1 绪论
1.1 研究背景及意义
水资源既是人类生存和社会发展不可或缺的自然资源，又是战略性的经济资源。随着社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对水资源的需求量越来越大，但可供利用的淡水资源却是有限的，同时由于水资源时空分布不均匀、用水浪费现象突出和开发利用不合理等原因，导致经济社会用水大量挤占生态环境用水，水资源供需矛盾日益凸显[1-3]。目前水资源短缺已经成为制约我国经济社会可持续发展的主要因素。 水资源优化配置正是针对水资源短缺和用水竞争问题提出的，在一个特定的流域或区域内，它能通过工程和非工程措施并举，对有限的、不同形式的水资源进行科学合理的分配，其最终目的就是实现水资源的可持续利用，促进社会经济、生态环境和水资源的协调发展[4]。可见水资源优化配置是缓解我国水资源危机，实现经济社会可持续发展的有效途径。 平顶山市位于河南省中南部，是我国重要的能源基地，也是豫南地区的中心城市之一。经过几十年的建设，平顶山市已经发展成为以能源、原材料工业为主体，煤炭、电力、钢铁、纺织、化工等工业综合发展的新兴工业城市。目前，平顶山市正处于快速推进工业化和城镇化的关键时期，对水资源的需求量不断增加，然而，平顶山市水资源却相对短缺，全市人均水资源占有量为 430m3，仅
为我国人均水平的五分之一，且远低于联合国规定的 1000m3的人均占有量贫困线，属于水资源相对短缺地区，城市不断增长的用水需求与匮乏的水资源之间形成了尖锐的矛盾。 近年来，随着城市规模的不断扩大和社会经济的快速发展，平顶山市水资源问题日益凸显，主要表现在以下几个方面：一是水资源在各县市之间分布不均。平顶山市多年平均水资源量为 18.04 亿 m3，其中鲁山县水资源量最多，为7.51 亿 m3，占全市水资源总量的 41.7%；石龙区水资源量最少，为 0.07 亿 m3，仅占全市水资源总量的 0.4%。二是用水结构不合理，水资源浪费现象较为突出。现状年农业用水占总用水量的比重较大，灌溉水利用系数仅为 0.5 左右，与国际先进水平相比存在较大差距；2013 年万元工业增加值用水量为 53m3/万元，远高于 2015 年平顶山市用水效率控制目标，有较大的节水空间。三是地下水超采严重。由于地表水资源不足和地下水开采管理制度相对不完善，部分县市过度开采地下水，导致地下水位下降，目前平顶山市已形成了枣林乡-八台镇漏斗区，该漏斗区中心水位埋深为 16.45m，多年平均超采地下水约 876 万 m3。四是河道水体污染严重。该市灰河、净肠河以及湛河的中下游河道水质均为超Ⅴ类，已形成排污沟，失去了使用功能，据调查，为维持湛河的生态景观价值，每年需从白龟山水库引水 3000 万 m3用于稀释冲污。以上问题更进一步加剧了平顶山市水资源的紧缺状况，水资源短缺已严重影响了该市经济社会的可持续发展。特别是 2014 年，平顶山市遭遇了 40 年来最严重干旱，更凸显了目前该市水资源供需可能面临的严峻形势。因此，如何对平顶山市水资源进行合理、高效的配置，使之最大程度地满足社会经济和生态环境的用水需求，成为了社会关注的热点问题。
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1.2 国内外研究现状
国外以水资源系统分析为手段，水资源合理配置为目的的各类研究工作，始于 20 世纪 40 年代 Masse 提出的水库优化调度问题[7]。1960 年，来自美国科罗拉多[8]几所大学的学者对计划需水量的估算及满足未来需水量的途径进行了研讨，体现了人类最初的水资源优化配置思想。 20 世纪 70 年代以后，伴随数学规划、计算机技术和模拟技术的发展及其在水资源领域的应用，水资源优化配置的研究成果不断增多。美国麻省理工学院（1979）采用多目标规划理论以及水资源规划的数学模型对 Rio Colorado 流域的水资源利用问题进行了模拟研究，取得了良好效果[9]。Pearson[10]等（1982）利用多个水库的控制线，采用二次规划方法对英国 Nawwa 区域的用水优化分配问题进行了研究；同年，荷兰学者 E.Romijn.M.Taminga[11]在考虑水的多功能性和多种效益关系的基础上，建立了 Gelderlandt Doenthe 的水资源量分配的多层次模型，该模型强调了决策者和科技人员间的合作。G.Yeh[12]（1985）对系统分析方法在水库调度管理中的应用成果进行了全面回顾，将系统分析在水资源领域的应用分为动态规划、线性规划、非线性规划和模拟技术等。willis[13]（1987）以供水费用最小或在供水不足情况下缺水损失最小为目标，采用线性规划方法求解了一个地表水库与四个地下水含水单元构成的地表水、地下水运行管理问题。 到了 20 世纪 90 年代，水资源优化配置研究进入了一个相对成熟的阶段。在这个阶段，国外学者开始将水质约束和水资源环境效益纳入到水资源优化配置模型中。Pingry[14]等（1991）建立了水量水质联合调度决策支持系统，系统中涉及取水、用水、循环利用及污水处理等环节，有效解决了在水量配置和污染物处理水平都是变量的情况下，如何协调水资源配置规划和水污染处理规划的问题。Afzal，Javaid[15]等（1992）针对 Pakistan 某个以有限运河水和劣质地下水为主要供水水源的灌溉系统建立了线性规划模型，该模型可对不同水质的水量使用问题进行优化计算。Watkins，David W.Jr[16]（1995）介绍了一种伴随风险和不确定性的可持续水资源规划模型框架，建立了有代表性的水资源联合调度模型；同年，R.A.Fleming 和 R.M.Adams[17]以经济效益最大为目标，以地下水开采量为决策变量，建立了地下水水质水量管理模型。Carios Percia 和 Gideon Oron[18]（1997）在考虑不同用水部门对水质的不同要求基础上，建立了以色列南部 Eilat地区的地表水、地下水、再生水等多种水源的联合管理模型；同年，Wong，Hugh S.[19]等提出了支持地表水、地下水、外调水等多种水源联合运用的多目标、多阶段优化管理模型的原理和方法。Kumar，Arun[20]等（1999）建立了污水排放模糊优化模型，随后又提出了一个所有污水排放非歧视性可替代方案，以解决不同行业排放量与污水处理水平不一致的问题。在这期间还出现了一些新的优化算法，如遗传算法、模拟退火算法等，这些算法开始在水资源优化配置中得到应用，并在应用过程中被逐渐改进和完善。
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2 平顶山市水资源系统分析及概化
2.1 平顶山市概况
平顶山市位于河南省中南部，西靠伏牛山脉，东接黄淮平原，南临宛襄盆地，北连嵩箕山系，地理坐标为东经 120°14'—133°45'，北纬 33°08'—34°20'。地势西高东低，呈阶梯状递降，海拔最高 2153.11m，最低 68.5m。全区总面积为6309km2，行政区划包括平顶山市市区及所辖的 1 个市、4 个县和 1 个区，分别为平顶山市区、舞钢市、宝丰县、叶县、鲁山县、郏县和石龙区。 平顶山市是我国重要的能源基地，也是豫南地区的中心城市之一。经过几十年的建设，平顶山市已经发展成为以能源、原材料工业为主体，煤炭、电力、钢铁、纺织、化工等工业综合发展的新兴工业城市。2013 年平顶山市总人口430.98 万人，常住人口 402.45 万人，其中非农业人口 194.74 万人，农业人口 207.71万人，城镇化率为 48.39%。国内生产总值为 1226.2 亿元，其中一产增加值 123.6亿元，二产增加值 729.5 亿元，三产增加值 373.1 亿元，三产结构比例为10.1:59.5:30.4，人均 GDP 为 28452 元[48]。 平顶山市多年平均（1956-2010 年）降水量为 859.7mm，自东南部的鲁山山区和舞钢市向东北平原逐渐递减，各地分布不均，多年平均降水量变幅多在666.5mm~1000.0mm 之间。年内降水主要集中在汛期，季节性变化十分明显，多年平均汛期（6-9 月）降水量为 400~700mm，占全年降水量的 42.6%~86.8%。 平顶山市多年平均水资源量为 18.04 亿 m3，其中地表水资源量为 14.96 亿m3，地下水资源量为 6.45 亿 m3，地表水与地下水重复计算量为 3.37 亿 m3，产
水模数为 28.6 万 m3/km2，产水系数为 0.333，全市人均水资源占有量为 430m3，约为我国平均水平的 1/5。平顶山市水资源在各县市之间分布极不均匀，鲁山县水资源量最多，为 7.51 亿 m3，占全市水资源总量的 41.7%；石龙区水资源量最少，为 0.07 亿 m3，仅占全市水资源总量的 0.4%[49]。
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2.2 平顶山市水资源系统分析
水资源系统是以水为主体构成的一种特定的系统，该系统是指处在一定范围或环境下，为实现水资源的开发目标，由相互联系、相互作用、相互制约的若干水资源工程单元和管理技术单元所组成的有机体[50]。 随着人类取用水活动范围的扩大和程度的加深，水资源系统的规模、功能和结构越来越复杂，它不仅涉及水资源本身，而且与经济社会和生态环境都具有密不可分的联系。水资源系统与社会、经济和生态环境系统相耦合，构成了水资源-生态环境-经济-社会复合大系统，在这个大系统中，水资源系统是联系社会、经济和生态环境系统的纽带，也是协调经济-社会-生态环境复合系统良性循环的重要保障：一方面，经济的发展、社会的稳定、人民生活水平的提高和生态环境的改善都需要水资源系统提供足够的水量；另一方面，水资源系统中的水量多少和水质优劣又直接制约着经济、社会的发展和生态环境的建设。因此，水资源系统是个自然与人工相结合的、开放性的复合系统。 良好的水资源系统是维持区域可持续发展的重要保障[51]。为便于分析研究，一般可将区域水资源系统划分为水源系统、供水系统、用水系统和排水系统[52]。 （1）水源系统：区域水资源一般包括地表水、土壤水、地下水、非常规水（矿井水、微咸水、雨水、海水、中水）和外调水，准确估算区域的水资源量和可利用水资源量是实现区域水资源优化配置的前提条件。
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3 平顶山市供需水预测 ............. 19
3.1 需水预测 ............. 19
3.2 可供水量预测 ..... 29
3.2.1 地表水供水 ..... 29
3.2.2 地下水供水 ..... 33
3.2.3 非常规水源供水 ....... 33
3.2.4 可供水量预测结果 ............. 34
3.3 供需平衡分析 ..... 35
4 水资源优化配置模型构建及求解方法 ..... 38
4.1 水资源优化配置模型构建 ..... 38
4.1.1 目标函数 ......... 38
4.1.2 约束条件 ......... 39
4.2 水资源优化配置模型求解 ..... 40
4.2.1 多目标优化算法 ....... 40
4.2.2 Lingo 软件及求解过程 ........ 41
5 平顶山市水资源优化配置及其结果分析 ........... 43
5.1 子区划分及水源和用户构成 ........... 43
5.2 水资源优化配置原则 ............. 44
5.3 优化配置方案设置思路 ......... 44
5.4 规划水平年水资源优化配置结果分析 ..... 46
5.5 水资源合理利用的对策和建议 ....... 66
5 平顶山市水资源优化配置及其结果分析
5.1 子区划分及水源和用户构成
为便于分析水资源和经济社会资料，并与《平顶山市水资源调查评价》[49]中的分区相协调，将平顶山市按照行政区划分为 7 个子区，即 k=7，分别为市区、宝丰县、叶县、鲁山县、郏县、舞钢市、石龙区。结合平顶山市水资源调查评价的成果及有关规划资料，同时为提高平顶山市水资源优化配置结果的可操作性，将平顶山市供水水源分为白龟山水库、昭平台水库、孤石滩水库、石漫滩水库、燕山水库、除大型水库以外的其余当地地表水、南水北调、地下水、矿井水、中水、雨水 11 类。用水户分为城镇生活、农村生活、一产、平煤集团、姚孟电厂、舞钢公司、其余二产、三产和生态环境 9 类。通过现状调查和系统网络图，各分区水源和用户间的供求关系见表 5.1。针对平顶山市水资源系统的结构和特点，提出水资源优化配置应遵循的原则如下：（1）多水源联合调配原则。充分考虑各水源节点与用水节点间的供求关系，实现多种水源间的联合调配。（2）统一调配原则。将平顶山区域内的各种水源工程视作完整的配水系统，利用南水北调中线工程实现区域内所有水源的统一调配。 （3）优水优用原则。应优先保证居民生活用水，南水北调水及地下水优先满足生活需水，其次考虑二产和三产用水，盈余部分供给一产用水，最后供给生态用水；中水主要供给工业和生态用水；地表水优先考虑供给工业用水；合理调配南水北调水和当地地表水。（4）供水保障率相对均衡原则。各子系统内城市生活、工业和农业的供水保证率均应满足各部门供水保证率的最低要求，在枯水时段，应优先保证居民生活用水，并实现其余各用水户的供水保证率相对均衡。
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结论
随着城市化进程的加快和工业化水平的提高，有限的水资源和不断增长的需水量之间形成了尖锐的矛盾，水资源短缺已严重影响了我国经济社会的可持续发展。水资源优化配置能通过在不同区域和用水户之间公平有效地分配水资源，进而提高水资源的综合利用效率，是缓解区域水资源供需矛盾，实现水资源可持续利用的有效措施。 本文以河南省平顶山市为研究对象，在区域水资源优化配置理论的基础上，对平顶山市的水资源系统结构、供需水预测、多目标水资源优化配置模型，以及 2020 年和 2030 年的水资源优化配置进行了研究，拓展了水资源优化配置的研究范围和思路，丰富了水资源优化配置的具体技术方法。通过研究得到结论如下：
（1）从供水系统和需水系统两方面进行的平顶山市水资源系统分析，能全面反映平顶山市供水工程的分布、供水对象和供水能力，以及各分区用水户的组成和特点；据此绘制的平顶山市水资源系统网络图，能直观反映平顶山市水资源的供-用-耗-排关系，可为平顶山市水资源优化配置提供思路和决策依据。
（2）在细化供水水源和用水户基础上，进行的供需水预测可为平顶山市水资源优化配置提供基础数据，供需平衡分析结果可为平顶山市水资源优化配置的方案设置提供思路和方向。 需水预测结果表明：基本需水方案下，不同保证率（50%、75%、95%）时，2020 年的需水量分别为 97171 万 m3、100907 万 m3、104661 万 m3，2030 年的需水量分别为 111861 万 m3、116087 万 m3、120362 万 m3；强化节水方案下，不同保证率（50%、75%、95%）时，2020 年的需水量分别为 93559 万 m3、97322万 m3、101076 万 m3，2030 年的需水量分别为 107569 万 m3、111783 万 m3、116058万 m3。经分析，需水预测结果基本合理。
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参考文献(略)