锦州市水资源优化配置研究

王 凡

(锦州市水利事务服务中心，辽宁 锦州 121000)

0 引 言

水资源是国家可持续发展和人类赖以生存的基础资源，对维持地球生命系统发挥着重要的作用[1-2]。近年来，随着经济的快速发展和社会的不断进步，水资源供需矛盾不断突出，水体污染、水环境恶化、水资源短缺、地下水超采等问题逐渐成为制约社会发展的瓶颈[3-6]。水资源优化配置是解决区域水资源短缺问题的重要途径，通过合理分配区域内各种形式的水资源实现经济可持续发展和水资源的永续利用。

目前，国内学者越来越关注水资源优化配置问题，研究方法也日趋成熟，如刘玒玒等以黑河流域为例，利用蚁群算法进行了优化配置；潘俊等以沈阳市为例，利用遗传算法对区域水资源量进行了合理的配置[7-10]。曾萌等以广东省为例，对水资源配置模型利用鱼群算法进行求解；沙金霞等对不同规划水平年的引大济湟工程水资源量，运用粒子群算法进行优化配置[11-12]。在优化配置水资源时，这些算法大多存在收敛速度满、易陷入局部最优等缺陷。因此，文章以锦州市为例，以生态、社会和经济效益最优为目标，考虑供水能力、需水能力、污染物质量浓度、变量非负等约束条件构建优化配置模型，并利用具有计算精度高、全局寻优能力强、收敛速度快等优点的鲸鱼优化算法，求解出2025年和2030年(不同规划年)的配置方案，旨在实现该区域经济社会的协调发展和水资源合理开发利用。

1 鲸鱼优化算法

研究发现，鲸鱼大脑特定区域内的梭形细胞使鲸鱼区别于其他生物，即能够发生类似于人类的判断、情感行为。2016年，有学者提出一种WOA鲸鱼优化算法，其理论来源于座头鲸的捕食行为，即随机捕猎、收缩包围和位置螺旋式更新等，总体上可以划分成环绕式、泡泡网式和搜索式3个捕鱼阶段。

1.1 环绕式捕食

环绕式捕食时能够精准识别猎物的位置，并快速完成包围。将目标猎物位置作为当前最优位置，最优位置定义之后其他鲸鱼个体会不断更新其位置，即朝着最优位置更替，位置更新可表示成：

(1)

(2)

1.2 泡泡网捕食

结合泡泡网捕食行为能够建立位置螺旋式更新、收缩包围两种数学模型，具体如下：

1)螺旋式位置更新机制。首先，计算最优位置与鲸鱼个体间的距离，构建螺旋数学模型模拟座头鲸的螺旋形运动，其表达式为：

(3)

(4)

一般地，座头鲸会按照螺旋形的路径收缩包围猎物，对此可假设螺旋式位置更新机制和收缩包围机制的更新概率均为50%，由此构建的数学模型为：

(5)

式中：p为随机数，取值区间为[-1,1]。

1.3 搜索捕食

(6)

(7)

2 实例应用

2.1 区域概况

锦州市地处“辽西走廊”东端，总面积为10301km2。境内地势东南低、西北高，从西北向东南依次为低山区、丘陵区、平原区，其土地结构整体呈“五山一水四分田”。锦州市属于温暖带半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量567mm，年均气温7.8℃-9.0℃，四季降水不均，夏季降水占全年的60%-70%。境内主要有饶阳河、大凌河、女儿河、百股河、观音洞水、小凌河、二郎洞水、小坝沟等河流水系，主要有流量小变化大、含沙量大、冻期长、含沙量大、利用率不高、地区差异显著等特点。近年来，锦州市凭借其优越的资源环境和地理条件快速发展经济，各行业用水需求量和水资源开发利用量急剧增大，致使水资源短缺等问题。因此，科学配置水资源对于促进经济社会、水资源、水生态的协调发展具有重要意义。

2.2 供需水量预测

锦州市主要有再生水、地下水和地表水(锦凌水库、凌河水、辽西北供水工程、其他地表水)等供水水源，预测的2025年和2030年可供水量如表1所示。

表1 不同规划年的可供水量预测 万m3

锦州市用水部门主要有生态用水、第三产业用水、工业用水、农业和生活用水。以2020年为现状基准年，对各用水部门2025年、2030年的需水量利用定额法进行预测，如表2所示。

表2 不同规划年的需水量预测 万m3

2.3 水资源优化配置模型

2.3.1 目标函数

1)经济效益目标以区域最大供水效益来描述，其函数表达式为：

(8)

2)社会效益目标以区域缺水量最小来衡量，其函数表达式为：

(9)

式中：Djk为子区k内用户j的需水量，万m3。

3)生态效益目标利用最小化学需氧量(COD)排放量来表征，其函数表达式为：

(10)

式中：pjk、djk为子区k中用户j的污水排放系数和废水中COD污染物的浓度，mg/L。

2.3.2 约束条件

1)以子区k中水源i的总供水量不超过其可供水量作为供水能力约束条件，即：

(11)

2)以水源向用户分配的水量处于用需水量上下限之间作为需水能力约束条件，即：

(12)

式中：L(k，j)、H(k，j)为子区k中用户j的最大和最小需水量。

3)以子区k中用户j排放的重要污染物总量不超过该区域最大允许排放量D且废水中的重要污染物COD浓度在国家允许排放指标d0内作为废水污染物质量浓度约束条件，即：

(13)

djk≤d0

(14)

4)以各变量不<0作为非负约束条件，即：

xijk≥0

(15)

2.3.3 参数确定

1)权重系数：采用熵权和层次分析组合赋权法确定生态环境、社会、经济3个效益目标的权重系数为0.24、0.31、0.45。

2)供水效益系数：结合锦州市及其周边地区实际情况和居民生活用水优先序最高的原则确定生活供水效益系数取0.05万元/m3，2025年农业、工业和第三产业供水效益系数为0.0028万元/m3、0.0185万元/m3、0.2012万元/m3，2030年农业、工业和第三产业供水效益系数为0.0047万元/m3、0.0260万元/m3、0.1542万元/m3。考虑到居民生活与城市生态环境息息相关，确定生态环境供水效益系数取0.05万元/m3。

3)供水费用系数：根据锦州市税费及水价征收标准，合理确定生活、农业、工业、第三产业和生态环境用水费用系数为2.45元/m3、0.42元/m3、2.80元/m3、3.50元/m3、2.45元/m3。

4)供水次序系数：与其他水资源相比子区k水源i的优先使用程度用供水次序系数qik来衡量，即利用下式计算供水次数系数：

(16)

式中：nmax、ni为最大水源和水源i的供水次序序号。

根据锦州市各用水部门用水的重要程度和各供水水源的实际情况，确定水源供水次序为:再生水<地下水<辽西北供水工程<锦凌水库<凌河水<其他地表水，以此计算的供水次序系数为0.06、0.12、0.15、0.20、0.25、0.30。

5)用水公平系数：结合锦州市各用水部门的重要程度确定先后用水次序为农业<第三产业<工业<生态<生活用水，应用供水次序系数公式计算各部门用水公平系数依次为0.08、0.12、0.21、0.26、0.33。

6)模型参数设置：鲸鱼优化算法的最大迭代次数tmax取1000，种群规模N为150。

2.3.4 模型求解

在合理确定相关参数的基础上，对水资源优化配置模型利用鲸鱼优化算法进行求解，主要步骤为：

步骤4：经更新计算，确定鲸鱼个体的适应度值并找到全局最优个体。

步骤5：经检验，若满足终止运算条件则输出最优适应度值及鲸鱼个体位置；若不满足终止条件，令t=t+1返回步骤3再次迭代运算。

2.4 结果分析

根据以上参数和锦州市水资源实际情况，利用Matlab软件求解优化配置模型确定不同规划年的配置结果，如表3所示。

表3 不同规划年的水资源供需平衡结果 万m3

1)配水量分析。由表3可知，2025年按配水比例确定锦州市各用水部门排序依次为第三产业、生态、生活、农业和工业配水，该排序与需水量预测结果保持一致。根据配水比例确定的2025年各用水部门排序与2030年保持相同，该排序可以客观反映区域用水情况。结合配水比例可知，2030年的农业配水量低于2025年，而生态、生活、工业和第三产业配水高于2025年，该配水变化趋势与需水变化情况基本相符。

2)缺水量分析。对比锦州市需水量预测结果和水资源优化配置结果发现，该配置方案符合用水公平和可持续发展原则，能够较好地满足生态和生活蓄水。优化配置后的缺水情况以生产部门为主，从综合效益目标的角度上，在确保工业和第三产业用水需求的条件下允许存在少量的缺水，但考虑到农业用水效率较低的实际情况，故农业部门出现缺水的概率更高。总体而言，在实现生态、经济和社会效益目标的情况下，经优化配置锦州市缺水率不超过10%，可见相关参数设置和优化配置模型是科学合理的。

3 结 论

文章锦州市为例，利用相关约束条件和生态环境、社会、经济目标构建优化配置模型，并利用鲸鱼优化算法求解模型。结果发现，锦州市水资源量能够满足2025年和2030年的生态需水、生活需水，生产用水部门缺水率不超过10%，缺水量较少，该配置方案科学合理能够满足未来用水需求，为锦州市水资源可持续利用和科学管理提供一定指导。在水资源优化配置问题求解时鲸鱼优化算法具有较好的有效性、适应性，能够有效解决传统算法存在的问题，在优化配置水资源等领域具有一定应用价值。