基于不同驱动因素的广东省珠江三角洲水资源优化配置研究

胡 培，黄本胜，雷洪成

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合实验室，广东 广州 510635)

珠江三角洲位于广东省东南部沿海，是我国改革开放的先行地区，是粤港澳大湾区的重要组成，也是亚太地区最具活力的经济区之一[1-2]。

近几十年来，随着城镇化与工业化高速发展，珠江三角洲地区用水需求与水资源承载力、用水总量控制红线之间的矛盾日益凸显，水资源在不同城市不同行业之间的竞争日益严峻，如何通过水资源优化配置获取最大综合效益[3]显得尤为重要。水资源作为一种稀缺性资源，已由原来的水量、水质为核心因素的配置理念，向公平、高效、低碳等配置需求转变[4-5]。本文研究了不同驱动因子下的珠江三角洲水资源优化配置模型及产生的综合效益，以期为该区域水资源配有效利用提供理论和应用价值。

1 研究区域概况

广东省珠江三角洲由西北江三角洲、东江三角洲和注入三角洲的其他各河流流域所组成，涉及广州、深圳、珠海、佛山、江门、东莞、中山、惠州市及肇庆市等9市(见图1所示)。近年来，广东省珠江三角洲地区人口总量增加、工业规模扩大、水质性缺水以及用水总量控制指标限制等因素都直接或间接地加剧水资源与城市发展之间的矛盾[6]。2018年广东省珠江三角洲9市人均水资源量为1 012 m3，低于广东省人均水平(1 683 m3)；2018年9市用水总量为184.88亿m3，距总量控制指标限值剩余33.38亿m3，深圳、珠海、江门已十分接近红线。

图1 广东省珠江三角洲范围示意

2 水资源优化配置模型

2.1 配置模型目标

水资源配置模型目标函数如式(1)，追求供水效益、社会效益、生态效益的综合效益最大化[3，7-8]。

Max{f1(x),f2(x),f3(x)}

G(x)≤0x≥0

(1)

式中x为决策向量；f1(x)、f2(x)、f3(x)分别为供水效益、社会效益和生态环境效益；G(x)为约束条件集，表示各约束条件的状态方程。

1) 供水效益目标

以区域总供水效益的最大值表示。

(2)

式中f1(x)为总供水效益；ωk为第k子区的权重系数(可由层次分析法或专家法等得到)；i=(1，2，3，4，5，6)分别为生活需水、工业需水、建筑业需水、第三产业需水、农业需水以及河道外生态需水；bi(k)为水源向k子区i用户供水的综合效益系数，由考虑的不同驱动因素来确定；xi(k)为k子区i用水户的配水量。

2) 社会效益

以区域总缺水量的最小值表示。

(3)

式中Di(k)为k子区i用户的需水量,万m3；其他符号意义同前。

3) 生态环境效益

以区域废污水排放量的最小值表示。

(4)

式中i=(1，2，3，4)分别为生活、工业、建筑业、第三产业的废污水排放量；di(k)为k子区i用户的废污水排放系数；其他符号意义同前。

2.2 模型约束条件

1) 区域水资源量约束

(5)

WQ(m,k)=μ(k)×[WQ1(m,k)+WQ2(m,k)+WQ3(m,k)-WQ4(m,k)-WQ5(m,k)]。

2) 水库枢纽水量平衡约束

VR(m+1,j)=VR(m,j)+WQRC(m,j)-WQRX(m,j)-WQVL(m,j)

(6)

式中VR(m+1，j)为第m+1时段第j个水库枢纽的库容；WQRC(m，j)为水库的来水量；WQRX(m，j)为水库的下泄水量；WQVL为水库的水量损失。

3) 河渠节点水量平衡约束

(7)

式中WH(m，k)为第m时段第k节点的过水量；WQH为区间来水量；WQRX为第j个水库的下泄水量。

2.3 模型求解

在基本遗传算法的基础上，设计了一个混合算子遗传算法，以克服早熟现象和通过设计罚函数来有效处理约束条件[3]。其中，基本遗传算法的编码与解码方法、个体适应度评价函数和惩罚函数、选择运算、交叉运算等参考文献[9]和[10]。

本次混合算子遗传算法中，变异运算采用的是均匀变异，见式(8)，因为优化问题的最优解极可能存在可行域的边界上，故增加了边界变异运算，见式(9)。

假定要变异的染色体为x=(x1，x2， …，xn)，具体公式如下：

(8)

(9)

2.4 模型构建

1) 系统概化

以各地市行政分区为基础，结合广东省珠江三角洲水系特点及水源工程供水特征，建立水资源优化配置计算的网络节点示意，并与珠江三角洲水资源配置工程相衔接，重点考虑佛山、广州(不含南沙，下同)、南沙、江门、中山、珠海、惠州、东莞、深圳等分区(见图2所示)。

图2 广东省珠江三角洲水资源优化配置节点示意

2) 配置模型的主要参数

需水方面参考文献[11]的成果，河道外需水按照各计算分区2030年生活、工业、建筑业、第三产业、农业的预测成果(见图3)；河道内需水按各地市多年平均径流量的10%计算(见图4)；生活、农业、工业、河道内生态用水保证率分别取97%、90%、95%、90%。

图3 2030年河道外需水预测成果示意(P=50%)

图4 河道内生态需水计算成果示意

供水方面参考文献[11]的成果，主要考虑现状河流供水工程、水库供水工程和调水工程。其中，河流以西江干流、北江干流、潭江、高明河、流溪河、石马河、增江和东江干流为主要水源，水库以珠江三角洲地区现有的73座中型水库和各计算分区打捆处理的小型水库为主要水源，调水工程主要考虑深圳市东江水源工程、广东粤港供水工程、广州市西江引水工程、广州市北江引水工程等。

遗传算法中种群初始规模设为100，终止迭代次数设为600，交叉概率设为0.9，变异概率为0.06。

3 配置结果及分析

3.1 配置方案设置

各方案的主要驱动因素、模型参数见表1。

表1 广东省珠江三角洲水资源优化配置方案设置

3.2 不同方案配置结果

1) 方案1配置结果

在该配置思路下，97%来水频率各地市总配置水量为177.44亿m3/a，缺水9.35亿m3/a，水量保证率94.99%(结果见表2)。

表2 方案1水资源配置结果(P=97%) 亿m3/a

2) 方案2配置结果

在该配置思路下，97%来水频率各地市总配置水量为177.35亿m3/a，缺水9.44亿m3/a，水量保证率94.95%(结果见表3)。

表3 方案2水资源配置结果(P=97%) 亿m3/a

3) 方案3配置结果

在该配置思路下，由于配置模型中所采用的单位用水量碳排放量无法细分到各行业，因此，该方案按生活、生产、生态的要素配置水量。97%来水频率各地市总配置水量为177.08亿m3/a，缺水9.70亿m3/a，水量保证率94.81%(结果见表4)。

表4 方案3水资源配置结果(P=97%) 亿m3/a

3.3 配置结果分析

1) 方案1配置结果分析

根据表2的计算结果，97%来水频率下，广东省珠江三角洲西北江片区(广州、佛山、江门、中山、珠海)水量丰沛，各地市供水工程建设比较完善，水量保证率均达95%以上，供水保障程度较高，缺水主要发生在江门市第一产业；东江片区(惠州、东莞、深圳)用水需求较大，水资源开发利用程度较高，惠州、东莞、深圳的水量保证率分别为91.21%、74.65%、99.17%，特枯年份各地区的用水均存在不同程度的破坏。

基于均衡发展的配置思路，广东省珠江三角洲各地市用水保障程度较高，生活用水基本得到满足，各行业水量保证率也比较高。

2) 方案2配置结果分析

根据表3的计算结果，并统计对比方案1和方案2的水资源配置结果和经济效益结果(见图5～6)。从方案2的配置结果上看，广东省珠江三角洲缺水量仍主要集中在东江流域片区；从各行业上看，第二产业、第三产业等用水效益较高行业缺水量明显减少，第一产业、河道外生态、生活等用水效益较低的行业缺水量有不同程度的增加。

图5 方案1和方案2配置缺水量对比示意

97%来水频率下，与方案1进行对比，方案2在总缺水量上有所增加，缺水量增加0.085亿m3/a，水资源在保障了基本生活、生态的基础上，更多的向经济效益高的东莞市等区域以及第二产业、第三产业流动，GDP增加了3 314.76亿元/a。

图6 方案1和方案2经济效益对比示意

3) 方案3配置结果分析

根据表4的计算结果，并统计对比方案1和方案3的水量配置结果和碳排放结果(见图7～8)。从方案3的配置结果上看，东江流域片区仍是广东省珠江三角洲较为缺水的片区；从各行业上看，生活、生态等碳排放强度低的行业缺水量明显减少，东莞、江门等碳排放强度较大的地市生产用水缺水量有所增加。

图7 方案1和方案3配置缺水量对比示意

97%来水频率下，与方案1进行对比，方案3在总缺水量上有所增加，缺水量增加0.35亿m3/a，在低碳发展的驱动下，水资源更多的向碳排放强度较低的深圳市、广州市等区域以及生活、生态等行业流动，碳排放量减少了392.39万t/a。

图8 方案1和方案3碳排放量对比示意

4 结语

1) 现阶段的水资源配置主要考虑水资源的均衡配置，要求各地市各行业尽量保障供水，实现最小缺水；在该配置模式下，广东省珠江三角洲各地市用水保障程度较高，97%来水频率下配置水量为177.44亿m3/a，水量保证率94.99%，各行业水量保证率也比较高。

2) 随着珠江三角洲社会经济快速发展，水资源在区域之间、在行业之间的竞争日益严峻，需要进一步结合用水效率、环境保护的特点，进行区域水资源的优化配置。其中，基于经济效益驱动模式下，水资源更多向经济效益高的东莞市等区域以及第二产业、第三产业流动，配置水量有所减少，GDP增加了3 314.76亿元/a；基于低碳发展模式下，水资源更多向碳排放强度较低的深圳市、广州市等区域以及生活、生态等行业流动，配置水量减少，碳排放量也减少了392.39万t/a。

3) 在粤港澳大湾区等区域发展背景下，水资源的配置需要更多的考虑区域内各地市、各行业的用水特征，由各地市、各行业的均衡配置，向用水效率更高、更环保的用水对象供水转变，进一步实现区域水资源的优化配置和社会经济的高效发展。