平原河網(wǎng)地區(qū)水資源分配研究
——以蘇州平原河網(wǎng)為例

沈默，談飛

（河海大學(xué)商學(xué)院，南京211100）

平原河網(wǎng)地區(qū)水資源分配研究
——以蘇州平原河網(wǎng)為例

沈默，談飛

（河海大學(xué)商學(xué)院，南京211100）

平原河網(wǎng)地區(qū)大都是高密度、高城市化的地區(qū)，將有限的水資源在這些地區(qū)進(jìn)行合理的分配就顯得尤為重要?；讵M義的水資源分配理論，在供需分析的基礎(chǔ)上建立以需水量滿意度最大為目標(biāo)的分配模型，并將理論模型應(yīng)用于蘇州市平原河網(wǎng)地區(qū)，結(jié)合工程調(diào)度，在6個(gè)不同的調(diào)度方案中決策出滿意度最大的方案，從而使整個(gè)區(qū)域的水資源達(dá)到最佳的使用價(jià)值。

水量分配；平原河網(wǎng)；需求分析；滿意度

平原河網(wǎng)地區(qū)地勢(shì)平坦，河流縱橫，是河網(wǎng)高度發(fā)育并受城市化影響深刻的區(qū)域，因此，將有限的水資源在這些地區(qū)進(jìn)行合理的分配就顯得尤為重要。

國外的水資源優(yōu)化配置研究是朝著開發(fā)多目標(biāo)、多層次、多用戶、群決策的流域水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)為目標(biāo)一步一步發(fā)展起來的。Grigg等［2］將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到水資源系統(tǒng)的研究中；Haimes［3］把系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和大系統(tǒng)理論結(jié)合起來，把復(fù)雜的流域大系統(tǒng)分解為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，先進(jìn)行每個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化，然后將子系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果反饋給大系統(tǒng)模型，得出整個(gè)流域的最優(yōu)解。發(fā)展至今，國外研究人員不斷地將水資源配置模型、水位模型、地理信息系統(tǒng)以及經(jīng)濟(jì)模型進(jìn)行耦合，已得到一些成功的應(yīng)用實(shí)例和模擬模型［4］。例如，蘇格蘭的流域水資源系統(tǒng)模擬軟件Aquator、美國的MITSM和流域水資源配置通用模型Aquarius、澳大利亞的水量水質(zhì)綜合模擬模型IQQM等［5］。

國內(nèi)水資源優(yōu)化配置的研究是從水庫優(yōu)化調(diào)度發(fā)展而來的，雖然起步晚，但發(fā)展十分迅速。目前常用的方法有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、模擬技術(shù)、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、多目標(biāo)決策技術(shù)、大系統(tǒng)理論與方法以及衍生的一些其他方法［6］。

綜上分析，國外的研究主要集中在流域的水資源分配上，系統(tǒng)集成性很強(qiáng)，且對(duì)資料的要求很高，直接在我國應(yīng)用的可行性不高。而國內(nèi)的研究多注重理論，結(jié)合實(shí)際案例來進(jìn)行研究的較少，平原河網(wǎng)的水資源分配研究更是不多。本文從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，結(jié)合優(yōu)化調(diào)度，選取蘇州市平原河網(wǎng)地區(qū)為研究對(duì)象，建立以水資源需求量的滿意程度最大為目標(biāo)的分配模型，力求水資源的充分利用和合理分配。

1　平原河網(wǎng)水資源分配理論研究

從廣義上說，水資源合理分配的目的是達(dá)到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)、資源、生態(tài)綜合效益的最佳，并試圖保持水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展［7］。而從狹義上說，水資源合理配置可以分為“水資源需求分析—水利工程優(yōu)化調(diào)度—水量優(yōu)化分配”3個(gè)步驟。水資源需求分析是以過去的資料為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件、人口變化、資源情況等，采用一定的數(shù)據(jù)處理方法，分析及預(yù)測(cè)不同水平年和不同區(qū)域的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等的需水量和可供水量。水利工程優(yōu)化調(diào)度是要借助一定的工程措施來完成的，平原河網(wǎng)區(qū)域內(nèi)有多個(gè)閘和泵，其開閉可形成多種組合方案，每一種組合方案下水量的不同形成了不同的調(diào)度方案。水量優(yōu)化分配是在水量供不應(yīng)求的情況下依據(jù)用水部門的供水矛盾和用水效益，結(jié)合工程調(diào)度方案，根據(jù)選定的分配準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度、合理分配水量。

本文基于狹義的水資源分配理論，在保證平原河網(wǎng)地區(qū)最低用水量的基礎(chǔ)上進(jìn)行供-需分析，討論如何在各個(gè)區(qū)域進(jìn)行水量的合理分配，從而使整個(gè)區(qū)域的水資源達(dá)到最佳的使用價(jià)值。

1.1需水分析

需水分析主要是根據(jù)用水量的歷時(shí)資料，對(duì)過去年份需水量的整理統(tǒng)計(jì)和對(duì)未來年份需水量的估計(jì)推測(cè)。平原河網(wǎng)地區(qū)的需水量主要分為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)三大部門，需水量的預(yù)測(cè)方法可采取定額法和時(shí)間序列預(yù)測(cè)法，如式（1）所示。其中：W表示總需水量；Wagr，n表示農(nóng)業(yè)需水量；Wind，n表示工業(yè)需水量；Wser，n表示服務(wù)業(yè)需水量；N表示整個(gè)平原河網(wǎng)所劃分的區(qū)域數(shù)。

1.1.1農(nóng)業(yè)需水量

廣義的農(nóng)業(yè)是以土地資源為生產(chǎn)對(duì)象的產(chǎn)業(yè)，包括種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、副業(yè)5種形式。本文選用有代表性的種植業(yè)、林業(yè)和漁業(yè)作為需水量的計(jì)算。計(jì)算方式有2種：①通過調(diào)研相關(guān)動(dòng)植物的養(yǎng)殖（種植）面積和相應(yīng)的定額標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算；②統(tǒng)計(jì)某一塊區(qū)某些年份的農(nóng)業(yè)需水量進(jìn)行回歸曲線擬合來進(jìn)行估計(jì)，如式（2）所示。

式（2）中：Wzn表示第n塊區(qū)的種植業(yè)需水量；表示第n塊區(qū)的林業(yè)需水量；Wyn表示第n塊區(qū)的漁業(yè)需水量。

3類農(nóng)業(yè)需水量的計(jì)算都采用用水定額法進(jìn)行計(jì)算：

1）種植業(yè)需水量

式中：Wzn為預(yù)測(cè)年份第n塊區(qū)種植業(yè)需水量；aij為預(yù)測(cè)年份i種農(nóng)作物j次的灌溉面積；ωij為預(yù)測(cè)年份i種農(nóng)作物j次的用水定額；η為水利用系數(shù)。

2）林業(yè)需水量

3）漁業(yè)需水量

式中：Wyn為預(yù)測(cè)年份第n塊區(qū)漁業(yè)需水量；ai為預(yù)測(cè)年份i種魚類的養(yǎng)殖面積；ωi為預(yù)測(cè)年份i種魚類的補(bǔ)水定額；η為水利用系數(shù)。

1.1.2工業(yè)需水量和服務(wù)業(yè)需水量

此處工業(yè)是指采礦業(yè)（不含開采輔助活動(dòng)），制造業(yè)（不含金屬制品、機(jī)械和設(shè)備修理業(yè)），電力，熱力，燃?xì)饧八a(chǎn)，供應(yīng)業(yè)，建筑業(yè)等。第三產(chǎn)業(yè)即服務(wù)業(yè)，是指除第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)以外的其他行業(yè)，包括批發(fā)和零售業(yè)、交通運(yùn)輸、住宿和餐飲業(yè)、環(huán)境和公共設(shè)施管理業(yè)等。工業(yè)和服務(wù)業(yè)的預(yù)測(cè)需水量采用時(shí)間序列回歸分析法：

式中：Wt為平原河網(wǎng)第n塊區(qū)的工業(yè)（服務(wù)業(yè)）需水量；Wt-1，Wt-2，…，Wt-p為平原河網(wǎng)預(yù)測(cè)年份之前的工業(yè)（服務(wù)業(yè)）需水量；φ1，φ2，…，φp為回歸系數(shù)；at為白噪聲誤差項(xiàng)。

1.2供水分析

平原河網(wǎng)地區(qū)供水來源分為3部分：①河道供水，這部分與調(diào)度規(guī)則緊密關(guān)聯(lián)，調(diào)度規(guī)則的不同將導(dǎo)致河道水位的不同，直接影響河道的可供水量；②外部供水，主要是指自來水廠從外河道引水直接供給城鄉(xiāng)居民使用的部分；③降雨，其對(duì)農(nóng)作物的影響比較大，降雨量大的情況下，農(nóng)業(yè)部門對(duì)其他供水渠道的壓力會(huì)減小。

式中：Vn為第n塊的供水量；Vh，n為第n塊區(qū)某一河道內(nèi)的可供水量；Vw，n為第n塊區(qū)外部供水量；Vy，n為第n區(qū)塊的降雨量。

1）河道內(nèi)供水

式中：Vh，n為第n塊區(qū)某一河道內(nèi)的可供水量；Si（h）為某河道的截面面積，是水位h的函數(shù)；Li為某河道在該區(qū)域的長度。

2）外供水Vw，n

此處考慮的主要為平原河網(wǎng)地區(qū)的自來水廠從外河道引水供給城鄉(xiāng)居民使用的部分，該部分?jǐn)?shù)據(jù)需要針對(duì)具體的地區(qū)進(jìn)行調(diào)研取得。

3）降雨Vy，n

式中：Vy，n為降雨量；q為降雨強(qiáng)度；t為降雨歷時(shí)；S為有效降雨面積。

1.3理論模型及約束條件

平原河網(wǎng)地區(qū)的河流眾多、縱橫交錯(cuò)，相比我國西北部干旱地區(qū)，其缺水情況并不是特別嚴(yán)重。但是，該區(qū)域每個(gè)子區(qū)的經(jīng)濟(jì)重要性并不相同，如何將有限的水資源在各個(gè)子區(qū)之間合理分配，使產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大是亟待解決的問題。

1.3.1理論模型

為平衡各子區(qū)用水的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，引入“名義缺水量”的概念。實(shí)際缺水量是指某子區(qū)需水量和可供水量的差值，但是由于每個(gè)子區(qū)經(jīng)濟(jì)的重要性不同，1單位水的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值不同，反過來說，缺1單位水的嚴(yán)重程度也不同。名義缺水量就是某子區(qū)的實(shí)際缺水量和該子區(qū)的經(jīng)濟(jì)重要程度的乘積。用名義缺水量代替實(shí)際缺水量，把經(jīng)濟(jì)價(jià)值不同的各子區(qū)轉(zhuǎn)換成同一重要程度下進(jìn)行水量的合理分配更加準(zhǔn)確和直觀。

因此，本文水資源分配的目標(biāo)函數(shù)即為同等重要條件下各子區(qū)缺水量最小，也可以轉(zhuǎn)換成各子區(qū)水資源需求量的滿意程度最大，如式（10）所示。

式中：N為平原河網(wǎng)地區(qū)子區(qū)數(shù)量；k為第n子區(qū)內(nèi)產(chǎn)業(yè)數(shù)量；βn為第n塊區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)同等重要性轉(zhuǎn)化權(quán)重；Wnk為第n子區(qū)內(nèi)某種產(chǎn)業(yè)的需水量；Vn為第n子區(qū)內(nèi)供水量。

1.3.2約束條件

保證用水安全是區(qū)域水資源合理配置的前提。針對(duì)區(qū)域水資源的時(shí)空分布不均性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)利用水利調(diào)度的手段合理配置水資源，必須保證各區(qū)域供給的水能夠保證生命安全、社會(huì)能夠存在的最低標(biāo)準(zhǔn)，即滿足居民生活最低需水量、基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)需水量、基礎(chǔ)工業(yè)需水量以及航運(yùn)的保證水位。

需水量的統(tǒng)計(jì)可以采用定額的方式，各行業(yè)的安全用水量統(tǒng)計(jì)方法如表1所示。

表1　各行業(yè)最低保證水量計(jì)算方法

根據(jù)本文研究可知，約束條件可以用式（11）表示。式中：第1式表示可供水量必須滿足生活、基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)、基礎(chǔ)工業(yè)的基本需求；第2式表示河道水位必須大于最低航運(yùn)水位。

2　蘇州市平原河網(wǎng)水資源分配實(shí)例研究

蘇州地處長江和太湖下游，境內(nèi)河道縱橫、湖泊眾多、水域廣闊、地勢(shì)低平、水域面積與陸地面積之比達(dá)4∶6。蘇州市共有大小河流2萬多條，湖泊300多個(gè)，河網(wǎng)密度高達(dá)1.5 km/km2，是我國典型的平原河網(wǎng)地區(qū)［8］。在持續(xù)降雨時(shí)期，雨水充沛，水資源短缺問題并不突出，如何及時(shí)有效地防洪排澇才是決策的重點(diǎn)。但在持續(xù)干旱時(shí)期，水資源供需矛盾尤為突出，因此對(duì)蘇州市平原河網(wǎng)的水資源分配研究以1978年枯水期的數(shù)據(jù)為計(jì)算的基礎(chǔ)，研究不同的調(diào)度方案對(duì)水資源分配效果的影響。

2.1蘇州市平原河網(wǎng)子流域劃分及調(diào)度方案的產(chǎn)生

蘇州地區(qū)屬于典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，水流往復(fù)運(yùn)動(dòng)通常沒有一定的規(guī)律且極其復(fù)雜，一般很難明顯地劃分出子流域。本文按照蘇州的行政區(qū)劃、水系分布和集水域的外包線劃分子流域，將計(jì)算區(qū)域劃分為常熟、太倉、吳江等13個(gè)子流域，如圖1所示。采用算術(shù)平均法來計(jì)算各子流域的面平均降雨量。各子流域的面積及計(jì)算面雨量所取用的雨量站統(tǒng)計(jì)見表2。

本課題在實(shí)例研究中不窮舉所有方案，而是選擇幾種典型的調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)選。其中，調(diào)度方案的調(diào)整原則如下：

1）改變規(guī)則中各水文測(cè)站控制水位的上限；

2）水位根據(jù)3種情況進(jìn)行調(diào)整：①只調(diào)整長江邊上的控制水位；②只調(diào)整太湖邊上的控制水位；③長江邊上和太湖邊上的控制水位同時(shí)調(diào)整。產(chǎn)生的典型調(diào)度方案如表3所示。

圖1　改進(jìn)的子流域劃分法

表2　改進(jìn)的子流域劃分方法子流域面積與相關(guān)雨量站

2.2安全用水保證量計(jì)算

采用定額法，根據(jù)表1所列公式，參考2012年末的蘇州市第6次人口普查數(shù)據(jù)、2013年的蘇州市統(tǒng)計(jì)年鑒等資料，得出如表4所示的各子區(qū)安全用水保證量。

2.3各子區(qū)供水量計(jì)算

根據(jù)水動(dòng)力模型模擬出各子流域的河道在不同調(diào)度方案下的水位，計(jì)算出各子區(qū)的河道供水量；根據(jù)蘇州市水廠及取水口位置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出各子區(qū)的外部供水量，如表5所示。

由表4、5可知6個(gè)方案全部滿足最低用水量的要求，可以進(jìn)行下一步的方案優(yōu)化決策。

表3　特枯時(shí)期各調(diào)度方案下水動(dòng)力模擬調(diào)度方案

2.4各子區(qū)需水量計(jì)算

根據(jù)蘇州市自身的種植情況，選取小麥、水稻和蔬菜瓜果作為典型農(nóng)作物，參考需水定額數(shù)據(jù)計(jì)算出農(nóng)業(yè)需水量。工業(yè)需水量是根據(jù)《蘇州市水資源公報(bào)》中的數(shù)據(jù)，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行回歸分析得到，如表6所示。

表4　各子區(qū)安全用水保證量合計(jì)m3

表5　各子區(qū)在不同調(diào)度方案下的期望供水量m3

2.5不同分配方案的水資源滿意度

對(duì)蘇州市平原河網(wǎng)地區(qū)水資源的配置以對(duì)子區(qū)需求量的滿足程度最大作為目標(biāo)，通過計(jì)算所有子區(qū)的滿意度來進(jìn)行調(diào)度方案的評(píng)價(jià)。

2.5.1權(quán)重的確定

權(quán)重反應(yīng)的含義就是一個(gè)單位水的缺水損失，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的區(qū)域，缺水1個(gè)單位的水量其損失較大；反之，經(jīng)濟(jì)價(jià)值低的區(qū)域，缺少一個(gè)單位的水量其損失較小。因此，用計(jì)算子區(qū)域的GDP來反映其重要性是合理可行的。

式中：βn為某一塊區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)同等重要性轉(zhuǎn)化權(quán)重；Gn為某一塊區(qū)的GDP產(chǎn)值；N為平原河網(wǎng)地區(qū)子區(qū)數(shù)量，N=13。

13個(gè)子區(qū)域的GDP數(shù)據(jù)資料參見《蘇州市2013年統(tǒng)計(jì)年鑒》，由此得出13個(gè)子區(qū)域的權(quán)重，見表7。

表7　蘇州市各子區(qū)權(quán)重

2.5.2不同分配方案決策

前文已列的決策所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（13）計(jì)算出各調(diào)度方案供水滿意程度，結(jié)果如表8所示。

表8　不同調(diào)度方案供水滿意程度

計(jì)算結(jié)果繪制成柱狀圖如圖2所示。

圖2　不同方案供水滿意程度

計(jì)算結(jié)果顯示：調(diào)度方案6的供水滿意程度最大。6個(gè)方案的供水滿意度從大到小依次為方案6、方案3、方案5、方案1、方案2、方案4。

3　結(jié)束語

本文建立的以需水滿足度最大為目標(biāo)的分配模型，是在缺水損失最小的基礎(chǔ)上簡化得到的。進(jìn)行簡化的原因是后者需要精確的數(shù)據(jù)表明缺1單位的水所造成的經(jīng)濟(jì)損失是多少，而現(xiàn)階段，這些數(shù)據(jù)沒有專門的機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)研整理，即使有，也基本停留在理論層面，沒有應(yīng)用于實(shí)際。而本文所建立的分配模型可快速明確地為該地區(qū)水資源的優(yōu)化調(diào)度提供必要的決策依據(jù)。在長遠(yuǎn)的研究中，本文所建立的水資源優(yōu)化配置可以和防洪排澇、水環(huán)境保護(hù)結(jié)合起來，進(jìn)行多層次的平原河網(wǎng)綜合優(yōu)化研究。

［1］袁雯，楊凱，唐敏.平原河網(wǎng)地區(qū)河流結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)調(diào)蓄能力的影響［J］.地理研究，2005，24（5）：717 -724.

［2］Grigg N S，Brgson M C.Interactive simulation forwater system dynamics［J］.Jof The Urban Planning and Development Division，1975，126（3）：116-124.

［3］Haimes Y Y.Hierarchical analysisofwater resources systems：modeling and optimization of large-scale systems［M］.New York：McGrawHill，1977.

［4］王皓.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.

［5］柳長順，陳獻(xiàn)，劉昌明.國外流域水資源配置模型研究進(jìn)展［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33（5）：522-524.

［6］尤祥瑜，謝新民，孫仕軍，等.我國水資源配置模型研究現(xiàn)狀與展望［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2004，2（2）：131-140.

［7］傅冬綿，關(guān)于區(qū)域水資源的優(yōu)化配置模型［J］.國土資源科技管理，2001，18（4），15-18.

［8］王凱.蘇州市水資源配置研究［D］.南京：河海大學(xué)水文學(xué)，2007.

（責(zé)任編輯陳艷）

Distribution Research of W ater Resources in Plain River System：Taking Suzhou's Plain River as Exam p le

SHEN Mo，TAN Fei
（Business School，HohaiUniversity，Nanjing 211100，China）

It is particularly important to allot the limited water resources in the plain river area because of the high density and urbanization.Based on the narrow theory ofwater resources and analysis of supply and demand，the task established the distributionmodel aiming tomaximize the satisfaction of water demand.Combining with the project scheduling，the theoretical model was applied to Suzhou's plain river area and decided the greatest satisfaction level in six different scheduling schemes.And the whole regionalwater resources achieved the best use value.

water allocation；plain river system；demand analysis；satisfaction

O211

A

1674-8425（2015）06-0155-08

2015-01-16

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201201017）

沈默（1989—），女，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事項(xiàng)目管理研究；談飛（1959—），男，江蘇常州人，副教授，主要從事建設(shè)項(xiàng)目管理研究。

沈默，談飛.平原河網(wǎng)地區(qū)水資源分配研究——以蘇州平原河網(wǎng)為例［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（6）：155-162.

format：SHEN Mo，TAN Fei.Distribution Research ofWater Resources in Plain River System：Taking Suzhou's Plain River as Example［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（6）：155 -162.