黄河上游典型小流域汭河水资源优化配置研究_赵云.pdf

年第 期水利规划与设计水文水资源：.黄河上游典型小流域汭河水资源优化配置研究赵 云，张 芮，李雅娴，赵永强，王 苗，戴文渊，罗 晶，安亚鹏（.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州；.甘肃省水利厅水土保持中心，甘肃 兰州；.甘肃政法大学环境法学院，甘肃 兰州）摘要：针对汭河流域供水能力不足及流域辖区内用水部门用水量分配存在矛盾，进行水资源优化配置。以流域生活、工业、农业、生态等用水部门的用水总效益目标最大、余水量最大为目标，建立了多目标规划模型，采用多目标遗传优化算法求解，利用 法对结果进行综合评价后求出最优的配置方案。结果表明：、年用水保证率（）下配置水量与预测水量相比工业用水量减少了.、.，生活用水量减少.、.，林牧渔畜用水量增加.、.生态用水量增加 .、.，农业减少.、.。通过优化配置可以有效地发挥汭河流域供水能力，以及供水不平衡采取的有效措施。方案的优化配置符合汭河流域目前的现实发展和流域综合规划的原则。关键词：水资源优化配置；多目标遗传；法；汭河流域中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项 目：甘 肃 省 水 利 科 学 试 验 研 究 与 技 术 推 广 计 划 项 目（）；甘肃省水利厅水资源费项目（甘水资源发号）；甘肃省社科规划项目（）；甘肃省自然科学基金项目（）作者简介：赵 云（年），男，硕士研究生。：.通讯作者：张 芮（年），男，教授。：.甘肃是黄河流域上游主要的饮用水保护地和补给地区，首先要担当起黄河水上游生态恢复、水土保持、环境污染防控等重大任务。自然资源匮乏和自然环境脆弱是中国黄土高原上面临的亟待解决的重要科学问题。平凉市汭河流域作为黄河上游的典型小流域，对其进行多目标水资源优化配置方案是协调解决水资源短缺与水生态脆弱的重要法宝。对推进流域生态保护和高质量发展，实现黄河流域生态保护和高质量发展意义非凡。汭河流域供水的华亭市、崇信县、泾川县是平凉市典型干旱缺水地区，各用水部门用水存在严重的矛盾，针对流域实施水资源优化配置不仅对缓解水资源供需矛盾起到了重要作用，而且在解决水资源短缺和生态环境恶化中更是处于主导地位。因此，综合以上原因考虑，选取汭河流域作为典型流域研究意义重大，可以为甘肃黄土高原典型流域水文资源与经济社会协调发展提供技术指引，同时，对实施国家生态保护战略和黄河流域高质量开发也起着重要的支撑作用。由于流域供水水源的复杂性，各用水部门用水的影响因素众多，研究方法主要以智能优化算法、多目标规划法为主。吴丹等以经济、社会和环境的效益，建立目标函数非线性多目标优化模型。林冰采用最常用的加权法将多目标函数转化为单目标函数进行求解。张帆等研究灌区水资源优化配置时通过分析水资源优化配置结果，指出灌区供水与用水之间不平衡，水资源优化配置中供水满足用水存在差值。，以经济效益、社会效益和环境效益为目标建立流域水资源优化配置供水模型，多目标用经济标准衡量，加上各种约束条件将流域水资源系统模型化，用大系统多目标递阶动态规划方法求解，求得最优方案。等采用交互式分析算法，目标近似法构建水资源的最优配置，建立了社会、经济、环境、水资源等因素之间的交互关系等大规模系统。结果表明，供水严重受损，大量缺水，应采取一些可行的措施。饶汉霖等以经济效益、环境效益的双层优化模型转化为单水文水资源水利规划与设计 年第 期目标问题进行配置求解。李承红在研究水资源优化配置时，以遗传算法的计算，达到经济效益最大化，并且缺水量最小，具有较好的优化效果，结果合理可靠。可见我国对水资源优化配置，无论求解方法还是目标模型研究都很全面。但是也存在一定的问题，为寻求总目标最优，忽视目标构成的制约因素，一贯采用多目标简化为单目标求解。因此，采用多目标遗传算法针对于本文提出的各用水部门竞争用水问题的求解是一种有效途径，可以更好地解决多目标水资源优化配置问题。根据汭河流域实际情况，流域各用水部门用水效益、余水量等多目标条件配置出符合汭河流域水利规划发展的方案，以此为汭河流域水资源规划、各用水部门之间用水矛盾的缓解、汭河流域的综合治理提供参考依据。研究区概况汭河流域属于泾河的一级支流，位于甘肃省平凉市华亭市关山东麓，汭河流域流经崇信、华亭、泾川 个市（县）区，是 个市（县）区重要的可供水源，流域全长，流域面积，多年平 均 径 流 量.亿，多 年 平 均 蒸 发 量.。多年平均降水量，月降水占全年，径流年内分配不均匀，枯水年频繁出现，导致流域地表水影响较大，所以各用水部门水量分配变化较大、竞争也大。汭河流域包含 个市（县）区.万人，所在华亭市自然资源得天独厚，煤炭等矿储量达 亿，是省内煤炭储量规模最大的煤炭生产基地之一。也是中国西北 大煤炭产区。崇信县 大生态产业全年增加值为.亿元，同比增长.，相当于全县 的.。全年全县矿业增加值同比增长.，带动行业增长超过设定规模.个百分点。能源、热发电和供应业的增加值同比增长.，推动超出预期规模的行业增长.个百分点。据统计，年泾川县生产总值.亿元，对平凉市经济贡献较大。对于如此重要的经济发展区，实现流域水资源优化配置就显的尤为重要。水资源配置模型及计算选取流域内水源元素包括地下水、地表水、再生水，秉持水资源的多样性互补调节为原则，以再生水与地表水、地下水的多源互补系统加强对水资源的有效保护和科学利用，同时弥补地下水流失过多的问题，也可以形成配置网络，保证水资源科学、合理、高效地利用。针对本流域选取农业用水、工业用水、生活用水、林牧渔畜用水和生态环境用水 大用水部门，进行各需水部门之间的最优分配，在保证缺水量较小目标下，实现水资源长期规划的同时保证综合效益最大。.建立模型.目标函数：用水总效益最大。（）（），（），（），（），（）（）（）式中，决策变量，即为分配给 用户的水量，；，工业、生活、农业、林牧渔畜和生态环境用户；工业用水效益，万元；（）用水效益目标。.目标函数：余水量最大。（）（）式中，（）余水量目标；规划年流域可供水量，。.约束条件.流域可供水量约束：（）式中，规划年流域的可供水量。.不同用水部门需水量的约束：，（）式中，、，用水部门最小、最大需水量，。.变量非负约束：（）约束条件中所含的 与模型中的一致。.用水效益系数的确定为了各用水部门之间的发展符合流域规划，在对汭河流域水资源配置时，由于各用水部门的评价指标不同，需要将 类用水部门的用水效益进行标准化，其目的为了使评价指标处于同一区间，计算出用水部门的用水效益系数。.单方工业用水效益：（）式中，工业供水效益分摊系数，查阅资料取值 年第 期水利规划与设计水文水资源为；工业用水量，万；工业万元增加值用水量，万 万元。结合、年汭河流域工业万元增加值用水定额，得、年单方工业用水效益系数为.万、.万元。.其他用水效益单方工业用水效益系数为基准，采用产值分摊法计算用水效益，其他用水效益计算公式如下：（），（，），（，），（）式中，折算系数，且 ，；用水效益系数（.）；各用水部门用水量，万；最小用水量，万；最大用水量，万。折算系数采用德菲尔法确定，汭河流域工业、生活、生态和农业这 类部门的用水对辖区具有不同目标效益，因此，在确定折算系数是应综合考虑不同部门所具有的不同目标效益。折算系数计算结果：.，.。结合 年平凉市水资源公报 中汭河流域用水资料，采用定额法、灰色预测法预测出，个规划年保证率 、下的需水量，对于生活、工业、农业和生态各用水部门应该严格确定供水指标，分配的用水量要介于最大、最小需水量之间，各部门最大、最小用水量可取预测值的 ，计算时生产用水取 ，生态、生活用水取 。最大需水量数据见表，最小需水量数据见表。汭河流域、年 的 供 水 量。地 表 水 供 水 总 量 、，地下水供水总量、，再生水供水总量.、。表 最大需水量单位：规划年生活用水量工业用水量林牧渔畜需水量生态用水量农业需水量.表 最小需水量单位：规划年生活用水量工业用水量林牧渔畜需水量生态用水量农业需水量.模型求解采用多目标遗传优化算法进行求解。遗传算法的灵感来源于生物选择与群体进化的机制，以收敛速度快，避免局部最优的特点进行全局计算。在调用，函数的多目标优化算法中，参数设置如下：帕累托个体最优前端系数为.，种 群 大 小 为，最 大 进 化 代 数 为，停止迭代的代数也是，适应度函数值偏差为 ，绘制帕累托前端。在 的运行过程中，第一帕累托前沿图会自动绘制，并且分布会用预定的进化代数不断更新。当迭代结束，第一前端 的分布，如图 所示。同时，迭代结束时获得的帕累托解 集和相应的目标函数值应该注意，由于算法的初始总体是随机生成的，因此每次执行的结果都是不同的。.基于 法的选优由于多目标遗传算法求解出的是一个最优解集，所以 法可以根据汭河流域各用水部门实际的产值贡献率为每个用水部门分配权重。然后，系统利用赋予权重的数据分析，从理想值推导出最优距离的 值，的目标值越大，越接近最优方案，主要用于估计和测量评估对象的优缺点的排序。最后根据方案的优缺点顺序选择最优解。最优配置方案见表。.水量分配根据水量分配暂行办法，结合华亭市、崇信县、泾川县国民经济和社会发展统计公报进行各县人口，粮食产量、牲畜数量、工业产值数据收集，预测至、年。按照各县人口占 县人口和的比值分配生活用水量，对等指标：粮食产量对应农业用水量分配、牲畜数量对应林牧渔畜用水量、工业产值对应工业用水量，进行生活、工业、林牧渔畜、生态，用水量对等分配。依据产值贡献率分配水量，该分配方法避免了因寻求主目标最优，忽视用水部分实际的产值贡献。分配结果见表。水文水资源水利规划与设计 年第 期图 多目标遗传优化算法 前沿分布图表 汭河流域规划年多目标优化配置结果单位：规划年保证率生活用水量工业用水量林牧渔畜用水量生态用水量农业用水量合计.表 汭河流域 保证率下各县区用水量分配结果单位：规划年市（县）区生活用水量工业用水量林牧渔畜用水量农业用水量生态用水量合计华亭.崇信.泾川.华亭.崇信.泾川.结果分析.需水量趋势分析从各需水量部门预测结果如图 所示，可以分析得出：（）生活需水方面。由各规划年生活需水量得知，生活需水量呈增长趋势，增长是因为人口自然增长、生活水平不断提高引起。城乡居民节水意识增强，一水多用，伴随着节水型社会建设，出台节水政 策（水价增长，节水器具全面普及），水量又 年第 期水利规划与设计水文水资源表 汭河流域 保证率下各县区用水量分配结果单位：规划年市（县）区生活用水量工业用水量林牧渔畜用水量农业用水量生态用水量合计华亭.崇信.泾川.华亭.崇信.泾川.图 规划年需水量预测趋势会有下降趋势。（）农业需水方面。“十三五”以来，一方面各县区智慧农业的发展，节水灌溉的设施大面积普及，另一方面灌区节水改造等项目建设为重点，高效节水工程建设加快，压减农业用水量。十四五以来农业需水量呈现下降趋势。（）工业需水方面。由于工业结构调整，优化加快推进，万元工业增加值用水量必将是下降趋势，伴随着需水量也会逐步下降。（）林牧渔、生态环境需水方面。因为生态用水大部分用于城乡环境美化、降温、降尘，所以随着城市化进程和新农村建设加快推进，汭河流域生态综合治理加强，打造生态廊道，努力实现山水林田湖草系统治理，生态环境用水将会逐年增加。.供需水量平衡分析利用模型对 个规划年用水量的求解，最优方案的选取。目的是为了利用有效可供水量，尽可能满足各用水部门需水要求，适应人口增长和经济发展，避免水资源浪费。如图 所示，无论 年还是 年，配置的水资源始终未超过规定的可供水量，配置水量均高于现状年用水量。需水量持续缓慢上升，汭河流域供水量有限，配置水量无法完全满足需水。年 用 水 保 证 率（、）下 缺 水 率 为.、.。年 用 水 保 证 率（、）下缺水率为.、.，由供需平衡分析看出，缺水率在不断下降，、年缺水部门为工业、生活、农业。由此，一方面，需要我们加深节水意识，大力发展节水农业设施。另一方面，必须多流域、多水源互补，加大非常规水利用力度。图 年用水量与规划年配置水量对比图从规划年供需水量上可看，汭河流域工业、农业有较大的可配置空间，并且对今后适当降低工业、农业