基于可持续发展的甘州区水资源合理配置研究

杨 连 海

(甘肃省甘州区水务局， 甘肃 张掖 734000)

甘州区位于甘肃省河西走廊中部、古“丝绸之路”南北两线和“居延古道”交汇点上，位于东经100°6′～100°52′，北纬30°32′～39°24′，最高海拔2 230 m，最低海拔1 410 m，平均海拔1 474 m，属典型的温带大陆性气候，具有寒冷、干燥、昼夜温差大、日照时间长、降水稀少变率大、蒸发大等明显的水平分带差异[1]。甘州区年平均气温为7.8 ℃，1月平均气温最低，为-9.1 ℃,7月平均气温最高，为22.3 ℃，全年极端最低气温为-28.2 ℃，极端最高气温为39.8 ℃；多年平均降水量为132.6 mm，降水年际变化大，年内分配不均；多年平均蒸发量为1 796.7 mm，年均蒸发量是降水量的14倍，是全国重点缺水区域，也是中国西部地区自然生态环境比较脆弱的地区。2016年甘州区实际可供水量为7.79 亿m3，本地区的可利用水资源100%利用，农业用水比例85.3%，用水效率低。现状年全区人口51.29 万人，耕地面积约8.92 万hm2。

1 需水量预测

1.1 预测方法

总需水量包括生活需水、牲畜需水、工业需水、农业需水和生态需水。区域需水量预测模型为：

WZ=WP+WB+WI+WA+WG

(1)

式中：WZ为总需水量；WP为生活需水量；WB为牲畜需水量；WI为工业需水量；WA为农业需水量；WG为生态需水量。

(1)生活需水预测。 生活需水量包括城镇生活需水和农村生活需水。城镇生活需水分为城镇居民生活需水和城镇公共需水；农村生活需水包括农村居民生活需水和牲畜需水[2]。生活需水在一定范围内，其增长速度是比较有规律的，因而可以用综合分析定额方法推求未来需水量。此方法考虑的因素是用水人口需水定额。用水人口以计划部门预测数为基础。需水定额以现状用水调查数据为基础。分析历年变化情况，考虑不同水平年居民生水平的改善及提高程度，拟定其相应的用水定额：

(2)

式中：Pk为k地区人口数量，万人；QPk为k地区生活综合用水定额，L/(人·d)。

(2)牲畜需水预测。牲畜需水量包括大牲畜需水量和小牲畜需水量。牲畜数量以计划部门预测数为基础，需水定额以现状用水调查数据为基础。分析历年变化情况，考虑不同水平年牲畜数量的变化，拟定其相应的用水定额：

(3)

式中：Nk为k地区牲畜的数量，万头；QBk为k地区牲畜的用水定额，L/(头·d)。

(3)工业需水预测。工业需水量包括火电工业需水，国有及规模以上工业需水及一般工业需水3类。工业需水主要利用万元增加值需水量法进行预测：

(4)

式中：QIk为k地区万元工业增加值用水量，m3/万元；Ek为k地区工业增加值，万元。

(4)农业需水预测。农业灌溉需水预测采用定额法。农业灌溉需水预测分乡镇进行，各乡镇需水量之和即为全区农业灌溉需水量。灌溉需水量预测涉及3个关键指标：各类作物的净灌溉定额、灌溉水利用系数和灌溉面积。定额法的计算公式为：

(5)

式中：QAk为k地区净灌溉定额，m3/hm2；Ak为k地区灌溉面积，hm2；ηk为k地区灌溉水利用系数。

(5)生态需水预测。生态环境需水与农业需水类似，仍采用定额法，用不同种类植物及相应定额计算。计算公式：

(6)

1.2 预测结果

以2016年为现状年，预测年为2025年和2030年。需水量预测结果如表1所示。

由表1可知，2025年甘州区总需水量为75 351.70 万m3，其中生活需水量为1 879.56 万m3，牲畜需水量为1 639.21万m3，工业需水量为1 480 万m3，农业灌溉需水量为65 909 万m3，生态需水量为4 444 万m3。2030年甘州区总需水量为78 408.27 万m3，其中生活需水量为2 114.31 万m3，牲畜需水量为2 091.96 万m3，工业需水量为1 379 万m3，农业灌溉需水量为68 188 万m3，生态需水量为4 635 万m3。

表1 甘州区2025、2030年预测需水量 万m3Tab.1 Forecasted water demand summary Tables of 2025 and 2030 in Ganzhou District

1.3 供需平衡分析

根据甘肃省水资源管理“三条红线”要求，实际分配给甘州区2016年、2025年、2030年可供水总量分别为7.79、6.92、7.02 亿m3；2016年、2025年、2030年甘州区总需水量分别为8.42、7.54和7.84 亿m3，供水明显不能满足区域需水要求，分别缺水0.63、0.62、0.82 亿m3，缺水率分别达到7.48%、8.22%、10.46%。甘州区发展道路严重受阻，社会经济发展将受到严重制约，在没有外来水源的情况下，水资源紧缺的局面短期内将难以缓解，供需矛盾将难以消除。总量控制指标按“以供定需”的原则确定[3]：当需水预测量大于区域可利用水资源总量时，即过度开发，采用区域可利用水资源总量作为分配总量；当需水预测量小于区域可利用水资源总量时，即预留部分水量，采用区域预测需水总量作为分配总量；当需水预测量等于区域可利用水资源总量时，即饱和状态下，通过多次供需分析采用区域预测需水总量或可利用总量作为分配总量。甘州区预测的需水量均大于实际可利用的水资源总量，所以按照“以供定需”的原则，采用可供用水资源总量作为分配总量。

2 水资源合理配置

2.1 模型构建

水资源优化配置是以区域社会经济发展与水环境相协调作为优化目标，在环境经济学的基础上，依据经济发展水平条件，对区域有限水资源进行科学合理的优化配置，实现水资源的合理髙效开发利用[4]。模型的建立首先要确定目标函数，代表区域可持续发展过程中各方面的主要发展指标，用于衡量水资源优化配置的方案优劣，其决策变量由经济系统和水资源系统内的诸多约束条件组成。对于甘州区水资源优化配置是多目标的，以经济效益、环境效益、社会效益等综合效益最佳为优化配置目标[5]。甘州区水资源在进行优化配置中，从环境生态的角度来进行水资源配置的综合考虑，其优化目标的函数表达为。

区域水资源优化配置的目标是经济、环境、社会综合效益最大,并保持系统协调持续发展。其一般模型形式为：

Z=opt {f1(X),f2(X),f3(X)}

G(X)≤0X≥0

式中：X为决策向量；f1(X)、f2(X)、f3(X)分别为经济效益、环境效益和社会效益;G(X)为约束条件集,表示水资源承载力、环境容量、上地资源、其他社会约束和子系统状态方程等。

(1)目标1:区域供水净效益最大。

(7)

(2)目标2：区域重要污染物排放量最小。

(8)

(9)

2.2 约束条件

(3)用户需水能力约束。

(10)

(4)污染物约束。

(11)

(5)变量非负约束。

改革开放近40年来，我国得到了快速发展，但农业农村的发展相对滞后。当前处于全面建成小康社会的决胜阶段，更为迫切的是要同步推进农业现代化，这就要求必须把农业农村放在优先发展的战略地位，解决城乡发展不平衡的问题，缩小城乡差距，实现与城镇的同步发展。

(12)

2.3 模型的求解

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是由Kennedy和Eberhart于1995年提出的一种新型的群智能进化算法,它可以灵活方便地处理具有大量等式约束、不等式约束和同时包含连续变量、离散变量的混合整数优化问题，因此,对于水资源合理配置问题,采用粒子群优化算法也是一种可行方案,为水资源合理配置提供了一种很有前景和潜力的新型方法。算法描述如下：

PSO算法一般是采用下面的公式对粒子的位置和速度进行更新：

(13)

(14)

式中：k为迭代代数；学习因子c1、c2是2个正常数,一般取值为[1.5，2.05]；r1、r2是均匀分布于[0，1]的2个随机数。

公式(13)主要通过3部分来计算粒子i新的速度：粒子i前一时刻的速度、粒子i当前位置与自己最好位置之间的距离、粒子i当前位置与群体最好位置之间的距离。粒子i通过公式(14)计算新位置的坐标。

由于不同问题对局部搜索和全局搜索能力要求不同,所以在式(13)中引入惯性权重因子来平衡算法全局搜索和局部搜索,得到新的速度更新公式：

从式(15)中可以看出,惯性权重ω决定粒子先前速度对当前速度的影响程度,具有平衡算法全局搜索和局部搜索的能力。在求解配水优化问题时,与遗传算法相比,粒子群优化算法具有较好的收敛性和收敛速度,能以较少的迭代次数收敛到与遗传算法用较多迭代次数才能得到的解甚至更好的解,算法灵活简单,易于处理不可微、非线性、非凸的优化间题。虽然其初衷主要用于求解连续变量问题，但经过简单处理，PSO算法也能够很好地求解离散变量以及包含连续变量和离散变量在内的混合整数规划问题。

本研究采用粒子群算法(PSO)求解数学模型，粒子群算法是基于迭代的优化算法，期望找到优化问题中的一个潜在的解，实际中可以理解为是为了在空间中找到粒子(particle)的位置。具体流程见图1。

图1 粒子群算法流程Fig.1 Flow chart of particle swarm optimization

2.4 甘州区水资源合理配置结果

针对甘州区自然环境特点和经济生活发展状况确定水资源配置时的优先序为：先充分满足城乡居民及牲畜等生活用水，保障稳定生态环境发展的生态用水，满足重点工业用水及一般工业的生产用水，公平保障农民生存的农业基本用水，协调分配各水平年可供用水。经过对甘州区2025年近期水平年和2030年远景水平年的社会经济指标预测及用水定额和效率变化趋势的分析，分别预测各水平年各区域和各行业的用水需求得：2025年甘州区各行业总需水量为7.54 亿m3，其中农业6.59 亿m3、工业0.15 亿m3、生活0.19 亿m3、生态0.44 亿m3；2030年张掖各行业总需水量为7.84 亿m3，其中农业用水6.82 亿m3、工业0.14 亿m3、生活0.21 亿m3、生态0.46 亿m3。

对甘州区水资源平衡分析后的水量配置如表2所示。甘州区水资源匮乏，供水量小于需水量。经过粒子群优化算法的水资源合理配置后，2025、2030年缺水量比配置前分别降低了516.7、1 194.3 万m3。通过合理配置当地水资源，已经大大提高了当地水资源利用率，促进当地经济的发展。

3 结 论

结合甘州区的用水现状，采用粒子群优化算法对水资源进行合理优化配置，并对规划水平年(2025年和2030年)的水资源优化配置结果进行了分析，对甘州区水资源合理配置提出了以下建议和对策。

(1)当地降水形成的水资源时空分布不均，年际变化较大，蒸发量大。现有水利工程调蓄能力不足，汛期洪水资源得不到充分利用。应该加强以丰补枯的措施，提髙地表水利用率。

(2)针对甘州区水资源短缺、农业用水较多的实际情况，开展农业节水灌溉和高效用水是十分必要的，为其他产业的发展提供富余水资源。

(3)在制定资源开发利用与治理保护总体实施方案时，做到总体目标、任务与措施相协调，建设规模与发展机制和生产力发展水平相协调，因地制宜，大中小工程相结合，努力提高用水效率，合理利用地表水与地下水资源，有效保护水资源，积极治理利用废污水、雨水等其他水源。

表2 甘州区2025、2030年水资源合理配置成果 万m3Tab.2 Water resources rational allocation results of 2025 and 2030 in Ganzhou District