黄河流域向甘肃省可供水资源优化配置研究

张正苹，成自勇，沈国云，张 芮

(1 甘肃农业大学 工学院，甘肃 兰州 730070； 2 甘肃省景泰川电力提灌管理局，甘肃 景泰 730400)

黄河流域向甘肃省可供水资源优化配置研究

张正苹1，成自勇1，沈国云2，张 芮1

(1 甘肃农业大学 工学院，甘肃 兰州 730070； 2 甘肃省景泰川电力提灌管理局，甘肃 景泰 730400)

【目的】构建水资源优化配置模型.【方法】以黄河流域向甘肃省可供水资源为研究对象，通过多年供需水量平衡分析，采用水资源管理决策支持系统中的最优化技术,构建水资源优化配置模型.【结果和结论】模型计算结果显示：近期2020年和远期2030年水资源配置分别为52.75和64.52亿m3，其中农业用水较前10年分别减少2.8和0.7亿m3，其他行业用水不同幅度增加.预测该配置方案能满足该地区社会经济与生态环境发展对水资源的要求.

黄河流域; 水资源； 供需平衡; 优化配置; 最优化技术

水资源配置是指在流域或特定的区域范围内，遵循有效性、公平性和可持续性原则，利用各种工程和非工程措施，按照市场经济规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和措施，对多种可利用水资源在区域间和各用水部门间进行调配[1].随着社会经济的不断发展、人口的不断增加、城镇化率的提高，甘肃省需水量不断增加，尤其是兰州新区、兰白经济区、游牧民族定居供水、陇东能源基地的规划与开发等对水资源的需求，水资源供需矛盾日趋严重，生态环境将面临严竣的考验，严重制约着该地区的可持续发展.通过水资源优化配置提高水资源利用率，实现水资源可持续利用，是21世纪我国的水利工作的首要任务[2].对有限的水资源进行合理配置，实现高效利用是缓解水资源短缺、供需矛盾的必要手段[3-4].

本研究以《甘肃省地级行政区用水总量控制指标研究》[5]、《甘肃省地级行政区用水效益控制指标研究》[6]相关研究为基本依据，以甘肃省水资源供需平衡分析为基础，结合黄河流域实际情况，构建了黄河流域向甘肃省可供水资源优化配置模型，通过求解模型，得到该流域规划水平年的最优配水量，可为相关部门提供参考.

1 研究区概况

甘肃地域辽阔，省内分属黄河、长江、内陆河三大流域，水资源时空分布不均、各地气候条件差异明显、地貌特征各有不同[7].其中黄河流域包括黄河干流(包括支流庄浪河、大夏河、祖厉河及直接入干流的小支流)、洮河、湟水、渭河、泾河、北洛河等6个水系，年径流量大于1亿m3的河流有36条，其中黄河干流10条、洮河水系12条、湟水水系1条、渭河水系7条、泾河水系6条.黄河流域自产水资源量为125.16亿m3，入境水资源量为239.64亿m3，出境水量为341.08亿m3.黄河流域向甘肃省供水包括武威市、兰州市、白银市、临夏州、定西市、天水市、平凉市、庆阳市和甘南州等9个地级行政区.供水系统见图1.

图1 黄河流域向甘肃省地级行政区供水系统

Fig.1 A water supply system of the Yellow River basin for the prefecture-level administrative region in Gansu Province

2 模型构建

本研究将黄河流域可供水分区作为研究区，根据甘肃省多年平均供需水量和用水发展趋势，采用水资源管理决策支持系统中的最优化技术，建立一个分别以城镇生活用水、农村生活用水、工业用水、农业用水、生态用水为寻优目标，以地表水、地下水供水量为约束条件，以寻优目标的最优化为目标的水资源优化配置模型[8-9]，通过求解模型，确定近期(2020年)和远期(2030年)最优供水方案，将水资源在各分区不同用水部门间进行最优化配置.

2.1 变量设置

共设有4个分区，每个分区参与优化的用水行业有城镇生活用水、农村生活用水、工业用水、农业用水、生态用水共5个行业，分别用xiC,xiR,xiI,xiA和xiE表示第i分区上述各用水行业分配的水量(i=1,2，…，4).水资源分为地表水资源和地下水资源，用S表示使用地表水源，用G表示使用地下水源.

2.2 约束条件

在建立模型时考虑了如下约束条件.

地表水约束:一个流域的地表水可供水量与河流的水文特性和河道上的引、蓄水工程的规模、质量以及管理措施等许多因素有关.计算中各用水行业用地表水量不能超过可供水量，因而形成如下约束条件：

地下水约束:要求地下水开采量不能超过该流域内地下水可开采量.如果破坏了这一关系，过量开采地下水就会产生一系列环境负效应.因此，必须加以限制.数学表达式为：

2.3 寻优目标

2.3.1 城镇生活用水目标 城镇生活用水有如下式成立:

2.3.2 农村生活用水目标 农村生活用水有如下公式成立：

2.4 各目标优先级别的确定

在实际计算时，各个具体目标需要根据它在区域经济结构和长远规划中的相对重要性，确定优先级别.拟定了下列5级目标：

2.5 目标函数的确定

由以上各目标优先级别的确定，目标函数可以表示为：minZ=P1+P2+P3+P4+P5+P6.即目标规划数学模型.

3 模型求解与结果分析

3.1 参数选择

模型中涉及的社会经济指标、需水量和供水量，其他系数主要有万元产值耗水量、生活用水标准、灌溉定额、用水效益系数等，来自于《甘肃省地级行政区用水总量控制指标研究》和《甘肃省地级行政区用水效率控制指标研究》中提供的资料.如表1～3所示.

表1 黄河流域2020和2030年年需水量预测表Tab.1 The Yellow River basin forecasting annual water demands in 2020 and 2030 亿m3

表2 黄河流域2020和2030年为甘肃省供水总量统计表Tab.2 The Yellow River basin total water supply statistical table for Gansu Province in 2020 and 2030 亿m3

表3 甘肃省黄河流域2010年用水指标统计表Tab.3 Statistics of water indicators of Gansu province in 2010

3.2 模型求解

水资源管理决策支持系统是以水资源开发利用的管理决策为主要内容，根据研究区社会经济及自然地理条件，在综合利用各种信息和数据的基础上研究与开发的.水资源管理决策可用图2所示流程概化.将模型有关约束条件存入模型数据库中，打开水资源管理决策支持系统模型库，点击目标规划模型，输入有关参数，系统将自动计算出不同供水区、不同产业部门水量配置结果.水资源配置结果见表4～5.

图2 水资源管理决策流程图Fig.2 Water resources management decision flow chart

3.3 模型计算结果分析

3.3.1 供需平衡分析 本研究确定的2020、2030年黄河流域向甘肃省供水量分别为52.76和64.52亿m3，超过了黄河流域向甘肃省可供水30.4亿m3的分水指标(按照“87”分水制，耗水率按0.61计算)，考虑省内南水北调工程调水量，同时2020年前甘肃省黄河流域分水指标增加，才能满足经济社会发展对水资源的需求；地下水总量控制指标为6.78亿m3，未超过地下水可开采量18.8亿m3.由模型配置结果可知，在75%的保证率下，无论是2020年还是2030年，可供水资源的优化分配实现了在保证人民生活、工业发展、农业供水的同时，还能满足生态与环境用水的需求，有利于社会经济发展和生态与环境保护的统一.

表4 2020年黄河流域向甘肃省可供水资源优化配置表

表5 2030年黄河流域向甘肃省可供水资源优化配置表

3.3.2 用水结构分析 将规划年2020年、2030年甘肃省各用水行业需水量与现状年2010年需水量进行比较，结果见表6.

表6甘肃省现状年与规划水平年需水总量增量比照表

Tab.6GansuProvinceplanningannualwaterdemandincrementalcomparedwiththepresentyear亿m3

行业2010年2020年需水量增量1)2030年需水量增量2)城镇生活4.096.842.758.791.95农村生活2.223.801.584.370.57工业15.1020.845.7429.838.99农业21.3318.53-2.8017.83-0.70生态1.162.751.593.700.95合计43.9052.768.8664.5211.76

1) 2020年与2010年比； 2) 2030年与2020年比.

由表6可以看出，确定的2020年需水量较2010年用水量增加8.86亿m3，其中城镇生活用水增加2.75亿m3，农村生活用水增加1.58亿m3，农业用水减少2.8亿m3，工业用水新增5.74亿m3，生态用水增加1.59亿m3.确定的2030年需水总量较2020年用水量增加11.76亿m3，其中城镇生活用水增加1.95亿m3，农村生活用水增加0.57亿m3，农业用水减少0.7亿m3，工业用水新增8.99亿m3，生态用水增加0.95亿m3.该模型确定的配置水量，使得用水结构更加合理，水资源效益进一步提高.

4 讨论与结论

在水资源严重短缺的今天，正确分析各用水部门的需水量和可供水量，科学合理的配置水资源，是实现区域内经济社会可持续发展和能源开发的根本保障，对于协调好资源、社会、经济和生态环境的动态关系和实现社会、经济、环境和资源的可持续发展有着至关重要的作用[9-11].甘肃省地处干旱气候区，生态与环境脆弱，水资源贫乏，时空分布不均，属资源性缺水区.近十年来，人类活动对水资源系统产生了强烈影响，同时由于水资源开发利用中缺乏统一规划和科学管理，使城市产生了地下水位持续下降、水质污染等问题；灌区出现水质恶化、土壤盐渍化等一系列环境负效应，严重影响了经济的发展，加剧了水资源不足的供需矛盾，造成了严重的社会危害[12].因此，加强水资源科学管理势在必行，黄河流域向甘肃省可供水资源管理决策支持系统可为水资源科学管理与决策提供辅助依据.

系统中采用的多目标水资源管理模型，实现了分析者与决策者之间的信息交流，使决策者在整个水资源决策过程中，从定义模型的目标与约束到分析理解结果都更主动.

水资源管理决策支持系统是一项复杂的系统工程，在我国起步尚晚，缺乏经验，需进一步完善水资源管理决策支持系统的基本数据，加强本系统的实践应用，进行检验、改进和完善.

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【责任编辑霍 欢】

OptimalwaterresourcesallocationoftheYellowRiverbasinforGansuProvince

ZHANG Zhengping1, CHENG Ziyong1, SHEN Guoyun2, ZHANG Rui1

(1 Engineering College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2 Jingtaichuan Electrical Lifting Irrigation Administration Bureau of Gansu Province, Jingtai 730400, China)

【Objective】 To construct an optimal water resources allocation model.【Method】This study chose the water resources of the Yellow River for Gansu Province as the research object. The optimal technique of water resources management decision support system was used to construct the model of optimal allocation of water resources through years of water supply and demand balance analysis.【Result and conclusion】Model calculation results showed that in the 2020 and forward 2030 time period, water resources allocation would be 5.275 billion cubic meter and 6.452 billion cubic meter respectively, including a reduction in agricultural water for 280 million cubic meter and 70 million cubic meter compared to their last decade’s respectively, and other industry water consumption would increase to some extent. This scheme can meet region’s socioeconomic and ecoenvironmental development demands for water resources according to the prediction.

the Yellow River basin； water resources; supply and demand balance; optimal allocation; optimization technique

2012- 12- 31优先出版时间2014- 01- 03

优先出版网址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.S.20140103.0830.023.html

张正苹(1988—)，女，硕士，E-mail:zhzp0723@126.com;通信作者：成自勇(1956—)，男，教授，E-mail：chengzy@gsau.edu.cn

甘肃省教育厅研究生导师项目(0902- 02)

张正苹，成自勇，沈国云，等.黄河流域向甘肃省可供水资源优化配置研究[J].华南农业大学学报，2014,35(2):105- 109.

S336

A

1001- 411X(2014)02- 0105- 05