相金才, 杨峰, 马军霞, 左其亭
(1.郑州大学 水利科学与工程学院,河南 郑州 450001; 2.河南省出山店水库建设管理局,河南 信阳 464043)
水资源是城市发展的战略性资源,但是城市化战略的加速实施,使得对水资源的需求急剧增加,导致城市水资源供需关系严重失衡[1-2]。随着水资源短缺、水体污染、水旱灾害等水安全问题的频繁发生,如何保障城市供水安全已成为当今世界关注的热点问题[3]。供水安全与粮食安全、生态安全和经济安全密切相关,保障供水安全是确保经济社会与生态环境和谐发展的关键[4]。因此,研究供水安全保障问题具有十分重要的意义。
供水安全是指能够提供充足水量、稳定水质以及完备设施,满足人民生活、城市发展和生态环境的合理用水需求,保证自然社会可持续发展的供水状态。目前,国内外学者从多个方面研究了供水安全保障问题。雷挺[5]从供水安全的主要矛盾出发,分析了中国典型城市的供水安全布局经验,提出了供水安全保障的布局思路;王郑等[6]分析了国内城市供水安全保障体系在政策和工程技术方面存在的问题,在借鉴国内外供水应急保障发展的基础上,建立了适应我国国情的供水安全应急保障体系;左其亭等[7]通过分析“一带一路”分区水资源特征,针对跨界水安全问题建立了相应的供水安全保障体系;张金松等[8]构建了以系统化、科学化、智能化为核心的供水管理系统,为实现供水安全保障体系现代化奠定了基础;卞戈亚等[9]总结了国外水资源管理的先进经验并提出进行需水管理和多元组合供水、提升供水效益和效率、建设应急供水体系是实现供水安全保障的有效途径;SHAMSUZZOHA M等[10]研究了极端灾害对供水系统安全的影响,并分析了减灾措施(disaster risk reduction,DRR)对供水安全的影响;PEREZ-VIDAL A等[11]将风险评估和管理实践整合到饮用水供应系统中,优化了现有的供水控制系统;陈进等[12]基于长江经济带用水现状及特征指出,水质性缺水、干旱型缺水和供水保障率不高是影响长江经济带供水安全的主要问题,提出了保障长江经济带供水安全的对策和建议;刘新荣等[13]构建了供水管网可靠度模型,从完善供水管网、提高供水可靠性的角度,提出了供水管网安全保障技术措施。综上可知,有关供水安全保障的研究多集中在定性研究和保障措施方面,缺乏定量评价和调控手段的研究。然而，定量评价区域供水安全状况,针对供水安全现状存在的问题提出切实可行的调控策略,是实现水资源的供需平衡、保障城市供水安全的重要途径。
左其亭于2008年提出了人水和谐的量化方法,该方法包含和谐评价与和谐调控两个主要技术方法。本文将人水和谐理念引入供水安全保障体系中,依据和谐论的理论方法,构建了供水安全保障的和谐调控模型。在供水安全和谐评价的基础上,通过分析供水安全与经济水平的匹配度,识别存在的供水安全问题,采用和谐调控模型对供水安全问题进行和谐调控,并以出山店水库供水区为例验证模型的适用性。
1.1 和谐调控模型的基本框架
左其亭将和谐平衡定义为和谐参与者考虑各自和谐目标而呈现出的一种相对静止的、和谐参与者各方暂时都能接受的平衡状态[14]。供水安全实际上是城市供水和生产、生活、生态用水达到和谐平衡的一种状态,和谐调控是为了实现供需水的和谐平衡而采取的具体调控措施。本文构建的供水安全保障和谐调控模型的基本框架如图1所示。
图1 供水安全保障的和谐调控模型框架
供水安全保障的和谐调控模型建立步骤为:首先,建立供水安全评价指标体系,采用左其亭于2008年提出的单指标量化-多指标综合-多准则集成(single index quantification and multiple index synthesis and poly-criteria integration,SMI-P)方法[15]对区域供水安全进行和谐评价,分析区域供水安全状况,根据供水安全评价结果与经济发展水平的匹配度分析存在的供水安全问题;其次,从调控目标、调控手段等模型调控依据和原则出发,构建供水安全和谐调控模型;最后,根据供水安全问题的不同分别构建供水水源和谐调控模型、供水过程和谐调控模型以及用水主体和谐调控模型,对存在的供水安全问题进行调控,最终实现设定的供水安全目标。
1.2 供水安全问题识别
对供水安全进行和谐调控时,由于不同区域的供水安全状况不同,需要根据各区域实际情况,采用不同的调控标准。因此，首先要对区域的供水安全问题进行识别,根据问题的类型提出有针对性的调控策略。本文在进行问题识别时,首先采用基于数列距离的匹配度(matching degree based on the distance of data sequence,DDS-MD)计算方法[16],计算研究区供水安全和谐评价结果与经济水平的匹配度,再根据计算结果分析研究区存在的供水安全问题。
基于数列距离的匹配度计算方法：首先，假设每个事件都可以用一个R维的数列来表示,这个数列可以是单元数列也可以是时间数列。设事件M1的数列为M1(1)、M1(2)、…、M1(R),设事件M2的数列为M2(1)、M2(2)、…、M2(R),以此类推。其次,确定事件中各值在其数列中的位置。其处理方法是将每个数列值除以该数列的最大值,获得此数列值在数列中的相对位置数(0～1内数值),完成数据标准化后,以此数值构成的数列替换原数列。最后,按照数列之间对应要素的数值差与最大距离的比值来表征匹配度。事件M1与M2的匹配度计算公式为:
(1)
Dr=1-
(2)
其中,
(3)
(4)
式中:M1(r)与M2(r)为事件的原始数列值;x1(r)与x2(r)为标准化后的替换数列值,r=1、2、…、R。
1.3 和谐调控模型构建
本文参考和谐平衡的定义和内涵,并结合供水安全的内涵,构建包含和谐目标以及约束条件的供水安全保障和谐调控模型。通过对供水安全问题的识别,选择供水安全评价结果与当地经济发展水平匹配度较低的指标作为和谐调控的研究对象。通过对不同指标进行调控,提高供水安全的和谐程度,以达到设定的和谐调控目标。所谓的和谐调控目标即通过调控使供水安全度达到一定阈值,具体安全等级的划分在前期研究中已给出明确界定[17],因此不再赘述。
1.3.1 目标函数
本文构建的和谐调控计算模型与一般优化模型的基本形式类似,其目标函数为:
maxZ=WSSD(X)。
(5)
式中:X为由评价指标组成的决策向量;WSSD(X)为供水安全度,代表供水安全程度,用供水安全和谐评价结果表示,具体计算过程参考文献[17],WSSD(X)≥WSSD0;WSSD0为供水安全度最低阈值。
1.3.2 约束条件
1)用水户需水量约束。其约束条件为:
λi≥λi_min。
(6)
式中:λi(i=1、2、3、4)分别表示农业、工业、生活、生态需水量;λi_min表示各类需水量的最低值。
2)可利用水量约束。生产、生活、生态可利用的总水量应低于水资源最大可利用量,即:
Ws≤GS_max+WG_max。
(7)
式中:Ws为总用水量;GS_max为最大地表水可利用量;WG_max为最大地下水可利用量。
3)生态环境用水量约束。生态环境用水量应满足河流、湖泊、湿地等系统维持其生态功能的最低用水量,即:
We≥Weco_min。
(8)
式中:We为生态环境用水量;Weco_min为维持生态功能稳定的最低用水量。
4)供水水质约束。供水水质应满足用水户需求的水质标准,如生活饮用水供水水质至少在Ⅲ类水以上,即:
Qs≥Qs0。
(9)
式中:Qs为供水水质等级;Qs0为最低水质标准。
5)非负约束。所有变量均为非负值。
在应用过程中,当供水安全和谐调控模型用于调控供水水源安全时被称为供水水源调控模型;当用于调控供水过程安全时被称为供水过程调控模型;当用于调控用水主体安全时被称为用水主体调控模型。
1.4 和谐调控模型计算
供水安全和谐调控,就是在供水安全评价的基础上,通过采取一系列调控措施,对影响供水安全的因素进行调控,以提高供水安全程度,使供水安全问题能够朝着更加和谐的方向发展。供水安全和谐调控模型的计算方法主要包括两种[14]:和谐行为集优选法和优化模型求解法。前者基于设定的目标和约束,通过采取一定措施调整影响供水安全的和谐行为,构建和谐行为集,选择最优的和谐行为(供水安全度最大)作为调控模型的结果。该方法的优点是可以对比多种调控方案,从中选择最优的方案作为计算结果,但存在主观性较大的缺点。后者通过构建和谐平衡优化模型进行和谐调控目标的优化求解,得到满足和谐目标的和谐平衡最小范围。这种方法的优点是计算结果相对客观,不受人为因素影响,但缺点是不能进行多种调控方案的对比。
2.1 研究区概况及数据来源
出山店水库位于淮河干流上游,地处河南省信阳市浉河区与平桥区交界处。水库坝址距信阳市约15 km,控制流域面积2 900 km2,总库容34.9亿m3;库区多年平均降水量1 026 mm,降水量年际变化大,且年内分配不均;多年平均天然径流量11.13亿m3。水库供水区是传统的农业区,农业灌溉总面积8.118×104hm2,2020年人均GDP 47 780元。水库位置及供水区范围如图2所示。
图2 出山店水库位置及供水区范围
本文所使用的数据出自《信阳市统计年鉴》《信阳市水资源公报》《信阳市水资源综合规划》等资料，数据年限为2013—2017年,部分缺失数据采用相邻年份的均值或插值法补充。
2.2 供水安全问题分析
2.2.1 供水安全状况评价
为分析出山店水库供水区的供水安全问题,需进行供水安全状况评价,本文基于供水安全的内涵及其影响因素构建了供水安全评价指标体系(表1),采用单指标量化-多指标综合-多准则集成方法对供水区供水安全状况进行和谐评价，具体的计算方法和计算过程参考文献[17]。由于供水安全状况评价不是本文的重点,因此只列出供水安全评价结果,见表2和表3。
表1 出山店水库供水区供水安全评价指标体系
表2 出山店水库供水区供水安全评价指标层评价结果
表3 出山店水库供水区供水安全评价准则层及目标层评价结果
2.2.2 基于匹配度的供水安全问题分析
基于表2和表3的结果,以和谐评价得到的指标层和准则层的供水安全度为数列M1,人均GDP为数列M2,采用公式(1)—(4)分别计算评价指标和准则与经济发展水平的匹配度,分析供水安全状况与经济发展水平的匹配情况,对影响供水安全与经济发展的问题进行讨论,并有针对性地进行和谐调控。匹配度计算结果如图3和图4所示。
图3 出山店水库供水区供水安全评价指标与经济发展水平的匹配度
图4 出山店水库供水区各准则与经济发展水平的匹配度
由图3(a)可知,浉河区不同评价指标与经济发展水平的匹配度存在一定差异:①与经济发展水平匹配度较高的指标为水资源开发利用程度(A5)、供水水源水质(A4)、年降水量(A1),其相应的多年平均匹配度分别为0.804、0.716、0.676,表明浉河区的水资源开发利用、水资源数量及质量等与经济社会发展的协调关系较好,在水源安全方面能够满足经济发展需要,可有效促进经济社会发展;②与经济发展水平匹配度较低的指标为水厂出水水质(B2)、城镇化率(B3)、灌溉可用水量(C4),其相应的多年平均匹配度分别为0.337、0.457、0.463,表明浉河区经济发展水平受供水过程安全和灌溉可用水量的影响较大,需要加强基础设施建设,不断完善供输水设施、优化供水水质、增加灌溉可用水量,提高供水安全与经济发展水平的匹配度,促进当地经济发展。
由图3(b)可知：①平桥区供水安全评价指标与经济发展水平的匹配度同浉河区的相比存在较大差异,13项指标中匹配度多年平均值小于0.400的有5个,小于0.600的有11个,整体上平桥区供水安全状况对经济发展的适应性较差,基本上处于与经济发展水平不协调的状态;②与经济发展水平匹配度较低的指标为水利工程规模(A3)、水厂出水水质(B2)、城镇化率(B3)、灌溉可用水量(C4)及生态环境用水比例(C5),与浉河区存在差异的是平桥区在水利工程建设和生态环境用水方面对经济发展的支撑能力较差,需要加大水利工程建设规模和环境保护投资力度,提高水源供给能力,同时也要保持工业用水效率较高的优势,不断优化产业结构,提高经济发展速度。
由图4可知,平桥区和浉河区的供水水源、供水过程和用水主体与经济发展水平的匹配度整体上均较低,且随着经济水平不断增长,区域各准则的安全状况提升缓慢,甚至出现下降；
供水安全状况与经济发展水平不协调,极大地限制了经济增长速度,影响了区域的高质量发展水平。
根据以上分析可知：①浉河区和平桥区在降水量、水利工程规模以及水资源开发利用等方面存在差异,相比浉河区的供水水源安全,平桥区的不能很好地支撑当地经济发展,且供水水源安全与经济发展水平的匹配度和浉河区的有较大的差距,需要通过增建水利工程等措施,进一步保障地区供水水源安全。②两地区供水过程与经济发展水平的匹配度均持续下降,与城镇化水平不高、供输水管道老化等原因有关,需要采取一定措施,加快城镇化进程,不断完善供输水管道等基础设施,有效提升地区供水过程安全,为经济稳定增长提供保障。③两地区用水主体与经济发展水平匹配度的变化趋势基本一致,均表现为先下降后上升的变化趋势；
整体上看，两个地区用水主体与经济发展水平的匹配度均不高,主要体现在农业灌溉用水满足程度较低,与经济发展速度不相协调,未来可以通过改善水源状况、完善供输水设施、提高农业用水保证率等措施来促进经济发展。
2.3 供水安全和谐调控结果分析
针对平桥区与浉河区存在的供水安全问题,分别构建相应的调控模型,并采用和谐行为集优选的方法进行调控计算。具体做法是:首先,以本文构建的供水安全和谐调控模型为基础,确定一系列满足约束条件的和谐行为构成和谐行为集；
其次，计算和谐行为集中各和谐行为的供水安全度,从中选出供水安全度最大的和谐行为,将该和谐行为作为调控模型的最优解；
最后，将该和谐行为确定的调控措施视为最优调控措施。由前述的计算结果可知：浉河区的供水漏损率(B1)、水厂出水水质(B2)、城镇化率(B3)、水功能区水质达标率(C1)及灌溉可用水量(C4)指标与经济发展水平的匹配度较差。通过构建供水过程调控模型和用水主体调控模型,对相应指标进行和谐调控计算,设定2017年浉河区供水安全度最低目标阈值为0.800,当浉河区供水安全度达到目标阈值时的最优和谐行为,即为和谐调控结果。同样地,针对平桥区存在的供水安全问题,分别构建供水水源调控模型、供水过程调控模型和用水主体调控模型对水利工程规模、供水漏损率、城镇化率和灌溉可用水量等指标进行调控,设定2017年平桥区供水安全度最低目标阈值为0.700,通过和谐行为集优选计算得到相应的和谐调控结果。现状年2017年浉河区和平桥区的供水安全调控结果分别见表4和表5。
表4 2017年浉河区供水安全和谐调控结果
表5 2017年平桥区供水安全和谐调控结果
由表4和表5可知,通过和谐调控,浉河区和平桥区的供水安全度得到了不同程度的提升,分别达到了各自设置的目标阈值,浉河区的供水安全度由调控前的0.767提升到调控后的0.841,平桥区的供水安全度由0.677提升到0.739,说明本文构建的供水安全和谐调控模型能够实现对出山店水库供水区供水安全的提升。基于对研究区供水安全问题的分析,本文重点对现状年份下供水安全评价结果较低的几项指标进行和谐调控:①在供水水源层面,通过提高研究区水利工程建设规模,优化水资源的管理利用水平,实现了供水水源安全的提升;②在供水过程安全层面,通过对研究区供水漏损率、水厂出水水质和城镇化率等指标进行调控,使得供水过程安全有效提升;③在用水主体安全层面,通过提高研究区水功能区水质达标率以及灌溉可用水量,有效提升了用水主体安全。
通过对相关指标进行调控,浉河区和平桥区供水安全程度得到一定程度的提升,但是受当前技术水平和基础建设条件的限制,进一步提升的难度较大。未来随着基础设施建设逐步完善、技术水平不断进步,可以对相关指标做进一步调控,使之达到符合经济发展水平的和谐状态,从而实现供水安全和经济发展水平的协调。
当前，城市供水安全保障面临着诸多矛盾与挑战,如何实现经济社会同城市供水安全的和谐平衡发展是亟待解决的问题,本文以出山店水库供水区为例,进行了区域供水安全和谐调控的初步探索,主要得到了以下结论:
1)基于DDS-MD方法对研究区域供水安全评价指标与人均GDP的匹配度进行分析发现,浉河区、平桥区供水安全受其供水过程安全制约最大,受用水主体安全的影响次之,主要体现在城市供水漏损率高、供输水管道建设及维护不足、灌溉用水及生态用水的保障率较低等方面。
2)通过构建供水安全和谐调控模型,对浉河区、平桥区水利工程建设规模、供水漏损率、水功能区水质达标率、灌溉可用水量等指标进行调控,将浉河区的供水安全度由调控前的0.767提升到调控后的0.841,平桥区的供水安全度由0.677提升到0.739。
3)本文构建的供水安全和谐调控模型实现了对出山店水库供水区供水安全的有效提升,对于和谐调控模型的研究有一定参考价值,同时也可为出山店水库供水区的水资源管理提供参考。
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