基于多维度调控模型的地区水资源优化配置分析研究

贺建文

(新疆水利厅 水资源规划研究所，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

地区水资源规划管理是谋划未来城市发展的重要基础[1-3]。基于现状年水资源开发利用，结合水资源配置模型，而研究获得的水资源配置优化结果具有一定指导意义[4-6]。已有许多水利工程师利用多种算法，包括神经网络、人工鱼群及遗传迭代算法等，求解水资源模型，并分析配置优化后结果[7-9]。由此可知，水资源模型是优化配置的基础，构建起科学合理的水资源模型，有利于提升优化配置结果与求解过程，目前水资源模型包括多目标模型、最佳效益模型等[10-11]。本文引入多维度调控模型[12]，对地区内水资源配置开展计算分析，并以熵变参数作为优化配置评价基准，为地区内规划年水资源优化配置提供重要参考。

2 工程概况及水资源供需现状

2.1 研究区概况

西北某城市海拔在280～480 m，东部地势较高，下辖有A-C共3个主城区。地区内年径流量为2.45×104m3，包括夹河、红河及苏拉河，3条主干河流长度分别为65、92和73 km，流域面积总共超过2 000 km2。夹河所在流域内已建设有防洪堤坝，夏季水位较高，最大水位可达8.8 m，地表径流量最大，可达13.45×104m3，在上下游共建设有引水工程与输水调控闸门，为枯水期提供更多水资源。地区内雨季集中在上半年，最大降雨量达200 mm，地表水分流失量年均为2 800 mm，昼夜温差较大，此为地表水存量波动的较大内因。为提升区域调水能力，引渠调水工程共建设有6个取水站，可供水3×108m3，建设输水渠道长度贯穿城区和周边区县，总长度超过150 km。地表水资源中另有多个蓄水库与引水工程，分布在各个区县内，水库最大库容达1 200×104m3；引水工程投入使用已有7个泵站，主要面向地区生活用水与农业灌溉。目前，地区内共有农业耕地面积超过6 000 km2，工业产值占地区全年总收入的25%，而农业产值占比为70%。

2.2 水资源供需现状

在水资源规划年前一阶段中，当前的规划年地区内地表水资源总量超过4×104m3，地下水资源可供应1.4×108m3；现状年中地表可供水量为2.6×108m3，占地区总供水量的75%，地表水资源供应可达9.2×107m3。现状年总用水量为3.4×108m3，占比最多为工农业用水，超过60%，生活用水与生态补水占比为39%，各用水项目具体用水量见图1。从图1中可看出，生活用水量达2 432.2×104m3，是各用水项目中占比最小的。分析认为此与地区内人口密度较小有关，而农业用水消耗较大，城区涉及多个农田灌溉，总灌溉用水超过1.6×108m3。

图1 各区用水项目具体用水量

根据对地区内水资源供需关系分析可知，当前地区内水资源主要面临以下几个问题：

1)水资源利用效率较低。调查得知，城市年用水量超过3×108m3，但相应的水资源供应经济总量却高达12.2 m3/万元，水资源开发效率较低；另一方面农业用水占比超过45%，而农业产值在经济总量中贡献值仅为0.8%。

2)从水质监测方面得知，多条地面河流水质富营养化严重，水质较差，供水厂对劣质水处理较困难，造成一定程度水资源浪费。

3)再生水资源建设进展及规划落后，生活污水直接排入地面河流中，未进行污水处理后回收。另外，雨季水资源集收设备荒废，循环利用观念较差。

3 水资源供需预测分析

基于现状年水资源开发资料以及研究区基本状况，对规划年2025、2035年开展水资源供需预测分析。

3.1 供水量预测

地区供水量分为地表水资源与地下水资源，而地表水资源可供水量分为地面主要河流与引水工程。经水资源传输渗漏及部分损耗后，夹河、红河及苏拉河3条主要河流在规划年2025年总共可供水量为6 220×104m3，而在规划年2035年供水量为6 110×104m3；除流域内地面河流可供水量外，另有从其他地区河流输入水量达960×104m3，占比总供水量的2.4%；引水工程中总供水量为3×108m3，其中引水工程主要面向地区内城市工业用水。图2为基于当前水资源现状，研究预测所获得的规划年2025、2035年地表水资源供应量具体明细。从图2中可看出，规划年2025、2035年地表水总供应量分别为3.76×108和3.75×108m3。而在两个水平规划年中，引水工程与地区调入水量均保持一致，分别为3×108和960×104m3，规划年中水资源供应量起决定性改变的即为地表主要河流流量。

图2 规划年2025及2035年地表水资源供应量

针对地下水资源可供水量，分别开展3个城区分析，获得图3所示地下水资源利用量。从图3可看出，规划年2025年3个城区中地下水资源供应总量最多为B区，达967×104m3，占比超过50%；同样的在规划年2035年亦是B区占比最多，达52.1%。从地下水资源总体供应能力来看，规划年2025和2035年分别可达1 935×104和2 000×104m3。

图3 各区地下水资源供应量

3.2 需水量预测

基于水资源供需现状，分别就各具体需水项目开展研究分析，获得图4所示需水量结果。从图4中可看出，规划年2025年生活需水量达2 260×104m3，占年度总需水量的4.6%；前文已知该地区为工农业发展根本的城市，因而工农业需水量超过3.3×108m3，生态需水量总共占全年比例为27.1%，其实质上需水总量远高于生活需水量。分析认为，此与该地区为幅员辽阔，但人口稀少，因而生活用水量低于工农业需水量，规划年2025年总需水量为4.78×108m3。同理，计算出规划年2035年地区总需水量为5.65×108m3，相比规划年2025年增长18.2%。其中工农业总需水量占比达65.5%，生活需水量为4 100×104m3，相比规划年2025年增长81.4%。分析认为，在规划年2035年由于经济技术发展及人口上涨，生活需水量及工业需水量均有较大幅度增多。

图4 需水项目需水量

3.3 供需关系分析

从对比计算获得的规划年2025和2035水资源供需量可知，2025年缺水量达0.83×108m3，缺水率达21%。经分析具体缺水项目可知，农业用水与生态用水缺口较大，占总缺水量的80%，其中农业缺水达0.65×108m3。而在规划年2035年中同样具有显著缺水，且缺水率相比规划年2025年还上涨至24%。分析认为，规划年在2035年不仅由于可供水量大幅减少，而且生活用水与农业用水的上涨，均一定程度影响了规划年水资源配置。综合分析可知，按照现状年水资源预测规划年所得结果，均会出现水资源供需矛盾，局部用水项目出现缺水，且总缺水率较大，为此需对地区水资源配置开展优化研究分析。

4 水资源优化配置分析

4.1 水资源优化配置模型

为准确管理优化地区内水资源配置，引入多维度调控水资源模型，地区内水资源维度分为安全、生态、经济3个维度指标。其中，安全目标主要评估水资源配置后地区内用水安全，包括引水、蓄水工程运营安全及流量安全，可采用下式表述：

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(1)

式中：Z(m,t)、QRc(m,t)分别为水库的水位与流量。

生态目标表征水资源优化配置后生态价值，有利于地区内水生态系统稳定，以下式表述生态平衡状态：

Qrmin≤Qc≤Qrmax

(2)

式中：Qrmin、Qc、Qrmax分别为生态需水量的各项最小值、平均值、最大值。

水资源经济价值指优化配置结果可提升水资源利用率，减少水资源供需矛盾，科学合理用水，解决用水项目之间优先关系，采用下式表述：

(3)

式中：ω、i为缺水量与序号；θ(t)为缺水系数。

基于上述3个不同维度目标，给出每个维度下水资源配置管理的限制条件，分别有：

1)水库蓄水流量条件：

Vmin(m,t)≤V(m,t)≤Vmax(m,t)

(4)

式中：Vmin(m,t)、Vmax(m,t)分别为最小库容、最大库容。

2)水库安全运营条件：

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(5)

式中：Z(m,t)为水库安全水位。

3)输水渠道传输条件：

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(6)

式中：QRc(m,t)为输水渠道安全运营流量值。

4)地下水限制条件

0≤Q≤Qmax

(7)

式中：Q、Qmax分别为地下水开发量与最大开发量。

水资源调控的目的是使三者维度在水资源供需系统中达到有机平衡，而表征供需系统中水资源供需关系的为序列度，本文供需系统的维度序列分量可表述为：

(8)

式中：ui(eij)为序列度；Uij、Tij分别为维度临界调控值。

表征维度序列状态的参数为序列稳定度，其实质上为上式的有序度与权重系数的乘积，如下式所示：

(9)

式中：λj为权重系数；其他参数与前式一致。

另一方面，为评价水资源供需关系中稳定状态，引入水资源系统熵变参数值，求解熵变参数的表达式为：

(10)

式中：ui(ei)为不同维度的序列度。

当熵变参数值愈小，则系统中各序列势必会达到平衡状态，因而熵变参数值是衡量水资源供需结果的重要指标，其与序列度有以下判别关系：

ΔSY=SY(n+1)-SY(n)

(11)

式中：SY(n+1)、SY(n)分别为第(n+1)、n次迭代后的熵变参数。

本文将以多维度调控模型开展地区水资源优化配置研究分析，并以熵变参数值作为评价配置结果优良性的指标。

4.2 优化配置结果分析

基于多维度调控模型计算获得地区内水资源优化配置结果，见图5。从规划年2025年水资源优化配置结果中可看出，相比原水资源规划方案，优化后总缺水量降低89.2%，总缺水率降低至3.5%，总供水量相比原规划方案亦提升57.9%，达6×108m3。从具体用水项目来看，生态供水、生活供水均满足平衡要求，而农业用水与工业用水均远远超过原水资源配置方案，极大提升了规划年水资源配置安全性。而规划年2035年总缺水量相比原规划方案降低75.3%，仅为2 500×104m3，缺水率下降至安全区间，总供水量相比原方案增长64.6%，达6.45×108m3，工业、农业用水缺水量分别下降62.5%和58.8%，而生态供水与生活供水均满足平衡状态，分别为1.95×108和4 200×104m3。

图5 地区内水资源优化配置结果

图6为模型优化配置过程中熵变参数值变化曲线。不论是2025年亦或是2035年，熵变参数均为递减，最终迭代优化后熵变参数均趋于零。当迭代次数为12次时，规划年2025、2035年熵变参数分别为0.25和0.27，基本相近，相比未迭代之初，熵变参数下降约47.9%。分析认为，从熵变参数变化态势来看，模型调控后水资源优化配置结果较为合理，并具有较强可行性。

图6 模型优化配置过程中熵变参数值变化曲线

5 结 论

基于地区概况与现状年水资源利用资料，引入多维度调控模型，并对规划年开展水资源优化配置计算研究，主要结论如下：

1)预测分析了规划年2025、2035年地表水总供应量分别为3.76×108和3.75×108m3，而两规划年总需水量分别为4.78×108和5.65×108m3，规划年2025年缺水率达21%，其中农业缺水量达0.65×108m3，水资源供需失衡严重。

2)引入多维度调控模型对规划年水资源开展优化配置研究，模型具有较强的适用性，熵变参数值均递减，优化配置结果较为合理，并具有较强可行性。

3)获得了规划年水资源优化配置结果，两规划年总缺水量分别下降89.2%和75.3%，而总供水量分别提升57.9%和64.6%，总供水量分别提升至6×108和6.45×108m3，多项用水项目达到供需平衡，缺水率降低至3%左右。