贵州地区灌区水资源管理与决策模型分析

2022-01-25饶韬

水科学与工程技术 2021年6期

饶韬

（贵州省赫章县水塘堡彝族苗族乡水利站，贵州毕节 553201）

由于目前水资源破坏严重，贵州地区灌区出现较大面积的用水荒问题，直接导致城市环境生态和人文生态受到较为严重的影响，对于这种问题的解决主要有以下途径：开发新水源、水资源的合理调配、建设维护输水工程、提高水资源利用效率，水资源的合理调配作为一种管理措施，具有较好的经济性，因而需要结合实际水资源分布与用水需求对水资源进行合理调配，其直接影响工业、农业、居民生活等。

当前灌区水资源的主要需求方为：农业灌溉、生活水资源、工业水资源、自然生态维护水资源，且相互之间存在竞争关系，对于水资源的合理调配是一项较为重要的课题，已有大量的专家学者开展了相关研究：齐学斌等［1］以水资源的管理政策、循环转化规律、优化配置模型与方法、水文生态为研究对象，分析了水资源的调配的研究进展；李深林等［2］将破产理论应用于区域水量分配问题中，结合配水单位水资源丰富程度、用水效率和最低供水保障的因素进行分析；王浩等［3］分析了最严格水资源管理制度下量、质、效3个层次对水资源配置的综合需求，并对未来发展方向作了进一步展望；付湘等［4］以某水库为例分析采用水库常规调度和优化调度模型，对径流系列的常规与优化调度结果进行风险评价；李建勋等［5］采用复杂性理论，建立具有复杂配水网络图、动力学配水模型、模拟仿真演化、预测分析模块的复杂水资源配置框架分析水资源系统配置；尹杰杰等［6］通过建立用水总量控制条件下的灌区水资源承载力多目标优化模型，分析了灌区水资源承载力；刘博等［7］建立了基于DP-PSO算法的灌区农业水资源优化配置模型，分析了灌区农业水资源优化配置；何振［8］针对赣抚平原灌区水资源现状及存在问题，提出了相应的解决措施和发展方向。

基于前人的研究，本研究对贵州地区的灌区建立数值分析模型，通过权重法研究了该区域的水资源合理分配。

1 区域概况

研究区域位于贵州地区，该区域的总面积约为0.2万km2，该区域范围内的耕地面积占66.73%，需要修建的灌溉区面积约800km2。引水自附近的干线水流，引水干线渠道分为东、西两个干线渠道，且西两个干线渠道占据了总灌溉干渠总面积的80%，本研究以该西灌溉渠道为主要研究对象，对于西灌溉渠道，该渠道取水自干线河流的西侧水闸，该干线渠道的取水的使用对象主要为：农业灌溉、生活水资源、工业水资源、自然生态维护水资源等。

水资源的利用率直接关系到生产生活的水资源供给，该区域水资源原始供应端较为丰富，但由于输水管网较为陈旧，运输效率大幅降低，进而导致水资源浪费的现象较为严重，利用率严重降低。随着经济发展，农业灌溉、生活水资源、工业水资源、自然生态维护水资源利用状况均出现较大提升，各个领域用水量出现分配不均匀，竞争较为激烈，因而对水资源进行合理配置将更有利于提升水资源的利用效率。表1为该区域经过统计得到的需水量、供水量，对于降雨频率，本研究仅考虑降雨频率大于50%的状况，主要是由于降雨频率小于50%时，供水量小于需水量，无需研究。对表1中的不同降雨年份各个用水状况分布规律进行细分得到各个月份需水量状况分布规律，对于各个月份进行分析总结，在8月份出现了一个用水高峰期，该时间内供需水资源缺口较大，该区域经过统计得到的8月份需水量、供水量如表2。

表1 年需水量、供水量单位：万m3

表2 8月需水量、供水量单位：万m3

2 建立模型

灌区用水主要包括：农业灌溉、生活水资源、工业水资源、自然生态维护水资源，其中农业灌溉、生活水资源、工业水资源为灌区内水资源的利用，灌区内水资源主要用于保障人民正常生产生活及经济社会发展使用；自然生态维护水资源为灌区外水资源的利用，灌区外水资源主要用于维持城市生态环境、提升人们生活品质、提高城市对外形象的作用，本次建立的模型，采用各用水户缺水率最小为配置目标结合权重法的求解方法，分析研究灌区用水向自然生态维护水资源分配，并对此分配方法进行优化，得到分配模型的最优解。

2.1 目标函数

为了使各用水户缺水率最小，通过以下两个公式进行优化，求解的目标函数为：

2.2 约束条件

（1）可供分配水量约束：

2.3 求解方法

对于用水量的分配是一个多目标最优解的求解问题，主要是由于用水单位之间存在竞争，各用水单位的用水总量一定，某一个用水单位分配水量增加必然导致其他一个甚至多个用水单位分配水量的不足。

解决多目标问题的关键在于将多目标问题转化为单目标问题，转化方法主要有约束法和权重法，约束法主要是通过将多目标问题的一个目标转化为基本控制目标，将剩余的目标作为不等式约束，通过构建基本目标与不等式约束的关系求出该约束条件的非劣解；权重法主要是将多目标依据其重要性进行赋值，转化为目标权重，进而将多目标问题转化为依据权重分配的单目标求解线性组合的问题，进而求出最优分配模型，这种方法中的权重赋值可以体现建模者和决策方对于多目标问题的重视程度及最终的决策倾向。

对于这两种求解方法中，约束法主要适用于两目标最优解求解的问题，而对于多于两目标的求解需要采用依次分配的方法进行优化求解，大大增加了迭代次数与求解难度；权重法主要是通过权重赋值的方法进行最优解的求解，对于两目标以上的目标求解具有较好的求解效果。本研究的目标有4个，因而选择权重法具有更好的求解效果，因而本研究最终决策方法选择权重法。

3 求解结果分析

本研究灌区的水资源分配主要依据为综合各用水户的缺水情况进行水资源的分配，这样分配的优点在于尽可能地满足各用水单位的水资源的充足供应，保证各用水单位的用水缺口较小，将各用水单位计算模型分别赋值可以体现出建模者和决策方对于多目标问题的重视程度及最终的决策倾向，依据单位用水的社会价值、经济价值、人民需求等进行赋值，选出最优分配方案，表3为年各单位需水量、分配水量。

表3 年各单位需水量、分配水量单位：万m3

分析表3中的数据可得，在降雨量较少的年份，出现较为严重的水资源短缺现象，这主要体现在该年份的可供水量小于需水量，通过权重法赋值进行计算，可以满足生活水资源、工业水资源、自然生态维护水资源均得到正常供给，但农业灌溉用水仍有较大缺口，且降雨量越少，这种现象越严重，主要原因在于农业的需水量占据总需水量的大部分，且农业生产直接关系到正常的生产生活，且农业用水呈现为季节变化趋势，在作物生长期需水量增大，在非作物生长期，需水量减小。

农业用水较多的月份为8月，8月各单位需水量、分配水量如表4，分析表中的数据，该灌区内缺水现象仍较为严重，需要结合工程措施对灌区内的水资源进行管理。