生態(tài)視角下半干旱區(qū)水資源優(yōu)化配置研究
——以遼寧省建平縣為例

付彥偉

(遼寧省阜蒙縣舊廟鎮(zhèn)水利服務(wù)中心， 遼寧 阜蒙 123105)

生態(tài)視角下半干旱區(qū)水資源優(yōu)化配置研究
——以遼寧省建平縣為例

付彥偉

(遼寧省阜蒙縣舊廟鎮(zhèn)水利服務(wù)中心， 遼寧 阜蒙 123105)

文章以遼寧省建平縣為例，將生態(tài)環(huán)境需水納入用水部門，基于多目標(biāo)優(yōu)化理論，構(gòu)建出綜合效益最大化為目標(biāo)的生態(tài)半干旱地區(qū)水資源合理配置模型，并以設(shè)定水平年在不同保證率下的水資源供需狀況為依據(jù)擬定相關(guān)參數(shù)進(jìn)行函數(shù)求解，獲得相應(yīng)的優(yōu)化方案。

水資源； 優(yōu)化配置； 半干旱區(qū)； 生態(tài)需水

我國(guó)的水資源時(shí)空分布差異大，人均水資源量低。北方干旱、半干旱地區(qū)占全國(guó)面積的近50%，但是水資源量?jī)H有全國(guó)的7%，水生態(tài)環(huán)境異常脆弱，水資源缺乏已經(jīng)成為制約上述地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要瓶頸因素。因此，加強(qiáng)生態(tài)視角下半干旱地區(qū)的水資源優(yōu)化配置研究，對(duì)上述地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

建平縣位于遼寧省西部，地處東經(jīng)119°14′～120°03′，北緯41°19′～41°23′。建平縣東西寬75km，南北長(zhǎng)125km，總面積約4900km2[1]。建平縣屬于遼西丘陵地區(qū)，位于燕山山脈向遼沈平原的過(guò)渡地帶，境內(nèi)群山起伏，溝壑縱橫。其中山區(qū)面積約占30.4%，丘陵面積約占43.3%，平川面積約占26.3%。

建平縣屬北溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同季，全年平均氣溫7.6℃，最高氣溫37℃，最低氣溫-36.9℃，年均日照時(shí)數(shù)2850～2950h[2]。年降水量平均514.7mm，多集中在6—8月。多年平均蒸發(fā)量為1517mm。建平縣有大小河流12條，其中較大河流有老哈河、蹦蹦河、海棠河等，多年平均徑流量為2.94億m3[3]。

建平縣轄5個(gè)街道、16個(gè)鎮(zhèn)、8個(gè)鄉(xiāng)、2個(gè)畜牧農(nóng)場(chǎng)，總?cè)丝诩s57.5萬(wàn)。2014年，建平縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭良好，其中工業(yè)增加值完成67億元，比上年增長(zhǎng)32%，占GDP的比重為51%。2013年全縣有耕地127.3萬(wàn)畝，其中灌溉面積73.16萬(wàn)畝，全縣農(nóng)業(yè)產(chǎn)值為33.7億元。

2 水資源優(yōu)化配置模型的構(gòu)建

2.1 建立多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型

根據(jù)建平縣的水資源現(xiàn)狀及水資源的優(yōu)化配置需要，模型的構(gòu)建目標(biāo)確定為第一產(chǎn)業(yè)，生活，生態(tài)及第二、三產(chǎn)業(yè)四方面的用水綜合效益最優(yōu)[4]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)：

maxZ(X)=max{f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)}

(1)

式中x——決策變量；f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)——第一產(chǎn)業(yè)效益，生活效益，生態(tài)效益，第二、三產(chǎn)業(yè)效益目標(biāo)；G(x)——約束條件集合。

2.2 子區(qū)劃分及水源類型

以建平縣的行政區(qū)劃為主要依據(jù)，結(jié)合實(shí)際的水資源分布與供水情況，將全縣劃分為建平鎮(zhèn)、喀喇沁鎮(zhèn)、沙海鎮(zhèn)、哈拉道口鎮(zhèn)、老官地鎮(zhèn)、奎德素鎮(zhèn)、小塘鎮(zhèn)、昌隆鎮(zhèn)、青峰山鎮(zhèn)、青松嶺鄉(xiāng)、楊樹(shù)嶺鄉(xiāng)、燒鍋營(yíng)子鄉(xiāng)、太平莊鄉(xiāng)、三家蒙古鄉(xiāng)、義成功鄉(xiāng)等15個(gè)研究分區(qū)。研究中的供水水源用HY(i)表示，設(shè)定建平縣包括地下水、地表水和中水三種供水水源類型[5]。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

a. 第一產(chǎn)業(yè)用水效益目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如式(2)：

(2)

γ1，β1——折算系數(shù)，本文中γ1取1.1，β1取0.2。

b. 生活用水效益目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如式(3)：

(3)

γ2，β2——折算系數(shù)，本文中γ2取1.7，β2取0.4。

c. 生態(tài)環(huán)境用水效益目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如式(4)：

(4)

γ3，β3——折算系數(shù)，本文中γ3取1.5，β3取0.3。

d. 第二、三產(chǎn)業(yè)用水效益目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如式(5)：

maxf4(x)=BgQg4

(5)

其中

式中Bg——第二、三產(chǎn)業(yè)綜合用水效益，萬(wàn)元/m3；

Qg4——第二、三產(chǎn)業(yè)用水量，m3；

β——兩產(chǎn)業(yè)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)，本次研究中取0.1；

W4——工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量，m3。

2.4 約束條件

a. 各行業(yè)獲得的分配水量之和不大于供水水源總和。

b. 各類水源的可供水量小于等于自身供水能力。

c. 各部門所獲得的分配水量應(yīng)介于該部門的最小需水量和最大需水量之間[6]。

d. 考慮到建寧縣作為半干旱地區(qū)在水生態(tài)系統(tǒng)方面的脆弱性，水量分配后的主要污染物含量不應(yīng)大于污染物排放總量。

e. 所有變量應(yīng)為非負(fù)。

2.5 參數(shù)和系數(shù)說(shuō)明

a. 決策變量。結(jié)合建寧縣水源、水質(zhì)以及水量的特征，在該地區(qū)取用3種水源、4類用水戶。依據(jù)上述不同水源和用水戶的特點(diǎn)，確定的決策變量見(jiàn)表1。

表1 決策變量界定結(jié)果

b. 需水量上下限。根據(jù)建寧縣的水資源規(guī)劃，2030年各部門在不同保證率下的需水量上下限見(jiàn)表2。

表2 2030年不同用戶需水量上下限 單位： 萬(wàn)m3

3 優(yōu)化配置結(jié)果及分析

3.1 優(yōu)化配置結(jié)果

利用MATLAB中的linprog函數(shù)，基于理想點(diǎn)法對(duì)上節(jié)中的優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解[7]。其中理想點(diǎn)的構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)如式(6)：

(6)

對(duì)φ[Z(x)]進(jìn)行極小化處理，并將其最優(yōu)解作為模型在這種意義下的“最優(yōu)解”[8]。

(7)

計(jì)算確定建平縣2030年50%和75%保證率下的水資源優(yōu)化配置結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 建平縣2030年50%保證率下的水資源優(yōu)化配置結(jié)果 單位： 萬(wàn)m3

表4 建平縣2030年75%保證率下的水資源優(yōu)化配置結(jié)果 單位： 萬(wàn)m3

續(xù)表

3.2 合理性分析

按照上節(jié)的優(yōu)化配置結(jié)果，建平縣2030遠(yuǎn)景年50%保證率下的地表水供水量為8891.16萬(wàn)m3，占總供水量的43.18%；地下水供水量為9083.73萬(wàn)m3，占總供水量的44.11%，與2015年的56.43%相比降低了12.32%；在75%保證率下的地表水供水量為9984.86萬(wàn)m3，占總供水量的45.29%；地下水供水量為9322.54萬(wàn)m3，占總供水量的42.72%，與2015年的59.05%相比降低了16.33%。

以不同用水類型來(lái)分析，生活用水在不同保證率下均為1894.94萬(wàn)m3，在50%保證率下占供水總量的8.4%，在75%保證率下占供水總量的8.6%，這一比例均比2015年有小幅增加，究其原因主要是該地區(qū)的人口總量在增加，增加的水量由農(nóng)業(yè)節(jié)水提供；第一產(chǎn)業(yè)用水在50%保證率下為100612.64萬(wàn)m3，占供水總量的47%，在75%保證率下為118430.54萬(wàn)m3，占供水總量的54%，這一比例均低于2015年的數(shù)值，其原因在于農(nóng)業(yè)節(jié)水措施運(yùn)用與強(qiáng)化水資源管理的結(jié)果；第二產(chǎn)業(yè)和三產(chǎn)業(yè)用水在不同保證率下均為8066.44m3，在50%保證率下占總供水量的35%，在75%保證率下占總供水量的36%，跟2013年相比比例有所増加，這與當(dāng)?shù)氐诙?、三產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展趨勢(shì)基本一致；生態(tài)環(huán)境需水量約為23.4萬(wàn)m3，用水量較2015年增加明顯，水生態(tài)環(huán)境可以得到較好的保護(hù)和恢復(fù)，需要增加的水量主要由農(nóng)業(yè)節(jié)水提供。

綜合上述，2030年建平縣在50%保證率下的水資源可利用總量為22395.91萬(wàn)m3，優(yōu)化配置水資源量為20593.26萬(wàn)m3，余水量為1802.65萬(wàn)m3；在75%保證率下的水資源可利用總量為21824.51萬(wàn)m3，優(yōu)化配置水資源量為21824.51萬(wàn)m3。因此，從長(zhǎng)期來(lái)看，只有依靠產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)一步強(qiáng)化節(jié)水措施，才能從根本上解決建平縣的水資源供需矛盾。

4 結(jié) 論

a. 根據(jù)建平縣的水資源現(xiàn)狀，將生態(tài)效益納入考慮范圍，構(gòu)建出包含第一產(chǎn)業(yè)用水效益，生活用水效益，生態(tài)用水效益和第二、三產(chǎn)業(yè)用水效益的多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型。

b. 利用MATLAB中的linprog函數(shù)，基于理想點(diǎn)法對(duì)上節(jié)中的優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解，得到了建平縣2030年不同保證率下的水資源優(yōu)化配置方案。

c. 通過(guò)對(duì)水資源配置格局、缺水量等多方面的分析，說(shuō)明模型和求解方法是合理的。

[1] 蘇建軍,尹麗麗.建平縣水資源短缺及主要保護(hù)措施[J].地下水,2015(6):121-122.

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Research on water resources optimized allocation in semi-arid areas from the ecological perspective：with Jianping County of Liaoning Province as an example

FU Yanwei

(LiaoningFumengCountyJiumiaoTownWaterConservancyServiceCenter,Fumeng123105,China)

In the paper, Jianping County of Liaoning Province is adopted as an example for including the ecological and environmental water requirement in water departments. A water resources rational allocation model in biological semi-arid areas with maximization of comprehensive benefits as objectives is constructed, related parameters are formulated for function solution based on water resources supply and demand condition under different assurance rates in set level years, and corresponding optimization plans are obtained.

water resources; optimized allocation; semi-arid areas; ecological water requirement

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.007

TV213.4

A

2096-0131(2017)06- 0027- 04