姜志嬌，楊軍耀，任興華(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 太原 030024)

水是人類生命的源泉，是人類生活賴以生存、無(wú)法替代的基礎(chǔ)性自然資源。但是近些年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、城鎮(zhèn)化腳步的加快以及人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，水資源供需矛盾日益突出，水資源短缺和水環(huán)境惡化已成為亟待解決的問(wèn)題。2011年中央1號(hào)文件《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》中明確提出：嚴(yán)格執(zhí)行關(guān)于水資源的管理規(guī)定，針對(duì)水資源進(jìn)行用水總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”的規(guī)定。目前最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”的研究成果很多，但仍然是以定性研究為主，最嚴(yán)格水資源管理制度和水資源配置結(jié)合的研究成果較少。鑒此，本文以山西平定縣為例，科學(xué)劃定“三條紅線”管理指標(biāo)，構(gòu)建了“三條紅線”約束下的多水源、多用戶、多目標(biāo)的水資源優(yōu)化配置模型，為區(qū)域?qū)嵤┧Y源配置提供參考。

1 “三條紅線”控制指標(biāo)

三條控制紅線是最嚴(yán)格水資源管理制度[1]的核心內(nèi)容，其主要包括用水總量控制紅線、用水效率控制紅線、水功能區(qū)限制納污紅線。“三條紅線”從不同層面、角度對(duì)水資源的利用保護(hù)進(jìn)行管理，其具體內(nèi)容分別與水資源管理中的供、用、排3方面對(duì)應(yīng)，構(gòu)成了一個(gè)完整的水資源管理體系。

在嚴(yán)格遵守“三條紅線”控制指標(biāo)選取原則：核心性、代表性、系統(tǒng)性、可操作性及可比性的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)文獻(xiàn)[2]，給出了“三條紅線”控制指標(biāo)體系(見表1)。

表1 三條紅線控制指標(biāo)體系

2 基于“三條紅線”約束的水資源優(yōu)化配置模型的構(gòu)建

2.1 模型目標(biāo)函數(shù)

大多傳統(tǒng)的水資源配置模型可以兼具多水源、多用戶、多目標(biāo)等特點(diǎn)，發(fā)展已相對(duì)成熟。如何在“三條紅線”約束下，使水資源配置模型達(dá)到用水總量控制、用水效率控制和污染物排放控制等要求，是本文研究的重點(diǎn)。

區(qū)域水資源優(yōu)化配置的目的是合理分配水資源，實(shí)現(xiàn)水資源與區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的和諧可持續(xù)發(fā)展。因此，一般水資源優(yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)包括經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)、社會(huì)效益目標(biāo)和水環(huán)境效益目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)[3,4]如下：

(1)

經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)：

(2)

式中：αlp為l子區(qū)內(nèi)p部門單方水產(chǎn)值系數(shù)。

社會(huì)效益目標(biāo)：

(3)

式中：cp為用水戶p的缺水權(quán)重；blp為l子區(qū)p用水部門的需水量。

水環(huán)境效益目標(biāo)：

(4)

式中：wlp為l子區(qū)p污水排放系數(shù)，g/m3，一般選取COD表示。

G(x)：約束條件集。使用該模型需要滿足以下條件：分配給各用水部門的總水量不能超過(guò)各類水源總可供水量、分配給各用水部門的水量不能超過(guò)其需水總量和數(shù)值非負(fù)以及各子區(qū)自身特殊條件要求等。

2.2 模型約束條件

模型的約束條件包括兩個(gè)方面：①以構(gòu)成水資源配置系統(tǒng)的個(gè)組成部分為 分析對(duì)象進(jìn)行研究。②水資源配置系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的相關(guān)關(guān)系著手分析。其中，水量約束主要考慮供水量和需水量?jī)蓚€(gè)方面。需水約束旨在保證不同用戶需水量，供水約束旨在保證各供水水源分配到各用水部門的水量小于等于該水源所能提供的水量[5]。

(1)供水水源可供水量約束。

①公共水源滿足下式約束：

(5)

式中：Wi為公共水源的可利用水資源量。

②專用水源滿足下式約束：

(6)

式中：WL為L(zhǎng)子區(qū)地表水、地下水和再生水的可供配置的總水量。

(2)各用水部門需水量約束。需水約束是指每個(gè)用水部門分配到的總水量不能超過(guò)其需水量。

(7)

式中：Dlp為l子區(qū)p用水部門的需水量。

(3)變量非負(fù)約束。

xlmp≥0

(8)

3 實(shí)例分析

平定縣境內(nèi)有綿河和甘陶河兩大流域，流域面積占全縣總面積的15%，多年平均降水量514.44 mm，多年平均河川徑流量0.32億m3，地下水資源量1.59億m3，扣除地表與地下水重復(fù)計(jì)算量0.21億m3，多年平均水資源總量1.70億m3。平定縣水資源相對(duì)豐富，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，出現(xiàn)了用水效率偏低、用水浪費(fèi)以及水環(huán)境污染的問(wèn)題。因此有必要對(duì)該地區(qū)進(jìn)行以“三條紅線”為主要約束的水資源優(yōu)化配置工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的最嚴(yán)格管理，緩解該地區(qū)水資源現(xiàn)存的問(wèn)題。

綜合考慮區(qū)域的水資源實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)規(guī)劃，以平定縣行政區(qū)劃為依據(jù)進(jìn)行子區(qū)劃分，分為10個(gè)子區(qū)，用l來(lái)表示。每個(gè)子區(qū)內(nèi)按照行業(yè)種類對(duì)用水戶進(jìn)行分類，分為生活用水(城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民)，生產(chǎn)用水(農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水)和生態(tài)環(huán)境用水。各用水部門用P表示，p=1代表生活用水，p=2代表農(nóng)業(yè)用水，p=3代表工業(yè)用水，P=4代表生態(tài)環(huán)境用水。本文將不同水源分配給各個(gè)用水部門的水量設(shè)定為水資源優(yōu)化配置模型的決策變量，用X表示，xl=(xlmp)，[m=1,2,…,i+j(l);j=1,2,…,j(l)]，其中xlmp代表m水源分配給l子區(qū)p用水部門的水量。

3.1 模型約束條件參數(shù)的確定

(1)用水總量控制指標(biāo)：根據(jù)水資源分配中以供定需的原則，以水資源用水總量控制為主要目標(biāo)，對(duì)該地區(qū)未來(lái)規(guī)劃水平年水資源供需平衡進(jìn)行分析。擬定2020、2030年用水控制指標(biāo)見表2。此外，缺水權(quán)重cp用部門用水優(yōu)先系數(shù)ηlp來(lái)表示，本文生活、生態(tài)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的用水優(yōu)先系數(shù)分別取0.4、0.3、0.2、0.1。

表2 平定縣規(guī)劃水平年用水總量控制指標(biāo) 萬(wàn)m3

(2)用水效率控制指標(biāo)：用水部門單方水國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP產(chǎn)值αlp，經(jīng)過(guò)預(yù)算得出，到2020規(guī)劃水平年，每消耗1 m3水，農(nóng)業(yè)的GDP產(chǎn)值達(dá)到14元/m3，工業(yè)的GDP產(chǎn)值達(dá)到239元/m3；到2030規(guī)劃水平年，每消耗1 m3水，農(nóng)業(yè)的GDP產(chǎn)值為18元/m3，工業(yè)的GDP產(chǎn)值為375元/m3。

(3)水功能區(qū)限制納污控制指標(biāo)：污水排放系數(shù)wpl是污水排放量與用水量的比值，該地區(qū)主要污染物為COD，因此以COD的排放量代表該地區(qū)污水排放量。由該地區(qū)研究資料可以得出，城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的污水排放系數(shù)分別為28、21.75、36.3和7.25 g/m3。

3.2 配置方案的設(shè)定

基于水資源配置過(guò)程中優(yōu)先考慮的因素不同，本文應(yīng)用AHP層次分析法來(lái)確定各目標(biāo)的權(quán)重主要產(chǎn)生下面4個(gè)配置方案。

方案1：均衡考慮3個(gè)目標(biāo)的權(quán)重，基于層次分析法AHP計(jì)算出社會(huì)效益目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)和環(huán)境效益3個(gè)目標(biāo)的權(quán)重分別為w1=0.637，w2=0.258，w3=0.105。

方案2：這種方案優(yōu)先考慮的是社會(huì)效益，在綜合考慮其他約束條件和為滿足社會(huì)效益的期望值所分配的用水量?；趯哟畏治龇ˋHP計(jì)算出經(jīng)濟(jì)和水環(huán)境2個(gè)目標(biāo)的權(quán)重為w1=0.675,w2=0.325。

方案3：這種方案優(yōu)先考慮的是經(jīng)濟(jì)效益，在綜合考慮其他約束條件和為滿足經(jīng)濟(jì)效益的期望值所分配的用水量?；趯哟畏治龇ˋHP計(jì)算出社會(huì)和水環(huán)境2個(gè)目標(biāo)的權(quán)重為w1=0.675,w2=0.325。

方案4：這種方案優(yōu)先考慮的是水環(huán)境，在綜合考慮其他約束條件和為滿足環(huán)境效益的期望值所分配的用水量?；趯哟畏治龇ˋHP計(jì)算出社會(huì)和經(jīng)濟(jì)2個(gè)目標(biāo)的權(quán)重為w1=0.675,w2=0.325。

應(yīng)用人工魚群算法[6]在matlab中進(jìn)行編程處理，對(duì)本文所采用的多目標(biāo)配置模型進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合平定縣的實(shí)際情況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)，對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行相關(guān)處理，得到如下水資源配置結(jié)果。2020、2030年規(guī)劃水平年水資源優(yōu)化配置結(jié)果見表3。

表3 2020、2030年平定縣水資源優(yōu)化配置方案 萬(wàn)m3

從規(guī)劃水平年4個(gè)方案的水資源配置情況來(lái)看,方案2缺水量相對(duì)最小，滿足其側(cè)重社會(huì)效益的目標(biāo)；提水工程耗資較大，供水費(fèi)用較貴，從經(jīng)濟(jì)合理性的角度分析，方案3中提水工程提水比例相對(duì)比較小，滿足其側(cè)重經(jīng)濟(jì)效益最大的目標(biāo)；從水環(huán)境效益方面來(lái)考慮，方案4中供水分配中再生水所占的比例較大，保護(hù)了清潔水資源，提高了水資源的重復(fù)利用效率，且生態(tài)環(huán)境用水能夠得到滿足，有易于減輕水環(huán)境的污染程度，保護(hù)地表水環(huán)境，滿足其側(cè)重水環(huán)境效益的最大的目標(biāo)。

4 基于SE-DEA模型的水資源優(yōu)化配置效果評(píng)價(jià)

SE-DEA模型(超效率數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法)是一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃模型對(duì)決策單元間的相對(duì)效率進(jìn)行比較的評(píng)價(jià)分析方法。其目的是分析出每個(gè)決策單元綜合效率的數(shù)量指標(biāo)，根據(jù)綜合效率數(shù)量指標(biāo)對(duì)各決策單元進(jìn)行分析，找出有效的(即效率相對(duì)最高的)決策單元，作為水資源配置方案進(jìn)行決策的依據(jù)[7]。

基于社會(huì)合理性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、效率合理性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及適度開發(fā)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則這5條評(píng)價(jià)指標(biāo)選取準(zhǔn)則以及用水總量、用水效率、納污能力控制“三條紅線”，并考慮平定縣的實(shí)際情況，建立如下評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。研究區(qū)水資源優(yōu)化配置效果評(píng)價(jià)決策體系見表4。計(jì)算得出的各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果見表5和表6。

將2020、2030年規(guī)劃水平年的各個(gè)方案的量化指標(biāo)輸入SE-DEA模型中進(jìn)行運(yùn)算，得到各個(gè)方案的水資源配置效果評(píng)價(jià)的效率值如表7所示。

表4 研究區(qū)水資源優(yōu)化配置效果評(píng)價(jià)決策體系表

表5 2020年規(guī)劃水平年各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果表

表6 2030年規(guī)劃水平年各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果表

表7 2020、2030年水平年水資源配置方案評(píng)價(jià)效率表

使用SE-DEA模型對(duì)2020、2030年規(guī)劃水平年各方案的量化指標(biāo)經(jīng)過(guò)輸入、輸出后得到的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。從計(jì)算結(jié)果中可以看到，將各個(gè)水資源配置方案按超效率值進(jìn)行排序，從高到低為社會(huì)效益優(yōu)先>經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先>水環(huán)境效益優(yōu)先方案>基本方案優(yōu)先。4個(gè)方案的超效率值都大于1，均為有效方案。經(jīng)過(guò)對(duì)超效率值進(jìn)行排序可以得出，在此次評(píng)價(jià)中，社會(huì)效益優(yōu)先的方案是最佳的水資源配置方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度是現(xiàn)代水資源管理對(duì)我國(guó)水資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新時(shí)期形式下的要求，本文針對(duì)平定縣實(shí)際情況，建立了服務(wù)于最嚴(yán)格水資源管理的多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型，基于SE-DEA模型得出了平定縣水資源優(yōu)化配置的最佳方案，旨在為新時(shí)期最嚴(yán)格水資源管理制度下的水資源利用提供參考，模型應(yīng)用結(jié)果表明，“三條紅線”約束的多水源聯(lián)合調(diào)度模型不僅滿足當(dāng)前水資源保護(hù)的要求，而且有利于節(jié)水社會(huì)的建立，具有重要的推廣意義。

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