基于A-NSGA-Ⅲ的引江济淮工程河南段水资源优化配置研究

陶 洁,王沛霖,王 辉,袁建文,左其亭

(1.郑州大学水利与交通学院,河南 郑州 450001; 2.河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室,河南 郑州 450001; 3.河南省引江济淮工程有限公司,河南 郑州 450003;4.河南省豫东水利保障中心,河南 开封 475000)

引江济淮工程是沟通长江、淮河两大流域,实现长江下游向淮河中游地区跨流域补水,支撑中部地区崛起的重要战略水源工程。河南段为江水北送分段的一部分,主要通过西淝河向河南省商丘、周口地区供水。受水区是河南省乃至全国人口密度最大、耕地率最高的区域,区域内水资源短缺、地下水超采、水生态环境污染等问题已严重制约其经济社会可持续发展[1-3]。

从20世纪80年代开始,水资源配置一直是水文学及水资源学科的研究热点[4-6]。水资源配置研究也历经了层次性的发展变化,从“就水论水配置”“广义水资源配置”到“量质一体化配置”,从“以需定供”“以供定需”到基于宏观经济、可持续发展的水资源优化配置等[7-8]。模型求解方面,遗传算法[9-10]、模拟退火算法[11-13]、粒子群优化算法[14-15]、布谷鸟算法[16-17]等大量智能优化算法得到应用。上述算法在求解时具有简单、高效的优点,却又存在着仅能针对单一目标函数,参数难以确定导致求解精度不理想等不同缺点。第三代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)能够较好地处理多目标高维问题,但存在过早收敛的问题[18]。为此,改进的NSGA-Ⅲ(A-NSGA-Ⅲ)引入了自适应机制,利用参考点约束维持种群的多样性,收敛精度高,提高了NSGA-Ⅲ求解大规模高维多目标优化问题的能力[19]。

本文以2020年为现状水平年,以2030年、2040年为规划水平年,构建以经济、社会和生态环境效益最大化为目标函数的跨流域调水工程水资源优化配置模型,并运用A-NSGA-Ⅲ进行模型求解和方案选择,以期为引江济淮工程河南段实现经济、社会与生态环境耦合协同发展与水资源高效利用提供参考。

1 研究区概况

引江济淮工程河南段地处淮河流域中上游的豫东地区,属暖温带大陆性季风气候,年均气温14.24～15.8℃,年均降水量723～752mm,区域内主要有涡河、惠济河、清水河、包河、浍河、沱河等河流,均为典型的平原季节性河流,涉及商丘市的梁园区、睢阳区、永城市、柘城县、夏邑县,周口市的鹿邑县、郸城县、淮阳区和太康县这9个受水区(图1)。根据《引江济淮工程(河南段)初步设计报告》(2019),受水区多年平均地表水资源量11.63亿m3,地下水资源量16.86亿m3。2020年受水区总供水量15.67亿m3,其中地下水供水量12.68亿m3(含矿坑水0.31亿m3),占供水总量的80.94%;地表水供水量2.66亿m3,仅占16.95%。多年来受水区水资源及其开发利用主要存在如下问题:①水资源短缺、供需矛盾尖锐。受水区人口密集、耕地率高,受河道季节性影响,范围内蓄引提调工程先天条件不足,有限的引黄调水仅用于农田灌溉,受水区人均水资源量仅为312m3,远低于全国平均水平(2239.8m3)。②水污染严重。2020年,受水区21个水功能区97个水质监测断面监测评价结果显示,Ⅰ～Ⅲ类水质断面共27个,Ⅳ～劣Ⅴ类水质断面共70个。③地下水超采严重。据统计,受水区地下水超采面积达10685km2,占受水区总土地面积的88.2%,导致地下水位大幅下降、地面沉降、地下水污染等系列生态环境问题。

图1 引江济淮工程河南段示意图

水利部行政许可文件《引江济淮工程(河南段)初步设计报告准予行政许可决定书》(水许可决〔2019〕38号)许可引江济淮工程向试量站断面供水,2030年年均分配水量为5.00亿m3,2040年为6.34亿m3;工程建设任务为以城乡供水为主,兼顾改善水生态环境。河南段水资源配置系统网络图如图2所示。供水系统除引江济淮调水外,还包括当地地表水(含引黄调水)、地下水(含永城市的矿坑排水)和中水,其中供水工程有中小型蓄水工程、引水工程、拦河闸、引黄灌区和井灌区工程等。蓄水工程现状供水能力0.22亿m3,设计供水能力0.84亿m3;引提水工程现状供水能力3.12亿m3,设计供水能力为6.65亿m3;多年平均浅层地下水资源可开采量为13.67亿m3。

图2 引江济淮工程河南段水资源配置系统网络

2 水资源优化配置模型

2.1 基本原则

a.贯彻“山水林田湖草生命共同体”理念,优先保证各区域生态环境用水。

b.供水水源配置次序:引江济淮水、当地地表水(包括已经分配好的供给当地的引黄调水)、浅层地下水、中水。考虑到受水区地下水超采严重、地下水漏斗问题,规划年全面禁采深层地下水,只将其作为备用水源。

c.引江济淮水源配置用水次序:生活、工业、生态环境;当地水配置用水次序:生活、农业、工业、生态环境。

d.考虑到中水的水质和供水成本因素,主要将其用于煤电、工业园区等大用水企业、市政杂用水和生态环境用水等。浅层地下水主要用于农业灌溉及少量乡镇工业用水。

2.2 目标函数

受水区供水水源分为独立水源和公共水源,其中独立水源包括当地地表水、浅层地下水和中水,分别用i=1,2,3表示;公共水源仅有引江济淮水,用c=1表示。受水区9个区(县),分别用k=1,2,…,9表示。用水部门分为生活、工业、农业、生态环境,分别用j=1,2,3,4表示。

a.以受水区供水效益最大为经济目标,目标函数为

(1)

式中:xijk、xcjk分别为独立水源i、公共水源c对k受水区j用水部门的供水量,万m3;bijk、bcjk分别为独立水源i、公共水源c向k受水区j用水部门的单位供水的效益系数,元/m3;eijk、ecjk分别为独立水源i、公共水源c向k受水区j用水部门的单位供水的费用系数,元/m3;γk为k受水区各个水源的供水次序系数;pkmax为k受水区水源供水次序序号的最大值;pk为k受水区各个水源的供水次序序号;χijk、χcjk分别为独立水源i、公共水源c向k受水区j用水部门的配水优先系数;qikmax、qckmax为独立水源i、公共水源c向k受水区j用水部门供水次序序号的最大值;qijk、qcjk分别为独立水源i、公共水源c向k受水区j用水部门的供水次序序号。

b.以缺水量最小为社会目标,目标函数为

(2)

式中Djk为k受水区j用水部门的需水量,万m3,包括生活需水量、工业需水量、农业需水量和生态环境需水量。

c.以污染物排放量最小为生态环境目标,选取污水中主要污染物化学需氧量(COD)为评价其生态环境效益的主要因子,目标函数为

(3)

式中:ρjk为k受水区j用水部门单位污水排放量中COD的质量浓度,mg/L;hjk为k受水区j用水部门的污水排放系数。

2.3 约束条件

a.用水部门需水量约束:

(4)

式中Djkmin、Djkmax分别为k受水区j用水部门的最低需水量和额定需水量,万m3,最低需水量的确定以满足部门最低需水保证率而定。

b.供水系统的供水能力约束。独立水源和公共水源约束分别为

(5)

(6)

式中:Dik为k受水区独立水源最大供水能力,万m3;Wc为公共水源c的可供水量,万m3。

c.排水系统的水质约束:

(7)

式中W0为污染物允许排放量,万t/a。

d.非负约束:

xijk≥0

(8)

xcjk≥0

(9)

3 参数确定和方案优选

3.1 参数确定

3.1.1效益系数和费用系数

工业、农业用水的效益系数分别由工农业生产总值与相应用水量确定[20]。生活用水的效益系数根据优先保障居民生活用水的原则,充分考虑受水区过去和现阶段经济社会发展状况确定;生态环境用水与生活用水净效益系数取值相同[18]。由此计算出规划年2030年生活、工业、农业、生态环境的用水效益系数分别为600.00、567.23、61.86、599.12元/m3,2040年分别为700.00、670.21、83.22、699.00元/m3;用水费用系数依据商丘市、周口市水费征收标准,最终确定2030年生活、工业、农业、生态环境的费用系数分别为2.68、0.47、3.25、1.80元/m3,2040年在现状基础上取整,分别为3、1、4、2元/m3。

3.1.2水源供水次序及用水部门配水优先系数

基于优化区域用水结构,保障区域经济社会可持续发展的总体目标,计算得各供水水源的供水次序系数分别为引江济淮水0.4,当地地表水0.3,浅层地下水0.2,中水0.1。受水区当地水源、引江济淮水源的生活、工业、农业、生态环境4个用水部门的配水优先系数分别为:对于当地水源,生活0.4,农业0.3,工业0.2,生态环境0.1;对于引江济淮水源,生活0.5,工业0.33,生态环境0.17。

3.1.3污染物排放质量浓度、污水排放系数、污染物允许排放量

根据近年来受水区城镇生活、工业和农业的用水与排水比例来确定污水排放系数。以污染物COD为主要水质指标,根据受水区污水排放状况,确定规划年生活废水中的COD排放质量浓度为398mg/L,污水排放系数为0.5;工业污水中的COD排放质量浓度为500mg/L,污水排放系数为0.8;梁园区、睢阳区、永城市、柘城县、夏邑县的农业污水中的COD排放质量浓度为329mg/L,污水排放系数为0.2,而其余4个区(县)(郸城县、鹿邑县、太康县、淮阳区)农业污水中的COD排放质量浓度为210.73mg/L,污水排放系数为0.2。污染物允许排放量综合考虑受水区污水处理工艺、水质管理目标和水域纳污能力等因素加以确定[18]。

3.2 方案优选

利用A-NSGA-Ⅲ对模型求解,A-NSGA-Ⅲ流程可参考文献[21]。在求解多目标优化问题时,由于每个目标函数达到最优解时所对应的非劣解不同,本文选取4种侧重于不同目标的方案供决策选择:方案1以受水区经济效益最高为目标;方案2以受水区缺水量最小为目标;方案3侧重于生态环境效益;方案4围绕受水区水资源可持续发展的目标,采用耦合协调度模型进行综合协调进而得到最优解。耦合协调度的计算公式[22-23]为

(10)

T=af1(x)+bf2(x)+cf3(x)

式中:C为耦合度;f1(x)、f2(x)、f3(x)分别为经济发展、缺水量和生态环境3个目标函数的综合得分;T为f1(x)、f2(x)、f3(x)3个目标函数的综合评价指数;U为耦合协调度;a、b、c为3个目标函数的权系数,本文取a=b=c=1/3。

4 结果与分析

4.1 供需平衡分析

依据《河南省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》《商丘市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》《周口市城市总体规划(2016—2030年)》及各个县区发展规划等资料,结合河南省地方标准DB41/T385—2020《工业与城镇生活用水定额》、DB41/T958—2020《农业与农村生活用水定额》,立足2010—2020年社会经济发展和用水情况,采用定额法,对基准年、2030年和2040年引江济淮河南段受水区生活、工业、农业及生态环境进行需水量预测。基于现状情况下水利工程设施、水资源的开发利用程度和开发潜力,综合考虑《引江济淮工程(河南段)初步设计报告》成果,分别开展地表水、地下水、其他水源的可供水量预测。基于供需预测结果开展供需平衡分析,其中未考虑引江济淮工程河南段引水方案下的受水区多年平均供需平衡分析成果见表1。由表1可知,基准年2020年受水区多年平均总需水量为22.54亿m3,未引入引江济淮水时多年平均总供水量为15.59亿m3,缺水量为6.95亿m3,缺水率达到30.82%,当地水源供水量已不能满足各行各业的水资源需求。规划年2030年、2040年多年平均总需水量分别为25.75亿m3、27.93亿m3,总供水量为18.07亿m3、20.06亿m3,缺水率达到29.80%、28.20%。引江济淮水引入后,缺水率分别降低至10.43%、5.47%。

表1 未考虑引江济淮工程情况下基准年、规划年受水区供需平衡分析 单位:万m3

4.2 水资源优化配置方案

运用A-NSGA-Ⅲ求解多目标优化模型,设置种群规模为200,迭代1000次后得到帕累托最优解,选取的4种侧重于不同目标的方案见表2,各个方案的经济、社会和生态环境目标效益见表3。由表2和表3可知,在规划水平年2030年、2040年,受水区在方案1下经济效益可得到最大程度发展,但缺水程度也较大,且污染物COD排放量最多;在方案2下,受水区缺水量最小,但依然存在COD排放量较大的问题;在方案3下,受水区COD排放量最低,但经济效益较方案1分别减少29.24亿元、21.73亿元,且缺水量最大,社会效益得不到满足;方案4以耦合协调度最大为目标,缺水量最低,且在经济与生态环境目标上表现良好,达到经济、社会与生态协同发展的耦合协调。因此,以方案4为最优方案,具体分配方案见表4、表5。

表2 4种侧重于不同目标的水资源优化配置方案 单位:万m3

表3 不同水资源优化配置方案下经济、社会和生态环境效益

表5 规划年2040年引江济淮工程河南段水资源最优配置方案 单位:万m3

4.3 最优配置结果分析

4.3.1受水区缺水率分析

引江济淮工程河南段不同水平年各受水区缺水状况如图3所示,引江济淮水引入后,2030年受水区多年平均缺水率为10.43%,其中夏邑县、柘城县缺水率相对较高,分别为24.16%、20.43%,其次是永城市、睢阳区、梁园区和鹿邑县,缺水率均在12%左右,其余区(县)缺水率均在3%以内。2040年受水区多年平均缺水率较2030年降低4.96%,除了夏邑县的缺水率达到18.78%外,其余区(县)缺水率均在10%以内,供需矛盾得到缓解。缺水主要集中在农业上,其次是工业。受水区作为重要的粮食产区,承担着粮食增产的重任。在现状情况下,生活用水和工业用水严重挤占了农业用水,引江济淮水的引入可以返还出被挤占的部分农业用水,提高农业用水保障能力,但缺水问题仍然不可忽视,2030年、2040年多年平均农业缺水量分别为20694万m3、12023万m3,分别占总缺水量的77.06%、78.41%。除了太康县,其余区(县)分配至农业的水量均未满足农业需水要求,夏邑县农业缺水率最高,不同规划年分别达到30.11%、27.77%。

图3 引江济淮工程河南段受水区缺水状况

综上分析,受水区未来应充分落实《河南省水利发展十三五规划》,继续完善与水土资源条件和现代农业发展要求相适应的节水灌溉体系,统筹协调发展农业与水环境,改善农村水生态环境。同时需要加快发展工业节水技术,提高工业用水利用率,提高水资源承载能力。

4.3.2供用水结构优化分析

不同水平年引江济淮工程河南段受水区供用水结构如图4、图5所示(每组3个柱子从左到右依次表示2020年、2030年、2040年)。从供给侧来看,现状年2020年河南段受水区地表水、地下水、中水实际供水占比分别为16.95%、80.94%、2.11%。引江济淮水引入后,2030年上述水源供水占比分别为19.76%、53.32%、5.24%,2040年供水占比分别为19.91%、46.59%、9.49%。可见,新增了引江济淮水后,地下水供水占比显著降低,地表水和中水回用供水比例有所提升,供水结构优化明显。其中,太康县地下水供水占比最高(占69.34%),地下水源在满足农业用水要求时,仍可供给少量乡镇工业部门。

图4 引江济淮工程河南段受水区供水结构变化

图5 引江济淮工程河南段受水区用水结构变化

从需求侧来看,现状年2020年河南段受水区实际生活、工业、农业、生态环境用水占比分别为17.59%、14.22%、63.51%、4.68%;最优配置方案下,规划年2030年生活、工业、农业、生态环境用水占比分别为17.81%、18.19%、60.10%、3.90%,2040年用水占比分别为20.08%、22.17%、53.79%、3.96%。由于受水区经济快速发展,生活、工业等刚性部门用水占比呈现出增加趋势,而农业由于节水的推广,用水占比呈减少趋势,但依然是用水比例最高的部门。预计社会经济发展将使农业和工业用水部门保持规划年最大用水部门的地位,其次是生活用水和生态环境用水部门。各受水区中,永城市的水量分配最大,梁园区最小,这是因为永城市作为一座新型能源工业城市,工业需水量较大;而梁园区的农业耕地面积相对其他区(县)来说较少,农业相对不发达,导致农业需水量最小。

上述对供用水结构优化的分析,为引江济淮河南段产业结构改革提供一定的参考依据。引江济淮水的引入,优化了供水结构,通过禁用深层地下水,遏制了地下水的开采,使得生态环境得到改善。未来应落实“四水四定”原则,统筹城乡、工业、农业与生态环境用水,从供给侧和需求侧全方位推进结构改革。

5 结 论

a.利用A-NSGA-Ⅲ对引江济淮工程河南段经济-社会-生态多目标水资源优化配置模型进行求解,基于生成的帕累托最优解设置4种侧重于不同目标的方案以供决策选择,最终确定耦合经济-社会-生态环境协调度最大的方案4为最优方案。

b.引江济淮水的引入可极大地缓解受水区供需矛盾,优化供水结构,改善生态环境。规划年2030年、2040年受水区地下水供水占比明显降低,缺水率分别降至10.43%、5.47%,其中农业部门缺水量最大,不同规划年分别占总缺水量的77.06%、78.41%。受水区是全国重要的粮食产区,农业还存在一定的节水潜力,可以从调整农业种植结构、加强灌区工程节水配套改造、改善耕作方式等进行节水。

c.A-NSGA-Ⅲ在解决多目标高维水资源配置问题时具有较好的适用性,优化方案可为引江济淮工程河南段水资源调配方案制定提供参考。本文仅考虑了受水区多年平均下的水资源配置,在数据充足的情况下,有必要进一步开展平、枯水年情景下的精细化配置。同时,可运用其他求解方法并对其性能进行对比分析,进一步验证方法的适用性和有效性。