城市水資源優(yōu)化配置概述

孫凌虹,王 靜

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710127;2.西安理工大學(xué)水電學(xué)院,陜西西安 710148)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的繁榮和工業(yè)化的發(fā)展,各地區(qū)對(duì)城市生活空間和環(huán)境質(zhì)量的要求也日益提高,相應(yīng)地,出現(xiàn)了對(duì)資源的過(guò)度需求以及大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用。而水資源的供需矛盾也首當(dāng)其沖,成為當(dāng)今世界普遍關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。如何科學(xué)合理地對(duì)城市水資源進(jìn)行配置,不僅關(guān)系到城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步,也成為影響城市發(fā)展的最大“瓶頸”之一。因此,從國(guó)家水資源配置的全局性出發(fā),以改善城市用水緊張,實(shí)現(xiàn)城市水資源的可持續(xù)利用為前提,進(jìn)一步總結(jié)和發(fā)展水資源配置的相關(guān)理論體系和關(guān)鍵技術(shù),對(duì)我國(guó)水資源的持續(xù)利用,以及城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展都具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 水資源配置理論研究概述

1.1 水資源合理配置的概念辨析

近年來(lái),國(guó)內(nèi)很多學(xué)者分別從不同的角度和領(lǐng)域?qū)λY源配置問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討和研究,他們都給出了自己的解釋?zhuān)?/p>

(1)王順久等認(rèn)為[1]：水資源的合理配置是指在一個(gè)特定的區(qū)域或流域內(nèi),通過(guò)提高水資源的配置效率,綜合解決各行各業(yè)之間的用水問(wèn)題,即對(duì)不同形式的有限的水資源進(jìn)行科學(xué)合理的分配,其最終目的就是實(shí)現(xiàn)水資源的協(xié)調(diào)利用。

(2)趙斌等人認(rèn)為：水資源合理配置是指通過(guò)工程與非工程手段,以及跨流域調(diào)水等措施,在一定時(shí)間段內(nèi),合理改變水資源的區(qū)域結(jié)構(gòu)及天然時(shí)空分布,在協(xié)調(diào)好各地區(qū)之間利益矛盾的同時(shí),最終實(shí)現(xiàn)某一特定區(qū)域或流域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)展。

(3)王濟(jì)干等提出在和諧發(fā)展的前提下,對(duì)一特定區(qū)域或流域內(nèi)一定量和質(zhì)的水資源,按照不同的需求和用途,通過(guò)工程和非工程措施,將水資源在各用戶(hù)之間進(jìn)行科學(xué)合理的分配。

(4)王浩、秦大庸等認(rèn)為[2]：在水資源生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi),通過(guò)工程與非工程措施,對(duì)一定范圍內(nèi)不同形式的多種可利用水源,按照有效性、公平性、可持續(xù)性和系統(tǒng)性的原則,綜合調(diào)控各區(qū)域和用水部門(mén)之間的利益分配,即是對(duì)水資源的合理配置。

(5)甘泓、李令躍等將水資源的合理配置定義為[3]：按照公平、有效和可持續(xù)的原則,對(duì)一特定區(qū)域或流域內(nèi)水資源在各用水戶(hù)之間的科學(xué)分配。

以上是各學(xué)者在近期的研究中對(duì)水資源合理配置的一些看法,其中,以我國(guó)頒布的《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃大綱》提出的概念最為廣大學(xué)者所接受,即[4]：“在流域或特定的區(qū)域范圍內(nèi),遵循公平、高效和可持續(xù)性的原則,利用各種工程與非工程措施,考慮市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的規(guī)律和資源配置準(zhǔn)則,通過(guò)合理抑制需求、保障有效供給、維護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等手段和措施,對(duì)多種可利用水源在區(qū)域間和各用水部門(mén)間進(jìn)行的配置”。

從上述定義可以看出,對(duì)水資源合理配置的要求,大體上有以下幾個(gè)共性：①運(yùn)用工程與非工程措施;②遵循公平、有效、系統(tǒng)以及可持續(xù)等原則;③按需分配;④最大限度地利用水資源。實(shí)際上,水資源的合理配置問(wèn)題就是提出一個(gè)更好地利用稀缺水資源的方法和手段,在對(duì)人類(lèi)城市影響最小的前提下,從一系列復(fù)雜關(guān)系中找出相對(duì)公平的、可接受的水資源分配方案,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)與管理之間效益的最大化。

1.2 水資源優(yōu)化配置的基本原則

廣義的水資源是指水環(huán)境資源或水體資源,即指可利用或有可能被利用的各種天然的或人為的水體。我國(guó)《水法》中所稱(chēng)的水資源,包括河流、湖泊、水庫(kù)中的地表水以及地下水。我國(guó)是一個(gè)水資源貧乏的國(guó)家,人均水資源擁有量?jī)H為世界平均水平的四分之一。在全球一體化的時(shí)代背景下,隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市工業(yè)和生活用水的需求不斷激增,而個(gè)人普遍缺乏節(jié)水意識(shí),造成水資源浪費(fèi)現(xiàn)象極其嚴(yán)重。因而,對(duì)已有水資源的有效利用更顯得尤為重要?？偟恼f(shuō)來(lái),水資源的合理配置應(yīng)該遵循公平原則和效率原則的統(tǒng)一[5]。在具體實(shí)施時(shí),應(yīng)設(shè)置以下幾個(gè)原則：

1.2.1 可持續(xù)化原則。

對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用要有一定的限度,要按照水資源的承載能力,推進(jìn)社會(huì)和水利的協(xié)調(diào)發(fā)展。只有水資源承載能力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平相協(xié)調(diào)時(shí),才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2.2 宏觀調(diào)控原則。

水資源是由人類(lèi)所共有的物質(zhì)財(cái)富。在承認(rèn)資源共享的前提下,由權(quán)威的國(guó)家政治權(quán)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行宏觀調(diào)配,從而實(shí)現(xiàn)水資源的合理開(kāi)發(fā)和可持續(xù)利用。

1.2.3 開(kāi)源與節(jié)流并重原則。

這涉及到一個(gè)水資源總量控制的問(wèn)題。計(jì)劃用水、節(jié)約用水,是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的長(zhǎng)久之策。對(duì)于在取水,也即開(kāi)發(fā)水源的過(guò)程當(dāng)中,也要有一個(gè)排放總量的控制限額。只有開(kāi)源與節(jié)流并重,才能在滿足當(dāng)代人用水需求的前提下,保障后代人的用水權(quán)利不被剝奪。

1.2.4 因地制宜以及使用權(quán)優(yōu)先原則。

水資源配置應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行有計(jì)劃地配置,并在分配過(guò)程當(dāng)中解決優(yōu)先使用權(quán)的問(wèn)題,例如生活(生存)優(yōu)先原則,因?yàn)樗Y源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),各地在進(jìn)行水資源配置中都必須首先保證城鄉(xiāng)居民生活用水以及施工安全生產(chǎn)所必須的水。

1.2.5 綜合效益最大化原則。

從水資源的開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)的角度出發(fā),綜合調(diào)配各項(xiàng)相關(guān)資源,從而獲得經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的最佳綜合效益。

1.2.6 不損害原則。

自然水體有一定的自?xún)裟芰?所以,生活和生產(chǎn)廢物的排放應(yīng)盡可能降低到最低程度,即維持在生態(tài)環(huán)境承載力的范圍之內(nèi),從而保持水體清潔和水域功能。

必須說(shuō)明,水資源優(yōu)化配置的原則是多方面的,因?yàn)橛绊懰吹囊蜃邮歉鞣N各樣的。我們只能在社會(huì)的發(fā)展和問(wèn)題出現(xiàn)的過(guò)程當(dāng)中不斷地加以調(diào)整和完善,但就目前來(lái)看,主要是以上 6個(gè)原則。

2 水資源優(yōu)化配置模型的建立

城市水資源是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng),一般由 4個(gè)部分組成,即供水、輸水、用水以及排水系統(tǒng)。城市水資源的配置過(guò)程可描述為[6]：水資源配置系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)輸入的信息,從水資源系統(tǒng)通過(guò)輸水系統(tǒng)將水分配到各個(gè)用水部門(mén),然后由用水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)反饋信息給水資源分配系統(tǒng),水資源分配。如此反復(fù),直到得到最優(yōu)配置結(jié)果。

2.1 子區(qū)劃分與水源、用戶(hù)構(gòu)成

設(shè)區(qū)域劃分為 k個(gè)子區(qū),定義 k子區(qū)水源與用戶(hù)之間的供需關(guān)系矩陣。子區(qū)內(nèi)水源與用戶(hù)間的供求關(guān)系系數(shù),i=1,2,m為不同供水水源,j=1,2,,n為不同需水用戶(hù)。當(dāng)k子區(qū)的 i水源和 j用戶(hù)存在供求關(guān)系時(shí)

2.2 模型目標(biāo)的確立

水資源系統(tǒng)優(yōu)化的最高目標(biāo)是,實(shí)現(xiàn)水資源合理配置,使經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的綜合效益達(dá)到最大。并且,水資源利用不是僅追求某一方面效益的大小,而是追求整體效益最高。因此,水資源優(yōu)化配置問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題。

其目標(biāo)函數(shù)形式可表示為：

式中：X為決策向量,由不同數(shù)量、質(zhì)量和賦存形式的水資源組成;分別為水資源開(kāi)發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

2.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

以區(qū)域供水凈效益最大來(lái)表示：

2.2.2 社會(huì)效益

以區(qū)域總?cè)彼孔钚?lái)表示：

式中：Dkj為 k子區(qū) j用戶(hù)的需水量(萬(wàn) m3)。

2.2.3 環(huán)境效益

以區(qū)域重要污染物(COD)的排放量最小來(lái)表示：

式中：dkj為 k子區(qū) j用戶(hù)單位廢水排放量中重要污染因子(化學(xué)需氧量 COD)的含量(mg/l);Pkj為 k子區(qū) j用戶(hù)廢污水排放系數(shù)。

2.3 約束條件

2.3.1 區(qū)域供水系統(tǒng)的供水能力約束

即 k子區(qū) i水源向所有用戶(hù)的供水量之和應(yīng)小于其可供水量：

式中：為 k子區(qū)i水源的可供水量。

2.3.2 區(qū)域用水系統(tǒng)的需水能力約束

即 k子區(qū) j用戶(hù)從水源獲得的水量應(yīng)該介于該用戶(hù)需水量的上下限之間：

2.3.3 區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展約束

區(qū)域水資源利用與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)度 μB1(σ1)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量改善的協(xié)調(diào)度 μB2(σ2),此處分別用供需水量比值、區(qū)域生產(chǎn)總值增長(zhǎng)率與污水處理能力增長(zhǎng)率的比值來(lái)反映;并假定區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)最低值 μ＊為0.8。

2.3.4 變量非負(fù)約束

2.4 總體模型

將目標(biāo)函數(shù)與約束條件組合在一起就構(gòu)成了水資源優(yōu)化配置的總體模型,即 Obj

此模型可以得到某一區(qū)域內(nèi)各子區(qū)及用戶(hù)的缺水程度,結(jié)合各區(qū)域的實(shí)際情況,最終提出解決區(qū)域供需水矛盾的方法與途徑。

3 水資源優(yōu)化配置研究建議

針對(duì)水資源配置的研究現(xiàn)狀,結(jié)合國(guó)內(nèi)水資源利用的實(shí)際情況,提出以下建議：

1)完善水資源配置體系。水資源涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境等多種影響因素,要充分協(xié)調(diào)各因素之間的關(guān)系,最終實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用與發(fā)展。

2)利用科學(xué)技術(shù)及現(xiàn)代化手段提高水資源利用效率。正確估計(jì)水資源承載能力,重視科技進(jìn)步和現(xiàn)代化管理對(duì)提高水資源利用效率的巨大作用。

3)建立合理的水資源配置模型。重視模型的實(shí)用價(jià)值以及可行性,切忌主觀色彩過(guò)濃,以滿足實(shí)際需求為主。

4 結(jié)語(yǔ)

由于我國(guó)水資源相對(duì)匱乏,合理配置城市水資源,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的前提和保障。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異,會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的新方法和新理論。我們應(yīng)該在科學(xué)發(fā)展觀的指引下,從社會(huì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等角度綜合研究,建立一套符合我國(guó)水問(wèn)題國(guó)情的科學(xué)的水資源配置體系,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

[1]王順久,侯玉,張欣莉.中國(guó)水資源優(yōu)化配置研究的進(jìn)展與展望[J].水利發(fā)展研究,2002,2(9).

[2]王浩,陳敏建,秦大庸.西北地區(qū)水資源合理配置和承載能力研究[M].鄭州：黃河水利出版社,2003.

[3]甘漢,李令躍,尹明萬(wàn).水資源合理配置淺析.中國(guó)水利,2000,04.

[4]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則[Z].2002.

[5]許怡,高惠珠.水資源配置的公平與效率問(wèn)題[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究).2008.

[6]張成鳳.基于遺傳算法的榆林市水資源優(yōu)化配置的研究[M].2008.

[7]王小平.曹立明.遺傳算法—理論、應(yīng)用與軟件實(shí)現(xiàn)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,2002.

[8]李文麗,王宏偉.區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型分析[J].黑龍江水利科技.2006(3).