但在一定时期和一定区域内，水资源量是非常有限的。水资源系统是一个复杂开放的系统，与社会经济系统、环境系统以及政治因素密切相关，随着地区经济发展和人口增长，水需求量的日益增加，以及区域水资源开发利用程度的日益提高，水资源供需矛盾正在加剧，过量利用水资源或不当的水资源开发方式导致了环境危机的不断加剧。因此，水资源规划管理问题引起了人们的广泛关注，如何优化分配区域内有限的水资源已受到国内有关部门的高度重视。

2011年中央出台了最严格水资源管理制度，水资源的优化配置开始以“三条红线”为约束条件，更加注重水资源的生态属性和环境属性[1]。王伟荣等[2]详细梳理了水资源配置方案与“三条红线”制度之间的关系，量化了“三条红线”对水资源配置的约束边界，并以南四湖流域为研究对象，比较了常规模式和红线模式下的优化水资源配置的结果。葛莹莹[3]针对不同缺水类型的区域，将“三条红线”与约束条件对应起来，运用粒子群算法求解得到“三条红线”约束下的安阳市水资源优化配置结果。任兴华[4]将“三条红线”分别约束于可供水量预测、需水量预测、水功能区纳污能力预测，运用人工鱼群算法对多目标水资源优化配置模型进行求解，再通过SE-DEA模型对求解得到的配置方案进行综合评价，筛选得到最佳配置方案。赵喜富[5]将用水效率控制红线与水功能区纳污红线考虑到优化配置模型的约束条件中，提出针对不同季节(或地区)的水资源总量按时段进行优化配置，并分别优化年内调节和年际调节，得到了优先考虑生活用水、生产用水、生态用水和统筹考虑等多个二次优化配置方案。

目前用于水资源优化配置的方法有运筹学的规划论、大系统优化理论、模拟技术、智能算法和多目标决策方法等。本文论述的水资源优化配置采用多目标决策方法中的目标达到法，建立目标函数系列，确定其对应的目标值，通过加权系数向量控制目标函数的偏差，多目标问题可化成标准的优化问题。

1 水资源优化配置方法

根据水资源优化配置的范围、对象和规模的不同，可分为灌区、城市、流域和区域等类型。本文论述了面向城市的水资源优化配置，以最严格水资源管理制度“三条红线”为目标，运用系统分析理论与优化技术，将城市内有限的水资源在各用水部门间进行最优分配，从而实现可持续发展。

“三条红线”作为约束性指标被考虑到区域水资源配置时应作为最低目标，其次再考虑供水和需水指标。即配置区域水资源总量不能超过用水总量红线约束指标，地下水用量不能超过地下水开采总量红线约束指标，工业用水利用系数、农田灌溉水利用系数须达到用水效率控制红线的约束指标，生态用水须达到使水功能区达标的水量约束指标。“三条红线”与水资源优化配置关系见图1。

图1 “三条红线”与水资源优化配置关系

2 水资源优化配置模型

2.1 建立模型的原则

建立水资源优化配置模型应遵循以下原则。

2.1.1 质与量兼顾的原则

在水资源配置时，既要考虑水量，又要考虑水质，做到优水优用、专水专用。如：地下水可以配置到各行业，再生水只能配置到农业、工业和生态环境，外调工业水只能用于工业区用水，河流引水只能配置到灌区用水。

2.1.2 按不同保证率配置水源

考虑农业用水在不同保证率条件下需水变化较大，故配置时按不同保证率区别对待。

2.1.3 符合“三条红线”控制指标要求

水资源配置总量不能超过用水总量控制指标，地下水用水量不能超过地下水开采量控制指标；工业用水、农田灌溉水须达到用水效率控制红线的约束指标；生态用水须满足水功能区达标要求。

2.2 目标函数

根据水资源供需预测分析，得出基于可持续发展的水资源优化配置模型目标函数，见下式：

F(x)=[f1(x),f2(x),f3(x),f4(x),f5(x)]

(1)

式中：f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)为子目标函数；k1、k2、k3、k4、k5分别为权重系数；g1、g2、g3、g4、g5为子目标用水量。

2.3 约束条件

约束条件主要有供(输)水系统供水能力约束、用水系统供需变化约束、区域协调发展约束、非负约束等。

a.子区各部门需水约束：

(2)

式中：j(j=1，2，3)为子区域的需水量，万m3。

b.水源可供水量约束：

(3)

式中:i(i=1，2，3，4)为水源(地表水、灌区引水、工业区引水、再生水)的可供水量，万m3。

c.决策变量非负约束：

xij≥0

(4)

2.4 模型求解方法

水资源的优化配置具有多目标、多层次、多约束等特点，涉及区域社会经济与人口、行业布局、水资源质和量等多方面因素。依据唐山市丰南区水资源分布特点与用水结构分布，对比多目标传统算法与多目标智能法的优缺点，确定采用基于控制精英策略的多目标粒子群算法对模型进行求解。

粒子群优化(PSO)算法是由Kennedy和Eberhart于1995年用计算机模仿鸟群寻食这一简略的社会行动简化之后而提出的方法。本文在率定水资源优化配置时，设定种群规模n为42，自身学习因子c1和社会学习因子c2均为2，惯性权重w在区间[0.3，0.6]上采用线性递减策略，如式(5)所示。

(5)

式中:wmax=0.6；wmin=0.3；T为总迭代次数。

图2 粒子群算法流程图

3 实例应用

3.1 背景介绍

2013年以来，为加强水资源及水环境管理，唐山市政府开始对所辖各县(市、区)进行最严格水资源管理制度考核，也称为“三条红线”考核。本文初步建立以“三条红线”为目标，以需水量和供水量为约束条件的优化配置模型，模拟了不同规划水平年不同保证率在达到“三条红线”考核目标要求下、在满足不同目标条件下(生态最优或经济最优)丰南区不同水资源配置时水资源缺水程度。从诸多模拟结果中选择缺水量最小的结果，作为不同规划水平年、不同保证率生态最优及经济最优目标下的配置方案。

本次水资源配置水量为丰南区在不同水平年、不同保证率时的可供水量，配置时主要分析不同供水条件下的水资源供需问题。考虑到丰南区的用水产业结构和污染物排放控制情况，对丰南区水资源按下面两种方案进行优化配置：即生态优先的配置方案，经济优先的配置方案。

丰南区的供水水源可分为地表水、地下水、再生水、陡河灌区引水以及工业区引水共5种水源。用水户可分为生活、农业、二产、三产、生态环境共5个部门类。计算单元为北、中、南3个子区，以i种水源向j个用水部门提供的年供水量作为决策变量。决策变量设置见表1。

表1 决策变量设置

考虑到水资源配置时需符合最严格水资源管理制度“三条红线”控制目标要求，将控制目标分解为5个子函数。

a.用水总量(对应用水总量控制红线)，北、中、南3个子区，生活、农业、二产、三产、生态环境5个用水部门的用水总和为

f1(x)=x1+x2+x3+…+x42

(6)

b.地下水用量(对应用水总量控制红线)，北、中、南3个子区，生活、农业、二产、三产、生态环境5个用水部门的地下水用水总和为

f2(x)=x7+x8+x9+…+x21

(7)

c.工业用水(对应用水效率控制红线)，北、中、南3个子区工业用水总量为

f3(x)=x10+x11+x12+x22+x27+x28+x37+x38

(8)

d.生态用水(对应水功能区限制纳污红线)，北、中、南3个子区生态用水总量为

f4(x)=x4+x5+x6+x19+x20+x21+x24

+x34+x35+x36+x41+x42

(9)

e.农业用水(对应用水效率控制红线)，北、中、南3个子区农业用水总量为

f5(x)=x1+x2+x3+x16+x17+x18+x23+x31

+x32+x33+x39+x40

(10)

根据唐山市实行最严格水资源管理制度红线控制目标分解方案，将丰南区作为一个整体，采用目标达到法，为上面5个子函数确立5个子目标。

用水总量目标g1(对应用水总量控制红线)：采用丰南区用水总量控制指标。

地下水用量目标g2(对应用水总量控制红线)：根据地下水取水总量控制管理范围，取矿化度不大于2g/L的浅层地下水和深层承压水，采用丰南区地下水开采量控制指标。

工业用水量目标g3(对应用水效率控制红线)：依据《唐山市实行最严格水资源管理制度红线控制目标分解方案》(2016—2020年)确定丰南区2020年工业用水效率控制指标，再乘以“丰南区国民经济和社会发展‘十三五’规划”中2020年工业增加值，即得到丰南区2020年工业用水量控制指标。根据丰南区2016—2020年工业用水效率下降率确定2030年工业用水效率，再乘以2030年工业增加值(按“十二五”时期平均增长水平进行预测)，即得到丰南区2030年工业用水量控制指标。

生态用水量目标g4(对应水功能区限制纳污红线)：水功能区评价参数为COD、氨氮。丰南区涉及的水功能区有陡河唐山工业用水区和沙河唐山农业用水区，水质目标为Ⅳ类，现状水质为劣Ⅴ类。根据《唐山市最严格水资源管理制度红线控制目标分解方案》(2016—2020年)，2020年陡河和沙河水质较现状有所提高，水质为Ⅴ类；2030年陡河和沙河水质均达到水功能区水质要求，即水质为Ⅳ类，COD、氨氮浓度分别为30mg/L、1.5mg/L。根据污染物浓度及污水规划水平年排放量，将水功能区纳污红线指标换算为使水功能区达到目标要求的水量。计算公式如下：

g4=M/CS×106

(11)

式中：M为污水排放量,t;CS为水质目标,mg/L。

农业用水量目标g5(对应用水效率控制红线)：即北、中、南3个子区农业需水总量。

生态优先的配置方案，因需尽量达到生态用水量目标，故生态目标权重系数取值为：k3=0.96，其他各用水目标权重系数取值为：k1=0.01，k2=0.01，k4=0.01，k5=0.01。

经济优先的配置方案，因需尽量达到工业用水量目标，故取工业目标权重系数k4=0.96，其他各用水目标权重系数取k1=0.01，k2=0.01，k3=0.01，k5=0.01。

约束条件：

(12)

式中:A1、A2、A3分别为北区、中区、南区生活需水量；B1为地表水供水量；B2为陡河灌区引水量；B3为工业区引水量；B4为北区再生水量；B5为中区再生水量；B6为南区再生水量。