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多目标区域水资源优化配置


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
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
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
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
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(Gini coefficient)”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。
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
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
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 (2)时间配置
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。 根据水资源年内、年际的变化规律,通过水库、湖
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(ecosystem services)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(ecological footprint)理论和由Odum(1996) 等提出的能值分析(energy analysis)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。
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。
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。
= 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;
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。
;X为决策向量,一般以水源向用户的供水量作为决策变量;
、 目标; 束等。 、 分别为经济效益、社会效益和生态环境效益 为约束条件集,包括水量平衡约束、水源可供水量
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