水資源優(yōu)化配置模型研究

水資源優(yōu)化配置模型研究

我國對水資源系統(tǒng)的優(yōu)化配置和管理方式的研究文獻(xiàn)很多。但是,目前水資源分配往往側(cè)重于宏觀層次,最細(xì)致的也只到城市工業(yè)行業(yè),而事實(shí)上水資源管理的直接對象是企業(yè),不是行業(yè)或部門。因此,真正有效地實(shí)現(xiàn)市級水資源優(yōu)化調(diào)度管理,就必須對水資源在區(qū)域、部門、行業(yè)最后到企業(yè)的全程進(jìn)行配置,最后落實(shí)到企業(yè)的計(jì)劃用水。本文重點(diǎn)將在這方面進(jìn)行探索和研究。山東省是嚴(yán)重資源性缺水地區(qū),水資源時(shí)空分布不均、豐枯交替變化頻繁,而且往往出現(xiàn)連續(xù)豐水期或連續(xù)枯水期。據(jù)長系列統(tǒng)計(jì)分析表明,山東省連豐連枯2年或3年出現(xiàn)的次數(shù)最多,連豐、連枯6年到7年也曾有發(fā)生。尤其是20世紀(jì)80年代以來旱災(zāi)更加嚴(yán)重,該省各大城市均不同程度地遭遇到干旱缺水。其中,1981～1983年、1985～1989年、1999～2002年則連續(xù)出現(xiàn)干旱缺水,給城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響,也致使工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受巨大損失。為了最大程度地降低枯水年特別是連續(xù)枯水年對城市供水的影響,縣市級水資源管理部門未雨綢繆,做好預(yù)防工作,考慮好應(yīng)急措施,積極開辟應(yīng)急水源,針對最不利情況,制定水資源預(yù)分配方案。當(dāng)出現(xiàn)特枯年或連續(xù)枯水年,如何在區(qū)域內(nèi)、部門和企業(yè)間重新分配有限的水資源和核減水量,如何估算不同預(yù)案對工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,這些問題一直是水資源實(shí)際管理中迫切需要解決的任務(wù)。因此,建立缺水地區(qū)枯水期水資源預(yù)分配管理模型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用優(yōu)化和模擬技術(shù),建立了適用于多水源、多工程、多用戶等復(fù)雜條件下,具有可操作性的水資源預(yù)分配管理模型。如果遇到特枯年或連續(xù)枯水年,在已知上一年度末水利工程蓄水狀況條件下,以月為單位,根據(jù)水資源系統(tǒng)損失水量和缺水量最少的原則進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,制定出水資源預(yù)分配方案。首先對不同區(qū)域合理分配水資源,然后確定各區(qū)域內(nèi)工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)分配水量,進(jìn)一步確定工業(yè)各行業(yè)的分配量,最后確定各企業(yè)的分配量。工業(yè)方面,水資源按行業(yè)或企業(yè)節(jié)水水平高低,即用各企業(yè)實(shí)際萬元產(chǎn)值取水量或萬元GDP取水量與先進(jìn)指標(biāo)比較得出的相對差值以及在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性大小來進(jìn)行重新分配,同時(shí)估算出缺水造成的工業(yè)產(chǎn)值損失值。對主要農(nóng)作物,在不同生育階段,不同缺水量條件下的產(chǎn)量進(jìn)行估算分析。模型分為6個(gè)模塊,即主模塊、階段模擬模塊(特枯年和連續(xù)枯水年)、長系列模擬模塊、城區(qū)分配模塊、糧食產(chǎn)量預(yù)估模塊和結(jié)果輸出模塊。其中主模塊包括基本信息、基本數(shù)據(jù)庫、計(jì)算部分、城區(qū)分配、結(jié)果分析;階段模擬模塊通過選擇不同的降雨年型或預(yù)定的降雨系列及天然地表入流和計(jì)算時(shí)段,預(yù)測出農(nóng)業(yè)灌溉用水的逐月變動(dòng)需水量,然后調(diào)用階段模擬計(jì)算模塊,對整個(gè)水資源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,計(jì)算出各分區(qū)工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)逐月分配水量;長系列模擬計(jì)算模塊運(yùn)用長系列水文資料,對整個(gè)水資源系統(tǒng)現(xiàn)狀和規(guī)劃水平年的供需平衡進(jìn)行長系列模擬計(jì)算和綜合評價(jià);結(jié)果輸出模塊對各種計(jì)算結(jié)果利用表格、模擬過程線、柱狀圖、餅狀圖等形式顯示和輸出。而城區(qū)分配模塊是解決城市工業(yè)行業(yè)和企業(yè)用水分配,糧食產(chǎn)量預(yù)估模塊是對不同缺水狀況下對糧食產(chǎn)量的影響評價(jià),城區(qū)分配模塊和糧食產(chǎn)量預(yù)估模塊是本文介紹的重點(diǎn)內(nèi)容。1水源棄水量計(jì)算模型選擇整個(gè)城市水資源系統(tǒng)損失水量和缺水量最小為目標(biāo)函數(shù)。即要求地表水和地下水庫的計(jì)算期末蓄水量最大,同時(shí)用水區(qū)缺水量最小。式中:λ為權(quán)重,其中λ1、λ2愈大,相應(yīng)的水源棄水愈小。λ3、λ4、λ5愈大,相應(yīng)的缺水和出境水量愈小。2主要限制條件2.1水質(zhì)水量及水量式中:RV1為時(shí)段末水庫蓄水庫容;RV0為時(shí)段初水庫蓄水庫容;Wr為水庫天然入流;Wup為所有上游結(jié)點(diǎn)時(shí)段內(nèi)來水量;W1為供給生活的水量;Wi為供給工業(yè)的水量;Wa為供給農(nóng)業(yè)的水量;Wq為水庫棄水量;We為水庫蒸滲損失。2.2河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水量平衡方程式中:Wn為結(jié)點(diǎn)入流水量;NWup為上游來水水量;NWd0為下泄流量;Wus為結(jié)點(diǎn)引水量。2.3dgz、zwi、zma水量及缺水量式中:ZWs為當(dāng)?shù)氐乇硭Y源可供水量;NWup為客水來水量;DGz為地下水開采量;ZWmi為工業(yè)缺水量;ZWml為生活缺水量;ZWma為農(nóng)業(yè)缺水量;Wd1為生活需水量;Wdi為工業(yè)需水量;Wda為農(nóng)業(yè)需水量;ZWdn為出境水量。2.4dgr和go出量式中:GV1為時(shí)段末地下水庫庫容;GV0為時(shí)段初地下水庫庫容;Gr為灌溉入滲水量;Gp為降雨入滲水量;Gf為河渠滲漏補(bǔ)給量;Gi為側(cè)向滲流流入量;Gd為地下水開采量;Ge為潛水蒸發(fā)量;Go為側(cè)向滲流流出量。具體各項(xiàng)補(bǔ)給量為:(1)降水入滲的補(bǔ)充關(guān)系如下式中:P為降雨量;α為降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)。降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)與所在分區(qū)的包氣帶巖性有關(guān),且是降雨量P、地下水埋深Z的函數(shù)。(2)灌溉式中:β為灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù),是地下水埋深和灌溉定額的函數(shù);I為灌溉水量。(3)提交與提交之間的差距補(bǔ)償關(guān)系如下式中:η為河渠側(cè)滲系數(shù);L為河道長度。(4)過水流量s式中:γ為滲漏補(bǔ)給修正系數(shù);η為輸水有效利用系數(shù);S為過水量。其它參數(shù):一般地下水埋深z>4m時(shí),地下水潛水蒸發(fā)量可以忽略不計(jì),Z<4m時(shí),潛水蒸發(fā)量是地下水埋深的函數(shù)。3企業(yè)節(jié)水模型在枯水年、特枯水年以及連續(xù)枯水年,按供水順序,確定生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的分配水量,如果缺水,城市工業(yè)行業(yè)和企業(yè)面臨著重新分配水量的問題。目前,通常采用的方法是不管企業(yè)節(jié)水程度高低,各企業(yè)按原來用水量減少同一個(gè)百分?jǐn)?shù)。這種管理方法,操作簡單方便,但存在很多弊端,其一挫傷節(jié)水水平高的企業(yè)的節(jié)水積極性;其二鼓勵(lì)節(jié)水差的企業(yè)多用水、多浪費(fèi)水。因此缺水時(shí),在確保重點(diǎn)行業(yè)用水的前提下,必須按節(jié)水水平高低分配有限的水量,從水量管理上搞好企業(yè)節(jié)水工作。本模型分配原則和程序如下:(1)行業(yè)企業(yè)分配。將國民經(jīng)濟(jì)用水部門劃分成15個(gè)行業(yè)(冶金、電力、煤炭、石油、化學(xué)、機(jī)械、建材、森林、食品、紡織、縫紉、皮革、造紙、文教、其它)。每個(gè)行業(yè)下又根據(jù)用水大小分成用水大戶和其它企業(yè),并將城區(qū)作為重點(diǎn)。因此,企業(yè)是用水管理的最小單元。(2)各行業(yè)或企業(yè)節(jié)水和實(shí)際用水定額。根據(jù)現(xiàn)狀年國內(nèi)外不同城市、不同行業(yè)的先進(jìn)節(jié)水指標(biāo),建立先進(jìn)節(jié)水指標(biāo)體系,即不同行業(yè)萬元產(chǎn)值取水量,分別為W′1,W′2,W′3……W′15。(3)行業(yè)間和企業(yè)間分水原則和方法。①根據(jù)各行業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和重要性,給予不同的權(quán)重系數(shù)。例如,電力行業(yè)相對重要,權(quán)重系數(shù)小。②根據(jù)各行業(yè)或企業(yè)實(shí)際用水水平與各行業(yè)先進(jìn)的節(jié)水指標(biāo)比較得出的相對差額,進(jìn)行水量重新分配,節(jié)水水平較高的,水量核減較少;反之則水量核減的較多。設(shè):工業(yè)總需水量為Q,實(shí)際工業(yè)總分配水量Q″。由于缺水,Q″滿足不了Q,因此工業(yè)需要重新分配水量。由工業(yè)取水量的定義可知:式中:Wi為第i行業(yè)工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量;Yi為第i行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值。則單位節(jié)水潛力的缺水量α式中:W′i為第i行業(yè)先進(jìn)萬元產(chǎn)值取水量;Pi為第i個(gè)行業(yè)用水重要性權(quán)重,用水重要性越大,Pi越小,即減少的水量越小。第i個(gè)行業(yè)應(yīng)減少的水量ΔQi第i個(gè)行業(yè)實(shí)際供水量Qi(4)同一行業(yè)的企業(yè)間的分水方法。設(shè):i行業(yè)j企業(yè)萬元產(chǎn)值取水量為Wij,產(chǎn)值Yij則i行業(yè)j企業(yè)應(yīng)減少的水量為ΔQijj企業(yè)實(shí)際供水量Qij4作物當(dāng)前產(chǎn)量分布遇到枯水年和特枯年,由于水的重新分配,將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水減少。模型中,為了進(jìn)一步分析水資源優(yōu)化分配后的效果,對主要農(nóng)作物(冬小麥和夏玉米)在不同供水量條件下的產(chǎn)量進(jìn)行分析。以月為單位相對地將小麥劃分為冬灌、拔節(jié)、抽穗、灌漿4個(gè)階段;夏玉米分為出苗、拔節(jié)、抽雄和灌漿4個(gè)階段。作物缺水量與產(chǎn)量的關(guān)系,利用Jensen提出作物缺水對產(chǎn)量的影響服從連乘函數(shù)模式:式中:ym為供水充足條件下的最大產(chǎn)量;ya為作物實(shí)際產(chǎn)量;Wi為作物在i時(shí)段因缺水的實(shí)際供水量;Wmi為作物在i階段充分供水時(shí)的最大供水量;n為作為生育期劃分的時(shí)段數(shù);λi為時(shí)段i作為對水分多少反映的敏感指數(shù),由非充分灌溉試驗(yàn)求得。5年降雨、年消水期高密市屬濰坊市管轄,位于膠東半島與魯中腹地的接壤地帶。全市大部分為山前平原區(qū),少部分為緩丘區(qū)。多年平均降雨量663mm,特枯年降雨量僅為371mm。從歷史資料中可以看出80年代出現(xiàn)7～8年的連續(xù)枯水,工農(nóng)業(yè)之間爭水矛盾尖銳,缺水嚴(yán)重。降水量和徑流量在年內(nèi)分配不均,降雨量65%～85%、徑流量70%～90%集中出現(xiàn)在6～10月,而11月至次年6月屬于干旱少雨的枯水季節(jié)。由于冬小麥等夏收作物播種面積大,每年4～6月是農(nóng)業(yè)灌溉的高峰期,已成為該地區(qū)缺水最嚴(yán)重的時(shí)段。5.1供水系統(tǒng)的概括(1)水資源處理根據(jù)地形地貌、水文地質(zhì)條件和行政區(qū)劃,將該市分為6個(gè)區(qū)。(2)取水調(diào)節(jié)水庫地表水考慮2個(gè)中型水庫王吳和馬旺水庫,2個(gè)城市供水調(diào)節(jié)水庫南湖和城北水庫。地下水將每個(gè)分區(qū)淺層地下水作為地下水庫看待,其中大的地下水源地王黨區(qū)單獨(dú)列出,并且外調(diào)水有引黃濟(jì)青和從峽山水庫引水。(3)高密市混合供水區(qū)分為純地下水供水區(qū)、純地表水供水區(qū)和混合供水區(qū),高密市城區(qū)形成王吳水庫、王黨地下水源地、引黃濟(jì)青、引峽山水庫四水進(jìn)城。高密市水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖1。(4)農(nóng)業(yè)企業(yè)在農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整城市生活用水、工業(yè)分為15個(gè)行業(yè),在此基礎(chǔ)上又將主要用水企業(yè)分為47個(gè),農(nóng)業(yè)分為農(nóng)村人畜、村鎮(zhèn)工業(yè)、林果業(yè)和種植業(yè)用水(又分為小麥、玉米、棉花、蔬菜和大豆等)。(5)造紙廠p取生活→工業(yè)→農(nóng)業(yè),其中工業(yè)企業(yè)又有重要性大小之分,例如,對于同樣用水大戶電廠和造紙廠,電廠權(quán)重系數(shù)P取0.2,造紙廠P取0.8,因?yàn)殡娏I(yè)相對重要,而造紙廠用水量大,并且對環(huán)境污染嚴(yán)重,因此缺水時(shí)造紙廠核減水量多,電廠少。農(nóng)業(yè)又分蔬菜、重點(diǎn)糧食作物、其它等。工業(yè)和農(nóng)業(yè)的供水分水比例是由目標(biāo)函數(shù)中工業(yè)和農(nóng)業(yè)缺水量的權(quán)重系數(shù)來調(diào)整的。(6)水資源供需平衡模擬以月作為時(shí)段,考慮現(xiàn)狀(1999年)工程和需水條件下,用80年代連續(xù)枯水年1986～1989年的水文資料進(jìn)行輸入,進(jìn)行水資源供需平衡模擬。5.2地下水源及地表水庫氧合利用的保證程度分析1986～1988年降水量為連續(xù)枯水年,降雨量分別為429mm、478mm、388mm。到了1989年(403mm)己是連續(xù)第4個(gè)干旱年,極度干旱,水資源十分緊缺。按現(xiàn)狀(1999年)的工業(yè)需水量和有效灌溉面積及現(xiàn)有工程現(xiàn)狀進(jìn)行模擬,對連續(xù)枯水年的調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析。連續(xù)枯水年的供需矛盾最尖銳,優(yōu)化調(diào)度問題最突出,到1989年工農(nóng)業(yè)缺水已達(dá)到最嚴(yán)重的程度。經(jīng)過4年的枯水期,所有的地下水源和地表水庫都到了最小庫容。在這個(gè)時(shí)期內(nèi),地表水庫和地下水庫己喪失了多年調(diào)節(jié)作用。說明在現(xiàn)有水源及供水工程的條件下,若再發(fā)生象1986～1989年這樣的連續(xù)枯水年份,除非打深井超采地下水,否則,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將造成更嚴(yán)重?fù)p失。城區(qū)工業(yè)生活用水的保證程度僅為63%,嚴(yán)重影響高密市的工業(yè)生產(chǎn)和生活用水。全市農(nóng)業(yè)灌溉需水的保證程度僅為33.6%,尤其峽山灌區(qū)、南部山區(qū)和北部井灌區(qū)缺水最嚴(yán)重。城區(qū)全年缺水5.94百萬m3,主要發(fā)生在4～12月份,其中7月份缺水最為嚴(yán)重,以7月份為例說明對城區(qū)的二次優(yōu)化分配。7月份工業(yè)需水0.929百萬m3,生活需水0.421百萬m3,總供水為0.67百萬m3,缺水量為0.68百萬m3,缺水程度50.4%。在缺水如此嚴(yán)重的階段,不僅要減少工業(yè)的供水,相應(yīng)要縮減一部分生活用水,根據(jù)供水的重要程度和優(yōu)先次序,此處對生活用水按30%壓縮,即供生活用水為0.2947百萬m3,7月份人均日用水量為67L,維持在較低的水平上,工業(yè)供水為0.375百萬m3,缺水程度60%,需壓縮水量0.554百萬m3,根據(jù)企業(yè)用水重要性和節(jié)水水平高低優(yōu)化分配原則,調(diào)節(jié)各企業(yè)分配水量(各企業(yè)分配水量表略)。6從管理上強(qiáng)化城市用水研究在特枯年和連續(xù)枯水年以及工農(nóng)業(yè)用水緊張的月份水資源的優(yōu)化調(diào)度、預(yù)分配方案、后效評價(jià)及應(yīng)急對策,對于缺水地區(qū)城市水資源管理部門意義重大。應(yīng)急措施重點(diǎn)針對城市,主要原則是少用多開、多水源供水,具體如下:(1)制定城市供水計(jì)劃,特別是應(yīng)建立枯水期及連續(xù)枯水期的供水應(yīng)急方案,做到未雨綢繆,有備無患。(2)按照“先生活、后生產(chǎn),保重點(diǎn)、講效益”的原則,在缺水城市關(guān)停高污染、高耗水、低效益企業(yè),合理調(diào)整城市用水結(jié)構(gòu)。(3)制定緊急情況下的限量定時(shí)供水措施和供水方案,分基本、限量和停止供水3種情況。壓縮行業(yè)用水定額,限制工業(yè)及其他行業(yè)用水量,確保城市居民生活用水。(4)對兼顧城市與農(nóng)村供水的地表水水源地,可根據(jù)蓄水工程規(guī)模,建立城市生活用水最小保證庫容,設(shè)立城市生活用水警戒水位,用以保障特枯時(shí)期城市居民生活的最低用水要求。(5)建立動(dòng)態(tài)水價(jià),根據(jù)供水的緊缺程度,建立相應(yīng)的水價(jià)機(jī)制,因?yàn)樗畠r(jià)的高低對水資源的調(diào)節(jié)作用是非常明顯的。(6)制定應(yīng)急供水秩序和用水計(jì)劃,嚴(yán)格實(shí)行控制供水。用水優(yōu)先順序是:一是城市居民生活