趙晶, 王濤, 畢彥杰, 韓宇平, 張廣浩, 段晶晶, 高峰

(1.華北水利水電大學(xué) 水資源學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.河南省黃河流域水資源節(jié)約集約利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046)

經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展與取用水等活動(dòng)改變了原有的水循環(huán)演變規(guī)律與過程,形成“自然-人工”復(fù)合水循環(huán)系統(tǒng),兩大循環(huán)系統(tǒng)相互交錯(cuò),彼此關(guān)聯(lián),存在著此消彼長的緊密聯(lián)系[1-2]。人類攔河建水庫,從河道、水庫等地表水體中抽取水量,導(dǎo)致河道徑流量、水庫蓄水量發(fā)生變化,改變了河湖水力聯(lián)系,減弱了水平循環(huán)通量;同時(shí),在取用水過程中產(chǎn)生了蒸發(fā)和滲漏損失,強(qiáng)化了垂向循環(huán)通量[3-4]。高強(qiáng)度的水資源開發(fā)利用,造成人工側(cè)支水循環(huán)作用逐漸加強(qiáng),引發(fā)了一系列水資源問題[5-6],影響了自然條件下的水循環(huán)變化規(guī)律。因此,水資源配置問題只有當(dāng)充分考慮到人類活動(dòng)干擾下的水循環(huán)變化規(guī)律時(shí),才能科學(xué)地計(jì)算出可供水量,進(jìn)而促進(jìn)水資源可持續(xù)利用[7-8]。

本文采用已構(gòu)建的水循環(huán)與水資源合理配置模型(Simulation Water-cycle and Allocation Model, SWAM)[9],以嫩江流域?yàn)槔?開展基于水循環(huán)模擬的水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置研究。針對(duì)“自然-人工”復(fù)合水循環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn),應(yīng)用水循環(huán)模塊開展水循環(huán)模擬,采用斷面徑流過程校驗(yàn)?zāi)Ｐ?選取納什效率系數(shù)評(píng)價(jià)模型精度,繪制水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖,并基于此,進(jìn)行供水預(yù)測。設(shè)置現(xiàn)狀水平年為2016年,規(guī)劃水平年為2025年,開展2025年各行業(yè)需水預(yù)測。在多目標(biāo)優(yōu)化配置模塊中設(shè)置3個(gè)目標(biāo),通過第2代非支配排序遺傳算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ),生成多個(gè)非劣解集,篩選出嫩江流域合理的水資源配置方案。

1 研究區(qū)概況

嫩江發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山,是全國七大水系之一的松花江的北源,在肇源縣茂興鎮(zhèn)當(dāng)權(quán)村三岔河與松花江南源匯合為松花江。嫩江干流全長1 370 km,流域總面積約29.2萬km2,多年平均徑流深97.4 mm,天然年徑流量227億m3。嫩江自北流向南,沿途眾多支流匯入,水系發(fā)育,兩岸河流呈不對(duì)稱的扇形分布,右岸支流較多,左岸支流較少,流域的水系分布情況如圖1所示。嫩江流域地處我國黑龍江省中西部,地理坐標(biāo)為北緯44°26′～51°37′、東經(jīng)119°15′～127°40′,包括內(nèi)蒙古自治區(qū)的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市,黑龍江省的大興安嶺市、黑河市、嫩江縣、綏化市、齊齊哈爾市、大慶市以及吉林省的白城市等[10]。流域內(nèi)地勢呈西北高、東南低分布,流域長度約為800 km,平均寬度約為340 km。嫩江上游屬于山區(qū),中游為山區(qū)向平原區(qū)的過渡地帶,地勢較上游的平坦,河槽也更開闊。嫩江到齊齊哈爾后逐漸進(jìn)入平原區(qū),直到三岔河口,形成松嫩平原的西半部分。

圖1 嫩江流域水系分布

嫩江流域地處東亞季風(fēng)區(qū)的北部邊緣,屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,流域內(nèi)降水和氣溫的年內(nèi)和年際差異較大[11]。嫩江流域降水量為400～700 mm,且降水時(shí)空分布極不均勻,多集中在6～9月,其降水量占全年降水量的80%左右。

目前,嫩江流域共有大型水庫14座,中型水庫35座,小型水庫225座,塘壩155座,蓄水工程總庫容160.1億m3,興利庫容103.6億m3,設(shè)計(jì)供水能力89.2億m3。其中,大型水庫總庫容143.0億m3、興利庫容93.7億m3,各大型蓄水工程的基本情況見表1。已有研究[12-13]表明,嫩江干支流的引、調(diào)、蓄水工程在一定程度上改變了嫩江的徑流形成規(guī)律和演變特征。

表1 嫩江流域大型蓄水工程基本情況

嫩江流域是我國重要的重工業(yè)、石油、林業(yè)和糧食生產(chǎn)基地,哈爾濱、齊齊哈爾、長春等大中型城市是汽車、鍋爐等重工業(yè)基地;大慶市是石油工業(yè)基地;長白山和大、小興安嶺是林業(yè)基地。嫩江流域素有“北國糧倉”之稱,糧食作物以水稻、玉米、小麥為主。2016年,嫩江流域總?cè)丝跒? 745萬人,GDP為7 623億元,總用水量為127.3億m3。其中:地表水源供水量79.2億m3,占總供水量的62.2%;地下水源供水量47.7億m3,占比37.5%;其他水源供水量0.4億m3,占比0.3%。2016年流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)見表2,各地區(qū)的用水量見表3,用水指標(biāo)見表4。

表2 2016年嫩江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)

表3 2016年嫩江流域用水量 億m3

表4 2016年嫩江流域用水指標(biāo)

由表4可知,近30多年來氣候變化和頻繁的人類活動(dòng)(短時(shí)間、高強(qiáng)度的大規(guī)模農(nóng)業(yè)種植,水資源開發(fā)與水利工程建設(shè)等)深刻改變著嫩江流域的水循環(huán)過程,導(dǎo)致嫩江流域產(chǎn)流量發(fā)生變化、水旱災(zāi)害頻發(fā)、湖泊濕地萎縮等一系列水問題[14-15]。因此,嫩江流域水資源配置的前提是厘清氣候變化與人類活動(dòng)干擾下的水循環(huán)變化規(guī)律,只有解決了這個(gè)問題才能科學(xué)計(jì)算可供水量[16]。

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)及其來源

SWAM模型構(gòu)建所需要的基礎(chǔ)資料包括:氣象觀測數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、實(shí)測徑流數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)、水利工程基本信息、灌溉面積與種植結(jié)構(gòu)等資料。

1)氣象數(shù)據(jù)。本文所使用的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),包括嫩江流域及周邊39個(gè)氣象站1956—2016年的日降水量、日最高氣溫、日最低氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等。

2)DEM數(shù)據(jù)。采用網(wǎng)站(http://srtm.csi.cgiar.org/)提供的分辨率為90 m的網(wǎng)格數(shù)據(jù)提取河道長度、河網(wǎng)等信息。

3)實(shí)測徑流數(shù)據(jù)。通過查閱流域水文年鑒,獲取包括阿彥淺、加格達(dá)奇、江橋、兩家子、同盟(二)、大賚共6個(gè)水文站2010—2016年的逐月徑流數(shù)據(jù)。

4)經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)?shù)據(jù)。通過查閱2010—2016年黑河市、大興安嶺、齊齊哈爾市、綏化市、呼倫貝爾市、大慶市、松原市、白城市、興安盟、通遼市的統(tǒng)計(jì)年鑒、國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、城市發(fā)展總體規(guī)劃、水資源公報(bào)等資料,獲得歷年各行政區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉用水等數(shù)據(jù)。

5)水利工程基本信息。其主要包括水庫位置、死庫容、總庫容、水位庫容曲線、汛限水位、正常蓄水位等數(shù)據(jù)及水庫運(yùn)行調(diào)度規(guī)則,引水渠道過水能力、機(jī)電井日提水能力等數(shù)據(jù)。

6)灌溉面積與種植結(jié)構(gòu)。通過查閱黑河市、大興安嶺、齊齊哈爾市、綏化市、呼倫貝爾市、大慶市、松原市、白城市、興安盟、通遼市的統(tǒng)計(jì)年鑒獲取小麥、玉米、水稻、雜糧等糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的種植面積。

此外,還有播種、灌溉、施肥、收割等作物管理措施有關(guān)的時(shí)間、次數(shù)、單次(灌溉、施肥)實(shí)施量等基本信息。

2.2 嫩江流域SWAM模型構(gòu)建

步驟1劃分計(jì)算單元?；贒EM數(shù)據(jù)劃分研究區(qū)水文計(jì)算單元,共獲得43個(gè)水文計(jì)算單元,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)行政區(qū)劃將水文計(jì)算單元細(xì)分為279個(gè)計(jì)算單元(圖2),每個(gè)計(jì)算單元均具有子流域和行政區(qū)屬性。

圖2 嫩江流域計(jì)算單元(總)

步驟2概化水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)嫩江流域?qū)嶋H供用水情況及水庫、引調(diào)水工程、渠系(河道)等水利工程的空間分布情況,概化水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖(圖3),在此基礎(chǔ)上明晰輸配水方向。以水資源四級(jí)區(qū)套地市行政區(qū)確定水資源配置模型的基本計(jì)算單元,共計(jì)20個(gè);選擇大型和重要的中型水利工程作為水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖繪制的基本工程節(jié)點(diǎn),共計(jì)22個(gè)。

步驟3輸入農(nóng)業(yè)種植與管理信息。農(nóng)業(yè)種植與管理信息包括:各行政區(qū)的作物類型、作物種植面積與灌溉面積、輪作制度與灌溉制度等。

步驟4輸入配置規(guī)則信息。配置規(guī)則信息主要包括:水源供水對(duì)象、分區(qū)供水原則、水源供水優(yōu)先級(jí)、用水戶分水原則、供水水源類型與個(gè)數(shù)、行業(yè)用水優(yōu)先級(jí)等信息。此外,需要輸入的信息還有水庫、渠道、機(jī)電井等水利工程基本信息,渠系水有效利用系數(shù)、田間水有效利用系數(shù)等用水效率信息,行業(yè)耗水率、污水處理率和再生水利用率等耗水、排水信息等。

步驟5輸入拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系包括:水資源配置計(jì)算單元與水文模型計(jì)算單元的空間拓?fù)潢P(guān)系、計(jì)算單元與節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系、計(jì)算單元與用水戶間的拓?fù)潢P(guān)系、計(jì)算單元與水庫間的拓?fù)潢P(guān)系、水庫與用水戶間的拓?fù)潢P(guān)系、不同水源與用水戶間的拓?fù)潢P(guān)系等。以上拓?fù)潢P(guān)系都是通過關(guān)系數(shù)據(jù)來存儲(chǔ)、管理并輸入模型的。

步驟6輸入其他數(shù)據(jù)。其他數(shù)據(jù)包括降水、氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、輻射和相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù),及所有矢量與屬性數(shù)據(jù)。

3 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

3.1 水循環(huán)模塊參數(shù)取值

針對(duì)新安江模型的參數(shù)率定,趙人俊[17]提出了分層次的率定方法,指出每層次中待優(yōu)化的參數(shù)不宜超過2個(gè)。經(jīng)檢驗(yàn),參數(shù)WUM、WLM、C、IM、CI不是敏感參數(shù);SM與EX有關(guān),EX變化不大,一般可取1.5左右的定值;CG可根據(jù)枯季退水資料直接求得,可不參加優(yōu)化。L與CS的大小取決于河網(wǎng)地貌;KG、KI兩個(gè)參數(shù)是關(guān)聯(lián)的,對(duì)于同一個(gè)流域,兩者之和一般為常數(shù),即KG+KI=0.7[18]。根據(jù)文獻(xiàn)[17-19]中的參數(shù)優(yōu)化步驟,率定模型的主要參數(shù)值,結(jié)果見表5。

表5 水循環(huán)模塊主要參數(shù)取值

3.2 多目標(biāo)配置模塊參數(shù)取值

1)農(nóng)業(yè)。為探究缺水狀態(tài)下不同作物減產(chǎn)情況,以及同一作物不同生長階段缺水情況對(duì)糧食總產(chǎn)量的影響,選取小麥、玉米、水稻3種主要作物,并將水稻的生育階段劃分為分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期4個(gè)時(shí)期,其相應(yīng)的敏感指數(shù)分別為0.236 2、0.248 5、0.793 8、0.172 1;將小麥的生育階段劃分為4個(gè)時(shí)期,其相應(yīng)的敏感指數(shù)分別為0.203 7、0.243 1、0.191 9、0.092 3[20];將玉米的生育階段劃分為苗期、拔節(jié)期、抽穗期、乳熟期4個(gè)時(shí)期,其相應(yīng)的生育階段敏感指數(shù)分別為0.113 5、0.307 1、0.564 0、0.272 7[21]。作物產(chǎn)量采用Jensen模型計(jì)算[22]。以水稻為例其產(chǎn)量計(jì)算公式為:

(1)

式中:Ya為水稻實(shí)際產(chǎn)量,kg/km2;Ym為水稻在充分供水條件下的最大產(chǎn)量,kg/km2;ETi為水稻第i個(gè)生育階段的實(shí)際騰發(fā)量,mm;ETmi為水稻在充分供水條件下第i個(gè)生育階段的騰發(fā)量,mm。

2)工業(yè)。選擇雙曲絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)厭惡函數(shù)(HARA)建立工業(yè)用水效益函數(shù)。函數(shù)中系數(shù)γ取0.5[23-25]。

3.3 模型校驗(yàn)

3.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

模型模擬期為2010—2016年,其中2010—2014年為參數(shù)率定期,2015—2016年為模型驗(yàn)證期。結(jié)合SWAM模型的功能和特點(diǎn),模型校驗(yàn)采用嫩江流域關(guān)鍵控制斷面的徑流過程。

3.3.2 性能指標(biāo)選取

選取納什效率系數(shù)Ens進(jìn)行模擬適應(yīng)性評(píng)價(jià)。Ens的允許取值范圍為0～1,其值越接近1,說明模型的模擬效果越好。一般認(rèn)為,當(dāng)Ens>0.50時(shí),模擬結(jié)果是令人滿意的[26-27]。Ens的計(jì)算公式為:

(2)

3.3.3 模型校驗(yàn)步驟

首先,假定參數(shù)初值,驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)行;其次,采用Ens指標(biāo)評(píng)價(jià)2010—2016年的河道斷面徑流模擬效果;最后,對(duì)比分析模型率定期與驗(yàn)證期的模擬結(jié)果,調(diào)整相關(guān)參數(shù),直至評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)要求。

3.3.4 模型校驗(yàn)結(jié)果

模型輸出的徑流模擬值與實(shí)測徑流值的對(duì)比結(jié)果見表6并如圖4所示。由表6和圖4可知:率定期(2010—2014年),6個(gè)水文站月徑流模擬值與實(shí)測值的納什效率系數(shù)均高于0.500,最小值為0.625,驗(yàn)證期納什效率系均高于0.500,最小值為0.601;各水文站的月徑流模擬值與實(shí)測值流量過程線擬合程度較好,模型的模擬精度達(dá)到了要求值。

表6 水文站的月徑流模擬結(jié)果

圖4 阿彥淺站與江橋站實(shí)測與模擬月徑流過程對(duì)比

4 供需水預(yù)測

本文基準(zhǔn)年設(shè)為2016年,規(guī)劃水平年為2025年?？紤]來水頻率P=50%、P=90%兩種情況。

4.1 供水預(yù)測

根據(jù)嫩江流域1957—2016年共60年降水量排頻結(jié)果,P=50%對(duì)應(yīng)的年份為2011年、P=90%對(duì)應(yīng)的年份為1992年。模型輸入2011年與1992年的降水量資料,基于水循環(huán)模塊的計(jì)算結(jié)果,分別計(jì)算嫩江流域各配置單元的可供水量,結(jié)果見表7。由表7可知:P=50%來水頻率下的可供水量為131.5億m3,其中地表水供水量88.4億m3、地下水供水量42.5億m3、其他水源(再生水)供水量0.6億m3;P=90%來水頻率下的可供水量為138.9億m3,其中地表水供水量82.9億m3、地下水供水量55.1億m3、其他水源(再生水)供水量0.9億m3。

表7 規(guī)劃水平年可供水量(P=50%) 億m3

4.2 需水預(yù)測

根據(jù)呼倫貝爾市、齊齊哈爾市、黑河市、興安盟、綏化市、通遼市、錫林郭勒盟、松原市、白城市、哈爾濱市與大慶市《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》預(yù)測經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。GDP年均增長約3.5%～7.5%,各地市GDP增速見表8。2025年嫩江流域GDP 4 312億元。2025年人口增速與城鎮(zhèn)化率參考呼倫貝爾市、齊齊哈爾市、黑河市、興安盟、綏化市、通遼市、錫林郭勒盟、松原市、白城市、哈爾濱市與大慶市的《城市發(fā)展總體規(guī)劃》與《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》,確定2025年嫩江流域城鎮(zhèn)化率為61%,城鎮(zhèn)人口為1 084萬人,農(nóng)村人口為686萬人。2025年嫩江流域十四五社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測結(jié)果見表8。

農(nóng)業(yè)灌溉用水量為水循環(huán)模塊中蒸發(fā)量減去降水量(若為正值,取為灌溉需水量;若為負(fù)值,取為零)。人均生活日用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、萬元GDP用水量、畝均灌溉水利用系數(shù)、管網(wǎng)漏損率等用水指標(biāo)參考?xì)v史變化速度與各地市《水利十四五發(fā)展規(guī)劃》《黑龍江省用水定額標(biāo)準(zhǔn)》《內(nèi)蒙古自治區(qū)行業(yè)用水定額》《吉林省用水定額地方標(biāo)準(zhǔn)》確定。

采用定額法計(jì)算嫩江流域各地市需水量,結(jié)果見表9。由表9可知:2025年嫩江流域(P=50%)需水量為134.3億m3,其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活與生態(tài)需水量分別為98.8億、16.4億、9.7億、9.4億m3。同樣的,經(jīng)計(jì)算可知,2025年嫩江流域(P=90%)需水量為154.6億m3,其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活與生態(tài)需水量占比分別為76.7%、10.6%、6.3%、6.4%。

表9 嫩江流域2025年需水量(P=50%) 億m3

5 結(jié)果分析

5.1 水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系

流域水循環(huán)特征主要通過降雨、下滲及蒸散發(fā)等幾個(gè)要素來體現(xiàn)。應(yīng)用SWAM模型對(duì)嫩江流域水循環(huán)過程進(jìn)行模擬,其轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知,P=50%來水頻率下全流域總降水量為1 325.0億m3,其中山區(qū)降水量為801.0億m3,平原區(qū)降水量為524.0億m3;流域總蒸散發(fā)量為886.0億m3,其中山區(qū)的蒸發(fā)量為533.0億m3,平原區(qū)的蒸發(fā)量為353.0億m3;流域下滲量為141.2億m3,其中山區(qū)的下滲量為53.8億m3,平原區(qū)的下滲量為87.4億m3;流域年末土壤水蓄變量為1.3億m3,入境水量為135.0億m3,出境水量為307.0億m3;流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)總?cè)∷繛?31.5億m3,基本集中在平原區(qū),其地表水取水量為88.4億m3,淺層地下水總?cè)∷繛?2.5億m3,再生水取水量為0.6億m3。

圖5 2025嫩江流域水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖(P=50%)

P=90%來水頻率下全流域總降水量為1 081.0億m3,其中山區(qū)降水量為648.6億m3,平原區(qū)降水量為432.4億m3;流域總蒸散發(fā)量為953.3億m3,其中山區(qū)的蒸發(fā)量為575.6億m3,平原區(qū)的蒸發(fā)量為377.7億m3;山區(qū)下滲量為15.2億m3,平原區(qū)的下滲量為24.5億m3;流域年末土壤水蓄變量為-4.2億m3;平原區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)總?cè)∷繛?38.9億m3,地表水取水量為82.9億m3,淺層地下水總?cè)∷繛?5.1億m3,再生取水量為0.9億m3。

綜上可知,嫩江流域主要補(bǔ)給水源是大氣降水和地表徑流,地下水主要補(bǔ)給水源是降雨、河道湖庫滲漏等;流域主要水分支出項(xiàng)為蒸散發(fā)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)取用水,占比分別為87.1%、12.9%。當(dāng)發(fā)生干旱時(shí),因降雨減少,引起土壤水蓄變量減少,流域徑流量大幅度減少。干旱時(shí)因社會(huì)經(jīng)濟(jì)取用水增加,導(dǎo)致地下水開采量增加。

5.2 水資源配置結(jié)果分析

復(fù)雜水資源配置系統(tǒng)的影響因素眾多,涉及天然水循環(huán)系統(tǒng)(天然來水的隨機(jī)性與不確定性)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、用水水平、節(jié)水水平、城鎮(zhèn)化、生態(tài)環(huán)境發(fā)展等,大量半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化問題都需要決策者進(jìn)行判斷和抉擇,決策者偏好會(huì)影響水資源配置格局。因此,水資源配置問題實(shí)際上是各相關(guān)利益方博弈妥協(xié)的結(jié)果[28-29]。由于水資源配置的單目標(biāo)優(yōu)化(多目標(biāo)轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)再進(jìn)行求解)僅能計(jì)算得到一個(gè)最優(yōu)解,對(duì)應(yīng)Pareto最優(yōu)前沿面上的一個(gè)點(diǎn)[30-31],無法體現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)之間的博弈過程,故需進(jìn)行多目標(biāo)配置決策。多目標(biāo)Pareto最優(yōu)解可避免事先給定各個(gè)目標(biāo)權(quán)重的主觀性,提供更多決策信息與多個(gè)目標(biāo)之間的博弈信息,為決策者的不同偏好提供選擇方案。同時(shí),當(dāng)決策偏好發(fā)生變化時(shí),也無須重新計(jì)算,在Pareto解集中重新選擇即可,極大地減少了工作量。本文模型設(shè)置了3個(gè)目標(biāo):經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、社會(huì)目標(biāo)與水量目標(biāo),并利用NSGA-II求解多目標(biāo)模塊的Pareto解,共得到73組非劣解,即73個(gè)非劣的水資源配置方案,具體見表10。由于多目標(biāo)模型中一個(gè)目標(biāo)值增大必然會(huì)引起其他目標(biāo)值減小,若決策者傾向于經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu),則根據(jù)該目標(biāo)可選出24個(gè)非劣解(經(jīng)濟(jì)損失約1.5億左右),在此基礎(chǔ)上,若同時(shí)要求糧食減產(chǎn)最小,則最終得到的配置方案為方案42。該方案經(jīng)濟(jì)損失量為1.5億元,糧食減產(chǎn)量為51.0萬t。

表10 pareto非劣解集

方案42對(duì)應(yīng)的水資源配置結(jié)果見表11。由表11可知:①嫩江流域P=50%來水頻率下的總需水量為134.3億m3,其中生活(不含生態(tài)用水)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)生態(tài)需水量分別為9.7億、16.4億、98.8億、9.4億m3。②總供水量為131.5億m3,地表水供水量最高,為88.4億m3,占總供水量的67.2%;其次為地下水供水量,為42.5億m3,占總供水量的32.3%;其他水源(再生水)供水量最小,為0.6億m3,僅占總供水量的0.5%。③嫩江流域P=50%來水頻率下的總?cè)彼繛?.8億m3,缺水率為2.1%。④各地市中白城市的缺水量最大,為12 716.0 萬m3,缺水率為4.8%;其次為興安盟,缺水量為6 240.0 萬m3,缺水率為6.6%。

表11 嫩江流域水資源配置方案表(P=50%)

按照前述步驟計(jì)算P=90%來水頻率下的非劣解集,篩選出經(jīng)濟(jì)損失量最小、糧食減產(chǎn)量最小的配置方案。經(jīng)計(jì)算,P=90%來水頻率下嫩江流域總需水量為154.6億m3,總供水量為138.9億m3,缺水量為15.7億 m3,缺水率為10.2%,經(jīng)濟(jì)損失量為9.1億元,糧食減產(chǎn)量為261.4萬t。因篇幅所限,相應(yīng)的圖表不再一一列出。

6 結(jié)論

1)本文基于嫩江流域的相關(guān)資料與模型參數(shù)值,通過對(duì)流域內(nèi)關(guān)鍵控制斷面徑流過程的模擬驗(yàn)證了上篇所構(gòu)建的SWAM模型。結(jié)果表明:①率定期(2010—2014年),6個(gè)水文站月徑流模擬值與實(shí)測值的納什效率系數(shù)均大于0.500,最小值為0.625,驗(yàn)證期(2015—2016年),6個(gè)水文站月徑流模擬值與實(shí)測值的納什效率系數(shù)均大于0.500,最小值為0.601,率定期與驗(yàn)證期流量月過程線的擬合程度較好。

2)規(guī)劃水平年2025年嫩江流域的水循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系為:在P=50%來水頻率下,全流域的降水量為1 325.0億m3,蒸散發(fā)量為886.0億m3,下滲量為141.2億m3,土壤水蓄變量為1.3億m3,入境水量為135.0億m3,出境水量為307.0億m3;平原區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)總?cè)∷繛?31.5億m3,其中,地表水取水量88.4億m3,淺層地下水總?cè)∷?2.5億m3,再生水取水量0.6億m3。P=90%來水頻率下,全流域的降水量為1 081.0億m3,蒸散發(fā)量為953.3億m3,流域年末土壤水蓄變量為-4.2億m3;平原區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)總?cè)∷繛?38.9億m3,地表水取水量為82.9億m3,淺層地下水總?cè)∷繛?5.1億m3,再生水取水量為0.9億m3。

3)通過經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、社會(huì)目標(biāo)、水量目標(biāo)間的博弈,共得到73組非劣解,以經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)、糧食減產(chǎn)量最小為依據(jù),篩選出P=50%來水頻率下最合理的水資源配置方案為方案42,其對(duì)應(yīng)的流域總需水量為134.3億m3,總?cè)彼繛?.8億m3,缺水率為2.1%。該方案下生活(不含生態(tài)用水)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)需水量分別為9.7億、16.4億、98.8億、9.4億m3。在各類供水水源中,地表水供水量最高(88.4億m3),其次為地下水(42.5億m3),其他水源(再生水)的最小(0.6億m3),該方案下經(jīng)濟(jì)損失量為1.5億元,糧食減產(chǎn)量為51.0萬t。P=90%來水頻率下嫩江流域總需水量為154.6億m3,總供水量為138.9億m3,缺水量為15.7億m3,缺水率為10.2%,經(jīng)濟(jì)損失量為9.1億元,糧食減產(chǎn)量為261.4萬t。