膠東地區跨流域調水優化配置研究

張鍇慧　王好芳　張澤玉

摘要：膠東地區是嚴重缺水地區，近年來隨著城市人口不斷增長，工農業生產和經濟快速發展，缺水問題越來越突出。以膠東地區缺水較為嚴重的濰坊、青島、煙臺、威海四個地市為研究區域，結合引黃濟青工程和南水北調東線工程實施跨流域調水，緩解供需矛盾，以2020年和2025年為規劃水平年，基于水量平衡分析，構建以缺水量最小和調水工程效益最大為目標的多水源多目標優化配置模型，確定調引不同水源（黃河水，黃河水和長江水）時的水資源優化配置方案。配置結果表明：只調引黃河水，受水區不同規劃年的缺水量分別降低14%～83%、10%～31%；同時調引黃河水和長江水，受水區不同規劃年的缺水量分別降低28%～81%、19%～53%?？梢妰灮渲梅桨缚梢杂行Ь徑饽z東地區水資源緊缺狀況和供需水矛盾，為膠東地區的可持續發展奠定基礎。

關鍵詞：跨流域調水；供需平衡分析；保證率；多目標；水資源優化配置；受水區

中圖分類號：TV213；TV68文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02010008

Abstract：The shortage of water resources in Jiaodong area is becoming increasingly serious with the expansion of urban population and the rapid development of industrial and agricultural production and economy in recent years.The four cities with serious water shortage in Jiaodong area （Weifang，Qingdao，Yantai，and Weihai） were taken as the study areas.Interbasin water transfer was implemented based on the East Route of SouthtoNorth Water Transfer Project and the project of water diversion from Yellow River to Qingdao so as to alleviate the contradiction between supply and demand.The years of 2020 and 2025 were taken as the planning years.According to the water balance analysis，we built a multiwater source，multiobjective optimal allocation model that aimed for minimum water shortage and maximum benefits of the water transfer projects，and we determined the optimal allocation scheme for different water sources （Yellow River，Yellow River and Yangtze River）.Results showed that when water was transferred from Yellow River alone，the water shortage in the waterreceiving area would decrease by 14%83% and 10%31% respectively in different planning years；when water was transferred from both Yellow River and Yangtze River，the water shortage in the waterreceiving area would decrease by 28%81% and 19%53% respectively in different planning years.The optimal allocation scheme can effectively alleviate the contradiction between water supply and demand and alleviate the shortage of water resources in Jiaodong area，and thus lay the foundation for sustainable development in Jiaodong area.

Key words：interbasin transfer；balance analysis between water supply and demand；assurance rate；multiobjective；optimal allocation of water resources；waterreceiving area

水資源優化配置是在特定流域或區域內，以可持續發展戰略為基本原則，對有限的、不同形式的水資源，在各受水區域之間及受水區域的各用水部門之間通過工程與非工程措施進行的科學分配[12]。我國行政區劃30%以上地區區域發展與當地水資源量極不匹配，水資源已經成為我國社會經濟發展的嚴重制約因素，實施水資源優化配置對解決水資源短缺及促進經濟發展具有重要作用[3]。我國水資源優化配置存在層次性的發展變化，由“以需定供”、“以供定需”到基于宏觀經濟的水資源優化配置、可持續發展的水資源優化配置不斷優化，為解決區域水資源緊缺問題提供了理論研究方法[46]。第16卷 總第95期·南水北調與水利科技·2018年4月

張鍇慧等·膠東地區跨流域調水優化配置研究

膠東地區水資源緊缺，一方面，膠東地區水資源具有人均占有量少，時空分布不均勻等特點[7]；另一方面，隨著膠東地區經濟快速發展，用水量急劇增長，水供需矛盾突出，使有限的水資源更趨緊張[8]。山東省膠東調水工程是一項跨流域、遠距離的大型調水工程，具備了跨流域調水的條件，通過對長江水、黃河水、當地水的聯合優化配置，實現緩解膠東乃至山東省的水資源緊缺局面。因此，為了解決膠東地區水資源緊缺問題、提高水資源的有效利用率、保障社會經濟與生態環境的協調發展和促進調水工程的整體效益和可持續發展能力，開展膠東跨流域調水優化配置提供了有效途徑。該優化配置涉及到部門和地區多個決策主體，近期與遠期等多個決策時段，社會效益和工程效益多個決策目標，是一個多階段、多目標的決策問題。以膠東地區缺水尤為嚴重的四個地市濰坊、青島、煙臺、威海為研究對象，以2014年為基準年，2020年、2025年為規劃年，以缺水量最小和工程效益最大為目標建立多目標、多水源的優化配置模型并對其進行優化配置。

1研究區域概況

濰坊、青島、煙臺和威海四個地市分別位于山東省膠東半島的西部、南、中、和東部，煙臺東連威海，西接濰坊，西南與青島毗鄰。膠東調水工程是國家南水北調東線工程的重要組成部分，包括引黃濟青工程和膠東引黃調水工程[9]。從濱州市打漁張引黃閘引黃河水，輸送至威海米山水庫，涉及濱州、東營、濰坊、煙臺、威海、青島6個地市，與南水北調山東段其他工程共同形成南北貫通、東西互濟的“T”字型調水大動脈，使受水區具備跨流域調水的條件。

研究區多年平均降水量654.0 mm，年內降水分配不均，主要集中于汛期7月-9月，約為全年降水量的60%～80%，汛期降水又多集中于幾場暴雨之內，降水年際間變化較大。目前水資源緊缺，供需矛盾突出，使有限的水資源更趨緊張，2014年，研究區人均年供水量266.3m3，為資源型缺水地區。而且水資源利用率為55.4%，開發利用程度較高，繼續開發潛力有限，當地水資源難于支撐受水區社會經濟的持續發展。因此，需要調水，緩解水資源供需矛盾。

2水資源供需平衡分析

山東省膠東調水工程的跨流域水資源優化配置是涉及多個地市、多水源、多用水戶的調水優化問題。研究區域選取膠東地區缺水較為嚴重的四個地市（濰坊市、青島市、煙臺市、威海市）；各受水區水源種類眾多，既有地表水、地下水、非常規水源（中水回用、雨水集蓄、海水淡化等），又有客水（黃河水和長江水）；用水戶包括生活、生產和生態等。因此，為了更好地實現調水工程四個受水區調水量的合理分配，需在不同規劃年對不同水源進行水量平衡分析。在此基礎上，進行多目標水資源優化配置。

2.1水量供需平衡分析

通過研究區域不同規劃年的可供水量和需水量預測并進行水量平衡分析?？晒┧糠治霭ǖ乇硭?、地下水、非常規水源利用和客水調水分析，對于不同水源分別計算各保證率（50%、75%、95%）下的可供水量，求得總可供水量。需水量包括生活、農業、工業、城鎮公共和生態環境需水五部分，分別利用指標分析法以2014年為基準年對不同用水戶進行2020年和2025年的需水量預測。

2.1.1供水分析

可供水量是指在可預見的時期內，在統籌考慮生活、生產和生態環境用水的基礎上，通過經濟合理、技術可行的措施可供河道外一次性利用的最大水量（不包括回歸水重復利用量）[10]。

根據山東省統計年鑒及統計網，地表水和地下水可供水量分析以1995-2014年長系列的地表水資源量和地下水資源量的資料為基礎，運用皮爾遜Ⅲ型曲線，確定不同頻率下的水資源量，同時考慮受水區的水利工程情況和水資源利用率，進一步確定可供水量[11]；非常規水源一方面考慮中水、雨水及海水的利用情況，另一方面考慮更新改造、續建配套現有水利工程及規劃的水利工程對中水、雨水及海水的利用情況進行預測；客水可供水量根據山東省發展計劃委員會文件中各市調引客水的指標確定[1213]。

在現狀年和規劃年不同水源組合情況下對各個保證率的可供水量進行計算，其中只考慮當地水源和非常規水源時可供水總量見表1。

2.1.2需水量分析

受水區需水量預測主要采用定量預測法，目前需水量定量預測方法可以分為兩大類，數學模型法和定額法，根據對數據處理方式的不同數學模型方法具體分類[1415]，根據國家《水資源供需預測分析技術規范（SL 429-2008）》，本文主要以定額法和趨勢法為主，結合其他方法綜合確定[1617]。根據山東省統計年鑒[18]及統計網1995-2014年長系列的需水情況對受水區分別需水預測。需水預測包括生活、生產和生態環境需水預測三部分。生活用水分別按照城鎮及農村的人口自然增長率預測規劃年的人口，從而采用定額法計算規劃年生活需水量；生產用水包括工業、農業和城鎮公共用水，通過對規劃年工業產值及工業萬元產值取水量的預測值確定工業需水量，通過對農業不同種類農田實灌溉面積和灌溉定額的預測值進行農業需水預測；生態用水和城鎮公共用水采用趨勢分析法預測?？傂杷款A測值符合山東省不同水平年用水總量控制指標，膠東地區受水區總需水量計算結果見表2。

2.1.3供需平衡分析

根據上述需水量和可供水量的預測結果，分別對四個地市的現狀年和規劃年的不同水源組合情況分別進行供需水平衡分析，其中只考慮當地水源和非常規水源時現狀年和規劃年的分析結果見表3。

從表3可以看出，2014年受水區缺水情況顯著。50%頻率下研究區域缺水率為191%，缺水量為10億m3，濰坊和青島缺水較為嚴重；75%頻率下研究區域缺水率為290%，缺水量為155億m3，四個地市缺水率均接近30%；95%頻率下研究區域缺水率為328%，缺水量達到175億m3，四個地市缺水率均在33%左右。

在2020年50%頻率下研究區域缺水率為353%，缺水量為1704億m3；75%頻率下研究區域缺水率為435%，缺水量達到2104億m3；95%頻率下研究區域缺水率為535%，缺水量達到2585億m3。2020年四個地市在各頻率下均缺水，50%頻率下青島市和濰坊市相對缺水嚴重，75%頻率下各地市存在不同程度的缺水，95%頻率下四個地市缺水嚴重，缺水率均超過45%。

在2025年50%頻率下研究區域缺水率為441%，缺水量為2529億m3；75%頻率下缺水率為510%，缺水量為2929億m3；95%頻率下缺水率為594%，缺水量達到3409億m3。同比2020年缺水量顯著增加，缺水率升高，當地水和非常規水源明顯不能滿足受水區的需水需求。

3調水優化配置模型

膠東調水工程是針對膠東地區水資源緊缺，緩解當地水資源供需矛盾而建設。首先考慮緩解當地的水資源短缺問題和提高水資源的利用效率，同時又為提高跨流域調水工程的整體效益和可持續發展能力，實現其運行及設計功能，因此，調水優化配置的首要目標是受水區缺水量最小，以工程效益最大為次要目標[19]；不同規劃年供水均按照現狀年的黃河水和長江水量分配的引水指標約束，需水考慮不超過缺水量，同時要滿足基本生活用水需求，因此建立供水、需水約束條件和非負條件。

3.1參數確定

3.1.1供水上限

受水區調引客水水源為黃河水和長江水。受水區調引黃河水和長江水的分配指標作為供水量上限。根據山東省發展計劃委員會文件[20]中各市調引客水的指標見表4。

3.1.2需水上下限

由表3中受水區不同規劃年不同保證率下的缺水量Qi1（i=1，2，3，4）作為四地市對客水的需水量上限，考慮到優先滿足居民生活用水需求，四個地市生活需水量Qi2（i=1，2，3，4）作為需水量下限值，若當地水資源能夠滿足生活需水時，Qi2（i=1，2，3，4）調整為0。需水量上下限見表5。

3.1.3水價與運行費

因各分水區水價不同，所以在構建模型時通過考慮向四個地市的分水區調水建模，調引黃河水和長江水的各分水區的水價分別為Cij、Eij，調黃河水和長江水運行費用分別為Hij、Dij 。根據山東省物價局文件，受水區調引客水的水價與運行費見表6。

針對當地水、非常規水和黃河水的水源組合構建優化配置模型（LUCY），針對當地水、非常規水、黃河水和長江水的水源組合構建優化配置模型（LUCYY）。

3.2模型LUCY

3.2.1目標函數

4優化配置結果

利用LINGO求解多目標函數模型，進行不同水源在受水區之間的水資源優化配置——山東省膠東受水區不同規劃年（2020年、2025年）不同水源不同保證率（50%、75%、95%）下的水資源優化配置方案，求出最優解，優化配置結果見表7、表8。

5優化配置結果分析

通過上述膠東調水優化配置結果，在現有工程條件、不超過供水指標的前提下調引黃河水和長江[CM（22]水使濰坊、青島、煙臺、威海缺水量減少，缺水率降[CM）]

低，同時實現工程效益最大化。也表明目前研究區域缺水量大于黃河和長江水分配的調水指標，供水按照指標調水明顯不能滿足當地的缺水。膠東調水優化配置后，不同水源情況下各個規劃年不同保證率的缺水量見表9、表10。

通過表10和表3對比分析可知，同時調引黃河水和長江水后膠東受水區規劃年的缺水量均降低，在2020年，濰坊市在各保證率下缺水量分別降低近56%、47%、44%；青島市在各保證率下缺水量均降低49%；煙臺市在50%保證率下不缺水，75%和95%保證率下缺水量分別降低81%、42%；威海市在50%保證率下不缺水，75%和95%保證率下缺水量分別降低46%、28%。在2025年，濰坊市在各保證率下缺水量分別降低47%、40%、38%；青島市在各保證率下的缺水量均降低近37%；煙臺市在各保證率下的缺水量分別降低近53%、43%、29%；威海市在各保證率下的缺水量分別降低近46%、27%、19%。

6結語

6.1結論

結合膠東調水工程的實際情況，通過對調水系統的概化，基于受水區水資源供需平衡分析，以受水區缺水量最小、工程效益最大為目標，構建了膠東調水工程的水資源多目標優化配置模型，并進行跨流域水資源優化配置，確定優化配置方案。結論如下。

（1）供需平衡分析結果為：在考慮當地水、非常規水源、黃河水和長江水不同組合情況下，四個地市在2014年、2020年與2025年分別存在不同程度的缺水?？紤]當地水源和非常規水源情況下，研究區域在50%、75%和95%不同保證率下，2014、2020和2025年缺水量分別為10億m3、155億m3、175億m3 和1704億m3、2104億m3、2585億m3與2529億m3、2929億m3、3409億m3。

（2）不考慮長江水時，通過優化配置，50%、75%和95%不同保證率下，2020年與2025年濰坊市、青島市、煙臺市和威海市的缺水量分別降低42%～50%、32%、25%～77%、14%～83%與31%、24%、17%～31%、10%～23%。

（3）考慮長江水時，通過優化配置，50%、75%和95%不同保證率下，2020年與2025年濰坊市、青島市、煙臺市和威海市的缺水量分別降低44%～56%、49%、42%～100%、28%～100%與38%～47%、37%、29%～53%、19%～46%。

由此可見，優化配置方案有效緩解膠東地區水資源短缺狀況和供需矛盾，在現行工程條件、水質滿足要求的前提下配置方案應用于膠東調水工程，具有重要的應用價值。

6.2展望

目前為了滿足膠東調水局的實際調水需要，規劃年只考慮了現行供水指標進行調水研究，未考慮不同來水情況供水指標的調水。

（1）受水區缺水量較大，目前的調水指標不能滿足規劃年的用水需求，為滿足規劃年的用水需求，需要擴大調水工程規模、增加客水分配指標。

（2）參考同比例豐增枯減原則對不同情況下的供水指標進行調整，深入開展調度研究。

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