時間：2011-08-29來源：中國農(nóng)村水利水電
摘要: 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市的擴張，格爾木市對水資源的需求量日益增加，合理開發(fā)配置水資源，維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境平衡，對格爾木市的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。在2006 年格爾木市水資源開發(fā)利用情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合格爾木市的發(fā)展規(guī)劃，預(yù)測了2010 年格爾木市的水資源供求關(guān)系。以生態(tài)效益和社會效益最優(yōu)化、經(jīng)濟效益最大化為目標(biāo)，提出了2010 年格爾木市水資源優(yōu)化配置方案。利用目標(biāo)規(guī)劃法建立了優(yōu)化配置模型，使用GLPS 軟件對模型進行了編程求解。結(jié)果表明: 該配水方案實現(xiàn)了各項預(yù)期目標(biāo)，滿足了2010 年格爾木市各部門的用水需求。最后，對格爾木市水資源發(fā)開利用提出了幾點建議。
關(guān)鍵詞: 優(yōu)化配置; 目標(biāo)規(guī)劃法; 水資源; 格爾木市; GLPS 軟件
中圖分類號: P641. 8 文獻標(biāo)識碼: A 文章編號: 1007-2284(2011) 02-0046- 04
Optimal Allocation of Water Resources in Golmud City
LI Ying-zhi1 , TONG Yuan-qing1 , ZHANG Sen-qi1 , LIU Zhen-ying2 , GUO Yan-wei1
Abstract: With the development o f cities, Golmud City demands more and mo re water resources. The allocatio n of water resources and protection of environment is very important to Golmud City. This paper predicts the water supply and demand of Golmud City in 2010, which is based on the development of water resources situation of Golmud City in 2006 and the development planning of Golmud City. The objective is to maximize economic and social benefits. The authors have presented the optimal allocation program of water resources of Golmud City in 2010, established an optimal allocation model of water with goal programming, solved the programming model by GLPS software. The results show that the program has not only achieved the goals set, but also met the water needs of various depart ments of Golmud City in 2010. Finally , some suggestions are made for the development of water resources of Golmud City in this paper.
Key words: optimal allocation; goal programming ; water resources; Golmud City; GLPS software
0 引言
格爾木市地處青藏高原東北部，轄區(qū)由柴達木盆地中南部和唐古拉山地區(qū)2 塊互不相連的區(qū)域組成，總面積11. 89 萬km2 。從1980 年建市至今，格爾木市迅速崛起為一個以鹽化、石化為支柱產(chǎn)業(yè)的新興工業(yè)城市。格爾木市市區(qū)位于格爾木河沖積平原上，城市總體規(guī)劃面積52 km2 。據(jù)資料，現(xiàn)市區(qū)建成面積32 km2 ，全市人口27 萬，其中城市人口占90%以上[1] 。
由于城市人口迅猛增長和工業(yè)高速發(fā)展，對當(dāng)?shù)厮Y源的需求量越來越大，水資源供需矛盾與水環(huán)境問題日益嚴重。合理開發(fā)利用水資源，支持國民經(jīng)濟的發(fā)展，保護當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境，對格爾木市的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。本文針對格爾木河流域范圍內(nèi)格爾木市市區(qū)進行水資源優(yōu)化配置研究。
1 格爾木市水資源概況
格爾木市位于柴達木盆地南緣的中部地區(qū)，南依昆侖山,北臨達布遜湖，平均海拔2 780 m，處于干旱荒漠區(qū)和半干旱荒漠區(qū)之間。該區(qū)氣候高寒干旱，少雨多風(fēng)，日照時間長，晝夜溫差懸殊，屬于典型的高原內(nèi)陸盆地干旱氣候。據(jù)格爾木與察爾汗氣象站資料，格爾木市多年平均氣溫4. 77℃，多年平均蒸發(fā)量2 626. 9 mm，多年平均降水量43. 4 mm。
格爾木市水資源比較豐富，主要來自于格爾木河。格爾木河發(fā)源于昆侖山北坡，上游的雪水河與昆侖河2 大支流在昆侖橋附近匯集以后，由南至北流經(jīng)格爾木市，最終注入達布遜湖(見圖1) 。格爾木河流域現(xiàn)有地表水資源7. 99 億m3 ，地下水資源6. 442 億m3，其中地表水資源與地下水資源重復(fù)量5. 99億m3 ，水資源總量為8. 442 億m3 。
圖1 格爾木河干流示意圖
Fig. 1 The Golmud river main diagram
根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，在不影響生態(tài)環(huán)境的前提下，流域水資源利用率一般不超過40%，我國多采用60% ~ 70%，但考慮到格爾木流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境比較脆弱，應(yīng)控制水資源利用率不超過45%[2] 。據(jù)統(tǒng)計，2006 年格爾木市總用水量2. 975 億m3 ，水資源利用率為35. 24%。格爾木市的水資源開發(fā)利用尚有一定得潛力。
2 格爾木市水資源供求分析
2. 1 格爾木市水資源供給分析
考慮到格爾木市污水處理廠于2007 年5 月正式投入運營，為格爾木市增加了可供利用的水資源。在2010 年格爾木市的可供水資源有地下水資源、地表水資源、回用水資源。
2. 1. 1 地下水開采量
格爾木市處于昆侖山前沖洪積平原上，山前巨厚的第四系含水層蘊含了豐富地下水資源，總量為6. 442 億m3。據(jù)統(tǒng)計,2006 年格爾木市地下水開采量為0. 287 億m3 ，只占地下水總資源量的4. 45%，總體開采程度較低。
目前，格爾木市地下水設(shè)計最大供水能力28. 41 萬m3 / d,水源地有市自來水公司二期水源地、鹽湖西水源地、鹽湖集團水源地、格爾木煉油廠生活水源地、鐵路水源地、大水溝、尕拉灘供水水源地、駐格部隊及零星分布的水源地。在現(xiàn)有水源地不增加的情況，格爾木市地下水最大開采量為1. 037 億m3 ，占地下水總資源量的16. 1%，尚有進一步增采的空間。
2. 1. 2 地表水可利用量
格爾木市地表水資源主要來自于格爾木河。格爾木河流域地表水資源總量為7. 99 億m3 ，其中格爾木河多年平均徑流量為7. 82 億m3 ，山前溝谷洪流量為0. 17 億m3 。現(xiàn)階段，格爾木市地表水資源的開發(fā)利用主要是通過渠道直接從格爾木河引水用于鹽湖工業(yè)、農(nóng)田灌溉、林地灌溉及城市環(huán)境用水。
考慮到格爾木河流域生態(tài)環(huán)境的脆弱性，參照國際標(biāo)準(zhǔn),格爾木河水資源開發(fā)利用率不得超過40%，即3. 128 億m3 ，否則會影響河流的生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，2006 年格爾木地表水資源的利用量為2. 69 億m3 ，占格爾木多年平均徑流量的33. 66%,尚有一定的開發(fā)潛力。
2. 1. 3 回用水資源量
格爾木市污水處理廠現(xiàn)已建成投產(chǎn)，其污水處理能力達5萬m3 / d。污水經(jīng)過二級處理后，可用于農(nóng)田灌溉和生態(tài)環(huán)境用水。2010 年格爾木市污水回用資源量為0. 18 億m3 。
2. 2 格爾木市水資源需求分析
2010 年格爾木市需水量包括生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)需水量和城市環(huán)境需水量。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，格爾木市的需水量也將不斷的變化。
2. 2. 1 生活需水量
格爾木市生活需水量包括城鎮(zhèn)生活需水量和農(nóng)村生活需數(shù)量。據(jù)資料，2006 年格爾木市區(qū)常駐人口16. 2 萬人，其生活用水1 031. 39 萬m3 ; 農(nóng)村人口3. 9 萬人，其生活用水量約為70 萬m3 。在第5 次人口普查的人口平均增長率上，2010 年格爾木市人口達到35. 08 萬人，其中城市人口占90%以上。在人均用水量維持2006 年水平不變的情況下，2010 年格爾木市生活需水量為0. 23 億m3 ，其中城鎮(zhèn)生活需水量為0. 223 億m3 ,農(nóng)村生活需水量為0. 007 億m3 。
2. 2. 2 工業(yè)需水量
格爾木市工業(yè)需水量包括一般工業(yè)用水和鹽湖工業(yè)用水。通過對格爾木市所屬大中型企業(yè)用水量和在建項目預(yù)計用水量的調(diào)查，確定格爾木市的主要工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)能力、用水量現(xiàn)狀指標(biāo)，來預(yù)測格爾木工業(yè)需水量。據(jù)統(tǒng)計，2006 年格爾木市工業(yè)用水量為0. 849 億m3 ，其中一般工業(yè)用水為0. 249 億m3 ,鹽湖工業(yè)用水0. 6 億m3 。預(yù)計到2010 年青海鹽湖集團二期工程建成投產(chǎn)，格爾木市工業(yè)需水量將達到1. 802 億m3 ，其中一般工業(yè)用水為0. 402 億m3 ，鹽湖工業(yè)用水1. 4 億m3 。
2. 2. 3 農(nóng)業(yè)需水量
格爾木市農(nóng)業(yè)需水量包括灌溉需水量、畜牧需水量。據(jù)統(tǒng)計，2006 年格爾木市灌溉定額為4. 065 m3 / hm2 ，灌溉水利用系數(shù)僅為0. 1，灌溉用水量為2. 058 億m3 ; 畜牧用水量為0. 003億m3 。
按照格爾木河流域水利綜合規(guī)劃，近期至2010 年格爾木灌區(qū)總面積0. 435 萬hm2 保持不變，灌溉定額為1. 4 萬m3 /hm2 ，灌溉水利用系數(shù)達到0. 5，農(nóng)業(yè)需水量為0. 591 億m3 。根據(jù)格爾木市限制大畜數(shù)量與限制存欄數(shù)狀況，預(yù)計2010 年格爾木市畜牧需水量為0. 006 億m3 。
2. 2. 4 城市環(huán)境需水量
格爾木市城市環(huán)境用水主要用于城區(qū)林地、植物園的灌溉用水。其由城市綠化渠年輸水，渠道設(shè)計流量0. 2~ 0. 3 m3 / s,輸水時間4- 10 月。按最大輸水量計，2010 年格爾木市的城市環(huán)境用水量為0. 062 億m3 。
3 格爾木市水資源優(yōu)化配置模型
3. 1 優(yōu)化目的
根據(jù)格爾木市生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和水資源開發(fā)利用程度，以維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境現(xiàn)狀不退化為原則，在合理開發(fā)利用地表水和地下水資源來滿足格爾木市發(fā)展和人民生活水平提高對水資源的需求的基礎(chǔ)上，通過水資源優(yōu)化配置，合理利用現(xiàn)有水資源，保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，實現(xiàn)社會效益最優(yōu)化和經(jīng)濟效益最大化的目標(biāo)。
3. 2 優(yōu)化方案
根據(jù)格爾木水資源開發(fā)利用規(guī)劃及現(xiàn)狀，制定2010 年格爾木市水資源優(yōu)化方案，以保證方案的合理性和可行性。
(1) 可持續(xù)性的發(fā)展鹽湖工業(yè)，維持鹽湖必要面積，必須保證格爾木河下游不斷流和入達布遜湖水量，應(yīng)充分利用地下水資源，以地表水資源作補充。
(2) 加大地下水資源開發(fā)力度，在不影響生態(tài)環(huán)境的前提下，激發(fā)各地下水水源地的開采潛力。把2010 年的格爾木市地下水最大開采量設(shè)置為2010 年格爾木市地下水開采量，即1. 037 億m3 。
(3) 在不影響生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，合理開發(fā)利用水資源。2010 年格爾木河流域資源開發(fā)利用率不超過為45%，即3. 799億m3 ，則2010 格爾木市地表水利用量不超過為2. 762 億m3 。(4) 假定2010 年格爾木市農(nóng)業(yè)灌溉用水全面實現(xiàn)了額定灌溉標(biāo)準(zhǔn)，則2010 年格爾木市農(nóng)業(yè)用需量為0. 597 億m3 。
(5) 生活用水全部由地下水提供，回用水全部用于城市環(huán)境用水。
(6) 工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、城市環(huán)境用水再由剩余的可供水資源進行優(yōu)化配置來進行調(diào)節(jié)。
(7) 加上鹽湖的狀況。
3. 3 變量設(shè)置
2010 年格爾木用水類型分為: 生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、城市環(huán)境用水。具體變量設(shè)置見表1。
表1 2010 年格爾木市可供水量優(yōu)化模型變量設(shè)置
Tab. 1 The variable optimization model for water of Golmud city in 2010
3. 4 約束條件
3. 4. 1 資源約束
地下水資源約束:
Q1 = X 11 + X 21 + X 31 + X 41 + d1+ - d1-
式中: Q1 為地下水可供資源量; d1+表示所用地下水資源量不足時與地下水可供資源量的差值; d1-表示所用地下水資源超過時與地下水資源量的差值。d1-、d1+都不小于0; d1+×d1-=0，以下情況的類似。
地表水資源約束:
Q2 = X 12 + X 22 + X 32 + X 42 + d2+ - d2-
回用水資源約束:
Q3 = X 13 + X 23 + X 33 + X 43 + d3+ - d3-
3. 4. 2 目標(biāo)約束
生活用水量:
Q4 = X 11 + X 12 + X 13 + d4+ - d4-
工業(yè)用水量:
Q5 = X 21 + X 22 + X 23 + d5+ - d5-
城市環(huán)境用水量:
Q6 = X 31 + X 32 + X 33 + d6+ - d6-
農(nóng)業(yè)用水量:
Q7 = X 41 + X 42 + X 43 + d7+ - d7-
投資費用:
M = m1 (X 11 + X 21 + X 31 + X 41) + m2 (X 12 + X 22 +X32 + X 42) + m3 (X 13 + X 23 + X 33 + X 43) + d8+ - d8-
式中: M 表示開發(fā)水資源總投資費用; m1 、m2 、m3 表示開發(fā)每立方米地下水、地表水、回用水的投資費用。
根據(jù)優(yōu)化方案，在各約束條件中，X 11 = 0. 23 億m3 ，X 33 =0. 062 億m3 ，X 43 = 0. 118 億m3 ，X 12、X 13、X23、X 31、X 32 均為0。
3. 5 目標(biāo)型態(tài)與優(yōu)先級別根據(jù)目標(biāo)規(guī)劃法，在表示目標(biāo)的過與不足的補助變量d-和d+ 的系數(shù)中，用- 1、0、1 的值適當(dāng)決定一個來表示各種型態(tài)。本次模型的目標(biāo)函數(shù)與目標(biāo)型態(tài)對應(yīng)方式見表2。
表2 目標(biāo)型態(tài)與目標(biāo)函數(shù)對照
Tab. 2 The table of target types and objective function
鑒于模型的約束條件，本模型的目標(biāo)型態(tài)與優(yōu)先級可以如下確定:
(1) 資源限制是最根本的，可供水量是有限的，把總用水量不能超過總供水量設(shè)置為第1 級目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為I類型，即P1 = d1+ + d2+ + d3+ 。
(2) 人民的生活用水必須保證，所以生活用水為第2 級目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為I類型，即P2 = d4-。
(3) 工業(yè)是促進國民經(jīng)濟增長的根本保障，故定為第3 級目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為I類型，即P3 = d5-。
(4) 由于城市環(huán)境用水量相比農(nóng)業(yè)用水很小，而且環(huán)境關(guān)系到人民的生活質(zhì)量，所以城市環(huán)境用水量設(shè)計為第4 級目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為I類型，即P4 = d6-。
(5) 隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)節(jié)水將有廣闊的前景,所以把農(nóng)業(yè)用水量設(shè)計為第5 級目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為I類型，即P5 = d7-。
(6) 把開發(fā)利用水資源的投資費用設(shè)計為第6 級目標(biāo)，要使水資源開發(fā)利用成本最低，目標(biāo)函數(shù)為I類型，即P6 = d 8+。
綜合上述分析，模型的目標(biāo)函數(shù)為:
Z = P 1 + P2 + P3 + P4 + P 5 + P6
4 優(yōu)化配置結(jié)果
利用GLPS 軟件對格爾木市水資源優(yōu)化配置模型進行編程求解。優(yōu)化結(jié)果見表3。
5 結(jié)果分析
通過上述的分析表明，在實現(xiàn)優(yōu)化方案的前提下，通過水資源合理配置，在保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，實現(xiàn)社會效益最優(yōu)化及達到經(jīng)濟效益最大化的基礎(chǔ)上，2010 年格爾木市水資源不但能夠滿足各部門的用水需求，而且還有剩余水資源量1. 288 億m3 (見表4) 。
表3 2010 年格爾木市水資源優(yōu)化結(jié)果
Tab. 3 The table of optimization results of water resources of Golmud City in 2010 億m3
表4 2010 年格爾木市水資源優(yōu)化配置成果
Tab. 4 The result table of optimal allocation of water resources of Golmud City in 2010 億m3
注: 可供水資源總量= 可供天然水資源量+ 回用水資源量= 3. 979 億m3; 優(yōu)化水資總源量= 地下水+ 地表水+ 回用水= 2. 691 億m3 ; 剩余水資源量= 可供水資源總量- 優(yōu)化水資總源量= 1. 288 億m3。
從表4 中可以推出:
2006 年農(nóng)業(yè)用水量- 2010 年農(nóng)業(yè)需水量> 剩余水資源量
由上式可知，格爾木市水資源合理發(fā)開利用的關(guān)鍵是農(nóng)業(yè)用水問題。如果不能盡快實現(xiàn)格爾木河流域水利綜合規(guī)劃中的灌溉定額和灌溉水利用系數(shù)，格爾木市農(nóng)業(yè)用水方式還是以大水漫灌為主不轉(zhuǎn)變，則2010 年格爾木市將面臨水資源短缺的狀況。
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，鹽湖工業(yè)的擴大，人口的急劇增加,城市范圍的擴張，格爾木市將會面臨更加嚴峻的水資源供需壓力。本文針對格爾木市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，提出一些合理開發(fā)利用當(dāng)?shù)厮Y源的建議，使有限的水資源最大限度地滿足人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和城市發(fā)展的需要。
(1) 加大農(nóng)業(yè)投入，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水，實施科學(xué)種田。2006 年格爾木的農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的66. 82%左右，具有很大的節(jié)水前景。
(2) 保護地表水資源，開發(fā)地下水資源。格爾木市擁有豐富的地下水資源，而總體開發(fā)利用程度較低。合理開發(fā)利用地下水資源，在豐水年或者汛期，進行地下水回灌，增加地下水的儲備量，能減少格爾木市地表水資源利用量，保護格爾木河流域生態(tài)環(huán)境，維持鹽湖水域面積。
(3) 繼續(xù)大力發(fā)展污水回用措施，增加污水的回用率，增加格爾木市水資源可利用量。大力發(fā)展節(jié)水型工業(yè)，提高工業(yè)用水的回用率，降低萬元產(chǎn)值耗水量。
(4) 加強群眾的節(jié)水教育，使人們在日常生活中節(jié)約用水,減少水資源在生活中浪費現(xiàn)象。
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作者簡介: 李穎智(1982-) ，男，工程師，碩士，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面研究。
