丹东市水资源优化配置研究

林青森

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)

0 引 言

以宏观经济系统配置理论为基础考虑环境、资源、人口和经济协调发展的可持续发展配置理论，现阶段该配置理论的实际操作不便，且仍未转变应用实践少、理论探讨多的现状。水资源优化配置涉及生态环境、经济社会、人口资源等多种因素，这种多目标决策规划问题强调不同目标间的协调发展，应考虑各类因素以避免忽视其他目标而仅实现某单一目标[1-3]。

针对水资源优化配置问题我国相关研究起步较晚，如辛玉深[4]、聂相田[5]、吴泽宁[6]等提出了区域水资源配置的多目标决策分析法，该方法以追求环境、社会、经济效益最大化为目标，比较常用的求解方法有遗传算法、线性加权法和目标法等。

丹东市地处亚欧大陆东岸中纬度地带，属温暖带亚湿润季风型气候，因地貌形态差异其气候环境变化明显，年降水量881.3-1087.5mm，夏季降水占全年的2/3，该区暴雨集中期为7月中旬至8月中旬。丹东地区水系发育良好、江河密布，境内有大洋河、鸭绿江和沿海水系，其中大江大河有浑江、大洋河、鸭绿江、叆河，河长超过2km的河流有944条。结合水文资料，该地区年均水资源量84.88亿m3，平均径流深81mm，区域产水模数57.48万m3/km2，地下水补给量16.82亿m3，属于辽宁省降雨量最多且水资源最丰富的区域。受地势地貌和自然条件限制，水资源开发利用存在的问题有：区域经济发展与水资源利用不协调、干旱性缺水和地表水污染问题突出、局部地区超采现象严重、农业灌溉用水效率低等。因此，如何合理规划、科学统筹地下水、地表水和外调水已成为水文领域研究的热点。

1 水资源优化配置模型

以生态环境、经济和社会的协调发展为区域水资源优化配置目标，即以各用水部门缺水量最小、综合效益最大为目标构建水资源优化配置模型。对于社会、经济方面的目标用缺水量最小和用水综合效益最大来衡量，同时以水环境和水资源承载力为约束条件确保生态环境、经济、社会的协调发展。

1.1 决策变量

1.2 目标函数

采用以下公式代表水资源综合效益最大、缺水量最小函数，即：

(1)

(2)

模型中不可公度的有缺水量最小函数和综合效益最大函数，其中综合效益最大函数追求数值上的最大值，该线性函数所涉及到的参数均为标准化处理后的无量纲系数，如分区权重、供水次序系数和供水综合效益系数等。

1.3 综合效益系数

各个部门协调发展以及水资源合理分配的关键问题是如何合理确定用水综合效益系数，结合区域发展情况和相关文献资料，选择水利用系数、供水成本、净效益系数代表生态、社会和经济评价因子。采用各个部门的供水成本、水利用系数、净效益系数三组数据构成供水综合效益系数矩阵，并对其利用德尔菲法和变异系数法进行求解。

设参评样本数有n个，则样本集为(x1，x2，…，xn)；参评指标数有m个，则指标集为(x1,x2,…,xn)；此时，考虑初始数据构造评判矩阵X=(xabm×n)，即：

(3)

式中：xab为指标a关于样本b的实际值；m、n为单样本指数数和样本数。将样本b表示为xb，则m个指标关于样本b的实际值为(x1b，x2b，…，xb)。考虑到各指标为效益型，对以上矩阵利用标准化公式处理，则构造的标准矩阵R如下：

(4)

(5)

式中：rab为标准化处理后的xab数值。将德菲尔法、变异系数法求解的主观和客观效益系数求和，并利用归一化公式处理确定供水综合效益系数，该方法综合了差异性数据和决策者的主观偏好。

设(B1(2),B2(2)，Bn(2))代表水资源客观效益指数，其表达式如下：

(6)

设(B1(1)，B2(1)，…，Bn(1))代表水资源主观效益指数，将水资源主、客观效益指数求和，经归一化处理确定综合效益系数，其计算式为：

Bb=Bb(1)+Bb(2)

(7)

式中：Bb(1)、Bb(2)为德尔菲法和变异系数法求解的效益指数；Bb为综合效益系数。

1.4 约束条件

1)水资源承载力约束。各水源的可供水量不得小于总供水量，对独立水源和公共水源，其约束条件为：

(8)

(9)

式中：ωc、ωik为第c种公共水源和k分区中第i种独立水源的可供水量，m3。

2)环境承载力约束。各水源的污水处理能力不得小于其污水排放量，其约束条件可表示为：

(10)

3)用水公平性约束。各个水源提供的用水量不大于各用水部门的最大需水量，且不小于其最低需水量，其约束条件为：

(11)

4)变量非负约束。模型中各决策变量符合非负要求，其约束条件为：

(12)

2 丹东市水资源优化配置

地表水、地下水和外调水为丹东市主要的可利用水资源，模型中的独立水源和公共水源取地表水、地下水与外调水，生态环境、生活、农业和工业为用水部门。根据相关统计资料、水利条件和区域水资源状况，按将丹东市划分为6个分区，具体如表1。

表1 不同水源的供水效益系数

2.1 参数的确定

1)供水综合效益系数。根据供水成本等指标在不同供水水源中的差异性特征，丹东市水资源配置模型的供水综合效益系数因水源的不同而存在差异。考虑不同水源实际的供水成本、水利用系数和净效益系数，利用文中所述方法和公式求解不同水源在各分区中的供水效益系数，如表1。借鉴丹东市灌区规划报告、供水工程规划报告、饮水规划等资料确定地下水和地表水3个指标数据，参考引水工程相关资料确定外调水指标数据。

2)供水次序系数。相对于其他水源各分区水源的供水优先程度利用供水次序系数来衡量，现阶段丹东市地下水下降严重，局部地区地下水超采，应遵循充分利用外调水、地下水及改善地下水超采状态的原则确定供水次序系数，利用以下公式确定供水次序系数aik，即：

(13)

式中：nmaxk、nik为分区k的最大供水水源序号和水源i的供水次序序号。

将丹东市地下水、地表水和外调水的供水次序系数利用公式(13)求解，结果显示各水源为0.18、0.32、0.50。

3)分区权重。相对于其他分区某一分区的重要程度利用分区权重衡量，丹东市水资源配置分区权重运用层次分析法，并考虑丹东市总体规划合理确定，如表1。

4)需水量上下限。首先满足社会基本保障性用水(即居民生活用水)，取其需水量作为上下限值；目前，丹东市面临着严峻的生态环境形势，亟待进一步改善环境，故取其需水量作为生态环境用水上下限；采用规划年需水量及其需水量的80%作为工业用水的上、下限；考虑多年来丹东市的农业灌溉保证率，取规划年需水量及其需水量的75%作为农业用水的上、下限。

5)污水排放系数。生活和工业用水部门为丹东市污水排放的集中区，结合丹东市生活污水、工业污水排放情况和给排水标准规范实施手册，工业和生活污水排放系数取0.5、0.8，并结合丹东市各分区的污水处理厂实际情况合理确定其污水处理能力。

2.2 多目标模型的求解

考虑到不同目标之间的矛盾性和不可公度性特征，多目标规划问题通常无法达到所有项最优，即找不到确定的最优解。为解决此种问题，从多个有效解中决策者可以结合个人偏好选择一个相对满意解。各目标权重系数利用层次分析法计算，并将多目标优化问题利用线性加权法转变成单目标问题。

对于给定的单目标满意度μi、μj，将多目标决策问题利用线性加权法转变成多个单项目标的满意度函数，以此生成多综合目标函数，即：

(14)

(15)

对加权后的目标函数利用Matlab软件中的Linprog函数求解，通过对满意度μi、μj上下限值的不断调整实现决策交互，从而生成水资源优化配置有效解。

2.3 供需平衡分析

设基准年为2015年，结合丹东市总体规划、水资源评价和水资源公报等资料，确定各用水部门在规划水平年(2025年)的需水量和可供水量，采用所构建的模型输入约束条件以及参数值，并借助Matlab软件输出丹东市各分区优化配置的水资源，如表2-3。

表2 规划水平年丹东市水资源优化配置

由表3可知，丹东市2025年的总需水量、总供水量和总缺水量为63380万m3、58426万m3、4954万m3，全市缺水率平均值7.82%，整体处于缺水状态；其中，东港市、振兴区、凤城市的缺水率超过全市平均值；全市生态环境、生活用水总供水量为198万m3和4866万m3，在保证生态环境和生活用水的情况下，工业和农业缺水量达889万m3和4065万m3，缺水率为5.48%和9.65%。

表3 规划水平年各分区水资源供需平衡

2.4 水资源配置总体思路

充分考虑丹东市2025年水资源供需平衡分析结果，合理制定水资源配置方案，其总体思路如下：

1)保障生态环境和生活用水。现阶段，丹东市面临着日益严峻的生态环境压力，任何情况下都要优先满足生活和生态环境用水。相对于农业、工业用水生态环境和生活用水比例较低，两个用水部门的配水比重小幅度增加，如图1，即从最初的10.20%、0.76%小幅增大至10.52%、0.75%。

图1 优化配置前后各部门用水比重

2)工农业用水调整。2015年丹东市农业用水比例为77.6%，而第一产业占GDP比重仅有36.2%。农业用水效益低且用水量大，可见该地区存在灌溉效率低、农业用水定额高等问题；相对于农业用水比重工业明显较低，并且远远高于农业用水效益，优化配置后农业用水比例减少至70.45%，而工业用水比例增大至11.43%，较优化前明显增加。为有效缓解丹东市水资源供需紧张关系，应增加工业蓄水比重、调整产业结构以及抑制过快增长的用水需求，并提倡农业节水以提高灌溉效率。

3)严格控制地下水超采。目前，水环境日益恶化、地下水超采等为丹东市面临的最大问题。优化配置前地下水为该地区主要供给水源，局部地区超采严重；考虑约束条件的优化配置模型，优化后的地下水供给比重明显减少，从最初的85.2%显著降低至50.6%，如图2。优化配置后限制了水系统调节范围内的地下水最大开采量，以保护地下水资源及改善区域供水结构。

图2 优化配置前后的水资源供给占比

3 结 论

结合丹东市水资源特点，以缺水量最小和综合效益最大为目标，综合考虑地下水、地表水、外调水等联合供水条件，运用多目标规划法构建水资源优化配置模型。在实现综合效益最大的目标中该模型考虑了供水成本、水利用率、用水净效益指标和供水综合效益系数，较传统风阀能够进一步提高净效益系数的合理性；此外，将供水综合效益系数利用德菲尔法和变异系数法求解，有效避免了单一方法存在的不足；在实现缺水量最小、综合效益最大的同时引入环境承载力约束，为区域水资源合理开发提供了有效保障。然后利用Matlab软件编程和线性加权法，通过模型参数的计算输出最佳的优化配置方案。

采用构建的优化配置模型，合理配置生态环境、生活、农业和工业等用水部门的水资源。结果表明：丹东市2025年的总需水量、总供水量和总缺水量为63380万m3、58426万m3、4954万m3，全市缺水率平均值7.82%，整体处于缺水状态；外调水的引入有利于改善区域地下水超采的现状，限制水系统调节范围内的地下水最大开采量，为保护地下水资源及改善区域供水结构提供保障。