基于Mike Basin模型的莱州市水资源配置研究

王瑶瑶,董洁,陈学群,孟伊戈,洪樱珉,苗靖苑

基于Mike Basin模型的莱州市水资源配置研究

王瑶瑶1,3,董洁1*,陈学群2,孟伊戈3,洪樱珉3,苗靖苑3

1. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271000 2. 山东省水利科学研究院水资源与水环境研究所, 山东 济南 250014 3. 威海市水利勘测设计有限责任公司, 山东 威海 264200

本文以莱州市为研究区域，利用Mike Basin模型软件搭建流域水资源配置模型。针对莱州市规划年2025年城乡一体化建设，建立了适合莱州市复杂情景的地表水，外调水多水源配置方案。并利用多目标规划的方法求解最优方案，结果表明，方案四是在现状年适度节水的情况下再节水7%，同时新增蓄引水工程、引用黄河水的方案最优。为莱州市城乡供水一体化规划提供技术支撑，保障农村用水安全具有极其重大的意义。

Mike Basin模型; 水资源配置; 莱州

近年来，国家高度关注“三农”问题，想方设法增加农民收入、改善农民生活、缩小城乡差别。但饮水安全问题不解决，这些目标和构想将难以实现。本文针对莱州市出现的地下水严重超采、海水入侵[1]、用水结构不合理、供需矛盾突出等问题，建设城乡一体化供水工程，对维护社会稳定、促进社会和谐发展具有重大意义。在此大背景下，研究如何实现农村分散水源地有效调度、配置，实现城乡供水一体化，解决农村供水安全隐患，提高水资源的使用效率，尤为重要。因此，以莱州市实现城乡供水一体化作为研究目的，提高莱州市水资源的利用效率，达到可持续发展的目标。

在国内，诸多学者提出水资源可持续发展的问题，并提出了相应的对策，这才使得人们开始意识到水资源需要合理配置的问题，并提出了相应的解决办法，如多目标规划[2]、动态规划、粒子群算法[3]、遗传算法、MATLAB方法[4]及大系统理论[5]等运筹学方法，还有运用相应软件进行合理配置水资源的方法：Mike Basin、WMS、WaterWare、Aquarius、Weap等软件。杜倩等将Mike Basin模型与Excel软件的规划求解相结合，极大的提高了工作效率，为快速高效地解决各工程之间联合调度问题提供参考[6]；吴迪利用Mike Basin模型分别模拟了浑河流域的水库特征、径流量和灌溉区需水量变化规律[7]；韩鹏等利用试估—校正法建立哈密淖毛湖工业园区水资源优化配置模型，并分析

了其水资源利用状况的严峻趋势[8]；Gao JJ等建立了一种新的水资源配置优化工具，其中包括传统水资源（如地表水和地下水）和非传统水资源（如再生水和淡化水）使用具有进化算法的多目标模型可以帮助政策制定者在不同的水分配计划下发挥水和能源的最大利益，并为优化水和能源的综合

利用关系提供有价值的参考[9]。在国外，也有许多专家学者意识到合理分配水资源的重要性。Singh A在地下水资源管理中，将计算智能优化方法和地下水数值模拟方法相结合，实现水量、水质综合调配[10,11]；Read L等认为水资源配置方案的效率与公平性决定水资源配置方案的可行性，并建议从众多决策者的角度对配置方案进行可行性评价[12]。Yaltaghian Khiabani M等以伊朗为例，通过水资源调配减少地下水的使用，合理利用地表水资源，达到保护地下水的目的[13]。

从国内外研究现状来看，人们已经意识到水资源合理配置的重要性，并提出了较为成熟的解决办法。但是，国内外学者多集中于大城市、大水源地的研究，对于农村、小型水源的水资源配置研究较少。因此，农村供水的水量水质安全是需要继续解决的一个关键问题。

1 研究区域概况

莱州市位于胶东半岛西北部，地处烟台、青岛、潍坊三市交界处，紧临渤海莱州湾，地理坐标为北纬36°59′～37°28′、东经119°33′～120°18′。总面积1928 km2，海岸线总长108 km[14]。现辖17个镇街，2017年常驻人口84.42万人，是全国百强县和山东省十强县之一。近年来，莱州市相关部门为提高人民的生活水平，实现水资源有效利用，提出城乡供水一体化的措施，因为饮水安全工程是农村重要的基础设施，关系到农民群众的身心健康和切身利益，如解决不好，将成为社会的不稳定因素，与农村快速发展的形势不相适应，将成为农村进一步发展的制约因素。因此，解决城乡一体化规划工程刻不容缓。

2 Mike Basin模型设置与结果

Mike Basin模型是DHI公司的应用软件之一，是一种用于研究在流域或者区域尺度上，受时间、空间等要素影响的水资源分配及水资源供需平衡的数学模拟工具。该模型特色是基于GIS应用和开发，并以Arcview为平台，很直观地将界面呈现出来，让用户根据自己的需要，设定相应的模型，其中全部的建模功能均可以在地里信息系统软件Arcview中实现，同时该软件可以提供不同时间步长的水资源优化配置模拟计算、结果的呈现以及分析等。此外，Mike Basin模型还可以通过自己编程，将更为复杂的水资源分配过程呈现在模型中。甚至可以通过与外部的程序进行整合，实现二次开发[15]。

2.1 Mike Basin模型设置

2.1.1 模型设置模型模拟的研究范围是整个莱州市，以2017年现状年、以月为时间序列进行水资源供需平衡计算，水库起调水位为正常蓄水位，汛限水位为死水位，则消落水位也设置成死水位，对应的消落系数为0.8。将每个镇/街道的生活、生产、生态用水之和统一作为该镇/街道的需水量，故将其分别作为17个用水户，

供水路线的设定本着以下原则进行：（1）优先使用地表水，然后是引黄水，充分利用现有地表水源，优化调度各个水源，使有限的水资源发挥最大的效能；（2）遵循“就近调度”原则，供水水源优先取自距离近的水源地，并充分考虑地形条件，利用已有的水利设施进行调水；（3）用水户包括生活、生产、生态三类用水；（4）科学性、前瞻性、可操作性相结合的原则。

2.1.2 模拟过程建立Mike basin模型的步骤：（1）首先，应用Arcgis中的Arcmap模块，将莱州市的高程图转化为莱州市DEM图.txt文件，导入Mike basin模型中的“Map Configurations”的下拉菜单中的“Digital Elevation Model（DEM）”；（2）利用DEM数据计算水流向，中间窗口切换到Map标签，工具栏切换到“Branches”点击追踪河流“Add trace”工具；（3）添加用水户节点，本论文中将莱州市17个镇/街道，分为17个用水户，点击“Water users”中的“Add”进行添加；（4）设置用水户的需水量，及为用水时间序列，利用各年各街道的用水量数据进行需水量的输入，得到17个用水序列，并将生活、生产、生态放在一起考虑。如需改动数据，点击编辑即可；（5）设置水库节点，选择“Reservoirs”下的“Reservoir definitions”标签进行水库的相关设置，包括水位-库容-面积曲线、初始水位、正常蓄水位、防洪限制水位、死水位、水库最大下泄流量、水库最小下泄流量以及水库用水库的取水先后顺序；（6）根据供水路线的原则以及地形等因素将供水水源（水库）与用水户（各镇/街）连接起来；（7）点击run按钮中simulation进行缺水性模拟分析，待模型运行进度条至100%时，得到运行结果；（8）点击“relust”，选择“RiverBasin-Simulation1”下拉菜单中的“Nodes”，查看用水户的供水以及缺水情况。

2.2 Mike Basin模型结果

2.2.1现状年缺水情况现状年2017年，用水户为17个镇/街道，其中15个乡镇中的部分村庄已经纳入城乡一体化的供水管网中，分别是土山镇、沙河镇、柞村镇、文峰路街道、虎头崖镇、金城镇、朱桥镇、城港路街道、程郭镇、平里店镇、文昌路街道、永安路街道、驿道镇、三山岛街道、金仓街道。夏邱镇、郭家店镇尚未纳入城乡供水一体化中。利用模型对莱州市现状年的缺水量情况进行分析，仅利用地表水利工程时，莱州市用水户的缺水量达到1432万m3，缺水率为36.4%，缺水情况严重。为尽早实现莱州市城乡一体化的建设，在规划年2025年设置四种方案，为其他城市的城乡一体化规划提供借鉴。

2.2.2 方案分析根据莱州市的供需水实际状况，提出可行的4种方案，具体情况如下表：

表 1 莱州市城乡一体化水资源优化配置方案集

方案一至四均是在现状年方案的基础上进行优化设置，其具体设置如下：

（1）方案一：增加节水力度，进行适度节水；

（2）方案二：增加节水力度，在原来适度节水的基础上再节水7%；

（3）方案三：增加节水力度，在原来适度节水的基础上再节水7%，新增蓄引水工程。

（4）方案四：增加节水力度，在原来适度节水的基础上再节水7%，新增蓄引水工程，引黄工程，在原来利用利用黄河水的基础上，增加引黄水的使用，充分利用申请的引黄指标。

（备注：由于本论文是莱州市城乡一体化的水资源配置，故矿坑水、再生水等不纳入可利用的水源之中，以保证农村饮水安全。）

2.2.3 Mike Basin模型结果从模型模拟的情况可知，在规划年2025年，17个镇/街道的缺水量情况为：

方案一：莱州市的用水户缺水量为1611万m3，缺水率为38.0%；

方案二：莱州市的用水户缺水量为1183万m3，缺水率为30.0%；

方案三：莱州市的用水户缺水量为384万m3，缺水率为9.7%；

方案四：莱州市的用水户缺水量为0万m3，缺水率为0.0%。

从以上结果可知，方案四的缺水量最少，可以较好地解决莱州市水资源供需矛盾突出的问题。

3 多目标规划的设置与求解

3.1 多目标规划的设置

3.1.1 目标函数本论文中，以社会效益、经济效益、环境效益、综合效益为目标函数，以获取效益最大值的最优方案，下面进行多目标规划的设置情况如下：

（1）社会效益将与生活息息相关的水资源短缺情况作为判断社会效益的依据，其目标函数为：

式中：min1()为最小缺水量，考虑到每个用水户的需水量均包括生活、生产、生态用水，故以合计缺水量最小为社会效益最优的标志；D为第个用水户的需水量（m3）；x为第个水源向第个用水户的供水量（m3）；、分别表示水源总数、用水户总数。

（2）经济效益经济效益是衡量一切经济活动的最终的综合指标。本论文中以区域供水纯利润最大化作为经济目标，其目标函数为：

式中：max2()表示供水效益最大值，可以用GDP表示；b指效益系数，表示第个用水户从第个水源单位取水量的效益（元/ m3）；c指费用系数，表示第个用水户从第个水源单位取水量的费用（元/m3）；ɑ表示第个水源的供水次序系数；ω表示第个用水户的用水公平系数。

（3）环境效益将区域内的重要污染物的排放量或者对水质污染最小定为环境效益的指标，其目标函数为：

式中：min3()表示水资源配置中进入环境中的污染物总量；h为第个用水户排放单位废水中所含重要污染因子的含量（mg/L），通常用COD（化学需氧量）、氨氮等指标来表示；d为第个用水户的污水排放系数；为污水处理达标率（%），为污水收集管道漏失率（%）。

（4）综合效益综合效益目标函数是将社会效益、经济效益、环境效益进行综合分析，得到的多目标规划的统一值。其目标函数为：

=11+22+33(4)

123(5)

式中：为综合效益目标；1、2、3分别表示社会效益、经济效益和环境效益的权重值；1、2、3分别为社会效益目标函数（缺水量最小最优）、经济效益目标函数（GDP最大最优）以及环境效益目标函数（COD、氨氮排放量最小最优）进行规范化处理后的值。

3.1.2 约束条件（1）可供水量约束第个水源供给第个用水户的水量之和不能超过水源的可供水量。

式中：x为第个水源向第个用水户的供水量（m3）；W为水源的最大可供水量。

（2）需水量约束第个用水户的需水量不能小于最小需水量，也不能大于最大需水量。

式中：D为第个用水户的最大需水量。

（3）排污条件约束C≤0(8)

式中：C为第个用水户排放的污水中污染物的浓度；0为排放的达标污水中污染物的浓度。

（3）污染物总量约束

式中：h为第个用水户排放单位废水中所含重要污染因子的含量（mg/L），通常用COD（化学需氧量）、氨氮等指标来表示；d为第个用水户的污水排放系数；为污水处理达标率（%），为污水收集管道漏失率（%）；0为排放的污水中允许含有的污染物的总量。

（5）变量非负约束

x≥0 (10)

3.1.3 参数的确定（1）效益系数b生活用水、生态环境用水的效益系数一般难以定量化，故忽略其二者产生的效益，将生产用水产生的效益为目标。生产用水的用水效益系数采用总产值分摊的方法。其公式如下：

=/‧10000(11)

式中：指生产用水效益系数；指生产用水效益分摊系数；指工业万元产值取水量（m3/万元）。

（2）费用系数c费用系数采用莱州市城市水费征收标准来确定。

（3）供水次序系数ɑ供水次序系数ɑ表示该地区某供水水源由于其他供水水源的供水优先程度。莱州市的规划年2025年供水水源为当地地表水、外调水。现将各水源的供水优先次序转化成[0,1]之间的数，即为供水次序系数。

式中：n为第个水源向第个用水户的供水次序号；max为第个水源向用水户供水的供水次序号最大值，对莱州市来说，max=2。当地地表水的供水次序系数为0.67，外调水的供水次数系数为0.33。

3.2 多目标规划的求解

3.2.1 计算权重采用AHP法、熵权法、AHP-熵权耦合法来计算权重，其社会效益、环境效益、经济效益所占比重计算结果如下：

AHP法确定的权重值：=(1,2,3)=(0.460,0.319,0.221)

熵权法确定的权重值：=(1,2,3)=(0.329,0.331,0.340)

AHP-熵权耦合法确定的权重值：=(1,2,3)=(0.456,0.318,0.226)

3.2.2 综合效益的求解利用三种方法计算的权重值与规范化之后的数值，求解综合效益系数（表2）。

表 2 不同方法确定的综合效益计算结果表

从表2中可知，综合效益最大为方案四，在现状年适度节水的情况下再节水7%，同时新增蓄引水工程，并引用黄河水的方案综合效益值最高，可以创造出最大的效益。

4 结果与讨论

（1）针对莱州市山丘区农村需水分布较为分散的特点，综合考虑当地水源条件、地形条件、需水条件等因素，构建基于水质目标约束、经济目标约束的农村供水配置调度模型；同时基于Mike Basin模型设置莱州市水资源优化配置模型，为实现莱州市的城乡一体化规划提供指导，积极响应国家政策，保障农村用水安全，为其他地区的城乡一体化工程提供技术指导；

（2）基于Mike Basin模型建立莱州市的水资源配置模型。在模型中将水资源开发利用的转化过程概化为“点、线、面”来加以描述将它们之间的水利联系，将现状年2017年、规划年2025年四种方案的数据输入模型进行模拟，得到各种方案下的缺水情况；建立多目标规划模型，计算四种方案对应的综合效益值，由此得知，方案四在现状年适度节水的情况下再节水7%，同时新增蓄引水工程，并引用黄河水的方案综合效益值最高，缺水量为0，故方案四为莱州市水资源优化配置的最优方案，为其他地区的城乡一体化水资源配置提供技术支撑。

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Research on Water Resources Allocation in Laizhou City Based on the Mike Basin Model

WANG Yao-yao1,3, DONG Jie1*, CHEN Xue-qun2, MENG Yi-ge3, HONG Ying-min3, MIAO Jing-yuan3

1.271000,2.250014,3.264200,

This paper takes Laizhou City as the research area and uses Mike Basin Model software to build a basin water resources allocation model. Aiming at the urban-rural integration construction of Laizhou City in the planning year of 2025, a surface water and external water diversion multi-source allocation scheme suitable for the complex scenarios of Laizhou City was established. And the multi-objective programming method was used to solve the optimal solution. The results show that the fourth solution saves another 7% of water under the current annual moderate water saving situation, while adding water storage and diversion projects, and citing the optimal solution of the Yellow River. It is of great significance to provide technical support for the integrated urban and rural water supply planning of Laizhou City and ensure the safety of rural water use.

Mike Basin Model; water resources allocation; Laizhou

TV211.1

A

1000-2324(2021)06-0984-06

2020-02-14

2020-04-28

王瑶瑶(1995-),女,硕士研究生,研究方向为水文学及水资源. E-mail:215160688@qq.com

通讯作者:Author for correspondence.E-mail:12101451228@qq.com