生態視角下半干旱區水資源優化配置研究
——以遼寧省建平縣為例

付彥偉

(遼寧省阜蒙縣舊廟鎮水利服務中心， 遼寧 阜蒙 123105)

生態視角下半干旱區水資源優化配置研究
——以遼寧省建平縣為例

付彥偉

(遼寧省阜蒙縣舊廟鎮水利服務中心， 遼寧 阜蒙 123105)

文章以遼寧省建平縣為例，將生態環境需水納入用水部門，基于多目標優化理論，構建出綜合效益最大化為目標的生態半干旱地區水資源合理配置模型，并以設定水平年在不同保證率下的水資源供需狀況為依據擬定相關參數進行函數求解，獲得相應的優化方案。

水資源； 優化配置； 半干旱區； 生態需水

我國的水資源時空分布差異大，人均水資源量低。北方干旱、半干旱地區占全國面積的近50%，但是水資源量僅有全國的7%，水生態環境異常脆弱，水資源缺乏已經成為制約上述地區經濟社會發展的重要瓶頸因素。因此，加強生態視角下半干旱地區的水資源優化配置研究，對上述地區的生態環境保護和水資源可持續利用具有重要意義。

1 研究區概況

建平縣位于遼寧省西部，地處東經119°14′～120°03′，北緯41°19′～41°23′。建平縣東西寬75km，南北長125km，總面積約4900km2[1]。建平縣屬于遼西丘陵地區，位于燕山山脈向遼沈平原的過渡地帶，境內群山起伏，溝壑縱橫。其中山區面積約占30.4%，丘陵面積約占43.3%，平川面積約占26.3%。

建平縣屬北溫帶半干旱大陸季風氣候區，雨熱同季，全年平均氣溫7.6℃，最高氣溫37℃，最低氣溫-36.9℃，年均日照時數2850～2950h[2]。年降水量平均514.7mm，多集中在6—8月。多年平均蒸發量為1517mm。建平縣有大小河流12條，其中較大河流有老哈河、蹦蹦河、海棠河等，多年平均徑流量為2.94億m3[3]。

建平縣轄5個街道、16個鎮、8個鄉、2個畜牧農場，總人口約57.5萬。2014年，建平縣國民經濟發展勢頭良好，其中工業增加值完成67億元，比上年增長32%，占GDP的比重為51%。2013年全縣有耕地127.3萬畝，其中灌溉面積73.16萬畝，全縣農業產值為33.7億元。

2 水資源優化配置模型的構建

2.1 建立多目標水資源優化配置模型

根據建平縣的水資源現狀及水資源的優化配置需要，模型的構建目標確定為第一產業，生活，生態及第二、三產業四方面的用水綜合效益最優[4]，其數學表達式如式(1)：

maxZ(X)=max{f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)}

(1)

式中x——決策變量；f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)——第一產業效益，生活效益，生態效益，第二、三產業效益目標；G(x)——約束條件集合。

2.2 子區劃分及水源類型

以建平縣的行政區劃為主要依據，結合實際的水資源分布與供水情況，將全縣劃分為建平鎮、喀喇沁鎮、沙海鎮、哈拉道口鎮、老官地鎮、奎德素鎮、小塘鎮、昌隆鎮、青峰山鎮、青松嶺鄉、楊樹嶺鄉、燒鍋營子鄉、太平莊鄉、三家蒙古鄉、義成功鄉等15個研究分區。研究中的供水水源用HY(i)表示，設定建平縣包括地下水、地表水和中水三種供水水源類型[5]。

2.3 目標函數

a. 第一產業用水效益目標函數的表達式如式(2)：

(2)

γ1，β1——折算系數，本文中γ1取1.1，β1取0.2。

b. 生活用水效益目標函數的表達式如式(3)：

(3)

γ2，β2——折算系數，本文中γ2取1.7，β2取0.4。

c. 生態環境用水效益目標函數的表達式如式(4)：

(4)

γ3，β3——折算系數，本文中γ3取1.5，β3取0.3。

d. 第二、三產業用水效益目標函數的表達式如式(5)：

maxf4(x)=BgQg4

(5)

其中

式中Bg——第二、三產業綜合用水效益，萬元/m3；

Qg4——第二、三產業用水量，m3；

β——兩產業供水效益分攤系數，本次研究中取0.1；

W4——工業萬元產值耗水量，m3。

2.4 約束條件

a. 各行業獲得的分配水量之和不大于供水水源總和。

b. 各類水源的可供水量小于等于自身供水能力。

c. 各部門所獲得的分配水量應介于該部門的最小需水量和最大需水量之間[6]。

d. 考慮到建寧縣作為半干旱地區在水生態系統方面的脆弱性，水量分配后的主要污染物含量不應大于污染物排放總量。

e. 所有變量應為非負。

2.5 參數和系數說明

a. 決策變量。結合建寧縣水源、水質以及水量的特征，在該地區取用3種水源、4類用水戶。依據上述不同水源和用水戶的特點，確定的決策變量見表1。

表1 決策變量界定結果

b. 需水量上下限。根據建寧縣的水資源規劃，2030年各部門在不同保證率下的需水量上下限見表2。

表2 2030年不同用戶需水量上下限 單位： 萬m3

3 優化配置結果及分析

3.1 優化配置結果

利用MATLAB中的linprog函數，基于理想點法對上節中的優化配置模型進行求解[7]。其中理想點的構造評價函數如式(6)：

(6)

對φ[Z(x)]進行極小化處理，并將其最優解作為模型在這種意義下的“最優解”[8]。

(7)

計算確定建平縣2030年50%和75%保證率下的水資源優化配置結果見表3和表4。

表3 建平縣2030年50%保證率下的水資源優化配置結果 單位： 萬m3

表4 建平縣2030年75%保證率下的水資源優化配置結果 單位： 萬m3

續表

3.2 合理性分析

按照上節的優化配置結果，建平縣2030遠景年50%保證率下的地表水供水量為8891.16萬m3，占總供水量的43.18%；地下水供水量為9083.73萬m3，占總供水量的44.11%，與2015年的56.43%相比降低了12.32%；在75%保證率下的地表水供水量為9984.86萬m3，占總供水量的45.29%；地下水供水量為9322.54萬m3，占總供水量的42.72%，與2015年的59.05%相比降低了16.33%。

以不同用水類型來分析，生活用水在不同保證率下均為1894.94萬m3，在50%保證率下占供水總量的8.4%，在75%保證率下占供水總量的8.6%，這一比例均比2015年有小幅增加，究其原因主要是該地區的人口總量在增加，增加的水量由農業節水提供；第一產業用水在50%保證率下為100612.64萬m3，占供水總量的47%，在75%保證率下為118430.54萬m3，占供水總量的54%，這一比例均低于2015年的數值，其原因在于農業節水措施運用與強化水資源管理的結果；第二產業和三產業用水在不同保證率下均為8066.44m3，在50%保證率下占總供水量的35%，在75%保證率下占總供水量的36%，跟2013年相比比例有所増加，這與當地第二、三產業的高速發展趨勢基本一致；生態環境需水量約為23.4萬m3，用水量較2015年增加明顯，水生態環境可以得到較好的保護和恢復，需要增加的水量主要由農業節水提供。

綜合上述，2030年建平縣在50%保證率下的水資源可利用總量為22395.91萬m3，優化配置水資源量為20593.26萬m3，余水量為1802.65萬m3；在75%保證率下的水資源可利用總量為21824.51萬m3，優化配置水資源量為21824.51萬m3。因此，從長期來看，只有依靠產業結構調整，進一步強化節水措施，才能從根本上解決建平縣的水資源供需矛盾。

4 結 論

a. 根據建平縣的水資源現狀，將生態效益納入考慮范圍，構建出包含第一產業用水效益，生活用水效益，生態用水效益和第二、三產業用水效益的多目標水資源優化配置模型。

b. 利用MATLAB中的linprog函數，基于理想點法對上節中的優化配置模型進行求解，得到了建平縣2030年不同保證率下的水資源優化配置方案。

c. 通過對水資源配置格局、缺水量等多方面的分析，說明模型和求解方法是合理的。

[1] 蘇建軍,尹麗麗.建平縣水資源短缺及主要保護措施[J].地下水,2015(6):121-122.

[2] 劉同敬,甄永強,杜明月,等.朝陽市建平縣水資源配置及規劃工程供水規模[J].中國水運(下半月),2015(3):134-136+138.

[3] 李春雨,池海清.建平縣水資源現狀分析與開發利用對策[J].水利規劃與設計,2010(2):18-20.

[4] 田景環,劉林娟.區域水資源多目標優化配置方法研究[J].人民黃河,2013(4):29-31.

[5] 劉春妍,金福強.基于多目標優化模型的區域水資源配置求解方法研究[J].吉林水利,2013(10):20-22+34.

[6] 張玲玲,高亮.多目標約束下區域水資源優化配置研究[J].水資源與水工程學報,2014(4):16-19.

[7] 王宏偉,張鑫,邱俊楠,等.基于多目標遺傳算法的西寧市水資源優化配置研究[J].水土保持通報,2012(2):150-153.

[8] 崔東文.基于MATLAB的文山州區域水資源線性多目標優化配置研究[J].華北水利水電學院學報,2011(3):4-7.

Research on water resources optimized allocation in semi-arid areas from the ecological perspective：with Jianping County of Liaoning Province as an example

FU Yanwei

(LiaoningFumengCountyJiumiaoTownWaterConservancyServiceCenter,Fumeng123105,China)

In the paper, Jianping County of Liaoning Province is adopted as an example for including the ecological and environmental water requirement in water departments. A water resources rational allocation model in biological semi-arid areas with maximization of comprehensive benefits as objectives is constructed, related parameters are formulated for function solution based on water resources supply and demand condition under different assurance rates in set level years, and corresponding optimization plans are obtained.

water resources; optimized allocation; semi-arid areas; ecological water requirement

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.007

TV213.4

A

2096-0131(2017)06- 0027- 04