多目标区域水资源优化配置

7.3区域水资源多目标优化配置随着经济发展和人口增长，对水的需求日益增加以及水资源开发利用程度的日益提高，水资源供需矛盾正在加剧，过量利用水资源或不当的水资源开发又导致了生态环境危机的不断加剧，如何结合区域的水资源时空分布特点和生态环境特点，调整工农业布局，加强对有限的区域水资源的科学配置已成为迫切需要解决的问题。7.3.1水资源优化配置的概念及内涵水资源优化配置是指在特定的流域或区域范围内，遵循公平、效率和可持续利用的原则，以水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展为目标，通过各种工程与非工程措施，考虑市场经济规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种可利用水资源在时间上、空间上和不同受益者之间进行科学合理的分配，实现有限水资源的经济、社会和生态环境综合净效益(福利)最大化，以及水质水量的统一和协调。从宏观上讲，水资源优化配置是在水资源开发利用过程中，对洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化、水土流失等问题实行统筹规划、综合治理，实现除害兴利结合，防洪抗旱并举，开源节流并重；协调上下游、左右岸、干支流、城市与乡村、流域与区域、开发与保护、建设与管理、近期与远期等各方面的关系。从微观上讲，水资源优化配置包括取水方面的优化配置、用水方面的优化配置，以及取水用水综合系统的水资源优化配置。取水方面是指地表水、地下水、污水等多水源之间的优化配置；用水方面是指生活用水、生产用水和生态用水之间的优化配置；各种水源、取水点和各类用水部门形成了复杂的取用水系统，加上供需双方在时间、空间的变化，水资源优化配置的作用更加明显。7.3.2水资源优化配置原则水资源优化配置需遵循公平性、高效性和可持续原则。(1)公平性原则公平性原则属于社会学和伦理学范畴。可持续发展侧重于伦理方面的定义，强调发展应在满足当代人需要的同时，也不损害后代人满足其自身需要能力的发展。该原则实质上表述了水资源可持续利用在代内和代际之间的发展机会的公平性。代内公平指一个地区为发展需要开发利用水资源时不损害其它地区开发利用水资源的机会。公平性原则有时候与效率原则一致，有时候与效率原则冲突，它实质上体现一种各目标的协调发展、权力与义务结合的开发利用方式。(2)高效性原则按照经济学观点，高效性原则可解释为经济上有效的水资源分配，即水资源利用的边际效益在各用水部门中都相等。换言之，在某一用水部门增加一个单位的水资源利用所产生的效益，在任何其他部门也是相同的，否则将分配这部分水资源给效益或回报更大的部门。传统的配置方式是以水资源利用的经济效益最大化为目标，但是因其忽略了用水部门效益函数下包含的实施成本，且不能传达出水资源稀缺性的信息，使效率原则的实现受到一定程度的影响。(3)可持续原则可持续原则的实质是为了实现水资源可持续利用，也可以理解为水资源优化配置的代际公平性原则。代际公平指当代人为发展的需要开发利用水资源时不损害后代人开发利用水资源的机会。可持续性原则要求当代人在开发利用水资源时，保持水资源循环的整体性和再生能力，使后代人具有平等的发展机会，而不是掠夺性开发利用，甚至破坏。上述原则存在着辩证统一：发展是整个优化配置问题的核心，公平性、高效性、可持续性原则的最终目的都是为了达到高速度、高质量的发展。公平性原则更注重人们基本权利的享有、财富分配的合理、社会保障体系的健全、社会组织结构的有序和社会心理的稳定等一系列目标的实现，体现出人与人关系的和谐；高效性原则更多地注重在资源的利用、经济的增长与财富的积累、物质能量的有效转化和供需均衡，追求了一种人类社会自身的和谐；可持续性原则强调经济发展与保护资源、保护生态环境的一致，是为了让子孙后代能够享有充分的资源和良好的自然环境，是纵向意义上的公平。基于以上配置原则，水资源合理配置要从如下几个方面着手：（1）空间配置根据国民经济布局、供水水源和缺水状况，合理确定不同水源的供水范围，使水资源保障条件与生产力布局更加匹配。（2）时间配置根据水资源年内、年际的变化规律，通过水库、湖泊和地下水库的调节，以实现水资源量在时间尺度上的合理配置。（3）用水目标配置根据用水户的用水特点和各水源的供水能力，确定各供水目标的供水次序，进行部门间的水量分配。重点在于妥善解决经济建设用水挤占生态环境用水，城市与工业用水占用农业用水，以及水资源多目标利用中的竞争性用水问题。（4）水量水质配置地表水、浅层地下水、污水回用水、南水北调水等多种水源水质不同，保证率不同，实现其合理调配，优水优用、充分发挥单方水效益，提高供水总量和供水保证率，保障用水安全。7.3.3区域水资源多目标优化配置模型水资源优化配置模型也包含经济、社会、生态环境三个方面，其一般形式为：(7.8)式中，opt表示优化方向，包括最大化方向和最小化方向；X为决策向量，一般以水源向用户的供水量作为决策变量；、、分别为经济效益、社会效益和生态环境效益目标；为约束条件集，包括水量平衡约束、水源可供水量约束、水源输水能力约束、用户需水能力约束、变量非负约束等。根据区域的地形地貌、水利条件、行政区划，将区域划分为若干子区。根据水源的供水范围，将水源分成三类：独立水源、区域内共用水源和跨流域水源。独立水源是指只能给所在的子区供水的水源，也称当地水源；区域内共用水源是指能同时向两个或两个以上子区供水的水源；跨流域水源是指通过工程措施从区域外向区域内若干子区供水的水源。区域的用水部门一般可分为工业生产、农业生产、生活和生态环境等四大类，根据区域实际，每一类也可分为若干具体的用水部门，在建模时要进一步细分，以便能准确地反映水资源的供、用、排、耗关系。水资源优化配置受到地理条件及工程配套情况限制，同时还得考虑不同用水部门对供水水质、供水水量和成本的要求，即供水水源有一个供水能力，用水部门有一定需水要求，当两者彼此满足，此水源才向该用水部门供水。设流域或区域划分为K个子区，k=1,2,…,K，子区k内有I(k)个独立供水水源，M个公共供水水源，c=1,2,…,M，N个跨流域水源，b=1,2,…,N，子区k内有J(k)个用水部门。定义Rk=(rij)k(k=1,2,…,K)，其中rijk为子区k内水源与用水部门间的供需关系系数，i为不同供水水源，j为不同用水部门。当水源i和用水部门j存在供需关系时，rijk=1，否则rijk=0，整个区域供需关系矩阵为R=(R1,R2,…,RK)。决策变量取时段t水源i供给子区k用水部门j的水量，记为X(t)k=(x(t)ij)k，x(t)ijk与系数rijk是相互对应的，若rijk=0，必然x(t)ijk=0；rijk=1时，x(t)ijk≥0。整个区域的水资源优化配置模型的决策矩阵为X=(X(t)1,X(t)2,…,X(t)K),t=1,2,…,T，其中T为总时段数。（1）目标函数1）经济效益目标国内生产总值(GDP)是指一个国家或地区所有常住单位在一定时期内(通常为一年)生产活动的最终成果，即所有常住机构单位或产业部门一定时期内生产的可供最终使用的产品和劳务的价值。这一指标能够全面反映经济社会活动的总规模，是衡量一国或地区经济实力、评价经济形势的重要综合指标，同时也具有资料收集全面、良好的统计数据支持和计算简便易行等特点。本书选用国内生产总值(GDP)度量水资源优化配置的经济效益目标，以区域内水资源利用对区域内GDP的净贡献值最大作为经济效益目标。(7.9)式中，GDPw(k)为水资源优化配置对第k子区GDP的净贡献值。(7.10)式中：,——分别为k子区独立水源i、公共水源c向k子区j用户的供水量，万m3；,——分别为k子区独立水源i、公共水源c向k子区j用户的单位供水量效益系数，元/m3；,——分别为k子区独立水源i、公共水源c向k子区j用户的单位供水量费用系数，元/m3；,——独立水源i、公共水源c供水次序系数；——k子区j用户用水公平系数；——k子区权重系数；上式使用了三种权重系数：子区权重系数、用户公平系数和水源供水次序系数。子区公平系数是在尊重各分区的用水现实并考虑其发展状况的基础上，其得到的水资源量对经济目标的贡献比例。用户公平系数是用来量化由于各用水部门的需水特性在时间、空间和缺水敏感度上的差异而产生供给的先后顺序。水源供水次序系数是根据各种水源的蓄供水性能不同，因而存在供给的先后顺序的差别。2）社会效益目标社会效益目标侧重于供水的公平性，包括部门供水公平性和区域供水公平性，可引进经济学有关公平性的理论建立社会效益目标的度量模型。供水公平性可借用经济学中“基尼系数(Ginicoefficient)”的概念来度量。基尼系数由意大利经济学家Gini于1922年提出，是国际上用来综合考察居民收入分配平均程度的一个重要指标。基尼系数的计算公式为：(7.11)式中，G为基尼系数；N为全社会成员或阶层总数；I为全社会所有成员或阶层的收入之和；Ii、Ij分别为第i、j个成员或阶层的收入。式中经济意义是通过计算全社会任何两个成员(或阶层)之间的收入比率之差，考察收入分配的差异程度。基尼系数的值域为[0,1]，其值越小，表明收入分配越趋向平等，反之则表明收入分配趋向不平等。本书选用公平性度量水资源优化配置的社会效益目标，以区域内区域内供水公平性协调度最大作为经济效益目标。(7.12)式中，为部门供水基尼系数，反映了水资源优化配置的各部门之间的公平性；为区域供水基尼系数，反映了水资源优化配置的各子区之间的公平性。基尼系数计算公式如下：(7.13)式中，G为基尼系数；N为全社会成员或阶层总数；I为全社会所有成员或阶层的收入之和；Ii、Ij分别为第i、j个成员或阶层的收入。式(7.13)的经济意义是通过计算全社会任何两个成员(或阶层)之间的收入比率之差，考察收入分配的差异程度。基尼系数的值域为[0,1]，其值越小，表明收入分配越趋向平等，反之则表明收入分配趋向不平等。本书定义部门供水基尼系数为(7.14)其中，(7.15)(7.16)(7.17)式中，f2‘为区域的部门供水基尼系数，其值越小，表明水资源优化配置的部门公平性越好;σ1k为子区k的部门供水基尼系数；WSjk(t)为时段t子区k用水部门j的供水量；WDjk(t)为时段t子区k用水部门j的需水量；Mk(t)为时段t子区k总供水量与需水量比值之和；T为时段总数。定义区域供水基尼系数为(7.18)其中，(7.19)式中，f2为区域供水基尼系数，其值越小，表明水资源优化配置的子区间公平性越好；N(t)为时段t全部子区供水量与需水量比值之和；WSk(t)为子区k总供水量；WDk(t)为子区k总需水量。3）生态环境目标生态环境效益目标的度量是国内外研究的热点之一。生态环境效益主要体现水资源对生态系统的压力或维持作用，并取不同的优化方向。目前的研究主要有三种方式，其一类货币化方法，即将生态环境所对应的价值进行货币量化，以Costanza(1997)等提出的生态系统服务(ecosystemservices)理论为代表；其二是生物物理类指标，以Wackernagel(1996)[271]等提出的生态足迹(ecologicalfootprint)理论和由Odum(1996)等提出的能值分析(energyanalysis)理论为代表；其三是国内普遍采用的污染物排放量法(如BOD5、CODMn等)、污径比、生态环境供水满足程度、生态环境缺水量法等，用来衡量人类生活、生产行为对生态环境造成的破坏程度或生态环境未满足程度。上述三类方法虽然取得了良好的实践效果，但货币化方法高度依赖于所选参数，缺乏区域弹性；生物物理类指标、污径比等方法需要大量的原始资料，计算难度大；生态环境缺水量法过于抽象。本书以污染物指标来度量生态环境效益，以区域各子区BOD排放量之和最小作为生态环境目标。(7.20)式中，为k子区j用户单位废水排放量中生化需氧量(BOD)的含量，mg/L；为k子区j用户污水排放系数。水资源优化配置必须要受到条件约束：生存条件约束、承载能力约束、可投入资金约束和相关数学约束等。生存条件约束要求水资源优化配置首先必须