蔚汾河流域水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置方法探討

馮 艷,武鵬林

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 前言

蔚汾河是黃河流域河口至龍門左岸的一級支流,位于東經(jīng) 110°52′～ 110°53′,北緯 38°12′～ 38°55′,地處呂梁山西麓,屬黃土高原東部。蔚汾河流域總面積 1 478 km2,其中興縣境內(nèi)流域面積 1 274 km2,占整個(gè)流域面積的 86%。蔚汾流域地勢東高西低,地貌主要分土石山區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)兩大類,流域內(nèi)較大的一級支流有嵐尾河與南川河。流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,境內(nèi)降水具有時(shí)空分布不均、豐枯交替等特點(diǎn)。流域內(nèi)地表水、地下水開采率均小于 20%,屬于低開發(fā)利用區(qū);地表水、地下水的開發(fā)利用程度均低于60%,屬于中度利用區(qū)。隨著流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對水資源數(shù)量與質(zhì)量的需求越來越高,水資源短缺已成為制約流域內(nèi)各行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素,僅靠工程措施開發(fā)水資源已不能滿足流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,蔚汾河流域水資源供需矛盾日益加劇。研究流域的供需特點(diǎn)及變化趨勢,為建立科學(xué)合理的水資源模型,進(jìn)行水資源優(yōu)化配置,制定各種水源的聯(lián)合配置方案,為水資源調(diào)度和管理提供決策依據(jù),是保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、保障水環(huán)境可持續(xù)利用的基礎(chǔ)條件,具有十分重要的意義。

協(xié)調(diào)社會發(fā)展與水資源、自然環(huán)境承載力的和諧是實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。流域水資源優(yōu)化配置主要目標(biāo)就是協(xié)調(diào)資源、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)發(fā)展,是多目標(biāo)決策的系統(tǒng)問題,必須應(yīng)用多目標(biāo)方法進(jìn)行研究分析。Matlab優(yōu)化工具箱中的 fgoalattain函數(shù)求解多目標(biāo)優(yōu)化配置問題,具有算法簡單,效率較高,穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。本文以蔚汾河流域?yàn)閷?shí)例,建立流域多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型,探討 Matlab優(yōu)化工具箱中的 fgoalattain函數(shù)在水資源優(yōu)化配置模型中求解的實(shí)際應(yīng)用。本文將多目標(biāo)分為生活用水效益目標(biāo)、工業(yè)/建筑業(yè)用水效益目標(biāo)、農(nóng)業(yè)用水效益目標(biāo)、第三產(chǎn)業(yè)用水效益目標(biāo)和生態(tài)環(huán)境用水效益 5個(gè)目標(biāo),使社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境三個(gè)方面效益最大。按照水質(zhì)將水源分為 3類,結(jié)合決策者偏好得出不同配置方案,調(diào)用 Matlab優(yōu)化工具箱中的fgoalattain函數(shù)對多目標(biāo)進(jìn)行求解。

1 多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型

1.1 水資源優(yōu)化配置的基本思路

流域水資源水源包括地表水(包括水庫水量、引水水量和提水水量)、地下水(包括淺層地下水和深層地下水)和中水。流域水資源需求也是多方面的,包括流域居民生活用水、工業(yè)/建筑業(yè)生產(chǎn)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、第三產(chǎn)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境補(bǔ)充用水。流域水資源配置模型正是運(yùn)用生活、工業(yè)/建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境等多目標(biāo)決策對現(xiàn)實(shí)流域系統(tǒng)進(jìn)行模擬,統(tǒng)籌優(yōu)化,得出最佳組合方案。流域水資源優(yōu)化配置基本思路見圖 1。

圖1 流域水資源優(yōu)化配置總體思路

1.2 水資源優(yōu)化配置模型的建立

流域水資源優(yōu)化配置的目標(biāo)是生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)/建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境五類用水部門綜合效益最大,即使得流域經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會綜合效益最大,并保持流域系統(tǒng)的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展,其模型形式為：

式中：x為決策變量,非負(fù);f1(x),f2(x)……,為生活、工業(yè)等其他目標(biāo)用水效益目標(biāo);G(x)為約束條件集,表示水資源水質(zhì)、承載能力、環(huán)境容量、土地資源、其他社會約束和子系統(tǒng)狀態(tài)方程等。

2 多目標(biāo)優(yōu)化配置方法在蔚汾河流域水土資源配置中的應(yīng)用

2.1 決策變量

將蔚汾河流域水資源分為 3種,用水戶分為 5個(gè),由于生活用水、工業(yè)/建筑業(yè)用水和第三產(chǎn)業(yè)用水對回用水量需求較小,且可充分考慮內(nèi)部回用,故本次研究不考慮回用水源供給生活、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)。不同水質(zhì)水源和用水戶確定的決策變量情況見表 1。

表1 決策變量的確定

2.2 目標(biāo)函數(shù)

以蔚汾河流域水資源綜合利用效益最大為目標(biāo),模型為：

式中,f1(x),f2(x),f3(x),f4(x),f5(x)分別為生活用水效益目標(biāo)、工業(yè)/建筑業(yè)用水效益目標(biāo)、農(nóng)業(yè)用水效益目標(biāo)、第三產(chǎn)業(yè)用水效益目標(biāo)和生態(tài)環(huán)境用水效益目標(biāo),萬元。

為了保證各用水部門的協(xié)調(diào)發(fā)展,用水戶的用水社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益以流域發(fā)展目標(biāo)、人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)實(shí)力作為準(zhǔn)則,用層次分析法或德爾菲法確定用水效益系數(shù)[2,3]。從而可得到各用水部門的子目標(biāo)如下。

1)生活用水效益最大。流域內(nèi)城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水保證率最高,應(yīng)優(yōu)先考慮,則

2)工業(yè)/建筑業(yè)用水效益最大。參照介紹水利經(jīng)濟(jì)研究會的相關(guān)研究成果,取 β=11%,W=75.25,B2=β/W。

3)農(nóng)業(yè)用水效益最大。農(nóng)業(yè)用水保證率較低,則

4)第三產(chǎn)業(yè)用水效益最大。第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要環(huán)節(jié),而且

5)生態(tài)環(huán)境用水效益最大用水效益目標(biāo)。

(3)-(7)式中,Bi分別為不同用水戶的單位用水效益,萬元/m3,其值的選取詳見參考文獻(xiàn)[4];Qi分別為不同用水戶的用水量,m3。

2.3 約束條件

1)不同水質(zhì)水源的約束

式中：Q為所有水源可供水量,Qi分別為地表水、地下水和中水的可供水量。

2)不同用水戶需水量的約束

式中：Qmin,j為用戶 j的最小需水量,Qmax,j為用戶 j的最大需水量,根據(jù)蔚汾河流域規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)確定,見表2 。

2)污水排放量與污水處理能力關(guān)系的約束

式中：Mi為蔚汾河流域第 i個(gè)污水處理廠;(DB)i為城區(qū)第 i個(gè)污水處理廠的處理能力;wi為不同用水戶的污水排放系數(shù),根據(jù)《給水排水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施手冊》,生活用水排放系數(shù)取 0.8,考慮到工業(yè)用水內(nèi)部循環(huán)利用率不斷提高,排放系數(shù)應(yīng)略低于生活,故確定為 0.6;Qi為不同用水戶的用水量;ki為污水處理廠的處理百分率。

該流域目前沒有污水處理廠,規(guī)劃到 2010年在該流域興縣境內(nèi)新建一座污水廠。根據(jù)蔚汾河流域綜合規(guī)劃報(bào)告,2020年擬收集城市生活污水、第三產(chǎn)業(yè)污水、工業(yè)污水總計(jì)528萬 m3,占用水量的 65%,可以回收利用的中水 374萬m3,污水處理率達(dá)到 75%,用于農(nóng)業(yè)灌溉。

3)變量非負(fù)約束

表2 規(guī)劃年 2020年不同用戶的用水量

2.4 蔚汾河流域水資源供需平衡分析

水資源供需分析按照“在現(xiàn)有供水工程設(shè)施基礎(chǔ)上,開源節(jié)流,以供定需,優(yōu)水優(yōu)用,近水近用;先節(jié)水后調(diào)水,先中水、地表水后用地下水,先自流后提水”的原則進(jìn)行。在對蔚汾河流域各行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料和規(guī)劃進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,采用常規(guī)趨勢法、相關(guān)法等綜合預(yù)測方法,計(jì)算蔚汾河流域在規(guī)劃年(2020年)的總需水量。表3 是在考慮了節(jié)水措施和治污挖潛能力后得到的蔚汾河流域水資源供需平衡分析表。

從表3 可以看出,節(jié)水措施能有效抑制需水量的增長,治污挖潛措施能夠增加流域水資源供給量,但是在保證率較高時(shí)出現(xiàn)供需缺口。在考慮不同水源不同水質(zhì)的基礎(chǔ)上合理優(yōu)化配置流域的有限水資源使流域社會、生活和生態(tài)效益達(dá)到最大。

2.5 優(yōu)化配置結(jié)果

本文提出了 5種不同配置方案,可供決策者偏好進(jìn)行水資源合理配置。供水量取偏枯水年(p=75%)進(jìn)行水資源優(yōu)化配置。目標(biāo)值取各用水戶最大需水量下的相應(yīng)目標(biāo),goal=[75947570,96180593,39011679,21823505,14994970],權(quán)重按其目標(biāo)值確定,按保證生活用水,穩(wěn)定農(nóng)業(yè)用水,調(diào)控工業(yè)用水,維系生態(tài)用水原則,賦予其不同的初始值 x0,經(jīng)Matlab優(yōu)化工具箱中 fgoalattain函數(shù)的調(diào)試、運(yùn)行,得出優(yōu)化配置方案表 4。

表4 不同優(yōu)化配置方案表

方案 1 側(cè)重于生活用水,就是在賦初始值時(shí),在滿足另外 4個(gè)用戶最小用水量的同時(shí),保證生活用水最大,經(jīng)優(yōu)化模型運(yùn)行后得到第一種配置方案。雖然生活用水的經(jīng)濟(jì)效益不如工業(yè)那樣明顯,但其社會效益是其他無法比擬的。

方案 2 側(cè)重于工業(yè)和建筑業(yè)用水,即賦初始值時(shí),在滿足另外 4個(gè)用戶最小用水量的同時(shí),保證工業(yè)用水最大,經(jīng)優(yōu)化模型運(yùn)行后,給出第二種配置方案,因?yàn)楣I(yè)和建筑業(yè)用水效益的經(jīng)濟(jì)效益最為明顯,通常都會成為決策者政策和方案的傾斜對象。

方案 3 側(cè)重于農(nóng)業(yè)用水,即賦初始值時(shí),在滿足另外 4個(gè)用戶最小用水量的同時(shí),保證農(nóng)業(yè)用水最大,經(jīng)優(yōu)化模型運(yùn)行后,給出第三種配置方案,農(nóng)業(yè)用水集社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益于一身,對社會穩(wěn)定起至關(guān)重要的作用。

方案 4 側(cè)重第三產(chǎn)業(yè)用水,即賦初始值時(shí),在滿足另外4個(gè)用戶最小用水量的同時(shí),保證第三產(chǎn)業(yè)用水最大,經(jīng)優(yōu)化模型運(yùn)行后,給出第四種配置方案。第三產(chǎn)業(yè)是調(diào)整現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、提高人民生活水平、促進(jìn)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)育、優(yōu)化社會資源配置、提高國民經(jīng)濟(jì)整體效益和效率的重要途徑。

方案 5 側(cè)重于生態(tài)環(huán)境用水,即賦初始值時(shí),在滿足另外 4個(gè)用戶最小用水量的同時(shí),保證生態(tài)環(huán)境用水最大,經(jīng)優(yōu)化模型運(yùn)行后,得出第五種配置方案。隨著人們生活水平的提高,生態(tài)環(huán)境越來越引起人們的關(guān)注,必然會逐漸成為決策者制訂方案時(shí)必須考慮的內(nèi)容之一。

3 結(jié)論

1)根據(jù)流域不同水質(zhì)的水資源,采用生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境多目標(biāo)優(yōu)化配置蔚汾河流域有限水資源。

2)調(diào)用 Matlab優(yōu)化工具箱中的 fgoalattain函數(shù)求解優(yōu)化配置工程,得出了 5種優(yōu)化配置結(jié)果滿足決策者偏好,為蔚汾河流域可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

通過本文的研究,提出兩點(diǎn)需要進(jìn)一步研究。

1)流域作為一個(gè)系統(tǒng),影響需水量預(yù)測的因素較多,水資源的需求量很難進(jìn)行科學(xué)計(jì)算,同時(shí)使用層次分析法或德爾菲法確定用水效益系數(shù)存在主觀性,有待進(jìn)一步深入研究。

2)求解多目標(biāo)函數(shù)的工具箱有局限性,得到的解未必全是最優(yōu)解,這個(gè)問題尚需進(jìn)一步深入探討。

[1]王霞.流域水資源優(yōu)化配置理論與應(yīng)用研究.河海大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[2]LAIM inghua(賴明華).Study on ecologicalwater requirement andoptimalwater resources allocation model of irrigation district(灌區(qū)水資源配置模型及其解法)[D].Nanjing：Hohai University,2004.

[3]ZHANG Min'an(張民安).Study on the optimization ofw ater resources ofWeinan city(渭南市水資源優(yōu)化配置研究)[D].Xi'an：Xi'an University of Technology,2002：592～ 651.

[4]張雪飛,程水源,郭秀銳,王海燕.多目標(biāo)優(yōu)化方法在區(qū)域水資源優(yōu)化配置中的作用.安全與環(huán)學(xué)報(bào),2006.

[5][美]Edw ard B.Magrab等.高會生,李新葉,胡志奇等譯.MATLAB原理與工程應(yīng)用.電子工業(yè)出版社,2002.