天津市水資源綜合配置規(guī)劃淺議

摘 要 根據(jù)天津市水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，對(duì)目前存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)多種方法綜合比較，確定2020年天津市用水指標(biāo)，并對(duì)需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用以區(qū)域供水為主的供水模式，建立基于可持續(xù)發(fā)展理論的水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，根據(jù)不同水資源的水量、水質(zhì)、水價(jià)以及分布特點(diǎn)，對(duì)多種水資源進(jìn)行綜合配置。
關(guān)鍵詞 水量預(yù)測(cè) 區(qū)域供水 水資源配置

《天津市城市總體規(guī)劃》（2005-2020年）中明確了天津市作為國(guó)際港口城市、北方經(jīng)濟(jì)中心和生態(tài)城市的城市定位，十六屆五中全會(huì)將濱海新區(qū)納入國(guó)家總體發(fā)展戰(zhàn)略。社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷加快，均對(duì)水資源提出了更高的要求。加之南水北調(diào)工程實(shí)施后，天津市水資源結(jié)構(gòu)勢(shì)必發(fā)生重大調(diào)整。因此，科學(xué)預(yù)測(cè)需水量，合理配置水資源，加強(qiáng)水資源管理，對(duì)于保證天津市可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。
1水資源現(xiàn)狀分析
1.1水資源利用現(xiàn)狀
2007年天津市總用水量為23.71億立方米。如圖1所示，天津市主要水源為地表水，其次為地下水，再生水、海水等非傳統(tǒng)水源利用量十分有限。如圖2所示，天津市水資源主要用于生產(chǎn)和生活，生態(tài)用水量所占比例很小。

圖1 2007年天津市供水結(jié)構(gòu)

圖2 2007年天津市用水結(jié)構(gòu)

1.2現(xiàn)狀水資源利用存在的問(wèn)題
（1）水資源嚴(yán)重短缺
天津市屬于典型的重度資源型缺水地區(qū)，人均水資源量?jī)H為160立方米，遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。為滿足日益增長(zhǎng)的用水需求，當(dāng)?shù)厮�和過(guò)境水的開(kāi)發(fā)利用程度已超出水資源承載能力。
（2）非傳統(tǒng)水源開(kāi)發(fā)力度不夠
天津市非傳統(tǒng)水源利用尚處于起步階段。再生水回用工程建設(shè)滯后于污水處理工程建設(shè)，并且缺乏統(tǒng)一、完善的管理機(jī)制。海水淡化工程尚未形成規(guī)模，淡化水利用途徑有限。
（3）節(jié)水水平不均衡
天津市水資源利用效率總體較高，但各地區(qū)、各行業(yè)的用水效率與節(jié)水情況存在很大差異，具體表現(xiàn)在工業(yè)用水效率較高，農(nóng)業(yè)相對(duì)較低；中心城區(qū)用水效率較高，區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)相對(duì)較低。
（4）水資源配置體系不完善
水資源宏觀配置和多水源統(tǒng)一調(diào)配方面仍然存在一些不完善的地方，如水利工程布局不盡合理；水資源配置與空間分布不協(xié)調(diào)；利用市場(chǎng)調(diào)節(jié)和經(jīng)濟(jì)手段進(jìn)行水資源配置尚處于探索階段。
（5）缺乏高效統(tǒng)一的管理
長(zhǎng)期以來(lái)，天津市水資源和節(jié)水一直由多部門(mén)分頭、分段、分塊管理，未從根本上理順和建立統(tǒng)一高效的水資源管理體制。這不但不利于按照水資源供需要求統(tǒng)籌調(diào)配區(qū)內(nèi)各種水資源，而且容易造成管理職能分散、權(quán)責(zé)不清等問(wèn)題，大大降低了管理效率。
2需水量預(yù)測(cè)
2.1預(yù)測(cè)方法
需水量受人口發(fā)展?fàn)顩r、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人均水資源占有量、水資源開(kāi)發(fā)利用程度、節(jié)水水平等因素影響，是一個(gè)隨時(shí)間變化的復(fù)雜系統(tǒng)。常用的需水量預(yù)測(cè)方法包括時(shí)間序列法、結(jié)構(gòu)分析法和系統(tǒng)分析法三類[1]。
時(shí)間序列法和系統(tǒng)分析法要求具備長(zhǎng)期連續(xù)的歷史數(shù)據(jù)，因此，可以應(yīng)用于建成時(shí)間較長(zhǎng)、擁有多年歷史數(shù)據(jù)的中心城區(qū)的需水量預(yù)測(cè)。具體應(yīng)用的方法包括：改進(jìn)季節(jié)指數(shù)平滑法、PSO-BP模型、統(tǒng)計(jì)資料法、工業(yè)生產(chǎn)函數(shù)模型法、參比系數(shù)法等。其他地區(qū)采用指標(biāo)法進(jìn)行預(yù)測(cè)，指標(biāo)的選取參考了中心城區(qū)通過(guò)多種方法綜合確定的用水指標(biāo)。
2.2預(yù)測(cè)指標(biāo)
城市生活用水指綜合生活用水，包括居民日常用水和公共建筑用水，主要受當(dāng)?shù)厮�資源條件、居民生活水平、地區(qū)繁榮程度等因素的影響。根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB50282-98），天津市屬于“二區(qū)”、“特大城市”，城市綜合生活用水指標(biāo)為230-400L/（cap•d）。考慮到天津市人均水資源占有量低，用水效率高，城市綜合生活用水量普遍低于全國(guó)平均水平，故2020年天津市城市綜合生活用水指標(biāo)取200～275L/（cap•d）。
城市工業(yè)用水量不僅與城市性質(zhì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度密切相關(guān)，而且隨工業(yè)主體、生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)程度的變化而變化。由表1可見(jiàn)，以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主的工業(yè)區(qū)用水指標(biāo)較低，鋼鐵、石油、化工類企業(yè)為用水大戶[2]�？紤]到未來(lái)天津市將進(jìn)一步深化節(jié)水型產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，大力發(fā)展以高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的工業(yè)，2020年天津市工業(yè)用水指標(biāo)取0.3-1.3萬(wàn)m3/（km2•d）。
表1 2001年天津市工業(yè)用水指標(biāo) 單位：萬(wàn)m3/（km2•d）
名稱 性質(zhì) 工業(yè)用水指標(biāo)
經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū) 高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū) 0.26
漢沽工業(yè)區(qū) 以化工為主的海洋化工業(yè)區(qū) 0.90
東麗開(kāi)發(fā)區(qū) 高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū) 0.34
石化公司 綜合性石油化工企業(yè) 1.13
鋼管公司 現(xiàn)代大型鋼管企業(yè) 0.77

市政雜用水包括綠化用水、道路澆灑用水以及城市景觀水體補(bǔ)水。市政雜用水指標(biāo)的選取與當(dāng)?shù)貧夂�、水資源條件、城市環(huán)境建設(shè)水平等因素有關(guān)，近年來(lái)天津市為建成生態(tài)城市，加大了環(huán)境改善力度，盡可能地滿足生態(tài)用水需求。根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》，綠化用水指標(biāo)為0.15～0.2萬(wàn)m3/（km2•d），道路澆灑用水指標(biāo)為0.2萬(wàn)m3/（km2•d）�？紤]到天津市水資源短缺的現(xiàn)實(shí)情況，景觀水體補(bǔ)水僅考慮補(bǔ)充蒸發(fā)、滲漏損失的水量。
其他需水量包括消防用水以及未預(yù)見(jiàn)水量（含管網(wǎng)漏損）。綜合考慮各地區(qū)管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀以及規(guī)劃管網(wǎng)改造情況，其他用水量所占比例為13～15%。
根據(jù)各地區(qū)用水量和用水特點(diǎn)的不同，日變化系數(shù)取1.2～1.3。
2.3預(yù)測(cè)結(jié)果
經(jīng)計(jì)算，2020年天津市需水總量為53.73億m3。如圖3所示，生產(chǎn)需水量占總需水量的一半以上，生活需水量占將近1/4，生態(tài)需水量所占比重較現(xiàn)狀大幅度提高。

圖3 2020年天津市用水結(jié)構(gòu)

3可用水資源量預(yù)測(cè)
（1）地表水
地表水包括當(dāng)?shù)氐乇硭�、入境水和外調(diào)地表水。通過(guò)興建水利工程解決南北調(diào)蓄能力不均衡等問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)?shù)氐乇硭�的有效挖潛。同時(shí)積極開(kāi)展南水北調(diào)工程，實(shí)現(xiàn)引灤入津與南水北調(diào)雙水源聯(lián)合調(diào)度的格局。
（2）地下水
地下水資源豐富的地區(qū)可根據(jù)實(shí)際需要，適當(dāng)開(kāi)采地下水；地下水已處于超采狀態(tài)的地區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格控制地下水開(kāi)采量，除部分農(nóng)村生活尚需取用深層承壓淡水外，對(duì)其他深層承壓淡水規(guī)劃全部予以壓采。
（3）再生水回用
大力發(fā)展污水再生回用，提高污水再生回用率，規(guī)劃2020年天津市再生水回用率達(dá)40%以上。
（4）海水利用
鑒于天津市水資源的緊缺狀況和濱海新區(qū)臨海的地理優(yōu)勢(shì)，天津市將通過(guò)海水淡化和海水直接利用兩種方式大力發(fā)展海水利用。
（5）可供水資源總量
2020年天津市規(guī)劃可供水資源總量為48.57億立方米。如圖4所示，地下水所占比重與現(xiàn)狀相比有所下降，再生水和海水的利用量明顯增加。

圖4 2020年天津市水資源結(jié)構(gòu)

4水資源綜合配置
天津市屬于嚴(yán)重的資源型缺水地區(qū)，其快速發(fā)展要求綜合利用地表水、地下水、再生水及海水等多種水資源，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展提供保障。加之，不同地區(qū)自然條件、城市性質(zhì)和功能定位不同，從而導(dǎo)致有不同的用水需求。因此，需要建立以區(qū)域供水模式為主的區(qū)域供水系統(tǒng)，從區(qū)域的角度統(tǒng)籌配置各種水資源，提高其利用效率，以滿足區(qū)域內(nèi)整體水資源需求[3，4]。
4.1基本原則
（1）按各地區(qū)的地理位置和用水特點(diǎn)配置水資源。中心城區(qū)、濱海新區(qū)以及各新城發(fā)展速度快，用水量大，對(duì)水源要求高，規(guī)劃主要由外調(diào)水提供水源�？拷�以上地區(qū)的中心鎮(zhèn)和建制鎮(zhèn)，盡可能納入城市供水系統(tǒng)，形成城鎮(zhèn)一體化的區(qū)域供水格局；遠(yuǎn)離城區(qū)、地下水資源較為豐富且用水量較小的中心鎮(zhèn)和建制鎮(zhèn)可由地下水提供水源。
（2）按用水途徑的水質(zhì)需求配置水資源。外調(diào)水優(yōu)先保證城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水；地下水主要用于農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)及生態(tài)，同時(shí)為部分鎮(zhèn)區(qū)提供生活及工業(yè)用水；地表水主要用于農(nóng)業(yè)及生態(tài)；再生水用于生活雜用、工業(yè)及市政雜用水；海水直接利用主要用于工業(yè)，海水淡化水主要用于工業(yè)高品質(zhì)用水及生活用水。
（3）保證用水價(jià)格與當(dāng)?shù)厝司�可支配收入相近。在滿足水質(zhì)要求的前提下，使外調(diào)水、地表水、地下水、再生水、海水的成本價(jià)格與中心城區(qū)、濱海新區(qū)、新城、中心鎮(zhèn)、建制鎮(zhèn)及其他城鎮(zhèn)以外用水區(qū)域的人均可支配收入差異最小化，體現(xiàn)以人為本的原則。
（4）使供水綜合效益最大化。維持經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)大系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，從多水源開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)保護(hù)及優(yōu)先滿足人民生活用水等角度綜合配置全市水資源，從而獲得經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的最佳綜合效益[5]。
4.2優(yōu)化模型
4.2.1目標(biāo)函數(shù)
水資源優(yōu)化配置是多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其目標(biāo)是追求經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的綜合效益最大，并力圖保持系統(tǒng)的良性發(fā)展。即水資源優(yōu)化配置不僅要適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的需要，還應(yīng)盡可能地滿足生態(tài)環(huán)境及社會(huì)對(duì)水資源的需求。水資源可持續(xù)優(yōu)化配置的目標(biāo)分為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、社會(huì)目標(biāo)和生態(tài)環(huán)境目標(biāo)3部分，具體可分解為以下6個(gè)目標(biāo)函數(shù)：
目標(biāo)函數(shù)1 經(jīng)濟(jì)效益：全市用水費(fèi)用最小。
目標(biāo)函數(shù)2 經(jīng)濟(jì)效益：全市水設(shè)施建設(shè)費(fèi)用最小。
目標(biāo)函數(shù)3 社會(huì)效益：全市加權(quán)總?cè)彼�量最小�?br /> 目標(biāo)函數(shù)4 社會(huì)效益：全市新鮮水供給量最小。
目標(biāo)函數(shù)5 社會(huì)效益：各類水源水價(jià)與各區(qū)域人均可支配收入差值之和最小。
目標(biāo)函數(shù)6 環(huán)境效益：供水水源水質(zhì)與用途配置水質(zhì)差值之和最小。
4.2.2約束條件
模型的約束條件，一方面，可以從水資源配置系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，另一方面，可以從水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的角度進(jìn)行分析，具體包括以下5個(gè)約束條件：
約束條件1：供水系統(tǒng)的供水能力（水源的可供水量）約束。
約束條件2：再生水用于生活的用量約束。
約束條件3：再生水用于工業(yè)的用量約束。
約束條件4：區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展約束。根據(jù)可持續(xù)發(fā)展原則，區(qū)域內(nèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境之間應(yīng)是可持續(xù)的協(xié)調(diào)性發(fā)展，因此區(qū)域水資源優(yōu)化配置應(yīng)是可持續(xù)的協(xié)調(diào)型配置，區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展程度應(yīng)有最低要求。
約束條件5：自變量非負(fù)約束。
4.3配置方案
應(yīng)用結(jié)合遺傳算法的基于容忍偏離水平的方法對(duì)基于可持續(xù)發(fā)展理論的水資源優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解，配置方案詳見(jiàn)表2。在南水北調(diào)工程按期實(shí)現(xiàn)的前提下，天津市城鎮(zhèn)范圍內(nèi)需水基本能夠滿足，且外調(diào)水有一定余量。缺水主要存在于農(nóng)業(yè)灌溉及河湖濕地生態(tài)補(bǔ)水，考慮到隨著污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以直接用于農(nóng)業(yè)灌溉以及河湖濕地生態(tài)補(bǔ)水，基本能夠彌補(bǔ)這部分缺水量。
表2 天津市2020年水資源配置方案
需水區(qū)域 需水類別 配置方案
外調(diào)水 當(dāng)?shù)氐乇硭?地下水 再生水 海水
城鎮(zhèn)區(qū)域 綜合生活 ● ● ● ●
工業(yè)建筑倉(cāng)儲(chǔ) ● ● ● ●
市政 ●
其他 ● ● ● ●
城鎮(zhèn)以外區(qū)域 農(nóng)村 ●
農(nóng)業(yè) ● ●
河湖濕地 ●

參考文獻(xiàn)
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