南水北调中线调水后汉江中下游地区水资源优化配置风险评估

南水北调中线调水后汉江中下游地区水资源优化配置风险评估

水资源优化配置作为水资源可持续利用和管理的重要组成部分，对确保生态环境的基本水资源需求，提高水资源充分利用效率，具有重要作用。以及水资源分配的效率和公平性。20世纪50年代以来,随着水资源系统分析理论和优化技术的不断发展,水资源优化配置理论取得了很大发展。如:王浩等基于宏观经济与水资源系统分析理论,提出了水资源“三次平衡”的配置思想,阐述了基于流域水资源可持续利用的系统配置方法;赵建世等提出了基于复杂适应系统的水资源多目标优化配置模型;陈守煜、崔振才等将模糊优选理论引入水资源管理中。总的说来,以往水资源优化配置研究多是针对确定性条件展开的。受水文气象、社会经济、生态环境等因素的影响,水资源实际供求关系具有很大的随机性。张秀菊、MinskerBS等、孙才志等虽然采用遗传算法、模糊集理论等对水资源配置过程中需水量、可供水量等不确定性问题进行了初步研究。冯尚友、ChangNi-Bin等采用随机规划方法对水资源系统中的不确定性问题进行了定量研究,但水资源合理配置可靠性等问题,尚待深入研究。本文针对南水北调中线调水95亿m3对汉江中下游地区水资源影响问题,从水资源配置风险分析出发,采用随机模拟等技术,探讨了水资源多目标优化配置风险分析问题。1水资源优化配置风险分析水资源优化配置是采用水资源系统分析与宏观经济分析等理论、方法和技术,通过节水、治污与水资源开发等工程与非工程措施,在满足生态环境基本用水需求条件下,对地表水与地下水等多种水资源在多地区、多用户及上下游之间进行合理分配,最大限度地实现水资源利用的效率与公平。因此,受不同降雨径流和地下水条件,不同的社会经济发展阶段与产业结构用水和节水水平,不同的工程与管理措施等影响,水资源优化配置方案及其效果可能不完全相同,存在一定的风险。水资源优化配置风险是指受水资源系统来用水及工程、管理等多种不确定性因素的影响,水资源配置达不到期望效果的可能性大小。考虑到影响水资源配置的因素有自然资源、生态环境、社会经济、工程技术、科技管理等多个方面,各方面之间又存在不同程度的相互关联与作用,有必要根据诸多影响因子属性不同进行适当归类,以识别其中可能导致水资源配置风险的关键性因子。为此,本文将水资源配置风险因子按自然条件、社会经济、工程技术、工程管理四个方面进行风险因子识别。(1)生态环境需水量与降雨径流之间的关系在水资源优化配置过程中,可能产生风险的自然条件主要有降雨、径流、地下水以及湿地、植被、水生生物等生态条件变化和水质、排污量、土壤盐渍化等环境条件变化,其中生态环境变化又与水资源变化之间存在复杂相关关系,可以用生态环境需水量来反映,而生态环境需水量与降雨径流之间存在一定关系。因此,提出可以用降雨径流量作为影响水资源配置效果的关键性自然条件因子。(2)水资源配置方案的影响因素人类社会经济活动的不确定性是导致水资源配置风险的重要因素之一,其中人口规模、产业结构、生活及工农业用水水平、节水水平、排污量及其处理能力则是影响水资源配置方案及效果的重要因子。考虑到在一定发展阶段和社会经济政策下,人口自然增长率与产业结构及工业、生活用水节水与污水处理水平相对稳定,农业用水则受降雨气候、种植面积、节水措施等因素的影响而在年内、年际之间具有一定的随机不确定性,故提出以农业用水量作为影响水资源配置风险的关键性因子。(3)雨洪利用与类别水利用工程工程措施是实现水资源配置效果的重要途径之一。通常,影响水资源配置方案及效果的主要工程措施有地表供水工程、地下水供水工程、调水工程、雨洪利用工程、劣质水利用工程等。受区域或流域水文气候、地质地理、工程难易程度、经济合理性与防洪、生态安全等因素的影响,雨洪利用与劣质水利用工程目前尚处于试验研究阶段,地下水与地表水工程虽然也受水文气候等因素影响,但一旦建成,则往往会因其一定的调节性能而具有相对稳定的供水能力。因此,区域调入与调出的水资源量多少将直接影响到水资源配置方案及效果,由此而成为可能导致水资源配置风险的关键性工程因子。(4)初始水权不明确加强水权、水价及信息化管理是实现水资源优化配置的有效手段。但受经济、技术、观念等多种因素的影响,目前我国初始水权尚不明确,水价体制与机制并不完善,信息化技术远未普及,上述因素虽然可能导致水资源配置风险,但目前还难以准确描述,故暂不考虑。2多目标情景分析根据上述风险因子分析可知,径流量、农业用水及区域调入、调出水量是影响水资源配置风险的主要因素,而调入调出水量与调水工程建设与否、规模大小等因素有关,可以采用多方案模拟办法通过多目标情景分析来识别其风险值大小。这里重点描述径流来水量与农业需水过程的随机模拟分析方法。采用Monte-Carlo随机模拟技术进行风险因子模拟。2.1各随机数的生成对于年径流量等水文变量的分布,我国一般采用P-Ⅲ型分布,可以用舍选法生成P-Ⅲ型随机数。计算方法如下:xt=α0+1β(1-|α|∑k=1lnuk-Btlnu|α|+3),(t=1,2,⋯)(1)其中:α=4C2s,β=2ˉxCvCs,α0=ˉx(1-2CvCs)(2)式中:[α]为等于或小于α的最大整数;xt(t=1,2,…)为所需生成P-Ⅲ型分布的第t个随机数;uk(k=1,2,…,[α]+3)为[0,1]均匀分布随机数:ˉx、Cv和Cs由实测年径流序列按常规水文计算方法(适线法)进行水文频率计算得出。参数Bt按下式计算:Bt=u1/r[α]+1u1/r[α]+1+u1/s[α]+2(3)式中:u[α]+1和u[α]+2为一对随机数;r=α-[α],s=1-r。在模拟时,式(3)中的分母(u1/r[α]+1+u1/s[α]+2)≤1,否则舍去,重新取一对伪随机数计算,直到满足要求为止。2.2灌溉、灌溉水管理农业需水与灌溉面积、灌溉定额、灌溉水利用系数等密切相关。灌溉定额主要与降雨频率有关,其确定方法是对随机生成的年来水系列进行判断,选择与其最接近的实测年径流量,该实际年份的灌溉定额也对应为模拟规划年的灌溉定额。灌溉面积、灌溉水利用系数等随机变量较难确定其客观分布,可通过查询相关规划报告或采用专家调查法确定其最可能取值和最大最小取值,以三角分布来模拟。同样,其它随机变量(如工业产值增长率、年均人口增长率等)均采用三角分布。3生态性破坏在传统经济发展模式下,水资源的开发利用单纯追求经济效益,以牺牲环境质量和无节制消耗水源为代价,造成了社会效益的破坏,这与时代发展要求水资源可持续利用是相悖的。同时追求经济效益、社会效益和生态环境效益的综合效益是水资源可持续利用的根本目标。3.1目标函数设流域划分为K个子区,k=1,2,…,K,子区k内有I(k)个供水水源,J(k)个用水部门。(1)子区子区用水部门j的供水量f1(X)=maxΚ∑k=1GDΡw(k)(4)式中:GDPw(k)为水资源优化配置对第k子区GDP的净贡献值,在水资源规划与管理中采用GDP与用水量之间的线性关系表示(数据统计分析其线性拟合的复相关系数r2>0.8)。GDΡw(k)=J(k)∑j=1φj⋅(ωk⋅Bkj⋅gdpj⋅Ι(k)∑i=1αkixkij)(5)式中:J(k)为子区k内对GDP有贡献的用水部门的集合;φj为用水部门j的供水效益分摊系数,一般农业为0.25～0.60,工业为0.08～0.12,根据具体情况分析确定。ωk为子区k权重系数,可采用AHP法求得;Bkj为子区k用水部门j的单位水量产值系数,对工业用水部门可用万元GDP用水定额推求,对农业用水部门可采用灌溉定额和灌溉增产效益推求;gdpj为用水部门j的GDP贡献占产值的比例系数,可采用区域统计年鉴推求;xkij供水水源i向子区k用水部门j的供水量;αki为子区k供水水源i供水次序系数。(2)水公平性的确定社会效益主要考虑公平性,供水公平性可借用经济学中“基尼系数”的概念来度量。根据基尼系数的含义,可通过考察各区域各用水部门间供需水比值的差异反应供水公平性,定义社会效益目标为f2(X)=min{Κ∑k=1m∑j=1(Κ∑k′=km∑j′=1(|W(k,j)/D(k,j)-W(k′,j′)/D(k′,j′)|Κ⋅m⋅Μ))}(6)式中:W(k,j)为子区k用水部门j的供水量(万m3);D(k,j)为子区k用水部门j的需水量(万m3);K为子区总数;m为用水部门总数;k,k′分别表示子区k,k′;j,j′分别表示用水部门j,j′;M表示所有子区和用水部门的供水量与需水量比值之和。(3)dkjpkjkif3(X)=minΚ∑k=1J(k)∑j=10.01⋅dkjpkjΙ(k)∑i=1xkij(7)式中:dkj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;pkj为k子区j用户污水排放系数。3.2合同规定水资源配置过程需要受到供水约束、需水约束和变量非负三种约束条件。(1)供水限制J(k)∑j=1xkij≤Wki(8)式中:Wki为水源i分配给k子区的可供水量。(2)需要水的限制Dkjmin≤Ι(k)∑i=1xkij≤Dkjmax(9)式中:Dkjmin、Dkjmax分别表示k子区j用户的最小、最大需水量。(3)变量的负束性能xkij≥0(10)(4)其他限制针对具体情况,可增加其它约束。如投资约束、水质约束等。3.3环境效益风险设随机试验次数为N,分别统计配置方案中社会效益、经济效益、环境效益小于确定方案(不考虑风险因子的随机性,取确定的值)对应效益的次数:Ns,Neco,Nenv,计算Ns/N,Neco/N,Nenv/N,当样本容量N足够大时,可以认为配置的社会效益、经济效益、环境效益风险分别为Ns/N,Neco/N,Nenv/N。具体配置风险分析流程如图1所示。4模拟结果及分析汉江是长江流域的最大支流,发源于秦岭南麓,于武汉市龙王庙汇入长江干流,干流全长1577km。通常以丹江口以上江段为上游,丹江口至钟祥碾盘山之间为中游,碾盘山以下为下游。随着社会经济的快速发展,汉江中下游地区需水量呈逐年递增的趋势,各分区各用水部门用水竞争激烈,南水北调中线调水95亿m3后,使本来紧缺的水资源更加难以满足社会经济发展对水资源的需求。通过水资源优化配置,对实现汉江中下游的协调发展十分必要。但受自然条件、社会经济、工程技术、工程管理等多方面风险因子的影响,任何一种优化配置方案,能否获得预期的效果都存在一定的风险。本次研究主要考察2010年水平年丹江口水库调水95亿m3后汉江中下游水资源不同配置方案的风险。为便于计算,结合汉江中下游地区的行政和水利区划,将汉江中下游分解成15个子系统(图2)。本次计算根据现状年(1997)社会经济资料,通过对规划水平年2010年多种可能的风险进行组合,推求水资源配置方案的风险。通过查询湖北省经济社会发展指标预测专题报告,整理得出模拟过程中的主要风险因子及其概率分布(为简化计算,主观概率无特别说明均采用三角分布)。地表水资源量采用P-Ⅲ型分布,地下水资源量开采较少,暂不考虑。其它随机变量采用主观概率分布,部分随机变量相应参数见表1。其他随机变量如各子区当地地表径流供水能力、汉江取水能力及各区各部门供水效益系数及排污系数等随机变量分布参数因数据较多,限于篇幅,这里不一一列出。采用Monte-Carlo随机模拟技术,生成10000组风险因素集,结合水资源优化配置模型,计算不同风险因素组合下的经济、社会和环境效益,计算结果如图3～图5所示。求得各单目标效益值后,需求综合效益的分布,为此,将各效益归一化。对效益值越大越好的指标(如经济效益),计算公式为:ri=(xi-min(X))/(max(X)-min(X)),对于效益值越小越好的指标(如排污量,缺水量),计算公式为:ri=(max(X)-xi)/(max(X)-min(X)),其中,X为效益序列,xi为序列中的第i个值,ri为归一化后的值,max(X)、min(X)分别为序列X的最大、最小值。综合效益由标准化的经济效益、社会效益和环境效益加权和得到,根据以往经验,经济效益、社会效益和环境效益权重分别定为:0.5,0.2,0.3,得到综合效益的分布如图6所示。在获得各效益分布后,按前述配置风险方法进行配置风险统计,计算不同工程规模(引江350个流量,不引江),不同来水频率下的确定方案配置风险,结果如表2所示。由表2可知,风险值越大,说明受各种不确定因素综合影响,达到该期望效益的可能性越小。可以看出,不引江方案,随着来水频率的增加,配置的综合风险呈减小的趋势,如果决策者对2010年按照95%来水频率进行配置,有99.9%(=1-0.001)的可能性满足综合效益要求,风险较小;若选择25%来水频率方案进行配置,则只有30.87%的可能性达到综合效益值