生态视角下半干旱区水资源优化配置研究——以辽宁省建平县为例

付彦伟

(辽宁省阜蒙县旧庙镇水利服务中心， 辽宁 阜蒙 123105)

生态视角下半干旱区水资源优化配置研究
——以辽宁省建平县为例

付彦伟

(辽宁省阜蒙县旧庙镇水利服务中心， 辽宁 阜蒙 123105)

文章以辽宁省建平县为例，将生态环境需水纳入用水部门，基于多目标优化理论，构建出综合效益最大化为目标的生态半干旱地区水资源合理配置模型，并以设定水平年在不同保证率下的水资源供需状况为依据拟定相关参数进行函数求解，获得相应的优化方案。

水资源； 优化配置； 半干旱区； 生态需水

我国的水资源时空分布差异大，人均水资源量低。北方干旱、半干旱地区占全国面积的近50%，但是水资源量仅有全国的7%，水生态环境异常脆弱，水资源缺乏已经成为制约上述地区经济社会发展的重要瓶颈因素。因此，加强生态视角下半干旱地区的水资源优化配置研究，对上述地区的生态环境保护和水资源可持续利用具有重要意义。

1 研究区概况

建平县位于辽宁省西部，地处东经119°14′～120°03′，北纬41°19′～41°23′。建平县东西宽75km，南北长125km，总面积约4900km2[1]。建平县属于辽西丘陵地区，位于燕山山脉向辽沈平原的过渡地带，境内群山起伏，沟壑纵横。其中山区面积约占30.4%，丘陵面积约占43.3%，平川面积约占26.3%。

建平县属北温带半干旱大陆季风气候区，雨热同季，全年平均气温7.6℃，最高气温37℃，最低气温-36.9℃，年均日照时数2850～2950h[2]。年降水量平均514.7mm，多集中在6—8月。多年平均蒸发量为1517mm。建平县有大小河流12条，其中较大河流有老哈河、蹦蹦河、海棠河等，多年平均径流量为2.94亿m3[3]。

建平县辖5个街道、16个镇、8个乡、2个畜牧农场，总人口约57.5万。2014年，建平县国民经济发展势头良好，其中工业增加值完成67亿元，比上年增长32%，占GDP的比重为51%。2013年全县有耕地127.3万亩，其中灌溉面积73.16万亩，全县农业产值为33.7亿元。

2 水资源优化配置模型的构建

2.1 建立多目标水资源优化配置模型

根据建平县的水资源现状及水资源的优化配置需要，模型的构建目标确定为第一产业，生活，生态及第二、三产业四方面的用水综合效益最优[4]，其数学表达式如式(1)：

maxZ(X)=max{f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)}

(1)

式中x——决策变量；f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)——第一产业效益，生活效益，生态效益，第二、三产业效益目标；G(x)——约束条件集合。

2.2 子区划分及水源类型

以建平县的行政区划为主要依据，结合实际的水资源分布与供水情况，将全县划分为建平镇、喀喇沁镇、沙海镇、哈拉道口镇、老官地镇、奎德素镇、小塘镇、昌隆镇、青峰山镇、青松岭乡、杨树岭乡、烧锅营子乡、太平庄乡、三家蒙古乡、义成功乡等15个研究分区。研究中的供水水源用HY(i)表示，设定建平县包括地下水、地表水和中水三种供水水源类型[5]。

2.3 目标函数

a. 第一产业用水效益目标函数的表达式如式(2)：

(2)

γ1，β1——折算系数，本文中γ1取1.1，β1取0.2。

b. 生活用水效益目标函数的表达式如式(3)：

(3)

γ2，β2——折算系数，本文中γ2取1.7，β2取0.4。

c. 生态环境用水效益目标函数的表达式如式(4)：

(4)

γ3，β3——折算系数，本文中γ3取1.5，β3取0.3。

d. 第二、三产业用水效益目标函数的表达式如式(5)：

maxf4(x)=BgQg4

(5)

其中

式中Bg——第二、三产业综合用水效益，万元/m3；

Qg4——第二、三产业用水量，m3；

β——两产业供水效益分摊系数，本次研究中取0.1；

W4——工业万元产值耗水量，m3。

2.4 约束条件

a. 各行业获得的分配水量之和不大于供水水源总和。

b. 各类水源的可供水量小于等于自身供水能力。

c. 各部门所获得的分配水量应介于该部门的最小需水量和最大需水量之间[6]。

d. 考虑到建宁县作为半干旱地区在水生态系统方面的脆弱性，水量分配后的主要污染物含量不应大于污染物排放总量。

e. 所有变量应为非负。

2.5 参数和系数说明

a. 决策变量。结合建宁县水源、水质以及水量的特征，在该地区取用3种水源、4类用水户。依据上述不同水源和用水户的特点，确定的决策变量见表1。

表1 决策变量界定结果

b. 需水量上下限。根据建宁县的水资源规划，2030年各部门在不同保证率下的需水量上下限见表2。

表2 2030年不同用户需水量上下限 单位： 万m3

3 优化配置结果及分析

3.1 优化配置结果

利用MATLAB中的linprog函数，基于理想点法对上节中的优化配置模型进行求解[7]。其中理想点的构造评价函数如式(6)：

(6)

对φ[Z(x)]进行极小化处理，并将其最优解作为模型在这种意义下的“最优解”[8]。

(7)

计算确定建平县2030年50%和75%保证率下的水资源优化配置结果见表3和表4。

表3 建平县2030年50%保证率下的水资源优化配置结果 单位： 万m3

表4 建平县2030年75%保证率下的水资源优化配置结果 单位： 万m3

续表

3.2 合理性分析

按照上节的优化配置结果，建平县2030远景年50%保证率下的地表水供水量为8891.16万m3，占总供水量的43.18%；地下水供水量为9083.73万m3，占总供水量的44.11%，与2015年的56.43%相比降低了12.32%；在75%保证率下的地表水供水量为9984.86万m3，占总供水量的45.29%；地下水供水量为9322.54万m3，占总供水量的42.72%，与2015年的59.05%相比降低了16.33%。

以不同用水类型来分析，生活用水在不同保证率下均为1894.94万m3，在50%保证率下占供水总量的8.4%，在75%保证率下占供水总量的8.6%，这一比例均比2015年有小幅增加，究其原因主要是该地区的人口总量在增加，增加的水量由农业节水提供；第一产业用水在50%保证率下为100612.64万m3，占供水总量的47%，在75%保证率下为118430.54万m3，占供水总量的54%，这一比例均低于2015年的数值，其原因在于农业节水措施运用与强化水资源管理的结果；第二产业和三产业用水在不同保证率下均为8066.44m3，在50%保证率下占总供水量的35%，在75%保证率下占总供水量的36%，跟2013年相比比例有所増加，这与当地第二、三产业的高速发展趋势基本一致；生态环境需水量约为23.4万m3，用水量较2015年增加明显，水生态环境可以得到较好的保护和恢复，需要增加的水量主要由农业节水提供。

综合上述，2030年建平县在50%保证率下的水资源可利用总量为22395.91万m3，优化配置水资源量为20593.26万m3，余水量为1802.65万m3；在75%保证率下的水资源可利用总量为21824.51万m3，优化配置水资源量为21824.51万m3。因此，从长期来看，只有依靠产业结构调整，进一步强化节水措施，才能从根本上解决建平县的水资源供需矛盾。

4 结 论

a. 根据建平县的水资源现状，将生态效益纳入考虑范围，构建出包含第一产业用水效益，生活用水效益，生态用水效益和第二、三产业用水效益的多目标水资源优化配置模型。

b. 利用MATLAB中的linprog函数，基于理想点法对上节中的优化配置模型进行求解，得到了建平县2030年不同保证率下的水资源优化配置方案。

c. 通过对水资源配置格局、缺水量等多方面的分析，说明模型和求解方法是合理的。

[1] 苏建军,尹丽丽.建平县水资源短缺及主要保护措施[J].地下水,2015(6):121-122.

[2] 刘同敬,甄永强,杜明月,等.朝阳市建平县水资源配置及规划工程供水规模[J].中国水运(下半月),2015(3):134-136+138.

[3] 李春雨,池海清.建平县水资源现状分析与开发利用对策[J].水利规划与设计,2010(2):18-20.

[4] 田景环,刘林娟.区域水资源多目标优化配置方法研究[J].人民黄河,2013(4):29-31.

[5] 刘春妍,金福强.基于多目标优化模型的区域水资源配置求解方法研究[J].吉林水利,2013(10):20-22+34.

[6] 张玲玲,高亮.多目标约束下区域水资源优化配置研究[J].水资源与水工程学报,2014(4):16-19.

[7] 王宏伟,张鑫,邱俊楠,等.基于多目标遗传算法的西宁市水资源优化配置研究[J].水土保持通报,2012(2):150-153.

[8] 崔东文.基于MATLAB的文山州区域水资源线性多目标优化配置研究[J].华北水利水电学院学报,2011(3):4-7.

Research on water resources optimized allocation in semi-arid areas from the ecological perspective：with Jianping County of Liaoning Province as an example

FU Yanwei

(LiaoningFumengCountyJiumiaoTownWaterConservancyServiceCenter,Fumeng123105,China)

In the paper, Jianping County of Liaoning Province is adopted as an example for including the ecological and environmental water requirement in water departments. A water resources rational allocation model in biological semi-arid areas with maximization of comprehensive benefits as objectives is constructed, related parameters are formulated for function solution based on water resources supply and demand condition under different assurance rates in set level years, and corresponding optimization plans are obtained.

water resources; optimized allocation; semi-arid areas; ecological water requirement

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.007

TV213.4

A

2096-0131(2017)06- 0027- 04