唐山市水资源优化配置研究

时玉涛

(河北省唐山水文勘测研究中心,河北 唐山 063000)

水是人类及其发展必不可少资源,也是维持生态平衡的关键因素之一[1-2]。然而由于受自然条件、经济社会发展、全球气候变化等因素影响,世界大部分地区面临着水资源供需失衡、水污染和水生态系统退化问题。研究显示近50年来我国水资源总量减少了4%,水危机已成为影响国家经济社会发展的制约因素[3-4]。当前我国不仅要保持合理经济发展速度,也要建设生态文明、确保粮食安全。如何有效协调关系,合理分配和优化水资源供给已成为影响中国可持续发展的关键问题[5-6]。唐山是北方工业重镇,也是现代半干旱区农业发展示范区。该地水资源配置面临的首要问题是协调人与自然关系,即利用有限资源满足经济、社会和生态环境发展的需要。因此,加强统一管理,合理配置水资源,合理配置水源地,提高水资源利用效率,对促进区域可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

唐山位于燕山南侧、渤海湾西北岸,介于117°31′～119°19’E、38°55′～40°28′N之间,总面积1.704万 km2,海岸线229.7 km。地势自北向南倾斜,有滨海平原、土石丘陵、山地地貌,海报在0～842 m(图1)。境内暖温带大陆性季风气候,多年平均气温12.5℃、年降水500～700 mm、日照时数2 600～2 900 h、无霜期180～190 d。区域地表、地下水资源量依次为146 200、136 900万 m3,平均河川基流量为4.01亿 m3。但由于该市密集人口(771.79万)、聚集性重工业发展,对水资源用量产生巨大需求。在此背景下,唐山市水资源供需形势严峻,有必要开展精确的水资源配置规划。

图1 唐山市地理概况

2 数据资料

本研究使用的数据保护自然环境与社会资料方面,其中人口、GDP、土地利用结构数据来自《河北统计年鉴》《河北省水资源公报》,农业、工业和居民用水数据从唐山税务局获取。

3 用水定额计算方法

基于水资源用途,本市用水划分为:生产、生活和生态用水。水资源优化配置的关键在于科学评估用水配额,其前提是准确核算耗水量。

(1)生产用水主要来自为农业、工业用水,则其耗水需求计算如下:

(1)

式中:WCAt,i表示第i种作物在t年耗水量;Areat,i为其种植面积、INt,i为第t年第i种作物的纯灌溉定,URIWt,i为其相应的灌溉系数,取值介于0～1。

(2)工业水定额计算公式如下:

(2)

式中:WCIt,i为i县t年用水量、ICIPt,i为t年度万元工业产值用水定额;RRt,i工业用水回用率。

(3)生活用水量分为城市生活用水量、农村生活用水量和牲畜用水量,由城乡生活用水量可从实际统计中获得,公式如下:

WCRt,i=NRt,i×WCNRt,i

(3)

式中:WCRt,i为第i类用户在t年的总用水量;NRt,i为第t年第i类用户总数;WCNRt,i为第i类用户在t年的生活用水定额。

(4)生态耗水分为自然生态耗水和人工生态耗水,其公式如下:

(4)

式中:WCCt,i为第i类植被在t年的生态耗水量;EAt,i为t年i类生态植被总面积;EWCt,i为t年i类生态植被的灌溉定额;UIEt,i为t年i类生态植被灌溉水利用系数。

若顶点在线段BC上方时，如图4，将x=0代入抛物线得y=-3a，因为抛物线与线段BC恰有一个公共点，所以-3a>4，解得

4 水资源配置优化方法

水资源在自然和社会系统中的分布直接影响着生产、生活和生态用水(WPLE)的协同演化。WPLE 组件不仅密切相关,而且还相互排斥,任一组件增减变化将影响其他组件存量,基于该理论,学者们开发了WPLE优化配置框架,旨在通过线性综合规划确保用水定额最优分配进而协调人地关系、实现发展可持续。参照Xu等人研究经验,设置水资源优化配置的目标函数式(4)～式(6):

(5)

(6)

(7)

式中:i∈I表示计算单元(县数);j为各县WPLE(生产、生活、生态用水)指数;Qi为i县的总用水量;Wi,jsupplyis、Wi,jdemand分别为i县j指数的供水量为、用水量;Wiind、Wiagri县工业、农业用水量转化为工业、农业产值的系数;Wiagr、Wiind为第i县农业、工业耗水量;y1、y2、y3依次为环境、社会、经济目标优化函数。

在此基础上设置最小供水约束条件,如下:

βy,m,u,k≥min(βm,u,k)

(8)

(9)

式中:y,m,u,k表示计算单位u在第y年第k种用户m时期供水保证率(%),相应地Min (βm,u,k)为其最小供水保证率、Spy,m,u为供水量、Dy,m,u为耗水量。对于约束WPLE,则有:

min(Wym,j)≤Wgm,j≤max(Wym,j)

(10)

min(Wym,j)≤∂gj≤max(Wym,j)

(11)

式中:j为用水量类型max(Wym,j)、min(Wym,j)分别为m时段内WPLE的上、下限值。对于非约束,则有:

(12)

式中:Wi,j为第i县j指标供水下限。

对于上述约束条件,WPLE采用遗传算法建立最优分配模型。遗传算法是一种模仿自然选择理论的适应性优化算法,其计算单一个体适配值,选择具有最佳适配值的个体进行遗传算子(选择、交叉和突变),直到产生了具有最大适配性的个体。文中使用Rstudio程序包进行了10折交叉验证,对遗传算法的关键参数种群大小、交叉率和突变率分别配置为50,0.3和0.02。

5 唐山市水资源优化配置结构

5.1 唐山市用水量估算结果

基于上述公式计算得到唐山市2021年总耗水量达186.5亿 m3,其中农业、工业、工业、生活和生态环境用水量依次达96.24 m3、19.13 m3、27.82 m3、43.31亿 m3,其用水结构依次占51.60%、10.26%、14.92%、23.22%。可见,农业依然是该地用水最大需求,且集中在迁安、遵化等,地鉴于该地半湿润的环境背景,有必要发展节水型灌溉农业,进而有效提升灌溉保证率和水资源利用效率,进而减少区域供水压力。生态用水量次之,以滦南、乐亭、遵化、迁西等地居多,其是唐山地区生态中心,承担着水源涵养、绿水青山减少任务,保障该地生态用水供应极有必要。从工业用水估算结果来看,曹妃甸地区最高,也证明该地用水压力大。

5.2 唐山市用水量优化配置结果

基于研究区人口、经济和自然生态区发展背景,设置了三种情景模式:经济效益优先、社会效益优先、生态效益优先,在每一情景模式下对另外两个约束目标的权重设定依次为0.45、0.55。经计算程序参数配置后运算得到三种情景下水资源配置,其结果见表2～表4。如表2和表1所示,在经济优先模式下,对工农业用水支持力度会提高,相应地会挤压生活用水量并减少生态用水配置。就各市区而言,对曹妃甸、路北区用水结构影响最大,相应地工业用水量增加了而生活用水量减少了。在这种情况下,提升单位GDP耗水量是优化水资源配置的关键因素。此时,唐山市其中农业、工业、工业、生活和生态环境用水量依次达75.15 m3、24.81 m3、34.60 m3、52.39 1亿 m3,其用水结构依次占40.20%、13.27%、18.51%、28.02%,并产生了1.95亿 m3的用水缺口。

表1 唐山市耗水量定额估算 亿m3

表2 经济优先模式下唐山市耗水量定额估算 亿 m3

社会效益模式下,唐山市用水配置具体如表3。与经济优先模式相比,该情景加强了居民生活质量,然而导致社会用水量达35.84亿 m3,升高了1.15%。相应地,社会效益条件下水资源配置总量为187.74亿 m3,将产生2.24亿 m3的用水缺口,将进一步恶化供水平衡;其中农业、工业和生态用水配置量依次为75.09 m3、24.63 m3、52.19亿 m3,依次变化了1.13%、1.63%、-3.59%。

表3 社会效益优先模式下唐山市耗水量定额估算 亿 m3

在生态效益优先的情景下(表4),唐山市WPLE用水配置具体如表3。其总用水量达185.14亿 m3,产生的盈余为0.46亿 m3,表该情景下会减少供水压力且促进生态环境建设。用水结构农业、工业、生活和生态用水配置量依次为73.13 m3、23.60 m3、33.07 m3、55.34亿 m3,依次占比为39.50%、12.75%、17.86%、29.89%;相应地该情景条件下农业、工业、生活分别减少了0.12%、1.25%、4.53%,而生态用水增加了3.66%。从分县区来看,曹妃甸、玉田、迁西等地生态用水比重增加最大,达5.42 m3、4.78 m3、5.88亿 m3,相应地其农业用水量有所减少,依次为2.49 m3、1.76 m3、4.53亿 m3。

表4 生态效益优先模式下唐山市耗水量定额估算 亿 m3

6 结语

本文使用WPLE框架根据唐山市水资源资源方向差异,设计了区域水资源优化配置算法,使用遗传算法优化多目标函数,结果表明:(1)WPLE结合遗传算法方案具有良好收敛性,为解决多目标综合决策问题提供新方法。(2)设计了社会、经济和生态效益优先模式下水资源配置方案,符合不同政策性倾向需要,有助于落实该市阶段性目标; 通过WPLE配置,可满足保持经济合理发展同时,稳定居民用水需求、保障生态供水。