锦州市水资源优化配置研究

赵 冬

（辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000）

在水资源需求量持续增大和经济不断迅速发展的背景下，实现水资源的高效利用、生态系统健康以及经济的平稳增长就显得非常重要，有必要从可持续发展的视角出发，以全局的方式科学建立水资源优化配置与可持续发展之间科学的关系[1]。随着计算机模拟技术和数学规划的逐渐发展，其中计算机模拟技术可以对水资源分配和管理进行建模，以便更好地实现利用效率的最大化，在此过程中减少浪费的发生，从而提高资源的可持续利用；数学规划则可以对复杂的水资源管控局面进行优化分析，以提升管理效率并取得更好的目标。研究应用优化配置方法取得极大进展，如孙自永等以内陆河为例，结合河流特性提出生态、资源与经济耦合协调发展的开发模式；王浩等通过全面分析黄淮海流域存在的问题，提出了面向经济与水资源协调发展优化配置方法。在时空尺度的纵向发展层面上基于可持续发展的流域水资源配置主要表现为：将耗水型的发展模式转化为生态环境节水型，这个转变需要技术和管理方法的不断改进，以提高水资源利用效率，减少浪费和污染，同时也需要重视生态环境对水资源的影响，保护自然环境实现生态与经济的协调发展[2-3]。目前，虽然许多研究专注于水资源的优化配置，但很少将可持续发展和水资源优化结合起来。在水资源优化配置的过程中，不仅需要考虑到当前的需求，还要预防将来的需求，同时缺乏量化评价体系给水资源优化配置带来困难，并且缺乏针对性的配置方案可能无法充分利用水资源，达到最佳的可持续发展效果[4-6]。鉴于此，文章充分考虑生态环境、经济社会和资源协同发展的内涵构建综合评价指标体系，综合应用工程模糊集理论和优化配置法计算评判了锦州市可持续度，以期为区域水资源开发和优化配置提供决策依据。

1 水资源优化配置模型

1.1 模型框架

水资源优化配置通常涉及多个目标，采用以下指标建立模型框架：①生态环境指标包括生态需水量、水环境保护、生态系统保护、水资源利用效率和可持续性等，综合考虑和定量评估这些指标可以帮助制定水资源优化配置方案，以保证区域生态需水量的满足和良好的可持续性；②社会经济发展指标主要包括水资源利用效率、经济增长与水资源的关系、水资源在产业发展中的作用等，以促进可持续社会经济发展；③承载能力指标主要考虑水资源的供求平衡、水资源的稳定性和可持续性、水资源的适应性等，以确保水资源的可持续利用和满足未来的需求。

1.2 建模分析

1.2.1 目标函数

目标函数是将多目标问题转化为单一目标问题的函数，用于衡量水资源配置方案的综合效益，该目标函数的表达式如下：

式中，Q为区域水资源承载力和供水量，Qij是计算单元i的农业、工业和生态缺水程度；c1、c2、c3为权重系数；Aj、Ij、Ej为计算单元i的农业、工业和生态缺水程度。

1.2.2 约束条件

1）承载能力约束。采用地表水、地下水和再生水约束用于限制水资源的利用，限制条件基于可利用量和使用量之间的关系[7]。

a）地表水约束要求在每个时段内，地表水的可供用量(St)不低于对应时段的使用量(Sjt)：

b）地下水约束要求在每个时段内，地下水的可开采量(Pt)不低于对应时段的使用量(Pjt)，其表达式为：

c）再生水约束要求在每个时段内，污水处理厂的处理能力(Tt)不低于对应时段再生水的使用量(Tjt)，其表达式为：

2）社会经济发展约束。这是指根据区域的社会经济规划目标和指标，对水资源配置方案进行约束，以控制种植面积和工业发展的规模，约束条件如下：

式中：S、I规划为可灌溉总面积及单方水规划效益目标，其中I规划取56万元/m3；Sj、Ij为计算单元j面积和单方水效益。

3）生态环境和其它约束。河流生态需水的约束要求各河流的实际过流能力Q( l )不低于相应河流的最小生态基流Qmin( l )，约束条件如下：

式中：Qmin(l)、Q(l)为河流l的最小生态基流和实际过流能力。此外，还存在一些其他约束条件，如过流能力约束、变量非负约束以及水库、节点、计算单元的平衡约束等，这些约束条件保证了水资源配置方案的可行性和平衡性，以及各个关键要素的协调。

1.3 可持续度

对于多目标决策问题的处理，工程模糊集理论存在计算简便、概念清晰等优点，其形式也具有较好适宜性。可持续发展能力评价指标的测算值一般取水资源优化配置模型的模拟结果，然后利用隶属度有关公式和评定标准确定区域可持续度。由于对可持续发展的理解和认知存在差异，各个指标的绝对标准值尚未统一确定，因此常常使用相对隶属度，主要流程为：

设研究对象X含有m个参评指标，按照评价目标与各指标之间的正、负相关性，选用合适的方法进行归一化处理。对于正相关指标i，其隶属度函数随指标值x的增加而增加，因此当指标值等于评价标准的最大值xmax时，相对隶属度可取1；当指标值小于等于评价标准的最小值xmin时，相对隶属度可取0，在两个取值点之间可以采用线性或非线性插值方法确定相应的隶属度值。对于负相关指标，则取相反值[8]。

设W=(ω1，ω2，…，ωp)为权向量，且符合条件 0<ωi<1，可以使用FAHP模糊二元对比法确定目标权重Wi。

设j的极点隶属度为uj，采用加权广义距离rij表示两个极点与各评价对象间的差异，并以非线性规划模型建立目标函数，其表达式为：

对uj取导后令F(uj)为0，由此可以确定第j个系统的可持续度，具体如下：

可持续度uj反映了水资源承载力、利用效率与开发利用程度之间的关系，可结合这一具体内涵计算极值点为uj。

1.4 评价指标体系

虽然现有研究尚未形成统一的可持续利用指标体系，但评价指标的多样化选择过程提供了一定参考。在实际应用时，将目标体系按照全国水资源供需情况划分成生态环境、经济社会和水资源承载能力3部分。然后考虑锦州市当地实际情况、不同区域水资源开发利用方式及自然赋存量的差异，对可持续发展指标体系细分成多个层级如表1所示。

表1 锦州市水资源可持续度评价体系

2 实例应用

2.1 研究区概况

锦州市位于辽宁省西南部，地表水系主要有二郎洞河、女儿河、大凌河等，河流用水效率低、含沙量大，流量变化剧烈，各地区存在一定差异。全市水资源总量不足，现状水资源开发利用率达到155%，局部地下水严重超采，年超采量接近1.78亿m3。锦州市水资源时空分布和利用结构不合理，农业用水效率不高，且所占比例达到70%以上。生态环境用水被挤占严重，致使河湖枯竭、萎缩等问题突出，对当地生态环境和经济可持续发展造成严重影响[9-11]。

2.2 可持续发展指标值

根据水资源优化配置模型模拟结果和锦州市经济社会发展规划需水情景确定推荐方案配制成果见表2，并进一步确定各水平年可持续发展指标值，见表3。

表2 推荐方案优化配置结果

表3 指标模拟值

2.3 方案可持续度分析

参考文献中的评价标准，在合理确定阈值的情况下建立可持续发展能力评判标准，如表3所示。根据目标性质可以确定C1、C2、C3、C4、C6值越大则水资源可持续发展程度越高，而C5和C7值越小则可持续发展程度越高[12]。

结合表3锦州市各指标模拟值确定加权广义距离rij，对于正、负向指标的加权广义距离的计算方法为：

由于供水量模数对可持续发展具有正向影响，所以供水模数≥100(sib)和≤40(sib)对应的可持续度取1、0，同理可以判定其它指标值。2035年供水模数为74万m3/km2，钙质处于40~100之间，利用公式(9)可以确定改指标的加权广义距离为：

同理，可以确定各指标在不同水平年的规格化值：r2019=(1，1，1，0，0.320，1，0)，r2025=(0.898，1，1，0.03，0.671，1，0)；r2030=(0.586，1，0.867，0.1，0.901，1，0)；r2030=(0.567，1，1，0，0.321，1，0)。根据公式(8)计算各水平年锦州市水资源可持续度，即u2019=0.71、u2025=0.74、u2030=0.75、u2035=0.76，可见锦州市水资源可持续度呈现逐渐增大的趋势，说明锦州市水资源承载力能够满足生态环境和经济发展用水需求。2035年锦州市水资源可持续度最高为0.76，总体处于中上级水平，并且到2035年锦州市水资源利用会达到一定规模，通过采取一系列深化开发、提高利用率的措施，以适应社会经济的发展需求，在这个过程中逐渐实现了从耗水型向节水型的转变[13-15]。2035年以后仍存在进一步提升节水效益的空间，但经济发展潜力较小，水生态系统呈协调可持续发展态势。

3 结 论

文章基于可持续发展的内涵特征，从生态环境、社会经济和水资源承载能力的角度构建评价体系，通过模糊隶属度计算评价区域水资源可持续发展能力。结果显示，锦州市水资源的可持续度从2019年的0.71逐步增加到2035年的0.76，这表明推荐的优化配置方案具有较强的适用性和可行性。此外，通过加快产业结构调整和农业节水设施建设，可以减少过大的农业需求量，从而节约水量缓解工、农业生产和生态环境用水压力[16-18]。实证分析表明，文章所使用的评价方法和建立的优化配置模型，可以为其它区域水资源规划配置和相关策略制定提供参考依据。