蔚汾河流域水資源多目標優化配置方法探討

馮 艷,武鵬林

(太原理工大學水利科學與工程學院,山西 太原 030024)

0 前言

蔚汾河是黃河流域河口至龍門左岸的一級支流,位于東經 110°52′～ 110°53′,北緯 38°12′～ 38°55′,地處呂梁山西麓,屬黃土高原東部。蔚汾河流域總面積 1 478 km2,其中興縣境內流域面積 1 274 km2,占整個流域面積的 86%。蔚汾流域地勢東高西低,地貌主要分土石山區和黃土丘陵溝壑區兩大類,流域內較大的一級支流有嵐尾河與南川河。流域屬于暖溫帶大陸性季風氣候,境內降水具有時空分布不均、豐枯交替等特點。流域內地表水、地下水開采率均小于 20%,屬于低開發利用區;地表水、地下水的開發利用程度均低于60%,屬于中度利用區。隨著流域內社會經濟的快速發展,人們對水資源數量與質量的需求越來越高,水資源短缺已成為制約流域內各行業發展的關鍵因素,僅靠工程措施開發水資源已不能滿足流域經濟發展的需求,蔚汾河流域水資源供需矛盾日益加劇。研究流域的供需特點及變化趨勢,為建立科學合理的水資源模型,進行水資源優化配置,制定各種水源的聯合配置方案,為水資源調度和管理提供決策依據,是保持經濟可持續發展、保障水環境可持續利用的基礎條件,具有十分重要的意義。

協調社會發展與水資源、自然環境承載力的和諧是實現持續發展的關鍵所在[1]。流域水資源優化配置主要目標就是協調資源、經濟和生態環境的動態發展,是多目標決策的系統問題,必須應用多目標方法進行研究分析。Matlab優化工具箱中的 fgoalattain函數求解多目標優化配置問題,具有算法簡單,效率較高,穩定性好的優點。本文以蔚汾河流域為實例,建立流域多目標水資源優化配置模型,探討 Matlab優化工具箱中的 fgoalattain函數在水資源優化配置模型中求解的實際應用。本文將多目標分為生活用水效益目標、工業/建筑業用水效益目標、農業用水效益目標、第三產業用水效益目標和生態環境用水效益 5個目標,使社會、經濟和環境三個方面效益最大。按照水質將水源分為 3類,結合決策者偏好得出不同配置方案,調用 Matlab優化工具箱中的fgoalattain函數對多目標進行求解。

1 多目標水資源優化配置模型

1.1 水資源優化配置的基本思路

流域水資源水源包括地表水(包括水庫水量、引水水量和提水水量)、地下水(包括淺層地下水和深層地下水)和中水。流域水資源需求也是多方面的,包括流域居民生活用水、工業/建筑業生產用水、農業灌溉用水、第三產業用水和生態環境補充用水。流域水資源配置模型正是運用生活、工業/建筑業、農業、第三產業和生態環境等多目標決策對現實流域系統進行模擬,統籌優化,得出最佳組合方案。流域水資源優化配置基本思路見圖 1。

圖1 流域水資源優化配置總體思路

1.2 水資源優化配置模型的建立

流域水資源優化配置的目標是生活、農業、工業/建筑業、第三產業和生態環境五類用水部門綜合效益最大,即使得流域經濟、環境、社會綜合效益最大,并保持流域系統的協調持續發展,其模型形式為：

式中：x為決策變量,非負;f1(x),f2(x)……,為生活、工業等其他目標用水效益目標;G(x)為約束條件集,表示水資源水質、承載能力、環境容量、土地資源、其他社會約束和子系統狀態方程等。

2 多目標優化配置方法在蔚汾河流域水土資源配置中的應用

2.1 決策變量

將蔚汾河流域水資源分為 3種,用水戶分為 5個,由于生活用水、工業/建筑業用水和第三產業用水對回用水量需求較小,且可充分考慮內部回用,故本次研究不考慮回用水源供給生活、工業和第三產業。不同水質水源和用水戶確定的決策變量情況見表 1。

表1 決策變量的確定

2.2 目標函數

以蔚汾河流域水資源綜合利用效益最大為目標,模型為：

式中,f1(x),f2(x),f3(x),f4(x),f5(x)分別為生活用水效益目標、工業/建筑業用水效益目標、農業用水效益目標、第三產業用水效益目標和生態環境用水效益目標,萬元。

為了保證各用水部門的協調發展,用水戶的用水社會效益、經濟效益和環境效益以流域發展目標、人口規模、經濟實力作為準則,用層次分析法或德爾菲法確定用水效益系數[2,3]。從而可得到各用水部門的子目標如下。

1)生活用水效益最大。流域內城鎮和農村生活用水保證率最高,應優先考慮,則

2)工業/建筑業用水效益最大。參照介紹水利經濟研究會的相關研究成果,取 β=11%,W=75.25,B2=β/W。

3)農業用水效益最大。農業用水保證率較低,則

4)第三產業用水效益最大。第三產業的發展是流域社會經濟發展的主要環節,而且

5)生態環境用水效益最大用水效益目標。

(3)-(7)式中,Bi分別為不同用水戶的單位用水效益,萬元/m3,其值的選取詳見參考文獻[4];Qi分別為不同用水戶的用水量,m3。

2.3 約束條件

1)不同水質水源的約束

式中：Q為所有水源可供水量,Qi分別為地表水、地下水和中水的可供水量。

2)不同用水戶需水量的約束

式中：Qmin,j為用戶 j的最小需水量,Qmax,j為用戶 j的最大需水量,根據蔚汾河流域規劃的發展目標確定,見表2 。

2)污水排放量與污水處理能力關系的約束

式中：Mi為蔚汾河流域第 i個污水處理廠;(DB)i為城區第 i個污水處理廠的處理能力;wi為不同用水戶的污水排放系數,根據《給水排水標準規范實施手冊》,生活用水排放系數取 0.8,考慮到工業用水內部循環利用率不斷提高,排放系數應略低于生活,故確定為 0.6;Qi為不同用水戶的用水量;ki為污水處理廠的處理百分率。

該流域目前沒有污水處理廠,規劃到 2010年在該流域興縣境內新建一座污水廠。根據蔚汾河流域綜合規劃報告,2020年擬收集城市生活污水、第三產業污水、工業污水總計528萬 m3,占用水量的 65%,可以回收利用的中水 374萬m3,污水處理率達到 75%,用于農業灌溉。

3)變量非負約束

表2 規劃年 2020年不同用戶的用水量

2.4 蔚汾河流域水資源供需平衡分析

水資源供需分析按照“在現有供水工程設施基礎上,開源節流,以供定需,優水優用,近水近用;先節水后調水,先中水、地表水后用地下水,先自流后提水”的原則進行。在對蔚汾河流域各行業統計資料和規劃進行分析的基礎上,采用常規趨勢法、相關法等綜合預測方法,計算蔚汾河流域在規劃年(2020年)的總需水量。表3 是在考慮了節水措施和治污挖潛能力后得到的蔚汾河流域水資源供需平衡分析表。

從表3 可以看出,節水措施能有效抑制需水量的增長,治污挖潛措施能夠增加流域水資源供給量,但是在保證率較高時出現供需缺口。在考慮不同水源不同水質的基礎上合理優化配置流域的有限水資源使流域社會、生活和生態效益達到最大。

2.5 優化配置結果

本文提出了 5種不同配置方案,可供決策者偏好進行水資源合理配置。供水量取偏枯水年(p=75%)進行水資源優化配置。目標值取各用水戶最大需水量下的相應目標,goal=[75947570,96180593,39011679,21823505,14994970],權重按其目標值確定,按保證生活用水,穩定農業用水,調控工業用水,維系生態用水原則,賦予其不同的初始值 x0,經Matlab優化工具箱中 fgoalattain函數的調試、運行,得出優化配置方案表 4。

表4 不同優化配置方案表

方案 1 側重于生活用水,就是在賦初始值時,在滿足另外 4個用戶最小用水量的同時,保證生活用水最大,經優化模型運行后得到第一種配置方案。雖然生活用水的經濟效益不如工業那樣明顯,但其社會效益是其他無法比擬的。

方案 2 側重于工業和建筑業用水,即賦初始值時,在滿足另外 4個用戶最小用水量的同時,保證工業用水最大,經優化模型運行后,給出第二種配置方案,因為工業和建筑業用水效益的經濟效益最為明顯,通常都會成為決策者政策和方案的傾斜對象。

方案 3 側重于農業用水,即賦初始值時,在滿足另外 4個用戶最小用水量的同時,保證農業用水最大,經優化模型運行后,給出第三種配置方案,農業用水集社會效益、經濟效益和生態環境效益于一身,對社會穩定起至關重要的作用。

方案 4 側重第三產業用水,即賦初始值時,在滿足另外4個用戶最小用水量的同時,保證第三產業用水最大,經優化模型運行后,給出第四種配置方案。第三產業是調整現代經濟結構、提高人民生活水平、促進市場經濟發育、優化社會資源配置、提高國民經濟整體效益和效率的重要途徑。

方案 5 側重于生態環境用水,即賦初始值時,在滿足另外 4個用戶最小用水量的同時,保證生態環境用水最大,經優化模型運行后,得出第五種配置方案。隨著人們生活水平的提高,生態環境越來越引起人們的關注,必然會逐漸成為決策者制訂方案時必須考慮的內容之一。

3 結論

1)根據流域不同水質的水資源,采用生活、工業、農業、第三產業和生態環境多目標優化配置蔚汾河流域有限水資源。

2)調用 Matlab優化工具箱中的 fgoalattain函數求解優化配置工程,得出了 5種優化配置結果滿足決策者偏好,為蔚汾河流域可持續發展提供了科學依據。

通過本文的研究,提出兩點需要進一步研究。

1)流域作為一個系統,影響需水量預測的因素較多,水資源的需求量很難進行科學計算,同時使用層次分析法或德爾菲法確定用水效益系數存在主觀性,有待進一步深入研究。

2)求解多目標函數的工具箱有局限性,得到的解未必全是最優解,這個問題尚需進一步深入探討。

[1]王霞.流域水資源優化配置理論與應用研究.河海大學碩士學位論文,2006.

[2]LAIM inghua(賴明華).Study on ecologicalwater requirement andoptimalwater resources allocation model of irrigation district(灌區水資源配置模型及其解法)[D].Nanjing：Hohai University,2004.

[3]ZHANG Min'an(張民安).Study on the optimization ofw ater resources ofWeinan city(渭南市水資源優化配置研究)[D].Xi'an：Xi'an University of Technology,2002：592～ 651.

[4]張雪飛,程水源,郭秀銳,王海燕.多目標優化方法在區域水資源優化配置中的作用.安全與環學報,2006.

[5][美]Edw ard B.Magrab等.高會生,李新葉,胡志奇等譯.MATLAB原理與工程應用.電子工業出版社,2002.