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基于多目标层次分析方法的北方缺水型城市初始水权优化配置

2025-02-16 50 上传者：管理员

摘要：为提高城市水权初始分配合理性，按照不同用水需求目标，结合多目标层次分析方法，以北方缺水型城市为具体实例，建立初始水权优化配置模型，对城市水权初始分配进行优化分析。结果表明：优化配置后，城市农业和工业用水配置量分别增加235万m3和865万m3,且生态用水比例可相应增加5%。研究成果对于城市初始水权优化配置方法具有参考价值。

关键词：
优化配置模型
初始水权
多目标层次
水矛盾
缺水型城市
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城市初始水权的优化配置对于解决城市用水矛盾和水资源持续利用具有重要的意义,也是当前城市需水优化配置研究的热点和重点[1]｡近些年来,对于区域初始水权的优化配置取得一定的研究成果[2-8],这些研究成果均表明通过设置水权优化配置模型,可提高城市水权配置的合理性,提高用水配置效率,但这些成果优化配置模型的目标相对较为单一,且未能考虑城市生态用水目标,存在一定的片面性｡为提高区域水资源优化配置的多目标性,多目标层次分析方法在流域水资源优化配置中得到具体应用[9-15],通过实例应用,相比于传统单一目标优化配置模型,多目标层次分析方法下区域各类水资源用水量配置更为合理,但多目标层次分析方法在城市水资源优化配置中还未得到具体应用,为提高城市水权初始分配合理性,按照不同用水需求目标,结合多目标层次分析方法,以北方缺水型城市为具体实例,建立初始水权优化配置模型,对城市水权初始分配进行优化分析｡研究成果对于城市初始水权优化配置方法具有参考价值｡

1、水权优化配置模型

结合工业､农业､居民生活､生态用水需求作为多目标层次分析方法的主要目标,对城市初始水权进行优化配置,以水资源目标效益最优为目标函数,建立多目标层次分析方法的社会效益目标函数,计算公式为:

式中,minf1(x)—社会效益最小值;Dkj—不同计算单元内用水需求量,万m3;k—不同计算单元;j—不同用水目标;xkj—不同计算单元内配水水量,万m3｡

城市水权优化配置的经济效益函数计算公式为:

式中,maxf2(x)—最大经济效益值,万元;akj—不同计算单元的用水方量经济效益值,万元｡

按照城市水污染指数对初始水权优化配置的生态效应目标函数进行计算,计算公式为:

式中,maxf3(x)—生态效应目标最高值;pkj—不同计算单元的生态需水均方量,万m3｡在保证不同计算单元水量优化分配量低于初始分配比例的基础上进行生态､经济效应目标函数的计算｡

2、模型应用

2.1初始水权指标

以辽宁西北的缺水型城市阜新市为具体实例,阜新市属于典型的干旱半干旱城市,区域水资源量较为短缺,人均水资源量占用量低于全国平均水平,区域多年降水量均值为600mm左右,而蒸发量达到1000mm,地下水资源量占比超过区域地表水资源量｡通过水利工程配水基本解决城市生活和农业用水需求,但生态和工业用水量的需求较难满足,尤其是生态用水量,柳河属于阜新地区大型河流之一,流域多年径流量为5600万m3,但河流泥沙含量较高,河流生态环境受水量较为短缺影响较为显著｡为加大对阜新城市水权分配的合理性,尤其是需要提高城市生态用水量的占比,亟需对阜新市城市初始水权进行优化配置,在满足城市生活和农业用水需求的同时,提高工业和生态用水的占比｡结合阜新市2023年水资源公报及第三次水资源评价数据,分别对工业､农业､生活､生态共10类水权指标进行分配计算,计算结果见表1｡

从表1中可看出,阜新地区各行政区计算单元的缺水率总体在1.371%~3.984%之间,阜蒙县缺水率最高,缺水率总体呈现由南到北逐步递减的变化｡各行政区人均用水量低于全国平均水平,阜蒙县和海州区的人均用水量高于其他区域,各计算单元人均用水量和人口密度具有较高的关联度｡从径流系数分布来看,各计算单元的径流系数均低于0.7,阜新地区属于典型的干旱半干旱地区,区域降水产流量偏低｡各分区GDP所占比重和经济增长率关联程度较高,阜新地区经济增长率总体低于20%,经济发展速率相对较低｡而由于经济发展率的原因,各计算单元的GDP用水量分配值也较小｡阜新地区属于辽宁省农作物主产区,由于农业用水量保障率较高,各计算单元的农业灌溉用水均值要高于全省平均水平｡经济发展率和人口增长率关联程度较高,人口增长率较低使得区域生活用水保障率相对较高｡

2.2指标权重

在各计算单元初始水权指标分配基础上对各指标进行权重的设置,权重设置主要采用专家赋分方法进行计算,各类初始水权指标权重分配结果见表2｡

从表2中可看出,对于各计算单元初始水权权重分配结果而言,各类指标中权重分配值最高的为农业用水类指标,对于阜新地区城市水权分配而言,需首先满足农业和城市生活用水满足度,因此农业用水类指标的分配权重相对较高｡工业用水类指标在各类指标中分配权重相对较低,这主要是阜新地区工业用水需求低于城市生活和农业用水需求,因此工业用水类指标的分配权重较低｡

表1不同计算单元各类水权分配指标

表2基于专家赋分方法的各计算单元初始水权指标权重分配值

2.3初始水权一次分配

结合建立对目标层次分析方法的初始水权优化配置模型,结合各类指标分配权重值对阜新地区各计算单元分配总水量进行计算,结果见表3,并对各计算单元工业､农业､生活及生态用水水权的一次分配进行计算,结果见表4｡

表3阜新地区各计算单元初始水权分配值

表4阜新地区各计算单元不同水权初始分配值

从表3可看出,对于阜新地区各计算单元而言,彰武县和阜蒙县初始水权分配值均要高于各市区计算单元分配水量,阜蒙县初始水权分配水量最高,主要因为区域农业灌溉水量需求高于其他计算单元｡各计算单元的初始水权分配水量总体较为合理,这主要因为各计算单元初始水权分配权重较为合理,提高各区域初始水权分配的合理性｡从表4可看出,各计算单元工业､农业､生活及生态用水量初始水权分配主要和各类水权分配指标占比相关程度较高,水权分配占比较高的初始水权分配值也相对较高,农业和生活用水初始水权分配占总分配的比重均高于40%,而工业和生态用水水权分配占总分配比重的比例低于20%｡

2.4初始水权二次分配

在阜新地区各计算单元初始水权一次分配基础上,重点考虑经济和生态效益目标,对各计算单元工业､农业､生活及生态用水水权进行二次优化分配,各计算单元初始水权二次优化分配值见表5｡

表5阜新地区各计算单元不同水权二次优化配置结果

从表5中可看出,优化配置后,城市农业和工业用水配置量分别增加235万m3和865万m3,且生态用水比例可相应增加5%｡各类用水水权优化配置后不同用水需求的保障率得到不同程度的改善｡相比于初始水权优化配置前,不同计算单元各类用水目标的初始水权配比均有所优化,此外在考虑经济和生态效应基础上,通过增加工业和生态用水分配比例的基础上,降低农业用水配比,结合区域农业用水结构的优化调整,来增加其他用水类型初始水权的分配比例｡

3、结语

(1)在进行初始水权优化配置模型建立时,可以区域各类水资源总量年均值作为约束函数,生态用水可以区域河流生态径流保障率作为约束函数｡

(2)在进行初始水权二次优化分配时,要结合用水定额对各类用水需求进行核定,在用水量核定基础上,进行二次优化分配,可区域各类用水水权优化分配的合理性｡

(3)本文各类水权分配权重设置采用专家赋分方法,存在一定的主观性,通用性不强,在后续研究中还应考虑各类水权指标权重客观设置方法,提高优化配置模型的通用性｡

参考文献:

[1]李春玲,孙亮科.基于动态合作博弈的天津市水资源优化配置研究[J].水利技术监督,2023(12):214-216.

[2]王晓淋,王璠.基于梯级水库扩容工程的增量水权分配研究[J].水利技术监督,2023(10):141-146.

[3]杨甘露.不确定性因素影响的灌区水权优化配置研究[J].水利技术监督,2021(9):59-61,74.

[4]杨成功.浅谈凉州区金塔灌区水资源使用权配置和用水总量控制经验[J].农业开发与装备,2023(8):66-68.

[5]王菁,周鑫妍,吴昶槐,等.基于后悔理论的水权初始分配优化方法研究[J].浙江水利科技,2024,52(1):26-30.

[6]涂燕,石宏伟,秦晋栋,等.混合不确定环境下双层多目标区域水资源优化配置研究[J].系统工程理论与实践,2023,43(8):2428-2446.

[7]杨雪.黄河流域水资源配置协同保障机制研究[D].兰州理工大学,2023.