新疆水資源多目標優化配置模型分析

2021-03-03 04:02:58程凡

水利科學與寒區工程 2021年1期

程凡

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000)

新疆是我國西部經濟發展迅速、人口密集的地區，也是典型的干旱缺水地區。近年來，新疆水資源量嚴重減少，水污染問題加劇，水資源承載力大幅下降，嚴重影響和制約了新疆社會經濟的可持續發展。隨著國家“一帶一路”戰略的實施，新疆地區作為西部大開發的中心城市和戰略地位的輻射功能更加突出，新疆地區的生態環境和經濟發展對水資源的開發利用提出了更高的要求，因此對新疆地區水資源的可持續利用進行認真思考，建立符合新疆地區社會經濟發展目標的水資源優化配置模式，對于解決新疆地區水資源短缺的現狀具有重要的現實意義。

1 區域概況

新疆位于歐亞大陸的中心，天山中部北麓，準噶爾盆地南緣。它是世界上離海最遠的內陸城市。以東經86°38′～ 88°58′、北緯42°45′～ 44°08′為界，海拔680 ～ 920 m[1]。該省覆蓋15個城市，面積166萬km2，占中國陸地總面積的六分之一，是我國面積最大、陸地邊界最長、鄰國最多的省份。

新疆是典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，氣候干燥，降水量少，蒸發量大，日照時數長。冬天冷，夏天熱，晝夜溫差大。年平均氣溫6.4℃，年平均降水量236 mm，年平均蒸發量2300 mm[2]。新疆可利用的水資源可分為地表水資源和地下水資源。地表水資源總量為1038.868億m3，地下水資源總量為610.408億m3。各行政區域的水資源量見表1。

2 構建優化配置模型

根據國家現行水資源政策和地方規劃，以2016年水資源狀況為當前水平年，2025年為規劃水平年，建立了新疆水資源聯合調配系統多目標線性優化模型。該模型包括新疆的地表水、地下水等其他水源，目標包括經濟、社會和環境效益。約束條件包括供水能力約束、需求約束、輸送水能力約束、污染排放的化學需氧量約束和變量的非負約束[3]。然后，依據前期收集的數據，通過多目標規劃求解的方法得到最終的區域最優配置規劃方案。

根據目前的問題，新疆水資源優化配置的最終目標是實現經濟效益、社會效益、生態環境效益最大化。

表1 2016年新疆行政分區水資源總量表

(1)經濟效益：以新疆供水凈效益最大為目標，如式(1)[4]：

(1)

(2)社會效益：以新疆缺水量最小為目標，如式(2)：

(2)

(3)生態環境效益：以新疆主要污染排放物化學需氧量的總和最小為目標，如式(3)[5]：

(3)

根據問題的條件，考慮到約束水資源發展的共有以下幾個約束條件[6]：

(1)水資源供水能力約束，如式(4)：

(4)

式中：Si為i水源可供水量。

(2)水資源需求約束，如式(5)：

(5)

(3)水資源輸送水能力約束：

(6)

(4)水資源污染排放物COD約束：

(7)

(5)非負約束：

(8)

3 需水量分析計算

(1)居民生活需水量：采用定額法,用式(9)計算[5]。

Wh=365×10-3×(p×q)

(9)

式中：Wh為生活年需水量，m3/a；p為人口數,人；q為用水定額，m3/人·d。

(2)工業需水量用式(10)計算

W=c×g

(10)

式中：W為規劃水平年工業需水量,億m3；c為規劃水平年工業增加值,萬元；g為規劃水平年工業每萬元增加值用水量，億m3/萬元。

(3)農業需水量用式(11)計算。

Wt=∑(b×q/η)

(11)

式中：Wt為農業需水量，億m3；b為灌溉面積,hm2；q為作物灌溉定額,億m3/hm2；η為作物所在灌區有效利用系數，取均值0.8[6]。

(3)生態需水量用式(12)計算。

Wn=∑ai×ri

(12)

式中：Wn為生態需水量,億m3；ai為不同類型覆蓋面積，hm2；ri為用水定額,億m3/hm2。

各個部門需水量值如表2所示。

不同部門在不同規劃水平下的用水量每年不同，每個季節也不同。生活用水和生態用水分為額定用水量和最低用水量。工業生產有高峰期和正常期，用水量也不同。農業用水有灌溉期和非灌溉期，用水量也不同。因此，對于不同的部門使用不同的水量，應當采用適當的范圍來表示它們。一般來說，以規劃水平年需水量為基定標準，不同部門使用水量的下限和上限分別為規劃水平年需水量的0.8倍和1.2倍[7]。用水部門需水量的上限和下限的數據見表3。