張永祥，王慧峰，，王 昊，朱亞雷，唐 穎

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124;2.北京市朝陽區(qū)水務(wù)局，北京 100026)

北京市朝陽區(qū)水資源優(yōu)化配置研究

張永祥1，王慧峰1，2，王 昊1，朱亞雷2，唐 穎1

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124;2.北京市朝陽區(qū)水務(wù)局，北京 100026)

針對北京市朝陽區(qū)水文水情進行研究，得出2015年地表水資源可利用量(2 700萬m3)、地下水資源可利用量(10 295萬m3)和再生水資源量(6 188萬m3);對該區(qū)2015年各行業(yè)需水量及各種水質(zhì)水資源量進行了預(yù)測，生活需水量、生態(tài)需水量、需水總量分別為2.36、0.49和4.06億m3;在充分考慮了資源、環(huán)境、經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)上構(gòu)建了水量配置模型并進行求解，為系統(tǒng)地解決朝陽區(qū)水資源問題，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展提供了有效的手段。

水資源管理;水量配置;優(yōu)化模型;朝陽區(qū);北京

我國是用水大國，水資源短缺的問題十分突出，對水資源的合理化管理和有效利用有助于人類社會可持續(xù)發(fā)展［1］。如何結(jié)合水資源特點，對其進行合理化管理，是我國水資源管理工作中的重點內(nèi)容［2］。本文針對北京市朝陽區(qū)水文水情，對該區(qū)的可利用水量進行分析，預(yù)測其需水量，同時進行水資源供需平衡分析，建立了水量配置模型并求解，得出水資源水量配置方案。

1 朝陽區(qū)可利用水量分析

1.1 地表水可利用量

由于地表水資源受河道排污的限制，地表水資源基本為不可利用，主要依靠雨洪利用，因此，地表水可利用量按照朝陽區(qū)降雨量進行計算。朝陽區(qū)年平均降水量總計2.7億m3，2015年，按雨水直接利用率10%計算，則可利用量為2 700萬m3。

1.2 地下水可開采量

根據(jù)《朝陽區(qū)水資源綜合規(guī)劃》，2000年朝陽區(qū)地下水可開采量為11 090萬m3，但從2000年至今，朝陽區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，特別是農(nóng)業(yè)種植面積大幅下降，城市化水平提高迅速，農(nóng)業(yè)灌溉回灌量和降雨入滲量發(fā)生了較大變化。因此，在2000年計算地下水可開采量的基礎(chǔ)上，經(jīng)過修正，現(xiàn)狀朝陽區(qū)年地下水可開采量為10 295萬m3。

1.3 再生水回用量

根據(jù)預(yù)測，2015年朝陽區(qū)城市綜合用水和工業(yè)用水總量為3.44億m3，依據(jù)朝陽區(qū)綜合用水和工業(yè)用水排放情況，按照排放系數(shù)0.8計算，年污水量為2.75億m3。根據(jù)排水專項規(guī)劃，2015年污水處理率達90%，再生水回用率25%，則再生水利用量約為6 188萬m3/a。

1.4 可利用境外水量

目前，境外水量主要是市政自來水，對朝陽區(qū)年供水能力近年穩(wěn)定在17 100萬m3，南水北調(diào)到北京后分配給朝陽區(qū)的水量，目前無法估算。所以，境外水量按17 100萬m3/年計算。

1.5 可利用水總量

綜合考慮地表水可利用量、地下水可開采量、再生水回用量和可利用境外水量，得出2015年朝陽區(qū)可利用水總量為3.63億m3。

2 生活需水量預(yù)測

2.1 生活需水量預(yù)測

生活需水量指在城市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)，由公共供水系統(tǒng)以及自建供水設(shè)施提供的居民用水、生產(chǎn)運營用水、公共服務(wù)用水、消防及其他特殊用水的總用水量。

朝陽區(qū)2009年常住人口為308.30萬人，隨著城市化進程加快，人口規(guī)模會發(fā)生很大的變化。人口預(yù)測方法有很多種，根據(jù)朝陽區(qū)區(qū)域社會發(fā)展特點分析，用土地承載力法預(yù)測人口規(guī)模較為合理。建設(shè)用地潛力和有關(guān)人均用地標準預(yù)測人口規(guī)模，計算公式

式中:Pt為預(yù)測目標年末人口規(guī)模;Lt為根據(jù)土地開發(fā)潛力確定的預(yù)測目標年末城市建設(shè)用地規(guī)模，Lt的確定根據(jù)《朝陽區(qū)土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)》，朝陽區(qū)2008年城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模為 31 853.33 hm2，占總用地面積比例為70.04%，2020年規(guī)劃預(yù)期城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)?？刂浦笜藶?26 900 hm2，占總用地面積比例為59.15%;lt為預(yù)測目標年宜采用的人均建設(shè)用地標準，lt的確定據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標準》，朝陽區(qū)宜在第Ⅲ級內(nèi)確定，朝陽區(qū)現(xiàn)狀人均建設(shè)用地水平為103 m2/人，預(yù)測在規(guī)劃期末朝陽區(qū)人均建設(shè)用地水平為70 m2/人。

據(jù)預(yù)測，朝陽區(qū)人口在2015年末為384.67萬人，區(qū)內(nèi)城市人均生活用水情況為168 L/(人·d)，計算得出全區(qū)年生活需水量為2.36億m3。

2.2 生態(tài)需水量預(yù)測

林草地需水:主要為林草地灌溉需水。根據(jù)《朝陽區(qū)土地利用總體規(guī)劃 (2006—2020)》，2015年林草地面積控制在8 527 hm2，根據(jù)用水定額3 000 m3/hm2，則需水量約2 558萬m3/a。

河流水系需水:主要為河流、水面、濕地、公園等的需水，包括水面蒸發(fā)與河流湖泊換水。根據(jù)《朝陽區(qū)土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)》，2015年水域用地面積控制在447 hm2，蒸發(fā)耗水量約335萬m3/a;根據(jù)河流斷面流量等資料統(tǒng)計，河流湖泊一年需換水4次，換水量約2 000萬m3/a。河流水系年需水量約2 335萬m3。

2015年，朝陽區(qū)生態(tài)需水量約為4 893萬m3。

2.3 需水總量預(yù)測

工業(yè)需水量和農(nóng)業(yè)需水量按規(guī)劃列出，不再具體計算。2015年，朝陽區(qū)需水總量為4.06億m3，詳見表1。

表1 朝陽區(qū)2015年需水量預(yù)測Table 1 Prediction of Chaoyang districtwater demand in 2015億m3

3 水資源供需平衡分析

3.1 第1次供需平衡分析

2015年在地下水不超采和大力實施“雨洪利用”工程及中水利用工程的情況下，需水?量大于供水量，處于水資源短缺狀態(tài)，無法達到合理的供水保證率，短缺水資源量為4 300萬m3(表2)。

表2 朝陽區(qū)水資源第1次供需平衡表Table 2 Water resources supply and demand balance in Chaoyang district 億m3

3.2 第2次供需平衡分析

根據(jù)節(jié)約用水專項規(guī)劃，在加大節(jié)水力度的情形下，朝陽區(qū)年節(jié)水潛力量約為4 100萬m3，需水量仍大于供水量，短缺水資源量為200萬m3，如不能進一步加大節(jié)水力度或者增加外調(diào)水量，水資源供需矛盾只能靠超采地下水來解決。

3.3 第3次供需平衡分析

在有“外調(diào)水”的前提下，即“南水北調(diào)”到北京后，朝陽區(qū)水資源供需矛盾能夠解決。屆時，雨洪利用工程和中水利用工程將達到穩(wěn)定，地下水資源修復(fù)和涵養(yǎng)工作開始進行。為了達到此目標，滿足一定的供水保證率，朝陽區(qū)在現(xiàn)有供水規(guī)?；A(chǔ)上，需要“南水北調(diào)”水量至少為4 300萬m3/a。

4 朝陽區(qū)水資源優(yōu)化配置

4.1 水資源合理配置的原則

水資源合理化配置是通過調(diào)整社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境與水資源之間的關(guān)系，來實現(xiàn)水資源的利用和發(fā)展的可持續(xù)性［9］。水資源配置涉及從國家到地方的多個決策層次，部門與部門之間多種決策主體，遠期與近期之間多個決策時段，社會發(fā)展、經(jīng)濟投資、生態(tài)環(huán)境保護多個決策目標，是多層次、多階段、多主體、多目標的優(yōu)化配置問題［12］。應(yīng)該遵循以下原則。

1)有效性原則。水資源作為經(jīng)濟商品，應(yīng)該以其利用效益作為核算成本的重要指標。水資源配置有效性原則要追求社會效益和生態(tài)環(huán)境效益，并且保證經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，在此基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟投資因素。因此要在水資源優(yōu)化配置過程中建立相應(yīng)的社會、經(jīng)濟和生態(tài)目標，同時要考慮各目標之間權(quán)重分配，使其擁有最佳優(yōu)化效果。

2)公平性原則。公平性原則包括:① 水資源作為共享資源，在不同區(qū)域之間的使用權(quán)利具有共享性;②在保證社會因素、經(jīng)濟因素和生態(tài)環(huán)境因素平衡發(fā)展的前提下，各行業(yè)對于不同類型水源的使用權(quán)利具有共享性。③每一代人，在水資源的使用上具有相互平等的權(quán)利。

3)系統(tǒng)性原則。水資源系統(tǒng)是一個既分散又統(tǒng)一的復(fù)合系統(tǒng)。水資源合理配置是對水量分配、調(diào)度的整體協(xié)調(diào)優(yōu)化過程，是水資源開發(fā)利用過程中經(jīng)濟投資的最佳化，是一個針對水資源匱乏現(xiàn)象，如何從整體宏觀上統(tǒng)一調(diào)控的問題。

4)協(xié)調(diào)性原則。協(xié)調(diào)性原則包括:① 社會因素、經(jīng)濟因素、生態(tài)環(huán)境因素與水資源現(xiàn)狀間的協(xié)調(diào);②不同發(fā)展時期的水量需求之間的協(xié)調(diào);③水資源利用在不同區(qū)域和不同行業(yè)之間的協(xié)調(diào);④不同類型水源開發(fā)程度的協(xié)調(diào)。

5)優(yōu)先性原則。在不同行業(yè)對水資源的利用中，第一滿足生活用水、第二滿足生態(tài)環(huán)境用水、第三滿足生產(chǎn)用水，并且在保證上述優(yōu)先次序的同時，還要保證經(jīng)濟投資最小。在使用各種類型的水源時，首先考慮地表水和回用水的使用，最后考慮地下水的使用。

4.2 理論模型構(gòu)建

城市水資源優(yōu)化配置的總體目標是實現(xiàn)當?shù)囟鄠€用水部門和多個水源類型的合理分配。水資源系統(tǒng)是一個多目標、多因素、多矛盾的復(fù)雜系統(tǒng)，用水部門和行業(yè)之間有著不同的用水需求，這些需求往往是沖突的?？紤]到不使優(yōu)化模型規(guī)模過分龐大，本文選用多目標優(yōu)化。參與優(yōu)化的用水部門主要有工業(yè)、環(huán)境、生活、農(nóng)業(yè)4類，其模型形式為

式中:x為決策變量，非負;i=1，2，3為優(yōu)質(zhì)水、地表水、再生水可供水水源;G(x)為約束條件集; f1(x)為工業(yè)用水效益目標;f2(x)為環(huán)境用水效益目標;f3(x)為生活用水效益目標;f4(x)為農(nóng)業(yè)用水效益目標;Bg為單位工業(yè)用水效益，萬元 /m3; B2為單位生活用水效益，萬元/m3;B3為單位生態(tài)用水效益，萬元/m3;B4為單位農(nóng)業(yè)用水效益，萬元/m3。

約束條件參數(shù):

1)不同水源供水約束為

式中:Q為所有水源總供水量;Qi為優(yōu)質(zhì)水、地表水、再生水可供水量。

2)不同用戶需水量約束。不同用水部門的需水量不同，根據(jù)用水定額確定各個部門的需水量，使得優(yōu)化配置結(jié)果能夠滿足最小需水量。

式中:Qimin，j為用戶j的最小需水量;Qimax，j為用戶j的最大需水量。根據(jù)朝陽區(qū)規(guī)劃的發(fā)展目標和相應(yīng)的最大最小用水定額可確定約束范圍，詳見表3。

表3 2015規(guī)劃年不同用戶的需水量值Table 3 Expected water demand of different users in 2015

3)污水排放量與污水處理能力關(guān)系的約束為

式中:Mi—i污水廠處理污水能力;k—污水處理廠處理系數(shù)，取0.9;w—用戶排污系數(shù)，取0.8; Qi—不同用戶用水量。

①單位工業(yè)用水效益:

式中，β—工業(yè)供水效益分攤系數(shù);Qg—工業(yè)配水量，m3;W—工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量，m3/萬元;參照水利經(jīng)濟研究會的預(yù)測結(jié)果，取Bg=1.457×萬元/m3。

②其他部門用水效益系數(shù)。

在生產(chǎn)中，生產(chǎn)函數(shù)是在一定條件下，生產(chǎn)要素與最大產(chǎn)出量之間的關(guān)系。水是用水部門的一個生產(chǎn)要素，要將用水效益作為一種產(chǎn)量，根據(jù)生產(chǎn)函數(shù)理論來分析用水量與用水效益之間的關(guān)系。通過生產(chǎn)函數(shù)理論可以得出，在一定范圍內(nèi)，隨著生產(chǎn)要素的增加，產(chǎn)量逐漸增大，邊際產(chǎn)量逐漸減小，生產(chǎn)要素達到一定程度，產(chǎn)量反而減小。

Ⅰ單位生活用水的效益為

式中:α2，β2—折算系數(shù);α2＞1，0＜β2＜1，通常采用層次分析法確定。由于生活用水所需保證率較高，根據(jù)供水優(yōu)先順序，取α2=1.8，β2=0.8; γ2—生活用水效益系數(shù);Q2—生活用水量，m3; Q2min—生活最小用水量，m3;Q2max—生活最大用水量，m3。

Ⅱ單位生態(tài)用水的效益為

式中:α3，β3—折算系數(shù);α3＞1，0＜β3＜1，λ3＞0，取α2=1.5，β2=0.6;γ3—生態(tài)用水效益系數(shù); Q3—生態(tài)用水量，m3;Q3min— 生態(tài)最小用水量，m3;Q3max—生態(tài)最大用水量，m3。

Ⅲ單位農(nóng)業(yè)用水的效益為

式中:α4，β4—折算系數(shù);α4＞1，0＜β4＜1，λ4＞0，取α2=1.2，β2=0.4;γ4—農(nóng)業(yè)用水效益系數(shù);Q4—農(nóng)業(yè)用水量，m3;Q4min—農(nóng)業(yè)最小用水量，m3;Q4max—農(nóng)業(yè)最大用水量，m3。

4.3 模型求解

(1)決策變量。將朝陽區(qū)水源分為3種，即i =3;用水戶分為4類，即j=4。由不同水質(zhì)水源和用水戶確定的決策變量情況詳見表4。

表4 決策變量的確定Table 4 Decision variables to determine

(2)目標函數(shù)為

式中:φ1、φ2、φ3、φ4是各自目標所占的權(quán)重，由層次分析法確定，依次為0.26、0.56、0.06、0.12。

模型優(yōu)化時，將朝陽區(qū)視為一個整體區(qū)域如圖1所示，根據(jù)上述模型的目標函數(shù)和約束條件，對模型采用線性加權(quán)法求解，其中第1次供需平衡分析得出的優(yōu)化配置方案如表5。

圖1 朝陽區(qū)水資源優(yōu)化配置示意方案Fig.1 Water resources optimal allocation in Chaoyang district

表5 優(yōu)化方案配置Table 5 Optimization configuration 億m3

優(yōu)化方案實現(xiàn)了供水水源約束的現(xiàn)狀水資源最優(yōu)分配。同樣，采用第2次供需平衡分析和第3次供需平衡，可以得到節(jié)約用水和利用南水北調(diào)水條件下，滿足用水類型的水資源最優(yōu)分配。

5 結(jié)論

水資源供需分析是研究水資源規(guī)劃與管理的重要內(nèi)容。研究表明:北京市朝陽區(qū)2015年地表水資源可利用量為2 700萬m3，現(xiàn)有情況下，年地下水資源量、再生水利用量、境外水量和可利用水總量分別為10 295萬m3、6 188萬m3、17 100萬m3和3.63億m3;年生活需水量、生態(tài)需水量、需水總量分別為2.36億m3、4 893萬m3和4.06億m3。

針對朝陽區(qū)水資源短缺的狀況，分析了多種水資源類型。以可持續(xù)發(fā)展為指導(dǎo)思想，構(gòu)建了城市多種水源類型、多個用水部門的水資源優(yōu)化配置模型，進行水資源合理配置的探討和研究，充分考慮了社會因素、環(huán)境因素、經(jīng)濟因素協(xié)調(diào)發(fā)展，對2015年朝陽區(qū)第1次供需平衡水量建立水資源優(yōu)化配置模型，采用線性加權(quán)法對模型求解，得出第1次供需平衡分析的水量優(yōu)化配置方案。通過水資源合理配置，改變了以地下水和地表水作為單一水源的傳統(tǒng)供水方式。這樣一方面節(jié)約了優(yōu)質(zhì)水源，提高了水資源的使用效率;另一方面使產(chǎn)生的污廢水量減少，有助于城市水環(huán)境的改善。

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Study on water resources allocation of Beijing Chaoyang district

ZHANG Yong-xiang1，WANG Hui-feng2，WANG Hao1，ZHU Ya-lei2，TANG Ying1
(1.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;2.Water Authority of Chaoyang District of Beijing，Beijing 100026，China)

Based on the hydrologic research of Chaoyang district，the quantites of available surface water resources(27 Mm3)，available groundwater resources(102.95 Mm3)and renewable water resources(61．88 Mm3) are obtained in 2015．Through the quotamethod，the demand of all industry and the quantity of all kinds ofwater can be predicted．Life water demand，ecological water demand，totalwater demand were 236，49，406 Mm3．At the same time a reasonable allocationmodel ofmulti-sourcewater formulti-user is developed based on harmony of resource，environment and economy．The study can solve the problem ofwater resources of Chaoyang district systematically，and provide reference for sustainable development of water resources．

water resourcesmanagement;reasonable allocation;optimizationmodel;Chaoyang district;Beijing

TU991.31

:A

2015－05－31

國家科技支撐計劃項目 (2011BAC12B00)

張永祥 (1962—)，男，教授，研究方向:水資源管理和污染控制模擬技術(shù)，yxzhang@bjut.edu.cn。

張永祥，王慧峰，王昊，等．北京市朝陽區(qū)水資源優(yōu)化配置研究［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報，2016，36(4):787－791．

1674－9057(2016)04－0787－05

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.023