水资源总量约束条件下玛纳斯河灌区水资源优化配置

2023-10-26潘月杨广田浩赵丽李毅李小龙刘兵黄洲古力生木安甫丁

排灌机械工程学报 2023年10期

潘月,杨广*,田浩,赵丽,李毅,李小龙,刘兵,黄洲,古力生木·安甫丁

(1. 石河子大学水利建筑工程学院,新疆石河子 832003;2. 寒旱区生态水利工程兵团重点实验室,新疆石河子 832003;3. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌 712100)

水资源优化配置是采用科学手段结合用水需求,以公平、高效为基础,充分考虑水资源配置准则,将有限的水资源科学合理地分配到目标区域,以实现水资源高效利用[1].MAQSOOD等[2]在不确定条件下使用模糊随机规划法进行水资源系统配置,分析如何有效地得出稳定的解决方案以及风险水平.FARHADI等[3]以灌溉缺水量最少、水量分配公平度最大和地下水下降最小为目标,使用MODFLOW地下水运动模型求解出水资源优化分配方案.付银环等[4]运用区间两阶段随机规划方法建立地表水和地下水联合调度的灌区水资源优化配置模型,以提高干旱/半干旱地区的水分利用率和减少农业灌溉水量.吴丹等[5]综合考虑城市水资源利用的经济、社会与生态环境效益,通过建立非线性多目标优化模型,实现了城市水资源优化配置.目前国内研究多侧重于水资源优化配置模型的研究[6-7],从可持续发展角度出发对水资源配置后评价工作有待进一步深入,将后效性研究引入水资源优化配置中对于科学合理地制定水资源配置方案具有重要意义.

玛纳斯河灌区位于中国西北内陆干旱区.随着人类活动强度的增强、绿洲规模的扩大及城市化进程的加快,社会发展对水资源需求越来越大,灌区水资源紧缺压力进一步增大.基于此,文中结合水资源总量约束条件构建水资源优化配置模型,以促进灌区水资源高效分配,缓解灌区缺水状况,并使用LINGO语言进行模型求解,通过和谐性模糊综合评价模型进行水资源配置效果评价,为区域水资源可持续利用提供基础依据,为玛纳斯河灌区规划年水资源优化配置提供和谐性方案参考.

1 研究方法

1.1 Lasso算法

最小绝对值收敛和选择算子是一种可缩减变量集的正则化技术,核心是利用L1范数稀疏性来解决回归相关的惩罚优化问题[8].

Lasso算法可以对一些不重要变量的系数进行压缩,甚至将它们缩减为0来降低解释变量矩阵的维数.目标优化问题可以表示为

(1)

式中:λLasso为Lasso算法的非负正则化参数,用于调节惩罚项对模型的压缩强度, 增大λLasso的值,则被压缩的解释变量数目增加,不重要变量的∂h系数可以压缩为0,从而去除冗余信息,避免维数诅咒问题;Yh为目标样本的第h个回归系数;N为回归系数总个数;∂0为常数项;P为特征维数;∂o为筛选出的第o个回归系数;Xho为样本的第o个特征维数;∂h为筛选出的第h个回归系数.

图1中Lasso算法曲线图代表算法通过I=1下的惩罚函数来限制变量个数的情况,并优先筛选掉一些不是特别重要的变量.其中,黄色正方形部分代表惩罚函数I=1;J(θ)代表突函数;θ为参数.

图1 Lasso算法曲线

1.2 多目标水资源优化配置模型

文中基于水资源总量约束条件构建水资源优化配置模型,以保障经济、社会和生态3方面和谐稳定可持续发展[9-10].

1.2.1 目标函数

经济效益:将供水水源分配水量给用水户所能带来的最大净效益表示为

(2)

社会效益:为了保证社会稳定和谐发展,要尽量减少或避免缺水的情况,表示为

(3)

生态效益:令研究区内排污后水体化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)含量最小,表示为

(4)

1.2.2 约束条件

供水量约束为

(5)

需水量约束为

(6)

水质约束为

(7)

非负约束为

(8)

1.3 熵值法-线性加权法

1.3.1 熵值法

熵值法计算步骤为分别选取2025年和2030年的J(k)个灌区用水户,m个指标,则xjq为第j个用水户的第q个指标的数值,j=1,2,…,J(k);q=1,2,…,m.

指标的归一化处理:异质指标同质化.由于各项指标的计量单位并不统一,因此在计算综合指标前,先要对它们进行标准化处理.由于正向指标和负向指标数值代表的含义不同,因此,对于高低指标采用不同的算法进行数据标准化处理.

具体方法中正向指标为

(9)

负向指标为

(10)

为了方便,归一化后的数据仍记为

(11)

计算第q项指标下第j个用水户占该指标的比重eq为

(12)

A=1/ln(J(k))>0,

(13)

式中:A为第q项指标的熵值.

计算信息熵冗余度dq为

dq=1-eq,

(14)

计算各项指标的权值wq为

(15)

计算各灌区用水户的综合得分sj为

(16)

1.3.2 线性加权法

由线性加权法构造评价函数,由熵值法求得加权因子Wq[11],即

(17)

(18)

1.4 水资源优化配置和谐性模糊综合评价

文中以何国华等[7]的研究为基础,从水资源系统、经济社会、生态系统3个方面出发,选取9个具有代表性的指标反映区域水资源配置情况.

1.4.1 水资源优化配置和谐性等级划分

参考《中国水资源公报》《中国统计年鉴》等相关资料,将水资源配置的和谐性分为5个等级,分别对应5个和谐标准,各评价指标的分级情况如表1所示.表中Ws为地表水资源量;Wg为地下水资源量;Wr为中水资源量;Vg为万元工业增加值用水量;k为城镇化率;Va为人均水资源量;γs为生活污水处理率;γg为工业污水处理率;γw为污水重复利用率.

表1 水资源配置和谐性各评价指标的分级标准

1.4.2 评价指标相对隶属度确定

本研究的所有评价指标都属于区间型指标,将在评价指标进行分级的基础上,根据模糊数学原理,得其相对隶属度函数为

(19)

式中:al1,al2分别为指标所在区间的上限值和下限值;y为指标值;l为第l个元素,l=1,2,…,n;s为第s个等级,s=1,2,…,m.

1.4.3 模糊综合评价模型的建立

建立评价对象的因素论域U,U={u1,u2…,ul},其中u1,u2,…,ul表示评价对象因素论域中的元素;建立评语论域V,V={v1,v2,…,vs},其中v1,v2,…,vs表示评语论域中的元素;对评价对象的U和V之间进行单因素评价,建立模糊关系矩阵为

(20)

式中:rls为U中的第l个元素(ul)对应V中的第s个等级(vs)的相对隶属度.

水资源配置和谐性的模糊综合评价模型为模糊关系矩阵R与熵值W的合成运算,即

B=(cs)1×m=RW,

(21)

2 实例研究

2.1 研究区概况

玛纳斯河灌区是典型中国西北欧亚大陆腹地的干旱/半干旱区域,降水少、蒸发量大、气候干燥,属典型大陆性干旱气候[12],用水以农业生产为主,近30 a农业用水占比约87.70%.随着工业化和城市化进程的加快,工业用水比重不断增加,占比由1990年的1.53%增加到2020年的4.90%,截至2020年,生活、生态用水也增加至7.4%.随着区域社会经济发展,灌区水资源供需矛盾日益突出,因此科学合理地配置灌区有限水资源量对保障灌区水资源持续利用及缓解用水冲突具有重要意义[13].

2.2 需水量预测结果

2.2.1 农业用水

根据《第八师石河子市用水总量控制实施方案报告》,确定玛纳斯河灌区规划年灌溉面积及灌溉定额数据如表2所示,表中S为灌溉面积;Q为灌溉定额.

表2 玛纳斯河灌区规划年灌溉面积与灌溉定额

2.2.2 工业用水

随着“国家节水行动方案”的实施和工业结构调整及用水水平的提高,工业用水定额逐步下降,预计2025年和2030年万元工业增加值用水量分别下降至37,35 m3.将工业增加值(万元)与万元工业用水量相乘即可得到工业需水量分别为10 702.94万m3,13 299.65万m3.

2.2.3 生活用水

根据《第八师石河子市“十四五”期间水资源利用研究报告》中规划年生活用水定额及管网漏损率数据,玛纳斯河灌区规划年人口数量、管网渗漏率和人均生活用水定额见表3—5,表中N为单位人口数量;Nt为总人口数量;Ra为管网渗漏率;Qa为人均生活用水定额.通过365QaN/Ra即可得到生活需水量.其中,将规划年玛纳斯河灌区管网渗漏率、人均生活用水定额按照城市、乡镇、农村进行分层次划分,以方便进行对应划分区域的生活需水量计算.

表3 预测玛纳斯河灌区规划年人口数量

表4 玛纳斯河灌区管网渗漏率

表5 玛纳斯河灌区人均生活用水定额

2.2.4 生态用水

根据石河子市历年《水利年报》及《石河子市城市总体规划》得出玛纳斯河灌区2025年和2030年生态环境需水.通过Lasso算法和相关指标计算法可得规划年四类用水需水量预测结果如表6所示,表中Da,Di,Dl,De分别表示农业、工业、生活、生态需水量.

表6 玛纳斯河灌区规划水平年需水量预测

2.3 水资源总量控制指标

根据自治区人民政府《关于实行最严格水资源管理制度落实“三条红线”控制指标的通知》(新政函〔2013〕111号)文件和《第八师石河子市用水总量控制实施方案报告》中确定玛纳斯河灌区规划年供水计划实施方案,“三条红线”供水计划如表7所示,表中Ss,Sg,So,St分别表示地表水、地下水、其他水供水量及总供水量.其中,三条红线供水量计划表按照规划年玛纳斯河灌区中的石河子子灌区、莫索湾子灌区、下野地子灌区作为目标研究区域划分,为了进行多目标水资源优化配置模型的计算分析,将不同子灌区中不同类型的供水量分配情况进行详细划分,为后续模型计算提供研究基础.

表7 玛纳斯河灌区“三条红线”供水计划表

2.4 水资源供需平衡分析

对规划年4类用水量与玛纳斯河灌区“三条红线”供水量进行供需平衡分析.

2025年石河子灌区缺水3 819.24万m3,莫索湾余水1 366.29万m3,下野地灌区缺水1 802.42万m3,玛纳斯河灌区总缺水4 255.37万m3.2030年石河子灌区缺水7 549.28万m3,莫索湾缺水153.68万m3,下野地灌区缺水2 703.61万m3,玛纳斯河灌区总缺水10 406.57万m3.需水量会随着社会经济、人口增长逐年变化,为解决灌区规划年用水量严重超指标这一问题,基于预测结果及水资源总量控制指标提出适合灌区水资源优化配置的最佳方案.