水资源优化配置结果合理性检验与归因分析

温祖梁 牟舵

摘要：水资源作为一种非常重要的资源，是整个社会发展的基础。新世纪我国乃至全世界的水资源短缺问题都非常严重，因此进行区域水资源优化配置研究非常重要。通过水资源优化配置可以找到当地水资源所存在的问题，本文根据水资源优化配置结果所表现出的十分严峻的缺水问题，结合优化算法和一般算法的结果比较，来找出如此严重缺水的原因所在，并给出相应建议。

关键词：水资源优化配置；合理性检验；归因分析

1研究背景

水资源是人类文明的源泉，是社会发展和生存的物质基础，水资源问题是涉及到包括人口、经济、社会与环境的一个复杂巨系统。我国的水资源十分短缺，人均水资源量远低于世界平均水平，水资源供需矛盾突出。现在国内很多地区的水资源供应都较为紧张，影响当地社会的发展与和谐，同时影响当地的水生态环境。为缓解水资源问题，有必要通过水资源优化配置，提高水资源利用效率，实现水资源可持续利用。国内外很多位学者都做过相关的研究，如吴险峰等探讨了进化算法在城市多水源优化配置中的应用：甘泓等以地市级行政区为研究区域开发了水资源配置动态模拟模型：王博基于水足迹理论，对处在城市化进程中的吉林省辽河流域的水资源优化配置进行了研究；王中凯基于系统动力学，研究了处于生态系统从半湿润草原向半干旱沙漠地区的过渡带，生态环境脆弱地区的水资源优化配置：唐景云等探讨了调水工程在实现区域水资源优化配置的必要性：Pearson利用多个水库的控制曲线、以产值最大为目标、以输水能力及预测的需水作为约束条件，利用二次规划方法研究了英国Nawwa区域的用水量优化分配问题；Pe rcia等则以经济效益最大为目标，建立以色列南部E ilat地区的污水、地表水与地下水等多种水源的管理模型，并在模型里考虑不同用水行业对水质的不同要求；Jerson等针对经济用水量超过当地水资源承载能力的干旱地区，讨论了水分配机制，研制了基于不同用水行业的机会成本的配置模型。本文将2020与2030未来水平年75%頻率下丽江市优化配置结果和一般配置结果处理后进行对比，在验证优化结果的合理性及优越性的同时，辅助寻找水资源问题的症结所在，并据此提出建议。

2丽江市水资源优化配置结果分析

2.1优化目标与约束条件

优化目标：同一行业各个单元间的缺水率差异最小，通过方差来表示；同一行业各单元总的缺水率最小，通过求和来表示。

约束条件：供用水量平衡、水库水量平衡、供水量不得高于需水量。

2.2配置结果分析

2020水平年，丽江市P=75%频率下需水31688万㎡，本区各类水利工程P=75%频率供水量23923万㎡，缺水7765万㎡，缺水率24.5%，其中城市生活缺水1815万㎡，城市生活缺水率51.8%，占总缺水量的23.4%；农村生活基本不缺水；工业缺水928万㎡，工业缺水率32.5%，占总缺水量的11.9%；农田灌溉缺水728万㎡，缺水率7.2%，占总缺水量的9.4%；景观生态缺水4295万㎡，缺水率29.2%，占总缺水量的55.3%。

2030水平年，丽江坝区P=75%频率总需水34827万㎡，各类水利工程P=75%频率供水量24138万㎡，缺水10689万㎡，缺水率30.69%，其中城市生活缺水4360万㎡，城市生活缺水率71.9%，占总缺水量的40.8%；农村生活基本不缺水；工业缺水1378万㎡，工业缺水率34.4%，占总缺水量的12.9%；农田灌溉缺水657万㎡，缺水率6.9%，占总缺水量的6.2%；景观生态缺水4295万㎡，缺水率29.2%，占总缺水量的40.2%。

根据水资源优化配置结果，未来各水平年当地水资源供需缺口比较大，其中值得注意的是2020和2030水平年城镇生活缺水非常多，缺水率分别为51.8%和71.9%，这样严峻的缺水问题很可能会导致社会的不安定，但是在总缺水结构中，城镇生活缺水量甚至高于工业缺水量和农业缺水量之和，并且农业缺水率都在10%以下，这样的现象较为反常，因为在以人为本的指导思想下，应该优先满足人口的生活用水，据此，通过一般算法进行水资源配置，将配置结果与优化配置结果进行对比，在保证基础资料正确的情况下，来验证优化配置结果的合理性与优越性，并尝试寻找造成这种现象的原因所在。

3一般算法与优化算法配置结果对比分析

3.1一般算法遵循原则

（1）按照从水系的上游到下游，从左岸到右岸的顺序进行配置；（2）按照水库库容从小到大进行供水；（3）按照生活工业农业生态的优先度顺序进行供水：（4）同样满足优化算法的约束条件：（5）在满足上述条件的同时尽量使缺水率最小。

3.2结果对比

通过公平性指标与缺水率指标来进行比选，公平性指标表示各个单元的年缺水率之间的差异程度，差异越小越公平：缺水率指标反应供水量对需水量的满足程度，缺水率越大说明，供水保障率越小。对公平性目标和缺水率指标进行加权求和，得到最终的总目标总目标函数越小说明配置结果越优化。本次研究中，将公平性指标和缺水率指标的权重分别定为0.5与1。

下面分析75%来水频率的枯水典型年条件下各行业的缺水率情况和区域公平性，来校对分析水资源优化配置算法的合理性与优越性。

可以看出，在75%枯水年份，2020水平年和2030水平年，优化配置结果总目标函数较优，且在缺水率指标和区域公平性指标上均优于一般算法的配置结果。2020水平年，优化结果总目标为67.08，一般配置总目标为67.13；2030水平年，优化结果总目标为80.10，一般配置总目标为80.61。在考虑多目标、多水源、多用户水资源分配，从缺水率最小和区域公平性最高两个方面优化水资源调控，优化算法的配置结果要好于一般算法的结果，并且优化算法的结果是合理的。

但是要注意到，优化算法的目标值都只是略好于一般算法甚至与之一致，这表明优化的效果并不是很明显，原因在于优化配置的作用在于当一个水源可以供给多个用水户时，通过优化算法分配水量，并使目标函数达到最优，但是当区域的供水结构大部分都是一个水源供给一个用水户或者多个水源供给一个用水户时，此时公平性目标难以得到优化，所以和一般算法的配置结果没有很大的区别。

4结论与建议

结论：配置结果的对比表明，优化算法和一般算法相比具有优越性，同时也具有合理性。但是二者相差不大，表明当地供水结果还是以一个水源供给一个用水户或者多个水源供给一个用水户的情况为主，再结合优化配置得到的生活缺水异常多的情况，可以得出造成这种结果的原因在于城镇生活用水的水源不够，很多水源都无法供给城镇的生活用水，只能供给其他的单一行业，供水结构存在一定问题，造成一种从结果看优先保证农业用水的情况出现。

建议：（1）新增加城市生活用水的水源，同时提倡人民节约用水，开源节流两手抓，提高城镇生活用水的供水保证率。（2）调整当地的供水结构，加强管网建设，坚持优水优用，以人为本，优先保证生活用水的供给。