水资源是连接粮食、能源的关键纽带,其数量和质量直接影响着区域经济发展、社会稳定、人民福祉、资源安全等各个方面。开展庆阳市非常规和常规水资源协同配置研究,对于保障研究区水资源安全和社会经济可持续发展具有重要的科学意义。庆阳市是西北干旱区的重要工业地区。水资源总量和可供给量极端缺乏,庆阳市多年平均降水量不及全国平均水平,仅为468.1mm,且存在年际年内分配不均、水资源利用效率不高、水污染较严重等问题,已经严重影响庆阳市经济发展。由于第二产业的兴起,庆阳市的经济和人口迅速增长,使得原本就失衡的水资源供需关系更加严峻。同时,因为过度发展能源、工业等第二产业,导致生态环境质量每况愈下,生态环境日益恶化。因此,有计划的利用再生水、雨水、矿井疏干水等非常规水资源,是废、污水变资源的良策,是缓解水资源供需失衡的可行方式。非常规和常规水资源协同配置,以满足社会效益、经济效益、生态环境等综合系统的效益最大化,是寻求协调整个水资源系统的尝试。本文的主要研究内容和结论如下。(1)总结了庆阳市的自然地理、水文气象、人口经济等现状;分析了水资源及水利工程开发现状、海绵城市建设现状、涉水城市化建设现状。根据庆阳市水资源需水要求、供水状态现状为依据,采用最大水资源人口承载力Cp、水资源承载力平衡指数IWSD两个指标,对庆阳市水资源承载能力现状进行计算评估。计算结果显示,除镇原县刚刚达到承载力标准、华池县稍微低于水资源承载力标准以外,剩下的其余各区县均存在不同程度的水资源承载力超载问题,庆阳市水资源现状不容乐观。(2)梳理了庆阳市生活和第三产业、第一产业、第二产业、生态环境的需水量计算方式;水资源总量计算方法;地表水、地下水等常规水资源和非常规水资源(再生水、雨水、苦咸水、矿井疏干水等)可供给量的计算方法。并采用灰色预测模型方法,对庆阳市近期(2020年)、中期(2025年)和远期(2030年)规划年的需水量和供水量进行预测,并进行供需水平衡分析。其中在50%保证率下,三个规划年缺水量分别为1312、1257、1124万m3,缺水率分别为2.65%、2.27%、1.93%。可以看出,庆阳市水资源在规划年内依旧处于供需失衡的局面,人民日益增长的水资源需求和水资源缺乏的矛盾依旧突出,三个规划年的水资源供需状况依旧不乐观。(3)在遵循庆阳市水资源协同配置原则的基础上,综合考虑以下优化目标,建立了研究区常规水资源和非常规水资源协同配置模型。(1)以经济效益最大为目标的经济目标函数;辅以水源优先次序系数、部门用水次序系数等参数,加入单位水资源成本等方法,保障非常规水资源优先使用,生活及三产用水优先配置;(2)以水、能源、粮食纽带(WEF Nexus)系统综合效益最大为目标的社会效益目标函数;采用非常规水资源利用率系数、第一产业缺水系数的相反数、第二产业经济计算值与规划值的比值作为评价指标函数,进行水、能源、粮食纽带关系(WEF Nexus)耦合,满足非常规用水和常规水资源的协同配置。(3)以COD排放量最小为目标;限制高消耗、高排放企业的发展,促进庆阳市以第二产业经济为主的经济体系向以第三产业为主的经济体系转型。(4)针对水资源协同配置目标函数的高维、多峰值、非线性、不连续和非凸性等特性,特选取飞蛾扑火优化算法、灰狼优化算法、鲸鱼优化算法三种新型的智能仿生优化算法,并对其存在的过早收敛、易陷入局部最优、搜索面积小等不足进行改进。对三种改进的优化算法采用12个测试函数(6个单峰函数和6个多峰函数)进行测试对比,结果显示,三个改进智能算法随着收敛次数的增加,收敛精度都有所提升;改进飞蛾扑火算法在搜索范围和收敛速度及精度都不及改进灰狼算法和改进鲸鱼算法;而改进鲸鱼算法的收敛精度优于改进灰狼算法,但是在一些测试函数中存在过早收敛、易于陷入最优解等缺点。总体测试结果显示,改进灰狼算法在计算精度可以达到标准,而且存在搜索面积大、不易陷入局部最优的优点。(5)以上述三种改进优化算法对比传统多目标方法,分别求解研究区水资源协同配置模型。在此基础上,采用改进主成分分析法,并选取11个指标进行结果优劣比选。得出50%保证率下的改进飞蛾扑火算法、改进灰狼算法、改进鲸鱼算法和传统多目标算法的2020年得分(0.042、0.184、0.444、0.086)、2025年得分(0.301、0.699、0.054、0.382)、2030年得分(0.506、0.021、0.182、0.436),所得综合得分表现为BⅢ>CⅢ>AⅢ>DⅢ>CⅡ>BⅡ>AⅡ>DⅡ>BⅠ>CⅠ>AⅠ>DⅠ。表明三种改进的优化算法均优于传统多目标配置方法,其中改进鲸鱼算法和改进灰狼算法计算结果相近,二者各有好坏。同时结合5.3节结果,最终选定改进灰狼算法结果为庆阳市非常规和常规水资源协同配置结果。经过改进灰狼算法配置后,50%保证率下的2020、2025和2030年水资源所对应的经济生产总值分别为1060.35亿元、1601.18亿元和2196.12亿元;其中2020年配置后的水资源所对应的经济生产总值超过庆阳市十三五经济规划中1000亿元的产值目标。结果表明,基于改进灰狼优化算法的非常规与常规水资源协同配置研究具有较好的可行性,可为研究区水资源协同配置模型求解提供新的计算途径。