基于多目标效益函数智能算法求解下的西北某地区水资源优化配置分析研究

苏海波

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

当前许多城市水资源供需处于较为不平衡状态，需要依靠外界调水引水才可满足各用水项目需求，此对人民生活及经济发展均是负面影响，故而研究讨论水资源在规划年份的供需平衡具有重要作用[1-3]。已有一些学者通过研究水资源在历史年份中的演变规律，探讨水资源在未来年份中的供需状态，并评估最适合当前地区内水资源用水项目供需量，并可提升水资源的绿色环保利用[4-6]。近年来，人工算法引入到水资源优化配置模型中，根据所创建的水资源模型，采用人工智能算法迭代求解[7-9]，获得优化配置结果，并评价模型适用性，对比优化配置结果与预测结果之间差异，为地区编制水资源规划年表提供重要理论参考。

1 工程概况与水资源现状

某城市位于西北地区，城区面积约为100 km2，流域内共有3条主要河流，其中以阳河为主要干流，流域面积超过600 km2，占总流域面积的48%，区域内农田灌溉区分布在南部，坡度约为1/500。地区内水文地质资料表明，春冬季温差较大，降雨主要集中在夏季，最大降雨量可达600 mm，阳河所在流域内已建设有防洪堤坝，夏季水位较高，最大水位可达8.8 m，水流过境较快，岸坡水土流失较严重。另其他支流流域占全市总面积的30%，另地区内建设有3个蓄水库，多个地面引水泵站，其中蓄水库总库容超过13亿m3；另引渠调水工程共有6个取水站，可供水3亿m3，建设输水渠道长度贯穿城区和周边区县，总长度超过150 km，面向地区工农业、生活用水以及水生态恢复调节；所在省份从南部富水城市建设有补水管道工程，为该城市年引水700万m3，提升区域内农业灌溉效率，其中农田灌溉面积为31.33万hm2，而该城市6个区县均分布有一定农田面积。城市工业生产包括有第一、第二、第三产业，各部分占比为12∶43∶45。

根据水资源现状调查得知，2015年地区内各具体用水量如图1所示，从各行政区县用水可看出，以B区年用水量为最高，在25.0%保证率条件下，其总用水量达23 600.2万m3，占比达25.0%，且随保证率增大，占比基本稳定不变；其中用水具体项目中又以第一产业为最大占比，该城市全年第一产业总用水达60 015.0万m3，占比超过60.0%，符合该城市以农业经济发展为主，工业生产为辅的定位。另从图中亦可看出，生态用水仅在C、D区内供应，其中C区生态用水最多，达4030.5万m3。

图1 各区县水资源现状及用水项目

同时也获得了该城市2015年水资源供应情况，如图2所示。水资源供应来源已在前文水文地质资料中阐述，供应量最大区县属C区，占比为28.5%，而供应量最小为F县，其可供水量在25.0%保证率时为15 023.0万m3。从各曲线供水来源项目可看出，地表水占比最大，部分县区引渡水为0或占比较低，其中以D区为例可看出，其全年可供总水量为51 504.9万m3，而地表水占比69.4%，引渡水占比为13.9%。综合该城市2015年水资源供需状况可知，城市以农业发展为主，水资源供应倾向于第一产业，工业生产与生活用水为其次；从整体供水状态来看，水资源供需在6个区县内较为平衡，而供水来源以地表水为主，现状年各区县地表水总供应量在供水总量中占比超过63.8%。

图2 水资源供应状况(保证率25%)

2 规划水平年供需预测

2.1 需水量预测

在调查获得水资源供需现状后，针对2022水平年开展水资源供需预测，按照不同用水项目需求进行分类预测分析。结合该城市地区人口与农业、城镇人口比例，给出6个区县具体生活用水预测量，如图3所示。从图3中可看出，按照城镇人口量发展趋势，以C区、D区需水量最高，其中C区生活用水量占比最高达24.4%，其人口总量亦占比超过22.0%，F县由于城镇人口数量较少，在预测时考虑城镇用水管网渗漏率为10.0%，其生活用水总量占比为7.5%，为843.6万m3。而生活用水总需水量预测为11 315.5万m3。

图3 行政区县生活需水预测

图4为农业用水预测量，根据预测可知，B区、E县农业用水占比最高，达26.2%、24.6%，该城市规划水平年丰水年农业总用水量为51 176.1万m3，农业用水总量预测时按照各区县主要作物年均需灌溉用水量预测。

图4 行政区县农业需水预测

地区内工业生产总值最高属C区与D区，故而考虑该两区工业用水占比为最高，占比分别达26.4%、24.5%，工业总需水量预测值为10 059.8万m3，两个传统农业生产县工业用水占比为最低，为12.6%、9.2%，符合水资源消耗按照靶向需求分配。行政区县工业用水预测见表1。

表1 行政区县工业用水预测 万m3

生态用水预测按照各区县内河流流量的30%～40%，生态总需水量为1675.1万m3，由于各区县河流分布时空不均，因而生态需水量根据各个县区实际流域面积，按照补给系数0.63进行水资源供应。

综合各需水项目可知，规划水平年总需水量为247 547.1万m3，各区县占比与2015年现状年具有相似之处，而用水项目中农业用水与工业用水降低了，主要是由于工业生产技术更新换代与农业灌溉效率提高，水资源用量得到缩减。各区县生态需水与总需水预测见图5。

图5 各区县生态需水与总需水预测

2.2 供水量预测

供水来源分为地下水、地表水、引渡水与再生水，其中地表水供应预测值为26 244.1万m3，占比水资源供应总量的26.8%，其中各区县内又以E县蓄水工程最多，因而该区可供应地表水达8040.9万m3，占比总地表水供应量的30.6%，与2015年现状年具有相似之处。地下水供应总量为32 598.4万m3,而各区县供应量与所在区县环境有关，B区所在盆地四周地势较高，地势适合积水，故而其地下水资源供应总量达8112.0万m3，乃各区县中最高，占地下水总供应量24.9%。引渡水供应总量整体较低，可供应22 556.2万m3，相比地表、地下水供应量，引渡水仅仅是面向于紧急用水项目。再生水为地区污水处理厂所生产水资源，但受限于工厂运力，按照生产率提升15.0%计算，再生水在规划水平年可供应量为16 502.1万m3。各区县供水量预测见图6。

图6 各区县供水量预测

对比规划水平年水资源供需关系可知，在保证率25.0%条件下，水资源供应处于富余状态，但富余量较少，仅为15 861.1万m3，但当保证率提升至50.0%以上时，出现缺水量，其中保证率75.0%时，缺水率达22.2%，水资源供应出现严重短缺。为此考虑地区内水资源供需平衡，应对水资源配置进行优化。

3 水资源优化配置研究

3.1 水资源优化配置模型

根据该地区内水资源配置要求，以及水资源配置规划后带来效益，建立水资源配置模型。其中经济效益指标函数表述如式(1)所示：

(1)

式中:bij、cij分别指效益价值系数；αij、βij分别指供、需水优先次序系数。

以地区水资源供需调度所带来的社会公平公正价值来反映社会效益指标，当供水优化配置处于最佳状态时，社会公平公正状况反应最好，则此时社会效益指标为最大，因而建立社会效益指标函数如式(2)所示：

(2)

环境效益指标表征了水资源优化配置过程中，给生态环境带来的正面价值，反映了水资源供需是否符合生态循环经济理念，因而其目标函数可表述如式(3)所示：

(3)

式中:dj、pj均指表征污染物系数与污染物浓度。

在综合各目标函数后，获得水资源优化配置模型，还应限制其边界约束条件，包括有地区水资源最大承载能力、各部分用水项目需水约束量以及水资源供需变量均应涵盖在内，三个函数约束关系，分别以函数式表述如式(4)所示：

(4)

式中：Wi指供应水量最大能力；Qmin,j、Qmax,j分别指用水项目所需最小、最大水量。

为求解上述多目标函数水资源优化配置模型，引入免疫克隆算法与遗传算法，其中免疫克隆算法乃是一种多次迭代寻找解集的智能算法，再利用遗传算法针对解集，模拟人类基因遗传原理，找到不同解对应的算子式，对比各个种群P(t)，类似于各个解在解集合中关系，不断针对每个随机种群解评价，进而找到符合目标函数最适的解[10-11]。

3.2 优化配置结果分析

在上述水资源优化配置模型构建基础上，求解获得地区内水资源优化配置结果，如图7所示，限于篇幅，本文只展示给出丰水年优化配置结果。从图7中可看出，在规划水平年2022年，丰水期总共可供应水资源量为81 889.1万m3，总需水量约为81 830.4万m3，水资源供需基本平衡；各城区内水资源分配量基本满足需求，缺水量城区属E县、F县，但B区、C区、D区均可内部调度，保证地区内总体上水资源平衡。

枯水年地区内水资源可供应总量为80 523.2万m3，总需水量约为91 734.5万m3，缺水率为12.3%；6个区县整体上缺水率最大不超过15.0%，为F县，平均缺水率仅为9.2%，另在枯水年B区供水仍能满足自身需求，缺水率为0；对比各保证率条件下各区县缺水状态，传统水资源供需常常随保证率增大，缺水率逐渐增大，且在低保证率条件下的区县内处于缺水状态，高保证率条件下缺水亦较为显著，但本文经过水资源模型优化配置后，枯水年各区县缺水率并未一昧随保证率增大，缺水率稳定升高，而是在处于有机调节作用下，缺水状态在高保证率时会进行转移至较为不缺水区县，形成缺水率相对其他区县可降低状态。对比规划水平年2022年水资源预测结果可看出，在保证率增大至50.0%后，缺水率逐渐增大，其中75.0%保证率条件下缺水率达22.0%，而根据水资源优化配置后，丰水年在75.0%保证率以下均不出现水资源缺口，其中75.0%保证率下缺水率最大为E县，亦仅为9.3%，枯水年在75.0%保证率下平均值为20.5%，如图7(b)所示，水资源优化配置后供需平衡关系大大增强。

图7 水资源配置结果及缺水率曲线

4 结 论

为研究地区水资源供需平衡状态，分析了地区内水资源当前现状，并进行预测规划水平年2022年供需状态，引入免疫克隆算法与遗传算法，建立水资源模型优化配置，分析优化配置结果，得到以下结论。

(1)研究了地区规划年各用水项目以农业用水最多，达51 176.1万m3，生态用水最少，为1675.1万m3，供水来源以地表水为主，地表水供水量占总供水量26.8%；丰水年在保证率50.0%以上时出现缺水，其中75.0%保证率时缺水率达22.2%。

(2)分析引入免疫克隆算法与遗传算法，创建综合经济效益指标、社会效益指标以及生态效益指标的多目标水资源模型函数，并求解获得了地区水资源优化配置后结果，具有良好的适用性与正确性。

(3)获得了规划年丰水年水资源供需平衡，枯水年与高保证率丰水年缺水率较低，相比水资源预测时均显著降低；地区枯水年25.0%保证率下总缺水率为12.3%，各区县内最大缺水率不超过15.0%，平均缺水率仅为9.2%，水资源供需关系平衡性显著提高，且年保证率与区县缺水率并无显著正相关关系。