基于可持續發展的甘州區水資源合理配置研究

楊 連 海

(甘肅省甘州區水務局， 甘肅 張掖 734000)

甘州區位于甘肅省河西走廊中部、古“絲綢之路”南北兩線和“居延古道”交匯點上，位于東經100°6′～100°52′，北緯30°32′～39°24′，最高海拔2 230 m，最低海拔1 410 m，平均海拔1 474 m，屬典型的溫帶大陸性氣候，具有寒冷、干燥、晝夜溫差大、日照時間長、降水稀少變率大、蒸發大等明顯的水平分帶差異[1]。甘州區年平均氣溫為7.8 ℃，1月平均氣溫最低，為-9.1 ℃,7月平均氣溫最高，為22.3 ℃，全年極端最低氣溫為-28.2 ℃，極端最高氣溫為39.8 ℃；多年平均降水量為132.6 mm，降水年際變化大，年內分配不均；多年平均蒸發量為1 796.7 mm，年均蒸發量是降水量的14倍，是全國重點缺水區域，也是中國西部地區自然生態環境比較脆弱的地區。2016年甘州區實際可供水量為7.79 億m3，本地區的可利用水資源100%利用，農業用水比例85.3%，用水效率低。現狀年全區人口51.29 萬人，耕地面積約8.92 萬hm2。

1 需水量預測

1.1 預測方法

總需水量包括生活需水、牲畜需水、工業需水、農業需水和生態需水。區域需水量預測模型為：

WZ=WP+WB+WI+WA+WG

(1)

式中：WZ為總需水量；WP為生活需水量；WB為牲畜需水量；WI為工業需水量；WA為農業需水量；WG為生態需水量。

(1)生活需水預測。 生活需水量包括城鎮生活需水和農村生活需水。城鎮生活需水分為城鎮居民生活需水和城鎮公共需水；農村生活需水包括農村居民生活需水和牲畜需水[2]。生活需水在一定范圍內，其增長速度是比較有規律的，因而可以用綜合分析定額方法推求未來需水量。此方法考慮的因素是用水人口需水定額。用水人口以計劃部門預測數為基礎。需水定額以現狀用水調查數據為基礎。分析歷年變化情況，考慮不同水平年居民生水平的改善及提高程度，擬定其相應的用水定額：

(2)

式中：Pk為k地區人口數量，萬人；QPk為k地區生活綜合用水定額，L/(人·d)。

(2)牲畜需水預測。牲畜需水量包括大牲畜需水量和小牲畜需水量。牲畜數量以計劃部門預測數為基礎，需水定額以現狀用水調查數據為基礎。分析歷年變化情況，考慮不同水平年牲畜數量的變化，擬定其相應的用水定額：

(3)

式中：Nk為k地區牲畜的數量，萬頭；QBk為k地區牲畜的用水定額，L/(頭·d)。

(3)工業需水預測。工業需水量包括火電工業需水，國有及規模以上工業需水及一般工業需水3類。工業需水主要利用萬元增加值需水量法進行預測：

(4)

式中：QIk為k地區萬元工業增加值用水量，m3/萬元；Ek為k地區工業增加值，萬元。

(4)農業需水預測。農業灌溉需水預測采用定額法。農業灌溉需水預測分鄉鎮進行，各鄉鎮需水量之和即為全區農業灌溉需水量。灌溉需水量預測涉及3個關鍵指標：各類作物的凈灌溉定額、灌溉水利用系數和灌溉面積。定額法的計算公式為：

(5)

式中：QAk為k地區凈灌溉定額，m3/hm2；Ak為k地區灌溉面積，hm2；ηk為k地區灌溉水利用系數。

(5)生態需水預測。生態環境需水與農業需水類似，仍采用定額法，用不同種類植物及相應定額計算。計算公式：

(6)

1.2 預測結果

以2016年為現狀年，預測年為2025年和2030年。需水量預測結果如表1所示。

由表1可知，2025年甘州區總需水量為75 351.70 萬m3，其中生活需水量為1 879.56 萬m3，牲畜需水量為1 639.21萬m3，工業需水量為1 480 萬m3，農業灌溉需水量為65 909 萬m3，生態需水量為4 444 萬m3。2030年甘州區總需水量為78 408.27 萬m3，其中生活需水量為2 114.31 萬m3，牲畜需水量為2 091.96 萬m3，工業需水量為1 379 萬m3，農業灌溉需水量為68 188 萬m3，生態需水量為4 635 萬m3。

表1 甘州區2025、2030年預測需水量 萬m3Tab.1 Forecasted water demand summary Tables of 2025 and 2030 in Ganzhou District

1.3 供需平衡分析

根據甘肅省水資源管理“三條紅線”要求，實際分配給甘州區2016年、2025年、2030年可供水總量分別為7.79、6.92、7.02 億m3；2016年、2025年、2030年甘州區總需水量分別為8.42、7.54和7.84 億m3，供水明顯不能滿足區域需水要求，分別缺水0.63、0.62、0.82 億m3，缺水率分別達到7.48%、8.22%、10.46%。甘州區發展道路嚴重受阻，社會經濟發展將受到嚴重制約，在沒有外來水源的情況下，水資源緊缺的局面短期內將難以緩解，供需矛盾將難以消除。總量控制指標按“以供定需”的原則確定[3]：當需水預測量大于區域可利用水資源總量時，即過度開發，采用區域可利用水資源總量作為分配總量；當需水預測量小于區域可利用水資源總量時，即預留部分水量，采用區域預測需水總量作為分配總量；當需水預測量等于區域可利用水資源總量時，即飽和狀態下，通過多次供需分析采用區域預測需水總量或可利用總量作為分配總量。甘州區預測的需水量均大于實際可利用的水資源總量，所以按照“以供定需”的原則，采用可供用水資源總量作為分配總量。

2 水資源合理配置

2.1 模型構建

水資源優化配置是以區域社會經濟發展與水環境相協調作為優化目標，在環境經濟學的基礎上，依據經濟發展水平條件，對區域有限水資源進行科學合理的優化配置，實現水資源的合理髙效開發利用[4]。模型的建立首先要確定目標函數，代表區域可持續發展過程中各方面的主要發展指標，用于衡量水資源優化配置的方案優劣，其決策變量由經濟系統和水資源系統內的諸多約束條件組成。對于甘州區水資源優化配置是多目標的，以經濟效益、環境效益、社會效益等綜合效益最佳為優化配置目標[5]。甘州區水資源在進行優化配置中，從環境生態的角度來進行水資源配置的綜合考慮，其優化目標的函數表達為。

區域水資源優化配置的目標是經濟、環境、社會綜合效益最大,并保持系統協調持續發展。其一般模型形式為：

Z=opt {f1(X),f2(X),f3(X)}

G(X)≤0X≥0

式中：X為決策向量；f1(X)、f2(X)、f3(X)分別為經濟效益、環境效益和社會效益;G(X)為約束條件集,表示水資源承載力、環境容量、上地資源、其他社會約束和子系統狀態方程等。

(1)目標1:區域供水凈效益最大。

(7)

(2)目標2：區域重要污染物排放量最小。

(8)

(9)

2.2 約束條件

(3)用戶需水能力約束。

(10)

(4)污染物約束。

(11)

(5)變量非負約束。

改革開放近40年來，我國得到了快速發展，但農業農村的發展相對滯后。當前處于全面建成小康社會的決勝階段，更為迫切的是要同步推進農業現代化，這就要求必須把農業農村放在優先發展的戰略地位，解決城鄉發展不平衡的問題，縮小城鄉差距，實現與城鎮的同步發展。

(12)

2.3 模型的求解

粒子群優化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是由Kennedy和Eberhart于1995年提出的一種新型的群智能進化算法,它可以靈活方便地處理具有大量等式約束、不等式約束和同時包含連續變量、離散變量的混合整數優化問題，因此,對于水資源合理配置問題,采用粒子群優化算法也是一種可行方案,為水資源合理配置提供了一種很有前景和潛力的新型方法。算法描述如下：

PSO算法一般是采用下面的公式對粒子的位置和速度進行更新：

(13)

(14)

式中：k為迭代代數；學習因子c1、c2是2個正常數,一般取值為[1.5，2.05]；r1、r2是均勻分布于[0，1]的2個隨機數。

公式(13)主要通過3部分來計算粒子i新的速度：粒子i前一時刻的速度、粒子i當前位置與自己最好位置之間的距離、粒子i當前位置與群體最好位置之間的距離。粒子i通過公式(14)計算新位置的坐標。

由于不同問題對局部搜索和全局搜索能力要求不同,所以在式(13)中引入慣性權重因子來平衡算法全局搜索和局部搜索,得到新的速度更新公式：

從式(15)中可以看出,慣性權重ω決定粒子先前速度對當前速度的影響程度,具有平衡算法全局搜索和局部搜索的能力。在求解配水優化問題時,與遺傳算法相比,粒子群優化算法具有較好的收斂性和收斂速度,能以較少的迭代次數收斂到與遺傳算法用較多迭代次數才能得到的解甚至更好的解,算法靈活簡單,易于處理不可微、非線性、非凸的優化間題。雖然其初衷主要用于求解連續變量問題，但經過簡單處理，PSO算法也能夠很好地求解離散變量以及包含連續變量和離散變量在內的混合整數規劃問題。

本研究采用粒子群算法(PSO)求解數學模型，粒子群算法是基于迭代的優化算法，期望找到優化問題中的一個潛在的解，實際中可以理解為是為了在空間中找到粒子(particle)的位置。具體流程見圖1。

圖1 粒子群算法流程Fig.1 Flow chart of particle swarm optimization

2.4 甘州區水資源合理配置結果

針對甘州區自然環境特點和經濟生活發展狀況確定水資源配置時的優先序為：先充分滿足城鄉居民及牲畜等生活用水，保障穩定生態環境發展的生態用水，滿足重點工業用水及一般工業的生產用水，公平保障農民生存的農業基本用水，協調分配各水平年可供用水。經過對甘州區2025年近期水平年和2030年遠景水平年的社會經濟指標預測及用水定額和效率變化趨勢的分析，分別預測各水平年各區域和各行業的用水需求得：2025年甘州區各行業總需水量為7.54 億m3，其中農業6.59 億m3、工業0.15 億m3、生活0.19 億m3、生態0.44 億m3；2030年張掖各行業總需水量為7.84 億m3，其中農業用水6.82 億m3、工業0.14 億m3、生活0.21 億m3、生態0.46 億m3。

對甘州區水資源平衡分析后的水量配置如表2所示。甘州區水資源匱乏，供水量小于需水量。經過粒子群優化算法的水資源合理配置后，2025、2030年缺水量比配置前分別降低了516.7、1 194.3 萬m3。通過合理配置當地水資源，已經大大提高了當地水資源利用率，促進當地經濟的發展。

3 結 論

結合甘州區的用水現狀，采用粒子群優化算法對水資源進行合理優化配置，并對規劃水平年(2025年和2030年)的水資源優化配置結果進行了分析，對甘州區水資源合理配置提出了以下建議和對策。

(1)當地降水形成的水資源時空分布不均，年際變化較大，蒸發量大。現有水利工程調蓄能力不足，汛期洪水資源得不到充分利用。應該加強以豐補枯的措施，提髙地表水利用率。

(2)針對甘州區水資源短缺、農業用水較多的實際情況，開展農業節水灌溉和高效用水是十分必要的，為其他產業的發展提供富余水資源。

(3)在制定資源開發利用與治理保護總體實施方案時，做到總體目標、任務與措施相協調，建設規模與發展機制和生產力發展水平相協調，因地制宜，大中小工程相結合，努力提高用水效率，合理利用地表水與地下水資源，有效保護水資源，積極治理利用廢污水、雨水等其他水源。

表2 甘州區2025、2030年水資源合理配置成果 萬m3Tab.2 Water resources rational allocation results of 2025 and 2030 in Ganzhou District