面向可持續(xù)發(fā)展的環(huán)縣水資源優(yōu)化配置研究

姚麗娜　葉得明

環(huán)縣作為甘肅省慶陽市的重要縣區(qū)，水資源缺乏一直限制著該區(qū)域的發(fā)展。水資源供需不平衡、水資源分配不合理、地表水資源的開發(fā)薄弱以及水污染等問題長期困擾著該區(qū)域的發(fā)展。結(jié)合可持續(xù)發(fā)展與水資源優(yōu)化配置的關(guān)系，以環(huán)縣當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展等方面作為指標(biāo)，利用可持續(xù)發(fā)展的原理及水資源持續(xù)利用等特點(diǎn)，建立可持續(xù)發(fā)展的環(huán)縣水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型。根據(jù)環(huán)縣不同區(qū)域的供水現(xiàn)狀及居民合理的用水需求，靈活選擇供水方式，達(dá)到環(huán)縣水資源配置的多目標(biāo)、多分區(qū)、多水源。

水資源匱乏，影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使得工業(yè)化、城市化的進(jìn)程受到阻礙。因此，水資源優(yōu)化配置在這樣的大背景下逐步發(fā)展起來的，在于利用多種措施和方法，對(duì)于一定區(qū)域內(nèi)的十分有限的或者分布不均的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置，達(dá)到提高水資源的利用率，減少浪費(fèi)，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用，滿足經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、人民的各方面基本要求，促進(jìn)全領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展。

一、環(huán)縣區(qū)域概況

1、地形與氣候

環(huán)縣位于甘肅省最東部，陜甘寧三省區(qū)的交匯處，簡稱“隴東”，地貌為黃土高原殘?jiān)鹆隃羡謪^(qū)，處于萬山之間，有各種溝道和山梁。氣候?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，干旱少雨，平均氣溫為7～10攝氏度，年均降雨量為407.3毫米，干旱出現(xiàn)頻率較高。

2、水源

環(huán)縣的可利用水源主要來源蒲河，其他水源雖然占水源比例大，但大多為苦咸水，不可利用，而蒲河水為淡水，為環(huán)縣當(dāng)?shù)仫嬘谩⒐喔鹊闹饕础Ｆ押尤L175km，流域面積約7.5平方千米，每年的平均徑流量為2.428億立方米，為整個(gè)環(huán)縣供水約0.7億立方米。如圖1所示，為環(huán)縣地貌與水源圖。

3、社會(huì)經(jīng)濟(jì)

環(huán)縣實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值77.79億元，環(huán)縣的經(jīng)濟(jì)主要來源分為三部分：農(nóng)業(yè)、工業(yè)、其他產(chǎn)業(yè)，總?cè)丝?6.1萬人（公安戶籍人口）。

二、環(huán)縣水資源開發(fā)利用狀況

1、開發(fā)利用現(xiàn)狀

環(huán)縣境內(nèi)的主要利用水源則是蒲江，而蒲河每年的平均徑流量為2.428億立方米，為環(huán)縣供水約0.7億立方米。農(nóng)業(yè)用水方面：由于環(huán)縣當(dāng)?shù)氐臍夂蛞约暗匦危瑢?dǎo)致利用率不足30%，工業(yè)用水方面：工業(yè)用水其利用率相對(duì)較高，能達(dá)到80%以上，但是工業(yè)用水的污染相當(dāng)大。

2、存在的問題

由于地形地貌、氣候等諸多方面的原因，導(dǎo)致環(huán)縣為一個(gè)缺水貧困縣，在此類問題的影響下，環(huán)縣的水資源開發(fā)利用也存在許多問題，主要有以下幾個(gè)方面：可供水水源數(shù)量較少、水源保證率低;水源開發(fā)力度不均衡：環(huán)縣地處多山地地區(qū)，其特殊的地形影響著當(dāng)?shù)厮Y源的開發(fā)不均衡，導(dǎo)致整個(gè)環(huán)縣的水資源分配不均衡;水浪費(fèi)、污染嚴(yán)重;水質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、水源生態(tài)破壞嚴(yán)重等問題。

通過以上幾點(diǎn)可見，環(huán)縣水資源的開發(fā)利用還存在較多的問題。因此，合理的水資源優(yōu)化配置是解決環(huán)縣用水問題的關(guān)鍵。

三、可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置

1、優(yōu)化模型構(gòu)建

通過分析，一個(gè)龐大的水資源系統(tǒng)，我們可以將其進(jìn)行分解，考慮以社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)為主向量，形成三部分：社會(huì)因素——經(jīng)濟(jì)因素——生態(tài)因素。三部分之間相互作用，相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)建一個(gè)多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型，其關(guān)系如圖2所示。

2、 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)上述描述，將綜合效益最大定義為目標(biāo)函數(shù)，其可以表征為以社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)為基礎(chǔ)的函數(shù)。利用模擬方法來評(píng)價(jià)模型的狀態(tài)變化，用優(yōu)化控制的方法來調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最優(yōu)化。函數(shù)形式如下：

其中，表征影響因子或者決策量，F(xiàn)（X）表征最大綜合效益，也就是目標(biāo)函數(shù)，S（X）表示社會(huì)效益，J（X）表示經(jīng)濟(jì)效益，

H（X）表示生態(tài)效益，G（X）為約束集，包含了所有的影響到目標(biāo)函數(shù)的約束條件。

3、約束條件

該水資源優(yōu)化配置模型將重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)約束條件：

（1）水源可提供水量條件約束

其中， ? 表示第k個(gè)區(qū)間內(nèi)的i個(gè)水源想第j個(gè)需水用戶所供應(yīng)的水量， ? 表示第k個(gè)區(qū)間內(nèi)的i（k）個(gè)水源向該區(qū)間總的可供應(yīng)的水量的上限。

（2）用戶供需水變化約束

其中，? ? ? 表示k區(qū)間內(nèi)第j個(gè)需水用戶的用水需求最小值，? ? ? 表示k區(qū)間內(nèi)第j個(gè)需水用戶的用水需求最大值。

（3）環(huán)境要求約束

其中，? ? 表示k區(qū)間內(nèi)第i個(gè)水源向環(huán)境輸送的水量，S表示整個(gè)區(qū)域內(nèi)環(huán)境用水的總需求量。

4、可持續(xù)評(píng)價(jià)

通過可持續(xù)評(píng)價(jià)體系，采用可持續(xù)評(píng)價(jià)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在各類指標(biāo)、閾值設(shè)定正確合理的基礎(chǔ)上，得出環(huán)縣水資源可持續(xù)性能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表中的數(shù)據(jù)表明，水資源利用率、水資源開發(fā)利用程度、工業(yè)用水復(fù)用度越低，可持續(xù)發(fā)展性越小，而生態(tài)用水率和人均用水量越小，可持續(xù)性越高。

為了更好的驗(yàn)證水資源優(yōu)化配置模型，我們利用水資源承載評(píng)價(jià)模型作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)，作進(jìn)一步的分析驗(yàn)證，其結(jié)果如圖3所示。

本文利用慶陽市環(huán)縣水利局、環(huán)縣自來水公司提供的水資源數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)縣的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置研究，取得了較好的效果。構(gòu)建環(huán)縣水資源優(yōu)化配置模型，利用目標(biāo)函數(shù)和約束條件，結(jié)合各個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)關(guān)系，完善水資源優(yōu)化配置模型。同時(shí)，將可持續(xù)發(fā)展的思想應(yīng)用在水資源模型中，最終形成一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)縣水資源優(yōu)化配置模型。對(duì)環(huán)縣的水資源配置方案進(jìn)行了優(yōu)化和預(yù)測(cè)，優(yōu)化結(jié)果符合預(yù)期目標(biāo)，預(yù)測(cè)結(jié)果滿足社會(huì)發(fā)展實(shí)際。

（作者單位：1.745700甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)財(cái)經(jīng)學(xué)院;2.745700環(huán)縣自來水公司）