新疆水资源多目标优化配置模型分析

2021-03-03 04:02程凡

水利科学与寒区工程 2021年1期

程凡

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

新疆是我国西部经济发展迅速、人口密集的地区，也是典型的干旱缺水地区。近年来，新疆水资源量严重减少，水污染问题加剧，水资源承载力大幅下降，严重影响和制约了新疆社会经济的可持续发展。随着国家“一带一路”战略的实施，新疆地区作为西部大开发的中心城市和战略地位的辐射功能更加突出，新疆地区的生态环境和经济发展对水资源的开发利用提出了更高的要求，因此对新疆地区水资源的可持续利用进行认真思考，建立符合新疆地区社会经济发展目标的水资源优化配置模式，对于解决新疆地区水资源短缺的现状具有重要的现实意义。

1 区域概况

新疆位于欧亚大陆的中心，天山中部北麓，准噶尔盆地南缘。它是世界上离海最远的内陆城市。以东经86°38′～ 88°58′、北纬42°45′～ 44°08′为界，海拔680 ～ 920 m[1]。该省覆盖15个城市，面积166万km2，占中国陆地总面积的六分之一，是我国面积最大、陆地边界最长、邻国最多的省份。

新疆是典型的温带大陆性干旱半干旱气候，气候干燥，降水量少，蒸发量大，日照时数长。冬天冷，夏天热，昼夜温差大。年平均气温6.4℃，年平均降水量236 mm，年平均蒸发量2300 mm[2]。新疆可利用的水资源可分为地表水资源和地下水资源。地表水资源总量为1038.868亿m3，地下水资源总量为610.408亿m3。各行政区域的水资源量见表1。

2 构建优化配置模型

根据国家现行水资源政策和地方规划，以2016年水资源状况为当前水平年，2025年为规划水平年，建立了新疆水资源联合调配系统多目标线性优化模型。该模型包括新疆的地表水、地下水等其他水源，目标包括经济、社会和环境效益。约束条件包括供水能力约束、需求约束、输送水能力约束、污染排放的化学需氧量约束和变量的非负约束[3]。然后，依据前期收集的数据，通过多目标规划求解的方法得到最终的区域最优配置规划方案。

根据目前的问题，新疆水资源优化配置的最终目标是实现经济效益、社会效益、生态环境效益最大化。

表1 2016年新疆行政分区水资源总量表

(1)经济效益：以新疆供水净效益最大为目标，如式(1)[4]：

(1)

(2)社会效益：以新疆缺水量最小为目标，如式(2)：

(2)

(3)生态环境效益：以新疆主要污染排放物化学需氧量的总和最小为目标，如式(3)[5]：

(3)

根据问题的条件，考虑到约束水资源发展的共有以下几个约束条件[6]：

(1)水资源供水能力约束，如式(4)：

(4)

式中：Si为i水源可供水量。

(2)水资源需求约束，如式(5)：

(5)

(3)水资源输送水能力约束：

(6)

(4)水资源污染排放物COD约束：

(7)

(5)非负约束：

(8)

3 需水量分析计算

(1)居民生活需水量：采用定额法,用式(9)计算[5]。

Wh=365×10-3×(p×q)

(9)

式中：Wh为生活年需水量，m3/a；p为人口数,人；q为用水定额，m3/人·d。

(2)工业需水量用式(10)计算

W=c×g

(10)

式中：W为规划水平年工业需水量,亿m3；c为规划水平年工业增加值,万元；g为规划水平年工业每万元增加值用水量，亿m3/万元。

(3)农业需水量用式(11)计算。

Wt=∑(b×q/η)

(11)

式中：Wt为农业需水量，亿m3；b为灌溉面积,hm2；q为作物灌溉定额,亿m3/hm2；η为作物所在灌区有效利用系数，取均值0.8[6]。

(3)生态需水量用式(12)计算。

Wn=∑ai×ri

(12)

式中：Wn为生态需水量,亿m3；ai为不同类型覆盖面积，hm2；ri为用水定额,亿m3/hm2。

各个部门需水量值如表2所示。

不同部门在不同规划水平下的用水量每年不同，每个季节也不同。生活用水和生态用水分为额定用水量和最低用水量。工业生产有高峰期和正常期，用水量也不同。农业用水有灌溉期和非灌溉期，用水量也不同。因此，对于不同的部门使用不同的水量，应当采用适当的范围来表示它们。一般来说，以规划水平年需水量为基定标准，不同部门使用水量的下限和上限分别为规划水平年需水量的0.8倍和1.2倍[7]。用水部门需水量的上限和下限的数据见表3。