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，是淮河流域水保護糾紛頻發(fā)地區(qū)。隨著流域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,南四湖流域供水區(qū)用水需求進一步增加,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)境問題已嚴重制約了該流域經(jīng)濟社會的持續(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)域水資源實際情況,本文以山東省南四湖流域為研究對象,運用多目標規(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)化工具箱進行編程求解,模型求解結(jié)果對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,地勢西高東低,由于黃泛影響,地貌比較復雜。近年來,流域內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展迅速,是中國重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及能源基地。1.2降雨特點及降雨特點南四湖流域地處暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū),具有大陸性特點,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%,流域降雨具有時間、空間上分布不均的特點,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,南四湖流域為3級水資源分區(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等指標均超標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)劃水平的年供應平衡分析1.5.1供需水量供需水預測以2006年為現(xiàn)狀基準年,2015年為規(guī)劃水平年。1.5.1.各需水需水預測生活需水考慮城鎮(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,同時結(jié)合經(jīng)濟社會發(fā)展水平,對各需水部門采用定額分析法預測。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.降水量預測和預測(1)地表水可供水量計算,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,進行自上游到下游,先支流后干流逐級調(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)地下水可供水量預測,以補給量和可開采量為依據(jù),實際現(xiàn)狀開采量、地下水埋深的實際變化情況,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,得到相應的地下水可供水量?？紤]到南水北調(diào)工程2013年通水后,可補充流域可供水資源量,同時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)將計算分區(qū)內(nèi)同一水平年、同一保證率的各項供水量相加,即得出各計算分區(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行需水量與可供水量之間的對比,采用可供水量和需水量代表年同步這一典型組合,進行南四湖流域規(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、地下水可供量計算出規(guī)劃水平年(2015年)在保證率50%、75%、95%時,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,流域供需水量達到基本平衡;但75%、95%保證率下,流域缺水仍然嚴重。因此,今后除了大力開源節(jié)流外,還要進行水資源的優(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)工程引長江水。其中,引長江水供給所有分區(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?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個部門用水。2.2南四湖流域水資源優(yōu)化配置多目標模型水資源優(yōu)化配置的目的是為了支撐全流域社會、經(jīng)濟、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的,水資源優(yōu)化配置就是多目標優(yōu)化問題,其目標不是追求某一方面或?qū)ο蟮男б孀詈?而應追求整體效益最好。故采用多目標規(guī)劃模型對南四湖流域的水資源進行合理配置。水資源優(yōu)化配置多目標表達式:式中x是決策變量;fP(x)是p個獨立的目標函數(shù)向量;gi(x)為約束條件組;bi為右端常數(shù)項向量。對于南四湖流域來說,水資源配置的主要目的是著重研究如何聯(lián)合運用多種水源(包括當?shù)厮春屯庹{(diào)水源),以緩解水資源短缺而引起的用水競爭問題,結(jié)合本流域“十一五”規(guī)劃要求,最終設(shè)定了以下2個目標函數(shù)。2.2.1j系公共水源以區(qū)域供水帶來的直接經(jīng)濟效益最大來表示。函數(shù)表達形式為式中xkij、xkcj分別為獨立水源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分別為獨立水源i、公共水源c向k子區(qū)j用戶供水的費用系數(shù)(元/m3);αik、αck分別為k子區(qū)獨立水源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)計區(qū)域總?cè)彼孔钚黹g接反映社會效益由于社會效益不容易度量,而區(qū)域缺水量的大小或缺水程度會直接影響到社會的發(fā)展和穩(wěn)定,故采用區(qū)域供水系統(tǒng)總?cè)彼孔钚黹g接反映社會效益。函數(shù)表達形式為式中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,不同水源供給計算分區(qū)各用水戶的總水量不應多于其可供水量,如式(4)。式中Xkij、Xkcj分別為規(guī)劃水平年內(nèi)獨立水源i、公共水源c對k子區(qū)第j用戶的供水量;Wik、Wc分別為k子區(qū)獨立水源i及公共水源c的可供水量。2.3.2置計算時分區(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,在水資源配置計算時,供水水源對計算分區(qū)各用水戶的供水量不應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)獨立水源i及公共水源c對第k水資源分區(qū)輸水能力。2.3.3部門總費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提供水的水量各個分區(qū)的任何用水戶的用水量不為負數(shù),所能提供的水量能滿足每個用水戶的需要,如式(7)。式中Xkij,Xkcj分別表示獨立水源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優(yōu)化配置模型。模型以滿足流域供水經(jīng)濟效益最大及水資源系統(tǒng)總?cè)彼孔钚槟繕?并在流域劃分水資源計算分區(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,使得相應的水資源分配最優(yōu)。在水資源優(yōu)化配置模型中,以k個計算分區(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,南四湖流域計算分區(qū)數(shù)k=4;其中,各分區(qū)獨立水源數(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個決策變量,44個約束條件。2.4.1南四湖流域njk及nkm前3個月的用水順序確定用水優(yōu)先權(quán)是模型分析計算的前提。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個等級:第1級為生活用水,第2級為生態(tài)環(huán)境用水,第3級為工業(yè)用水,第4級為農(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;nkmax為第k水資源區(qū)用水次序序號最大值,對南四湖流域而言,nkmax=4。經(jīng)計算,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诋數(shù)厮?根據(jù)各水源調(diào)節(jié)能力,將當?shù)厮Y源的供水次序劃分成不同的優(yōu)先級,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。供水次序為:地表水工程供水,地下水工程供水;對于外調(diào)水,根據(jù)外調(diào)水的成本和實際情況,通常作為當?shù)厮Y源的補充水源,確定供水次序為先黃河水供水,然后長江水供水。由此,確定南四湖流域各水源總的供水次序為:地表水、地下水、引黃河水、引長江水。對于濟寧及湖區(qū)、湖西菏澤區(qū)兩水資源計算分區(qū),經(jīng)計算后,地表水、地下水、引黃河水和引長江水的供水次序系數(shù)αik分別為0.4,0.3,0.2,0.1。對于湖東棗莊區(qū)和湖西徐州區(qū)兩水資源計算分區(qū),經(jīng)計算后,地表水、地下水和引長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)效益乘以水利分攤系數(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)費用系數(shù)。不同水源供水給各用水部門的費用系數(shù),參考其水費征收標準確定。對于有資料的水源工程,根據(jù)資料計算確定;缺乏資料時,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),費用系數(shù)等于生活用水的費用系數(shù)。確定其效益系數(shù)和費用系數(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。生活用水為社會經(jīng)濟基本用水,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)分析計算后,經(jīng)濟效益和社會效益兩個子目標的排序權(quán)重系數(shù)λp分別為0.1667、0.8333。4個水資源計算分區(qū)(濟寧及湖區(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)化配置的多目標模型以2015年為規(guī)劃水平年,將前述分析計算的各相關(guān)參數(shù)代入模型中,利用Matlab優(yōu)化工具箱中的fgoalattain函數(shù)進行編程,求解水資源優(yōu)化配置多目標規(guī)劃模型。3.2種效益分析法計算南四湖流域水資源優(yōu)化配置模型以經(jīng)濟和社會的綜合效益最大為目標,并用供水凈效益最大和總?cè)彼孔钚肀硎尽５贸瞿纤暮饔?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。首先是濟寧及湖區(qū)、湖東棗莊區(qū)兩個計算分區(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)。運用多目標規(guī)劃理論建立了一個考慮當?shù)厮?、黃河水、長江水等多水源聯(lián)合供水條件下,以經(jīng)濟和社會綜合效益最大為目標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技術(shù)問題,而且是社會問題。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),來達成一致的分水決策。通過分析研究