蔚汾河流域水资源多目标优化配置方法探讨

冯 艳,武鹏林

(太原理工大学水利科学与工程学院,山西 太原 030024)

0 前言

蔚汾河是黄河流域河口至龙门左岸的一级支流,位于东经 110°52′～ 110°53′,北纬 38°12′～ 38°55′,地处吕梁山西麓,属黄土高原东部。蔚汾河流域总面积 1 478 km2,其中兴县境内流域面积 1 274 km2,占整个流域面积的 86%。蔚汾流域地势东高西低,地貌主要分土石山区和黄土丘陵沟壑区两大类,流域内较大的一级支流有岚尾河与南川河。流域属于暖温带大陆性季风气候,境内降水具有时空分布不均、丰枯交替等特点。流域内地表水、地下水开采率均小于 20%,属于低开发利用区;地表水、地下水的开发利用程度均低于60%,属于中度利用区。随着流域内社会经济的快速发展,人们对水资源数量与质量的需求越来越高,水资源短缺已成为制约流域内各行业发展的关键因素,仅靠工程措施开发水资源已不能满足流域经济发展的需求,蔚汾河流域水资源供需矛盾日益加剧。研究流域的供需特点及变化趋势,为建立科学合理的水资源模型,进行水资源优化配置,制定各种水源的联合配置方案,为水资源调度和管理提供决策依据,是保持经济可持续发展、保障水环境可持续利用的基础条件,具有十分重要的意义。

协调社会发展与水资源、自然环境承载力的和谐是实现持续发展的关键所在[1]。流域水资源优化配置主要目标就是协调资源、经济和生态环境的动态发展,是多目标决策的系统问题,必须应用多目标方法进行研究分析。Matlab优化工具箱中的 fgoalattain函数求解多目标优化配置问题,具有算法简单,效率较高,稳定性好的优点。本文以蔚汾河流域为实例,建立流域多目标水资源优化配置模型,探讨 Matlab优化工具箱中的 fgoalattain函数在水资源优化配置模型中求解的实际应用。本文将多目标分为生活用水效益目标、工业/建筑业用水效益目标、农业用水效益目标、第三产业用水效益目标和生态环境用水效益 5个目标,使社会、经济和环境三个方面效益最大。按照水质将水源分为 3类,结合决策者偏好得出不同配置方案,调用 Matlab优化工具箱中的fgoalattain函数对多目标进行求解。

1 多目标水资源优化配置模型

1.1 水资源优化配置的基本思路

流域水资源水源包括地表水(包括水库水量、引水水量和提水水量)、地下水(包括浅层地下水和深层地下水)和中水。流域水资源需求也是多方面的,包括流域居民生活用水、工业/建筑业生产用水、农业灌溉用水、第三产业用水和生态环境补充用水。流域水资源配置模型正是运用生活、工业/建筑业、农业、第三产业和生态环境等多目标决策对现实流域系统进行模拟,统筹优化,得出最佳组合方案。流域水资源优化配置基本思路见图 1。

图1 流域水资源优化配置总体思路

1.2 水资源优化配置模型的建立

流域水资源优化配置的目标是生活、农业、工业/建筑业、第三产业和生态环境五类用水部门综合效益最大,即使得流域经济、环境、社会综合效益最大,并保持流域系统的协调持续发展,其模型形式为：

式中：x为决策变量,非负;f1(x),f2(x)……,为生活、工业等其他目标用水效益目标;G(x)为约束条件集,表示水资源水质、承载能力、环境容量、土地资源、其他社会约束和子系统状态方程等。

2 多目标优化配置方法在蔚汾河流域水土资源配置中的应用

2.1 决策变量

将蔚汾河流域水资源分为 3种,用水户分为 5个,由于生活用水、工业/建筑业用水和第三产业用水对回用水量需求较小,且可充分考虑内部回用,故本次研究不考虑回用水源供给生活、工业和第三产业。不同水质水源和用水户确定的决策变量情况见表 1。

表1 决策变量的确定

2.2 目标函数

以蔚汾河流域水资源综合利用效益最大为目标,模型为：

式中,f1(x),f2(x),f3(x),f4(x),f5(x)分别为生活用水效益目标、工业/建筑业用水效益目标、农业用水效益目标、第三产业用水效益目标和生态环境用水效益目标,万元。

为了保证各用水部门的协调发展,用水户的用水社会效益、经济效益和环境效益以流域发展目标、人口规模、经济实力作为准则,用层次分析法或德尔菲法确定用水效益系数[2,3]。从而可得到各用水部门的子目标如下。

1)生活用水效益最大。流域内城镇和农村生活用水保证率最高,应优先考虑,则

2)工业/建筑业用水效益最大。参照介绍水利经济研究会的相关研究成果,取 β=11%,W=75.25,B2=β/W。

3)农业用水效益最大。农业用水保证率较低,则

4)第三产业用水效益最大。第三产业的发展是流域社会经济发展的主要环节,而且

5)生态环境用水效益最大用水效益目标。

(3)-(7)式中,Bi分别为不同用水户的单位用水效益,万元/m3,其值的选取详见参考文献[4];Qi分别为不同用水户的用水量,m3。

2.3 约束条件

1)不同水质水源的约束

式中：Q为所有水源可供水量,Qi分别为地表水、地下水和中水的可供水量。

2)不同用水户需水量的约束

式中：Qmin,j为用户 j的最小需水量,Qmax,j为用户 j的最大需水量,根据蔚汾河流域规划的发展目标确定,见表2 。

2)污水排放量与污水处理能力关系的约束

式中：Mi为蔚汾河流域第 i个污水处理厂;(DB)i为城区第 i个污水处理厂的处理能力;wi为不同用水户的污水排放系数,根据《给水排水标准规范实施手册》,生活用水排放系数取 0.8,考虑到工业用水内部循环利用率不断提高,排放系数应略低于生活,故确定为 0.6;Qi为不同用水户的用水量;ki为污水处理厂的处理百分率。

该流域目前没有污水处理厂,规划到 2010年在该流域兴县境内新建一座污水厂。根据蔚汾河流域综合规划报告,2020年拟收集城市生活污水、第三产业污水、工业污水总计528万 m3,占用水量的 65%,可以回收利用的中水 374万m3,污水处理率达到 75%,用于农业灌溉。

3)变量非负约束

表2 规划年 2020年不同用户的用水量

2.4 蔚汾河流域水资源供需平衡分析

水资源供需分析按照“在现有供水工程设施基础上,开源节流,以供定需,优水优用,近水近用;先节水后调水,先中水、地表水后用地下水,先自流后提水”的原则进行。在对蔚汾河流域各行业统计资料和规划进行分析的基础上,采用常规趋势法、相关法等综合预测方法,计算蔚汾河流域在规划年(2020年)的总需水量。表3 是在考虑了节水措施和治污挖潜能力后得到的蔚汾河流域水资源供需平衡分析表。

从表3 可以看出,节水措施能有效抑制需水量的增长,治污挖潜措施能够增加流域水资源供给量,但是在保证率较高时出现供需缺口。在考虑不同水源不同水质的基础上合理优化配置流域的有限水资源使流域社会、生活和生态效益达到最大。

2.5 优化配置结果

本文提出了 5种不同配置方案,可供决策者偏好进行水资源合理配置。供水量取偏枯水年(p=75%)进行水资源优化配置。目标值取各用水户最大需水量下的相应目标,goal=[75947570,96180593,39011679,21823505,14994970],权重按其目标值确定,按保证生活用水,稳定农业用水,调控工业用水,维系生态用水原则,赋予其不同的初始值 x0,经Matlab优化工具箱中 fgoalattain函数的调试、运行,得出优化配置方案表 4。

表4 不同优化配置方案表

方案 1 侧重于生活用水,就是在赋初始值时,在满足另外 4个用户最小用水量的同时,保证生活用水最大,经优化模型运行后得到第一种配置方案。虽然生活用水的经济效益不如工业那样明显,但其社会效益是其他无法比拟的。

方案 2 侧重于工业和建筑业用水,即赋初始值时,在满足另外 4个用户最小用水量的同时,保证工业用水最大,经优化模型运行后,给出第二种配置方案,因为工业和建筑业用水效益的经济效益最为明显,通常都会成为决策者政策和方案的倾斜对象。

方案 3 侧重于农业用水,即赋初始值时,在满足另外 4个用户最小用水量的同时,保证农业用水最大,经优化模型运行后,给出第三种配置方案,农业用水集社会效益、经济效益和生态环境效益于一身,对社会稳定起至关重要的作用。

方案 4 侧重第三产业用水,即赋初始值时,在满足另外4个用户最小用水量的同时,保证第三产业用水最大,经优化模型运行后,给出第四种配置方案。第三产业是调整现代经济结构、提高人民生活水平、促进市场经济发育、优化社会资源配置、提高国民经济整体效益和效率的重要途径。

方案 5 侧重于生态环境用水,即赋初始值时,在满足另外 4个用户最小用水量的同时,保证生态环境用水最大,经优化模型运行后,得出第五种配置方案。随着人们生活水平的提高,生态环境越来越引起人们的关注,必然会逐渐成为决策者制订方案时必须考虑的内容之一。

3 结论

1)根据流域不同水质的水资源,采用生活、工业、农业、第三产业和生态环境多目标优化配置蔚汾河流域有限水资源。

2)调用 Matlab优化工具箱中的 fgoalattain函数求解优化配置工程,得出了 5种优化配置结果满足决策者偏好,为蔚汾河流域可持续发展提供了科学依据。

通过本文的研究,提出两点需要进一步研究。

1)流域作为一个系统,影响需水量预测的因素较多,水资源的需求量很难进行科学计算,同时使用层次分析法或德尔菲法确定用水效益系数存在主观性,有待进一步深入研究。

2)求解多目标函数的工具箱有局限性,得到的解未必全是最优解,这个问题尚需进一步深入探讨。

[1]王霞.流域水资源优化配置理论与应用研究.河海大学硕士学位论文,2006.

[2]LAIM inghua(赖明华).Study on ecologicalwater requirement andoptimalwater resources allocation model of irrigation district(灌区水资源配置模型及其解法)[D].Nanjing：Hohai University,2004.

[3]ZHANG Min'an(张民安).Study on the optimization ofw ater resources ofWeinan city(渭南市水资源优化配置研究)[D].Xi'an：Xi'an University of Technology,2002：592～ 651.

[4]张雪飞,程水源,郭秀锐,王海燕.多目标优化方法在区域水资源优化配置中的作用.安全与环学报,2006.

[5][美]Edw ard B.Magrab等.高会生,李新叶,胡志奇等译.MATLAB原理与工程应用.电子工业出版社,2002.