基于全區(qū)域合作模型的水資源優(yōu)化配置研究

基于全區(qū)域合作模型的水資源優(yōu)化配置研究

在提出解決跨邊水資源沖突和協(xié)調(diào)模型后，本文以官?gòu)d水庫(kù)跨邊區(qū)域水資源沖突為例，進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。1跨邊界水資源沖突與協(xié)調(diào)官?gòu)d水庫(kù)位于北京西北約80km的河北省懷來(lái)縣官?gòu)d村.由于山西冊(cè)田水庫(kù)的攔蓄,桑干河的污染對(duì)官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)無(wú)重大影響,其主要污染來(lái)自洋河的張家口至下花園段1.因此研究中將重點(diǎn)確定在水庫(kù)上游河北省張家口市4區(qū)8縣.如圖1所示.發(fā)展經(jīng)濟(jì)是上游的必然要求.上游的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下,擠占了河流生態(tài)環(huán)境用水,造成了下游的水量和水質(zhì)目標(biāo)之間的沖突,自1954年建庫(kù)以來(lái),官?gòu)d水庫(kù)來(lái)水呈逐年下降趨勢(shì).20世紀(jì)90年代來(lái)水4.3億m3,只有50年代的1/5.據(jù)測(cè)定,官?gòu)d水庫(kù)水體常年處于Ⅳ—Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn),已不能作為生活供水水源,官?gòu)d水庫(kù)正面臨著水體污染和水資源短缺的雙重危機(jī).于1997年被迫退出飲用水水源地的功能,目前僅能用于工業(yè)和城市河湖景觀補(bǔ)水.其沖突表現(xiàn)為跨邊界水量短缺和跨邊界水質(zhì)污染以及流域生態(tài)環(huán)境惡化并存的危機(jī),代表了我國(guó)北方半干旱地區(qū)跨邊界水資源沖突的典型癥狀.北京市提出到2005年恢復(fù)官?gòu)d水庫(kù)的飲用水源功能.但以行政、法律手段來(lái)解決沖突,卻受到當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的大趨勢(shì)和上下游之間收入差距的限制.缺乏明確的水資源初始產(chǎn)權(quán)也使得市場(chǎng)手段無(wú)法發(fā)揮作用.因此,本文根據(jù)文獻(xiàn)提出的跨邊界水資源沖突與協(xié)調(diào)方法對(duì)官?gòu)d水庫(kù)跨邊界水資源沖突進(jìn)行協(xié)調(diào).2建立模型及模型根據(jù)文獻(xiàn)的研究框圖,首先在行政邊界出境處設(shè)置控制斷面,確定各沖突主體.在分析水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,綜合考慮地表水和地下水的聯(lián)合應(yīng)用及上游地區(qū)水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè),本文選擇了洋河上游的左衛(wèi)、中游的響水堡;清水河的張家口;桑干河的石匣里、錢家沙洼以及永定河的八號(hào)橋等6個(gè)跨邊界出境斷面作為河道水量水質(zhì)控制斷面,以此作為水資源分區(qū)的第一層;第二層以行政區(qū)為劃分單元,將官?gòu)d水庫(kù)區(qū)域水資源系統(tǒng)分為張家口市子系統(tǒng)和北京官?gòu)d子系統(tǒng).如圖2所示.由于水資源分配與實(shí)施經(jīng)常通過行政區(qū)域的職能部門來(lái)完成,因此,要求對(duì)每個(gè)行政區(qū)域設(shè)置一個(gè)出境斷面,這樣才能將斷面配置結(jié)果落實(shí)到每個(gè)行政區(qū),增強(qiáng)配置結(jié)果的可操作性.對(duì)以河流為行政區(qū)域邊界的懷安縣和萬(wàn)全縣,左衛(wèi)斷面設(shè)置成兩個(gè)虛擬斷面,分別控制懷安縣和萬(wàn)全縣;對(duì)有支流的八號(hào)橋斷面,則按支流來(lái)水水量、水質(zhì)設(shè)置虛擬斷面,分別控制每個(gè)行政區(qū).根據(jù)文獻(xiàn)的跨邊界區(qū)域水資源沖突與協(xié)調(diào)模型,結(jié)合官?gòu)d水庫(kù)跨邊界區(qū)域水資源系統(tǒng)的遞階結(jié)構(gòu),建立了非合作、張家口市行政區(qū)合作以及全區(qū)域合作3種行為模型.模型選擇保證斷面河道最小生態(tài)用水需求、水質(zhì)不再惡化作為非合作現(xiàn)狀點(diǎn),以保證斷面河道最小生態(tài)用水需求,恢復(fù)官?gòu)d水庫(kù)飲用水源水質(zhì)的區(qū)域最大社會(huì)福利為合作理想點(diǎn).非合作模型各斷面水量下限滿足河道最小生態(tài)用水,水質(zhì)下限滿足1999年(現(xiàn)狀年)斷面水質(zhì);張家口市行政區(qū)合作模型中八號(hào)橋斷面水量下限滿足河道最小生態(tài)用水需求、水質(zhì)下限滿足1999年斷面水質(zhì)外,其它斷面水量下限滿足河道最小生態(tài)用水需求,水質(zhì)下限滿足2005年規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo);全區(qū)域合作模型約束條件為所有斷面水量下限滿足河道最小生態(tài)用水需求、水質(zhì)下限滿足2005年規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo).以VB6.0對(duì)水質(zhì)子系統(tǒng)模型的目標(biāo)函數(shù)編程求解,利用Matlab軟件工具箱中的lp函數(shù)求解水量子系統(tǒng)模型和水質(zhì)子系統(tǒng)模型,經(jīng)反復(fù)迭代求得最佳協(xié)調(diào)解.合作利益分配按兩層進(jìn)行:第一層比較張家口市合作模型與全區(qū)域合作模型,把全區(qū)域合作利益在張市與北京官?gòu)d之間進(jìn)行分配;第二層比較張家口市合作模型與非合作模型,把張家口市合作利益分配到各斷面.分配模型根據(jù)拉格朗日函數(shù)求解.3水資源需、水污染控制預(yù)測(cè)文獻(xiàn)指出采用情景分析法處理產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水資源及其負(fù)荷的影響.以2005年為預(yù)測(cè)水平年,水資源供給預(yù)測(cè)設(shè)定50%和95%水文年;水資源需求和水污染控制預(yù)測(cè)設(shè)兩種情景:情景一為延續(xù)發(fā)展方案,經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)為主,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整按《張家口市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十五”計(jì)劃綱要》.情景二為協(xié)調(diào)發(fā)展方案,環(huán)境保護(hù)目標(biāo)為主,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)依據(jù)《21世紀(jì)首都水資源規(guī)劃》,力爭(zhēng)達(dá)到規(guī)劃水量、水質(zhì)目標(biāo).根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水上限約束、河道最小生態(tài)用水約束、點(diǎn)源和面源污染物治理費(fèi)用系數(shù);根據(jù)分?jǐn)傁禂?shù)法計(jì)算工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水效益系數(shù).4計(jì)算4.1各主體合作機(jī)制與利益補(bǔ)償機(jī)制表2列出了50%水文年條件下各斷面非合作、張家口市合作和全區(qū)域合作3種行為模式下的各主體凈效益.由表2可知,非合作各斷面總凈效益最小,全區(qū)域合作總凈效益最大;合作與非合作相比,張家口市合作各斷面凈效益增加了1.18—1.64億元/a;全區(qū)域合作各斷面凈效益增加了8.57—8.97億元/a,其中張家口市各斷面的凈效益減少了0.34—0.47億元/a,但北京官?gòu)d增加的凈效益為8.90—9.44億元/a,足以彌補(bǔ)張家口市各斷面的損失.說明流域水資源利用時(shí)各主體只考慮自身利益而不顧其它主體利益,將給所有主體帶來(lái)?yè)p失,這就是“公地悲劇”的本質(zhì);部分合作帶來(lái)增加的部分利益,但增加的幅度較小;全區(qū)域之間合作將給各主體帶來(lái)最大的凈效益,但一些主體利益受到損失,說明建立包含區(qū)域所有主體參與的合作機(jī)制與利益補(bǔ)償機(jī)制的必要性.表3和表4列出了不同行為模式下各斷面用水量、污染物允許排放量.由表3和表4可知,與非合作結(jié)果比較,張家口市合作情景下萬(wàn)全、宣化的用水量減少,同時(shí)宣化和懷來(lái)的污染物允許排放量增加.這說明張家口市合作情景下要求減少萬(wàn)全、宣化的地表水用水量,增加響水保和八號(hào)橋斷面的環(huán)境容量;優(yōu)化結(jié)果說明若僅考慮水量而忽略水質(zhì)因素,帶來(lái)利益分配結(jié)果的不準(zhǔn)確.根據(jù)全局優(yōu)化配置結(jié)果與非合作現(xiàn)狀用水比較,生態(tài)用水、生活用水優(yōu)先得到滿足,工業(yè)用水由于價(jià)值較高,在配置中也得到滿足.情景一要求減少萬(wàn)全、宣化、蔚縣斷面農(nóng)業(yè)用水量;情景二除減少萬(wàn)全、宣化斷面農(nóng)業(yè)用水量外各斷面用水要求可基本滿足.由表4可知,情景一下,非合作、張家口市合作、全區(qū)域合作COD削減比例分別為:37%、34%、49%;氨氮削減比例分別為:78%、76%、84%;情景二下,COD削減比例分別為:24%、21%、41%;氨氮削減比例分別為:71%、69%、83%.通過比較延續(xù)發(fā)展方案與協(xié)調(diào)規(guī)劃方案結(jié)果,協(xié)調(diào)規(guī)劃方案用水、排污少且具有更高的經(jīng)濟(jì)凈效益,推薦采用協(xié)調(diào)規(guī)劃方案.4.2斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)50%水文年,規(guī)劃協(xié)調(diào)方案下將全局優(yōu)化方案帶來(lái)的合作利益進(jìn)行公平分配,結(jié)果如表5所示.到2005年八號(hào)橋斷面水量為3.0億m3;水質(zhì)為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),需要對(duì)上游各斷面每年進(jìn)行補(bǔ)償38876萬(wàn)元,即滿足斷面規(guī)劃水量、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的單位水量?jī)r(jià)值1.30元/m3.通過對(duì)上游欠發(fā)達(dá)地區(qū)進(jìn)行利益補(bǔ)償,有助于保障規(guī)劃結(jié)果在當(dāng)?shù)氐膶?shí)施,具體補(bǔ)償可采用經(jīng)濟(jì)合作、轉(zhuǎn)移支付等多種方式進(jìn)行.通過規(guī)定各斷面的水量和水質(zhì)指標(biāo),加上適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施,就能對(duì)斷面以上行政區(qū)域的用水、排污進(jìn)行控制,做到斷面水量、水質(zhì)的達(dá)標(biāo)交接.在實(shí)際操作中,分配與實(shí)施經(jīng)常通過行政區(qū)域來(lái)完成,因此,將斷面水量、水質(zhì)指標(biāo)落實(shí)為行政區(qū)的用水和排污指標(biāo),由表5可知,50%水文年用水比預(yù)測(cè)用水量少用5502萬(wàn)m3;COD削減比例為41%,氨氮削減比例為83%.通過斷面控制指標(biāo)和區(qū)域控制指標(biāo)的配合為流域管理和行政區(qū)管理相結(jié)合提供了依據(jù).95%水文年情景下,規(guī)劃協(xié)調(diào)方案到2005年八號(hào)橋斷面水量為0.6億m3;水質(zhì)為Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),需要對(duì)上游各斷面每年進(jìn)行補(bǔ)償9000萬(wàn)元,即滿足斷面規(guī)劃水量、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的單位水量?jī)r(jià)值1.50元/m3.95%水文年用水比預(yù)測(cè)用水量少用3428萬(wàn)m3;COD削減比例為64%,氨氮削減比例為92%.5模型結(jié)果分析(1)50%水文年下,通過比較延續(xù)發(fā)展方案和協(xié)調(diào)發(fā)展方案的模型結(jié)果,協(xié)調(diào)發(fā)展方案用水少、排污少且經(jīng)濟(jì)凈效益更高,被確定為推薦方案.(2)50%水文年協(xié)調(diào)發(fā)展方案,與非合作現(xiàn)狀比較,張家口市合作經(jīng)濟(jì)凈效益增加了1.63億元/a,模型結(jié)果說明可適當(dāng)犧牲萬(wàn)全、宣化的農(nóng)業(yè)地表水用量,增加響水堡斷面和八號(hào)橋斷面的環(huán)境容量;全區(qū)域合作經(jīng)濟(jì)凈效益增加了8.10億元/a,模型結(jié)果說明在確保三類水質(zhì)的前提下,左衛(wèi)、響水堡斷面的農(nóng)業(yè)用水向北京官?gòu)d的生活用水進(jìn)行轉(zhuǎn)移.(3)全區(qū)域合作達(dá)到了全局最優(yōu)解,但上游主體利益受到損失,通過對(duì)上游各斷面補(bǔ)償單位水量?jī)r(jià)值(50%水文年為1.30元/m3,95%水文年為1.50元/m3),有助于保證主體之間合作的穩(wěn)