賀建文

(新疆水利廳 水資源規(guī)劃研究所，烏魯木齊 830000)

1 概 述

地區(qū)水資源規(guī)劃管理是謀劃未來(lái)城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1-3]?；诂F(xiàn)狀年水資源開(kāi)發(fā)利用，結(jié)合水資源配置模型，而研究獲得的水資源配置優(yōu)化結(jié)果具有一定指導(dǎo)意義[4-6]。已有許多水利工程師利用多種算法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工魚(yú)群及遺傳迭代算法等，求解水資源模型，并分析配置優(yōu)化后結(jié)果[7-9]。由此可知，水資源模型是優(yōu)化配置的基礎(chǔ)，構(gòu)建起科學(xué)合理的水資源模型，有利于提升優(yōu)化配置結(jié)果與求解過(guò)程，目前水資源模型包括多目標(biāo)模型、最佳效益模型等[10-11]。本文引入多維度調(diào)控模型[12]，對(duì)地區(qū)內(nèi)水資源配置開(kāi)展計(jì)算分析，并以熵變參數(shù)作為優(yōu)化配置評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，為地區(qū)內(nèi)規(guī)劃年水資源優(yōu)化配置提供重要參考。

2 工程概況及水資源供需現(xiàn)狀

2.1 研究區(qū)概況

西北某城市海拔在280～480 m，東部地勢(shì)較高，下轄有A-C共3個(gè)主城區(qū)。地區(qū)內(nèi)年徑流量為2.45×104m3，包括夾河、紅河及蘇拉河，3條主干河流長(zhǎng)度分別為65、92和73 km，流域面積總共超過(guò)2 000 km2。夾河所在流域內(nèi)已建設(shè)有防洪堤壩，夏季水位較高，最大水位可達(dá)8.8 m，地表徑流量最大，可達(dá)13.45×104m3，在上下游共建設(shè)有引水工程與輸水調(diào)控閘門，為枯水期提供更多水資源。地區(qū)內(nèi)雨季集中在上半年，最大降雨量達(dá)200 mm，地表水分流失量年均為2 800 mm，晝夜溫差較大，此為地表水存量波動(dòng)的較大內(nèi)因。為提升區(qū)域調(diào)水能力，引渠調(diào)水工程共建設(shè)有6個(gè)取水站，可供水3×108m3，建設(shè)輸水渠道長(zhǎng)度貫穿城區(qū)和周邊區(qū)縣，總長(zhǎng)度超過(guò)150 km。地表水資源中另有多個(gè)蓄水庫(kù)與引水工程，分布在各個(gè)區(qū)縣內(nèi)，水庫(kù)最大庫(kù)容達(dá)1 200×104m3；引水工程投入使用已有7個(gè)泵站，主要面向地區(qū)生活用水與農(nóng)業(yè)灌溉。目前，地區(qū)內(nèi)共有農(nóng)業(yè)耕地面積超過(guò)6 000 km2，工業(yè)產(chǎn)值占地區(qū)全年總收入的25%，而農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比為70%。

2.2 水資源供需現(xiàn)狀

在水資源規(guī)劃年前一階段中，當(dāng)前的規(guī)劃年地區(qū)內(nèi)地表水資源總量超過(guò)4×104m3，地下水資源可供應(yīng)1.4×108m3；現(xiàn)狀年中地表可供水量為2.6×108m3，占地區(qū)總供水量的75%，地表水資源供應(yīng)可達(dá)9.2×107m3?，F(xiàn)狀年總用水量為3.4×108m3，占比最多為工農(nóng)業(yè)用水，超過(guò)60%，生活用水與生態(tài)補(bǔ)水占比為39%，各用水項(xiàng)目具體用水量見(jiàn)圖1。從圖1中可看出，生活用水量達(dá)2 432.2×104m3，是各用水項(xiàng)目中占比最小的。分析認(rèn)為此與地區(qū)內(nèi)人口密度較小有關(guān)，而農(nóng)業(yè)用水消耗較大，城區(qū)涉及多個(gè)農(nóng)田灌溉，總灌溉用水超過(guò)1.6×108m3。

圖1 各區(qū)用水項(xiàng)目具體用水量

根據(jù)對(duì)地區(qū)內(nèi)水資源供需關(guān)系分析可知，當(dāng)前地區(qū)內(nèi)水資源主要面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)水資源利用效率較低。調(diào)查得知，城市年用水量超過(guò)3×108m3，但相應(yīng)的水資源供應(yīng)經(jīng)濟(jì)總量卻高達(dá)12.2 m3/萬(wàn)元，水資源開(kāi)發(fā)效率較低；另一方面農(nóng)業(yè)用水占比超過(guò)45%，而農(nóng)業(yè)產(chǎn)值在經(jīng)濟(jì)總量中貢獻(xiàn)值僅為0.8%。

2)從水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面得知，多條地面河流水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，水質(zhì)較差，供水廠對(duì)劣質(zhì)水處理較困難，造成一定程度水資源浪費(fèi)。

3)再生水資源建設(shè)進(jìn)展及規(guī)劃落后，生活污水直接排入地面河流中，未進(jìn)行污水處理后回收。另外，雨季水資源集收設(shè)備荒廢，循環(huán)利用觀念較差。

3 水資源供需預(yù)測(cè)分析

基于現(xiàn)狀年水資源開(kāi)發(fā)資料以及研究區(qū)基本狀況，對(duì)規(guī)劃年2025、2035年開(kāi)展水資源供需預(yù)測(cè)分析。

3.1 供水量預(yù)測(cè)

地區(qū)供水量分為地表水資源與地下水資源，而地表水資源可供水量分為地面主要河流與引水工程。經(jīng)水資源傳輸滲漏及部分損耗后，夾河、紅河及蘇拉河3條主要河流在規(guī)劃年2025年總共可供水量為6 220×104m3，而在規(guī)劃年2035年供水量為6 110×104m3；除流域內(nèi)地面河流可供水量外，另有從其他地區(qū)河流輸入水量達(dá)960×104m3，占比總供水量的2.4%；引水工程中總供水量為3×108m3，其中引水工程主要面向地區(qū)內(nèi)城市工業(yè)用水。圖2為基于當(dāng)前水資源現(xiàn)狀，研究預(yù)測(cè)所獲得的規(guī)劃年2025、2035年地表水資源供應(yīng)量具體明細(xì)。從圖2中可看出，規(guī)劃年2025、2035年地表水總供應(yīng)量分別為3.76×108和3.75×108m3。而在兩個(gè)水平規(guī)劃年中，引水工程與地區(qū)調(diào)入水量均保持一致，分別為3×108和960×104m3，規(guī)劃年中水資源供應(yīng)量起決定性改變的即為地表主要河流流量。

圖2 規(guī)劃年2025及2035年地表水資源供應(yīng)量

針對(duì)地下水資源可供水量，分別開(kāi)展3個(gè)城區(qū)分析，獲得圖3所示地下水資源利用量。從圖3可看出，規(guī)劃年2025年3個(gè)城區(qū)中地下水資源供應(yīng)總量最多為B區(qū)，達(dá)967×104m3，占比超過(guò)50%；同樣的在規(guī)劃年2035年亦是B區(qū)占比最多，達(dá)52.1%。從地下水資源總體供應(yīng)能力來(lái)看，規(guī)劃年2025和2035年分別可達(dá)1 935×104和2 000×104m3。

圖3 各區(qū)地下水資源供應(yīng)量

3.2 需水量預(yù)測(cè)

基于水資源供需現(xiàn)狀，分別就各具體需水項(xiàng)目開(kāi)展研究分析，獲得圖4所示需水量結(jié)果。從圖4中可看出，規(guī)劃年2025年生活需水量達(dá)2 260×104m3，占年度總需水量的4.6%；前文已知該地區(qū)為工農(nóng)業(yè)發(fā)展根本的城市，因而工農(nóng)業(yè)需水量超過(guò)3.3×108m3，生態(tài)需水量總共占全年比例為27.1%，其實(shí)質(zhì)上需水總量遠(yuǎn)高于生活需水量。分析認(rèn)為，此與該地區(qū)為幅員遼闊，但人口稀少，因而生活用水量低于工農(nóng)業(yè)需水量，規(guī)劃年2025年總需水量為4.78×108m3。同理，計(jì)算出規(guī)劃年2035年地區(qū)總需水量為5.65×108m3，相比規(guī)劃年2025年增長(zhǎng)18.2%。其中工農(nóng)業(yè)總需水量占比達(dá)65.5%，生活需水量為4 100×104m3，相比規(guī)劃年2025年增長(zhǎng)81.4%。分析認(rèn)為，在規(guī)劃年2035年由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展及人口上漲，生活需水量及工業(yè)需水量均有較大幅度增多。

圖4 需水項(xiàng)目需水量

3.3 供需關(guān)系分析

從對(duì)比計(jì)算獲得的規(guī)劃年2025和2035水資源供需量可知，2025年缺水量達(dá)0.83×108m3，缺水率達(dá)21%。經(jīng)分析具體缺水項(xiàng)目可知，農(nóng)業(yè)用水與生態(tài)用水缺口較大，占總?cè)彼康?0%，其中農(nóng)業(yè)缺水達(dá)0.65×108m3。而在規(guī)劃年2035年中同樣具有顯著缺水，且缺水率相比規(guī)劃年2025年還上漲至24%。分析認(rèn)為，規(guī)劃年在2035年不僅由于可供水量大幅減少，而且生活用水與農(nóng)業(yè)用水的上漲，均一定程度影響了規(guī)劃年水資源配置。綜合分析可知，按照現(xiàn)狀年水資源預(yù)測(cè)規(guī)劃年所得結(jié)果，均會(huì)出現(xiàn)水資源供需矛盾，局部用水項(xiàng)目出現(xiàn)缺水，且總?cè)彼瘦^大，為此需對(duì)地區(qū)水資源配置開(kāi)展優(yōu)化研究分析。

4 水資源優(yōu)化配置分析

4.1 水資源優(yōu)化配置模型

為準(zhǔn)確管理優(yōu)化地區(qū)內(nèi)水資源配置，引入多維度調(diào)控水資源模型，地區(qū)內(nèi)水資源維度分為安全、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)3個(gè)維度指標(biāo)。其中，安全目標(biāo)主要評(píng)估水資源配置后地區(qū)內(nèi)用水安全，包括引水、蓄水工程運(yùn)營(yíng)安全及流量安全，可采用下式表述：

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(1)

式中：Z(m,t)、QRc(m,t)分別為水庫(kù)的水位與流量。

生態(tài)目標(biāo)表征水資源優(yōu)化配置后生態(tài)價(jià)值，有利于地區(qū)內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，以下式表述生態(tài)平衡狀態(tài)：

Qrmin≤Qc≤Qrmax

(2)

式中：Qrmin、Qc、Qrmax分別為生態(tài)需水量的各項(xiàng)最小值、平均值、最大值。

水資源經(jīng)濟(jì)價(jià)值指優(yōu)化配置結(jié)果可提升水資源利用率，減少水資源供需矛盾，科學(xué)合理用水，解決用水項(xiàng)目之間優(yōu)先關(guān)系，采用下式表述：

(3)

式中：ω、i為缺水量與序號(hào)；θ(t)為缺水系數(shù)。

基于上述3個(gè)不同維度目標(biāo)，給出每個(gè)維度下水資源配置管理的限制條件，分別有：

1)水庫(kù)蓄水流量條件：

Vmin(m,t)≤V(m,t)≤Vmax(m,t)

(4)

式中：Vmin(m,t)、Vmax(m,t)分別為最小庫(kù)容、最大庫(kù)容。

2)水庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)條件：

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(5)

式中：Z(m,t)為水庫(kù)安全水位。

3)輸水渠道傳輸條件：

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(6)

式中：QRc(m,t)為輸水渠道安全運(yùn)營(yíng)流量值。

4)地下水限制條件

0≤Q≤Qmax

(7)

式中：Q、Qmax分別為地下水開(kāi)發(fā)量與最大開(kāi)發(fā)量。

水資源調(diào)控的目的是使三者維度在水資源供需系統(tǒng)中達(dá)到有機(jī)平衡，而表征供需系統(tǒng)中水資源供需關(guān)系的為序列度，本文供需系統(tǒng)的維度序列分量可表述為：

(8)

式中：ui(eij)為序列度；Uij、Tij分別為維度臨界調(diào)控值。

表征維度序列狀態(tài)的參數(shù)為序列穩(wěn)定度，其實(shí)質(zhì)上為上式的有序度與權(quán)重系數(shù)的乘積，如下式所示：

(9)

式中：λj為權(quán)重系數(shù)；其他參數(shù)與前式一致。

另一方面，為評(píng)價(jià)水資源供需關(guān)系中穩(wěn)定狀態(tài)，引入水資源系統(tǒng)熵變參數(shù)值，求解熵變參數(shù)的表達(dá)式為：

(10)

式中：ui(ei)為不同維度的序列度。

當(dāng)熵變參數(shù)值愈小，則系統(tǒng)中各序列勢(shì)必會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，因而熵變參數(shù)值是衡量水資源供需結(jié)果的重要指標(biāo)，其與序列度有以下判別關(guān)系：

ΔSY=SY(n+1)-SY(n)

(11)

式中：SY(n+1)、SY(n)分別為第(n+1)、n次迭代后的熵變參數(shù)。

本文將以多維度調(diào)控模型開(kāi)展地區(qū)水資源優(yōu)化配置研究分析，并以熵變參數(shù)值作為評(píng)價(jià)配置結(jié)果優(yōu)良性的指標(biāo)。

4.2 優(yōu)化配置結(jié)果分析

基于多維度調(diào)控模型計(jì)算獲得地區(qū)內(nèi)水資源優(yōu)化配置結(jié)果，見(jiàn)圖5。從規(guī)劃年2025年水資源優(yōu)化配置結(jié)果中可看出，相比原水資源規(guī)劃方案，優(yōu)化后總?cè)彼拷档?9.2%，總?cè)彼式档椭?.5%，總供水量相比原規(guī)劃方案亦提升57.9%，達(dá)6×108m3。從具體用水項(xiàng)目來(lái)看，生態(tài)供水、生活供水均滿足平衡要求，而農(nóng)業(yè)用水與工業(yè)用水均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原水資源配置方案，極大提升了規(guī)劃年水資源配置安全性。而規(guī)劃年2035年總?cè)彼肯啾仍?guī)劃方案降低75.3%，僅為2 500×104m3，缺水率下降至安全區(qū)間，總供水量相比原方案增長(zhǎng)64.6%，達(dá)6.45×108m3，工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水缺水量分別下降62.5%和58.8%，而生態(tài)供水與生活供水均滿足平衡狀態(tài)，分別為1.95×108和4 200×104m3。

圖5 地區(qū)內(nèi)水資源優(yōu)化配置結(jié)果

圖6為模型優(yōu)化配置過(guò)程中熵變參數(shù)值變化曲線。不論是2025年亦或是2035年，熵變參數(shù)均為遞減，最終迭代優(yōu)化后熵變參數(shù)均趨于零。當(dāng)?shù)螖?shù)為12次時(shí)，規(guī)劃年2025、2035年熵變參數(shù)分別為0.25和0.27，基本相近，相比未迭代之初，熵變參數(shù)下降約47.9%。分析認(rèn)為，從熵變參數(shù)變化態(tài)勢(shì)來(lái)看，模型調(diào)控后水資源優(yōu)化配置結(jié)果較為合理，并具有較強(qiáng)可行性。

圖6 模型優(yōu)化配置過(guò)程中熵變參數(shù)值變化曲線

5 結(jié) 論

基于地區(qū)概況與現(xiàn)狀年水資源利用資料，引入多維度調(diào)控模型，并對(duì)規(guī)劃年開(kāi)展水資源優(yōu)化配置計(jì)算研究，主要結(jié)論如下：

1)預(yù)測(cè)分析了規(guī)劃年2025、2035年地表水總供應(yīng)量分別為3.76×108和3.75×108m3，而兩規(guī)劃年總需水量分別為4.78×108和5.65×108m3，規(guī)劃年2025年缺水率達(dá)21%，其中農(nóng)業(yè)缺水量達(dá)0.65×108m3，水資源供需失衡嚴(yán)重。

2)引入多維度調(diào)控模型對(duì)規(guī)劃年水資源開(kāi)展優(yōu)化配置研究，模型具有較強(qiáng)的適用性，熵變參數(shù)值均遞減，優(yōu)化配置結(jié)果較為合理，并具有較強(qiáng)可行性。

3)獲得了規(guī)劃年水資源優(yōu)化配置結(jié)果，兩規(guī)劃年總?cè)彼糠謩e下降89.2%和75.3%，而總供水量分別提升57.9%和64.6%，總供水量分別提升至6×108和6.45×108m3，多項(xiàng)用水項(xiàng)目達(dá)到供需平衡，缺水率降低至3%左右。