北京市朝阳区水资源优化配置研究

张永祥，王慧峰，，王 昊，朱亚雷，唐 颖

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124;2.北京市朝阳区水务局，北京 100026)

北京市朝阳区水资源优化配置研究

张永祥1，王慧峰1，2，王 昊1，朱亚雷2，唐 颖1

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124;2.北京市朝阳区水务局，北京 100026)

针对北京市朝阳区水文水情进行研究，得出2015年地表水资源可利用量(2 700万m3)、地下水资源可利用量(10 295万m3)和再生水资源量(6 188万m3);对该区2015年各行业需水量及各种水质水资源量进行了预测，生活需水量、生态需水量、需水总量分别为2.36、0.49和4.06亿m3;在充分考虑了资源、环境、经济协调发展的基础上构建了水量配置模型并进行求解，为系统地解决朝阳区水资源问题，实现水资源的可持续发展提供了有效的手段。

水资源管理;水量配置;优化模型;朝阳区;北京

我国是用水大国，水资源短缺的问题十分突出，对水资源的合理化管理和有效利用有助于人类社会可持续发展［1］。如何结合水资源特点，对其进行合理化管理，是我国水资源管理工作中的重点内容［2］。本文针对北京市朝阳区水文水情，对该区的可利用水量进行分析，预测其需水量，同时进行水资源供需平衡分析，建立了水量配置模型并求解，得出水资源水量配置方案。

1 朝阳区可利用水量分析

1.1 地表水可利用量

由于地表水资源受河道排污的限制，地表水资源基本为不可利用，主要依靠雨洪利用，因此，地表水可利用量按照朝阳区降雨量进行计算。朝阳区年平均降水量总计2.7亿m3，2015年，按雨水直接利用率10%计算，则可利用量为2 700万m3。

1.2 地下水可开采量

根据《朝阳区水资源综合规划》，2000年朝阳区地下水可开采量为11 090万m3，但从2000年至今，朝阳区的产业结构发生了很大变化，特别是农业种植面积大幅下降，城市化水平提高迅速，农业灌溉回灌量和降雨入渗量发生了较大变化。因此，在2000年计算地下水可开采量的基础上，经过修正，现状朝阳区年地下水可开采量为10 295万m3。

1.3 再生水回用量

根据预测，2015年朝阳区城市综合用水和工业用水总量为3.44亿m3，依据朝阳区综合用水和工业用水排放情况，按照排放系数0.8计算，年污水量为2.75亿m3。根据排水专项规划，2015年污水处理率达90%，再生水回用率25%，则再生水利用量约为6 188万m3/a。

1.4 可利用境外水量

目前，境外水量主要是市政自来水，对朝阳区年供水能力近年稳定在17 100万m3，南水北调到北京后分配给朝阳区的水量，目前无法估算。所以，境外水量按17 100万m3/年计算。

1.5 可利用水总量

综合考虑地表水可利用量、地下水可开采量、再生水回用量和可利用境外水量，得出2015年朝阳区可利用水总量为3.63亿m3。

2 生活需水量预测

2.1 生活需水量预测

生活需水量指在城市规划区范围内，由公共供水系统以及自建供水设施提供的居民用水、生产运营用水、公共服务用水、消防及其他特殊用水的总用水量。

朝阳区2009年常住人口为308.30万人，随着城市化进程加快，人口规模会发生很大的变化。人口预测方法有很多种，根据朝阳区区域社会发展特点分析，用土地承载力法预测人口规模较为合理。建设用地潜力和有关人均用地标准预测人口规模，计算公式

式中:Pt为预测目标年末人口规模;Lt为根据土地开发潜力确定的预测目标年末城市建设用地规模，Lt的确定根据《朝阳区土地利用总体规划(2006—2020)》，朝阳区2008年城乡建设用地规模为 31 853.33 hm2，占总用地面积比例为70.04%，2020年规划预期城乡建设用地规模控制指标为 26 900 hm2，占总用地面积比例为59.15%;lt为预测目标年宜采用的人均建设用地标准，lt的确定据《城市用地分类与规划建设用地标准》，朝阳区宜在第Ⅲ级内确定，朝阳区现状人均建设用地水平为103 m2/人，预测在规划期末朝阳区人均建设用地水平为70 m2/人。

据预测，朝阳区人口在2015年末为384.67万人，区内城市人均生活用水情况为168 L/(人·d)，计算得出全区年生活需水量为2.36亿m3。

2.2 生态需水量预测

林草地需水:主要为林草地灌溉需水。根据《朝阳区土地利用总体规划 (2006—2020)》，2015年林草地面积控制在8 527 hm2，根据用水定额3 000 m3/hm2，则需水量约2 558万m3/a。

河流水系需水:主要为河流、水面、湿地、公园等的需水，包括水面蒸发与河流湖泊换水。根据《朝阳区土地利用总体规划(2006—2020)》，2015年水域用地面积控制在447 hm2，蒸发耗水量约335万m3/a;根据河流断面流量等资料统计，河流湖泊一年需换水4次，换水量约2 000万m3/a。河流水系年需水量约2 335万m3。

2015年，朝阳区生态需水量约为4 893万m3。

2.3 需水总量预测

工业需水量和农业需水量按规划列出，不再具体计算。2015年，朝阳区需水总量为4.06亿m3，详见表1。

表1 朝阳区2015年需水量预测Table 1 Prediction of Chaoyang districtwater demand in 2015亿m3

3 水资源供需平衡分析

3.1 第1次供需平衡分析

2015年在地下水不超采和大力实施“雨洪利用”工程及中水利用工程的情况下，需水?量大于供水量，处于水资源短缺状态，无法达到合理的供水保证率，短缺水资源量为4 300万m3(表2)。

表2 朝阳区水资源第1次供需平衡表Table 2 Water resources supply and demand balance in Chaoyang district 亿m3

3.2 第2次供需平衡分析

根据节约用水专项规划，在加大节水力度的情形下，朝阳区年节水潜力量约为4 100万m3，需水量仍大于供水量，短缺水资源量为200万m3，如不能进一步加大节水力度或者增加外调水量，水资源供需矛盾只能靠超采地下水来解决。

3.3 第3次供需平衡分析

在有“外调水”的前提下，即“南水北调”到北京后，朝阳区水资源供需矛盾能够解决。届时，雨洪利用工程和中水利用工程将达到稳定，地下水资源修复和涵养工作开始进行。为了达到此目标，满足一定的供水保证率，朝阳区在现有供水规模基础上，需要“南水北调”水量至少为4 300万m3/a。

4 朝阳区水资源优化配置

4.1 水资源合理配置的原则

水资源合理化配置是通过调整社会、经济、生态环境与水资源之间的关系，来实现水资源的利用和发展的可持续性［9］。水资源配置涉及从国家到地方的多个决策层次，部门与部门之间多种决策主体，远期与近期之间多个决策时段，社会发展、经济投资、生态环境保护多个决策目标，是多层次、多阶段、多主体、多目标的优化配置问题［12］。应该遵循以下原则。

1)有效性原则。水资源作为经济商品，应该以其利用效益作为核算成本的重要指标。水资源配置有效性原则要追求社会效益和生态环境效益，并且保证经济、社会和生态环境协调发展，在此基础上考虑经济投资因素。因此要在水资源优化配置过程中建立相应的社会、经济和生态目标，同时要考虑各目标之间权重分配，使其拥有最佳优化效果。

2)公平性原则。公平性原则包括:① 水资源作为共享资源，在不同区域之间的使用权利具有共享性;②在保证社会因素、经济因素和生态环境因素平衡发展的前提下，各行业对于不同类型水源的使用权利具有共享性。③每一代人，在水资源的使用上具有相互平等的权利。

3)系统性原则。水资源系统是一个既分散又统一的复合系统。水资源合理配置是对水量分配、调度的整体协调优化过程，是水资源开发利用过程中经济投资的最佳化，是一个针对水资源匮乏现象，如何从整体宏观上统一调控的问题。

4)协调性原则。协调性原则包括:① 社会因素、经济因素、生态环境因素与水资源现状间的协调;②不同发展时期的水量需求之间的协调;③水资源利用在不同区域和不同行业之间的协调;④不同类型水源开发程度的协调。

5)优先性原则。在不同行业对水资源的利用中，第一满足生活用水、第二满足生态环境用水、第三满足生产用水，并且在保证上述优先次序的同时，还要保证经济投资最小。在使用各种类型的水源时，首先考虑地表水和回用水的使用，最后考虑地下水的使用。

4.2 理论模型构建

城市水资源优化配置的总体目标是实现当地多个用水部门和多个水源类型的合理分配。水资源系统是一个多目标、多因素、多矛盾的复杂系统，用水部门和行业之间有着不同的用水需求，这些需求往往是冲突的。考虑到不使优化模型规模过分庞大，本文选用多目标优化。参与优化的用水部门主要有工业、环境、生活、农业4类，其模型形式为

式中:x为决策变量，非负;i=1，2，3为优质水、地表水、再生水可供水水源;G(x)为约束条件集; f1(x)为工业用水效益目标;f2(x)为环境用水效益目标;f3(x)为生活用水效益目标;f4(x)为农业用水效益目标;Bg为单位工业用水效益，万元 /m3; B2为单位生活用水效益，万元/m3;B3为单位生态用水效益，万元/m3;B4为单位农业用水效益，万元/m3。

约束条件参数:

1)不同水源供水约束为

式中:Q为所有水源总供水量;Qi为优质水、地表水、再生水可供水量。

2)不同用户需水量约束。不同用水部门的需水量不同，根据用水定额确定各个部门的需水量，使得优化配置结果能够满足最小需水量。

式中:Qimin，j为用户j的最小需水量;Qimax，j为用户j的最大需水量。根据朝阳区规划的发展目标和相应的最大最小用水定额可确定约束范围，详见表3。

表3 2015规划年不同用户的需水量值Table 3 Expected water demand of different users in 2015

3)污水排放量与污水处理能力关系的约束为

式中:Mi—i污水厂处理污水能力;k—污水处理厂处理系数，取0.9;w—用户排污系数，取0.8; Qi—不同用户用水量。

①单位工业用水效益:

式中，β—工业供水效益分摊系数;Qg—工业配水量，m3;W—工业万元产值耗水量，m3/万元;参照水利经济研究会的预测结果，取Bg=1.457×万元/m3。

②其他部门用水效益系数。

在生产中，生产函数是在一定条件下，生产要素与最大产出量之间的关系。水是用水部门的一个生产要素，要将用水效益作为一种产量，根据生产函数理论来分析用水量与用水效益之间的关系。通过生产函数理论可以得出，在一定范围内，随着生产要素的增加，产量逐渐增大，边际产量逐渐减小，生产要素达到一定程度，产量反而减小。

Ⅰ单位生活用水的效益为

式中:α2，β2—折算系数;α2＞1，0＜β2＜1，通常采用层次分析法确定。由于生活用水所需保证率较高，根据供水优先顺序，取α2=1.8，β2=0.8; γ2—生活用水效益系数;Q2—生活用水量，m3; Q2min—生活最小用水量，m3;Q2max—生活最大用水量，m3。

Ⅱ单位生态用水的效益为

式中:α3，β3—折算系数;α3＞1，0＜β3＜1，λ3＞0，取α2=1.5，β2=0.6;γ3—生态用水效益系数; Q3—生态用水量，m3;Q3min— 生态最小用水量，m3;Q3max—生态最大用水量，m3。

Ⅲ单位农业用水的效益为

式中:α4，β4—折算系数;α4＞1，0＜β4＜1，λ4＞0，取α2=1.2，β2=0.4;γ4—农业用水效益系数;Q4—农业用水量，m3;Q4min—农业最小用水量，m3;Q4max—农业最大用水量，m3。

4.3 模型求解

(1)决策变量。将朝阳区水源分为3种，即i =3;用水户分为4类，即j=4。由不同水质水源和用水户确定的决策变量情况详见表4。

表4 决策变量的确定Table 4 Decision variables to determine

(2)目标函数为

式中:φ1、φ2、φ3、φ4是各自目标所占的权重，由层次分析法确定，依次为0.26、0.56、0.06、0.12。

模型优化时，将朝阳区视为一个整体区域如图1所示，根据上述模型的目标函数和约束条件，对模型采用线性加权法求解，其中第1次供需平衡分析得出的优化配置方案如表5。

图1 朝阳区水资源优化配置示意方案Fig.1 Water resources optimal allocation in Chaoyang district

表5 优化方案配置Table 5 Optimization configuration 亿m3

优化方案实现了供水水源约束的现状水资源最优分配。同样，采用第2次供需平衡分析和第3次供需平衡，可以得到节约用水和利用南水北调水条件下，满足用水类型的水资源最优分配。

5 结论

水资源供需分析是研究水资源规划与管理的重要内容。研究表明:北京市朝阳区2015年地表水资源可利用量为2 700万m3，现有情况下，年地下水资源量、再生水利用量、境外水量和可利用水总量分别为10 295万m3、6 188万m3、17 100万m3和3.63亿m3;年生活需水量、生态需水量、需水总量分别为2.36亿m3、4 893万m3和4.06亿m3。

针对朝阳区水资源短缺的状况，分析了多种水资源类型。以可持续发展为指导思想，构建了城市多种水源类型、多个用水部门的水资源优化配置模型，进行水资源合理配置的探讨和研究，充分考虑了社会因素、环境因素、经济因素协调发展，对2015年朝阳区第1次供需平衡水量建立水资源优化配置模型，采用线性加权法对模型求解，得出第1次供需平衡分析的水量优化配置方案。通过水资源合理配置，改变了以地下水和地表水作为单一水源的传统供水方式。这样一方面节约了优质水源，提高了水资源的使用效率;另一方面使产生的污废水量减少，有助于城市水环境的改善。

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Study on water resources allocation of Beijing Chaoyang district

ZHANG Yong-xiang1，WANG Hui-feng2，WANG Hao1，ZHU Ya-lei2，TANG Ying1
(1.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;2.Water Authority of Chaoyang District of Beijing，Beijing 100026，China)

Based on the hydrologic research of Chaoyang district，the quantites of available surface water resources(27 Mm3)，available groundwater resources(102.95 Mm3)and renewable water resources(61．88 Mm3) are obtained in 2015．Through the quotamethod，the demand of all industry and the quantity of all kinds ofwater can be predicted．Life water demand，ecological water demand，totalwater demand were 236，49，406 Mm3．At the same time a reasonable allocationmodel ofmulti-sourcewater formulti-user is developed based on harmony of resource，environment and economy．The study can solve the problem ofwater resources of Chaoyang district systematically，and provide reference for sustainable development of water resources．

water resourcesmanagement;reasonable allocation;optimizationmodel;Chaoyang district;Beijing

TU991.31

:A

2015－05－31

国家科技支撑计划项目 (2011BAC12B00)

张永祥 (1962—)，男，教授，研究方向:水资源管理和污染控制模拟技术，yxzhang@bjut.edu.cn。

张永祥，王慧峰，王昊，等．北京市朝阳区水资源优化配置研究［J］．桂林理工大学学报，2016，36(4):787－791．

1674－9057(2016)04－0787－05

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.023