南水北調(diào)中線調(diào)水后漢江中下游地區(qū)水資源優(yōu)化配置風(fēng)險評估

南水北調(diào)中線調(diào)水后漢江中下游地區(qū)水資源優(yōu)化配置風(fēng)險評估

水資源優(yōu)化配置作為水資源可持續(xù)利用和管理的重要組成部分，對確保生態(tài)環(huán)境的基本水資源需求，提高水資源充分利用效率，具有重要作用。以及水資源分配的效率和公平性。20世紀(jì)50年代以來,隨著水資源系統(tǒng)分析理論和優(yōu)化技術(shù)的不斷發(fā)展,水資源優(yōu)化配置理論取得了很大發(fā)展。如:王浩等基于宏觀經(jīng)濟(jì)與水資源系統(tǒng)分析理論,提出了水資源“三次平衡”的配置思想,闡述了基于流域水資源可持續(xù)利用的系統(tǒng)配置方法;趙建世等提出了基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型;陳守煜、崔振才等將模糊優(yōu)選理論引入水資源管理中。總的說來,以往水資源優(yōu)化配置研究多是針對確定性條件展開的。受水文氣象、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等因素的影響,水資源實際供求關(guān)系具有很大的隨機性。張秀菊、MinskerBS等、孫才志等雖然采用遺傳算法、模糊集理論等對水資源配置過程中需水量、可供水量等不確定性問題進(jìn)行了初步研究。馮尚友、ChangNi-Bin等采用隨機規(guī)劃方法對水資源系統(tǒng)中的不確定性問題進(jìn)行了定量研究,但水資源合理配置可靠性等問題,尚待深入研究。本文針對南水北調(diào)中線調(diào)水95億m3對漢江中下游地區(qū)水資源影響問題,從水資源配置風(fēng)險分析出發(fā),采用隨機模擬等技術(shù),探討了水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置風(fēng)險分析問題。1水資源優(yōu)化配置風(fēng)險分析水資源優(yōu)化配置是采用水資源系統(tǒng)分析與宏觀經(jīng)濟(jì)分析等理論、方法和技術(shù),通過節(jié)水、治污與水資源開發(fā)等工程與非工程措施,在滿足生態(tài)環(huán)境基本用水需求條件下,對地表水與地下水等多種水資源在多地區(qū)、多用戶及上下游之間進(jìn)行合理分配,最大限度地實現(xiàn)水資源利用的效率與公平。因此,受不同降雨徑流和地下水條件,不同的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)用水和節(jié)水水平,不同的工程與管理措施等影響,水資源優(yōu)化配置方案及其效果可能不完全相同,存在一定的風(fēng)險。水資源優(yōu)化配置風(fēng)險是指受水資源系統(tǒng)來用水及工程、管理等多種不確定性因素的影響,水資源配置達(dá)不到期望效果的可能性大小。考慮到影響水資源配置的因素有自然資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)、工程技術(shù)、科技管理等多個方面,各方面之間又存在不同程度的相互關(guān)聯(lián)與作用,有必要根據(jù)諸多影響因子屬性不同進(jìn)行適當(dāng)歸類,以識別其中可能導(dǎo)致水資源配置風(fēng)險的關(guān)鍵性因子。為此,本文將水資源配置風(fēng)險因子按自然條件、社會經(jīng)濟(jì)、工程技術(shù)、工程管理四個方面進(jìn)行風(fēng)險因子識別。(1)生態(tài)環(huán)境需水量與降雨徑流之間的關(guān)系在水資源優(yōu)化配置過程中,可能產(chǎn)生風(fēng)險的自然條件主要有降雨、徑流、地下水以及濕地、植被、水生生物等生態(tài)條件變化和水質(zhì)、排污量、土壤鹽漬化等環(huán)境條件變化,其中生態(tài)環(huán)境變化又與水資源變化之間存在復(fù)雜相關(guān)關(guān)系,可以用生態(tài)環(huán)境需水量來反映,而生態(tài)環(huán)境需水量與降雨徑流之間存在一定關(guān)系。因此,提出可以用降雨徑流量作為影響水資源配置效果的關(guān)鍵性自然條件因子。(2)水資源配置方案的影響因素人類社會經(jīng)濟(jì)活動的不確定性是導(dǎo)致水資源配置風(fēng)險的重要因素之一,其中人口規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生活及工農(nóng)業(yè)用水水平、節(jié)水水平、排污量及其處理能力則是影響水資源配置方案及效果的重要因子。考慮到在一定發(fā)展階段和社會經(jīng)濟(jì)政策下,人口自然增長率與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及工業(yè)、生活用水節(jié)水與污水處理水平相對穩(wěn)定,農(nóng)業(yè)用水則受降雨氣候、種植面積、節(jié)水措施等因素的影響而在年內(nèi)、年際之間具有一定的隨機不確定性,故提出以農(nóng)業(yè)用水量作為影響水資源配置風(fēng)險的關(guān)鍵性因子。(3)雨洪利用與類別水利用工程工程措施是實現(xiàn)水資源配置效果的重要途徑之一。通常,影響水資源配置方案及效果的主要工程措施有地表供水工程、地下水供水工程、調(diào)水工程、雨洪利用工程、劣質(zhì)水利用工程等。受區(qū)域或流域水文氣候、地質(zhì)地理、工程難易程度、經(jīng)濟(jì)合理性與防洪、生態(tài)安全等因素的影響,雨洪利用與劣質(zhì)水利用工程目前尚處于試驗研究階段,地下水與地表水工程雖然也受水文氣候等因素影響,但一旦建成,則往往會因其一定的調(diào)節(jié)性能而具有相對穩(wěn)定的供水能力。因此,區(qū)域調(diào)入與調(diào)出的水資源量多少將直接影響到水資源配置方案及效果,由此而成為可能導(dǎo)致水資源配置風(fēng)險的關(guān)鍵性工程因子。(4)初始水權(quán)不明確加強水權(quán)、水價及信息化管理是實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的有效手段。但受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、觀念等多種因素的影響,目前我國初始水權(quán)尚不明確,水價體制與機制并不完善,信息化技術(shù)遠(yuǎn)未普及,上述因素雖然可能導(dǎo)致水資源配置風(fēng)險,但目前還難以準(zhǔn)確描述,故暫不考慮。2多目標(biāo)情景分析根據(jù)上述風(fēng)險因子分析可知,徑流量、農(nóng)業(yè)用水及區(qū)域調(diào)入、調(diào)出水量是影響水資源配置風(fēng)險的主要因素,而調(diào)入調(diào)出水量與調(diào)水工程建設(shè)與否、規(guī)模大小等因素有關(guān),可以采用多方案模擬辦法通過多目標(biāo)情景分析來識別其風(fēng)險值大小。這里重點描述徑流來水量與農(nóng)業(yè)需水過程的隨機模擬分析方法。采用Monte-Carlo隨機模擬技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險因子模擬。2.1各隨機數(shù)的生成對于年徑流量等水文變量的分布,我國一般采用P-Ⅲ型分布,可以用舍選法生成P-Ⅲ型隨機數(shù)。計算方法如下:xt=α0+1β(1-|α|∑k=1lnuk-Btlnu|α|+3),(t=1,2,?)(1)其中:α=4C2s,β=2ˉxCvCs,α0=ˉx(1-2CvCs)(2)式中:[α]為等于或小于α的最大整數(shù);xt(t=1,2,…)為所需生成P-Ⅲ型分布的第t個隨機數(shù);uk(k=1,2,…,[α]+3)為[0,1]均勻分布隨機數(shù):ˉx、Cv和Cs由實測年徑流序列按常規(guī)水文計算方法(適線法)進(jìn)行水文頻率計算得出。參數(shù)Bt按下式計算:Bt=u1/r[α]+1u1/r[α]+1+u1/s[α]+2(3)式中:u[α]+1和u[α]+2為一對隨機數(shù);r=α-[α],s=1-r。在模擬時,式(3)中的分母(u1/r[α]+1+u1/s[α]+2)≤1,否則舍去,重新取一對偽隨機數(shù)計算,直到滿足要求為止。2.2灌溉、灌溉水管理農(nóng)業(yè)需水與灌溉面積、灌溉定額、灌溉水利用系數(shù)等密切相關(guān)。灌溉定額主要與降雨頻率有關(guān),其確定方法是對隨機生成的年來水系列進(jìn)行判斷,選擇與其最接近的實測年徑流量,該實際年份的灌溉定額也對應(yīng)為模擬規(guī)劃年的灌溉定額。灌溉面積、灌溉水利用系數(shù)等隨機變量較難確定其客觀分布,可通過查詢相關(guān)規(guī)劃報告或采用專家調(diào)查法確定其最可能取值和最大最小取值,以三角分布來模擬。同樣,其它隨機變量(如工業(yè)產(chǎn)值增長率、年均人口增長率等)均采用三角分布。3生態(tài)性破壞在傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下,水資源的開發(fā)利用單純追求經(jīng)濟(jì)效益,以犧牲環(huán)境質(zhì)量和無節(jié)制消耗水源為代價,造成了社會效益的破壞,這與時代發(fā)展要求水資源可持續(xù)利用是相悖的。同時追求經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益的綜合效益是水資源可持續(xù)利用的根本目標(biāo)。3.1目標(biāo)函數(shù)設(shè)流域劃分為K個子區(qū),k=1,2,…,K,子區(qū)k內(nèi)有I(k)個供水水源,J(k)個用水部門。(1)子區(qū)子區(qū)用水部門j的供水量f1(X)=maxΚ∑k=1GDΡw(k)(4)式中:GDPw(k)為水資源優(yōu)化配置對第k子區(qū)GDP的凈貢獻(xiàn)值,在水資源規(guī)劃與管理中采用GDP與用水量之間的線性關(guān)系表示(數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析其線性擬合的復(fù)相關(guān)系數(shù)r2>0.8)。GDΡw(k)=J(k)∑j=1φj?(ωk?Bkj?gdpj?Ι(k)∑i=1αkixkij)(5)式中:J(k)為子區(qū)k內(nèi)對GDP有貢獻(xiàn)的用水部門的集合;φj為用水部門j的供水效益分?jǐn)傁禂?shù),一般農(nóng)業(yè)為0.25～0.60,工業(yè)為0.08～0.12,根據(jù)具體情況分析確定。ωk為子區(qū)k權(quán)重系數(shù),可采用AHP法求得;Bkj為子區(qū)k用水部門j的單位水量產(chǎn)值系數(shù),對工業(yè)用水部門可用萬元GDP用水定額推求,對農(nóng)業(yè)用水部門可采用灌溉定額和灌溉增產(chǎn)效益推求;gdpj為用水部門j的GDP貢獻(xiàn)占產(chǎn)值的比例系數(shù),可采用區(qū)域統(tǒng)計年鑒推求;xkij供水水源i向子區(qū)k用水部門j的供水量;αki為子區(qū)k供水水源i供水次序系數(shù)。(2)水公平性的確定社會效益主要考慮公平性,供水公平性可借用經(jīng)濟(jì)學(xué)中“基尼系數(shù)”的概念來度量。根據(jù)基尼系數(shù)的含義,可通過考察各區(qū)域各用水部門間供需水比值的差異反應(yīng)供水公平性,定義社會效益目標(biāo)為f2(X)=min{Κ∑k=1m∑j=1(Κ∑k′=km∑j′=1(|W(k,j)/D(k,j)-W(k′,j′)/D(k′,j′)|Κ?m?Μ))}(6)式中:W(k,j)為子區(qū)k用水部門j的供水量(萬m3);D(k,j)為子區(qū)k用水部門j的需水量(萬m3);K為子區(qū)總數(shù);m為用水部門總數(shù);k,k′分別表示子區(qū)k,k′;j,j′分別表示用水部門j,j′;M表示所有子區(qū)和用水部門的供水量與需水量比值之和。(3)dkjpkjkif3(X)=minΚ∑k=1J(k)∑j=10.01?dkjpkjΙ(k)∑i=1xkij(7)式中:dkj為k子區(qū)j用戶單位廢水排放量中生化需氧量(BOD)的含量,mg/L;pkj為k子區(qū)j用戶污水排放系數(shù)。3.2合同規(guī)定水資源配置過程需要受到供水約束、需水約束和變量非負(fù)三種約束條件。(1)供水限制J(k)∑j=1xkij≤Wki(8)式中:Wki為水源i分配給k子區(qū)的可供水量。(2)需要水的限制Dkjmin≤Ι(k)∑i=1xkij≤Dkjmax(9)式中:Dkjmin、Dkjmax分別表示k子區(qū)j用戶的最小、最大需水量。(3)變量的負(fù)束性能xkij≥0(10)(4)其他限制針對具體情況,可增加其它約束。如投資約束、水質(zhì)約束等。3.3環(huán)境效益風(fēng)險設(shè)隨機試驗次數(shù)為N,分別統(tǒng)計配置方案中社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益小于確定方案(不考慮風(fēng)險因子的隨機性,取確定的值)對應(yīng)效益的次數(shù):Ns,Neco,Nenv,計算Ns/N,Neco/N,Nenv/N,當(dāng)樣本容量N足夠大時,可以認(rèn)為配置的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益風(fēng)險分別為Ns/N,Neco/N,Nenv/N。具體配置風(fēng)險分析流程如圖1所示。4模擬結(jié)果及分析漢江是長江流域的最大支流,發(fā)源于秦嶺南麓,于武漢市龍王廟匯入長江干流,干流全長1577km。通常以丹江口以上江段為上游,丹江口至鐘祥碾盤山之間為中游,碾盤山以下為下游。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,漢江中下游地區(qū)需水量呈逐年遞增的趨勢,各分區(qū)各用水部門用水競爭激烈,南水北調(diào)中線調(diào)水95億m3后,使本來緊缺的水資源更加難以滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源的需求。通過水資源優(yōu)化配置,對實現(xiàn)漢江中下游的協(xié)調(diào)發(fā)展十分必要。但受自然條件、社會經(jīng)濟(jì)、工程技術(shù)、工程管理等多方面風(fēng)險因子的影響,任何一種優(yōu)化配置方案,能否獲得預(yù)期的效果都存在一定的風(fēng)險。本次研究主要考察2010年水平年丹江口水庫調(diào)水95億m3后漢江中下游水資源不同配置方案的風(fēng)險。為便于計算,結(jié)合漢江中下游地區(qū)的行政和水利區(qū)劃,將漢江中下游分解成15個子系統(tǒng)(圖2)。本次計算根據(jù)現(xiàn)狀年(1997)社會經(jīng)濟(jì)資料,通過對規(guī)劃水平年2010年多種可能的風(fēng)險進(jìn)行組合,推求水資源配置方案的風(fēng)險。通過查詢湖北省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展指標(biāo)預(yù)測專題報告,整理得出模擬過程中的主要風(fēng)險因子及其概率分布(為簡化計算,主觀概率無特別說明均采用三角分布)。地表水資源量采用P-Ⅲ型分布,地下水資源量開采較少,暫不考慮。其它隨機變量采用主觀概率分布,部分隨機變量相應(yīng)參數(shù)見表1。其他隨機變量如各子區(qū)當(dāng)?shù)氐乇韽搅鞴┧芰Αh江取水能力及各區(qū)各部門供水效益系數(shù)及排污系數(shù)等隨機變量分布參數(shù)因數(shù)據(jù)較多,限于篇幅,這里不一一列出。采用Monte-Carlo隨機模擬技術(shù),生成10000組風(fēng)險因素集,結(jié)合水資源優(yōu)化配置模型,計算不同風(fēng)險因素組合下的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益,計算結(jié)果如圖3～圖5所示。求得各單目標(biāo)效益值后,需求綜合效益的分布,為此,將各效益歸一化。對效益值越大越好的指標(biāo)(如經(jīng)濟(jì)效益),計算公式為:ri=(xi-min(X))/(max(X)-min(X)),對于效益值越小越好的指標(biāo)(如排污量,缺水量),計算公式為:ri=(max(X)-xi)/(max(X)-min(X)),其中,X為效益序列,xi為序列中的第i個值,ri為歸一化后的值,max(X)、min(X)分別為序列X的最大、最小值。綜合效益由標(biāo)準(zhǔn)化的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益加權(quán)和得到,根據(jù)以往經(jīng)驗,經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益權(quán)重分別定為:0.5,0.2,0.3,得到綜合效益的分布如圖6所示。在獲得各效益分布后,按前述配置風(fēng)險方法進(jìn)行配置風(fēng)險統(tǒng)計,計算不同工程規(guī)模(引江350個流量,不引江),不同來水頻率下的確定方案配置風(fēng)險,結(jié)果如表2所示。由表2可知,風(fēng)險值越大,說明受各種不確定因素綜合影響,達(dá)到該期望效益的可能性越小?？梢钥闯?不引江方案,隨著來水頻率的增加,配置的綜合風(fēng)險呈減小的趨勢,如果決策者對2010年按照95%來水頻率進(jìn)行配置,有99.9%(=1-0.001)的可能性滿足綜合效益要求,風(fēng)險較小;若選擇25%來水頻率方案進(jìn)行配置,則只有30.87%的可能性達(dá)到綜合效益值