APP下载

北戴河新区水资源优化配置研究

2019-11-05刘林娟

水科学与工程技术 2019年5期
关键词:北戴河水厂供水

刘林娟

(河北省秦皇岛水文水资源勘测局,河北 秦皇岛 066004)

秦皇岛市北戴河新区位于秦皇岛市沿海,无地表蓄水工程,可利用的水源只有地下水及水厂水,多年来,由于需水量越来越大,且用水效率不高,大量超采地下水,造成区内出现面积不等的深层地下水漏斗,同时引起沿海地区不同程度的海(咸)水入侵,进一步加剧了新区的用水紧张情势,严重制约了区域社会和经济可持续发展。

本文建立了北戴河新区水资源优化配置模型,力求通过利用优化理论与计算机技术[1],提高北戴河新区水资源的优化配置水平及利用效率,可为新区未来水利工程建设和管理、规划提供决策依据;基于水资源优化配置的多目标性,利用遗传算法求解所建模型,提出水量优化分配方案。

1 北戴河新区概况

北戴河新区位于河北省东北部,秦皇岛市东南部沿海。南起滦河口,北到戴河口,西部以京山铁路和沿海高速公路为界,东临渤海湾,辖4个片区:七里海片区、赤洋口片区、中心片区及南戴河片区,规划面积425km2。新区地势平坦,海拔较低,属冲洪积扇群构成的滨海冲洪积平原区。境内水系丰富,主要河道有:滦河及独流入海的饮马河、东沙河、小黄河、洋河、戴河、人造河、泥井沟、刘坨沟等河道。雨量充沛,多年平均年降水量606.7mm,降水主要集中于6~9月,占全年降水量的61.8%~89.8%。

2 水资源平衡分析

2.1 可供水量预测

本次近期规划水平年为2020年,远期规划水平年为2030年,以现状年的供水设施和供水水源的供水量为基础,结合北戴河新区未来水平年2020,2030年水利工程规划,分别预测2020年、2030年的可供水量。

(1)现状北戴河新区供水主要依靠北戴河水厂及地下水(深、浅层地下水)。

(2)近期规划水平年2020年,新区可供水水源(厂)主要有北戴河水厂+北戴河西水厂(1期)、滦河水(规划修复的引滦工程可通水)、地下水(深、浅层地下水)、中水。

(3)远期规划水平年2030年,根据河北省相关条例规定,深层地下水全面禁采,只作为战略储备水源,因此,新区可供水水源(厂)主要有北戴河水厂+北戴河西水厂(1、2期)、滦河水、地下水(浅层地下水)、中水。各水平年可供水量预测如表1。

2.2 需水量预测

需水预测一般以历史资料数据为基础,根据用水目的、供水对象、水质等要求不同,将研究区域用水分为生活用水、工业用水、农业用水和生态环境用水4种类型。

通过对社会经济发展指标进行预测,预测北戴河新区水平年需水量,如表1。

表1 供需结果 单位:万m3

由表1可知,需水量在不断增加,如果供水格局保持现状不变,2020年、2030年都将出现较大缺水量。本地区由于存在大面的海水入侵区,浅层地下水资源可利用量较小,且无地表蓄水工程,要缓解供需水矛盾,应充分利用当地各种水源及过境水资源,本文规划修复引滦工程,增加引滦工程供水后,2020年及2030年供水均可满足需水要求,不再缺水。

3 水资源优化配置模型

3.1 单元划分

本次单元划分与行政区划分保持一致,划分为七里海片区、赤洋口片区、中心片区、南戴河片区4个供水片区。

3.2 决策变量设定

北戴河新区用水户主要包括生活用水、生态用水、工业用水及农业用水。

2020年供水水源为:北戴河水厂+北戴河西水厂(1期),引滦水、地下水(包括浅层地下水和深层地下水)、再生水,各水源供水能力如表1。

2030年供水水源为:北戴河水厂+北戴河西水厂(1、2期),引滦水、浅层地下水、再生水,各水源供水能力如表1。

3.3 目标函数及约束条件设定

选取社会、经济、生态3个目标作为优化目标,通过对水资源的优化分配,使得社会效益目标s(X)、经济效益目标f(X)和生态效益目标e(X)达到协同最优。

3.3.1 目标函数

3.3.1.1 社会效益目标

社会效益目标采用生活用水、生态用水、工业用水及农业用水的总缺水率最小,如式(1):

3.3.1.2 经济效益目标

经济效益为各水平年不同用水户产生的经济净效益最大,如式(2):

根据生活、生态用水优先满足的分配原则,本文对生活、生态用水效益系数取较大值,对农业用水效益系数取较小值。各效益、费用系数如表2。

表2 各用水户的效益及费用系数 单位:元/m3

3.3.1.3 生态效益目标

选取重要污染物BOD排放量之和最小表示,如式(3):

3.3.2 约束条件

(1)水源供水能力约束。水厂供水约束如式(4),地下水可开采量约束如式(5):

式中 Wm为水厂可供水总量。

式中 Gm为子区m地下水开采量;Gmax(m)为子区m地下水可开采量上限。

(2)用户需水约束。需水约束为u,用户从给水系统取得水量不超过用户的需水量,如式(6):

(3)最小供水保证率。为避免用户间配水严重失衡,采用此约束,如式(7):

式中 ηu为u用户的用水保证率。

(4)变量非负约束。非负约束如式(8):

3.4 模型求解

本文采用遗传算法求解上述模型。遗传算法是基于群体的算法,在种群中每一个个体都并行演化,最终获得的解包含在最后一代个体中[2]。其过程为:①随机生成若干组水资源初始预分配方案;②将方案代入已建优化模型,进行遗传操作;③从初始方案中选出相对较优的几个方案,作为下一轮优化的方案集。重复以上优化过程,直至寻得一组最优解集[3]。

3.4.1 模型处理

3.4.1.1 目标函数处理

由于所建模型的3个目标函数求解结果为不同量纲,需进行无量纲化处理,越大越优的目标如式(9),越小越优的目标如式(10):

式中 k为第k个目标函数(k=1,2,3)。

3.4.1.2 适应度确定

遗传算法中,个体择优通过适应度完成,而适应度函数是由目标函数变换而来的。在进行搜索中,遗传算法基本不利用外部信息,仅以适应度函数为依据,利用种群中每个个体的适应度值来进行搜索[4]。对于求函数最大值的优化问题,变换方法如式(11),求函数最小值的优化问题,变换方法如式(12):

式中 Cmin,Cmax分别为进化到当代位置的最小、最大目标函数值。

3.4.1.3 多目标遗传算法的实现

采用加权法将3个目标函数优化问题整合为一个单目标优化问题。本文利用权重法将3个目标量化,令w∈W={w│w∈Rp,w1≥0及为非负权重集,对w∈W,记为P(w),如式(13):

其中,每给定一组权重向量w0,可求得一组最优解x0。

针对本社会、经济和生态3个效益目标的重要性,对其权重分别取0.5,0.33,0.17。

3.4.2 模型求解

根据该区的水源与用水户情况,北戴河水厂及北戴河西水厂水只供给生活用水。本文采用多目标遗传算法求解。

(1)本文所确定的决策变量进行二进制编码,产生随机的初始分配方案集。

(2)确定适应度函数,并计算初始方案集每个适应度函数的值,通过适应度函数值进行择优弃劣,将适应度较好的遗传至下一次优化操作。

(3)经多次重复迭代,寻得最优方案,完成多水源优化分配。

具体求解过程如图1。种群规模popsize=40,交叉率pcross=0.6,变异率为pmutation=0.02,最大迭代数maxgen=150。

图1 求解过程

3.5 配置方案

规划水平年供水方案以増加引滦工程、常规供水利用和非常规供水利用(中水)的组合为配置方案的上限;以现状供水条件为配置方案的下限,即常规供水利用和非常规供水利用(中水)的组合。本次以上限方案代入水资源优化配置方案计算,如果上限方案计算出的配置结果能完全满足北戴河新区的需水要求,则再将下限方案代入优化模型进行计算,否则就选择上限方案为最终推荐方案。北戴河新区水资源优化配置方案集如表3。

表3 水资源优化配置方案集

2020年的F1,F2方案实质上是F3方案的边界极端条件,2030年的F5,F4方案实质上是F6方案的边界极端条件。

4 方案确定

不同水平年的水资源优化分配结果如表4。其水量对比结果如表5。

表4 不同水平年水资源优化配置结果 单位:万m3

表5 不同水平年水量对比结果 单位:万m

由表4、表5可看出,新区2020年和2030年优化后的地下水、地表水利用量,均未超过区内地下水可开采量与地表水可利用量。

5 结语

(1)北戴河新区供水形势紧张,从2020年到2030年,随着社会经济的发展,需水量越来越大,现状的供水水平,远不能满足需水要求,且会加剧新区地质环境的恶化。

(2)随着2030年深层地下水的全面禁采,供水紧张形势将更严峻,而优化配置最终要解决如何合理分配水资源,以使效益最大化。

(3)通过修复引滦工程,提高供水能力,满足规划水平年的需水要求,2020年、2030年优化后的50%保证率地下水利用量远小于地下水可开采量,有利于新区地下水环境的修复。从长远考虑,还应采取非工程措施节约用水、科学用水,提高各行各业的用水效率,加快城市基础设施建设以提高污水处理回用量。

猜你喜欢

北戴河水厂供水
某水厂源水铁锰超标处理试验研究
给水厂工程清水池的设计总结
水厂液晶幕墙系统建立和应用
四会地豆镇加快推进农村集中供水全覆盖
毗河供水一期工程
随手拍
现代水厂可实现无人化自动控制
供水产销差的组成与管控建议
赵学敏书法作品《浪淘沙?北戴河》
甘肃引洮供水二期工程年内开建