基于多目标分析的水资源承载力研究—以重庆市巴南区为例

基于多目标分析的水资源承载力研究—以重庆市巴南区为例

潘富宏

重庆水投原水资源管理有限公司，重庆，401120

摘要：根据水资源承载力的内涵，以巴南区为例，建立了水资源承载力多目标分析模型，以可承载的GDP和人口数量作为衡量指标，通过Matlab语言编程计算得出巴南区2025年的水资源承载力。计算结果显示，2025年巴南区水资源可承载的GDP为1358.2亿元，可承载的人口为194.25万人。

关键词：水资源承载力；多目标分析；Matlab

水资源承载力是指一定地区的水资源在特定历史发展阶段，基于可预见的科技、经济和社会发展水平，基于可持续发展原则，保持良性循环的基础上的生态环境，通过合理优化配置，最大限度地发挥水资源对区域社会经济发展的支撑能力[1]。水资源承载力涉及水资源、社会、经济和生态环境等多个系统，这些系统相互影响，相互关联。对于如此复杂的综合系统，仅用一个目标显然是无法表达的，也难以体现水资源的承载能力[2]。

多目标分析法是将研究区内的资源、社会、经济和环境子系统作为一个整体系统来研究，分析子系统之间的关系，并用数学约束来描述这些关系。该方法用于分析整个系统达到目标时各子系统的分布情况。多目标分析方法的模型属于宏观研究模型。通过设定目标权衡不同利用方式、不同社会发展模式、不同产业结构下水资源对相应目标的影响[3]。

本文以巴南区为研究区域，采用多目标分析法来对巴南区2025年的水资源承载力进行预测。

1 水资源承载力多目标分析模型的建立

1.1 目标函数的确定

选取目标时，要考虑社会、经济和生态环境中各因素间的内在关系，以社会稳定、经济持续和环境改善为最终目标。本文选取的目标为地区生产总值（GDP）、人口数量（POP）和化学需氧量（COD）排放量。各目标的目标函数如下：

（1）水资源承载的地区生产总值（GDP）最大

                                        （1）

式中

AGDPi——第i产业的单位水资源产业值；

Xi——第i产业用水量。

（2）水资源承载的人口数量（POP）最多

                                    （2）

式中

XPOPCZ——城镇人口数量；

XPOPNC——农村人口数量。

（3）化学需氧量（COD）排放量最小

                                      （3）

式中

TWS——污水排放总量；

——污水处理率；

ACOD——污水中的COD含量。

1.2 约束条件的确定

通过分析相关目标的影响因素，可将约束条件构造为水量供需平衡的约束、人口的约束、国民经济发展的约束、生态环境的约束四个方面。

（1）水量供需平衡的约束

在水量供需平衡的约束中，总供水量为：

                                       （4）

式中

XZGS——总供水量；

XDBS——地表水供水量；

XDXS——地下水供水量；

XQT——其他供水量（包括回用水、外调水以及新增水源的供水量）。

总用水量为：

                                 （5）

式中

XZYS——总用水量；

XSH——生活用水量；

XST——生态用水量。

生活用水量为：

                          （6）

式中

APOPCZ——城镇生活人均日用水量；

APOPNC——农村生活人均日用水量。

则水量供需平衡的约束为：

                                                          （7）

（2）人口的约束

人口增长的约束为：

                                     （8）

式中

XPOP——城镇人口和农村人口的总和即总人口；

X2014——2014年的人口数量，为160.5万人；

APOP——人口增长率，t表示规划水平年。

城镇化率的约束为：

                                            （9）

式中，ACZHL表示城镇化率。

（3）国民经济发展的约束

地区生产总值为：

                                            （10）

产业产值的约束为：

                                （11）

式中

GDPi——基准年的第产业增加值；

LGDPi——第i产业增加值比例的下限；

UGDPi——第i产业增加值比例的上限。

（4）生态环境的约束

    生态环境的约束主要是COD排放量的约束。

污水排放总量为：

                           （12）

式中

μGY——工业用水排放系数；

μCZSH——城镇生活用水排放系数。

COD排放量的约束为：

                                          （13）

式中，TCOD表示COD最大允许排放量。

2 水资源承载力多目标分析模型的求解

2.1 输入参数

基准年2020年采用实测值，规划水平年2025年采用供水保障率为50%（平水年）的预测值。部分参数的确定参考《2020年重庆市水资源公报》、《2020年巴南统计年鉴》、《重庆市巴南区人民政府关于印发《重庆市巴南区能源发展“十四五” 规划（2021-2025）》的通知》、《重庆市巴南区人民政府关于印发《巴南区水安全保障“十四五” 规划》的通知》。具体输入参数见表1。

表1 巴南区水资源承载力计算输入参数表

2.2 计算结果

根据表1中的数据和已建立的水资源承载力多目标分析模型，利用Matlab软件编程计算[4]，所得结果见表2。

表2巴南区水资源承载力计算结果

2.3 结果分析

（1）由上述多目标分析模型计算出的巴南区水资源承载力结果为：巴南区在2025年可以承载GDP1358.2亿元，总人口194.25万人，COD排放量19780吨。

（2）上述对巴南区2025年水资源承载力的计算结果是在供水保障率为50%（平水年）的情况下得出的，根据水资源承载力的内涵和特性可知，不同供水保障率（丰水年、平水平、枯水年）下的水资源承载力是有差别的。

（3）从多目标分析模型计算水资源承载力的过程可以看出，水资源承载力的计算是基于当前可能的技术水平条件，假设水资源的利用效率有 得到改善。 因此，从这个角度看，提高水资源承载能力的根本途径是节约用水[5]。 节水的本质是提高水资源的利用效率，主要可以从几个方面来实施。 一是搞好农业节水，要加快农业节水工程技术创新和推广，改进灌溉制度和方法； 提高水的回用率和回收率； 三是提高生活节水能力，要加强节水宣传，提高节水意识，大力发展和推广生活节水设施和器具。

参考文献

[1]  惠泱河，蒋晓辉，黄强，等．水资源承载力评价指标体系研究[J]．水土保持通报，2000，21(1)：30-34．

[2]  姚治君，王建华，江东等．区域水资源承载力的研究进展及其理论探析[J]．水科学进展，2002，13(1)：111-115.

[3]  徐中民．情景基础的水资源承载力多目标分析理论及应用[J]．冰川冻土，1999，21(2)：100-106．

[4]  龚纯，王正林．精通MATLAB最优化计算[M]．北京：电子工业出版社，2010．

[5]  袁鹰，甘泓，王忠精，等．浅谈水资源承载能力研究进展与发展方向[J]．中国水利水电科学研究院学报，2006，4(1)：62-67．