基于红线管理的郑州市水资源优化配置研究

周 科

(华北水利水电大学 艺术与设计学院，河南 郑州 450046)

1 研究背景

目前，就我国水资源配置来说，工业、农业、生活用水比例不断变化，工业和生活用水两者所占比例逐年增大，农业用水所占比例逐渐减小，且用水效率逐渐提高，非常规水资源的开发利用呈现出蓬勃发展的趋势，水资源开发利用出现了一些新的特点。根据水利部发布的《2016年中国水资源公报》[1]，2016年，全国生活用水为821.6亿m3，占用水总量的13.6%；工业用水为1 308.0亿m3，占用水总量的21.6%；农业用水为3 768.0亿m3，占用水总量的62.4%；人工生态环境补水为142.6亿m3，占用水总量的2.4%。与2015年相比，农业用水量减少了84.2亿m3，工业用水量减少了26.8亿m3，生活用水量及人工生态环境补水量分别增加了28.1亿m3和19.9亿m3。

全国城市供水预计将越来越多地受到人口、缺水、气候变化和生态环境需水的影响。面对缺水的严峻形势，全国各地采取了许多对策。2012年1月，国务院国发(2012)3号文件发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》[2-3]，对我国水资源近期、中期和远期开发利用提出了量、效率和水功能区水资源保护管理红线指标与四项基本制度，即“三条红线，四项制度”。对于解决我国复杂的水资源水环境问题，实现经济社会可持续发展具有深远意义。近年来，为了实行最严格的水资源管理制度，全国各地开展了大量理论研究，同时也新建了一大批水利工程。有些地方采用了先进的水处理技术，提高了非常规水资源利用率[4-6]。但是，工程设施的老化和供水水质的提高迫使城市重新评估传统的水资源管理模式。鉴于所面临的水问题挑战，无论是供水管理部门、还是用水户，都需要采取科学的行动实现水资源的科学管理[7-10]。

近年来，国内外有关学者对水资源优化配置与管理进行了大量研究，积累了一些可供参考的经验和成果[11-12]。一些水敏感城市强调适应性基础设施建设，对传统的用水模式改革和工程设施运行起到了支撑作用[13-14]。可持续城市水管理战略框架将各部门的经济、物质和体制观点进行跨行业结合，同时吸收更广泛的社会参与[15]。但是，大多数可持续城市水管理的障碍往往是来自体制方面的，而不是技术性的[16]。城市水治理系统支离破碎，缺乏基于公众参与的投入，发展缓慢[17]。干旱缺水、社会偏好的演变和其他外部因素能激发新方法的产生[18]。对管理模式的科学评价需要不同尺度的时间与空间资料。在耦合和复杂系统中，不间断地信息反馈可以改善行为与环境效果[19]。查阅国内外有关研究成果[20-22]，发现缺乏基于强化节水措施的水资源优化配置方案，大多数优化配置方案的结果仍然是缺水，还有缺乏组织管理为背景的水资源优化配置方案，许多方案中使用的指标仍然是传统性的[23]。

就郑州市水资源优化配置而言，已经进行了大量研究并取得了有价值的成果，但大多数属于理论或计算方法方面的探索。首先在研究目标的选取上，以往研究目标的选取存在很大的任意性。研究人员根据自己研究的方法(理论、模型)不同，选取不同的研究目标，而不是考虑当地的实际社会经济发展目标或水资源约束目标，因而严重脱离生产实际。其次，极少文献将“三条红线”考核指标作为主要评价指标，并融合在一个指标体系当中进行水资源优化配置。另外，在研究内容上，“三条红线”的提出，对水资源的开发利用有了更加严格的要求，同时也提出应当制定相应的发展规模以满足“三条红线”的要求。目前，关于郑州市水资源优化配置的研究中，还缺乏针对“三条红线”控制目标进行水资源优化配置的研究成果。

综上所述，本文结合我国实行最严格水资源管理“三条红线”的有关指标和郑州市强化节水措施情况，针对目前组织管理现状、工程设施和科技认知水平，挖掘节水能力，扩大系统受益范围，构建了水资源配置网络框架模型和水资源优化配置数学模型。该模型将工程系统、水资源系统、组织管理等融合在一个耦合模型内，并进一步提出了基于“三条红线”有关指标的郑州市水资源开发利用优化方案和管理对策。研究结果表明，灵活和适应性强的建模技术在水资源优化配置和数据环境中非常具有优势。

2 模型构建

2.1 模型构建

(1) 目标函数。以“三条红线”指标为前提，强化节水措施，合理制定需水指标，实现缺水程度最小，即：

(1)

式中：D(i，j)t、W(i，j)t分别表示第t时段第i地区第j用水户的需水量和供水量；S为缺水量；I为行政分区数；J为用水户总数；T为时段总数。

(2) 河道生态环境需水量控制。满足河道内生态环境需水，控制河道生态环境流量，以断面生态环境需水满足程度E来表征：

(2)

式中：E为河道生态环境需水满足度，其值越大，表明河道生态需水满足程度越高；QR(x，t)、Qe(x，t)分别为t时段、x河段的流量和河道生态环境需水量；φx为河段权重系数；X为河段总数。

(3) 约束条件。流量约束：满足断面最小流量要求，即

QR(x，t)≥Qmin(x，t)

(3)

工程约束：各水源工程供水量不超过其供水能力，即

QM(m，t)≤Qpmax(m)

(4)

河段水量平衡约束：

QR(x，t)=QR(x-1，t)+QRn(x，t)-QSx(x，t)-

QL(x，t)+QT(x-1，t)

(5)

红线指标约束：区域耗水总量小于本区红线用水指标，即

Qcon(i)≤QY(i)

(6)

流量非负约束：

Qijkt≥0

(7)

式中：QR(x，t)为断面t时段下泄量，m3；Qmin(x，t)为断面最小下泄水量，m3；QM(m，t)为m工程t时段取水量，m3；Qpmax(m)为工程最大取水能力，m3；QR(x-1，t)为x上一河段t时段的径流量，m3；QRn(x，t)为x河段t时段的区间入流量，m3；QSx(x，t)为x河段t时段的取水量，m3；QL(x，t)为x河段t时段的水量损失，m3；QT(x-1，t)为x上一河段t时段的退水量，m3；Qcon(i)为i地区年度耗水量，m3；QY(i)为i地区分水指标。

(4) 水质模型。以河道污染物迁移、转化模拟为基础，以水功能区水质达标为控制目标，建立以数值模拟为核心的水质模型，用于模拟不同水资源分配、污染物排放情景下的河流环境效应[24]。

为满足河段水功能区水质的要求，以河段水功能区水质指标与目标水质指标的偏差最小为目标，即

minF(QSx(x，t)，Cob，θ)

(8)

式中：θj为j河段水质的权重系数；Cob为水功能区目标水质控制指标；φ(QSx(x，t))为河段取水量在QSx(x，t)情况下的水质指标函数。

(5) 河流红线管理约束与水功能区污染控制。① 径流量和污染物浓度采用长期观测数据；② 定期监测入河排污口排水量和排放浓度；③ 污染物浓度采用分布式模型分析，计算公式如下：

(9)

式中：mlt为入河排污口排入的污染物质量；QRn(l，t)为x河段内第l个入河排污口入流点的流入水量；Clt为第l个入河排污口污染物质浓度；L为河段入河排污口总数。

引出污染物质量与取水量及引出污染物的浓度有关，引出的污染物质量为

(10)

式中：m2t为引出的污染物质量；Cijt为第i地区j用户t时段取水的污染物浓度；QS(i，j，t)为t时段i地区j用户取用水量；I，J分别为河段内的行政分区和用水户总数。

2.2 模型软件开发

采用通用网络流优化框架，该网络流模型已在众多的水资源管理问题的研究中得以应用[25-26]。该模型中的基本决策变量是k连线连接i和j之间的流量Qijk。

本文基于优化配水和水资源管理网络中优化管理的概念开发了新的软件。 该软件结构灵活，可以对不同供需水方案进行评估，也可以评估水短缺风险。软件模型的构建和分析思路方法如图1所示。

图1 模型构建与研究程序框架示意Fig.1 Description on study procedures and configuration of the model

3 郑州市水资源优化配置方案与管理

3.1 研究区概况

郑州市行政辖区总面积为7 446 km2，市区面积为1 010 km2。行政分区包括6个市辖区、1个县和5个县级市。郑州市按流域划分可分为6个水资源分区，其中淮河流域3个区，黄河流域3个区，分别为沙颖河平原区、沙颖河山区、涡河区、伊洛河区、小浪底～花园口干流区和花园口以下干流区。郑州市属于缺水地区，水资源在很大程度上依靠引黄河水和南水北调水。近年来，随着工农业生产的发展以及生态环境保护的需求，水资源供需矛盾加剧，而要解决水资源供需矛盾，不但会受到水资源数量的限制，同时也会受到水体污染和管理水平的影响。

3.2 网络节点设计与模型求解

3.2.1水资源管理节点规划

经过系统分析，将郑州市水资源优化配置与管理网络系统设计为332个节点、682个连线；共划分为47个供水单元、103个供水枢纽点、18个配水管理中心、13个地下水开发核心区、16个水库和输水工程设施，以及20处污水处理和再生水开发利用板块。每个节点都有需水、供水和蓄水能力的属性。通过指定起始和终止节点以及相应的流量，确定网络连线，可以根据不同阶段内的总水量分配外推到每月、每旬的数量。

资料时间序列为2000～2015 年，用实测流量和水质资料对输出结果进行验证。

对郑州市主要河流及其流域进行了细分，并与上游产流区相对应，每一个节点都具有地下水和地表水交叉的主要特征。

郑州市水资源网络系统节点设计如图2所示。

3.2.2资料输入

(1) 当地水资源可利用总量。模型资料包括地下水开发利用、地下水补给、工业和农业生产需水量、生活需水量、市政与商业需水量、管理措施、生态需水、污水处理回用、外引水(南水北调、黄河引水等)以及降水与蒸发资料等。选择资料时段为2000～2015年。郑州市当地天然水资源计算成果如表1所列。

表1 郑州市多年平均当地水资源可利用总量计算成果Tab.1 Calculation results of local annual average available water resources in Zhengzhou

(2) 客水资源可利用量。郑州市客水资源量主要是黄河干流的引供水量、南水北调中线的供水量和洛阳陆浑水库西水东引的调水量，如表2所列。

图2 郑州市水资源系统网络节点设计示意Fig.2 The nodes map of Zhengzhou water resources system

表2 郑州市客水资源可利用量 Tab.2 Water availability from other basins 万m3

(3) “三条红线”控制目标。依据《河南省实行最严格水资源管理制度考核办法》[5]，郑州市的水资源开发利用总量、用水效率、水功能区的达标指标如表3所列。

表3 郑州市“三条红线”达标指标Tab.3 “Three Red Lines” indicators in Zhengzhou

3.2.3模型求解

网络模型采用重复迭代法，迭代运行了55次，构成了55个初步方案，从中优选得出了优化方案。

本文考虑了优化水资源配置基本方案和强化节水措施方案条件下的供需水量、地下水补给和排水量。对于每一个配水点，根据人口数量(2015年水平)、对应需水量、生态环境需水、洪水安全指标、人均最低用水指标、工业万元GDP(当年价)用水量、农田灌溉亩均用水量、生态环境用水量、考虑不同植被景观地表覆盖率、地下水提取量、雨水收集利用、污水再生利用以及外引水量和其他流量数据，综合现有的基础设施、管理体系和水资源管理制度等配套资料，经模型优化计算，从55个初步方案中，优选得出了水资源优化配置方案，最后计算得出各配水点在一定供需水条件下的缺水量。

在不同保证率、常规管理和红线管理背景下，根据模型计算结果，从中优选得出的水资源优化配置方案如表4所列。

由表4可以看出：正常年份(P=50%)在常规管理下的总需水量为19.917 0亿m3，对应的实际供水量为17.738 3亿m3，实际缺水为10.94%；而实行“三条红线”管理后，总需水量为17.641 8亿m3，实际供水量为17.541 8亿m3，缺水为0.56%。基本实现了正常年份的水资源供需平衡。

从水资源组成成分来看，外部引水(黄河、南水北调等)所占比例最大，红线管理3种年型的外部引水均在50%以上。其次是地下水资源的开发利用，常规管理下，3种年型的外部引水均在20%以上。

从表4还可以看出：基于红线管理，采取强化节水措施，通过构建的模型实施优化配置，则一般年型基本实现了缺水量为0，即使在P=95%的干旱年份，缺水量仅为2.21%。可见，实施水资源红线管理和优化配置的效果显著。

表4 基于“三条红线”的水资源优化配置方案Tab.4 Water resources optimal allocation scheme based on “Three Red Lines” 亿m3

同时由表4还可以看出：实行水资源红线管理与强化节水措施，加上水资源优化配置，地下水补给量有所增加，在P=95%保证率下，地下水的提取量与补给量接近，实行常规管理下，地下水的补给量相当于提取量的40.39%，在实行红线管理与强化节水措施的条件下，地下水的补给量相当于提取量的84.70%。因此，基本上解决了郑州市地下水的下降漏斗问题。

在实行红线管理与强化节水措施条件下，非常规水资源得到了进一步开发利用，非常规水资源的比例由4.49%提高到16.15%。

4 红线管理与强化节水措施分析

为了确保实现“三条红线”确立的目标，郑州市制定了系统性强化节水措施方案。强化节水方案是在经济合理、技术可行、增加节水投入的条件下推行的节水措施。根据估算的节水潜力以及各水平年水资源供需分析反馈的缺水状况，拟定了逐步加大节水投资和力度的节水方案，明确了分阶段采取的节水措施及其相应的技术经济指标，估算了各计算分区不同水平年各部门的节水量，可供进一步开展供需分析和水资源配置选用。

基于郑州市红线管理目标和强化节水措施，应用本文模型进行了系统分析。基于分析结果，提出了科学管理措施及建议，如表5所列。

模型研究方案表明：实现水资源优化配置目标，必须强化各项管理，只有将科学的方案置于严格的管理措施下，才能发挥其优化配置的效果。解决缺水问题必须采用两条腿走路：一是科学决策，二是科学管理，二者缺一不可。

表5 基于“三条红线”管理和模型优化存在的问题与对策Tab.5 Optimizing development objectives and management countermeasures based on “Three Red Lines Model”

5 结 论

当前国内外供需水期望值不断变化，在资金压力和水资源短缺双重压力下，按照实行最严格的水资源管理“三条红线”的目标，全国各地水资源优化配置水平得以不断提高，水资源开发利用的经济社会效益也得以不断提升。

(1) 基于实行最严格水资源管理“三条红线”的有关指标，本研究利用网络流模型概念，构建了水资源优化配置模型，利用优化手段来评估郑州市水资源优化配置情况，并提出了水资源优化配置方案。

(2) 根据本文研究结果，在正常年份(P=50%)实行“三条红线”管理的情况下，总需水量为17.641 8亿m3，实际供水量为17.541 8亿m3，缺水为0.56%。基本实现了正常年份供需水量平衡。而常规管理下的总需水量为19.917 0亿m3，对应的实际供水量为17.738 3亿m3，实际缺水为10.94%。本文提出的水资源优化配置方案可为解决当地水资源短缺问题提供科学参考。

(3) 地下水补给量由现状的2.861 8亿m3增加到了3.921 3亿m3，郑州市的地下水下降漏斗区面积缩小约30%，既保证了水资源需求，同时对于郑州市社会的经济发展、城市生态景观以及实现“三条红线”目标具有十分重要的意义。

验证结果表明：本文开发的模型具有一定的灵活性、自适应性和实用性，可以随着新的数据和科学信息的变化而变化，从而产生出新的预测模型。

未来的研究应当瞄准系统的不确定性、水资源系统的泄漏损失、蒸散发损失和地下水补给，以便更好地揭示地表水与地下水的耦合流动。

基于本文构建的模型，未来的研究可以对一些重要的区域性问题进行检验，例如，已经规划的水资源工程目标实现的可能性、地下水储蓄工程运行和地下水的补给效果、配套的管理机构设置与管理运行，以及缺水程度的缓解、生态环境效益等。