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(jì)有限公司，鄭州 450003)

陜西省關(guān)中地區(qū)不僅是陜西經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是實(shí)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(jì)石、引紅濟(jì)石、引漢濟(jì)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?yàn)殛P(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(shí)現(xiàn)水資源復(fù)合系統(tǒng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)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(diǎn)大城市，13座中小城市和8個(gè)工業(yè)園區(qū)?？紤]到各個(gè)用水節(jié)點(diǎn)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(dú)考慮每個(gè)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(jì)謂調(diào)水工程。

單元優(yōu)化配置研究是把每個(gè)單元作為一個(gè)單獨(dú)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(jì)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(píng)價(jià)領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用。本論文應(yīng)用該優(yōu)選方法計(jì)算引漢濟(jì)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(jì)算，得出引漢濟(jì)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(gè)子單元單獨(dú)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(yùn)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(huì)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(jìn)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)渭供給水量問題，擬采用模擬方法進(jìn)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(shí)間。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)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(jì)渭擬調(diào)水12億m3的情況下，以旬為調(diào)度時(shí)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(jìn)行對比計(jì)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(jì)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(gè)百分點(diǎn)，城市生態(tài)保證率方案1則多出近20個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)椴捎梅桨?模擬模型進(jìn)行配置時(shí)，引漢濟(jì)渭總調(diào)水量作為補(bǔ)充水源最后配置，它不考慮4個(gè)單元行政區(qū)的界限，因而能將多余水量補(bǔ)充城市生態(tài)需水量。而采用方案2單元優(yōu)化模型進(jìn)行配置時(shí)，考慮了4個(gè)單元行政區(qū)的界限，首先進(jìn)行引漢濟(jì)渭總調(diào)水量在4個(gè)單元的配置，其次是各單元內(nèi)部節(jié)點(diǎn)優(yōu)化配置，這更貼近現(xiàn)實(shí)中的實(shí)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(shí)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(jì)渭擬調(diào)水12億m3的情況下，以旬為調(diào)度時(shí)段分別用單元優(yōu)化和模擬模型進(jìn)行對比計(jì)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(shí)中水資源配置工作。同時(shí)該結(jié)論也為合理確定引漢濟(jì)渭工程調(diào)水量提供了科學(xué)的理論計(jì)算依據(jù)。但是，考慮到遠(yuǎn)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(jìn)一步調(diào)整解決。

［1］宋元文.資源節(jié)約型社會(huì)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.

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［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(jìn)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))