多目标规划在保定市水资源优化配置的应用研究

王　玲

(河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071000)



多目标规划在保定市水资源优化配置的应用研究

王玲

(河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071000)

[摘要]水资源短缺已成为严重制约保定市经济发展的重要因素。因此，对水资源进行优化配置研究，对水资源规划与管理有重要意义。运用多目标规划理论建立了一个考虑当地地表水、地下水及其水源多水源联合供水条件下的保定市水资源优化配置模型。模型以经济和社会的综合效益最大为目标，分析确定了模型各参数，并调用matlab优化工具箱中的函数进行编程求解，得到保定市规划水平年(2015年，2030年)的水资源优化配置方案，为该市水资源规划与管理提供依据。

[关键词]多目标规划；水资源；优化配置；保定市；Matlab；多水源；fgoalatian

水资源优化配置是指依据可持续发展的需要，通过工程和非工程措施，调节水资源的天然时空分布；统一地调配当地地表水、地下水、处理后可回用的污水(回用水)、从区域外调入的水及微咸水；注重兴利与除弊的结合，协调好各地区及各用水部门的利益矛盾，尽可能提高区域整体的用水效率[1]。我国水资源配置研究过程从最初的小规模、单目标的灌溉用水优化发展到较大规模、多目标、全局优化算法的区域、流域或跨流域水资源优化配置。贺北方利用大系统分解协调理论对郑州市的水资源进行优化配置中[2]；付湘等采用常规趋势预测法对武汉市的水资源承载能力进行研究[3]；龙训建等对甘肃省酒泉市瓜州县采用多目标规划法，实现了区域水资源效益最大化[4]；马国军等人运用多目标多阶段分析法，建立了石羊河流域水资源优化配置模型[5]。

保定市属于资源型缺水城市，多年平均年水资源量为30.52亿 m3，人均用水量为330.9 m3，不足全国的1/7，近年来，随着经济的快速发展、人口的增加，水资源供需矛盾日益突出。同时，还承担保障北京供水的重任，因此，水资源短缺已成为限制保定发展的瓶颈。在这种背景下，通过水资源优化配置，有效分配当地水和外调水，是实现保定水资源可持续利用的有效途径之一。

1保定市基本概况

保定市辖区位于河北省的中西部，地处京津石的中心地带，东经114°40′～116°20′，北纬38°15′～39°35′，面积22 112 km2，地势自西北向东南倾斜。境内各河流属于大清河水系，有13条主要河流、4座大型水库，6座中型水库，东部有“华北明珠”之称的白洋淀[6]。根据保定市第二次水资源评价报告[7]，考虑本地区的地形、地貌，将保定市分为大清河北支山区、大清河南支山区、淀东清北平原、淀东清南平原、淀西清北平原、淀西清南平原6个水资源分区计算(见表1)。

2保定市水资源优化配置模型的建立

保定市供水水源有4个，包括本地地表水，地下水，外流域调水和污水处理，用水户为用水单位的生活、生态环境、工业和 农业4个部门。

表1　保定市水资源分区图

水资源优化配置的目的是为了支撑整个区域社会、经济、环境的全面协调和持续发展。水资源利用的是多目标的。水资源优化配置就是多目标优化问题。其目标不是追求某一方面或对象的效益最好，而应追求整体效益最好[8]。

故采用多目标规划对保定市的水资源进行合理配置。水资源优化配置多目标问题一般表达式如下[9]：

(1)

式中 ：X为决策变量；F(X)为综合效益函数；G(X)为约束条件集。

对于保定市来说，水资源配置的主要目的是着重研究如何联合运用多种水源(包括当地水源和外调水源)以缓解水资源短缺而引起的用水竞争问题，最终设定了以下2个目标函数。

经济效益目标[10-13]:以优化区域供水净效益最大为目标。

(2)

社会目标:由于社会效益不容易度量，可以用区域缺水量最小来间接反映。因为区域缺水量大小或缺水程度会直接影响到社会的发展和稳定，是社会效益的一个侧面反映。

(3)

3水资源优化配置模型求解及结果分析

3.1求解方法

以2015年、2030年为规划水平年，将前述分析计算的各相关参数带入模型中，利用Matlab优化工具箱中的fgoalattian函数进行编程[14,15]，求解水资源优化配置多目标规划模型。

3.2优化配置结果

保定市水资源优化配置以经济和社会的综合效益目标最大为目标，分别表示保定市供水净效益最大和总缺水量最小。

模型中设定了部门需水量上下限。在保证部门最低用水量的同时，不能超过最大用水量。尽量把水资源分配到效益最大的部门中去，得出保定市2015年、2030年水资源优化配置结果，如表2、表3。

分析以上表格，可知保定市规划水平年2015年50%保证率缺水最严重的是大清河南支山区，75%保证率缺水最严重的是淀东清南平原。水平年2030年，50%保证率缺水最严重的是淀西清南平原，75%保证率缺水最严重的是淀东清南平原。总体上保定市2015年，2030年50%保证率下基本能满足用水需求，75%保证率下缺水程度较严重，个别分区缺水程度达到50%。

缺水最严重的是农业部门，其次是工业部门，而生活用水则基本能够满足庸俗要求，这体现了在配置过程中生活用水优先考虑的原则。另不同计算分区各用水部门的缺水程度不同，也正是模型中设置用水部门公平系数和子区权重系数的一种体现。

另外,将水资源优化配置结构同保定市水资源二次评价中水资源评价结果比较,见表4。

通过对比分析，结果表明，在各水平年不同保证率条件下，保定市水资源经优化配置后的总供水量比二次评价中的评价结果有所减少，主要是由于地下水的供水量有所减少，因为模型中设定地下水只能被本水资源分区采用导致。总体上来说，保定市山区的供水量是比较充足的，在保证山区供水的同时，如何把多余的水分布到平原地区，模型较好的解决了平原地区的缺水状况的问题。因此,此模型及其求解方法具有一定的适用性和可操作性,所得配置结果是合理的,可为保定市水资源规划和管理提供依据。

4结语

本文对保定市水资源优化配置问题所作的一次尝试，多目标规划在一定程度上解决了保定市水资源分配中不平衡，能有效缓解平原地区的缺水程度，对保定市水资源的持续利用和管理具有一定的指导意义.

水资源配置问题非常复杂，往往不存在最优解，仅仅通过优化技术难以得到满意的结果，而且结果难以执行并指导生产，但可以通过优化确定未来流域水资源的发展方向。如果水资源配置能发挥效果，必须通过适当的工程措施，只有技术和相结合，才能真正解决保定市水资源发展的瓶颈。

表2　保定市2015年水资源优化配置成果 　万 m3

表3　保定市2030年水资源优化配置成果　万 m3

表4　保定市水资源优化配置对比表 　万 m3

参考文献

[1]许新宜，等.华北地区宏观经济水资源规划理论与方法[M].郑州:黄河水利出版社.1997.

[2]贺北方.区域水资源优化分配的大系统优化模型[J].武汉水利电力学院学报.1988,21(5):109-118.

[3]付湘,李娟,梅亚东.武汉市水资源承载能力研究[J].水电能源科学.2006,24(1):84-86.

[4]龙训建,钱鞠,张春敏.基于Matlab平台求解水资源多目标规划问题—以瓜州县为例[J].节水灌溉.2007,(6):65-68

[5]马国军, 刘君娣, 林栋，等.石羊河流域水资源利用现状及生态环境效应[J].中国沙漠.2008,28(3),592-596.

[6]安波.保定市水资源现状及其开发利用潜力分析[J].地下水.2010,32(1):85-86.

[7]杨春霄,贾茂平,顾志强，等.保定市第二次水资源评价报告[R].保定市水利局.2006.

[8]翁文斌,王忠静.现代水资源规划——理论、方法和技术[M].北京:清华大学出版社.2004.

[9]尚松浩.水资源系统分析方法及应用[M].北京:清华大学出版社.2006.

[10]何士华,程乖梅.水资源可持续利用分层分级评价研究[J].昆明理工大学学报(理工版).2006,31(3):38-43.

[11]李湘娇,王先甲.珠江三角洲水资源可持续利用综合评价分析[J].水文.2005,25(6):11-15.

[12]陈建军,卞艺杰.层次分析法在水利工程建设项目风险评估中的应用[J].水利经济.2007,25(1):32-36

[13]顾凯平,高孟宁,李彦周.复杂巨系统研究方法论[M].重庆:重庆出版社.1992.

[14]王沫然.MATLAB与科学计算[M].北京:电子工业出版社.2003.

[15]苏金明.MATLAB工具箱的应用[M].北京:电子工业出版社.2004.

Multi-objective Optimizing Allocation Model for Water Resources in Baoding City

WANGLing

(Baoding Hydrology and Water Resource Survey in Hebei Province,Baoding 071000, Hebei)

Abstract:Shortage of water resources has become an important factor which restricts the economic development of Baoding city. Therefore, how to optimize the allocation of water resources has become a hot issue in water resources planning and management. The optimization model of Baoding city was given under the conditions of multiple water resources, local surface water, groundwater, other water resources with multi-objection optimization planning. The method was aim for the comprehensive benefits of society and economy. It confirmed model parameters and invocated optimization toolbox of Matlab software to write program. Ultimately, the program of water resources rational allocation were given in 2015 and 230 planning target year of Baoding city. The result provided basis for water resources planning and management.

Key words:Multi-objection planning；water resources；optimal allocation；Baoding city；Matlab；multiple water resources；fgoalattian

[收稿日期]2015-08-17

[作者简介]王玲(1983-)，女，山西长治人，工程师，主要从事水文分析计算及水资源工作。

[中图分类号]TV211.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0107-04