１最严格水资源管理制度下的水资源优化配置模型
１１目标函数区域水资源优化配置模型作为对现实系统的模拟，需要从全局出发，在多目标的约束下，进行统筹优化。随着流域内经济、社会发展、生态保护与水资源联系日益紧密，围绕“经济—社会—生态—水资源”系统，建立以经济效益、社会效益和环境效益为目标的多目标水资源优化配置模型。１１１经济效益目标以区域供水带来的直接经济效益作为经济目标的表达，即用供水效益与成本之差的最大值来表示经济效益目标函数。式中：ｘｉｊｋ为独立水源ｉ向ｋ子区ｊ用户的供水量（万ｍ３），ｘｃｊｋ为公共水源ｃ向ｋ子区ｊ用户的供水量，ｂｉｊｋ为独立水源ｉ向ｋ子区ｊ用户的单位供水量效益系数（元／ｍ３），ｂｃｊｋ为公共水源ｃ向ｋ子区ｊ用户的单位供水效益系数（元／ｍ３），ｃｉｊｋ为独立水源ｉ向ｋ子区ｊ用户供水的费用系数（元／ｍ３），ｃｃｊｋ为公共水源ｃ向ｋ子区ｊ用户供水的费用系数（元／ｍ３），αｉｋ为ｋ子区独立水源的供水次序系数，βｊｋ为ｋ子区ｊ用户用水公平系数，ωｋ为ｋ子区的权重系数。１１２社会效益目标由于社会效益不容易度量，而区域缺水量的大小或缺水程度会直接影响到社会的发展和稳定，故以区域缺水量的大小或缺水程度刻画社会效益目标。１１３环境效益目标区域用水的同时必定造成排污，以可代表区域代表性污染成份的排污量的最小值（例如ＣＯＤ）描述环境效益目标。式中：ｄｊｋ为ｋ子区用ｊ户单位废水排放量中ＣＯＤ的含量（ｍｇ／ｌ），ｐｊｋ为ｋ子区ｊ用户的污水排放系数。由于三个目标函数的量纲不一致，在求解前需要统一量纲，将目标函数规范化。首先求各个目标函数的最大值ｆｉ，ｍａｘ、最小值ｆｉ，ｍｉｎ，通过下式将目标函数规范化，即这样三个目标函数经过规范化处理后，有利于模型的求解。１２约束条件目标函数的约束条件可以从取水、用水和排水这三个水资源配水环节进行分析，并且体现出“三条红线”的限制作用。１２１用水总量约束不同水源供给计算分区各用水户的总水量不应多于其可供水量，即式中：ｗＳＴ为地表水可供水量（万ｍ３），ｗＧＴ为地下水可供水量（万ｍ３），ｗＤＴ为外调水可供水量（万ｍ３），ｗＢＴ为污水处理回用水可供水量（万ｍ３）１２２用水效率约束工业需水定额、农业需水定额以及国民经济整体需水定额都应小于设计的用水效率控制指标［８］，即ｉｉｄ（６）式中，ｉ表示各行业需水定额；ｉｄ表示确定的不同水平年用水效率约束１２３水功能区限制纳污约束式中：Ｗ０为允许的ＣＯＤ排放总量（ｔ）１２４部门用水量约束各水源提供给各分区各用户的水量不低于该部门的最低用水量式中：Ｄｊｍｉｎｋ为ｋ子区ｊ用户的最小需水量（万ｍ３），Ｄｊｍａｘ为ｋ子区ｊ用户的最大需水量（万ｍ３）。２２４变量非负约束各个分区的任何用水户的用水量不为负数，所能提供的水量能满足每个用水户的需要，即ｘｉｊｋ０
２实例分析
２１研究对象概况济宁市地处山东省西南部，地跨黄、淮两大流域，黄河从北部穿境而过，南四湖处于济宁腹地，京杭大运河贯穿南北。济宁市属于暖温带季风性气候，年降雨量在７００ｍｍ左右，全市当地多年平均水资源量２２．７８亿ｍ３，人均水资源量５５８ｍ３，不足全国平均水平的１／４，南水北调工程开通后，每年约有４５００万ｍ３的引江水量［９］。全市包括有当地地表水、地下水、外调水（引黄水和引汶水）和污水处理回用水等４个供水水源，和城镇生活、农村生活、农业、工业、城镇公共用水和生态环境用水等６个用水户。其中，跨流域调水仅供给梁山县；污水处理回用水分别供给兖州市、邹城市和鱼台县；各水资源计算分区的当地地表水和地下水为单分区水源。综合考虑济宁市的地形、地貌、统计资料的搜集以及方案实施的可行性，将济宁市划分为１２个水资源计算分区：市中区，任城区，汶上县，兖州市，曲阜市，邹城市，泗水县，梁山县，嘉祥县，金乡县，鱼台县，微山县。２２参数确定２２１供水次序系数、用水公平系数用水公平系数。在水量有限的情况下，最先满足生活饮用水，然后统筹安排生产和生态用水，由此拟定各用水部门用水的先后次序为城镇生活、农村生活、城镇公共用水、生态、工业、农业。根据下式可计算得到用水公平系数：城镇生活为０．２８５，农村生活为０．２３８，城镇公共用水为０．１９，生态为０．１４２工业为０．０９５，农业为０．０４７。式中：ｎｉｋ）表示ｋ子区ｉ水源供水次序的序号，ｎｍａｘｋ表示ｋ子区水源供水序号的最大值供水次序系数。反映的是分区内各水源相对于其他水源供水的优先程度，根据各水源的调节能力，依据上式确定济宁市水源的供水次序为：地表水为０．４，地下水为０．３，跨流域调水为０．２，污水处理回用水为０．１。２２２用水效益系数、供水费用系数用水效益系数。工业用水的效益系数，可根据万元产值需水量的倒数确定；农业用水效益系数，由灌溉后产生的效益与水利分摊系数确定；生活用水系数一般难以有明确的数值，为使其在计算过程中的供应量得到保证，一般效益系数赋予较大值。环境用水与生活用水关系紧密，一般环境用水效益系数的取值可参考生活用水的效益系数。供水费用系数。供水费用系数的确定是依据水费收费标准。目前居民生活用水价格，工业用水价格，环境用水费用参照生活用水费用系数，农业用水费用系数为额定。对于有资料的水源工程，根据资料计算确定；缺乏资料时，可参考临近地区类同水源工程［１０～１１］。２２３用户需水量上下限生活需水量上下限。城镇生活用水和农村生活用水，属于保障性用水，任何时候都应优先满足，所以需水量上限都取其规划水平年的需水量。生态环境需水量上下限。济宁市水环境形势不容乐观，需要维护和改善，环境用水跟生活用水的上下限一样取其需水量。工业需水量上下限。工业需水量上限取其规划年需水量，下限取其需水量的０．８倍。农业需水量上下限。工业需水量上限取其规划年需水量，下限取其需水量的０．７倍。城镇公共用水量上下限。城镇公共用水量上限取其规划年需水量，下限取其需水量的０．８倍［１２］。２３计算结果与分析依据《２００９年济宁市水资源公报》和《济宁市水资源综合规划报告》，以现状年水平年（２００９年）的水资源优化配置为例进行计算分析，确定相关参数，并带入上述模型中。由表１和表２可知，城镇生活需水量和农村生活需水量的总和是２１２３１万ｍ３，生活用水供水量量为２１２３１万ｍ３，达到供需平衡；农业需水量为２０７７２１．９万ｍ３，供水量为１８５０２２万ｍ３，缺水量为２２６９９．９万ｍ３，缺水率为１０．９％；工业需水量为２２７８１．１４万ｍ３，供水量为２２５５１万ｍ３，缺水量为２３０．７万ｍ３，缺水率为１．０２％；城镇公共用水需水量和生态需水量均达到平衡。从表１、图１和图２看出，全市需水量为２７６６２７．３万ｍ３，总供水量为２５３６９８万ｍ３，总缺水量２２９３１．４７万ｍ３，全市平均缺水率为８．６％，属于缺水情况。存在缺水的行业主要集中在农业和工业，生活、生态以及城镇公共用水不存在缺水。超过全市平均缺水率的城市有市中区、任城区、曲阜市、邹城市、泗水县和嘉祥县。由表２和图１可以看出，工业和农业缺水程度尤为严重。究其原因，农业灌溉用水较多，灌溉效率低且农田灌溉需水定额较高，导致农业用水量剧增；工业发展迅猛，需水量增加，工业工艺方式落后导致用水浪费；水环境污染严重，废水排放达标率低，且排放量较大，导致工农业使用污水处理回用水量较少；水资源分配过程中，优先满足生活用水，造成工业和农业供水不足，缺水增加。总体而言，随着全市人口增加和社会经济的发展，全市总需水量增加较大，而可供量较小，供需矛盾严重，用水日益紧张。由表１和图２可知，市中区、任城区、曲阜市、邹城市、泗水县和嘉祥县缺水率较高，其中市中区、任城区和曲阜市缺水原因是工业增长速度较快但结构优化进程缓慢。规模以上工业数量以煤炭化工、装备制造等高耗水行业数量居多，高新技术产业发展缓慢；工业节水设备和生产工艺更新滞后，工业废水未能有效转化为处理回用水，污水处理能力和用水效率低下。邹城市、泗水县和嘉祥县缺水原因是农业用水增加。农业种植结构主要以水稻、小麦、大麦和玉米等高耗水低效益的作物为主，而蔬菜、瓜类、果树和棉花等低耗水高收益的作物占有比例较小；农业灌溉技术以“漫灌”为主，节水灌溉技术普及较慢，农业灌溉效率低，导致农业用水量较大。
３结语
本文着重探讨和研究最严格水资源管理制度与水资源优化配置之间的契合点，将最严格水资源管理制度与区域水资源优化配置相结合。实例研究表明，最严格水资源管理制度下的区域水资源优化结果更具合理性，更能体现现实发展的需求，水资源供需平衡成果可为未来规划年缺水行业和缺水城市的用水提出警示和有效指导。当然，为更好落实最严格水资源管理制度和促进区域可持续发展，区域应当建立用水总量控制指标体系，合理分配水资源；加快工业节水设备和生产工艺的更新速度，优化农业灌溉技术，提高用水效率；严格控制污水排放，提高污水处理技术，建立水质达标体系。
作者：高亮 张玲玲 单位：河海大学公共管理学院
