城市群水资源协同配置模型及超长期配置方案研究

李丽琴，魏传江，谢新民，武学毅

（中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038）

城市群水资源协同配置模型及超长期配置方案研究

李丽琴，魏传江，谢新民，武学毅

（中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038）

针对城市群实施跨越式发展过程中出现的新情况和新问题，以长吉联合都市区为例，开展城市群水资源配置模型及超长期配置方案研究，通过构建面向城市群的水资源多维多目标配置模型和长系列逐月调节计算及对比分析，提出2050年超大时间跨度的水资源配置推荐方案和配置工程布局，为进一步优化城市群水资源配置总体格局和保障跨越式发展供水安全提供重要依据。

城市群；水资源协同配置；长吉联合都市区

1 研究背景

随着我国社会经济的快速发展，在一些经济发达的区域先后出现了诸如长三角、珠三角、台湾海峡西岸、成渝城市群等现象的城市集聚效应，即由单一城市向城市群方向转化和发展。相对于单一城市而言，城市群由具有一定数量、高度密集、不同等级和不同类型的城市组成，以一个或若干个特大城市为核心，城市之间存在一定内部联系等特性［1-2］。因此，从满足城市群协同发展和水生态文明建设的实际需求出发，科学调整和优化城市群水资源配置总体格局，已显得十分重要和紧迫。

2009年8 月底，国务院批复了《中国图们江区域合作开发规划纲要—以长吉图为开发开放先导区》，首次明确提出将长吉联合都市区作为经济腹地的概念以及城市群区域协同整合的理念［3］。长吉联合都市区是以长春市、吉林市为中心，四平市、辽源市、松原市3个地级市为依托，集聚整合各种资源要素（老工业基地、粮食基地、畜牧业基地和重要湿地保护区集聚地）于一体，对促进吉林省实现跨越式可持续协同发展和人水和谐的水生态文明社会建设具有举足轻重的作用。因此，如何利用新理论和新方法研究解决长吉都市区所面临的用水总量持续增长、不同城市之间竞争性用水矛盾加剧、河道外与河道内及各行业之间用水竞争激化、供水规模与水质标准及保证程度持续提高等多重挑战问题［4-5］，得到了吉林省各级水行政主管部门的高度重视和社会各界的广泛关注。本文基于“自然-人工”二元水循环互相耦合过程，以实现长吉都市区水资源与社会经济、生态环境之间及其各内部之间的协同配置为目标［6-7］，通过构建面向城市群的水资源多维多目标配置模型和长系列逐月调节计算及对比分析，提出2050年超大时间跨度的水资源配置推荐方案和配置工程布局，为长吉都市区优化调整水资源配置总体格局和确保供水安全等提供重要依据。

2 区域概况

长吉都市区多年平均（1956—2000年）年降水量为583.7 mm，水资源总量为135.9亿m3，水资源可利用量为85.8亿m3，现状（2012年）人均、亩均水资源量分别为696 m3和1 261 m3，分别为全国平均水平的30%和87%。根据“国际人口行动”提出的“可持续水——人口和可更新水的供给前景”报告采用的人均水资源评价标准：“少于1 700 m3为用水紧张国家；少于1 000 m3为缺水国家；少于500 m3为严重缺水国家”，长吉都市区属于较严重缺水区域。

长吉都市区现有供水水源以地表水源为主，地表水供水量占供水总量的64%；地下水源为辅，地下水供水量占供水总量的36%。在各行业用水量中，生产用水量占用水总量的90%；生活用水量占用水总量的8%，生态环境用水量占用水总量的2%。长春市作为长吉都市区主核心区，在未来区域发展中起主导和引擎作用，但长春市水资源不丰富且水质较差，而作为次核心区的吉林市土地资源、矿产资源及水资源相对较为丰富，但其发展驱动力、创新能力和科技实力等却相对弱一些。因此，从区域协同发展角度，如何根据各自的优势和不足，通过区域间各种资源的协调整合，开辟出一条区域间各要素资源合理流动和区域间协同发展的新模式。

3 模型构建

城市群水资源多维多目标协同配置模型是通过建立“自然-人工”二元水循环转化与调控平衡方程［8-9］，以水资源分区套行政区为基本计算单元的水资源供用耗排平衡方程、水利工程调度供水平衡方程、水源利用及其它各类约束方程为约束条件，以供水净效益最大及损失水量最小为目标函数的数学规划模型［10-11］。利用世界银行和美国GAMS公司研制的通用数学模型系统（Windows GAMS 2.50）对该模型进行求解计算，以实施水资源供需平衡的各项任务。通过对各种方案的分析计算和比选提出推荐方案，为水资源配置决策提供依据。

3.1 目标函数

3.1.1 社会目标 基于城市群水安全保障要求，每个城市单元采取多水源、水源地多分区优化配置［12］，针对单一水源供给多个对象的问题，根据不同城市单元等级差异，赋予不同供水权重。

式中：i为城市群的第i个城市单元，i=1，…，n；j为第j个水源地区域，j=1，…，m；αj为第j个水源地区域的权重，分别为第i个城市单元地表水、地下水、外调水和再生水供水水源的权重参数；XZS、XZG、XZD、XZT分别为城市单元中地表水、地下水、外调水和再生水供水量。

3.1.2 经济目标 为满足各个城市单元特色化发展需求同时又实现城市群整体的协同发展，选取缺水量作为社会经济效益评价标准，不同行业缺水量通过赋予不同的权重来满足各个城市的特色化发展和城市群的协同发展需求。

3.1.3 生态目标 考虑到城市群城市化进程加快易与水生态文明建设相脱节考虑，选择城市群绿地、公共卫生和湖泊湿地的缺水量为目标，其缺水量越小，社会经济发展与生态环境的平衡状态越好［13-14］；基于城市群区域集聚性和水资源配置系统中水资源的强可再生性，从环境效益考虑，再生水供给量越大，工业和生活污水排放量中污染物入河越少，水功能达标率相对越高。

3.1.4 综合目标 城市群水资源优化配置作为多目标优化问题，求解过程中通常采用权重赋值将多目标问题从形式上转化为单一目标问题。鉴此，本文给出城市群水资源多维多目标协同配置模型的目标函数为：

式中：λ1、λ2、λ3分别为社会目标、经济目标和生态目标的权重参数。

3.2 约束条件

3.2.1 水资源可供水量约束

式中：XZSijt为第t时段第i个城市单元在第j个区域内地表水资源使用量；Qst为城市群区域内第t时段地表水资源可利用量；XZGijt为第t时段第i个城市单元在第j个区域内地下水资源使用量；Qgt为城市群区域内第t时段地下水可开采量；XZDijt为第t时段第i个城市单元在第j个区域内外调水资源使用量；Qdt为城市群区域内第t时段外调水资源可利用量；XZTijt为第t时段第i个城市单元在第j个区域内再生水使用量；Qtt为城市群区域内第t时段污水处理厂处理能力。

3.2.2 社会经济约束

式中：Si为第i个城市单元内农田灌溉面积；S为城市群内总的农田可灌溉面积；Ii为第i个城市单元内工业单方水效益值；I规划为城市群内工业单方水效益规划目标（本文采用全国平均值149万元/m3）。

3.2.3 生态环境约束

式中：XRQl为第l条河道的实际过流量；Qlmin为第l条河道所需的最小生态流量。

3.2.4 其他约束

主要包括分水节点、水库和城市单元的水量平衡方程，变量非负约束等。

4 配置方案

4.1 方案设置根据水资源配置供给和需求两方面的影响因素分析，选取社会经济发展模式、节水方式、再生水利用情况和外调水工程规划情况等4个方面组合设置了3种方案。具体见表1。

方案Ⅰ在需求侧实施高速发展和适度节水，在供水侧加大再生水和外调水利用规模；方案Ⅱ在需求侧实施高速发展和强化节水，在供水侧加大再生水利用规模、保持现有外调水供水规模和新增白山自流引水工程；方案Ⅲ在需求侧实施适度发展和强化节水，在供水侧适度利用再生水和缓慢实现外调水工程供水规模。

表1 城市群配置组合方案

4.2 方案优选利用以上构建的水资源多维多目标协同配置模型，对各种组合方案进行1956—2000年45年长系列逐月调算，得到城市群不同组合方案、不同水平年的水资源配置结果，详见表2。表中需水量、供用水量指毛水量，配置过程中输水损失已在模型中通过设置渠系、管道等水利用系数进行了模拟控制。

表2 城市群不同方案优化配置结果 （单位：亿m3、%）

由表2可以看出，方案Ⅰ：2050年需水量为143.73亿m3，供水量为138.38亿m3，缺水深度为3.7%，城镇缺水深度为5.2%。其中外调水供水量为22.80亿m3，包括引松入长工程供水量为3.08亿m3，中部城市引水工程供水量为19.72亿m3，这时中部城市引水工程供水量比原设计规模要翻一番。方案Ⅱ：2050年需水量为131.64亿m3，供水量为130.54亿m3，缺水深度为0.8%，城镇缺水深度为1.5%。其中外调水供水量为20.67亿m3，包括引松入长工程供水量为3.08亿m3，中部城市引水工程供水量为7.39亿m3，白山引水工程供水量为10.20亿m3。该方案缺水深度相对较小，并且主要集中在农业方面，该方案2050年实施了自流的白山引水工程，而中部城市引水工程仍保持原设计规模。方案Ⅲ：2050年需水量为122.32亿m3，供水量为118.65亿m3，缺水深度为3.0%，城镇缺水深度为4.6%。其中外调水供水量为12.22亿m3，包括引松入长工程供水量为3.08亿m3，中部城市引水工程供水量为9.14亿m3，这时中部城市引水工程供水量达到了2030年设计规模。

从水资源配置总体格局分析：方案Ⅰ在中部城市引水工程原设计规模的基础上，扩建二期工程，从受水区范围和运行成本、安全供水角度分析可行性不大；方案Ⅱ新建一条白山引水工程较为有利，不仅可以大大降低辽源市和四平市的供水运行成本，由提水变为自流引水，实现低碳发展模式，而且白山水库水质比丰满水库更加优质。从供水安全角度，辽源市和四平市实现了双套外调水系统：一套是提水调水系统（中部城市引水工程）、一套是自流调水系统（白山引水工程），长春市实现了三套外调水系统：一套是提水调水系统（引松入长工程）、两套是自流调水系统（中部城市引水工程和白山引水工程），供水安全保障程度更高。从生态文明构建角度，白山引水工程对饮马河、伊通河上游各水系生态补水和修复、改善水生态环境系统具有得天独厚的优势；方案Ⅲ保持既定外调水规模，保持平稳式发展。

从水资源供需平衡角度分析：方案Ⅰ：对应经济社会高速发展和适度节水，外调水规模最大，开源投资最大，但节水力度较小，生态环境用水被国民经济发展用水大量挤占，不利于构建人水和谐的水生态文明社会；方案Ⅱ：对应经济社会高速发展和强化节水，外调水规模适中，开源投资适度，既可保证经济社会快速发展，又可节约大量水资源，从而避免生态环境用水被国民经济发展用水大量挤占，对于构建人水和谐的水生态文明社会十分有利；方案Ⅲ：对应经济社会适度发展和强化节水，虽然需要的外调水规模最小，但节水力度较大，虽然有利于生态环境改善，但不利于国民经济快速发展和经济财富的大量积累，对于构建人水和谐的水生态文明社会也不利。

综上所述，选择方案Ⅱ作为优先推荐方案。

4.3 优选结果分析由于篇幅限制，仅列出长吉都市区多年平均保证率下的2050年的配置结果，具体结果见表3。从表3中可以看出，2050年长吉都市区实现了分区域多水源供给和城市间各具特色的协同发展，实施中部城市引水工程和白山引水工程后总缺水量1.12亿m3，缺水深度0.85%，且主要集中在农村用水缺口上。由此可以看出，长吉都市区通过产业结构调整、大力推广节水和污水处理再利用以及修建外调水工程等，完全可以确保未来水资源安全供给，可满足人水和谐的水生态文明社会建设用水需求。

表4 长吉都市区推荐方案2050年水资源优化配置结果 （单位：亿m3、%）

5 结论

（1）长吉都市区未来水资源优化配置思路：吉林市和长春市作为东北的老工业基地，以保障其用水安全为主，因此主要都采用分区域多水源供给。吉林市当地地表水资源较为丰富，以地表水为主、地下水为辅，当地表水不能解决当地缺水问题时，适当增加地下水开采量；长春市、四平市和辽源市是外调水工程——引松入长工程、中部城市引水工程和白山引水工程的主要受水区，未来城镇新增用水需求主要以外调水工程予以满足；松原市地处第二松花江和嫩江的交汇处，水资源较为丰富，尤其是过境水资源十分丰富，同时也是吉林省粮食安全主产区，以发展农业为主，为保障国家未来的粮食安全问题，未来新增用水需求主要通过修建哈达山水库及配套引提水工程优先利用地表水，合理开采地下水予以解决。

（2）2050年推荐方案（方案Ⅱ）配置结果：长吉都市区多年平均供水总量为130.53亿m3，缺水量为1.12亿m3，缺水深度为0.85%。其中地表水供水量75.50亿m3，地下水供水量为31.80亿m3，再生水供水量为2.55亿m3，引松入长工程调水量为3.08亿m3，中部城市引水工程调水量为7.39亿m3，白山引水工程调水量为10.20亿m3。

（3）从社会目标上，2050年长吉都市区实现了分区域多水源供给，例如长吉都市区的核心城市长春市2050年总供水量为40.20亿m3，其中外调水量为14.02亿m3（引松入长工程调水量3.08亿m3、中部城市引水工程调水量7.40亿m3、白山引水工程调水量为3.54亿m3）、地表水供水量为13.99亿m3，地下水供水量为9.66亿m3，再生水供水量为2.54亿m3。

（4）从经济目标上，2050年长吉都市区实现了城市间各具特色的协同发展，例如，长春市作为城市群的区域中心，以金融贸易、都市商业、科教和生活服务为主要功能，因此其更侧重于第三产业的发展；吉林市利用其主要的自然矿产资源，以产业制造为主，主要侧重于第二产业的发展；松原市作为吉林省主要的粮食生产基地，为了保障粮食安全，主要侧重于第一产业的发展。

（5）从生态目标上，2050年长吉都市区“三生”需水比例为12∶85∶3。城镇公共绿地面积将达到7.662万hm2、河湖补水面积将达到1.231万hm2、环境卫生面积将达到2.365万hm2，总需水量将达到3.15亿m3。通过“三横三纵”（“三横”——引松入长工程、引松供水工程、白山引水工程及东辽河干流，“三纵”——第二松花江干流、饮马河干流、伊通河干流）的水资源配置格局使得城市群内形成天然水系河道和骨干输水工程良好连通、引排得当、循环通畅、蓄泄兼筹、丰枯调剂、多源互补和调控自如的河库水系连通体系，为国家城市化发展提供了安全保障，为水生态文明构建提供了科学依据。

［1］顾朝林，城市群研究进展与展望［J］.地理研究，2011（30）：771-784.

［2］罗军.中国城市群发展特点与趋势［J］.同济大学学报：社会科学版，2011，22（6）：44-65.

［3］国务院批复《中国图们江区域合作开发规划纲要——以长吉图为开发开放先导区》［J］.城市规划通讯，2009（22）：3.

［4］谢新民，苟新诗，杨丽丽，等.城市水资源配置工程网规划理论与实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［5］王浩.水资源研究所50年研究历程回顾［J］.中国水利水电科学研究院学报，2008，6（3）：162-169.

［6］谢新民，赵文骏，裴源生，等.宁夏水资源优化配置与可持续利用战略研究［M］.郑州：黄河水利出版社，2002.

［7］王浩，秦大庸，王建华，等.黄淮海流域水资源合理配置［M］.北京：科学出版社，2003.

［8］王浩.我国水资源合理配置的现状和未来［J］.水利水电技术，2006，37（2）：7-14.

［9］谢新民，符传军，柴福鑫，等.水系规划理论与实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［10］魏传江，韩俊山，韩素华，等.流域/区域水资源全要素优化配置关键技术及示范研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［11］魏传江，王浩.区域水资源配置系统网络图［J］.水利学报，2007，38（9）：1103-1108.

［12］谢新民，柴福鑫，李和跃，等.城市水资源监控管理系统关键技术及应用［M］.北京：中国建材工业出版社，2012.

［13］王浩，宿政，谢新民，等.流域生态调度理论与实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［14］Rijisberman，et al.Different approaches to assessment of design and management of sustainable urban water system［J］.Environment Impact Assessment Review，2000，129（3）：333-345.

（责任编辑：王成丽）

《中国水利水电科学研究院学报》2014年度优秀论文公告

依据《〈中国水利水电科学研究院学报〉优秀论文和优秀审稿人奖励办法》的规定，为促进水利科技的创新发展，不断提高《中国水利水电科学研究院学报》的论文质量和学术影响力，鼓励为院学报撰写高水平学术论文的作者，经编委会投票推荐，编委会主任委员审定，以下6篇论文评为2014年度《中国水利水电科学研究院学报》优秀论文，名单如下：

《中国水利水电科学研究院学报》2014年度优秀论文名单

《中国水利水电科学研究院学报》编辑部

Water resources collaborative allocation model and ultra long-term scheme in megalopolis

LI Liqin，WEI Chuanjiang，XIE Xinmin，WU Xueyi
（Department of Water Resources，IWHR，Beijing 100038，China）

In terms of the new situation and problems caused by the rapid development of megalopolis，exploring the water resources collaborative allocation model and ultra-long-term water allocation scheme are the solutions for the sustainable use of water resources for megalopolis.We choose Chang-Ji megalopolis as the case study.A multi-dimensional and multi-objective model was established to optimize water resources allocation for the megalopolis.This paper compared the results of long-term monthly water resources regulations under different schemes and proposed an ultra-long-term water resources allocation layout and water construction distribution of Chang-Ji megalopolis in 2050.The model with multi-dimensional and multi-objective functions provides a feasible approach to optimizing the overall layout of water resources allocation and offers fundamental support to guarantee a reliable water supply during the rapid urbanization.

megalopolis；water resources collaborative allocation；Chang-Ji megalopolis

TV213

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.06.001

1672-3031（2015）06-0401-07

2015-02-02

水利部公益性项目（201401003）；中央分成水资源费项目（1261530110043）；十二五水专项（2012ZX07201-006）

李丽琴（1988-），女，河南禹州人，博士生，主要从事水资源规划与优化配置研究。E-mail：liliqin__cool@126.com

谢新民（1963-），男，山东人，博士，教授级高级工程师，主要从事水资源规划、配置和管理研究。E-mail：xiexm@iwhr.com