基于全区域合作模型的水资源优化配置研究

基于全区域合作模型的水资源优化配置研究

在提出解决跨边水资源冲突和协调模型后，本文以官厅水库跨边区域水资源冲突为例，进行了实际应用。1跨边界水资源冲突与协调官厅水库位于北京西北约80km的河北省怀来县官厅村.由于山西册田水库的拦蓄,桑干河的污染对官厅水库水质无重大影响,其主要污染来自洋河的张家口至下花园段1.因此研究中将重点确定在水库上游河北省张家口市4区8县.如图1所示.发展经济是上游的必然要求.上游的经济发展目标驱动下,挤占了河流生态环境用水,造成了下游的水量和水质目标之间的冲突,自1954年建库以来,官厅水库来水呈逐年下降趋势.20世纪90年代来水4.3亿m3,只有50年代的1/5.据测定,官厅水库水体常年处于Ⅳ—Ⅴ类标准,已不能作为生活供水水源,官厅水库正面临着水体污染和水资源短缺的双重危机.于1997年被迫退出饮用水水源地的功能,目前仅能用于工业和城市河湖景观补水.其冲突表现为跨边界水量短缺和跨边界水质污染以及流域生态环境恶化并存的危机,代表了我国北方半干旱地区跨边界水资源冲突的典型症状.北京市提出到2005年恢复官厅水库的饮用水源功能.但以行政、法律手段来解决冲突,却受到当前市场经济的大趋势和上下游之间收入差距的限制.缺乏明确的水资源初始产权也使得市场手段无法发挥作用.因此,本文根据文献提出的跨边界水资源冲突与协调方法对官厅水库跨边界水资源冲突进行协调.2建立模型及模型根据文献的研究框图,首先在行政边界出境处设置控制断面,确定各冲突主体.在分析水资源系统结构的基础上,综合考虑地表水和地下水的联合应用及上游地区水文、水质监测断面的布设,本文选择了洋河上游的左卫、中游的响水堡;清水河的张家口;桑干河的石匣里、钱家沙洼以及永定河的八号桥等6个跨边界出境断面作为河道水量水质控制断面,以此作为水资源分区的第一层;第二层以行政区为划分单元,将官厅水库区域水资源系统分为张家口市子系统和北京官厅子系统.如图2所示.由于水资源分配与实施经常通过行政区域的职能部门来完成,因此,要求对每个行政区域设置一个出境断面,这样才能将断面配置结果落实到每个行政区,增强配置结果的可操作性.对以河流为行政区域边界的怀安县和万全县,左卫断面设置成两个虚拟断面,分别控制怀安县和万全县;对有支流的八号桥断面,则按支流来水水量、水质设置虚拟断面,分别控制每个行政区.根据文献的跨边界区域水资源冲突与协调模型,结合官厅水库跨边界区域水资源系统的递阶结构,建立了非合作、张家口市行政区合作以及全区域合作3种行为模型.模型选择保证断面河道最小生态用水需求、水质不再恶化作为非合作现状点,以保证断面河道最小生态用水需求,恢复官厅水库饮用水源水质的区域最大社会福利为合作理想点.非合作模型各断面水量下限满足河道最小生态用水,水质下限满足1999年(现状年)断面水质;张家口市行政区合作模型中八号桥断面水量下限满足河道最小生态用水需求、水质下限满足1999年断面水质外,其它断面水量下限满足河道最小生态用水需求,水质下限满足2005年规划水质目标;全区域合作模型约束条件为所有断面水量下限满足河道最小生态用水需求、水质下限满足2005年规划水质目标.以VB6.0对水质子系统模型的目标函数编程求解,利用Matlab软件工具箱中的lp函数求解水量子系统模型和水质子系统模型,经反复迭代求得最佳协调解.合作利益分配按两层进行:第一层比较张家口市合作模型与全区域合作模型,把全区域合作利益在张市与北京官厅之间进行分配;第二层比较张家口市合作模型与非合作模型,把张家口市合作利益分配到各断面.分配模型根据拉格朗日函数求解.3水资源需、水污染控制预测文献指出采用情景分析法处理产业结构调整对水资源及其负荷的影响.以2005年为预测水平年,水资源供给预测设定50%和95%水文年;水资源需求和水污染控制预测设两种情景:情景一为延续发展方案,经济发展目标为主,产业结构调整按《张家口市国民经济和社会发展“十五”计划纲要》.情景二为协调发展方案,环境保护目标为主,产业结构依据《21世纪首都水资源规划》,力争达到规划水量、水质目标.根据预测结果计算工业、农业用水上限约束、河道最小生态用水约束、点源和面源污染物治理费用系数;根据分摊系数法计算工业和农业用水效益系数.4计算4.1各主体合作机制与利益补偿机制表2列出了50%水文年条件下各断面非合作、张家口市合作和全区域合作3种行为模式下的各主体净效益.由表2可知,非合作各断面总净效益最小,全区域合作总净效益最大;合作与非合作相比,张家口市合作各断面净效益增加了1.18—1.64亿元/a;全区域合作各断面净效益增加了8.57—8.97亿元/a,其中张家口市各断面的净效益减少了0.34—0.47亿元/a,但北京官厅增加的净效益为8.90—9.44亿元/a,足以弥补张家口市各断面的损失.说明流域水资源利用时各主体只考虑自身利益而不顾其它主体利益,将给所有主体带来损失,这就是“公地悲剧”的本质;部分合作带来增加的部分利益,但增加的幅度较小;全区域之间合作将给各主体带来最大的净效益,但一些主体利益受到损失,说明建立包含区域所有主体参与的合作机制与利益补偿机制的必要性.表3和表4列出了不同行为模式下各断面用水量、污染物允许排放量.由表3和表4可知,与非合作结果比较,张家口市合作情景下万全、宣化的用水量减少,同时宣化和怀来的污染物允许排放量增加.这说明张家口市合作情景下要求减少万全、宣化的地表水用水量,增加响水保和八号桥断面的环境容量;优化结果说明若仅考虑水量而忽略水质因素,带来利益分配结果的不准确.根据全局优化配置结果与非合作现状用水比较,生态用水、生活用水优先得到满足,工业用水由于价值较高,在配置中也得到满足.情景一要求减少万全、宣化、蔚县断面农业用水量;情景二除减少万全、宣化断面农业用水量外各断面用水要求可基本满足.由表4可知,情景一下,非合作、张家口市合作、全区域合作COD削减比例分别为:37%、34%、49%;氨氮削减比例分别为:78%、76%、84%;情景二下,COD削减比例分别为:24%、21%、41%;氨氮削减比例分别为:71%、69%、83%.通过比较延续发展方案与协调规划方案结果,协调规划方案用水、排污少且具有更高的经济净效益,推荐采用协调规划方案.4.2断面水质标准50%水文年,规划协调方案下将全局优化方案带来的合作利益进行公平分配,结果如表5所示.到2005年八号桥断面水量为3.0亿m3;水质为Ⅳ类水标准,需要对上游各断面每年进行补偿38876万元,即满足断面规划水量、水质标准的单位水量价值1.30元/m3.通过对上游欠发达地区进行利益补偿,有助于保障规划结果在当地的实施,具体补偿可采用经济合作、转移支付等多种方式进行.通过规定各断面的水量和水质指标,加上适当的补偿措施,就能对断面以上行政区域的用水、排污进行控制,做到断面水量、水质的达标交接.在实际操作中,分配与实施经常通过行政区域来完成,因此,将断面水量、水质指标落实为行政区的用水和排污指标,由表5可知,50%水文年用水比预测用水量少用5502万m3;COD削减比例为41%,氨氮削减比例为83%.通过断面控制指标和区域控制指标的配合为流域管理和行政区管理相结合提供了依据.95%水文年情景下,规划协调方案到2005年八号桥断面水量为0.6亿m3;水质为Ⅳ类水标准,需要对上游各断面每年进行补偿9000万元,即满足断面规划水量、水质标准的单位水量价值1.50元/m3.95%水文年用水比预测用水量少用3428万m3;COD削减比例为64%,氨氮削减比例为92%.5模型结果分析(1)50%水文年下,通过比较延续发展方案和协调发展方案的模型结果,协调发展方案用水少、排污少且经济净效益更高,被确定为推荐方案.(2)50%水文年协调发展方案,与非合作现状比较,张家口市合作经济净效益增加了1.63亿元/a,模型结果说明可适当牺牲万全、宣化的农业地表水用量,增加响水堡断面和八号桥断面的环境容量;全区域合作经济净效益增加了8.10亿元/a,模型结果说明在确保三类水质的前提下,左卫、响水堡断面的农业用水向北京官厅的生活用水进行转移.(3)全区域合作达到了全局最优解,但上游主体利益受到损失,通过对上游各断面补偿单位水量价值(50%水文年为1.30元/m3,95%水文年为1.50元/m3),有助于保证主体之间合作的稳