基于可持續(xù)發(fā)展和多目標(biāo)規(guī)劃的石羊河流域水資源合理配置

王炯

摘 要：依據(jù)石羊河流域水資源的短缺，綜合考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)，以生活、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)用水的經(jīng)濟(jì)效益最大和水資源消耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立可持續(xù)發(fā)展的多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置線性規(guī)劃模型。利用MATLAB 軟件對(duì)線性多目標(biāo)規(guī)劃進(jìn)行求解。根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整決策變量的目標(biāo)值，獲得三種水資源扶持側(cè)重點(diǎn)不同的配置方案。

關(guān)鍵詞：水資源配置 可持續(xù)發(fā)展 多目標(biāo)規(guī)劃 石羊河流域

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）06（b）-0114-02

自然資源的合理利用與保護(hù)，是當(dāng)今世界上最重大的課題之一，而水資源則是其中最重要的研究對(duì)象。在中國(guó)西北干旱地區(qū)，石羊河是我國(guó)內(nèi)陸河流域中水資源開發(fā)利用程度最高、用水矛盾最突出的流域之一[1]。石羊河發(fā)源于甘肅省南部的祁連山，消失于巴丹吉林和騰格里沙漠之間的民勤盆地北部。石羊河流域位于甘肅省河西走廊東段，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，總面積4.16萬(wàn)平方千米。流域地勢(shì)南高北低，自西向東北傾斜。石羊河流域?qū)俅箨懶詼貛Ц珊禋夂颍?yáng)輻射強(qiáng)、日照充足，溫差大、降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、空氣干燥[2]。

隨著人口增加和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，特別是灌溉面積的大幅度增加，水資源供需矛盾十分突出，直接導(dǎo)致下游水量逐漸減少，甚至河流斷流，生態(tài)環(huán)境日趨惡化。同時(shí)，由于灌區(qū)大量引水但排水不暢，灌區(qū)內(nèi)部土壤鹽漬化問(wèn)題嚴(yán)重。因此有效利用水資源，對(duì)有限的水資源進(jìn)行合理的配置，成為當(dāng)前十分關(guān)注的問(wèn)題。水資源配置不僅關(guān)系到當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)安全，也關(guān)系到水資源的可持續(xù)利用[3]。

針對(duì)石羊河流域有限水資源的合理配置問(wèn)題，近年來(lái)許多學(xué)者展開了大量研究[2～4]，文獻(xiàn)[7]通過(guò)計(jì)算單元優(yōu)化配置模型和水資源轉(zhuǎn)化模擬模型的耦合模型，得到優(yōu)化配置結(jié)果，由多目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)評(píng)價(jià)各方案的優(yōu)劣；文獻(xiàn)[6]建立了該流域的水資源管理模型，用于地區(qū)地表水和地下水聯(lián)合利用的水資源模擬分析，主要實(shí)現(xiàn)供水、需水、水質(zhì)和生態(tài)保護(hù)的水資源系統(tǒng)模擬，但評(píng)價(jià)水資源合理配置的可靠性等問(wèn)題尚待深入研究.為此，本文建立基于工業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)用水效益多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整決策變量的目標(biāo)值，獲得三種水資源扶持側(cè)重點(diǎn)不同的配置方案，以期為石羊河流域水資源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。

（3）變量非負(fù)約束。

要使得決策變量具有實(shí)際意義，模型的解必須滿足，即變量必須是非負(fù)的。

1.4 優(yōu)化模型的建立

2 模型求解方法

顯然，1.4中的問(wèn)題是一個(gè)不等式約束線性規(guī)劃問(wèn)題。本文利用MATLAB中的線性規(guī)劃計(jì)算程序linprog對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整決策變量的約束范圍，主要得出下面3種方案，見(jiàn)表3。

3 水資源配置方案分析

首先，根據(jù)中國(guó)人口年增長(zhǎng)率（1.8%），該流域嚴(yán)格執(zhí)行計(jì)劃生育，控制農(nóng)村人口增長(zhǎng)率不高于1.8%，城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)率不超過(guò)1.5%。到2020年該流域農(nóng)村人口不超過(guò)183.2萬(wàn)，城市人口不超過(guò)85.1萬(wàn)。其次，增建污水處理廠，并且引進(jìn)高科技設(shè)備，提高污水處理達(dá)標(biāo)率。提高水資源的再次利用率。

第一方案將水資源主要用于發(fā)展農(nóng)業(yè)，增加灌溉面積，增加養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，而且大面積增加植樹造林和綠化工程，以及水利設(shè)施投入，需要水資源23.3345億，總經(jīng)濟(jì)收入將達(dá)到393.7億元。

第二方案減少農(nóng)業(yè)投入，適當(dāng)增加工業(yè)水資源投入，已達(dá)到節(jié)水的目的，總經(jīng)濟(jì)收入為391.89億元。

第三方案主要將水資源投入到增加工業(yè)產(chǎn)值，工業(yè)產(chǎn)值達(dá)到280.2億元，減少農(nóng)業(yè)用水，總經(jīng)濟(jì)收入為350.3億元。

顯然，根據(jù)2020規(guī)劃年不同用水戶的需水量（表2），這三種方案都是可行的，每一種方案所體現(xiàn)的水資源投入側(cè)重點(diǎn)有所不同，其所得到的經(jīng)濟(jì)收入也就不一樣。

4 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃基本理論，以經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和水資源合理利用為基礎(chǔ)，建立了石羊河流域水資源不同部門配置的多目標(biāo)規(guī)劃模型。

以石羊河水資源現(xiàn)狀，以及所具有的發(fā)展條件為依據(jù)，確立了合理的約束條件。按照水資源投入的目標(biāo)不同，利用MATLA軟件獲得了三種有效地水資源配置方案。該理論方法的應(yīng)用對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和水資源協(xié)調(diào)利用的框架模式具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓林，耿松松.全球變化背景下干旱區(qū)水資源開發(fā)利用沖突的話語(yǔ)分析[J].改革與開放，2011，4：116.

[2] 胡文俊.石羊河流域水資源利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)策[J].干旱區(qū)地理，2007，30（6）：969-973.

[3] 馬國(guó)軍，林棟，劉君娣，等.基于多目標(biāo)分析的石羊河流域水資源優(yōu)化配置研究[J].中國(guó)沙漠，2008，28（1）：191-194.

[4] 李宗禮，李新攀，趙文舉，等.基于多目標(biāo)遺傳算法的石羊河流域水資源優(yōu)化配置模型[J].L蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（2）：52-55.

[5] 李元紅，胡想全，王軍德.石羊河流域民勤縣生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究[J].人民黃河，2005，32（10）：9-10，13.

[6] 魏曉妹，康紹忠，馬嵐.石羊河流域綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)水資源轉(zhuǎn)化的影響及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2006，25（4）：28-32.

[7] 粟曉玲，康紹忠.石羊河流域多目標(biāo)水資源配置模型及其應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（11）：128-132.

[8] 陳南祥，魏杰，甘甜.基于可持續(xù)發(fā)展的區(qū)域水資源優(yōu)化配置研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，9（4）.endprint