南水北調(diào)東線受水區(qū)水資源優(yōu)化配置模型研究

南水北調(diào)東線受水區(qū)水資源優(yōu)化配置模型研究

1972年聯(lián)合國人類環(huán)境委員會指出，“石油危機(jī)之后的下一個危機(jī)是水?！?。水資源危機(jī),作為一個超越政治和國界的問題,已在全世界敲起了警鐘。如何對有限的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置,已成為國內(nèi)外學(xué)者日益重視的課題。以水資源系統(tǒng)分析為手段、水資源合理配置為目的的各類研究工作,始于20世紀(jì)40年代Masse提出的水庫優(yōu)化調(diào)度問題。50年代以后,隨著系統(tǒng)分析理論和優(yōu)化技術(shù)的引入,以及60年代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,水資源系統(tǒng)模擬模型技術(shù)得以迅速研究應(yīng)用。進(jìn)入80年代后期,隨著水資源研究中新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和水資源量與質(zhì)統(tǒng)一管理理論研究的不斷深入,水資源量與質(zhì)統(tǒng)一管理方法的研究也有了較大發(fā)展。尤其是決策支持技術(shù)、模擬優(yōu)化技術(shù)和資源價值定量方法等的應(yīng)用,使得水資源量與質(zhì)量管理方法的研究產(chǎn)生了更大的活力。90年代以來新的優(yōu)化算法,如遺傳算法(GA)、模擬退火(SA)等,在水資源優(yōu)化的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。在國內(nèi),水資源優(yōu)化配置研究是隨著系統(tǒng)工程理論的發(fā)展、應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對水資源的需求特點(diǎn)變化而展開的。尤其是自80年代初,水資源優(yōu)化配置問題在我國學(xué)術(shù)界已引起足夠重視,我國開展了水資源科學(xué)分配方面的研究和應(yīng)用工作。特別是在水資源優(yōu)化配置的基本概念、優(yōu)化目標(biāo)、基本平衡關(guān)系、需求管理、供水管理、水質(zhì)管理、經(jīng)濟(jì)機(jī)制、決策機(jī)制幾個主要模型的數(shù)學(xué)描述等方面,均有新的研究成果,經(jīng)廣泛應(yīng)用取得了較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。南水北調(diào)東線工程是我國南水北調(diào)總體布局中的重要組成部分,如何對其水資源系統(tǒng)進(jìn)行合理運(yùn)行、科學(xué)調(diào)度和有效管理,保證工程實(shí)現(xiàn)其規(guī)劃目標(biāo)、獲得最大綜合效益,是一個非常有意義的課題。1農(nóng)業(yè)水源補(bǔ)充城市供熱南水北調(diào)東線受水區(qū)分布有淮河、海河、黃河流域25座地市級以上城市。包括天津、濟(jì)南、青島、徐州等特大和大城市及滄州、衡水、聊城、德州、濱州、煙臺、威海、淄博、濰坊、東營、棗莊、濟(jì)寧、菏澤、泰安、揚(yáng)州、淮安、宿遷、連云港、蚌埠、淮北、宿州等大中城市,縣級市及縣城108個。這些城市都存在不同程度的缺水,多數(shù)以開采深層地下水和擠占農(nóng)業(yè)水源補(bǔ)充城市供水。南水北調(diào)東線工程的基本任務(wù)是從長江下游取水,主要為天津市、黃淮海平原東部和山東半島補(bǔ)充水源,與引黃工程和南水北調(diào)中線工程一起共同解決華北地區(qū)水資源短缺問題,實(shí)現(xiàn)這一地區(qū)水資源的合理配置。南水北調(diào)東線工程是我國南水北調(diào)總體布局中的重要組成部分,規(guī)劃從江蘇省揚(yáng)州附近長江千流引水,利用京杭大運(yùn)河及其平行河道輸水逐級提水北送。連通洪澤湖、洛馬湖、南四湖和東平湖,在位山附近通過倒虹隧洞穿過黃河,利用衛(wèi)運(yùn)河、南運(yùn)河等河道自流到天津,新建、擴(kuò)建千傾洼、大屯、大浪淀、北大港等四處調(diào)蓄水庫。從長江到天津北大港水庫輸水主干線全長1156km,其中黃河以南646km,穿黃段17km,黃河以北493km;為解決山東半島嚴(yán)重缺水的狀況,向濟(jì)南、青島、煙臺、威海等城市供水,輸水線路總長701km。工程實(shí)施后可基本解決天津市、河北省黑龍港運(yùn)東地區(qū)、山東魯北、魯西南和膠東部分城市的水資源緊缺問題,并具備向北京供水的條件。促進(jìn)環(huán)渤海地帶和黃淮海平原東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展,改善因缺水而惡化的環(huán)境;為京杭運(yùn)河濟(jì)寧至徐州段的全年通航保證了水源;使魯西和蘇北兩個商品糧基地得到鞏固和發(fā)展。2為輸入線路的線路設(shè)計2.1水系區(qū)域的劃分設(shè)研究區(qū)域可分為K個子區(qū),某子區(qū)用k表示。南水北調(diào)東線工程的供水范圍大致分為3片:①黃河以南:江蘇省里下河地區(qū)以外的蘇北地區(qū)和里運(yùn)河?xùn)|西兩側(cè)地區(qū),安徽省蚌埠市、淮北是以及沿淮、沿新汁河、沿高郵湖地區(qū)和山東省南四湖、東平湖地區(qū);②山東半島;③黃河以北:淀東清南天津平原,河北省黑龍港東部平原,運(yùn)東平原和山東省徒駭河平原(簡稱黃河以南、山東半島和黃河以北)。因此,南水北調(diào)東線受水區(qū)劃分為3個子區(qū),即k=1,2,3。區(qū)域的供水水源根據(jù)其供水的空間范圍可劃分為共用水源和專用水源。共用水源指能同時向區(qū)域內(nèi)兩個以上子區(qū)的需水部門供水的水源,一般包括大型的蓄、引水工程;跨流域(區(qū)域)調(diào)水工程等;專用水源指僅能為區(qū)域內(nèi)一個子區(qū)的需水部門供水的水源,一般包括子區(qū)內(nèi)的蓄、引、提水工程;地下水;污水再利用等。設(shè)研究區(qū)域內(nèi)有c(c=1,2,…,M)個共用供水水源,第k子區(qū)有i(i=1,2,…,I(k))個專用水源。區(qū)域的用水一般可分為工業(yè)生產(chǎn)用水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)環(huán)境用水幾大類,根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H,每一類也可分為若干具體的用水部門。設(shè)第k子區(qū)有j(j=1,2,…,J(k))個用水部門。受水區(qū)供水水源有南水北調(diào)工程調(diào)水、地下水資源與當(dāng)?shù)氐乇韽搅??？梢悦黠@地看出,南水北調(diào)工程水資源為子區(qū)的公用水源,地下水為各子區(qū)的獨(dú)立水源。當(dāng)?shù)氐乇韽搅鞅M管也可以跨區(qū)使用,但受資料限制和為了計算方便,這里也按獨(dú)立水源對待,即M=1,I(k)=2。在每個子區(qū)中,根據(jù)用水部門的行業(yè)性質(zhì),將用水部門分為五大類:生活用水、環(huán)境用水、航運(yùn)用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水,即J(k)=5。2.2社會效益目標(biāo)目標(biāo)1(經(jīng)濟(jì)效益):選用國內(nèi)生產(chǎn)總值最大作為主要經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo),同時這個指標(biāo)也部分反映了社會方面的效果。即全區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP最大,用f1(X)表達(dá):f1(X)=maxΚ∑k=1∑j∈GDΡ(j)fgdpkj(xkj)(1)f1(X)=max∑k=1K∑j∈GDP(j)fgdpkj(xkj)(1)水資源規(guī)劃與管理中常采用GDP和用水量之間的線性關(guān)系表示,即:f1(X)=maxΚ∑k=1[Ι(k)∑i=1∑j∈GDΡ(j)(Bkj?xkij?GDΡCj)+Μ∑c=1∑j∈GDΡ(j)(Bkj?xkcj?GDΡCj)](2)f1(X)=max∑k=1K??∑i=1I(k)∑j∈GDP(j)(Bkj?xkij?GDPCj)+∑c=1M∑j∈GDP(j)(Bkj?xkcj?GDPCj)??(2)式中:fgdpkjkj(xkjkj)為j部門GDP與用水量的關(guān)系函數(shù);GDP(j)為對GDP有貢獻(xiàn)的用水部門集合;xkjkj為系統(tǒng)分配給k子區(qū)j部門的總用水量;Bkjkj為k子區(qū)j部門單位水量產(chǎn)值系數(shù)。對工業(yè)用水部門可用萬元產(chǎn)值用水定額推求;對農(nóng)業(yè)用水部門可用灌溉定額和灌溉增產(chǎn)效益推求;xkij為i獨(dú)立水源分配給k子區(qū)j用水部門的水量;xkcj為i公共水源分配給k子區(qū)j用水部門的水量;GDPCj為j部門GDP占產(chǎn)值的比例系數(shù)?？捎脜^(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計資料推求。目標(biāo)2(社會效益):以區(qū)域總?cè)彼孔钚肀硎緈inf2(X)=Κ∑k=1J(Κ)∑j=1[Dkj-(Ι(Κ)∑i=1xkij+Μ∑c=1xkcj)](3)式中:Dkj為k子區(qū)j用戶需水量(×104m3)。鑒于社會效益目標(biāo)更不易度量,而區(qū)域缺水量的大小或缺水程度影響到社會發(fā)展與安定,因此,以區(qū)域總?cè)彼孔钚∽鳛樯鐣б婺繕?biāo)的間接度量。目標(biāo)3(環(huán)境效益):區(qū)域重要污染物排放量最小minf3(X)=Κ∑k=1J(Κ)∑j=1dkjpkj(Ι(Κ)∑i=1xkij+Μ∑c=1xkcj)(4)式中:dkj為k子區(qū)j用戶單位廢水排放量中重要污染因子的含量(mg/l),一般可用化學(xué)需氧量COD等水質(zhì)指標(biāo)來表示;pkj為k子區(qū)j用戶污水排放系數(shù)。2.3模型的限制(1)獨(dú)立水源q公共水源Κ∑k=1J(Κ)∑j=1xkcj≤Wc(5)獨(dú)立水源J(Κ)∑j=1xkij≤Wki(6)式中:Wc為公共水源c的可供水量(×104m3);Wki為k子區(qū)獨(dú)立水源i的可供水量(×104m3);(2)qkcm優(yōu)勢法公共水源xkcj≤Qkcmax(7)獨(dú)立水源xkij≤Qkimax(8)式中:Qkcmax為公共水源c至k子區(qū)的最大輸水能力(×104m3);Qkimax為k子區(qū)i水源至k子區(qū)j用戶的最大輸水能力(×104m3)(3)引領(lǐng)機(jī)下的最小需水量Ukjmin≤Ι(k)∑i=1xkij+Μ∑c=1xkcj≤Ukjmax(9)式中:Ukjmin為k子區(qū)j用戶的最小需水量(×104m3);Ukjmax為k子區(qū)j用戶的最大需水量(×104m3)(4)協(xié)調(diào)度1μ=√μB1(σ1)?μB2(σ2)≥μ*(10)式中:μ、μ*分別為區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)及其最低值;μB1(σ1),μB2(σ2)分別表示水資源利用與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境質(zhì)量改善的協(xié)調(diào)度。區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展包括水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境改善兩方面,分別用供需水量比值、人均GDP增長與污染物排放量增長的比值來反映,并假定區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)最低值為0.8。(5)變量的負(fù)限制xkij、xkcj≥0(11)2.4水源供水量及需水量(1)子區(qū)水源供水次序系數(shù)(αki)、用戶用水公平系數(shù)(βkj)。αki是指k子區(qū)i水源相對其它水源供水的優(yōu)先程度,與水源供水次序有關(guān)。αki的數(shù)值可參照下式確定:αki=1+nkmax-nkiΙ(k)+Μ∑i=1[1+nkmax-nki](12)式中:nki為k子區(qū)i水源供水次序序號;nkmax為k子區(qū)水源供水次序序號最大值。用戶用水公平系數(shù)βkj是指k子區(qū)j用戶相對其它用戶優(yōu)先得到供給的重要性程度。βkj與用戶優(yōu)先得到供給的次序有關(guān),其計算與αki的計算相仿。βkj=1+nkmax-nkjJ(k)∑j=1[1+nkmax-nkj](13)式中:nki為k子區(qū)j部門用水次序序號;nkmax為k子區(qū)部門用水次序序號最大值。依照公平性原則,在經(jīng)濟(jì)目標(biāo)中考慮用戶公平系數(shù)βkj,反映某用戶相對于其他用戶優(yōu)先得到供水的重要性程度。按照“先生活、后生產(chǎn)”的原則和可持續(xù)發(fā)展原則,水源分配要在優(yōu)先滿足人民生活飲用水的前提下,保持水資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,統(tǒng)籌安排工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和其他用水。由此擬定各用戶得到供水的次序先后為:生活用水、環(huán)境用水、航運(yùn)用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水。參照公式(12),計算得到各用戶的公平系數(shù)分別為:0.33、0.27、0.20、0.13、0.07。各子區(qū)水源供水次序系數(shù)采用類似方法確定。各子區(qū)供水水源有當(dāng)?shù)氐乇硭?、?dāng)?shù)氐叵滤湍纤闭{(diào)工程調(diào)水,目前南水北調(diào)工程受水區(qū)的地下水嚴(yán)重超采,必須嚴(yán)格控制地下水的利用數(shù)量。以南水北調(diào)工程的調(diào)水代替目前地下水超采量,涵養(yǎng)地下水源,一部分地下水可作為年內(nèi)季節(jié)性調(diào)節(jié)或年際豐枯調(diào)節(jié)的水源,大部分地下水應(yīng)作為戰(zhàn)略性儲備水源,以備持續(xù)特殊枯水年應(yīng)急之用。因此本文擬定的用水順序是各子區(qū)當(dāng)?shù)氐乇硭?、南水北調(diào)工程調(diào)水和當(dāng)?shù)氐叵滤?。參照公?12)計算可以得到各水源的供水次序系數(shù)為0.5、0.3、017。(2)需水量及其上下限。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,南水北調(diào)東線工程受水區(qū)2010水平年總需水量為518.39×108m3,其中黃河以南為228.70×108m3,黃河以北為149.77×108m3,山東半島139.92×108m3;2030水平年需水量為567.81×108m3,其中黃河以南為251.09×108m3,黃河以北為159.48×108m3,山東半島157.24×108m3,各省需水詳細(xì)狀況見表1。(3)各水源可供水量。預(yù)計南水北調(diào)東線工程受水區(qū)2010水平年總供水量為407.61×108m3,其中黃河以南為188.42×108m3,黃河以北為104.62×108m3,山東半島114.57×108m3;2030水平年供水量為438.19×108m3,其中黃河以南為202.59×108m3,黃河以北為109.08×108m3,山東半島126.52×108m3,表中“外調(diào)水”不包括南水北調(diào)工程供水,各區(qū)域需水詳細(xì)狀況見表2。東線工程主要利用河道輸水,并采取逐級建設(shè)泵站提水北送,在輸水渠道和輸水動力兩方面都相對比較機(jī)動。因此,東線工程合理調(diào)水規(guī)模可以依據(jù)受水區(qū)不同時段的用水需求在一定幅度內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)整。根據(jù)東線工程的實(shí)際具體特性,推薦南水北調(diào)東線工程調(diào)水規(guī)模2010年為66×108～75×108m3,2030年為96×108～105×108m3。本文為計算簡便,選擇南水北調(diào)東線工程調(diào)水規(guī)模2010年為70×108m3,2030年為100×108m3。將上述3個目標(biāo)和各種約束條件組合在一起,即構(gòu)成區(qū)域水資源優(yōu)化配置的大系統(tǒng)多目標(biāo)總體模型,如下所示:F(X)=opt{f1(X),f2(X),f3(X)}={f1(X)=maxΚ∑k=1∑j∈GDΡ(j)fgdpkj(xkj)f1′(X)=min[Κ∑k=1Ι(k)∑i=1J(k)∑j=1dkijxkij+Κ∑k=1Μ∑c=1J(k)∑j=1dkcjxkcj+JS∑js=1gjs+WS∑ws=1gws]f2(X)=minΚ∑k=1J(k)∑j=1[Dkj-(Ι(k)∑i=1xkij+Μ∑c=1xkcj)]f3(X)=minΚ∑k=1J(k)∑j=1dkjpkj(Ι(k)∑i=1xkij+Μ∑c=1xkcj)(14){Κ∑k=1J(Κ)∑j=1xkcj≤WcJ(Κ)∑j=1xkij≤Wkixkcj≤Qkcmaxxkij≤QkimaxUkjmin≤Ι(k)∑i=1xkij+Μ∑c=1xkcj≤Ukjmaxμ=√μB1(σ1)?μB2(σ2)≥μ*xkij,xkcj≥0αki=1+nkmax-nkiΙ(k)+Μ∑i=1[1+nkmax-nki]βkj=1+nkmax-nkjJ(k)∑j=1[1+nkmax-nkj](15)式中:c=1,2,…,M;k=1,2,3;i=1,2,…,I(k);j=1,2,…,J(k)。3農(nóng)業(yè)用水的水資源根據(jù)上述水資源優(yōu)化配置模型,使用C++語言編制基于遺傳算法的模型求解程序。輸入已知數(shù)據(jù)及各項(xiàng)參數(shù),運(yùn)行程序,可得出研究區(qū)兩個規(guī)劃水平年(2010年、2030年)情況下的水資源優(yōu)化配置方案(表3,表4)。對該成果進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:(1)2010年南水北調(diào)工程東線受水區(qū)需水量為518.39×108m3,缺水量為40.78×108m3,缺水率(缺水量/需水量)為10.87%,只有農(nóng)業(yè)用水有不同程度的缺水。其中,黃河以南、山東半島、黃河以北3個子區(qū)缺水量分別為15.28×108m3,9.35×108m3,16.15×108m3,缺水率分別為6.68%,6.68%和10.78%。2030年與2010年相比,南水北調(diào)工程東線受水區(qū)需水量為567.81×108m3,缺水量為29.89×108m3,缺水量減少了10.89×108m3,缺水率為5.26%,同樣只有農(nóng)業(yè)用水有不同程度的缺水。其中,黃河以南、山東半島、黃河以北3個子區(qū)缺水量分別為11.77×108m3,6.72×108m3,11.4×108m3缺水率分別為4.69%,4.27%和7.15%。(2)對全區(qū)各用水部門而言,生活、環(huán)境、航運(yùn)、工業(yè)用水都可以滿足,只有農(nóng)業(yè)用水出現(xiàn)短缺。2010年,黃河以南、山東半島、黃河以北3個子區(qū)農(nóng)業(yè)用水缺水率分別為10.81%,10.74%和14.88%;到2030年,3個子區(qū)農(nóng)業(yè)用水缺水率分別為8.90%,7.90%和10.88%,這也是模型中設(shè)置用戶公平系數(shù)的一種體現(xiàn)。(3)所建立的南水北調(diào)工程東線受水區(qū)水資源優(yōu)化配置模型,是多目標(biāo)優(yōu)化問題,配置成果是經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境3個目標(biāo)之間的均衡解,體現(xiàn)了協(xié)同發(fā)展原則,因此它與常規(guī)的僅以缺水量最小為目標(biāo)的供需水平衡分析是有區(qū)別的。所求得的3個目標(biāo)值,是南水北調(diào)工程東線受水區(qū)水資源優(yōu)化配置效益的反映:供水經(jīng)濟(jì)效益反映了優(yōu)化配置后水資源對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn);缺水量關(guān)反映了優(yōu)化配置后,該區(qū)域的供需水平衡情況;COD排放量與各用水部門的污水排放系數(shù)和污染物濃度有關(guān),反映了該區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量和水污染治理效果。(4)根據(jù)南水北調(diào)工程東線受水區(qū)社會經(jīng)濟(jì)預(yù)測,μB1(σ1)在優(yōu)化配置模型中,求得區(qū)域的協(xié)調(diào)情況為:水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)度μB1(σ1)=0.921;經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)度μB2(σ2)=0.739;整個區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù),μ=0.825?？梢?南水北調(diào)工程東線受水區(qū)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度較好,而經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的協(xié)調(diào)較差,整個區(qū)域資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)性一般。(5)本文對南水北調(diào)工程東線受水區(qū)水資源優(yōu)化配置建立了模型,由于資料條件的限制,僅利用南水北調(diào)工程東線受水區(qū)2010年和2030年的需水量預(yù)測資料,以及各水源供水能力對模型進(jìn)行了驗(yàn)證,從而給出該年的優(yōu)化配置方案。當(dāng)資料、信息條件以及模型參數(shù)改變時,仍可運(yùn)行己編制的計算機(jī)程序,進(jìn)行模型求解。因此,所建模型和設(shè)計的求解算法具有一定的適用性和可操作性。4高效節(jié)水灌溉技術(shù)本文運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃模型對南水北調(diào)工程東線受水區(qū)水資源優(yōu)化配置進(jìn)行了系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)南水北調(diào)東線工程建成后,2010年和2030年東線受水區(qū)仍有不同程度的缺水,但是缺水部門都集中在農(nóng)業(yè)用水上。而且,南水北調(diào)工程東線受水區(qū)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度較好,而經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的協(xié)調(diào)較差,整個區(qū)域資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)性一般?？梢娔纤闭{(diào)工程并不能完全解決受水區(qū)水資源短缺問題,水資源的供需矛盾在將來仍然存在。面對這一現(xiàn)實(shí),從長遠(yuǎn)和本質(zhì)上解決東線受水區(qū)的水資源問題,我們應(yīng)從以下幾方面入手:(1)倡導(dǎo)現(xiàn)代地面灌溉技術(shù)模式。我國現(xiàn)有灌溉面積0.53×108hm2,其中地面灌溉占95%以上。由于農(nóng)田