河北省南水北調(diào)中線受水區(qū)水資源統(tǒng)一調(diào)配方案研究

馬素英 孫梅英 白振江 張爽

摘要：針對(duì)南水北調(diào)中線受水區(qū)外調(diào)水及當(dāng)?shù)氐乇硭畞?lái)水過(guò)程的不均勻性及來(lái)水頻率的不確定性、供用水系統(tǒng)的復(fù)雜性（多水源、多工程、多用戶）等特點(diǎn)，以河北省南水北調(diào)受水區(qū)為研究對(duì)象，以多目標(biāo)群決策理論和大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論為指導(dǎo)，以優(yōu)化與模擬為主要技術(shù)，構(gòu)建了基于MIKE BASIN的1+7受水區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配模型，制定了基于不同年份、不同保證率、不同節(jié)水水平、不同用水戶需求條件的受水區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配方案。在2020年供受水區(qū)來(lái)水頻率組合（引江水P=50%、當(dāng)?shù)氐乇硭甈=50%）條件下，對(duì)基本節(jié)水及高效節(jié)水的優(yōu)化調(diào)配方案優(yōu)化效果進(jìn)行了分析，以期在充分利用水資源、滿足需水要求的情況下，尋求多水源與多用戶之間最優(yōu)的配水方案，實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合效益最大化，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)受水區(qū)；水資源優(yōu)化調(diào)配；多水源；多用戶；多目標(biāo)

中圖分類號(hào)：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

16721683（2018）05006611

Study on the unified allocation of water resources in the water receiving area of the Middle Route of the SouthtoNorth Water Diversion Project in Hebei

MA Suying1，SUN Meiying1，BAI Zhenjiang2，ZHANG Shuang1

（

1.Hebei Institute of Water Resources，Shijiazhuang 050051，China；2.Hebei Branch of Construction and Administration Bureau of SouthtoNorth Water Diversion Middle Route Project，Shijiazhuang 050035，China）

Abstract：

Targeting the inhomogeneity of inflow process and uncertainty of inflow frequency of transferred water and local surface water in the water receiving area of the Middle Route of the SouthtoNorth Water Transfer Project as well as the complexity of the water supply system （multisource，multiproject，multiuser），we selected a water receiving area of the SouthtoNorth Water Transfer Project in Hebei province as the research object.With the guidance of multitarget group decision theory and large system decomposition coordination theory，we constructed a 1+7 optimal allocation model of water resources based on MIKE BASIN，and formulated an optimal allocation scheme for water resources in the water receiving area based on different years，different guarantee rates，different water saving levels，and different water users′ demand conditions.Under the condition of inflow frequency combination in 2020 （transferred water P=50% and local surface water P=50%），we analyzed the effects of the optimal allocation schemes for basic water saving and efficient water saving，with a view to finding the optimal water distribution scheme between multiple water sources and multiple users under the premise of utilizing water resources fully and satisfying the water demand.Exploring the optimal water distribution scheme between multiple water sources and multiple users will maximize the comprehensive benefits of the region and promote regional sustainable development.

Key words：

SouthtoNorth Water Transfer Area；optimal allocation of water resources；multiple water sources；multiple users；multiple objectives

南水北調(diào)工程是迄今為止世界上最大的水利工程，是我國(guó)水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施[1]，其目的是用長(zhǎng)江的水資源供給京、津、冀、豫及沿線城市工業(yè)及城鎮(zhèn)生活用水， 使其將本地水還給農(nóng)業(yè)，同時(shí)有效改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。2014年12月12日中線一期工程干線全線通水，分配給河北304億m3（多年平均）。受配套工程建設(shè)進(jìn)度等因素影響，截止2018年5月1日河北省累計(jì)利用引江水188億m3，一定程度上緩解了河北省南水北調(diào)中線受水區(qū)水資源短缺狀況。到2020年，引江水利用量將達(dá)到304億m3。不過(guò)，供水區(qū)不同年份來(lái)水過(guò)程在年內(nèi)、年際分配上存在不均勻性，而受水區(qū)當(dāng)?shù)氐乇硭煌攴菀泊嬖诓痪鶆蛐裕盟畱粜杷侩S著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高也存在不確定性，同時(shí)受水區(qū)水源系統(tǒng)十分復(fù)雜，既有引江水、引黃水、當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水及非常?guī)水等多水源系統(tǒng)，也有引江供水工程、當(dāng)?shù)氐乇硭┧こ?、地下水供水工程及污水處理回用工程等供水工程系統(tǒng)，還有生產(chǎn)、生活、環(huán)境等多用戶的復(fù)雜用水系統(tǒng)，由此受水區(qū)形成了一個(gè)多水源、多工程、多用戶的復(fù)雜水資源系統(tǒng)[2]。在此情況下，受水區(qū)必須進(jìn)行水資源統(tǒng)一的優(yōu)化配置與合理調(diào)度，利用多種供水工程把多種水源調(diào)配給多端用水戶，保證這個(gè)復(fù)雜多端的水資源系統(tǒng)正常、有序、高效運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)“引江水高效利用、地表水調(diào)節(jié)利用、地下水控制利用”的高效用水目標(biāo)。

目前我國(guó)針對(duì)南水北調(diào)受水區(qū)水資源調(diào)配的研究逐漸由 單水源單用戶調(diào)配向多水源、多用戶、多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)配問(wèn)題發(fā)展。閆寶偉等[3]運(yùn)用Copula方法理論對(duì)水源區(qū)與各受水區(qū)的豐枯遭遇進(jìn)行了研究，康玲等[4]運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)南水北調(diào)中線工程水源區(qū)和4個(gè)受水區(qū)的降水豐枯遭遇進(jìn)行了深入的分析研究，梁鐘元等[5]分析了氣候變化對(duì)南水北調(diào)中線受水區(qū)徑流量影響，上述研究為南水北調(diào)工程水資源調(diào)度研究奠定了基礎(chǔ)；廖衛(wèi)紅等[6]研制了南水北調(diào)中線受水區(qū)簡(jiǎn)易地下水模型，程雙虎等[7]利用FEFLOW模型軟件建立了河北省南水北調(diào)受水區(qū)地下水模型，為科學(xué)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)南水北調(diào)中線受水區(qū)地下水資源量奠定了基礎(chǔ)；劉昌明等[8]對(duì)南水北調(diào)中線主要城市節(jié)水潛力進(jìn)行了分析，并提出了節(jié)水對(duì)策。朱永楠等[9]構(gòu)建了能夠全面反映區(qū)域用水結(jié)構(gòu)和全社會(huì)全過(guò)程用水效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)南水北調(diào)受水區(qū)節(jié)水潛力進(jìn)行了分析。上述研究為科學(xué)預(yù)測(cè)南水北調(diào)受水區(qū)各行業(yè)需水量奠定了基礎(chǔ)；耿六成等[10]開(kāi)展了河北省南水北調(diào)受水區(qū)水資源合理配置研究，提出了科學(xué)的運(yùn)行管理規(guī)則。吳澤宇等[11]建立了多水源大系統(tǒng)水資源配置模擬模型，開(kāi)展了中線工程總干渠至各省市的分水量配置方法研究，實(shí)現(xiàn)了單一目標(biāo)的多水源配置。張平等[12]建立了南水北調(diào)中線受水區(qū)的水資源優(yōu)化配置模型，王海云等[13]采用AHPLP法建立了河北省受水區(qū)水資源優(yōu)化配置模型，進(jìn)行了省級(jí)層面行業(yè)間的多目標(biāo)、多水源優(yōu)化配置。上述研究已充分考慮到水資源優(yōu)化配置的多優(yōu)化目標(biāo)問(wèn)題，同時(shí)也嘗試了多水源在多用水戶間的聯(lián)合調(diào)配，但研究層面均停留在?。ㄊ校┘?jí)，無(wú)法結(jié)合省（市）級(jí)所轄的供水目標(biāo)實(shí)際供水條件，做到真正意義上的水資源優(yōu)化配置。本文充分考慮了供水及節(jié)水的工程、政策、經(jīng)濟(jì)條件可行性，圍繞河北省南水北調(diào)受水區(qū)多水源聯(lián)合條件下各供水目標(biāo)、各行業(yè)間的水資源統(tǒng)一調(diào)配問(wèn)題進(jìn)行了深入探索。

1.1 建模方法

本次研究采用優(yōu)化技術(shù)與模擬技術(shù)有機(jī)耦合的方法進(jìn)行水資源優(yōu)化調(diào)配。選擇MIKE BASIN軟件模擬河北省南水北調(diào)中線受水區(qū)水資源系統(tǒng)。MIKE BASIN是由丹麥水利研究院（DHI）開(kāi)發(fā)的[14]、完全與ArcGIS整合的一個(gè)用于綜合性水資源管理和規(guī)劃的決策支持工具，是一個(gè)可在流域（區(qū)域）尺度基礎(chǔ)上，解決水量的優(yōu)化配置、用水戶連接、水庫(kù)調(diào)度規(guī)則及水質(zhì)模擬等問(wèn)題的綜合性水資源模擬軟件。數(shù)據(jù)信息和模擬結(jié)果通過(guò)MIKE BASIN在ArcGIS的平臺(tái)直觀展示，并可進(jìn)行空間和時(shí)間尺度上的分析。

本研究引入多目標(biāo)優(yōu)化算法，在MIKE BASIN水資源數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)模型調(diào)度/運(yùn)行規(guī)則、內(nèi)置非線性優(yōu)化算法及基于軟件計(jì)算引擎進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)建立優(yōu)化模型，把水資源系統(tǒng)模擬規(guī)則概化為該算法能識(shí)別的決策變量，然后把該算法與模擬模型進(jìn)行嵌套調(diào)用， 實(shí)現(xiàn)模擬與優(yōu)化的耦合。模擬與優(yōu)化技術(shù)耦合的方法詳見(jiàn)圖1。

1.2 建模思路

南水北調(diào)受水區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)是一個(gè)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、影響因素眾多的大系統(tǒng)[15]，采用傳統(tǒng)單一整體模型求解往往難以克服系統(tǒng)復(fù)雜、維數(shù)（階數(shù)）眾多、求解困難等缺陷[16]。故采用分解協(xié)調(diào)等大系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，建立河北省南

水北調(diào)中線受水區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配模型，將復(fù)雜的大[CM（22]系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，以解決優(yōu)化配置中更宏觀

的問(wèn)題，使得建模及求解過(guò)程較容易。模型包含兩個(gè)級(jí)別，第一級(jí)（省級(jí)總模型），以市級(jí)計(jì)算單元為基礎(chǔ)，進(jìn)行整個(gè)受水區(qū)的優(yōu)化調(diào)配；第二級(jí)（市級(jí)子模型），以縣級(jí)計(jì)算單元為基礎(chǔ)，進(jìn)行各個(gè)子模型的優(yōu)化調(diào)配。模型運(yùn)行時(shí)，在給定的供、需水條件下，先進(jìn)行第二級(jí)（市級(jí)子模型）的優(yōu)化模擬，并將局部?jī)?yōu)化結(jié)果g（X）反饋給第一級(jí)（省級(jí)總模型）。總模型根據(jù)各子模型的反饋結(jié)果，計(jì)算總系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果f（M）；同時(shí)將優(yōu)化結(jié)果在各子模型重新進(jìn)行分配，并再次進(jìn)行各子模型的優(yōu)化模擬，得到一組新的局部?jī)?yōu)化結(jié)果和總系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，如此反復(fù)進(jìn)行，直到求得全局優(yōu)化結(jié)果。建模思路見(jiàn)圖2。

1.3 系統(tǒng)概化

根據(jù)建模思路，將受水區(qū)水資源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層譜系結(jié)構(gòu)：第一層為河北省南水北調(diào)中線受水區(qū)整體協(xié)調(diào)層，第二層為市級(jí)子系統(tǒng)自控層（亦為市級(jí)計(jì)算單元），第三層為縣級(jí)基礎(chǔ)層（亦為縣級(jí)計(jì)算單元，即基本計(jì)算單元）。

受水區(qū)水資源系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，其組成要素主要包括點(diǎn)、線和面等信息。為將水資源系統(tǒng)中的各類元素有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的描述，故在模型中將用水戶、水源、河流節(jié)點(diǎn)、分水口等概化為點(diǎn)，并將其分為兩類用水節(jié)點(diǎn)和供水節(jié)點(diǎn)；將河流、渠道等概化為線；將河網(wǎng)、受水區(qū)概化為面，即計(jì)算單元。經(jīng)概化后：系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)704個(gè)，其中用水節(jié)點(diǎn)329個(gè)（生活用水節(jié)點(diǎn)110個(gè)，工業(yè)用水節(jié)點(diǎn)111個(gè)，環(huán)境用水節(jié)點(diǎn)108個(gè)）；供水節(jié)點(diǎn)375個(gè)（引江水供水節(jié)點(diǎn)112個(gè)，地表水供水節(jié)點(diǎn)38個(gè)，地下水供水節(jié)點(diǎn)112個(gè)，再生水供水節(jié)點(diǎn)112個(gè)，海水淡化水供水節(jié)點(diǎn)1個(gè)）。計(jì)算單元共119個(gè)，其中市級(jí)計(jì)算單元7個(gè)，縣級(jí)計(jì)算單元112個(gè)。詳見(jiàn)表1。

1.4 模型建立

1.4.1 目標(biāo)函數(shù)

本次研究確定水資源優(yōu)化調(diào)配的總目標(biāo)為，在滿足社會(huì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面限制條件下，追求經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的權(quán)衡最優(yōu)[17]。依據(jù)《河北省水資源綜合規(guī)劃》、《河北省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施方案》、《河北省南水北調(diào)中線配[HJ2.25mm]套工程規(guī)劃》、《河北省水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃》等成果中涉及到的優(yōu)水優(yōu)用原則、水資源優(yōu)化配置原則、南水北調(diào)中線工程建設(shè)目標(biāo)、地下水保護(hù)政策等，在明確受水區(qū)供水水源及用水戶的供水、用水優(yōu)先級(jí)順序基礎(chǔ)上（詳見(jiàn)143運(yùn)行規(guī)則），結(jié)合河北省實(shí)際工程條件及現(xiàn)狀用水習(xí)慣，最終確定了優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)。模型目標(biāo)函數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表2。

社會(huì)效益目標(biāo)是一個(gè)不易度量的目標(biāo)，僅以水資源對(duì)社會(huì)影響的角度考慮，可以認(rèn)為缺水量大小或缺水程度直接影響到社會(huì)的發(fā)展和安定，是社會(huì)效益的一個(gè)側(cè)面反映，在需水一定的條件下，供水利用量最大即缺水量最小。河北省屬水資源嚴(yán)重短缺、地下水長(zhǎng)期超采地區(qū)，生態(tài)環(huán)境需水長(zhǎng)期被擠占，而南水北調(diào)工程的主要目的就是解決我國(guó)北方的上述問(wèn)題。故本次研究確定社會(huì)效益目標(biāo)為供水利用量最大及地下水開(kāi)采量最小，其中供水利用量最大目標(biāo)包括中水回用水利用量最大、海水淡化水水利用量最大、引江水利用量最大及當(dāng)?shù)氐乇硭昧孔畲?。目?biāo)函數(shù)如下：

式中：MaxF1，c-i 至MaxF4，c-i為求市級(jí)子模型中第1至4個(gè)目標(biāo)函數(shù)最大值，其中F1至F4表示第1至4個(gè)目標(biāo)函數(shù)；c-i 表示第i 個(gè)市級(jí)計(jì)算單元下屬縣級(jí)計(jì)算單元集合；YjRA，c-i為第i個(gè)市級(jí)子模型中第j個(gè)縣級(jí)計(jì)算單元的中水回用水利用量，YRA表示中水回用水利用量，j表示第j個(gè)縣級(jí)計(jì)算單元；MaxF1，m為求省級(jí)子模型中第1個(gè)目標(biāo)函數(shù)最大值，m表示市級(jí)計(jì)算單元集合；MinF5，c-i為求市級(jí)子模型中第5個(gè)目標(biāo)函數(shù)最小值；YDW、YDA、YSA、YGA分別為海水淡化水供水利用量、引江水供水利用量、當(dāng)?shù)氐乇硭┧昧?、地下水供水利用量?/p>

經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)用一定運(yùn)行規(guī)則條件下供水帶來(lái)的直接凈效益最大表示，為最大區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益與最低供水成本之差。

對(duì)于環(huán)境效益目標(biāo)，考慮河北省實(shí)際，依據(jù)《河北省水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃》，全省近期“生態(tài)環(huán)境需水量”只能是通過(guò)“以供定需”方式基本達(dá)到“最小生態(tài)環(huán)境需水量”（詳見(jiàn)142約束條件），而對(duì)地下水的有效保護(hù)則通過(guò)取多年平均淺層地下水可開(kāi)采量（在經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可行且利用后不會(huì)造成地下水位持續(xù)下降、水質(zhì)惡化、海水入侵、地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題和不對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不良影響的情況下，允許從地下含水層中取出的最大水量）作為地下水開(kāi)采量上限值加以體現(xiàn)（詳見(jiàn)142約束條件）。故本次充分考慮優(yōu)水優(yōu)用配置原則，優(yōu)先配置處理達(dá)標(biāo)的再生水作為生態(tài)環(huán)境用水水源，將廢污水回用量最大和環(huán)境缺水量最小作為環(huán)境目標(biāo)。

廢污水回用量最大：

1.4.2 約束條件

為使水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)，使水資源利用促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，謀求水資源凈效益最大[18]，在進(jìn)行優(yōu)化模擬計(jì)算過(guò)程中要考慮多方面的約束條件，其中主要包括行政約束、市場(chǎng)約束、生存需求約束、工程約束等。具體表達(dá)式詳見(jiàn)表3。

行政約束主要包括引江水分水量約束、供水目標(biāo)供水保證程度約束。因中線工程分配給河北省的分水指標(biāo)是一定的，故引江水利用量必須在此分水指標(biāo)范圍內(nèi)，而對(duì)于受水區(qū)的112個(gè)供水目標(biāo)，雖然亦有分水指標(biāo)控制，但是考慮到河北省水資源的統(tǒng)一優(yōu)化管理調(diào)度，允許調(diào)配給受水區(qū)內(nèi)任意供水目標(biāo)。至于供水目標(biāo)保證程度約束，則根據(jù)用水戶（供水目標(biāo)）的性質(zhì)不同來(lái)確定：對(duì)于生活用水戶來(lái)說(shuō)供水保證程度需達(dá)到95%以上；工業(yè)用水戶供水保證程度需達(dá)到90%以上，最低需水量取需水量的90%；對(duì)于一些特殊地區(qū)（特區(qū)、工業(yè)園區(qū)）如雄安新區(qū)等，則依據(jù)正式出臺(tái)的相關(guān)政策文件、規(guī)劃及方案等，設(shè)置其不同供水目標(biāo)的需水保證程度約束條件。

市場(chǎng)約束可解釋為由于水價(jià)的變化引起的用水戶需水量變化[19]，而形成的用水戶用水量約束。對(duì)于生活用水戶來(lái)說(shuō)，其提出的需水量為其在現(xiàn)狀水價(jià)條件下需水量，當(dāng)水價(jià)發(fā)生變化時(shí)，用水戶對(duì)水的需求量則隨之發(fā)生變化，變?yōu)橐?guī)劃水價(jià)條件下的需水量，而經(jīng)優(yōu)化調(diào)配后的生活用水戶利用水量需小于此值。同樣，對(duì)于工業(yè)用水戶來(lái)說(shuō)，經(jīng)優(yōu)化調(diào)配后的工業(yè)用水戶利用水量需小于規(guī)劃水價(jià)條件下的需水量。

生存條件約束是從滿足人類基本需求角度，要求水資 源開(kāi)發(fā)利用首先必須要解決人類生存問(wèn)題，發(fā)展帶來(lái)的社會(huì)凈效益必須滿足人類最低生活標(biāo)準(zhǔn)的需要[20]，主要包括生活基本需水約束、社會(huì)凈效益約束、生態(tài)補(bǔ)水約束等。生活基本需水約束按兩種情景考慮：一是各用水戶根據(jù)自身需水要求上報(bào)的需水量，即基本節(jié)水條件下（方案一）需水量；二是本次研究參照《河北省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施方案》中“三條紅線”用水指標(biāo)，確定的各用水戶需水量，即高效節(jié)水條件下（方案二）需水量。社會(huì)凈效益約束必須滿足人類最低生活標(biāo)準(zhǔn)的需要[20]，本次以河北省最低工資標(biāo)準(zhǔn)代替，同時(shí)采用萬(wàn)元工業(yè)增加值取水量折算為工業(yè)最小需水量。另外考慮到電力行業(yè)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其用水需優(yōu)先滿足，故亦將充分考慮節(jié)能減排措施條件的電力需水量作為工業(yè)需水量的下限值。工業(yè)需水量上限值，同樣按兩種情景考慮，同生活基本需水約束，不再贅述。生態(tài)補(bǔ)水約束即環(huán)境用水量需滿足環(huán)境最低需水量，本次以現(xiàn)狀環(huán)境需水量代替。

工程約束主要包括水庫(kù)庫(kù)容約束、河/渠（管）道流量約束、地表水供水約束、地下水供水約束、中水回用水及海水淡化水約束，其中后四個(gè)約束包括供水量及供水能力兩方面約束。

1.4.3 運(yùn)行規(guī)則

水資源配置模擬模型的核心是其在優(yōu)化模型基礎(chǔ)上確定的配置規(guī)則和運(yùn)行規(guī)則，配置與運(yùn)行規(guī)則直接影響模擬模型對(duì)實(shí)際情況的反映程度。在河北省南水北調(diào)受水區(qū)水資源系統(tǒng)模擬運(yùn)算中，各供水節(jié)點(diǎn)與用水節(jié)點(diǎn)均需要設(shè)置具體的運(yùn)行規(guī)則及優(yōu)先順序，故本次運(yùn)行規(guī)則分為兩類：供水節(jié)點(diǎn)（供水水源）運(yùn)行規(guī)則和用水節(jié)點(diǎn)（用水戶）運(yùn)行規(guī)則。

供水節(jié)點(diǎn)（供水水源）運(yùn)行規(guī)則。參考《河北省水資源綜合規(guī)劃》、《河北省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施方案》及《河北省南水北調(diào)中線配套工程規(guī)劃》，河北省南水北調(diào)受水區(qū)各水源使用的優(yōu)先次序是：非常規(guī)水源（淡化海水、中水回用水）優(yōu)先配置和使用；外調(diào)水優(yōu)先于水庫(kù)供水首先直供，有余水時(shí)存蓄于地下水庫(kù)或地表水庫(kù)；當(dāng)?shù)氐乇韽搅骼脙?yōu)先于水庫(kù)供水，水庫(kù)供水除結(jié)合汛前泄水供水外，主要在汛后配合外調(diào)水用于城市、工業(yè)等；淺層地下水配合外調(diào)水和地表水參與調(diào)蓄、利用。

用水節(jié)點(diǎn)（用水戶）運(yùn)行規(guī)則。規(guī)則可分為兩種：按用水類別可將用水節(jié)點(diǎn)分為生活用水戶、工業(yè)用水戶、環(huán)境用水戶，其優(yōu)先級(jí)順序?yàn)樯?、工業(yè)、環(huán)境；按用水區(qū)域分的用水節(jié)點(diǎn)（用水戶）運(yùn)行規(guī)則，是在按用水類別分的用水節(jié)點(diǎn)（用水戶）運(yùn)行規(guī)則的基礎(chǔ)上設(shè)定的主要用水計(jì)算單元間供水量調(diào)配過(guò)程中的運(yùn)行規(guī)則。按用水區(qū)域可將用水節(jié)點(diǎn)分為地下水資源嚴(yán)重匱乏地區(qū)用水單元（缺水率>50%）、嚴(yán)重缺水用水單元（30<缺水率≤50%）、一般缺水用水單元（0<缺水率≤30%）。涉及到計(jì)算單元間供水量調(diào)配的水源主要是引江水、地表水，優(yōu)先接受引江水調(diào)配水量的用水單元，依次為：地下水資源嚴(yán)重匱乏地區(qū)用水單元、嚴(yán)重缺水用水單元、一般缺水用水單元；按用水節(jié)點(diǎn)重要程度可將用水節(jié)點(diǎn)分為一類目標(biāo)（國(guó)家級(jí)特區(qū)、設(shè)區(qū)市、重點(diǎn)工業(yè)區(qū)）、二類目標(biāo)（縣級(jí)市）、三類目標(biāo)（縣城）。優(yōu)先接受引江水和地表水調(diào)配水量的用水單元依次為一類目標(biāo)（設(shè)區(qū)市、重點(diǎn)工業(yè)區(qū)）、二類目標(biāo)（縣級(jí)市）、三類目標(biāo)（縣城）。

2 模型求解

模型求解時(shí)，首先在供水預(yù)測(cè)與需水預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，充分考慮基于決策者、用水戶及水市場(chǎng)而制定的約束條件，確定水資源優(yōu)化調(diào)配模型的供水方案集合和需水方案集合，形成水資源供需方案組合。其次，根據(jù)既定的目標(biāo)函數(shù)及運(yùn)行規(guī)則，采用順序決策法對(duì)確定的若干級(jí)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解，高優(yōu)先權(quán)的目標(biāo)比低優(yōu)先權(quán)的目標(biāo)優(yōu)先得到滿足，每一個(gè)最優(yōu)化的目標(biāo)均遵從模型約束限制，以確保其他具有更高優(yōu)先級(jí)的目標(biāo)不受到負(fù)面影響。同一優(yōu)先級(jí)的多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，則采用遺傳算法進(jìn)行求解。通過(guò)優(yōu)化和模擬模型的相互反饋和不斷調(diào)整，得出不同水資源供需方案組合下的推薦調(diào)配方案集合。最后，將推薦方案提交至意見(jiàn)征詢系統(tǒng)，根據(jù)決策者、用水戶及水市場(chǎng)對(duì)推薦方案的反應(yīng)，調(diào)整調(diào)配模型的約束條件、運(yùn)行規(guī)則及目標(biāo)函數(shù)，重新運(yùn)行優(yōu)化調(diào)配模型系統(tǒng)，得出推薦方案。這一過(guò)程一直進(jìn)行到意見(jiàn)征詢系統(tǒng)無(wú)信息反饋，決策者滿意為止。最終的推薦方案即決策方案。可以說(shuō)本模型的求解過(guò)程是一個(gè)“滾動(dòng)修正，不斷尋優(yōu)”的過(guò)程。受水區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配模型求解思路詳見(jiàn)圖4。

3 結(jié)果分析

本優(yōu)化調(diào)配模型可根據(jù)設(shè)定的水平年、節(jié)水條件（基本節(jié)水方案、高效節(jié)水方案）、配置方式等要素，或任意用水戶、任意決策者、任意水源、任意供水工程等水資源影響因素的不同，生成無(wú)數(shù)組優(yōu)化調(diào)配方案，本次以2020年供受水區(qū)來(lái)水頻率組合50%+50%調(diào)配方案（供受水區(qū)來(lái)水頻率均為P=50%、不同節(jié)水水平條件下2020年受水區(qū)優(yōu)化調(diào)配方案，下同）為例，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 2020年供受水區(qū)來(lái)水頻率組合50%+50%基本節(jié)水方案調(diào)配結(jié)果

引江水利用情況分析。由圖5和表4可知，在2020年供受水區(qū)來(lái)水頻率均為P=50%、城市各業(yè)用水均為基本節(jié)水條件下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)配，受水區(qū)利用引江水量總計(jì)298億m3，利用率100%。其中邯鄲36億m3、[HJ2.05mm]廊坊23億m3、石家莊81億m3、保定54億m3、邢臺(tái)34億m3、滄州42億m3、衡水28億m3。

減少地下水開(kāi)采情況分析。經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)配，與無(wú)引江水相比減少地下水開(kāi)采量266億m3，其中邯鄲26億m3、廊坊23億m3、[HJ2.08mm]石家莊71億m3、保定50億m3、邢臺(tái)30億m3、滄州42億m3、衡水24億m3。

水資源供需平衡分析。全省南水北調(diào)受水區(qū)總供水量為443億m3、需水量499億m3，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)配，受水區(qū)不同供水水源得到充分利用，置換出（剩余）水量32億m3，（其中地下水21億m3、非 常規(guī)水11億m3，可用于環(huán)境與農(nóng)業(yè)），缺水88億m3，缺水率176%。從行業(yè)來(lái)看，生活用水優(yōu)先全部得到滿足，工業(yè)需水量及環(huán)境需水量分別缺水82億m3和缺水06億m3，缺水率分別為292%和136%。從地區(qū)來(lái)看，邯鄲缺水04億m3，缺水率59%； 廊坊缺水02億m3，缺水率74%；石家莊缺水01億m3，缺水率09%；保定缺水01億m3，缺水率14%；邢臺(tái)市缺水05億m3，缺水率86%；滄州市缺水64億m3，缺水率538%；衡水市缺水11億m3，缺水率256%?？梢?jiàn)2020年保持現(xiàn)狀節(jié)水力度，不足以支撐受水區(qū)的水資源供需平衡。

3.2 2020年供受水區(qū)來(lái)水頻率組合50%+50%高效節(jié)水方案調(diào)配結(jié)果[BT）][HJ]

引江水利用情況分析。由圖6和表5可知，在2020年供受水區(qū)來(lái)水頻率均為P=50%、城市各業(yè)用水均為高效節(jié)水條件下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)配，受水區(qū)利用引江水量總計(jì)298億m3，利用率100%。其中邯鄲27億m3、廊坊22億m3、石家莊71億m3、保定53億m3、邢臺(tái)33億m3、滄州69億m3、衡水23億m3。

減少地下水開(kāi)采情況分析。經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)配，減少地下水開(kāi)采[HJ2.1mm]量249億m3，其中邯鄲13億m3、廊坊23億m3、石家莊53億m3、保定47億m3、邢臺(tái)25億m3、滄州69億m3、衡水19億m3。

水資源供需平衡分析。全省南水北調(diào)受水區(qū)總供水量為443億m3、需水量406億m3，經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)配，受水區(qū)不同供水水源得到充分利用，置換出（剩余）水量49億m3（其中地下水38億m3、非常規(guī)水11億m3，可用于環(huán)境與農(nóng)業(yè)），缺水12億m3，缺水率30%。從行業(yè)來(lái)看，生活用水優(yōu)先全部得到滿足，工業(yè)需水量及環(huán)境需水量分別缺水09億m3 和缺水03億m3，缺水率分別為44%和77%。從地區(qū)來(lái)看，其中邯鄲、廊坊、石家莊、邢臺(tái)、衡水

不缺水；保定缺水01億m3，缺水率14%；滄州市缺水11億m3，缺水率120%。可見(jiàn)通過(guò)加大節(jié)水力度，大部分設(shè)區(qū)市可以實(shí)現(xiàn)受水區(qū)的水資源供需平衡。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以河北省南水北調(diào)中線受水區(qū)為研究區(qū)，以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需求分析為起點(diǎn)，以多目標(biāo)群決策理論為基礎(chǔ)，以優(yōu)化與模擬為主要技術(shù)，構(gòu)建了基于MIKE BASIN的水資源優(yōu)化調(diào)配模型（WOMMB），解決了多水源、多區(qū)域、多層次、多用戶水資源統(tǒng)一調(diào)配問(wèn)題，模型可根據(jù)規(guī)劃年不同保證率、不同節(jié)水水平條件、不同用水戶需求，提出綜合效益最優(yōu)的受水區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配方案，為驗(yàn)證調(diào)配方案的合理性及調(diào)配效果的顯著性，以2020年供受水區(qū)來(lái)水頻率組合50%+50%調(diào)配方案為例，采用受水區(qū)總?cè)彼颗c缺水率、生活及工業(yè)供水保證率、置換（剩余）地表水與地下水量、引江水利用量與利用率、減少地下水開(kāi)采量等指標(biāo)，對(duì)優(yōu)化調(diào)配前后結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，5項(xiàng)指標(biāo)均較優(yōu)化調(diào)配前效果顯著，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，調(diào)配結(jié)果合理。

（1）缺水量及缺水率經(jīng)優(yōu)化調(diào)配后，基本節(jié)水條件下受水區(qū)缺水量減少了04億m3，缺水率降低08%，為176%；高效節(jié)水條件下受水區(qū)缺水量減少了30億m3，缺水率降低74%，為30%。

（2）生活、工業(yè)供水保證率經(jīng)優(yōu)化調(diào)配后，生活供水保證率達(dá)到100%；工業(yè)供水保證率，基本節(jié)水條件下提高14%，達(dá)到708%，高效節(jié)水條件下提高150%，達(dá)到956%，實(shí)現(xiàn)了模型的既定目標(biāo)。

（3）地表水與地下水置換（剩余）量經(jīng)優(yōu)化調(diào)配后，地表水剩余量進(jìn)一步得到充分利用，基本節(jié)水和高效節(jié)水條件下，地表水剩余量置換（剩余）量分別從04億m3、21億m3降低至0。地下水置換（剩余）量?jī)?yōu)化調(diào)配前后未發(fā)生變化。

（4）引江水利用量與利用率經(jīng)優(yōu)化調(diào)配后，引江水進(jìn)一步得到充分利用，引江水利用量達(dá)到上限298億m3，利用率達(dá)到100%。

（5）減少地下水開(kāi)采量經(jīng)優(yōu)化調(diào)配后，與無(wú)引江水對(duì)比，基本節(jié)水和高效節(jié)水條件下，分別較優(yōu)化調(diào)配前減少地下水開(kāi)采量04億m3和30億m3。

本文通過(guò)河北省南水北調(diào)中線受水區(qū)水資源統(tǒng)一調(diào)配方案研究，提出了綜合效益最優(yōu)的受水區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配方案，可實(shí)現(xiàn)“引江水高效利用、地表水調(diào)節(jié)利用、地下水控制利用”的高效用水目標(biāo)，從水資源的開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)等方面為水資源管理部門提供決策支持，為實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

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