基于可变集的区域水资源全要素配置方案评价

邱庆泰王刚王维冯忠伦赵天宇林洪孝

摘要：传统的区域水资源配置以水量配置为主，存在的指标单一、评价重量轻质、忽视水质潜在效应及缺乏水质调控方案等问题；以统筹水资源、社会经济、生态环境三大系统的水资源全要素配置为指导，通过水量水质联合配置得出配置方案集；将可变模糊清晰集应用于方案集评价，构建了基于指标区间优选法的评价模型，该模型包括水资源配置中指标级别区间的构建及评价。经山东省邹城市2030年水资源配置方案实证分析表明：山东省邹城市2030年水资源配置方案集级别特征值区间为[2.5，3.5]，水资源可持续利用程度处于良好与及格之间，评价模型实用性成果显著。

关键词：水量水质；全要素优化；可变集；区间；级别

中图分类号：TV213.9 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2016）05005507

区域水资源合理配置即在区域内遵循一定原则、按照相应准则，通过各种措施合理调配区域内的可用水资源。随着水资源评价认识的发展，我国现代水资源配置先后经过基于水资源广义属性的水资源配置、基于区域宏观经济的水资源配置[12]、基于生态耗水的水资源配置、基于ET的水资源整体配置。当前基于水量的水资源配置研究已日趋成熟。唐德善等[2]以经济、社会和环境效益为目标建立流域水资源优化配置模型，用阶梯分析法求解；邵东国等[3]以多种机制约束下水资源净效益最大化为目标，并通过熵变关系判别水资源配置合理性；孙月峰等[4]构建了基于混合遗传算法的区域大系统多目标水资源优化配置模型，计算求得不同保证率情况下的生活和生态需水情况；周祖昊、桑学锋等[57]基于生态水文、针对“真实节水”探讨了基于广义ET的区域水资源与水环境综合管理规划，并在天津市适用得出的方案进行定量评价，优选出基于广义ET的水资源与水环境综合规划推荐方案；魏传江、张守平等[812]提出水资源全要素优化配置，并以水量水质联合配置为方法得出区域合理配置方案，然而对配置方案整体评价需要进一步研究。

对水资源综合配置方案来说，影响方案本身的指标因素多，各要素变动区间相互影响且相互影响程度模糊不清晰，无法定量表示；本文选用基于对立统一理论的可变模糊清晰集[1318]，分析全要素配置方案中的水资源系统、社会经济系统和生态环境系统三大系统，结合方案评价中各要素之间的清晰关系及各要素指标区间的模糊关系，建立以水资源、社会经济及生态环境系统可持续性最优为目标的方案评价模型，并用可变集指标区间优选法求解，明确了方案本身协调程度及方案集整体趋势，促进了可变集指标区间优选法在选择最优水资源配置方案中的应用。

1 研究方法

1.1 水资源全要素优化配置模型

1.1.1 水资源全要素配置指标控制

水资源全要素优化配置以水资源天然和人工侧支循环演化二元模式为基础，统筹水资源系统、经济社会系统和生态环境系统，以水量与水质联合配置为方法，控制社会经济与生态环境合适的用水比例，控制取耗水总量与污染物排放总量，对区域各用水部门进行水量、水质联合配置，提高用水比例，合理抑制需求，保障有效供给，实现水资源可持续利用。

（1）水资源系统调控指标。水资源系统调控主要为区域内水资源利用现状分析、规划中水利工程对区域供需水格局的改善、以及未来水资源系统整体水平，调控程度主要体现在区域人均水资源量、区域水资源开发利用程度、区域水资源总量水量平衡方程、区域分质供水保障率等要素。

（2）社会经济耗水调控指标。社会经济调控指标主要体现在区域人畜饮水的完全保障、区域经济发展、区域万元GDP用水量、区域经济发展的缺水程度、区域产业升级带来的耗水模式的改变、区域水资源配置的总体投入（工程和非工程）等。

（3）生态调控指标。确定生态用水比例主要分析流域当前的水资源开发利用形势和生态环境演变情势，分析当前社会经济的产业特点与耗水结构，以及未来社会经济产业方式与耗水结构的改进，分析得出合理生态用水比例及其阀值。根据区域实际情况，确保未来水平年整体生态状况不低于天然生态保护的最低要求，维护生态系统圈层结构合理稳定。主要指标为满足河道最小生态基流、确保当地生态系统生物多样性的最小需水量，各水平年生态用水比例保持在水资源可持续利用的最小比例之上。

（4）环境调控指标。点源及非点源污染的排放必须满足水功能区水质目标和水域纳污能力，满足水资源合理开发和有效保护的需求。主要指标水功能区水质达标率，污废水的排放率和处理率。

1.1.2 水资源全要素优化配置模型

以水量水质联合配置为方法对三大系统进行优化配置：以供水单元为核心计算水资源供需平衡，以流域水资源分区水量平衡及河流生态径流量为核心分析水资源耗水平衡及生态用水保证率，以河流纳污能力为核心分析水功能区达标率。

（1）供需平衡分析。供需平衡分析基于水资源分区节点、水传输系统，根据水量平衡原理，建立供需水系统各个控制节点、供需水节点，在目标函数最值下计算单元节点平衡方程和约束方程，求解最优值。目标函数程如下：

（2）耗水平衡分析。耗水平衡以水量平衡为方法，对水资源分区的产水量、调入和调出水量、出境和入境水量、社会经济耗水量、生态耗水量及水资源分区间水传输关系构成评价模型。目标函数如下。

（3）水质平衡分析。水质平衡分析是以水功能区的水质目标及纳污能力为依据，对规划水平年污染物进行总量控制，对每个河段污染物降解能力及纳污能力分析，控制排污口污染物排放量及排放种类。目标函数如下：

在水资源全要素配置过程中，三大系统的各要素之间相互影响程度模糊不定，如经济增长速率与生态需水，在水资源量一定的情况下，随着经济增速增大，区域经济需水量增大，势必会占用一部分生态需水，但生态需水缩减量无法直观得到，只能以区间形式表现并通过变化区间来映射模糊影响程度。因此选取可变模糊清晰集对具有指标清晰及影响区间模糊的方案进行分析，并通过可变集指标区间优选法计算方案级别特征值。

1.2 基于对立统一的指标区间可变集优选法

将水资源全要素配置方案中各指标作为评价对象，基于可变集对立统一定理，采用指标区间优选法计算出各方案级别特征值，反映方案本身合理程度，即方案优劣等级。

1.2.1 可变集的对立统一定理

对每个决策方案uj进行如上计算，得到各方案级别特征值，且方案级别特征值越小方案越优。可变集评价在水库联调、水质评价和干旱评价等方面应用较多，如水库联合调度研究、三峡库区环境污染评价、区域干旱分区研究等。本文将此评价方法应用于水资源全要素配置方案中，针对全要素优化配置涵盖的水资源系统、经济社会系统和生态环境系统之间的相互影响问题，选取三大系统的主要调控指标作为评价要素，通过各指标的区间变化来映射三大系统模糊制约关系，计算各配置方案级别特征值并分析成因。

2 实例应用

2.1 研究区概况与水资源配置方案

邹城市位于鲁西南腹地，地处沂蒙山区西部边缘，属华北地台型，地形东高西底，市内多年平均降水量为7064 mm，区域50%、75%、95%保证率下降水量为7284 mm、5704 mm、3560 mm，境内河流多属雨源型山溪性河流。邹城市多年平均水资源量为53 732万m3，其中地表水资源量为25 112万m3，人均水资源可利用量464 m3[19]，不足全国平均水平的1/4，水资源利用率达55%。

2010年邹城市实际供水量总计为29 727万m3，其中地表水、地下水（浅层水）和其他水源供水量分别为12 219万m3、16 868万m3、640万m3，参照文献[20]分析现状年经济社会实际情况得出的需水量29 1309万m3，相差率为002，需水计算模型可用。根据邹城市社会经济发展和水利工程开发等情况配置多个水资源配置方案，遵循水资源配置的需水代表性、供水代表性及工程布局代表性三大准则，分别以水资源系统、社会经济系统、生态环境系统各自最优配置，结合高中低三个发展模式[21]，以区域水量水质[22]联合配置相互交叉得出27个水资源配置方案[23]。

本文采用一维水质模型[23]对水功能区主要河流断面水质进行评价，对主要承污河流分段计算不同断面污染物浓度，采用上下游分配法[9]，根据同一河流段上下游断面间的浓度差、河流段污水排入量、设计流量、河流段水功能区水质要求计算河流段最大纳污能力。邹城市按水质标准区划水功能区（采取“就高”原则）主要分为白马河水系、泗河水系渔业用水区、大城河水系、北沙河水系、界河水系，浚河水系，鉴于邹城市生产生活区域主要集中在中西部，选取作为主要排污的白马河作为分析水功能区纳污能力计算河段，主要控制断面COD最大纳污能力分别为3542、10195、28823、4236、5132 kg/d；氨氮为177、509、480、212、257 kg/d，至2030年邹城市设计污水处理量为9 4900万m3，污水排放最大方案下污水入河量见表2，水功能区纳污超限率见图2。

2.2 方案集级别分析

针对邹城市2030水资源配置方案集，参照文献[8]、[9]及[16]，本文选取8项评价指标为：人均水资源量（m3）、水资源开发利用率（%）、区域经济增长速度（%）、缺水率（%）、万元GDP用水量（m3）、万元GDP耗水量（m3）、生态用水比例（%）、纳污超限率（%）。按水资源可持续程度分为5个级别：1级（优秀），2级（良好），3级（中等），4级（合格），5级（不合格）。方案集各控制指标优选区间见矩阵[WTHX]I[WT]，各个方案评价指标见图2。

依据文献[25]，并选用AHP方法和熵值法的指标融合权重，构建权重分析矩阵，一致性检验后，得各指标权重w=（0.071，0086，0221，0104，0124，0137，0157，011），由公式（18）得方案1对各级相对隶属度归一化向量vu1=（031198，019043，002559，011177，036023），应用式（19）得方案1级别特征值H（u）=30678。以此计算其他方案特征值见图3。

2.3 结果分析

由图3可知，方案集级别特征值区间为[25，35]，方案级别特征值越低方案越优，级别特征值为25023方案25为最优方案；方案集水资源可持续程度整体处于良好与合格之间，表明按现有发展模式下邹城市在2030年水资源全要素配置整体处于一般水平，分析原因为：（1）邹城市水资源相对紧缺，人均水资源量少，水资源方案集缺水率范围区间为3%～165%；（2）邹城市用水结构较为合理，但社会经济中农业用水水平不高，灌溉水利用系数较低，现状年农业用水比重为669%，其中耗水比重为571%，方案集中农业用水耗水比重控制在22%～42%范围内；（3）邹城市工业用水水平较高，工业以高耗水的能源型产业为主，现状年工业耗水率高达85%以上，出现用水量不大耗水量较大的现象，同时高耗水造成方案中生态需水量减少。

由图2、图3知，对应水资源系统最优、生态环境最优、社会经济最优的方案19、方案1、方案27级别特征值分别为272、306、334，三大系统各自最优的三个方案中方案19最接近方案25，表明：在邹城市后期规划中单一考虑三大系统都不能得到最优方案，而应统筹三大系统预测远期规划；以水资源利用现状为依据的远期预测规划中，分别以三大系统最优为侧重点得出的方案中水资源系统最优方案最接近最优方案，即后期规划落脚点应选取在水资源系统，其次是生态系统，最后是社会经济系统。

3 结论

（1）将可变集理论应用在区域水资源全要素配置上，建立以方案典型性要素为评价目标的多目标多级别系统评价模型，既统筹了全要素配置的三大系统又分析了配置方案各指标之间的模糊变化，同时结合熵值法确定的要素权重，能定量的评价出配置方案集各方案级别程度、方案集的级别稳定区间，以及区域水资源可持续利用程度。

（2）根据可变集指标区间优选法在山东省邹城市水资源全要素配置方案上的应用，将每个方案在水资源系统、社会经济系统和生态环境系统进行定量评价，从27个配置方案中选出最优方案并与三大系统各自最优方案进行比较，得出邹城市后期规划主要落脚点为水资源系统。

（3）不同的区域由于三大系统相互影响关系的不同，得出的配置方案不同，方案集的指标优选区间也随之变化，根据三大系统分别最优化方案的级别特征值可准确的反映出区域配置的着重点，为区域水资源配置方案优选提供决策依据。

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