基于按需比例分配法水资源优化配置模型的建立及求解探析

周永昌，李长存

(沈阳市辽中区水利建筑工程公司，辽宁 沈阳 110200)

在水资源合理配置模型中，为了准确、清晰地描述研究区的实际情况，有必要将研究区划分为水资源区，并根据水资源的实际情况对研究区水资源系统进行分类和优化。

为了便于数据采集和提高配置方案的可行性，分区划分应遵循以下2个原则：①根据地形地貌及流域条件划分，便于进行供水量计算；②尽量与行政区划保持一致，便于数据的收集和整理。

研究区域水资源可被分为k个分区，其中分区编号为k=1，2，3…k；结合大伙房受水区的水资源系统现状，本研究区域以辽阳市为例，分别为辽阳市区、弓长岭区、灯塔市及辽阳县，所以，本研究区中k=4。

根据供水的空间范围，该区域的供水水源一般分为公共水源和专用水源2部分[1]。公共水源是指能够同时向2个以上子区域的需水部门供水的水源，一般包括大型蓄水、调水、跨流域(地区)调水工程；专用水源是指仅能向某一子区域的需水部门供水的区域协调系统，一般包括子区域的蓄水、调水和提水等。设研究区域内有c(c=1，2，…，M)个共用水源，第k子区有i(i=1，2，…，I(k))个专用水源。

区域用水大致可分为4类，分别为工业、农业、生活和生态环境用水。根据该区域的实际情况，为了进一步准确反映供水、用水及消耗和排放之间的关系，该模型可分为具体的用水部门，设K子区域可由j(j=1，2，3…J(K))建立。所以，对于第k子区而言，建模问题则是I(k)+M个供水水源与J(k)个用水部门的水资源合理配置的问题[1]。

1 优化配置模型

(1)当供大于求或等于求，即当Q≥Q0时，设需水单位Ai分配的水量为Ci，则

Ci=qi(i=1,2,…,n)

(1)

(2)

水量余额为：

(3)

当ΔQ>0时，则有多余的水量。对于多余的水量ΔQ，可以按照具体情况进行应急分配，或将其存入调节水库或参与第二轮的水量分配。

这种分配方法简单易算，适于供大于求的情况。

(2)供不应求时，如果可供净水量小于需水总量，即Q

设需水单元为A1，A2，…，An，其各自需水量分别为q1，q2，…，qi，分配的水量为Ci，则

(4)

这种分配方法虽不能满足每个需水单元的需水要求，但每个需水单元都能按照相同比例分得相应水量，且需水量越多的单位分配的水量也越多[3]。

2 模型约束条件

模型的约束条件，一方面可以从水资源配置系统的各个环节分别进行分析，另一方面可以从社会、经济、水资源、生态环境的协调方面进行分析[4]。本次模型中，主要考虑水源可供水量约束、供水上限约束、用户需水约束以及社会生态环境约束。

2.1 水源的可供水量约束

公共水源：

(5)

独立水源：

(6)

每个不等式分别指：公共水源c向k子区所有用户的供水量之和应小于其可供给k子区的水量[5]；公共水源c向所有子区的供水量之和应小于其可供水量；k子区i水源向所有用户的供水量之和应小于其可供水量。

2.2 水源输送能力约束

公共水源：

(7)

独立水源：

(8)

2.3 用户需水能力约束

(9)

3 模型求解

用户需水量分为生活需水量、工业需水量(包括第三产业、建筑业在内)、农业需水、生态需水量。根据大伙房水库辽阳市受水区供需调查，以2017年用水量为基础，预测规划水平年2020、2030年在P=75%时各子区各用户的需水量，结果见表1—2。

表1 辽阳市2020年需水预测结果(p=75%) 单位：104m3

表2 辽阳市2030年需水预测结果(p=75%) 单位：104m3

以辽阳地区水平年2020、2030年保证率P=75%的供需水情况为依据，根据按需比例分配法，可求得辽阳地区该年的水资源优化配置结果，见表3—4。

4 结果分析

本次水资源优化配置研究采用按需比例分配法建立水资源优化配置模型，结果显示在大跨区域调水背景下，辽阳地区部分水资源短缺的情况较未实施调水工程前有了很大的改善。跨流域调水大大缩减了受水区水资源供需缺口，同时也提升了受水区当地的水资源承载能力和水环境承载能力，为推动辽阳地区经济社会的协调可持续发展提供了基本的水资源保障[6]。

在规划水平年2020、2030年，跨区域调水背景下，大部分地区都能得到满足与保证，缺水主要是弓长岭区的生产部分，即农业用水和工业用水不能满足。

缺水主要原因是生产缺水，所以我们只要解决生产需水的缺口，就可以实现社会、经济协调可持续发展。农业缺水是由于农业水利工程设施老化、灌区灌溉配套不完善、渠道渗漏、农灌方式落后及农业用户的节水意识薄弱等原因造成实际农业需水量相对于合理农业需水量的大大增加，进而供水不足出现缺水；工业缺水的主要原因是高耗水工业所占比重较大，水资源的重复利用率低，产业结构不合理，控制污水排放政策不够完整及污水处理设施不足[6]。

5 结论与建议

5.1 结论

(1)辽阳市水资源总量不是很多，多年平均水资源总量为11.2179×108m3，需要借助大伙房输水工程来满足用水的需求。

(2)辽阳市2017年总需水量为11.0914×108m3，2020年和2030年总的需水预测量分别为11.2604×108m3、11.2772×108m3；2017年可供水量为12.9823×108m3，预测2020和2030年可供水量分别为13.4499×108m3、13.3979×108m3。

(3)辽阳市生产需水占总需水量的比重非常之大，经配置，预测2020年生产分配的水量为10.4502×108m3，占总水量配置的93%，2030年生产分配的水量为10.3489×108m3，占总水量配置的91.8%，需要调整产业结构，减少高用水工业，还需要注意水资源的可持续发展，提高水质与水量。

表4 辽阳市水资源配置 单位：104m3

5.2 建议

(1)实现用水总量控制，准确全面预测未来供需水量，在发展中达到供水量与需水量的平衡，统筹考虑再生水与地表水、地下水的利用，在保障城乡居民生活用水的基础上，统筹兼顾生态环境、工业、农业用水，实现污水再生循环利用[7]，恢复地表、地下水体合理的水量、水位，都是要研究和解决的问题。

(2)水资源开发利用应以维护生态环境为前提，注重社会经济与生态环境的协调发展。保障生态环境用水，改善水环境与生态环境质量，实现水资源的可持续发展与水污染防治相结合，会成为未来水资源优化配置研究的一个重要发展方向。

(3)水资源可持续评价的指标都是依据评价区域的实际情况选择与水资源密切相关的便于资料收集的部分指标构成相应的评价指标体系[8]。现在仍然没有建立起系统的水资源配置合理性评价体系，致使水资源配置行为缺乏明显的效果，系统的水资源优化配置合理性评价体系也需要我们进一步的研究。