基于單元優(yōu)化配置方法的陜西省關(guān)中地區(qū)水資源配置研究

姜 瑾，張永永

(1.西安理工大學(xué)高科學(xué)院，西安 710109;2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州 450003)

陜西省關(guān)中地區(qū)不僅是陜西經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，同時也是實施西部大開發(fā)的第一階梯和橋頭堡。解決關(guān)中地區(qū)水問題，就是解決西北地區(qū)開發(fā)與發(fā)展的問題。據(jù)此，本論文擬結(jié)合陜西省內(nèi)南水北調(diào)工程(引乾濟石、引紅濟石、引漢濟謂)，從系統(tǒng)優(yōu)化的角度，開展省內(nèi)南水北調(diào)受水區(qū)水源工程聯(lián)合調(diào)配研究，建立調(diào)控模型，尋求調(diào)控方法。研究成果能夠為關(guān)中地區(qū)合理開發(fā)和利用水資源提供科學(xué)的決策依據(jù)，對提高水資源利用率，實現(xiàn)水資源復(fù)合系統(tǒng)社會、經(jīng)濟與生態(tài)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。

1 水資源單元優(yōu)化配置模型建立的思路

陜西省南水北調(diào)受水區(qū)包括5座重點大城市，13座中小城市和8個工業(yè)園區(qū)。考慮到各個用水節(jié)點所在行政區(qū)的水文氣象特征、供水水源情況、現(xiàn)有和在建供水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及城市間的相對問題，可以把受水區(qū)劃分為西安單元、咸陽單元、渭南單元和寶雞單元。

單獨考慮每個單元的供水系統(tǒng)，供水系統(tǒng)從“公共”和“私有”角度可以劃分為:公共水源地和私有水源地。其中，私有水源地包括當(dāng)?shù)氐叵滤?、?dāng)?shù)赜晡鬯赜煤彤?dāng)?shù)氐乇硭垂こ?公共水源地即引漢濟謂調(diào)水工程。

單元優(yōu)化配置研究是把每個單元作為一個單獨子系統(tǒng)，研究各子系統(tǒng)的優(yōu)化配置的過程。

2 水資源單元優(yōu)化配置模型建立

2.1 基于多目標(biāo)多層次模糊優(yōu)選法的引漢濟渭調(diào)水量配置

多目標(biāo)多層次模糊優(yōu)選方法［1－4］在工程評價領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用。本論文應(yīng)用該優(yōu)選方法計算引漢濟渭調(diào)水量配置，調(diào)水量配置過程如圖1。

圖1 基于多目標(biāo)多層次模糊優(yōu)選法的調(diào)水量配置過程Fig.1 The allocation process of water transfer based on fuzzy optimization with multi-objects and multi-layers

通過計算，得出引漢濟渭工程調(diào)水量分配比例為:(西安單元∶咸陽單元∶寶雞單元∶渭南單元)=(0.436∶0.224∶0.185∶0.155)

2.2 各子單元水資源優(yōu)化配置

對各個子單元單獨研究，分別建立子系統(tǒng)水資源配置目標(biāo)函數(shù)，約束條件，運用遺傳算法對模型求解，獲得水資源優(yōu)化配置結(jié)果。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

以缺水量最小為目標(biāo)函數(shù)，作為考察社會發(fā)展的指標(biāo)。生態(tài)方面，由于缺乏相關(guān)資料，因此生態(tài)目標(biāo)轉(zhuǎn)換為約束條件，以滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量進行控制。

式中:Qj表示單元內(nèi)j用水部門的需水量，包括城市生活需水量、城市工業(yè)需水量和城市生態(tài)需水量;xij，xcj分別表示私有水源與公共水源對部門j的供水量，其中“i”表示當(dāng)?shù)氐叵滤?dāng)?shù)赜晡鬯彤?dāng)?shù)氐乇硭┙o水量，“c”表示引漢濟渭供給水量。

2.2.2 模型約束條件

(1)可供水量約束，各水源供水量不能超過其最大供水能力，即

式中:Qi，Qc為私有水源與公共水源的最大供水能力。

(2)用水戶需水量約束為

式中:minQj，maxQj分別為j部門的最小需水量與最大需水量。最小需水量的確定以滿足部門最低需水保證率而定。

(3)水庫庫容約束為

式中:Vmin(m，t)一般為死庫容;Vmax(m，t)為允許的最大庫容，非汛期一般為正常蓄水位下的庫容，汛期為防洪限制水位下的庫容，當(dāng)抬高汛限水位可實現(xiàn)洪水資源化。

2.3 模型的求解方法——模擬與優(yōu)化相結(jié)合方法

針對不同的供水水源類型，采取不同的求解方法。由于遺傳算法在水庫調(diào)度中具有廣闊的應(yīng)用前景［5］，擬采用實數(shù)編碼遺傳算法求解供水水庫優(yōu)化調(diào)度問題。對于地下水、雨污水和引漢濟渭供給水量問題，擬采用模擬方法進行求解。

3 單元優(yōu)化配置系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

在建立了具體的關(guān)中地區(qū)南水北調(diào)受水區(qū)水資源單元優(yōu)化配置模型之后，其配置系統(tǒng)是以該模型為核心，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)完成的。該軟件系統(tǒng)簡單易用，不僅能為水資源管理部門提供數(shù)據(jù)依據(jù)，而且能大大縮短決策時間。

為了進一步檢驗所建配置系統(tǒng)的可行性，統(tǒng)一采用各水庫1954—2005年共51 a長系列徑流資料，在引漢濟渭擬調(diào)水12億m3的情況下，以旬為調(diào)度時段，配置區(qū)內(nèi)受水對象2020年毛需水量預(yù)測結(jié)果為依據(jù)，分別用該系統(tǒng)和模擬模型進行對比計算并設(shè)定方案。方案1為模擬模型配置結(jié)果，方案2為單元優(yōu)化模型配置結(jié)果。對比結(jié)果見表1。

表1 缺水量和平均供水保證率統(tǒng)計Table 1 Statistics of water shortage and average water supply guarantee rate

結(jié)果表明采取單元優(yōu)化配置方法方案2比常規(guī)模擬方法方案1可以減少總?cè)彼? 875萬m3，城市生活保證率都為100%，而城市工業(yè)保證率方案2多出10個百分點，城市生態(tài)保證率方案1則多出近20個百分點。這是因為采用方案1模擬模型進行配置時，引漢濟渭總調(diào)水量作為補充水源最后配置，它不考慮4個單元行政區(qū)的界限，因而能將多余水量補充城市生態(tài)需水量。而采用方案2單元優(yōu)化模型進行配置時，考慮了4個單元行政區(qū)的界限，首先進行引漢濟渭總調(diào)水量在4個單元的配置，其次是各單元內(nèi)部節(jié)點優(yōu)化配置，這更貼近現(xiàn)實中的實際配置。以上分析表明:在水資源總量不變的情況下，采取科學(xué)合理的配置方法與優(yōu)化模型對于合理利用水資源，指導(dǎo)現(xiàn)實水資源配置是很有必要的。

4 結(jié)論

本文通過各水庫1954—2005年共51 a長系列徑流資料，在引漢濟渭擬調(diào)水12億m3的情況下，以旬為調(diào)度時段分別用單元優(yōu)化和模擬模型進行對比計算，得出單元優(yōu)化方法在保證各供水保證率的前提下，可減少陜西省關(guān)中地區(qū)總?cè)彼? 875萬m3。

單元優(yōu)化算法考慮了各單元界限，這比模擬算法更貼近水資源配置現(xiàn)狀，能更好地指導(dǎo)現(xiàn)實中水資源配置工作。同時該結(jié)論也為合理確定引漢濟渭工程調(diào)水量提供了科學(xué)的理論計算依據(jù)。但是，考慮到遠距離調(diào)水的輸水成本以及行政協(xié)調(diào)的問題，今后關(guān)中地區(qū)水資源問題的緩解還要依靠工業(yè)技術(shù)提高和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的進一步調(diào)整解決。

［1］宋元文.資源節(jié)約型社會建設(shè)中的水權(quán)優(yōu)化配置研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008:4－6.(SONG Yuanwen.Optimal Allocation of Water Right in Resource Saving Society［D］.Shanghai:Shanghai Jiaotong University，2008:4 －6.(in Chinese))

［2］VAN ZYL J，SAVIC D，WALTERS G.Operational Optimization of Water Distribution Systems Using a Hybrid Genetic Algorithm［J］.Journal of Water Resources Planning＆ Management，2004，130(2):160－170.

［3］MCKINNY D C，CAI X M.Linking GIS and Water Resources Management Models:An Object-Oriented Method［J］.Environmental Modeling and Software，2002，17(5):413－425.

［4］袁曉宇.多層次模糊優(yōu)選方法在水庫正常蓄水位選擇中的應(yīng)用［D］.南京:河海大學(xué)，2006.(YUAN Xiao-yu.Application of a Multi-layer Fuzzy Comprehensive Evaluation Method on the Choice of Normal Water Level［D］.Nanjing:Hohai University，2006.(in Chinese))

［5］劉 攀，郭生練，李 瑋，等.遺傳算法在水庫調(diào)度中的應(yīng)用綜述［J］.水利水電科技進展，2006，81(26):82.(LIU Pan，GUO Sheng-lian，LI Wei，et al.A Review of Application of Genetic Algorithm to Reservoir Operation［J］.Water Science and Technology Advance，2006，81(26):82.(in Chinese))