基于河湖水系连通的水资源优化配置模式概述

2022-07-01许腾文傅勇迪

吉林水利 2022年4期

许腾文，傅勇迪

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168）

0 引言

水资源是人类社会发展与进步的坚实基础与重要物质保障，近年来经济化进程的加快产生了人口聚集问题，导致人们对于水资源的需求量大大增加，水资源分布不均匀的现象也愈发显著。水资源合理配置的意义不仅在于解决当前水资源的供需不平衡问题，还可以起到提高水资源利用效率、支撑区域持续稳定发展等重要作用[1]。

在与水资源配置相关的研究中，多数学者仅考虑了水资源在供需量之间的平衡程度，而配置好的水源能否在各主体之间顺利连通也是需要进一步确定的问题。基于河湖水系连通的水资源优化配置不仅能够大幅度提升水资源的有效利用程度，同时能够将社会、经济、生态环境等因素根据重要程度取最优化协同发展，对水资源的高效利用以及合理分配具有积极影响与意义。

本文基于水资源配置模式及内容等相关论点，将河湖水系连通特征与优势联系，对近年来水资源优化配置方法及基本方向进行总结，提出基于河湖水系连通的水资源优化配置大体思路，以期能够为河湖连通应用在水资源优化配置领域提供思路，更大程度上使用水效率有所提高、生态环境得到改善。

1 基于河湖连通的水资源配置研究现状

1.1 河湖水系连通研究进展及现状

水系连通是进行水资源配置的前提条件，同时也是水资源配置的基础。河湖水系是水资源的载体，也是地球生态环境的重要组成部分。水利部曾提出 “河湖连通是提高水资源配置能力的重要途径”以提升我国水资源的整体配置能力，同时改善我国河湖综合能力[2]。

随着有关河湖水系连通理论研究的不断补充与完善，我国在水系连通概念、分类、实践应用皆有一定进展与相应建树。河湖水系连通初始定义是以江河、湖泊等水源条件为基础，通过人类科学的干预等措施建立起河湖间的水力联系。现阶段河湖连通是以江河、湖泊、水库等为基础，通过人为采用合理的疏导、连通、调度等工程和非工程的措施，建立或者改变江河湖库水体之间的水力联系[3]；河湖水系连通的分类从连通的性质、功能、特征方面发展成可通过气候分区、空间、功能作用等不同角度；在实践应用中，河湖水系连通是以军事、航运、抵御水旱灾害、水生态环境修复为主的水系连通。

1.2 水资源配置研究进展及现状

水资源优化配置是将水资源所具备的基本特征，针对水资源的持续利用合理概化，为满足多主体、多目标、多方向、多层次的不同供用水需求进行供应方法的探讨方式。

现阶段，计算机技术、系统分析理论和模拟技术等在水资源领域得到广泛应用。国人学者将我国的水资源从最初的范围集中、可调取量小、目标性强的水库进行合理调度，逐步发展为以较为宏观的角度和发展的眼光看待水资源合理配置。基于前者的铺垫，现阶段我国水资源配置发展能够保证水质水量达到相应要求并正在向多目标、更优化、可持续发展的配置方向发展。

2 基于河湖水系连通的水资源优化配置整体思路

基于河湖水系连通的水资源优化配置整体思路应至少包含以下4 个方面：对连通区域的考察、生态需水量的预测、水资源供需平衡分析以及水资源优化配置。以下分别针对各方面结合近年来水资源配置研究资料进行浅析归纳。

2.1 适用于河湖水系连通的水文地貌调查模式

基于河湖水系连通战略，河湖水系连通很大程度上都会相对依赖现实流域内的水文地貌基本要求，因此应该按照河湖水系连通用于水资源配置的目的，根据不同的尺度与范围调查水文地貌的主要内容[4]。调查内容具体可以分为水文-地貌基本调查、河流-湖泊连通性调查以及河湖水系连通动态格局调查3 个方面。水文地貌的基本调查可从地貌单元、地貌附近河流的河漫滩系统和地貌动态格局方面着手；河流-湖泊的连通性方面可通过对比历史阶段与现阶段不同河流位置的连通性特征，分析河流处于常年连通或间歇性连通；对于河湖水系连通动态格局方面调查应重点围绕湖泊、湿地等的水位以及面积变化率进行统计分析。

2.2 生态需水量预测

生态需水量大致可分为维持水生生物生存的需水量、水面蒸发需水量、河道渗漏需水量和湖泊需水量等[5]。维持水生生物生存需水可使用Tennant 法（蒙大拿法），以年平均流量的百分比作为所求流量进行计算。河流水面蒸发需水量需要已知河流对应的水面面积、当地的水面蒸发量以及当地一段时间内的降水量，计算方式见公式1。当地下水位相对较低时，河流会在强大的水压作用下向河底渗水，从而发生渗漏情况。河流渗漏的需水量计算公式如公式2 所示。湖泊的生态需水量通过湖泊的水位、水面面积进行计算，三者之间存在的关系见公式3。

式中：We 为对应河流的水面蒸发需水量（万m3）；A 为河流水面面积（万m2）；E 为当地的水面蒸发量（mm）；P 为当地平均降水量（mm）。

式中：W河流为对应河流的渗漏损失量（m3）；A为河流的年均水面面积（m2）；K1为经验系数。

式中：W湖泊为湖泊渗漏损失量（m3）；N 为一年补水次数；S 为湖泊的水面面积（km2）；H 为湖泊平均水深（m）。

2.3 水资源供需平衡分析

2.3.1 需水预测

一般将用水类别分为生活用水、生产用水以及生态用水3 大类，具体分类方式见表15]。

表1 水资源配置需水单元等级分类表

2.3.2 供水预测

供水预测是将城市当地现状年供水系统分析与水利开发的实际现状相结合从而来对不同水平年供水量的预测。对于可供水源需首先进行区域划分，其中包含城市地表水、地下水、中水回用等部分。地表水可以分为配置城市当地的地表水以及河湖连通工程调取的水等。对地表水的供应按照典型年进行计算，其中典型年可分为不同的保证率：50%、75%和95%；地下水的可供水量以各水平年地下水不同设备的出水量进行预测。最后对于中水回用可按照当地的回用率进行估算。对各个分区的供水预测量应以现状年的供水比例来进行相应的分区计算。

2.4 水资源配置

当前期铺垫工作皆计算完毕后即可对基于河湖连通的水资源优化配置模型进行构建。水资源优化配置模型是一个含有多个目标、多个分区以及多个水源的数学模型，其包括了至少3 个目标函数，分别为：经济效益、社会效益以及生态效益[6]。

对于三者的目标函数计算情况，经济效益目标可以从宏观经济角度来对相应的水资源配置效益进行预测；以各个水平年之中的主体缺少的用水量最少来作为社会效益最大化的目标；对于生态效益目标可以选择各个水平年中的环境缺水量趋于最小来作为生态效益达成最大化的对应目标。

3 现阶段基于河湖连通的水资源优化配置代表性技术方法

我国学者针对不同阶段所面临的问题，结合各自学科优点及国家优势研究领域提出不同方向的对策，现总结概括各方向河湖连通水资源优化配置的代表性技术方法。

3.1 基于宏观经济的水资源合理配置

为满足水资源开发利用与社会经济发展紧密联系的需要，在水资源配置研究过程中采用多目标遗传算法结合水资源配置成本效益分析，提出基于宏观经济的水资源合理配置方法。

根据大系统理论的分解协调技术，将配置模型转化为二级的多目标优化模型，求解方式可采用分解-协调技术中含有的模型协调法进行，将已经关联约束的变量进行预分，进而对预分的方案归纳整理使整体系统被拆解为多个独立的子系统，并多次进行分配量的调配，从而使水资源配置系统的综合效益达到最大[7]。

采用随机模拟等技术探讨基于宏观经济的水资源合理配置问题，运用多方案模拟办法通过多个目标情景来识别其风险值大小，可通过Monte-Carlo（随机模拟）技术来进行风险因子的模拟，进而保证水资源的合理调配并使宏观经济达到最佳。

3.2 面向生态进行合理配置

水资源的过度开发带来了许多无法解决的问题，例如河道中水位骤减、地下水水位下降等，因此在配置过程中也应适当面向生态水量。

为提高水资源利用率，可在水资源配置内容中引入水资源净效益思想。该思想强调配置工作应与生态保护任务相辅相成，在此过程中来尽可能谋求水资源的净效益最大化。

在进行配置的过程中由于各个用水主体对个体具有影响，博弈论的想法充分考虑了水资源配置过程中所有的人为影响，在配置过程中不同主体所对应的利益不均衡，应进行合理均配，参与人依据自身理性在相对应的制度约束之下通过利于自身的行为使得利益保证最大化[8]。

3.3 对于广义水资源进行合理配置

广义水资源意思是运用纯天然的水循环作用来保证自身水源不断补充和更新，对人工以及天然系统具有一定作用的一次性淡水资源。

传统的ET 代表的是蒸发（evaporation）和蒸腾（traspiration）的合写。针对于广义水资源配置方式可通过基于广义ET 的水资源规划进行解决，包括对于ET 的总量进行控制，即在整体方向，把控已有部分的总ET 量，从而使流域内所含有的总体ET含量低于可以消耗的ET，同时从流域的整体提高水分生产的水平来促进社会经济持续性的发展[9]。

3.4 对于跨流域大规模区域配置

当水资源配置涉及到大规模的连通水系运输工程时，往往会面临多个水源间、多个主体间、多个目标和决策的分配问题。

系统仿真通过建立和运行处于计算机系统之中的仿真模型，来对现实状况及其随时间变化的特征规律进行模拟与分析，在这个过程中可以更直接反映并估算出实际系统的真正参数和它的多种性能10]。

对于区域水资源的优化配置是大系统中多目标优化的问题，该方法将现有水资源的综合效益达到最大作为配置的总目标，在保证流域环境需水量的基础之上，为各个行政区来提供尽可能高的平均利益比例[11]。

水资源的配置从开始的单一简单逐步发展为现阶段的多目标、多角度、多尺度、多水源来构建多层次的优化配置模型。在未来的水资源优化配置研究领域发展过程中，相信会有更多优化简便方法为我国水资源的合理分配提供思路并发挥作用，从而进一步达到人水和谐的理想局面，真正实现“绿水青山就是金山银山”[12]。

4 基于河湖连通的水资源优化配置特征

与传统的水资源配置方法相比，基于河湖水系连通的水资源优化配置将不同江河、湖泊、湿地等水源连接并结合利用，统筹规划更大范围的水源内容和更广阔的区域。因此基于河湖水系连通的水资源优化配置较传统水资源配置具有以下特点：

（1）受水范围较普通的水资源配置更为广泛，受用群体范围大。由于河湖水系连通考虑到江河、湖泊、湿地等情况，远多于水资源配置使用的水库等水资源，同时由于将调水区与受水区通过工程进行连接形成更大的区域，所以在进行基于河湖水系连通的水资源配置时应充分考虑多方面的利益相关体，实现均衡发展[13]。

（2）配置网络的存在形式更多变、水网形成难度增加。由于河湖连通工程的产生，调水区和受水区连接的水源增加，因此需要考虑的不同水源的水质、水量等问题也相应增多，造成应对不同水源调取现象所作出的假设判断与模拟也随之增加。

（3）配置方向趋于完善、目标逐步清晰准确，实现可持续发展。现阶段我国水资源配置应该以可持续发展为目标，并以生态用水的角度进行深度研究。加入河湖水系连通组织后，生态环境中的水资源保证了一定的水量，同时防止了相应的污染，使可供调配的水源中水质水量皆达到相应的标准，实现了水资源配置满足经济、社会等效益的同时也改善了生态环境。