基于MIKEHYDRO Basin与多目标规划的阳泉市水资源配置方案研究.pdf

2023 年 5 月山西水利科技Research on Water Resources Rational Allocation in Yangquan City Based on MIKE HYDRO Basin Modeland Multiobjective ProgrammingLI Mu-han ZHAO Xi-ping LI Jian-pingAbstract:In response to the shortage of water resources in Yangquan City袁the protection of Niangziguanspring water袁and the change of water supply structure袁according to the supply and demand of water resources袁avariety of multiple water sources joint scheduling and configuration schemes were established.MIKE HYDRO Basinsoftware was used to build watershed water resource allocation models of different schemes袁and multiobjectiveprogramming was used to analyze the simulation results to seek the optimal water resource allocation scheme.Theresearch results show that in the new water supply structure袁the third scheme not only meets the water demandfor long-term stable and sustainable socio-economic and ecological operation of Yangquan City with a lowerwater supply volume袁but also provides favorable conditions for the protection of the Niangziguan Spring Basin.The research results provide a solution and scientific decision-making basis for the selection of water resourceallocation plans in Yangquan City.Keywords:YangquanCity曰MIKEHYDROBasin曰waterresourcesplanning曰rationalallocation曰modelsimulation文章编号：1006-8139渊2023冤01-038-05基于MIKEHYDROBasin与多目标规划的阳泉市水资源配置方案研究李牧翰1赵喜萍1李剑平2（1.太原理工大学 山西太原 030024；2.山西省旅游投资集团 山西太原 030024）摘要：针对阳泉市水资源短缺、娘子关泉水保护、供水结构改变等问题，根据水资源供需情况，构建了多种多水源联合调度配置方案。使用 MIKE HYDRO Basin 软件搭建了不同方案的流域水资源配置模型，并利用多目标规划来对仿真结果进行分析，以寻求最优水资源配置方案。研究结果表明：方案三不仅在新的供水结构中以较低的供水量满足了阳泉市社会经济与生态长期平稳可持续运行的用水需求，还为娘子关泉域的保护提供了有利条件。研究结果为阳泉市水资源配置方案的选取提供了解决思路与科学的决策依据。关键词：阳泉市；MIKE HYDRO Basin；水资源规划；合理配置；模型模拟中图分类号：TV213.9文献标识码：A1概况阳泉市位于山西省中东部，辖市区（矿区、郊区、城区）、盂县、平定县，地理坐标介于东经 112毅54忆114毅04忆、北纬 37毅40忆38毅31忆之间，总面积为 4 578 km2。这里降水时空分布不均、河流污染严重、节水意识淡薄、水资源利用率低，人均水资源占有量约为 562 m2，不足全国人均水资源占有量的一半，属于重度缺水地区。2020年全市的总用水量仅为 1.854伊108m3，其中地表水、地下水、非常规水源供水量分别为 1.297伊108m3、0.330伊108m3、0.227伊108m3。在地表水源中娘子关泉水供水比例高达 70%，同时也是市区与盂县的重要供水水源，但收稿日期：2023-03-31修回日期：圆园圆3原04原19依托研究项目：娘子关景区创建国家 4A 级旅游景区建设项目。作者简介：李牧翰（1996-），男，太原理工大学硕士研究生在读，主要研究方向为智慧水利。通信作者：赵喜萍（1967-），女，2010 年毕业于太原理工大学，博士、教授、博导，主要研究方向为智慧水利。38山西水利科技第 2 期（总第 228 期）李牧翰，赵喜萍，李剑平：基于 MIKE HYDRO Basin 与多目标规划的阳泉市水资源配置方案研究泉水的年径流量在 2004 年达到最低值，近些年虽然有所回升但仍处于较低水平，当地政府也计划对水源地进行保护1。龙华口调水工程在 2025 年建成后每年可替娘子关泉水为市区与盂县供水 5伊107m3，来缓解娘子关泉水供水压力，但也会改变原有供水水源结构。因此针对阳泉市水资源短缺、水资源利用率低、娘子关泉域保护、供水水源结构改变等问题，研究如何科学合理地优化原水资源配置方案，使之适应新的供水结构，实现水资源合理调配、提高水资源利用率与环境承载力、保护娘子关泉域等目的，是现在所面临的难题。国内外学者在水资源优化配置方面进行了较多研究，如吴俊秀建立了大凌河流域 MIKE Basin 模型并分析了流域内水资源供需平衡状况2；吴迪建立了浑河流域农业灌溉的MIKEBasin模型，模拟结果显示随着节水灌溉面积的持续增大、农作物种植结构的不断优化，流域总体需水量表现出降低的趋势3；Regina Maria BessaSantos 运用 MIKE HYDRO Basin 建立了 sabor 河流域模型，确定了未来该地区用水需求变化4；左其亭提出了人水关系学研究方法，为研究水资源优化配置展示了新前景5；李佳伟运用治水新思想构建了豫北地区的水资源配置模型6。综合国内外研究现状可知，不同国家与地区的研究人员均意识到水资源合理配置的重要性，但是国内外的学者针对的大多为重要城市、重要水源地的研究，对阳泉市这种水源地较小且分散、水资源利用率低的地区的水资源配置重视不足。解决阳泉市的水资源配置问题可为当地的社会经济发展与生态环境保护提供科学依据。2MIKE HYDRO Basin 模型设置与结果2.1 模型设置2.1.1 MIKE HYDRO Basin 简介MIKE HYDRO Basin 是一款可应用于任意流域尺度，可对受时间、空间等因素影响的水资源供需平衡进行分析、管理与规划的软件7。该软件基于 GIS 平台进行开发，可根据不同的需求设定不同的模型与时间步长，并基于 Arcview 平台对结果进行直观地展示。2.1.2 建模流程1）数据来源构建 MIKE HYDRO Basin 模型所需要的资料有：2011-2021 年各区县生活、生产、生态用水量、用水定额、降雨径流、GDP、人口、阳泉市数字高程模型（DEM）等。各区县的生活、生产、生态用水量与用水定额数据均来自于 阳泉市水资源公报，阳泉市 GDP 与人口资料来源于 山西统计年鉴，降雨径流数据来源于阳泉水文站与会里水文站，所采用的数字高程模型的空间精度为 30 m伊30 m，使用 WGS-1984 投影坐标系。2）供用水管线设计原则根据阳泉市所面临的问题对供用水线路进行设计，基本原则为：（1）供水过程中地表水源优先使用，调水水源优先供给生活用水；（2）充分优化调度各种水资源，使有限的水资源产生最大效益；（3）为保护娘子关泉域，提水量不高于 2020 年水平（0.773伊108m3）；（4）在供水过程中为降低损耗提高效率，应优先从距离近、扬程低的水源地取水；（5）应遵守科学性、合理性、可操作性相结合的原则。3）模型设置在本研究中模型模拟的范围为 4 578 km2，将矿区、郊区、城区、盂县、平定县定为 5 个用水户，每个用水户的用水分为生活、生产、生态三类，三类用水量总和为用水户总用水量。模型中的供水水源有：龙华口调水工程、3 个娘子关提水工程、6 座供水水库（龙华口水库、山南水库、尚怡水库、上冶头水库、原坪水库、油瓮水库）、盂县与平定县地下水取水工程、2 个非常规水源。阳泉市内剩余的 15 座非供水水库与非常规水源的主要作用是提供生态环境用水。模型中共有 5 个用水户、29 个水源。其中水库的初始水位为正常蓄水位，汛限水位与死水位均根据不同水库的具体信息进行输入，水库消落系数为 0.8。模型中把用水户的需水时间序列与供水水源的供水时间序列添加完成后，根据供水线路设计原则把用水户与水源进行连接，完成后外观如图 1 所示。图 1配置模型节点图模型采用的模拟期为 2011-2021 年，预测期为2025-2030 年，时间步长定为 1 个月。模拟期的用水量结果与实际用水数据对比图如图 2 所示，计算误差均小于 5%，模型较为准确，可用于计算 2025-2030 年的水资源供需平衡。392023 年 5 月山西水利科技2.2 水资源配置模拟方案针对娘子关泉域保护与供水结构改变等问题，根据研究区供用水状况对原水资源配置方案进行系统性优化，并提出以下三种供用水方案，如表 1 所示。同时为验证用水方案在较低供水量情况下的表现，采用 P=95%的供水方案进行供水。表 1各区县供水方案调水工程只能为市区与盂县进行供水，因此在方案一中用龙华口调水工程完全代替娘子关泉水进行供水。本研究采用定额法7预测不同用水方案的用水定额，并根据节水型社会建设规划建议与阳泉市发展情况对定额进行校验，定额详见表 2。其中城镇生活用水为城镇居民在生活中的需水量，农村生活用水为农村生活中的需水量，第一产业用水包含农林渔牧与农田灌溉用水，第二产业用水包含建筑业采矿、工业、制造业等产业用水，第三产业用水中包含除第一第二产业以外产业的用水。由 阳泉市水资源公报 可知阳泉市 2020 年的各项用水定额，根据阳泉市 2011-2021 年的各项用水定额增长趋势可知，2025 与 2030 年方案一中的用水定额符合阳泉市用水的增长规律。同时根据阳泉市节水现状与未来节水措施的发展趋势可知：2025 年方案二中城镇生活、农村生活的用水定额在方案一的基础上分别降低 7%与 3%，第一、二、三产业的用水定额在方案一的基础上分别降低 7%，方案三中城镇与农村生活用水分别在方案二的基础上降低 7%与 12%，第一、二、三产业的用水定额在方案二的基础上分别降低13.4%、12%、22.7%；2030 年方案二中城镇生活、农村生活的用水定额在方案一的基础上分别降低 7%与 11%，第一、二、三产业的用水定额在方案一的基础上分别降低 11%、11%、图 2模拟结果对比图方案行政区地表水地下水非常规水源娘子关泉水湖泊水库龙华口调水原方案市区姨姨姨姨盂县姨姨姨姨平定县姨姨姨姨一市区姨姨姨姨盂县姨姨姨姨平定县姨姨姨姨二市区姨姨姨姨姨盂县姨姨姨姨姨平定县姨姨姨姨三市区姨姨姨姨姨盂县姨姨姨姨姨平定县姨姨姨姨年份方案城镇生活/（L pd-1）农村生活/（L pd-1）生态环境/（m3 km-2）第一产业/（m3/万元）第二产业/（m3/万元）第三产业/（m3/万元）202094.321104.5473 733379.26823.7842.9762025一1001053733375253.2二971024 368348.7523.252.976三86904 805302.520.52.1922030一1101153 73337228.34.1二102.3102.34 36833325.43.27三94.694.64 80529620.82.8表 2用水定额方案李牧翰，赵喜萍，李剑平：基于 MIKE HYDRO Basin 与多目标规划的阳泉市水资源配置方案研究40山西水利科技第 2 期（总第 228 期）20%，方案三中城镇与农村生活用水分别在方案二的基础上均降低 7.5%，第一、二、三产业的用水定额在方案二的基础上分别降低 11.2%、18%、14.5%。根据近 15 年山西省统计年鉴中阳泉市的人口与第一、二、三产业 GDP 的发展规律，采用趋势分析法7对 2025 年与 2030 年阳泉市的城市与农村人口数量、三大产业 GDP 产值做出合理预测（缺水量为 0 的情况下），预测值见表 3。表 3人口与 GDP 预测表将各区县的人口与第一、二、三产业的数据与定额相乘即可得到不同方案下用水户的用水时间序列，把供水数据与用水数据输入模型即可得到模拟结果。2.3 模型结果与分析通过 MIKE HYDRO Basin 对供用水方案的仿真模拟，可得到阳泉市不同方案下的供用水量数据，具体数据如表 4 所示。根据表 4 数据可知，在 2025 年方案一、二、三的需水量分别为 2.038伊108m3、1.956伊108m3、1.825伊108m3，缺水量分别为 0.283伊108m3、0、0。2030 年方案一、二、三的需水量分别为 2.234伊108m3、2.042伊108m3、1.902伊108m3，缺水量分别为 0.306伊108m3、0、0。通过分析可知：方案一中由于不使用娘子关泉水，导致较为严重的水资源短缺；方案二与三中的生活、生产、生态用水都得到了满足，可以较好地解决水资源供需矛盾，在 2025 年三种方案的娘子关取水量分别为0.35伊108m3、0.428伊108m3、0.297伊108m3，2030 年三种方案的娘子关取水量分别为 0.35伊108m3、0.494伊108m3、0.324伊108m3，达到了开采量低于 0.773伊108m3的目标，为娘子关水源的保护创造了有利条件。3设置与求解多目标规划3.1 设置多目标规划3.1.1 设置目标函数针对阳泉市水资源短缺、水资源利用率低与社会经济发展问题，提出了缺水量函数、利用率函数、经济函数与综合函数作为目标函数，对供水与用水方案进行求解。1）缺水量函数：将方案中各区县的缺水量作为评判社会效益的依据，其函数：minf1（x）=min 移Jj=1移Ii=1（Aj-xij）嗓瑟（1）式中：minf1（x）表示各区县生产、生活、生态最小缺水量总和（单位：108m3），Aj为第j个用水户生产、生活、生态用水的总需水量，xij为第i个水源向第j个用水户的供水量，i为水源数量，j为用水户数量。2）利用率函数：以万元 GDP 耗水量作为评判研究区水资源利用率的依据，其函数：minf2（x）=min移Jj=1移Ii=1xij（1-vij）蓸蔀移Uu=1Bu蓸蔀-1嗓瑟（2）式中：minf2（x）表示研究区万元 GDP 耗水量的最小值（单位：m3/万元），Bu为第u个用水户在该年的GDP 总额，vij为第i个水源向第j个水用户供水时供水管道漏损率。3）经济函数：以研究区用水效益总和最大化为经济目标，其函数：maxf3（x）=max 移Jj=1移Ii=1（bj-cj）xij（1-vij）嗓瑟（3）式中：minf3（x）表示研究区获益最大值，bj为第j个用水户从第i个水源单位取水量所获得的效益（单位：元/m3），cj为第j个用水户从第i个水源地单位取水量所支付的费用（单位：元/m3）。年份人口/万人GDP/亿元城镇农村第一产业 第二产业 第三产业202093.86937.92310.467333.312478.066202598.65832.56311.001318.761539.0572030103.69027.96311.562343.397609.894年份方案城镇生活农村生活生态环境第一产业第二产业第三产业总用水量供水量缺水量2025一3 426.2191 453.3991 708.9673 925.1258 332.8001 529.8112.038伊1041.755伊1040.283伊104二3 492.9861 212.3201 999.6703 836.5997 411.1931 604.2341.956伊1042.070伊1040三3 254.829918.5682 199.7293 497.5057 039.6391 336.8881.825伊1042.070伊10402030一3 768.8401 591.8181 708.9673 893.7249 432.731 960.0712.234伊1041.929伊1040.306伊104二3 683.8401 215.8861 999.6703 663.3338 096.5291 762.7162.042伊1042.070伊1040三3 580.312965.5172 199.7293 422.3527 142.6581 707.7031.902伊1042.070伊1040表 4不同方案下水资源供需情况（单位：104m3）李牧翰，赵喜萍，李剑平：基于 MIKE HYDRO Basin 与多目标规划的阳泉市水资源配置方案研究412023 年 5 月山西水利科技4）综合函数：综合函数是把缺水量函数、利用率函数、经济函数所得出的结果进行综合分析，计算各方案的综合效益值，其函数：f4（x）=q1 s1+q2 s2+q3 s3（4）q1+q2+q3=1（5）式中：q1、q2、q3为缺水量函数、利用率函数、经济函数结果的权重值，s1、s2、s3为缺水量函数（缺水量越低越好）、利用率函数（万元 GDP 耗水量越低越好）、经济函数（经济效益越高越好）的结果经过评分标准评价后的得分，评分标准见表 5。表中各方案的社会效益、万元 GDP 耗水量、经济效益的综合评价标准，满分为100，及格为 60，中间得分由插值得出。表 52025 与 2030 年各函数结果评分标准3.1.2 约束条件1）供水量约束：第i个水源对第j个用水户的总供水量不得超过水源i的总可供水量：移Jj=1移Ii=1xij约Wi（6）式中：Wj水源i的总可供水量。2）需水量约束：第j个用水户的总需水量不低于最小需水量，不高于最大需水量：0约移Jj=1移Ii=1xij约Fj（7）式中：Fj第j个用水户最大需水量。3）变量非负约束：文中所有变量均大于 0。3.1.3 参数取值范围1）在 95%的供水保证率情况下娘子关泉水、湖泊水库、调水工程、地下水、非常规水源的Wj分别为：0.733伊108m3、0.428伊108m3、0.5伊108m3、0.35伊108m3、0.35伊108m3。2）在本研究中每个用水户的生活、生产、生态最大需水量Fj为：0.111伊108m3、0.388伊108m3、0.061伊108m3。3）供水管道漏损率vij按照不同区县的管道基础设施建设情况与当地财政情况确定，市区为 2%，盂县与平定县为 4%。4）取水效益bj，由于各产业用水所产生的效益系数难以量化，所以在此采用总产值分摊的方法进行计算，其公式：dj=移Uu=1Bu/移Jj=1gj（8）式中：gj第j个用水户的工业、农业、第三产业的用水量。5）用水费用cj按照阳泉市水费征收标准确定。3.2 求解多目标规划及计算权重使用多目标规划函数，对不同方案的缺水量、万元GDP 耗水量、经济效益进行求解，结果如表 6 所示。表 62025 与 2030 年多目标规划结果由于熵权法在处理数据时相对客观，因此本研究采用熵权法8计算各指标权重。设该研究中：缺水量、万元 GDP 耗水量、经济效益所占的权重分别设为q1、q2、q3，经计算 2025 年的q1、q2、q3分别为：0.440、0.121、0.440，2030 年的分别为：0.340、0.319、0.340。3.3 多目标规划综合效益分析用表 4 中的评分标准对表 6 中的结果进行评分，并用（5）式计算综合效益，各方案效益量化结果如表 7所示。表 72025 与 2030 年各方案综合效益量化结果由表 7 可知，方案三的综合效益最高，表明减少娘子关泉水提水量，增加龙华口调水工程，同时 2025 与2030 年的生活与生产用水定额在方案一的基础上下降10%与 20%的方案可为阳泉市创造更高的社会经济。4结论本研究针对阳泉市水资源所面临的问题提出了不同的供用水方案，建立了不同方案的 MikeHydroBasin模型，得到各方案的缺水量，并利用多年份缺水量/亿万元 GDP耗水量/万元经济效益/亿元满分及格满分及格满分及格202500.28320.01722.832868.819 825.299203000.30619.90821.773964.852 928.035年份方案缺水量/亿 m3万元 GDP 耗水量/（m3/万元）经济效益/亿元2025一0.1622.755825.299二022.833856.535三021.292857.1792030一0.30620.775928.035二021.773951.729三019.959952.848年份 方案缺水量万元 GDP耗水量经济效益总分方案评选2025一26.3727.39026.37060.132三跃二跃一二43.9537.25838.98890.199三43.9539.90539.24893.1062030一20.42226.00020.41466.836三跃二跃一二34.03719.16429.17282.373三34.03731.58829.58695.211（下转第 46 页）李牧翰，赵喜萍，李剑平：基于 MIKE HYDRO Basin 与多目标规划的阳泉市水资源配置方案研究422023 年 5 月山西水利科技目标规划模型计算不同方案的综合效益，得知方案三的效益最高。方案三在 95%的供水保证率与改变供水结构的情况下实现了对水资源的合理调配，解决了阳泉市水资源短缺与水资源利用率较低的问题，减少了娘子关泉水的取水量，为泉域保护创造条件，同时增加生态环境用水量来改善阳泉市生态环境，提高水资源承载力，使社会经济效益与生态效益均达到最大化，为阳泉市与其他小水源地、水资源短缺、水源地需要保护的地区的水资源配置方案的规划提供了解决思路与决策依据。参考文献：1 唐春雷，晋华，梁永平，赵春红，申豪勇，潘尧云，景泽.娘子关泉域岩溶地下水位变化特征及成因 J.中国岩溶，2020，39（6）：810-816.2 吴俊秀，李红英，刘革.应用 MIKE BASIN 模型规划调配大凌河流域水资源 J.水土保持应用技术，2011（1）：23-25.3 吴迪.基于 MIKE BASIN 的浑河流域水资源管理模型模拟研究 J.黑龙江水利科技，2018，46（5）：25-294 Regina Maria Bessa Santos et al.Development of a Hydrologicand Water Allocation Model to Assess Water Availability in theSaborRiverBasin（Portugal）J.InternationalJournalofEnviron原mentalResearchandPublicHealth，2019，16（13）：2419-2419.5 左其亭，李倩文，马军霞.人水关系学的研究方法及应用前景J.水电能源科学，2022，40（5）：38-41+117.6 李佳伟，左其亭，马军霞，吴滨滨.面向现代治水新思想的水资源优化配置模型及应用 J.水电能源科学，2019，37（11）：33-36.7 王瑶瑶.基于 Mike Basin 模型的莱州市水资源配置研究 D.山东农业大学，2020.8 李芳，李东坪.基于熵权法的组合评价模型 J.信息技术与信息化，2021（9）：148-150.在泄洪设施相同情况下，针对两次洪水过程对下游子洪水库进行洪水调节计算，考虑、不考虑上游北关水库溃坝洪水影响时子洪水库最高库水位分别为894.01 m、893.49 m，前者较后者大，差值为 0.52 m。计算成果对比见表 3。表 3计算成果对比表从计算成果对比表可见，考虑北关水库溃坝洪水影响较不考虑北关水库溃坝洪水影响，洪峰流量、最高库水位及计算坝顶高程均有一定增加，且考虑北关水库溃坝洪水影响时计算坝顶高程已超过水库防浪墙顶高程，故本次改造设计考虑一旦北关水库出现溃坝洪水，必须迅速增加泄洪设施，以降低校核洪水位。计算成果也表明，如果在水库汛期调度运行时未考虑北关水库溃坝洪水影响一旦出现溃坝，将威胁子洪水库的安全，故考虑上游北关水库溃坝洪水是必要的。在水库调度运行中，应加强子洪水库水情自动测报系统建设，实时掌握流域雨情、工情、尤其是上游北关水库的运行状态，建立两库防汛联动机制和洪水预警机制，制定超标准洪水应急预案，备足防汛物资，做好防汛演练，以确保水库度汛安全。参考文献：1 梅锦山，侯传河，司富安.水工设计手册（第 2 版 第 2 卷 规划、水文、地质）M.北京：中国水利水电出版社，2014，6：298-299.2 山西省水利厅.山西省水文计算手册 M.郑州：黄河水利出版社，2011：84-85.3 李炜.水力计算手册（第二版）M.北京：中国水利水电出版社，2006：434-462.4 贾鹏生，张国辉，吴沛，贾大周.上游水库群溃坝对下游水库的影响分析与应对措施 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