生态需水对江苏南水北调工程水资源配置影响分析

周 珺 高明鸣 陈 霞

一、研究意义

随着我国水生态文明建设的加快推进，南水北调工程不仅承担改善调水线路沿线工农业生活用水条件的任务，同时也保证维持河流合理流量和湖泊、水库及地下水的合理水位、保障生态用水的需求。

本文通过研究南水北调工程水量配置模型目标函数，在原以梯级规模最优的单一目标基础上，增加生态目标，并将生态目标作为模型第一目标，使南水北调水资源配置可实现改善水生态环境、保障水生态文明建设的基本要求。

二、南水北调工程水量配置模型

南水北调东线江苏境内工程，主要包括洪泽湖、骆马湖和南四湖下级湖3个调蓄湖泊，并由沿线9个梯级泵站群逐级调水北送及为沿线6个用水区供水，是一个涉及多个梯级泵站联合运行、多个调蓄湖泊联合调度的供、调水工程系统。

江苏南水北调工程水资源配置模型将6个供水区间进行供、用水概化，通过梯级泵站进行连通，以3个湖泊进行调节，建立以各区间出入抽水规模与各区间缺水量最小为目标的供、调水模型。

1.目标函数

供、调水水资源配置模型是根据各区间供用水情况，优化配置各梯级泵站规划，以各区间出入抽水规模与各区间缺水量最小为目标函数，建立供调水系统水资源配置模型，目标函数具体形式为：

式中：

T为总时段数；

Dit为受水区各区间用水总量；

Pit为受水区供水总量；

Qj为各梯级泵站规模。

2.约束条件

（1）水量平衡约束

南水北调供、调水系统利用三个湖泊调节径流，湖泊的供用水水量平衡方程为：

Vt+1=Vt+SIt+PIt-DIt-POt-QOt

式中：

Vt为第t时段湖泊蓄水量；

SI为该区间在扣除蒸发渗漏损失后的来水量；

PI为该区间由泵站抽入水量；

DI为该区间用水量；

PO为该区间由泵站抽出水量；

QO为该区间自然泄出水量。

（2）湖泊蓄水条件约束

为优先保障当地用水权益，保证各区间现有用水权益不受破坏，规定各调蓄湖泊调水控制水位，低于此水位时停止湖泊内蓄水向外调水。

PO由目标函数采用优化算法确定。

（3）防洪调度控制原则约束

Vx为汛限控制水位所对应的库容；

Vf为正常蓄水位所对应的库容。

（4）供水保证率约束

供、调水系统各区间实际供水量需达到工程设计保证率要求，即生活、工业、城市生态环境及航运用水的供水保证率达到97%，农业用水保证率达到95%～75%。

三、生态保障目标

南水北调工程生态目标保障以河道外生态用水作为一级目标实现，确保受水区河道外生态用水量得到满足。河道外生态用水量主要是指维持河道外植被群落稳定所需要的水量，主要是生态保护植被、绿洲防护林的需水量，为维持生态系统的质量平衡而通过水利工程直接或间接供水所消耗的径流量；水土保持进行生物措施治理的需水量；调水区陆生动物生存所需水量。

河道外生态用水具有时间性、空间性、阈值性、水量特性和水质特性。针对南水北调工程特点，重点研究生态用水的阈值性，即水量，生态需水存在最大和最小需水量两个阈值。当在阈值范围内，生态系统能够得以维持。

通过对受水区生态需水的分类、分区，确定流域各级生态分区的面积、需水类型和生态耗水的范围和标准（定额），以此为单元进行降水平衡分析和水资源平衡分析，在此基础上计算生态需水量。计算得到南水北调江苏受水区2010年水平生态需水量1.88亿m3，2030年水平生态需水量2.56亿m3。

四、模型求解

增加生态目标作为第一目标的南水北调水量配置模型求解可采用分层序列法。具体算法为先将所有目标按重要程度排序，先求出第一重要目标的最优解，然后在确保前一目标最优解的前提下，求出下一个目标的最优解，直到求解出最后一个目标的最优解为止。

当模型有n个目标需要处理时，按目的重要性对各目标进行排序。设经排序后的重要序列为（x1，x2…xn），对应的目标序列为f1（x），f2（x）…fn（x）。

首先求得第一个目标的最优解，将所有其解的集合记为R0。然后在第一个最优解集合R0中求解第二个目标的最优解，并将得到的解集合记为R1。以此类推，直至找到第n个目标的最优解x*，具体模型为：

分层序列法将多目标问题转化成单目标问题，简化求解过程，是处理多目标模型的常用方法。该方法适用于有等级次序特征的优化模型求解。南水北调工程水量配置模型以为生态优先，再以最优供水配置为目标。采用分层序列法建立优先级为生态、供水的等级优化调度模型，对有限的水资源实现时间和空间的再分配，可获得工程最大效益■