多水源聯(lián)合供水條件下的南四湖流域水資源優(yōu)化配置模型

多水源聯(lián)合供水條件下的南四湖流域水資源優(yōu)化配置模型

南四湖流域水資源供需矛盾突出，是淮河流域水保護(hù)糾紛頻發(fā)地區(qū)。隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,南四湖流域供水區(qū)用水需求進(jìn)一步增加,加之入湖水量不斷減少,湖區(qū)水資源供求矛盾更加突出,致使近年來干涸現(xiàn)象頻發(fā)。水資源短缺及其水生態(tài)環(huán)境問題已嚴(yán)重制約了該流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展,解決這些制約因素的關(guān)鍵是合理有效地配置南四湖流域的水資源。基于地域區(qū)別和區(qū)域水資源實(shí)際情況,本文以山東省南四湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象,運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃理論構(gòu)建流域多水源供水條件下的水資源優(yōu)化配置模型,分析確定模型各參數(shù),然后調(diào)用Matlab軟件優(yōu)化工具箱進(jìn)行編程求解,模型求解結(jié)果對(duì)南四湖流域水資源可持續(xù)開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1流域基本結(jié)構(gòu)1.1魯西南黃泛流域地形地貌南四湖歸屬淮河流域北部的沂沭泗水系,流域面積為32503km2。流域地處魯南太沂山前沖積平原與魯西南黃泛平原的交界地帶、黃河與廢黃河之間,是一個(gè)以南四湖為中心,從四面八方向中央?yún)R流的輻射狀河網(wǎng),入各河流洪水均向湖內(nèi)集中。流域地形東部為山地、丘陵及山前平原;西部為黃泛平原,地勢(shì)西高東低,由于黃泛影響,地貌比較復(fù)雜。近年來,流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,是中國(guó)重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及能源基地。1.2降雨特點(diǎn)及降雨特點(diǎn)南四湖流域地處暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),具有大陸性特點(diǎn),四季分明,年平均氣溫為13.5℃,多年平均水面蒸發(fā)量為942mm,5~8月蒸發(fā)量占全年的61.65%,流域降雨具有時(shí)間、空間上分布不均的特點(diǎn),年均降雨量為691mm,汛期6~9月降雨量占全年降雨量的70%。1.3個(gè)縣市、區(qū)入湖河流南四湖流域東、西、北三面承接蘇、魯、豫、皖4省32個(gè)縣(市、區(qū))的來水,入湖河流53條。按淮河流域水資源綜合規(guī)劃,南四湖流域?yàn)?級(jí)水資源分區(qū),又可分為湖東和湖西兩區(qū),南四湖流域水系組成見圖1。1.4城市河流、河流水質(zhì)現(xiàn)狀(1)受水區(qū)水資源缺乏,屬資源型缺水地區(qū),城市供需水矛盾日益突出。(2)調(diào)蓄地表水水源工程供水量有限,流域主要由地下水水源工程供水。(3)城市河流多為排污河道,水環(huán)境污染嚴(yán)重。南四湖汛期有934km2的湖面是劣Ⅴ類水,非汛期有901km2的湖面是劣Ⅴ類水,入湖多數(shù)支流氨氮、BOD5、CODMn等指標(biāo)均超標(biāo)40倍以上。(4)農(nóng)村水利發(fā)展水平較低,中小型水利工程和塘壩蓄水保水能力差,灌溉供水保證率低。1.5年，規(guī)劃水平的年供應(yīng)平衡分析1.5.1供需水量供需水預(yù)測(cè)以2006年為現(xiàn)狀基準(zhǔn)年,2015年為規(guī)劃水平年。1.5.1.各需水需水預(yù)測(cè)生活需水考慮城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口數(shù)量及人均用水指標(biāo)等因素;工業(yè)需水與工業(yè)行業(yè)結(jié)構(gòu)、工藝水平等因素有關(guān);生態(tài)環(huán)境分別計(jì)算城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境兩部分需水;影響農(nóng)業(yè)灌溉需水的因素較多,本文考慮農(nóng)作物灌溉面積、灌溉定額及渠系水利用系數(shù)等因素,同時(shí)結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平,對(duì)各需水部門采用定額分析法預(yù)測(cè)。得出南四湖流域2015年50%、75%、95%保證率下的總需水量分別為81.33,87.82,92.67億m3。1.5.1.降水量預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)(1)地表水可供水量計(jì)算,以流域河系內(nèi)各類供水工程以及各用水戶所組成的供水系統(tǒng)為調(diào)算主體,進(jìn)行自上游到下游,先支流后干流逐級(jí)調(diào)算,加入南水北調(diào)東線工程分配給南四湖流域的水量,按50%、75%、95%3種不同保證率,計(jì)算出南四湖流域規(guī)劃水平年(2015年)的地表水工程可供水量。(2)地下水可供水量預(yù)測(cè),以補(bǔ)給量和可開采量為依據(jù),實(shí)際現(xiàn)狀開采量、地下水埋深的實(shí)際變化情況,估算出各水平年的多年平均地下水可開采量;再結(jié)合各水平年的地下水井群興建情況,得到相應(yīng)的地下水可供水量?？紤]到南水北調(diào)工程2013年通水后,可補(bǔ)充流域可供水資源量,同時(shí)限制并逐步減少地下水開采使用量。在規(guī)劃期內(nèi),可按現(xiàn)狀開采量控制30.86億m3/a。(3)將計(jì)算分區(qū)內(nèi)同一水平年、同一保證率的各項(xiàng)供水量相加,即得出各計(jì)算分區(qū)某一保證率下的總可供水量。經(jīng)分析,南四湖流域規(guī)劃水平年(2015年)50%、75%、95%保證率下的總可供水資源量分別為77.66,70.97,66.02億m3。1.5.2年2015年年需需水量水資源供需平衡是按照平衡單元進(jìn)行需水量與可供水量之間的對(duì)比,采用可供水量和需水量代表年同步這一典型組合,進(jìn)行南四湖流域規(guī)劃水平年(2015年)供需平衡分析。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。從表1中可知,按現(xiàn)狀地表水、地下水可供量計(jì)算出規(guī)劃水平年(2015年)在保證率50%、75%、95%時(shí),供需缺口分別為20.94,34.12,41.72億m3;若考慮2013年南水北調(diào)東線一期工程的開通,將給南四湖流域帶來17.28億m3的水量,則50%保證率下,流域供需水量達(dá)到基本平衡;但75%、95%保證率下,流域缺水仍然嚴(yán)重。因此,今后除了大力開源節(jié)流外,還要進(jìn)行水資源的優(yōu)化配置。2優(yōu)化水資源配置模型的建立2.1水質(zhì)、地下水概況南四湖流域供水水源有包括本地地表水、地下水、跨流域調(diào)水引黃河水和南水北調(diào)工程引長(zhǎng)江水。其中,引長(zhǎng)江水供給所有分區(qū),為全區(qū)公共水源;引黃河水分別供給濟(jì)寧及湖區(qū)和湖西菏澤區(qū),為兩分區(qū)公共水源;各分區(qū)的當(dāng)?shù)氐乇硭偷叵滤疄閱畏謪^(qū)水源。用水戶為用水單位的生活、生態(tài)環(huán)境、工業(yè)和農(nóng)業(yè)4個(gè)部門用水。2.2南四湖流域水資源優(yōu)化配置多目標(biāo)模型水資源優(yōu)化配置的目的是為了支撐全流域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的全面協(xié)調(diào)和持續(xù)發(fā)展。水資源利用是多目標(biāo)的,水資源優(yōu)化配置就是多目標(biāo)優(yōu)化問題,其目標(biāo)不是追求某一方面或?qū)ο蟮男б孀詈?而應(yīng)追求整體效益最好。故采用多目標(biāo)規(guī)劃模型對(duì)南四湖流域的水資源進(jìn)行合理配置。水資源優(yōu)化配置多目標(biāo)表達(dá)式:式中x是決策變量;fP(x)是p個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)函數(shù)向量;gi(x)為約束條件組;bi為右端常數(shù)項(xiàng)向量。對(duì)于南四湖流域來說,水資源配置的主要目的是著重研究如何聯(lián)合運(yùn)用多種水源(包括當(dāng)?shù)厮春屯庹{(diào)水源),以緩解水資源短缺而引起的用水競(jìng)爭(zhēng)問題,結(jié)合本流域“十一五”規(guī)劃要求,最終設(shè)定了以下2個(gè)目標(biāo)函數(shù)。2.2.1j系公共水源以區(qū)域供水帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益最大來表示。函數(shù)表達(dá)形式為式中xkij、xkcj分別為獨(dú)立水源i、公共水源c向k子區(qū)j用戶的供水量(萬m3);bkij、bkcj分別為獨(dú)立水源i、公共水源c向k子區(qū)j用戶供水的效益系數(shù)(元/m3);ckij、ckcj分別為獨(dú)立水源i、公共水源c向k子區(qū)j用戶供水的費(fèi)用系數(shù)(元/m3);αik、αck分別為k子區(qū)獨(dú)立水源i、公共水源c的供水次序系數(shù);λjk為第k子區(qū)的第j用戶的用水公平系數(shù);βk為第k子區(qū)的權(quán)重系數(shù)。2.2.2設(shè)計(jì)區(qū)域總?cè)彼孔钚黹g接反映社會(huì)效益由于社會(huì)效益不容易度量,而區(qū)域缺水量的大小或缺水程度會(huì)直接影響到社會(huì)的發(fā)展和穩(wěn)定,故采用區(qū)域供水系統(tǒng)總?cè)彼孔钚黹g接反映社會(huì)效益。函數(shù)表達(dá)形式為式中Djk為k子區(qū)j用戶的需水量(萬m3);xkij、xkcj分別為獨(dú)立水源i、公共水源c向k子區(qū)j用戶的供水量(萬m3)。2.3合同規(guī)定2.3.1總水量可供水量根據(jù)資源節(jié)約和有效利用的原則,不同水源供給計(jì)算分區(qū)各用水戶的總水量不應(yīng)多于其可供水量,如式(4)。式中Xkij、Xkcj分別為規(guī)劃水平年內(nèi)獨(dú)立水源i、公共水源c對(duì)k子區(qū)第j用戶的供水量;Wik、Wc分別為k子區(qū)獨(dú)立水源i及公共水源c的可供水量。2.3.2置計(jì)算時(shí)分區(qū)各用水戶的供水量各分區(qū)的輸水河道及泵站都有各自的輸水能力。因此,在水資源配置計(jì)算時(shí),供水水源對(duì)計(jì)算分區(qū)各用水戶的供水量不應(yīng)大于其最大輸水能力,如式(5)。式中Qmax,ik、Qmax,ck分別為規(guī)劃水平年內(nèi)獨(dú)立水源i及公共水源c對(duì)第k水資源分區(qū)輸水能力。2.3.3部門總費(fèi)用各水源提供給各分區(qū)各用水戶的水量不低于該部門的最低用水量,如式(6)。2.3.4提供水的水量各個(gè)分區(qū)的任何用水戶的用水量不為負(fù)數(shù),所能提供的水量能滿足每個(gè)用水戶的需要,如式(7)。式中Xkij,Xkcj分別表示獨(dú)立水源i、公共水源c向k子區(qū)第j用戶供水量。2.4南四湖流域水資源分區(qū)將上述目標(biāo)函數(shù)及各種約束條件組合在一起,即構(gòu)成南四湖流域水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型。模型以滿足流域供水經(jīng)濟(jì)效益最大及水資源系統(tǒng)總?cè)彼孔钚槟繕?biāo),并在流域劃分水資源計(jì)算分區(qū)中,考慮各用水戶及各供水水源之間的相互協(xié)調(diào)作用,使得相應(yīng)的水資源分配最優(yōu)。在水資源優(yōu)化配置模型中,以k個(gè)計(jì)算分區(qū)內(nèi)i水源提供給j用水戶的供水量Xkij作為決策變量。經(jīng)分析,南四湖流域計(jì)算分區(qū)數(shù)k=4;其中,各分區(qū)獨(dú)立水源數(shù)i=2,公共水源數(shù)c=1或2,用水部門數(shù)j=4,可得,南四湖流域水資源優(yōu)化配置模型擁有56個(gè)決策變量,44個(gè)約束條件。2.4.1南四湖流域njk及nkm前3個(gè)月的用水順序確定用水優(yōu)先權(quán)是模型分析計(jì)算的前提。根據(jù)流域用水部門的性質(zhì)和重要程度,按照“先生活,后生產(chǎn)”的原則,將南四湖流域各用水部門劃分為4個(gè)等級(jí):第1級(jí)為生活用水,第2級(jí)為生態(tài)環(huán)境用水,第3級(jí)為工業(yè)用水,第4級(jí)為農(nóng)業(yè)用水。將各用水部門用水的優(yōu)先程度轉(zhuǎn)化為區(qū)間上的系數(shù)λjk,利用式(8)確定式中njk為第k水資源區(qū)第j用水部門的用水次序序號(hào);nkmax為第k水資源區(qū)用水次序序號(hào)最大值,對(duì)南四湖流域而言,nkmax=4。經(jīng)計(jì)算,各用水戶的用水公平系數(shù)λjk分別為生活用水0.4,生態(tài)用水0.3,工業(yè)用水0.2,農(nóng)業(yè)用水0.1。2.4.2水源供水順序?qū)τ诋?dāng)?shù)厮?根據(jù)各水源調(diào)節(jié)能力,將當(dāng)?shù)厮Y源的供水次序劃分成不同的優(yōu)先級(jí),具有較低調(diào)節(jié)能力的水源先供水,具有較高調(diào)節(jié)能力的水源后供水。供水次序?yàn)?地表水工程供水,地下水工程供水;對(duì)于外調(diào)水,根據(jù)外調(diào)水的成本和實(shí)際情況,通常作為當(dāng)?shù)厮Y源的補(bǔ)充水源,確定供水次序?yàn)橄赛S河水供水,然后長(zhǎng)江水供水。由此,確定南四湖流域各水源總的供水次序?yàn)?地表水、地下水、引黃河水、引長(zhǎng)江水。對(duì)于濟(jì)寧及湖區(qū)、湖西菏澤區(qū)兩水資源計(jì)算分區(qū),經(jīng)計(jì)算后,地表水、地下水、引黃河水和引長(zhǎng)江水的供水次序系數(shù)αik分別為0.4,0.3,0.2,0.1。對(duì)于湖東棗莊區(qū)和湖西徐州區(qū)兩水資源計(jì)算分區(qū),經(jīng)計(jì)算后,地表水、地下水和引長(zhǎng)江水的供水次序系數(shù)αik分別為0.5,0.33,0.17。2.4.3種水期效益系數(shù)(1)效益系數(shù)。工業(yè)用水的效益系數(shù),取用水定額(工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量,單位:m3/萬元)的倒數(shù);農(nóng)業(yè)灌溉用水效益系數(shù)按灌溉后的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益乘以水利分?jǐn)傁禂?shù);生活和生態(tài)用水效益系數(shù)一般難以定量化,為保證其得到滿足,其效益系數(shù)賦予較大值。(2)費(fèi)用系數(shù)。不同水源供水給各用水部門的費(fèi)用系數(shù),參考其水費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)確定。對(duì)于有資料的水源工程,根據(jù)資料計(jì)算確定;缺乏資料時(shí),參考鄰近地區(qū)同類水源工程選取。由于生態(tài)環(huán)境與居民的生活息息相關(guān),費(fèi)用系數(shù)等于生活用水的費(fèi)用系數(shù)。確定其效益系數(shù)和費(fèi)用系數(shù),如表2、3所示。2.4.4需水總量調(diào)查(1)生活需水量上下限。生活用水為社會(huì)經(jīng)濟(jì)基本用水,為保障性用水,其上下限均取其需水量。(2)生態(tài)環(huán)境需水量上下限。由于南四湖流域水生態(tài)環(huán)境惡化,急需修復(fù)改善,故上下限也均取為其需水量。(3)工業(yè)需水量上下限。下限取其需水量的0.8倍。(4)農(nóng)業(yè)需水量上下限。農(nóng)業(yè)用水上限為有效灌溉面積與綜合灌溉定額的乘積;下限為保證灌溉面積和綜合灌溉定額的乘積。據(jù)以上原則,各分區(qū)不同用水部門需水量上下限,如表4所示。2.4.5目標(biāo)的排序權(quán)重利用層次分析法確定權(quán)重系數(shù)βk和λp。經(jīng)分析計(jì)算后,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益兩個(gè)子目標(biāo)的排序權(quán)重系數(shù)λp分別為0.1667、0.8333。4個(gè)水資源計(jì)算分區(qū)(濟(jì)寧及湖區(qū)、湖東棗莊區(qū)、湖西菏澤區(qū)及湖西徐州區(qū))的權(quán)重系數(shù)βk分別擬定為β1=0.1299,β2=0.5567,β3=0.2556,β4=0.0577。3模型的求解和結(jié)果分析3.1水資源優(yōu)化配置的多目標(biāo)模型以2015年為規(guī)劃水平年,將前述分析計(jì)算的各相關(guān)參數(shù)代入模型中,利用Matlab優(yōu)化工具箱中的fgoalattain函數(shù)進(jìn)行編程,求解水資源優(yōu)化配置多目標(biāo)規(guī)劃模型。3.2種效益分析法計(jì)算南四湖流域水資源優(yōu)化配置模型以經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的綜合效益最大為目標(biāo),并用供水凈效益最大和總?cè)彼孔钚肀硎?。得出南四湖流?015年不同保證率下優(yōu)化配置結(jié)果,如表5~7。3.3分區(qū)水壓分析由上述配置結(jié)果可知南四湖流域規(guī)劃水平年(2015年)50%保證率下的供水基本能滿足需求,從75%保證率下即開始較大范圍缺水。75%和95%保證率下,各分區(qū)缺水率大部分都在20%以上。首先是濟(jì)寧及湖區(qū)、湖東棗莊區(qū)兩個(gè)計(jì)算分區(qū)缺水量最大;其次是農(nóng)業(yè)部門、工業(yè)部門缺水嚴(yán)重;最后是75%、95%保證率下的環(huán)境部門缺水量較多,只有生活用水基本得到滿足。本文提出的南四湖流域水資源優(yōu)化配置結(jié)果。若資料信息等條件變化是可適當(dāng)修改的。該模型及其求解方法具有一定的適用性和可操作性。4南四湖流域水資源分配的對(duì)策建議通過分析南四湖流域基本概況,概化了流域水資源系統(tǒng)。運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃理論建立了一個(gè)考慮當(dāng)?shù)厮ⅫS河水、長(zhǎng)江水等多水源聯(lián)合供水條件下,以經(jīng)濟(jì)和社會(huì)綜合效益最大為目標(biāo)的南四湖流域水資源優(yōu)化配置模型。確定了模型的各類參數(shù),并調(diào)用Matlab軟件優(yōu)化工具箱進(jìn)行編程求解,得到了2015年不同保證率下的水資源合理配置方案,證明了模型的合理性以及模型求解方法的可行性,為流域水資源規(guī)劃與管理提供了依據(jù)。流域水資源分配不僅是一個(gè)技術(shù)問題,而且是社會(huì)問題。南四湖流域水資源分配必須通過不同利益相關(guān)者之間的溝通協(xié)調(diào),來達(dá)成一致的分水決策。通過分析研究