基于按需比例分配法水資源優化配置模型的建立及求解探析

周永昌，李長存

(沈陽市遼中區水利建筑工程公司，遼寧 沈陽 110200)

在水資源合理配置模型中，為了準確、清晰地描述研究區的實際情況，有必要將研究區劃分為水資源區，并根據水資源的實際情況對研究區水資源系統進行分類和優化。

為了便于數據采集和提高配置方案的可行性，分區劃分應遵循以下2個原則：①根據地形地貌及流域條件劃分，便于進行供水量計算；②盡量與行政區劃保持一致，便于數據的收集和整理。

研究區域水資源可被分為k個分區，其中分區編號為k=1，2，3…k；結合大伙房受水區的水資源系統現狀，本研究區域以遼陽市為例，分別為遼陽市區、弓長嶺區、燈塔市及遼陽縣，所以，本研究區中k=4。

根據供水的空間范圍，該區域的供水水源一般分為公共水源和專用水源2部分[1]。公共水源是指能夠同時向2個以上子區域的需水部門供水的水源，一般包括大型蓄水、調水、跨流域(地區)調水工程；專用水源是指僅能向某一子區域的需水部門供水的區域協調系統，一般包括子區域的蓄水、調水和提水等。設研究區域內有c(c=1，2，…，M)個共用水源，第k子區有i(i=1，2，…，I(k))個專用水源。

區域用水大致可分為4類，分別為工業、農業、生活和生態環境用水。根據該區域的實際情況，為了進一步準確反映供水、用水及消耗和排放之間的關系，該模型可分為具體的用水部門，設K子區域可由j(j=1，2，3…J(K))建立。所以，對于第k子區而言，建模問題則是I(k)+M個供水水源與J(k)個用水部門的水資源合理配置的問題[1]。

1 優化配置模型

(1)當供大于求或等于求，即當Q≥Q0時，設需水單位Ai分配的水量為Ci，則

Ci=qi(i=1,2,…,n)

(1)

(2)

水量余額為：

(3)

當ΔQ>0時，則有多余的水量。對于多余的水量ΔQ，可以按照具體情況進行應急分配，或將其存入調節水庫或參與第二輪的水量分配。

這種分配方法簡單易算，適于供大于求的情況。

(2)供不應求時，如果可供凈水量小于需水總量，即Q

設需水單元為A1，A2，…，An，其各自需水量分別為q1，q2，…，qi，分配的水量為Ci，則

(4)

這種分配方法雖不能滿足每個需水單元的需水要求，但每個需水單元都能按照相同比例分得相應水量，且需水量越多的單位分配的水量也越多[3]。

2 模型約束條件

模型的約束條件，一方面可以從水資源配置系統的各個環節分別進行分析，另一方面可以從社會、經濟、水資源、生態環境的協調方面進行分析[4]。本次模型中，主要考慮水源可供水量約束、供水上限約束、用戶需水約束以及社會生態環境約束。

2.1 水源的可供水量約束

公共水源：

(5)

獨立水源：

(6)

每個不等式分別指：公共水源c向k子區所有用戶的供水量之和應小于其可供給k子區的水量[5]；公共水源c向所有子區的供水量之和應小于其可供水量；k子區i水源向所有用戶的供水量之和應小于其可供水量。

2.2 水源輸送能力約束

公共水源：

(7)

獨立水源：

(8)

2.3 用戶需水能力約束

(9)

3 模型求解

用戶需水量分為生活需水量、工業需水量(包括第三產業、建筑業在內)、農業需水、生態需水量。根據大伙房水庫遼陽市受水區供需調查，以2017年用水量為基礎，預測規劃水平年2020、2030年在P=75%時各子區各用戶的需水量，結果見表1—2。

表1 遼陽市2020年需水預測結果(p=75%) 單位：104m3

表2 遼陽市2030年需水預測結果(p=75%) 單位：104m3

以遼陽地區水平年2020、2030年保證率P=75%的供需水情況為依據，根據按需比例分配法，可求得遼陽地區該年的水資源優化配置結果，見表3—4。

4 結果分析

本次水資源優化配置研究采用按需比例分配法建立水資源優化配置模型，結果顯示在大跨區域調水背景下，遼陽地區部分水資源短缺的情況較未實施調水工程前有了很大的改善。跨流域調水大大縮減了受水區水資源供需缺口，同時也提升了受水區當地的水資源承載能力和水環境承載能力，為推動遼陽地區經濟社會的協調可持續發展提供了基本的水資源保障[6]。

在規劃水平年2020、2030年，跨區域調水背景下，大部分地區都能得到滿足與保證，缺水主要是弓長嶺區的生產部分，即農業用水和工業用水不能滿足。

缺水主要原因是生產缺水，所以我們只要解決生產需水的缺口，就可以實現社會、經濟協調可持續發展。農業缺水是由于農業水利工程設施老化、灌區灌溉配套不完善、渠道滲漏、農灌方式落后及農業用戶的節水意識薄弱等原因造成實際農業需水量相對于合理農業需水量的大大增加，進而供水不足出現缺水；工業缺水的主要原因是高耗水工業所占比重較大，水資源的重復利用率低，產業結構不合理，控制污水排放政策不夠完整及污水處理設施不足[6]。

5 結論與建議

5.1 結論

(1)遼陽市水資源總量不是很多，多年平均水資源總量為11.2179×108m3，需要借助大伙房輸水工程來滿足用水的需求。

(2)遼陽市2017年總需水量為11.0914×108m3，2020年和2030年總的需水預測量分別為11.2604×108m3、11.2772×108m3；2017年可供水量為12.9823×108m3，預測2020和2030年可供水量分別為13.4499×108m3、13.3979×108m3。

(3)遼陽市生產需水占總需水量的比重非常之大，經配置，預測2020年生產分配的水量為10.4502×108m3，占總水量配置的93%，2030年生產分配的水量為10.3489×108m3，占總水量配置的91.8%，需要調整產業結構，減少高用水工業，還需要注意水資源的可持續發展，提高水質與水量。

表4 遼陽市水資源配置 單位：104m3

5.2 建議

(1)實現用水總量控制，準確全面預測未來供需水量，在發展中達到供水量與需水量的平衡，統籌考慮再生水與地表水、地下水的利用，在保障城鄉居民生活用水的基礎上，統籌兼顧生態環境、工業、農業用水，實現污水再生循環利用[7]，恢復地表、地下水體合理的水量、水位，都是要研究和解決的問題。

(2)水資源開發利用應以維護生態環境為前提，注重社會經濟與生態環境的協調發展。保障生態環境用水，改善水環境與生態環境質量，實現水資源的可持續發展與水污染防治相結合，會成為未來水資源優化配置研究的一個重要發展方向。

(3)水資源可持續評價的指標都是依據評價區域的實際情況選擇與水資源密切相關的便于資料收集的部分指標構成相應的評價指標體系[8]。現在仍然沒有建立起系統的水資源配置合理性評價體系，致使水資源配置行為缺乏明顯的效果，系統的水資源優化配置合理性評價體系也需要我們進一步的研究。