摘 要
随着社会的快速发展和国家对于水利政策的调整，吉林省中部地区水资源供需不对等，生活、生产和生态用水矛盾突出，如果想要解决此地区的缺水情况，需要在节水、治污和产业结构调整的基础上，通过从水质较好的松花江调水来解决吉林中部地区的缺水情况。
中部供水工程从丰满水库库区引水，是解决吉林省中部地区城市供水问题的大型调水工程，中部供水工程的实施将为长春市、四平市、辽源市及所属的九台区、德惠市、农安县、公主岭市、梨树市、伊通县、东辽县、长春双阳区等 11 个市、县、区的城区供水。在中部供水工程 11 座城市中，除长春市建设了“引松入长”供水工程外，其它 10 座依靠当地水资源供水的城市，现状年均存在不同程度的缺水，按照退还农业、生态用水并合理开采地下水核算，供水能力仅为 5.61 亿m3，缺水量 2.89 亿 m3，缺水率高达 34%。受本区水资源条件限制，本区已无条件新建城市水源地，超采地下水和挤占农业用水成为城市增加供水量的现实选择。
中部供水工程设计水平年为 2030 年。设计水平年多年平均引水量为 8.94 亿m3，丰满水库取水口设计引水流量为 38.0m3/s。根据***总书记“3·14”重要讲话中提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针和吉林省中部地区用水效率低等因素初步拟定中部供水工程三个水资源配置方案（三个节水方案），本文研究采用吉水院使用的数学建模对中部供水工程中的三个水资源配置方案进行模型建立，使用水科院研制的模型求解并且考虑供水城镇缺水深度之后，选 2030年强化节水方案为最优方案。在此基础上，文章中通过对模糊决策法和水资源配置的研究过程的充分研究和分析。对于定性目标在调水工程中不能进行定量分析这一问题结合相关规范和指导原则，在资料研究，现场查勘，咨询专家和理论分析的基础上，采用多目标半结构化的模糊决策分析方法来建立中部供水工程水资源配置方案比选模型。同时对模型的可靠性和可操作性进行了测试和调整。根据模糊决策理论的应用要求，向专家咨询各层系统每个目标的重要性以及对工程决策的影响程度，并根据模糊决策理论对计算结果进行一致性检验，以确定每个目标的相对优属度，最后将 2030 年强化节水方案作为中部供水工程水资源配置方案的最优方案。
通过对这两种方法进行了全面的比较和分析证明了，模糊决策理论方法在中部供水工程水资源配置中是可行的。模糊决策理论方法是将定性目标进行定量，之后将已经定量的定性目标和定量目标一起进行定量分析，这样可以对方案进行完整的优劣分析。这一可以完整的分析工程方案优劣的方法对于中部供水工程及其他调水工程来说是一种新的方法。
关键词： 中部供水工程；水资源配置；模糊决策。
Abstract
With the rapid development of the society and the adjustment of the state's water policy,the water supply and demand in the central region of Jilin Province are not equal, and the contradiction between living, production and ecological water is prominent. If you want to solve the water shortage in this area, you need to On the basis of pollution control and industrial structure adjustment, water shortage in central Jilin was solved by transferring water from the Songhua River with better water quality.
The central water supply project draws water from the Fengman Reservoir area. It is a large-scale water transfer project that solves the urban water supply problem in the central region of Jilin Province. The implementation of the central water supply project will be Changchun, Siping, Liaoyuan, and its Jiutai District and Dehui City. , Nong'an County, Gongzhuling City, Lishu City, Yitong County, Dongliao County, Changchun Shuangyang District and other 11 cities, counties and districts. Among the 11 cities in the central water supply project, in addition to Changchun City ’s water supply project “Introducing Pine to Chang”, the other 10 cities rely on local water resources.
Accounting for water use and reasonable groundwater extraction, the water supply capacity is only 561 million m3, the water shortage is 289 million m3, and the water shortage rate is as high as 34%. Restricted by the water resources conditions in this area,urban water sources have been newly established in this area. Over-exploitation of groundwater and crowding out agricultural water have become the realistic choices for cities to increase their water supply.
The design level of the central water supply project is 2030. The average annual diversion capacity at design level for many years is 894 million m3, and the designed diversion flow of the water intake of Fengman Reservoir is 38.0 m3 / s. According to General Secretary Xi Jinping ’s important speech on March 14th, the water management policy of “priority of water saving, space balance, system governance, and two-handed force” and the low water use efficiency in central Jilin Province were preliminarily formulated. Configuration scheme (three water-saving schemes). This paper studies the mathematical modeling used by the Jishui Institute to model the three water schemes in the Central Water Supply Project. The model developed by the Academy of Water Sciences is used to solve and consider the shortage of water in the town After deepening,the 2030 enhanced water-saving plan was selected as the optimal plan. On this basis, thearticle fully researches and analyzes the fuzzy decision method and the research process of water resources allocation. For the problem that qualitative targets cannot be quantitatively analyzed in water transfer projects, combined with relevant norms and guidelines, based on data research, site surveys, consulting experts and theoretical analysis, a multi-objective semi-structured fuzzy decision analysis method is used to Establish a comparison model for the water resources allocation plan of the Central Water Supply Project. At the same time, the reliability and operability of the model were tested and adjusted. According to the application requirements of fuzzy decision theory,consult experts for the importance of each goal of each layer of the system and the degree of influence on engineering decisions, and perform consistency checks on the calculation results according to fuzzy decision theory to determine the relativesuperiority of each goal In the end, the 2030 enhanced water-saving plan was adopted as the optimal plan for the water resource allocation plan of the central water supply project.
Through a comprehensive comparison and analysis of these two methods, it is proved that the fuzzy decision theory method is feasible in the water resources allocation of the central water supply project. The fuzzy decision theory method is to quantify the qualitative target, and then perform quantitative analysis on the quantified qualitative target and the quantitative target together, so that a complete pros and cons analysis of the scheme can be performed. This method that can completely analyze the pros and cons of the engineering scheme is a new method for the central water supply project and other water transfer projects.
Key words: Central water supply project,Water resource,allocation Fuzzy decision。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义。
我国地域广袤，气候多样特点导致了水资源分布不均匀，东部、南方多，西部、北方少。在夏季多雨时，南方多会发生洪涝灾害严重影响南方人们生活和南方城市经济发展，而北方因为水资源量短缺使得人们生活用水、产业用水和生态用水矛盾突出。所以水资源的合理配置成为水利发展中的重要一环，早在 20 世纪80 年代初我国的学者开始对水资源如何配置进行了研究，经过这么多年，我国已经形成了具有我国特色，符合我国国情的水资源配置方法。
吉林省位于我国东北部。在时间和空间上，吉林省水资源分布不均衡，东部水资源丰富，中西部水资源短缺。中部地区是吉林省的经济中心，人口稠密，工农业发达，位于东北黑土带的核心地区。它是振兴东北老工业基地和国家主要商品粮基地的关键区域。以省会长春、工业城市四平市和辽源市为中心的中部城市，这一片区域水资源短缺。人均水资源占有量和亩均水资源占有量分别占全国平均水平的 18％和 11％。此地区水资源开发利用率已超过 70％，是一个水资源匮乏的地区。为此，吉林省政府决定兴建调水工程，以解决吉林省中部缺水的问题。
中部供水工程是松花江和辽河流域“北水南调”新格局中的近中期“三大调水”工程之一。供水范围为长春市、四平市、辽源市及所属的九台区、德惠市、农安县、公主岭市、梨树市、伊通县、东辽县、长春双阳区等 11 个市、县、区的城区[1]。总干线进口为丰满水库，末端为冯家岭分水枢纽，分水枢纽后接长春干线、四平干线和辽源干线。长春干线起点为总干线末端冯家岭分水枢纽调压井处，设计水位为 224.74m，终点为伊丹河；四平干线起点为冯家岭分水枢纽，经泵站加压后向正西方向穿越伊丹河、伊通河后避开硫铁矿，在莫里青公社附近进入大黑山，通过隧洞继续向正西方向，在南崴子镇附近穿过哈大高速公路后折向西南沿哈大高速公路方向进入下三台水库；辽源干线起点为冯家岭分水枢纽，经泵站加压后通过杨家林山峰处调压井，在阎家屯附近出洞，管线穿越伊丹河后沿长营公路西侧向西南布置，在粉坊屯穿越长营公路后继续沿长营公路延伸，在伊通县付家店正北前行至伊通县分水口，向小料浅水库和伊通县水厂供水。
对于这样一个大型调水工程来说，如何配置水资源成为一个核心问题，中部供水工程可行性研究报告中采用数学建模的方法对水资源进行配置，但是对工程一定无法定量只能定性的问题却没有过多的研究。在本文中将采取陈守煜教授所提出的多目标半结构性模糊决策分析方法对工程中的定性问题定量，使定性问题变成定量问题，与定量问题一起进行矩阵求解，最后得出最优方案。通过研究可为调水工程中水资源配置方案的选择提供一定理论基础，为同类工程提供相应的参照资料，具有一定的指导参考意义。
1.2 国内外研究进展。
1.2.1 国外研究现状。
在 20 世纪 50 年代中期时国外开始对水资源配置进行研究，在往后的 10 年到20 年间水资源配置研究开始快速发展，许多传统的方法和理论都被用到水资源配置中。
哈佛大学的研究组在 1955 年提出了水资源与环境并列思考的想法，研究了社会经济、实际工程和国家政策之间的关系，12 年后《水资源系统分析》一书被发表，书中将系统分析的思想和方法引入水资源规划中，并开始研究流域的水资源分配模型。
70 年代，Y Gen 将系统分析在水资源中的应用分为线性规划，动态规划，非线性规划和模拟技术等[2]。1982 年，Pesrno 等人以产值最大为目标，以输水能力和预计需求量为约束，并采用二次规划法研究了英国纳瓦地区的水配置问题[3]。
1987 年，威利斯（Willis）的目标是最低供水成本或在供水不足时没有水流失。用线性规划法和 SUMT 法求解地表水与地下水的联合运行以及水库与地下水含水层的联合管理[4]。
1992 年，Afzal 和 Jvaaid 建立了巴基斯坦某地区灌溉系统的线性规划模型[5]。
Upmanu Lall 等人于 1995 年建立的地表水和地下水联合应用系统的多目标管理模型[6]。Wong，Huong S 等人于 1997 年提出支持地表水，地下水和外部水的联合使用，并考虑了防治地下水恶化的措施[7]。1999 年，Kumar，Arun 等人建立了废水排放的模糊优化模型[8]。
自 21 世纪以来，互联网的快速发展，智能优化算法日益更新，国外学者对智能算法进行了广泛的研究。2007 年 B. Abolpour[9]等人在自适应神经网络模糊推理系统基础上，将模糊强化学习算法融进来，从而建立了自适应神经模糊强化学习法。
2014 年，Nouiri，I[10]提出一个水资源配置的新思路，一个以优化需水和减少费用为目标，以河流盐度需求和水力为约束条件，同时利用遗传算法以及 PARETO优化概念来求解问题。
1.2.2 国内研究现状。
我国的水资源配置研究始于 1980 年代初。 1980 年代初，华士乾等人应用系统工程方法研究水资源利用问题[11]，是我国研究水资源配置的开端。从“六五”
攻关开始，我国科学家针对不同时间出现的水资源问题，在国家总体战略引导下开展了不同类型的水资源配置理论方法与对策措施研究[12]。
（1）1981-1985 年评估了华北地区的水资源，地表水和地下水可利用量，为配置水资源奠定了基础[13]。1986-1990 年中，着重分析了“四个水”的转化机理和水资源的合理利用，并对根据需求确定了地下水和地表水的联合结构模式进行了研究[14]。
（2）1991-1995 年科学家着眼于水资源与国民经济的关系，提出了基于水资源的合理配置方法，并在华北地区，黄河流域和新疆北部地区开展了类似应用研究[15-16]。冯尚友[17]和刘健民[18]等人分别提出水资源系统工程理论和采用大系统递阶分析方法建立了模拟和优化相结合的三层递阶水资源系统模拟模型。
（3）1991-2000 年学者针对西北内陆河流域的水生态问题开展了考虑生态的水资源配研究。[19-23]。
（4）2001-2005 年，科学家提出了一种广义的水资源分配方案，以将大气有效降水，土壤水和再生水纳入水源范围，同时充分考虑再生水。并在宁夏开展研究[24]。在 2006-2010 年，在用户配置方面，从“真实节水”[25]出发，开始重视耗水（ET）控制优化配置[26-27]。
（5）2010 年后，国家开始兴建南水北调工程，南水北调工程加速了跨流域大系统水资源配置的进展[28-30]。由于南水北调工程存在及其复杂的水资源系统，为构建清晰可行的配置思路和定量方法，王浩[31]提出了“三次平衡分析”的理论方法；徐良辉[32]提出了包含调水区与受水区所在流域整体进行系统模拟的系统概化和模型构建技术；王劲峰[33]等提出了区际调水时空优化配置理论模型。
（6）2014 年后，由于我国早期快速发展和建设，水污染严重，基于此现象专家和学者提出结合水质条件的水量配置的想法[34-36]。牛存稳等以黄河为例在分布式水文模型模拟的基础上提出了水量水质联合模拟与评价方法[37]；刘丙军等提出基于信息熵分析的河流水质时空演化分析模型，对东江流域水量调控下的水质变化规律进行了验证[38]。严登华等以水量水质双总量控制为约束条件，分析了区域水资源合理配置[39]；董增川、付意成、张守平等采用数值模拟、水资源系统网络等方法构建了水量水质联合模拟和配置模型[40-42。
自从改革开放之后，我们国家倡导打开国门走出去，将国外与国内联系在一起，正是如此，我国在自身研究水资源配置的同时，还引进了国外制作的软件，其中 MIKE?BASIN 是使用最广泛的[43-45]。
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1.3 研究内容及研究路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 研究路线
第 2 章 受水区水资源概况及开发利用现状
2.1 基本概况
2.1.1 自然地理概况
2.1.2 社会经济概况
2.2 受水区水资源概况
2.2.1 受水区范围
2.2.2 受水区水资源总量
2.2.3 受水区水资源质量
2.3 受水区水资源开发利用现状
2.3.1 水利工程现状
2.3.2 供水现状
2.3.3 用水现状
2.3.4 水资源开发利用程度分析
2.3.5 水资源开发利用存在的问题
第 3 章 受水区需水预测
3.1 需水预测
3.2 需水定额分析
3.2.1 供水城镇现状用水定额
3.2.2 用水水平
3.2.3 需水定额
3.3 节水量预测
3.3.1 生产节水
3.3.2 生活节水
3.3.3 节水率分析
3.4 需水预测成果
第 4 章 水资源方案配置（三次平衡思想）
4.1 水资源配置思想与模型
4.1.1 水资源“三次平衡”的配置思想
4.1.2 水资源配置模型
4.2 水文系列与需水方案
4.3 基准年水资源供需平衡分析
4.4 基于现状用水模式的“一次平衡”分析
4.5 基于当地水资源承载能力的“二次平衡”分析
4.5.1 配置方案设置
4.5.2 水资源“二次平衡”分析
4.6 基于外调水的“三次平衡”分析
4.6.1 配置方案设置
4.6.2 水资源“三次平衡”分析
4.7 推荐的水资源配置成果
第 5 章 水资源方案配置（模糊决策法）
5.1 半结构多目标决策理论
5.1.1 半结构性决策系统目标相对优属度矩阵
5.1.1.1 定量目标相对优属度确定
5.1.1.2 定性目标相对优属度确定
5.1.2 半结构性决策系统模糊优化方法
5.1.3 多层系统模糊优选
5.2 模糊优化理论在引松供水工程水资源配置中的应用
5.2.1 第一层单元系统相对优属度
5.2.1.1 水资源状况指标系统
5.2.1.2 工程投资指标系统
5.2.1.3 社会影响指标系统
5.2.1.4 环境影响指标系统
5.2.1.5 施工难易指标系统
5.2.2 整体方案的相对优属度向量
第 6 章 结论
6.1. 中部供水工程可行性研究报告比选结果。
中部供水工程可行性研究报告中使用了王浩所提出的“三次平衡”思想，使用水科院所研制的水资源配置模型对三个节水方案进行长系列计算，并且考虑农业，工业，第三产业用水量和需水量，社会经济发展和生态保护等多方面因素，经过分析和比选，并参考不同水平年供水城镇缺水深度，将 2030 年强化节水方案作为推荐的水资源配置成果。
6.2 模糊决策模型比选结果。
通过多目标半结构性模糊决策分析方法建立吉林省中部城市引松供水工程水资源配置方案的优选模型，将一些无法量化的定性目标比如环境影响、移民工程难度等，与工程投资、水资源状况和社会影响等定量目标一起进行矩阵计算，在模型求解得出最优值，最后选定 2030 年强化节水方案最优越，此方案需水量 40.25亿 m3，供水量 39.01 亿 m3，缺水深度 3.1%，毛调入水量 8.66 亿 m3；污水处理厂投资 24 亿元，节水投资 50.23 亿元，引松工程投资 135.13 亿元，污水处理厂运行费 2.31 亿元，污水处理程度强，生态影响强；节水器具普及率 90%，城镇管网漏失率 9%，工业重复用水率 88%，生产节水量 7.18 亿 m3，节水率 38.39%，节水难度较难。
6.3 结论
通过建立的中部供水工程水资源配置方案模糊决策模型，模型分析结果与吉水院所编写的中部供水工程可行性研究报告所选的水资源配置方案相同，均认为2030 年强化节水方案为最优方案，由此可以看出模糊决策分析方法是适用于中部供水工程水资源配置方案的分析和比选的，在以后的调水工程中模糊决策分析方法也可作为一种方案分析和比选的方法。
参考文献
