水资源优化配置在区域水量分配中的应用研究(图)

　　摘要：本文简要地介绍了我国水资源配置研究现状，结合工程实例，采用线性规划的优化方法建立模型，并应用office 办公软件中的excel 进行求解，非常易于操作，可为水资源优化配置，特别是区域水量分配工作提供借鉴。

　　关键词：水资源；优化配置；区域水量分配

　　中图分类号：TV213.9 文献标识码：A

　　水资源优化配置是在我国水资源出现严重短缺，水污染不断加重这样一个背景下，于20 世纪90 年代初提出，并逐步应用于水资源的规划与管理当中。水资源优化配置，就是指通过调整水资源在各个用水部门的分配，减少水资源消耗过大、利用率低、单位水资源创造的产值也低的生产部门的水资源占有量，而将节省下来的水资源用于利用率较高、单位水资源创造的产值也较高的生产部门。

　　在水资源短缺，特别是水资源开发利用率高，开源潜力不大的地区，通过建立水资源优化配置模型，运用水资源优化配置的理论与方法，合理有效地利用水资源，可以缓解由水资源的短缺带来的供需矛盾，使有限的水资源发挥最大的社会、经济、环境效益。这对水资源短缺的我国乃至世界的经济发展与环境质量的提高，都具有深远的意义。

　　1 水资源配置研究现状

　　我国水资源科学分配方面的研究起步较晚，但发展很快。早在上世纪80 年代初，区域水资源优化配置问题在我国已引起足够重视，经过20 多年的研究己取得了不少成果。

　　1.1 灌区水资源优化配置

　　1982 年，袁宏源等研究了河南省引黄人民胜利渠灌区地面水与地下水联合运用（齐学兵等，1999）；1988 年，沈佩君等对江苏某灌区的南四湖水、南水北调工程的供水、地下水及灌溉回归水四种水源建立了非线性规划模型，其目标是灌溉工程的年净效益最大（齐学兵等，1999）；1992 年，唐德善以黄河中游某灌区为例，运用递阶动态规划法确定水资源量在工业和农业之间的分配比例；1993 年郭源裕等，对湖南白沙灌区地面水与地下水联合调度进行了研究，联合调度的目的是扩大灌溉面积，并通过优化调度确定扩大供水范围的方案。

　　1.2 城市水资源优化配置

　　1997 年卢华友等以义乌市水资源系统为对象，建立大系统分解协调模型，提出了递阶模拟择优的方法；1998 王永航、张理盈等针对郑州市城市供水资源的特点，研究建立了城市供水资源联合调度模型及优化模型；1999年黄强等以西安市市区供水水源优化调度为实例，建立了多水源联合调度的多目标优化模型，提出了多目标模型求解思路和方法；2000 年辛玉深、张志军应用现代的系统分析理论，建立长春市多水源联合供水的优化管理模型。

　　1.3 流域水资源优化配置

　　1996 年由黄委员会勘测设计研究院主持的“黄河流域水资源合理分配和优化调度研究”中，开发建立了包括数据库、模拟模型、优化模型等决策支持系统，并初步研究了黄河千流水库联合调度模型；2000 年徐慧等为使大型水库群在大范围暴雨洪水期间综合效益达到最优，采用动态规划模型求解淮河流域大型水库群的联合优化调度问题；2002 年陈晓宏、陈永勤等以东江流域水资源合理利用为目标，采用大系统分解协调原理，建立了自流域至供水行业多层次优化的水资源优化配置模型。

　　1.4 区域（经济区）水资源优化配置

　　1995 年朱文彬、周之豪以大系统递阶优化控制作为一个整体进行统一研究；1999 年聂相田、邱林建立了区域水资源三层递阶大系统优化配水模型，并应用与宁陵县灌区大系统，对该县水资源在各子区、各作物间进行最优分配；李萍等分析了面向可持续发展的水资源优化配置的内涵与原则，建立了多目标优化配置模型，并以浙江临海市为对象进行了研究。

　　虽然水资源优化配置研究取得了一些成就，但还存在很多问题和不成熟的地方。根据目前研究现状，水资源优化配置研究中主要存在如下问题：①水资源优化配置多是理论研究和概念模型的设计，不便于实际操作；②未充分体现有效性、公平性和可持续发展的原则；③配置上重水量轻水质。

　　2 水资源优化配置方法

　　2.1 线性规划

　　线性规划是用来解决约束条件为线性等式或不等式，目标函数为线性函数的最优化问题，这种方法多用于解决资源分配型问题、存储问题等。

　　目标函数：max(或min)Z=CX

　　约束条件：AX≤，=，≥b

　　X≥0

　　式中，c=（c1，c2，…，cn），b=（b1，b2，…，bn）T，A=（aij）max

　　线性规划的通用解法是单纯形法和改进的单纯形法。如果线性规划要求解值必须是整数时，就是所谓的整数规划。郭元裕、白宪台等在湖北江汉平原四湖地区建立了除涝排水系统的规划模型，其中利用线性规划法对子系统的除涝水量进行优化和协调，得到全系统总除涝水量的最优分配；沈佩君对宝鸡峡的引水灌溉系统建立了灌区扩建改建的线性优化模型，不仅确定了扩建改建工程的最优布局，还同时确定了最优灌溉面积及最优调配水量。

　　2.2 其他方法

　　非线性规划法是用来解决约束条件和目标函数中部分或全部存在非线性函数的有关问题。非线性规划问题没有一个通用的解法，只能针对不同的非线性规划问题，采用不同的优化技术，以求节省存储量及计算时间。

　　动态规划是一种多阶段决策理论和方法。它根据问题的时间和空间特性，把全过程分成若干相互连接而又不重复、循环的阶段，对每个阶段都需要做出一定的决策，这个决策不能仅孤立地考虑本阶段的结果，而要把全过程的各阶段联系起来考虑，务使整个过程取得最优结果。

　　3 求解

　　以往线性规划的求解一般都是通过编制计算机语言，将其转化为矩阵后求解，这种方法在解决简单的线性规划时，显得非常麻烦，即使直接引用编制好的程序段，也要在相应的界面下才能完成，而且在输入参数时也不很直观，容易出错，故而此次对于线性规划的求解采用最常用的office 办公软件中的excel，它不仅操作简便，而且在输入参数及变量时很直观，修改参数时也很方便，可以很有效的解决问题。

　　在excel 主菜单中选择“工具”——“加载宏…”，然后在出现的对话框内（多选框）选择“规划求解”，确定；那么系统会提醒还未安装，在安装后，就可在“工具”下拉菜单中找到“规划求解”。

　　4 实例分析

　　4.1 区域算例分析

　　现以陕西省关中地区某区为例，对其渠水和井水的水量分配进行优化配置。

　　该区位于乾县西南，属温带季风型、半干旱大陆性气候，多年平均降雨量为575.6mm，雨量多集中在7 月份～10 月份，几乎占全年降雨量的50%左右，多年平均水面蒸发量为1427.0mm。考虑到当地的具体水资源分布以及需水要求，需要对其进行水资源优化配置。

　　故选取该区1981 年～2003 年的降水资料进行频率计算。本次地下水资源量计算所用水文地质参数数值均取用《陕西省乾县水资源评价及开发利用现状分析》一书中所用数值。取2002 年～2003 年的地下水埋深每月均值的作为起调埋深。降雨有效利用系数和渠灌水有效利用系数参考《农田水利学》。用水定额参考《陕西省乾县水资源评价及开发利用现状分析》。

　　按照上述线性规划建立模型：

　　目标函数：Φ＝min｛C1W1 + C2W2｝

　　约束条件：W1≤Σtηi Qi

　　W2≤t×η×Q井n

　　W1 ,W2≥0

　　式中，Φ——灌水成本，万元；

　　C1——渠溉水的成本（包括渠道折旧费、管理运行费）；

　　C2——井灌提水成本（包括管井折旧费、管理运行费等）；

　　W1——渠道净灌溉用水量，万m3；

　　W2——井灌净用水量，万m3；

　　i——区内各渠道；

　　t——渠道的行水天数；

　　Q i、ηi———各干斗的设计引水能力、及渠系水利用系数。

　　按照上述求解方法进行计算，模型计算成果见表1。

　　4.2 实例应用效果

　　首先，保证了区域地下水动态平衡。地下水在接受了降水补给、渗漏补给、灌溉回归水等的补给和通过人工开采、地下径流排泄等方式排泄后，水位保持在临界埋深范围之内。

　　其次，不管采用渠灌引水、井灌引水，都满足当年作物需水量。

　　第三，在了解渠灌与井灌的各自的运行费用之后，通过调整配水比例，使运行费用尽可能的降低，提高了区域联合利用的可行性，为农民提供了切实的利益。

　　此外，由于不用新建工程措施，所引水量都不超过工程的设计指标。

　　综上所述，以上方法较好的解决了该区的渠水和井水的分配比例问题。

　　5 结语

　　合理开发利用水资源、实现水资源的优化配置，是我国实施可持续发展战略的根本保障。传统的水资源配置存在对环境保护重视不够、强调节水忽视高效、注重缺水地区的水资源优化配置而忽视水资源充足地区的用水效率提高、突出水资源的分配效率而忽视行业内部用水合理性等问题，影响了区域经济的发展和水资源的可持续利用。在水资源严重短缺的今天，必须注重水资源优化配置研究，特别是新理论和新方法的研究。协调好资源、社会、经济和生态环境的动态关系，确保实现社会、经济、环境和资源的可持续发展。