張禮兵,喻海関,金菊良,胡亞南,崔 毅,吳成國(guó)
(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué)水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所,安徽合肥 230009)
經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速非均衡發(fā)展會(huì)導(dǎo)致區(qū)域過(guò)度分化和各地嚴(yán)重失衡的利益格局[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),國(guó)家戰(zhàn)略由區(qū)域非均衡發(fā)展開始逐步向總體均衡發(fā)展轉(zhuǎn)變,這對(duì)保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善具有重要支撐作用的水資源管理提出了更高要求,特別是在習(xí)近平總書記就保障國(guó)家水安全戰(zhàn)略問(wèn)題提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的十六字治水方針以來(lái),水科學(xué)界迅速聚焦國(guó)家發(fā)展的這一重大需求,從理論和實(shí)踐出發(fā)持續(xù)開展水資源空間均衡概念內(nèi)涵、技術(shù)方法及應(yīng)用方面的研究。
1.1 在理論研究方面王浩等[2]初步闡述了水資源空間均衡的概念,即實(shí)現(xiàn)水資源系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間、不同區(qū)域之間的協(xié)調(diào)發(fā)展;酈建強(qiáng)等[3]認(rèn)為“空間均衡”就是流域或某一區(qū)域范圍內(nèi)人口經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與資源環(huán)境相均衡;左其亭等[4]建議根據(jù)研究對(duì)象和目標(biāo)選擇的不同,將水資源空間均衡度具化為分布空間均衡度、供需平衡空間均衡度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)匹配空間均衡度、調(diào)配格局空間均衡度、協(xié)調(diào)發(fā)展空間均衡度等;金菊良等[5]指出水資源空間均衡的核心是水資源系統(tǒng)的空間分布與經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境的空間分布在時(shí)間、空間上相協(xié)調(diào)相匹配的雙重水資源供需平衡;游進(jìn)軍等[6]認(rèn)為,空間均衡要求重新審視用水需求與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源約束條件之間的關(guān)系,研究以宏觀供需形勢(shì)分析為目標(biāo)的技術(shù)方法,識(shí)別供需問(wèn)題和調(diào)控方向,支撐供需總量平衡決策。
1.2 在應(yīng)用實(shí)踐研究方面彭祥等[7]通過(guò)構(gòu)建水資源配置博弈均衡模型,利用合作博弈理論對(duì)未來(lái)黃河水資源配置提出初步制度設(shè)計(jì);成艾華[8]運(yùn)用一般均衡分析方法,從現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)學(xué)和參與方角度建立一個(gè)包括調(diào)水區(qū)、受水區(qū)、工程方的跨流域調(diào)水市場(chǎng)理想化模型,從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、短期與長(zhǎng)期探討工程參與多方一般均衡的實(shí)現(xiàn)與利益分配關(guān)系;朱彩琳等[9]構(gòu)建了面向空間均衡的水資源優(yōu)化配置模型,其著重考慮不同空間單元之間的關(guān)系;左其亭等[10]提出表征任意空間單元均衡程度的空間均衡系數(shù),以及表征全區(qū)域均衡程度的總體空間均衡度概念和計(jì)算方法;王煜等[11]通過(guò)構(gòu)建水資源均衡調(diào)控函數(shù)來(lái)引導(dǎo)水資源配置,建立適用于黃河等缺水流域的水資源均衡調(diào)控方法;夏帆等[12]采用基尼系數(shù)與協(xié)調(diào)發(fā)展度的方法,基于水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)和用水效益計(jì)算水資源空間均衡系數(shù),并以省級(jí)行政區(qū)為計(jì)算單元計(jì)算全國(guó)水資源空間均衡系數(shù);楊亞鋒等[13]采用可變集原理及偏聯(lián)系數(shù)方法構(gòu)建一種新的水資源空間均衡評(píng)估模型并對(duì)全國(guó)水資源空間均衡狀況進(jìn)行評(píng)價(jià);Feng[14]采用滿意度來(lái)衡量生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)部門的水資源分配公平性,并提出一種多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型來(lái)優(yōu)化水資源配置。
綜上可見(jiàn),目前水資源空間均衡研究與應(yīng)用主要集中在水資源空間均衡的理論內(nèi)涵、狀態(tài)識(shí)別、綜合評(píng)價(jià)和優(yōu)化調(diào)控等方面,一般圍繞水的節(jié)約高效利用、水的剛性合理需求、水的規(guī)模適度開發(fā)、水的高水平供需平衡4個(gè)方面開展[3,5],前三者是實(shí)現(xiàn)水資源空間均衡目標(biāo)的保障措施和管控途徑,后者是水資源空間均衡的最終目標(biāo),這是因?yàn)樗墓┬锠顩r及其變化是水的分布特征、開發(fā)利用、調(diào)節(jié)分配的綜合體現(xiàn)。因此,水資源空間均衡可概化為水資源系統(tǒng)供需之間的均衡關(guān)系,這就方便從供給和需求兩方面進(jìn)行雙向調(diào)節(jié);同時(shí)水資源供需空間均衡分析將水資源分布態(tài)勢(shì)與社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r緊密結(jié)合,不僅能有效判斷水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展程度,也可以為水資源的合理配置提供重要依據(jù)。基于此,本文提出以供需差占供需總量之比定義水資源系統(tǒng)的單元供需均衡度,并以水資源單元供需均衡度為指標(biāo),綜合考慮面積、經(jīng)濟(jì)和人口構(gòu)成系統(tǒng)綜合權(quán)重,結(jié)合水資源空間均衡等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和空間均衡狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)用七元聯(lián)系數(shù)進(jìn)行水資源空間均衡程度的綜合評(píng)價(jià),并以淠河大型灌區(qū)工程實(shí)際水資源系統(tǒng)為例,在分析現(xiàn)狀水平年(2018年)灌區(qū)各單元(縣市)的需水量和可供水量的基礎(chǔ)上,計(jì)算淠河灌區(qū)水資源系統(tǒng)單元供需均衡度,并基于七元聯(lián)系數(shù)計(jì)算分析灌區(qū)有、無(wú)系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配的空間均衡等級(jí),再利用加速遺傳算法(Accelerating Genetic Algorithm,AGA)優(yōu)化現(xiàn)狀水資源調(diào)配方案,同時(shí)開展遠(yuǎn)景規(guī)劃年(2035年)灌區(qū)水資源系統(tǒng)的單元供需均衡度計(jì)算及系統(tǒng)空間均衡等級(jí)評(píng)價(jià),最后針對(duì)性地提出改善灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)控方案和技術(shù)措施,為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源供給與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)相適應(yīng),改善區(qū)域水資源系統(tǒng)空間均衡狀態(tài)提供參考。
2.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來(lái)源淠河灌區(qū)位于江淮分水嶺兩側(cè),跨越長(zhǎng)江、淮河流域,南抵豐樂(lè)河及其主要支流張店河一線,北至淮河南岸,西界淠河,東至合肥,控制面積7750 km2。灌區(qū)覆蓋區(qū)域包括六安的霍山縣、六安市區(qū)(金安區(qū)和裕安區(qū)),合肥的長(zhǎng)豐縣、肥東縣、肥西縣、合肥市區(qū)以及淮南的壽縣共7個(gè)縣市,是一個(gè)包括現(xiàn)代化大型城市2座、總?cè)丝?98萬(wàn)、工業(yè)增加值3109億元、有效灌溉面積41.1萬(wàn)hm2、農(nóng)作物產(chǎn)量占安徽省1/6的城鄉(xiāng)復(fù)合式大型灌區(qū)水資源系統(tǒng)。淠河灌區(qū)水源來(lái)自3個(gè)部分:上游骨干源頭水庫(kù)響洪甸、佛子嶺、磨子潭和白蓮崖,灌區(qū)內(nèi)部上百座中小型水庫(kù)和近萬(wàn)座塘壩堰閘,以及灌區(qū)尾部瓦埠湖和巢湖等提灌工程,上游水庫(kù)供水經(jīng)橫排頭渠首樞紐進(jìn)入淠河總干渠,再經(jīng)淠東、瓦西、瓦東、滁河、蜀山、潛南等干渠分別輸送至上述7個(gè)縣市。灌區(qū)水資源系統(tǒng)調(diào)水結(jié)構(gòu)概化如圖1所示。
圖1 淠河灌區(qū)水資源系統(tǒng)調(diào)水結(jié)構(gòu)示意
本研究以2005—2018年淠河灌區(qū)的水土資源稟賦、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),以2018年為現(xiàn)狀水平年,水資源數(shù)據(jù)主要來(lái)自《合肥市水資源公報(bào)(2010—2018)》《六安市水資源公報(bào)(2010—2018)》《淮南市水資源公報(bào)(2005—2018)》《安徽省水利年鑒(2005—2018)》等,灌區(qū)水庫(kù)蓄供水量、作物耕種面積、灌溉需水量等來(lái)自《安徽省中西部重點(diǎn)區(qū)域及淠史杭灌區(qū)水量分配方案》《安徽省淠史杭灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目(2019—2020年)可行性研究報(bào)告》等,城鄉(xiāng)人口、工業(yè)增加值等來(lái)源于《合肥市統(tǒng)計(jì)年鑒(2005—2018)》《六安市統(tǒng)計(jì)年鑒(2005—2018)》《淮南市統(tǒng)計(jì)年鑒(2015—2018)》,城市綠地總面積、湖泊面積等數(shù)據(jù)來(lái)自《合肥城市總體規(guī)劃(2006—2020)》《合肥城市總體規(guī)劃(2018—2035)》《六安城市總體規(guī)劃(2008—2030)》《淮南市城市總體規(guī)劃(2005—2020)》《淮南市空間規(guī)劃(2017—2035)》等。
2.2 數(shù)據(jù)分析計(jì)算根據(jù)基于水資源供需關(guān)系的水資源均衡度評(píng)價(jià)方法,需先對(duì)區(qū)域內(nèi)各縣市的自然社會(huì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納和計(jì)算,以獲得系統(tǒng)各單元需水量及可供水量,簡(jiǎn)述如下。
2.2.1 需水量計(jì)算 區(qū)域需水量主要包括生活需水、工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、生態(tài)需水等4個(gè)方面,其中生活需水主要是城鎮(zhèn)以及農(nóng)村生活需水[15];農(nóng)業(yè)需水主要是灌溉以及畜牧業(yè)需水量[16];生態(tài)需水量主要包括綠地生態(tài)環(huán)境、湖泊生態(tài)環(huán)境和河道生態(tài)環(huán)境需水量[17]。限于篇幅具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15-18]。
2.2.2 可供水量計(jì)算 可供水量即水資源可利用量,是指可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi),在統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境用水的基礎(chǔ)上,通過(guò)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施,在流域水資源總量中可一次性利用的最大水量[19]。由于本研究區(qū)域?qū)俳辞鹆甑貐^(qū),因地下水埋藏深、總量小而開發(fā)利用少,因此這里只考慮地表水資源可利用量,計(jì)算采用扣損法,即總水資源量扣除地表水資源量中不能利用水量和不可利用水量,加上(減去)區(qū)域的調(diào)入(調(diào)出)水量作為地表水資源可利用量[20-21]。不能利用水量主要指汛期棄水,不可利用水量指河道生態(tài)基流。本文可供水量包括單元自身可供水量、其他單元調(diào)入水量以及系統(tǒng)外調(diào)入水量(若有),計(jì)算式為:
式中:W河道生態(tài)基流主要考慮維持生態(tài)需水和保護(hù)河道水質(zhì)的環(huán)境用水;W汛期棄水是指汛期來(lái)水減去汛期用水和水庫(kù)汛期蓄水的水量。
2.3 基于聯(lián)系數(shù)的水資源空間均衡評(píng)價(jià)方法
2.3.1 水資源供需均衡狀態(tài)、單元供需均衡度定義及計(jì)算 如前所述,本文擬從刻畫區(qū)域水資源稟賦與需求量的差異性入手來(lái)測(cè)度水資源均衡情況。水資源供需均衡狀態(tài)是對(duì)水資源供需關(guān)系定性、直觀的表達(dá),如供需相等為“絕對(duì)均衡”,此種情形現(xiàn)實(shí)中少見(jiàn),供需相差不大為“基本均衡”,供需差別明顯可定義為“失衡”。由于獨(dú)特的氣象水文和地形地貌條件,我國(guó)大部分地區(qū)長(zhǎng)期性或階段性的供水不足問(wèn)題較為普遍,因此目前主要采用水資源開發(fā)利用率、缺水率等指標(biāo)來(lái)表征區(qū)域水資源供需不平衡程度。而對(duì)于水量豐沛地區(qū)或水量過(guò)多年份造成水資源開發(fā)利用不充分,甚或引發(fā)洪澇災(zāi)害問(wèn)題,目前尚沒(méi)有相應(yīng)統(tǒng)一的水資源指標(biāo)加以描述。筆者認(rèn)為,只有同時(shí)考慮缺水(可供水不足)和余水(可供水豐沛)方可全面刻畫區(qū)域水資源均衡問(wèn)題,因此將失衡狀態(tài)中的需大于供稱為“缺水失衡”,供大于需則為“余水失衡”。結(jié)合失衡程度的輕、中、重描述需要,本文把區(qū)域水資源系統(tǒng)供需均衡狀態(tài)分為7種:重度缺水失衡、中度缺水失衡、輕度缺水失衡、供需基本均衡、輕度余水失衡、中度余水失衡和重度余水失衡。
單元供需均衡度是對(duì)水資源系統(tǒng)各單元供需均衡狀態(tài)的定量刻畫,即對(duì)需水量與可供水量的相對(duì)關(guān)系作無(wú)量綱化處理。目前常用的直線型無(wú)量綱化方法有閥值法和規(guī)格化法。閥值法是指標(biāo)實(shí)際值與該指標(biāo)的閥值相比較,如果閥值確定的太大,此法評(píng)價(jià)值對(duì)指標(biāo)變化的反應(yīng)就會(huì)很遲鈍,如果閥值太小,就會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)值過(guò)于靈敏而變化劇烈。規(guī)格化法也稱為極差正規(guī)化,就是以每個(gè)指標(biāo)實(shí)際值減去該指標(biāo)的最小值,再除以最大值與最小值的差,該法實(shí)際上是求各種評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值在該指標(biāo)全距中所處位置的比例,但在非系列數(shù)據(jù)中一般沒(méi)有極值或人為經(jīng)驗(yàn)設(shè)定極值,致使不同地區(qū)和部門指標(biāo)極值不同,因此方法缺乏可比性和通用性。鑒于此本文提出基于供需關(guān)系的單元均衡度量化指標(biāo):
式中:D單元為水資源單元供需均衡度,其值若大于零或某較小正值表示單元余水失衡,小于零或某較小負(fù)值表示單元缺水失衡,等于零或在零附近表示單元供需絕對(duì)均衡或基本均衡;W可供水為單元可供水量;W需水為單元需水量;W供需水總量為W可供水與W需水之和。
本文提出的水資源供需均衡度的計(jì)算方法相較于以缺水率、水資源開發(fā)利用率作為水資源均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)的傳統(tǒng)方法具有以下特點(diǎn):(1)能同時(shí)刻畫缺水地區(qū)(或缺水時(shí)段)供水不足程度和豐水地區(qū)(或豐水時(shí)段)水資源富余程度;(2)開發(fā)利用率、缺水率等指標(biāo)對(duì)于不同區(qū)域由于水資源稟賦不同導(dǎo)致差別太大而可比性差,本法可以利用一定時(shí)間段內(nèi)(年或月)供水量和需水量的總體規(guī)模與水量供需差之間的關(guān)系綜合反映供需平衡狀態(tài),供需總體規(guī)模類似于國(guó)家進(jìn)出口貿(mào)易總額,可以直觀反映內(nèi)外貿(mào)易量的總體大小。該方法能嚴(yán)格保證均衡度變化范圍處于[-1,1]而更具普適性。由于水資源空間均衡狀態(tài)是在一定區(qū)間小范圍變化可以認(rèn)為相對(duì)穩(wěn)定,因此本文定義了7種均衡狀態(tài)、代表色塊及相應(yīng)單元供需均衡度如表1所示。
表1 水資源系統(tǒng)單元供需均衡度及空間均衡等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
2.3.2 系統(tǒng)空間均衡等級(jí)定義與評(píng)價(jià) 水資源供需均衡是指一定區(qū)域的可供水資源量(包括自產(chǎn)水量和調(diào)入水量)與區(qū)域內(nèi)不同單元的需水量的平衡程度,包括系統(tǒng)內(nèi)部各單元的供需平衡程度以及單元之間的均衡協(xié)調(diào)程度。水資源自然分布差異性導(dǎo)致區(qū)域各單元供需均衡度有好有差,系統(tǒng)內(nèi)各單元之間和系統(tǒng)外水源的水量調(diào)配可以改變單元供需均衡度進(jìn)而影響到系統(tǒng)總體空間均衡狀態(tài),但這不是簡(jiǎn)單的水量線性疊加,還要受到區(qū)域水利工程靜態(tài)供水能力和供需水量動(dòng)態(tài)變化的制約。筆者認(rèn)為系統(tǒng)空間均衡程度的計(jì)算不應(yīng)是各單元可供水量之和與需水量之和的比較,而是各單元供需均衡度在自然和社會(huì)等多維尺度上的耦合,是一個(gè)高維復(fù)雜系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題。因此,本文開展的水資源空間均衡評(píng)價(jià)是以系統(tǒng)各單元水資源單元供需均衡度為指標(biāo),以各單元的面積、經(jīng)濟(jì)(GDP)、人口占比為指標(biāo)綜合權(quán)重,結(jié)合空間均衡等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和空間均衡狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)。
針對(duì)上述復(fù)雜水資源系統(tǒng)的多維綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題,本文擬采用七元聯(lián)系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算,技術(shù)路線如圖2所示。由于聯(lián)系數(shù)的關(guān)系結(jié)構(gòu)特征能把定性定量相結(jié)合、統(tǒng)一處理含有隨機(jī)性、模糊性、中介不確定性、未確知性等多種不確定性問(wèn)題,可從同異反宏觀層次、差異度項(xiàng)不斷分解的微觀層次開展有關(guān)水資源確定性與不確定性的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換分析,得到的分析結(jié)果能較好地符合研究問(wèn)題的實(shí)際情況[22]。因此,本文以上述各單元水資源供需均衡度作為水資源空間均衡的評(píng)價(jià)指標(biāo),將其與灌區(qū)水資源空間均衡評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一個(gè)集對(duì),構(gòu)造七元聯(lián)系數(shù)以分析二者之間的同異反聯(lián)系,從而綜合評(píng)價(jià)計(jì)算各種情景下水資源系統(tǒng)的空間均衡等級(jí)。
圖2 本研究技術(shù)路線
七元聯(lián)系數(shù)是在現(xiàn)有集對(duì)分析理論的基礎(chǔ)上[22-23],進(jìn)一步細(xì)化評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)間的差異性分析,得到更加細(xì)致評(píng)價(jià)結(jié)果的一種數(shù)學(xué)計(jì)算方法,其表達(dá)式為:
式中:u為七元聯(lián)系數(shù);a為集對(duì)系統(tǒng)的同一度聯(lián)系數(shù)分量;b1、b2、b3、b4、b5為集對(duì)系統(tǒng)的差異度聯(lián)系數(shù)分量;c為集對(duì)系統(tǒng)的對(duì)立度聯(lián)系數(shù)分量;I1、I2、I3、I4、I5為差異度系數(shù);J為對(duì)立度系數(shù),取值范圍為[-1,1],根據(jù)均分原理I1可取2/3,I2為1/3,I3為0,I4為-1/3,I5為-2/3。
用集對(duì)分析構(gòu)造樣本i的第j個(gè)指標(biāo)值xij與評(píng)價(jià)等級(jí)g之間的單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)uijg,當(dāng)指標(biāo)為正向指標(biāo),即指標(biāo)值越大,其對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)也越高時(shí),其計(jì)算方法見(jiàn)圖3。
圖3 單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)計(jì)算方法
圖中sgj(g=0,1,2,3,4,5,6,7)為第j個(gè)指標(biāo)水資源均衡度等級(jí)1、2、3、4、5、6、7的界限值。
樣本值xij隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)g的相對(duì)隸屬度為[24]:
對(duì)式(5)歸一化處理可得樣本i指標(biāo)j的單指標(biāo)聯(lián)系數(shù)分量vijg為[23]:
樣本i的聯(lián)系數(shù)分量為:
式中:nj為隸屬于評(píng)價(jià)等級(jí)g的指標(biāo)個(gè)數(shù);wj為指標(biāo)j的權(quán)重。
由式(7)得樣本i的水資源空間均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)值聯(lián)系數(shù):
利用級(jí)別特征值法[24]求得樣本i的水資源空間均衡評(píng)價(jià)等級(jí)值為:
這里水資源系統(tǒng)空間均衡評(píng)價(jià)等級(jí)設(shè)定為1—7級(jí)(見(jiàn)表1),分別對(duì)應(yīng)水資源空間均衡狀態(tài)的重度缺水失衡、中度缺水失衡、輕度缺水失衡、基本均衡、輕度余水失衡、中度余水失衡和重度余水失衡,也即評(píng)價(jià)等級(jí)越靠近4級(jí),水資源空間均衡狀態(tài)趨向均衡。
2.4 灌區(qū)水資源空間均衡優(yōu)化調(diào)控方案的確定
2.4.1 目標(biāo)函數(shù)及調(diào)控變量 本文主要通過(guò)對(duì)灌區(qū)內(nèi)不同單元的水資源進(jìn)行合理調(diào)配以及從灌區(qū)外進(jìn)行多水源調(diào)水,改善和促進(jìn)灌區(qū)各單元水資源的供需均衡,從而提升灌區(qū)整體的水資源空間均衡等級(jí)和均衡狀態(tài)??紤]到淠河灌區(qū)7個(gè)縣市區(qū)域位置及供用水情況將之分為3個(gè)片區(qū):霍山縣位于淠河灌區(qū)上游,來(lái)水豐富且有3座大型水庫(kù)而用水量少,定義為水源區(qū);六安市區(qū)與合肥市區(qū)分別位于灌區(qū)首尾部平原地帶,城市化進(jìn)程快,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,定義為城市區(qū);壽縣、長(zhǎng)豐縣、肥西縣、肥東縣為糧食主產(chǎn)縣的農(nóng)業(yè)區(qū)?;羯娇h作為水量調(diào)出區(qū),其它縣市皆因自身蓄水能力弱而需水量較大均為水量調(diào)入?yún)^(qū)。外部水源是已建的駟馬山引江水利工程和預(yù)計(jì)2023年建成的引江濟(jì)淮工程。調(diào)控目標(biāo)是使水資源空間均衡狀態(tài)接近供需基本均衡,即評(píng)價(jià)等級(jí)越靠近4 級(jí)越優(yōu),目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造如式(10)所示。
式中:F為灌區(qū)水資源空間均衡等級(jí)與絕對(duì)均衡值(4級(jí))的差值,F(xiàn)值越小,表明灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)越好;hi為第i種調(diào)配水方案下灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果;優(yōu)化調(diào)控變量為ΔWjk和ΔWjl,前者為灌區(qū)內(nèi)第j個(gè)用水單元(j=1~7表示7個(gè)縣市)從第k個(gè)供水單元(k=1,2分別表示霍山縣和響洪甸水庫(kù))的受水量,后者為第j個(gè)用水單元從灌區(qū)外第l個(gè)水源(l=1,2分別表示引江濟(jì)淮和駟馬山引水工程)的受水量。
2.4.2 約束條件與優(yōu)化方法 由調(diào)控目標(biāo)函數(shù)和調(diào)控變量可知,灌區(qū)水資源空間均衡評(píng)價(jià)結(jié)果主要與灌區(qū)內(nèi)水資源調(diào)配以及灌區(qū)外水源調(diào)配有關(guān),因此在制定優(yōu)化調(diào)控方案時(shí)受到灌區(qū)內(nèi)各單元的需水量、可供水量、可調(diào)水量,以及單元之間水利工程的輸配水能力等約束,本文采用AGA[25]優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)各縣市調(diào)配水量和系統(tǒng)外調(diào)水量,限于篇幅不再詳細(xì)介紹。
3.1 現(xiàn)狀水平年灌區(qū)水資源空間均衡評(píng)價(jià)及系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)化調(diào)控
3.1.1 單元供需均衡度計(jì)算 根據(jù)淠河灌區(qū)現(xiàn)狀水平年自然社會(huì)數(shù)據(jù)及2.2.1節(jié)需水量計(jì)算方法可得淠河灌區(qū)各縣市需水量、見(jiàn)表2。
表2 現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)各縣市需水量(單位:108m3)
采用式(1)、式(2)計(jì)算淠河灌區(qū)各縣市可供水量,根據(jù)淠河灌區(qū)逐月來(lái)水資料及對(duì)淠河灌區(qū)汛期劃分等已有的研究結(jié)果[26],將5—8月定為汛期,汛期平均徑流量約占年均徑流量的55%?,F(xiàn)狀水平年灌區(qū)可供水量計(jì)算及當(dāng)年實(shí)際調(diào)水情況如表3所示。
表3 現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)各縣市可供水量(單位:108m3)
將上節(jié)計(jì)算得到的各縣市水資源單元供需均衡度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)考慮各單元的行政面積、經(jīng)濟(jì)(GDP)、總?cè)丝诘缺戎卮_定各縣市的綜合權(quán)重,結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 淠河灌區(qū)水資源空間均衡評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重
根據(jù)現(xiàn)狀年水量實(shí)際配置的結(jié)果可知,灌區(qū)系統(tǒng)內(nèi)調(diào)水總量為7.42×108m3。根據(jù)式(3)對(duì)淠河灌區(qū)有、無(wú)系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配情況下各縣市水資源單元供需均衡度進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)圖4(a)(b)。圖中縱坐標(biāo)為淠河灌區(qū)各縣市單元供需均衡度絕對(duì)值,橫坐標(biāo)為各縣市綜合權(quán)重的累加值,自左向右根據(jù)單元供需均衡度絕對(duì)值從高到低排列。
圖4 現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)各單元水資源供需均衡度計(jì)算結(jié)果
由圖4(a)可知,在灌區(qū)無(wú)系統(tǒng)內(nèi)水資源配置的情況下:長(zhǎng)豐、肥西、肥東、壽縣等4個(gè)縣域水資源供需均衡狀態(tài)為中度缺水失衡;六安市區(qū)處于輕度缺水失衡;而合肥市區(qū)與霍山縣分別處于重度缺水失衡和重度余水失衡,兩地水資源余缺劇烈程度對(duì)比明顯。為緩解各地水資源不均衡程度,灌區(qū)管理總局進(jìn)行了系統(tǒng)內(nèi)水資源配置,各單元供需均衡度如圖4(b)所示。結(jié)果可見(jiàn)各縣市的水資源均衡度均有明顯改善,其中提升最為顯著的是調(diào)入水量最多的合肥市區(qū),說(shuō)明灌區(qū)為政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心的省會(huì)城市提供了重要的水資源支撐作用。
值得一提的是,圖4除了能直觀反映淠河灌區(qū)各縣市單元供需均衡度,還可大致刻畫灌區(qū)水資源系統(tǒng)的空間均衡狀態(tài),各縣市柱狀圖面積和占1×1單位面積比能夠反映系統(tǒng)空間不均衡程度,即圖中柱狀圖面積和變化范圍為[0,1],越小表示系統(tǒng)空間均衡狀態(tài)越好(面積和為零則為絕對(duì)均衡),反之則越差。由圖4(a)和圖4(b)對(duì)比可知,通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的水資源調(diào)配后各縣市柱狀圖面積和顯著減小,說(shuō)明水資源系統(tǒng)空間均衡狀態(tài)明顯改善。
3.1.2 系統(tǒng)空間均衡等級(jí)評(píng)價(jià) 為保證評(píng)價(jià)基準(zhǔn)的一致性,本文給定s0—s7分別為-1、-0.5、-0.2、-0.05、0.05、0.2、0.5、1,且各指標(biāo)的等級(jí)界限值均相同。根據(jù)水資源系統(tǒng)內(nèi)各單元權(quán)重以及等級(jí)界限值,利用式(4)—(9)采用七元聯(lián)系數(shù)方法和級(jí)別特征法評(píng)價(jià)灌區(qū)有無(wú)水資源調(diào)配情況下的灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級(jí)和均衡狀態(tài),結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級(jí)和均衡狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果
由表5可知,現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)在采用實(shí)際系統(tǒng)內(nèi)水資源配置方案情況下,灌區(qū)水資源空間均衡等級(jí)由無(wú)配置的2.95 提升至3.21,水資源空間均衡狀態(tài)亦由中度缺水失衡改善為輕度缺水失衡。為進(jìn)一步提升均衡狀態(tài),這里以式(10)作為目標(biāo)函數(shù)并利用AGA對(duì)水資源配置方案進(jìn)行優(yōu)化,獲得合肥市區(qū)、肥東、肥西、長(zhǎng)豐、六安市區(qū)、壽縣的水量分配比分別為54.84%、0.69%、3.77%、7.28%、30.32%、3.1%。圖4(c)顯示與實(shí)際方案相比,優(yōu)化方案中的合肥、六安市區(qū)作為調(diào)水重心加大了分配水量,因此單元供需均衡度提升明顯,而其他受水縣除長(zhǎng)豐外供需均衡度雖稍有下降,優(yōu)化后的空間均衡等級(jí)為3.42,空間均衡狀態(tài)得到進(jìn)一步改善(見(jiàn)表5)。調(diào)控結(jié)果直接說(shuō)明了“系統(tǒng)內(nèi)水優(yōu)先利用”的傳統(tǒng)水資源調(diào)配策略對(duì)于促進(jìn)現(xiàn)代水資源空間均衡管理有著立竿見(jiàn)影的效果,而優(yōu)化調(diào)配方案相較實(shí)際配置方案更能使灌區(qū)的水資源空間均衡狀態(tài)趨向均衡,這是因?yàn)閮?yōu)化調(diào)配方案更傾向于將水量調(diào)入水資源空間均衡評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重較大的缺水縣市。評(píng)價(jià)結(jié)果與圖4中柱狀圖面積變化趨勢(shì)相同,也說(shuō)明了七元聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)方法的可靠性。
需要指出的是,由水文頻率分析可知現(xiàn)狀水平年屬于偏豐年份(約20%),故而通過(guò)灌區(qū)系統(tǒng)內(nèi)水資源優(yōu)化調(diào)配可使系統(tǒng)接近基本均衡狀態(tài),但對(duì)于平水年則情況不容樂(lè)觀,若遭遇枯水年份則極為嚴(yán)峻,因此有必要研究該灌區(qū)系統(tǒng)未來(lái)不同來(lái)水下水資源空間均衡狀態(tài)的可能變化及相應(yīng)調(diào)控措施??紤]與新時(shí)期國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃同步,這里選取2035年作為遠(yuǎn)景規(guī)劃年。
3.2 遠(yuǎn)景規(guī)劃年灌區(qū)水資源空間均衡預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及優(yōu)化調(diào)控
3.2.1 需水量預(yù)測(cè) 影響灌區(qū)水資源系統(tǒng)需水量的社會(huì)經(jīng)濟(jì)主要因素有人口、工業(yè)增加值、耕地面積,生態(tài)環(huán)境因素主要有綠地面積、湖泊面積,本文利用不同預(yù)測(cè)模型分析以上相關(guān)因素變化趨勢(shì),經(jīng)計(jì)算分析,利用Logistic函數(shù)分析人口數(shù)量變化趨勢(shì),合肥市區(qū)逐年遞增、其它縣市呈波動(dòng)趨勢(shì),整體增幅較小。利用灰色預(yù)測(cè)模型分析工業(yè)增加值及耕地面積變化,工業(yè)增加值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),其中合肥各縣市漲勢(shì)較猛;合肥市區(qū)、肥西縣耕地面積逐年遞減,其它縣市呈波動(dòng)趨勢(shì),整體變化不大。綠地面積、湖泊面積參照城市中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。農(nóng)業(yè)灌溉需水以不同情景下的農(nóng)業(yè)灌溉定額與遠(yuǎn)景規(guī)劃年灌溉面積的乘積預(yù)測(cè)各縣市農(nóng)業(yè)用水。經(jīng)檢驗(yàn),以上因素值預(yù)測(cè)結(jié)果與研究區(qū)域城市發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)較為吻合。以淠河灌區(qū)各縣市需水量相關(guān)因素為輸入變量、各縣市需水量為輸出變量構(gòu)建BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用訓(xùn)練后的BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型推求規(guī)劃年份的需水量,結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)2035年需水量結(jié)果
由需水量、可供水量預(yù)測(cè)結(jié)果可知,未來(lái)淠河灌區(qū)水資源供需矛盾較為尖銳,考慮實(shí)行節(jié)水措施來(lái)優(yōu)先滿足灌區(qū)剛性需水要求。節(jié)水措施主要參照《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)安徽實(shí)施方案》,實(shí)施方案主要是通過(guò)控制萬(wàn)元工業(yè)增加值需水量、人均用水量以及提升灌溉水利用系數(shù)來(lái)減少工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)等三方面的需水量。充分節(jié)水條件下,各縣市需水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知,與現(xiàn)狀水平年相比,因人口增長(zhǎng)以及產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大等原因,淠河灌區(qū)整體需水量增加明顯,各縣市單元需水量除肥西、壽縣外均有所增加,因?yàn)槎咿r(nóng)業(yè)用水所占比重較大且遠(yuǎn)景規(guī)劃年耕地面積有所減少。
3.2.2 不同情景下可供水量計(jì)算 利用歷史供水資料推求多年平均來(lái)水和80%來(lái)水情景下的可供水量,結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 遠(yuǎn)景規(guī)劃年淠河灌區(qū)各縣市可供水量(單位:108m3)
3.2.3 單元供需均衡度預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及多水源優(yōu)化調(diào)控 根據(jù)遠(yuǎn)景規(guī)劃年充分節(jié)水后需水量和不同情景下的可供水量,計(jì)算淠河灌區(qū)各縣市的單元供需均衡度見(jiàn)表8列(5)和圖5(a)(c)所示。結(jié)果可見(jiàn),規(guī)劃年份在不同來(lái)水情景下灌區(qū)需水量與可供水量相差較大,各縣市除水源區(qū)霍山縣有余水外,其余各單元均處于中度或重度缺水失衡狀態(tài),這時(shí)僅憑系統(tǒng)內(nèi)水資源優(yōu)化配置已難以保障灌區(qū)水的均衡利用,需要借助系統(tǒng)外水源引江濟(jì)淮工程和駟馬山引江工程進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)配。
圖5 遠(yuǎn)景規(guī)劃年不同情景下淠河灌區(qū)各縣市單元供需均衡度
由已有研究知[27]:引江濟(jì)淮受水區(qū)在實(shí)施后相較于無(wú)工程情況下,長(zhǎng)江區(qū)可供水量增幅約為5%,主要包括合肥市區(qū)、肥東縣、肥西縣,淮河區(qū)可供水量增幅約為16%,主要包括長(zhǎng)豐以及壽縣;駟馬山引江工程為6級(jí)提水,總揚(yáng)程30.1 m,提水成本較高。因此本優(yōu)化方案是先由引江濟(jì)淮工程供水再考慮駟馬山提水供水,主要供水范圍為合肥市區(qū)及肥東縣,兩者供水比例約為2∶1[28]。駟馬山引江工程作為遭遇嚴(yán)重干旱時(shí)的應(yīng)急水源,該工程設(shè)計(jì)引水流量約為15 m3/s,每年抽水站開機(jī)320 d,每天工作20 h,供水量為3.45×108m3。考慮到水源供水成本及距離遠(yuǎn)近不同,這里優(yōu)先考慮引江濟(jì)淮工程調(diào)水,駟馬山引江工程作為遭遇嚴(yán)重干旱時(shí)的應(yīng)急水源?;诂F(xiàn)狀水平年系統(tǒng)內(nèi)水資源配置方案,以式(10)為目標(biāo)函數(shù),利用AGA 優(yōu)化6 個(gè)主要受水縣市的淠河灌區(qū)調(diào)水量最優(yōu)分配比,來(lái)提升灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算可得,多年平均來(lái)水情況下的合肥市區(qū)、肥東、肥西、長(zhǎng)豐、六安市區(qū)和壽縣的最優(yōu)水量分配比分別為33.52%、2.36%、9.64%、12.00%、22.31%和20.17%;80%來(lái)水頻率對(duì)應(yīng)來(lái)水情況下,各縣市最優(yōu)分配比為35.67%、3.71%、30.98%、2.46%、11.95%和15.23%。結(jié)果見(jiàn)表8。
表8 遠(yuǎn)景規(guī)劃年淠河灌區(qū)各縣市水資源系統(tǒng)單元供需均衡度計(jì)算結(jié)果(單位:108m3)
由表8 第8、第11 和第14 列對(duì)比可知,遠(yuǎn)景規(guī)劃年灌區(qū)在多年平均以及80%來(lái)水情景下,將霍山縣及響洪甸水庫(kù)作為灌區(qū)水資源系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)水水源,引江濟(jì)淮與駟馬山引水工程作為灌區(qū)外部調(diào)水工程進(jìn)行水資源優(yōu)化調(diào)配后,各缺水縣市水資源供需趨向均衡,單元供需均衡度均有所好轉(zhuǎn),其中指標(biāo)權(quán)重較大的合肥市區(qū)、六安市區(qū)經(jīng)水資源優(yōu)化調(diào)配后均衡度提升較為顯著,霍山縣因受引水能力限制調(diào)出水量增加不大而余水失衡狀況改善有限。圖5通過(guò)地圖渲染直觀展示了灌區(qū)各縣市供需均衡度優(yōu)化前后的對(duì)比情況。
根據(jù)不同情景下灌區(qū)內(nèi)各縣市水資源單元供需均衡度評(píng)價(jià)結(jié)果,計(jì)算灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級(jí)和評(píng)價(jià)均衡狀態(tài)見(jiàn)表9。
表9 遠(yuǎn)景規(guī)劃年淠河灌區(qū)水資源空間均衡等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果
由表9可知,遠(yuǎn)景規(guī)劃年淠河灌區(qū)在充分節(jié)水條件下,不考慮水資源優(yōu)化調(diào)配,多年平均來(lái)水及80%來(lái)水頻率情景下灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)分別處于中度缺水失衡和重度缺水失衡,系統(tǒng)空間均衡等級(jí)分別為2.75和2.38。經(jīng)水資源優(yōu)化調(diào)配后分別提升至3.79級(jí)和3.41級(jí),水資源空間均衡狀態(tài)達(dá)到基本均衡和輕度缺水失衡,表明水資源優(yōu)化調(diào)配對(duì)于提升區(qū)域水資源空間均衡狀態(tài)具有重要作用。
以淠河灌區(qū)為研究區(qū)域,提出了基于水資源供需關(guān)系的縣市水資源系統(tǒng)單元供需均衡度評(píng)價(jià)方法,將各縣市單元供需均衡度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),利用七元聯(lián)系數(shù)度量灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級(jí)。利用上述方法對(duì)2018年淠河灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)比分析了淠河灌區(qū)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配對(duì)灌區(qū)水資源空間均衡狀態(tài)的影響。在考慮充分節(jié)水措施的基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)了2035年不同情景下淠河灌區(qū)有無(wú)系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配的空間均衡等級(jí),并利用AGA優(yōu)化淠河灌區(qū)系統(tǒng)內(nèi)水資源調(diào)配方案,對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析,得到如下結(jié)論:(1)本文提出的單元供需均衡度,通過(guò)分析計(jì)算區(qū)域水量供需差與供需總水量的關(guān)系,能同時(shí)刻畫缺水地區(qū)供水不足程度和豐水地區(qū)水資源富余程度,直觀反映供需矛盾的大小,使我國(guó)不同地域的指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果都有相互可比性,因此本指標(biāo)具有很好的通用性;(2)現(xiàn)狀水平年淠河灌區(qū)系統(tǒng)內(nèi)水資源實(shí)際配置方案,雖然中度缺水失衡狀態(tài)沒(méi)有改變,但系統(tǒng)空間均衡等級(jí)由無(wú)調(diào)配的2.95提升至3.21,進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化后則能改善至3.42即達(dá)到輕度缺水失衡,表明水資源合理調(diào)配可有效地改善區(qū)域水資源空間均衡狀態(tài);(3)遠(yuǎn)景規(guī)劃年淠河灌區(qū)在充分節(jié)水的基礎(chǔ)上,多年平均來(lái)水與80%來(lái)水情景下,不考慮系統(tǒng)內(nèi)外調(diào)水時(shí)灌區(qū)水資源系統(tǒng)空間均衡等級(jí)分別為2.75、2.38,均處于中度缺水失衡狀態(tài),而以霍山縣及響洪甸水庫(kù)作為灌區(qū)內(nèi)調(diào)水水源,以引江濟(jì)淮工程(在建)、駟馬山引水工程作為灌區(qū)外調(diào)水水源時(shí),利用AGA優(yōu)化水資源調(diào)配方案,則水資源系統(tǒng)空間均衡等級(jí)分別提高到3.79、3.41,即達(dá)到供需基本均衡和輕度缺水失衡狀態(tài),進(jìn)一步表明水資源優(yōu)化調(diào)配對(duì)于緩解水資源供需矛盾,實(shí)現(xiàn)水資源空間均衡具有重要意義。
綜上所述,水資源空間均衡是由水資源系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境兩大系統(tǒng)的空間分布間在時(shí)空尺度上相匹配、協(xié)調(diào)的雙重水資源供需平衡,是在科學(xué)合理的綜合措施下由低向高不斷提升改善的發(fā)展演化過(guò)程,更是一個(gè)全新、有價(jià)值、頗具復(fù)雜性而充滿挑戰(zhàn)的廣闊研究領(lǐng)域。限于水平,本文基于“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理”等新時(shí)代治水要求,初步開展了水資源空間均衡綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)化調(diào)控實(shí)踐探索,但仍存有不足,例如水資源系統(tǒng)空間均衡等級(jí)過(guò)多而給綜合評(píng)價(jià)帶來(lái)較大的困難,水資源調(diào)配沒(méi)有經(jīng)濟(jì)性約束以致“兩手發(fā)力”未及考慮等,這在今后的工作中有待深入研究。