（管理科学与工程专业论文）高等学校用水管理方法与系统研究.pdf

学位论文的主要创新点7 煳辨 一、将系统动力学及其相关理论应用于高校水系统，建立高校水系统 系统动力学模型，对高校不同用途的用水量进行分析预测，同时辨识 影响高校水系统运行的关键因素。 二、改进现有蚁群算法，使其适用于连续空间内带约束的多目标求解 问题，并应用其对水资源优化配置的多目标模型进行求解。 摘要 当今世界，随着人口的不断增长及社会经济的不断发展，水资源的需求量萨 在不断加大。我国作为一个水资源短缺的国家，在社会经济快速发展和城市化进 程不断加快的同时，水资源的供需矛盾也在不断加剧。高校作为我国城市中的水 资源消耗大户，其用水管理潜力不容忽视。因此，如何在保证高校安全用水的前 提下科学合理地降低高校的水资源使用量及其相关的资金支出己成为全国各高 校建设、管理所面临的亟待解决的问题。 本文综合应用系统动力学、区域水资源优化配置方法及国家排污权交易模式 等不同专业领域的知识建立高校水资源管理模型，最终实现高校水系统规划，以 解决高校水资源浪费严重的问题，达到高校水资源实现综合高效管理的目的。 首先，本文在对高校不同的用水途径及水资源类型进行了分析的基础上，运 用系统动力学的理论知识对高校水系统进行分析，确定了高校水资源基本的循环 过程，建立了高校需水量预测仿真模型。 其次，本文研究了高校水资源优化配置模型，主要包括两部分内容：高校水 资源供需分配多目标模型及模型的求解方法。高校水资源多目标模型是一个以社 会、经济、环境协调发展为总体目标的水资源分配模型，其中包括社会、经济、 环境共3 个子目标及其相关的约束条件。此模型为连续空问内的多目标问题，本 文通过研究蚁群算法并对算法中“蚂蚁”的寻优方式进行改进，以达到适合求解 多目标问题的效果，并对上述多目标问题进行求解，以得到水资源初始分配方案。 接着，本文介绍了国家排污权交易理论，并以国家排污权交易模式为参考， 提出了高校用水量许可交易系统框架。此系统中主要包括高校用水量许可分配子 系统、交易子系统、监督子系统及调控子系统四部分。 然后，本文对高校水资源管理决策支持系统提出了构建设想及实践建议，以 达到对高校水资源管理者进行辅助的目的。 最后，作为高校水资源管理信息系统的实践应用，本文对天津工业大学新校 区的水资源进行了优化管理。 关键词：水资源；优化配置；系统动力学；多目标模型；蚁群算法；排污权 a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u e dp o p u l a t i o ng r o w t ha n dt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to f s o c i o e c o n o m i c ，w a t e rr e s o u r c e sd e m a n di sc o n s t a n t l yi n c r e a s i n gn o w a d a y s c h i n aa s o n eo ft h ec o u n t r yw h i c hi sw a t e rs h o r t a g e ，w h i l et h er a p i d s o c i o - e c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n du r b a n i z a t i o ns p e e du pc o n t i n u o u s l y , t h ec o n t r a d i c t o r yb e t w e e nt h e w a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya n dd e m a n di si n t e n s i f y i n g w em u s tp a ya t t e n t i o nt ot h e w a t e rm a n a g e m e n tp o t e n t i a lo fc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e sw h i c hw a t e rr e s o u r c e s c o n s u m p t i o ni sal a r g ep r o p o r t i o no fc i t i e s i nc h i n a t h e r e f o r e ，h o wt or e d u c et h e w a t e rr e s o u r c e sc o n s u m p t i o n sa n da s s o c i a t e dc a p i t a le x p e n d i t u r es c i e n t i f i c a l l ya n d r a t i o n a l l yu n d e rt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gs a f ew a t e ri nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s ，h a s b e c o m ea ne m e r g e n tp r o b l e m ，t h a tn a t i o n a lc o l l e g e sa n du n i v e r s e sf a c ei nt h ep r o c e s s o fc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n t ，s h o u l db es o l v e t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h ew a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n tm o d e lo fc o l l e g e sa n d u n i v e r s i t i e so nt h eb a s i so ft h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fk n o w l e d g ei nd i f f e r e n t p r o f e s s i o n a l f i e l di n c l u d i n gs y s t e md y n a m i c s ，r e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e so p t i m a l a l l o c a t i o nm e t h o da n dn a t i o n a le m i s s i o n st r a d i n gm o d e la n ds oo n f i n a l l y , r e a l i z i n g t h ew a t e rs y s t e mp l a n n i n go fc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s ，s o l v i n gt h es e r i o u si s s u eo f w a s t i n gw a t e r , a c h i e v e st h ep u r p o s eo fi n t e g r a t e da n de f f i c i e n tm a n a g e m e n to fw a t e r r e s o u r c e si nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s f i r s t ，o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tw a y si n w a t e rd e m a n da n d s u p p l yi nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fs y s t e m d y n a m i c s i nw a t e rs y s t e m a n a l y z i n go fc o l l e g e s a n du n i v e r s i t i e s a n dt h e n ， a s c e r t a i n e dt h eb a s i cc y c l i cp r o c e s so fw a t e rr e s o u r c e s ，e s t a b l i s h e st h ef o r e c a s t i n g w a t e rd e m a n ds i m u l a t i o nm o d e lo fc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s s e c o n d ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eu n i v e r s i t i e sw a t e rr e s o u r c e so p t i m a la l l o c a t i o n m o d e lw h i c hi n c l u d e st h em u l t i o b j e c t i v em o d e lo fu n i v e r s i t i e sw a t e rd e m a n da n d s u p p l ya n dt h es o l u t i o nm e t h o d t h eu n i v e r s i t i e sw a t e rr e s o u r c e so p t i m a l a l l o c a t i o n m o d e li saw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nm o d e lt h a tt a k e st h ec o o r d i n a t e dd e v e l o p m e n to f t h es o c i e t y , e c o n o m ya n de n v i r o n l n e n ta st h eg e n e r a lg o a l i tc o n s i s t so ft h r e e s u b o b j e c t i v e s i n c l u d e ds o c i a l e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a la n dt h er e l a t e d c o n s t r a i n t s t h i sm o d e li sam u l t i o b j e c t i v e sm o d e li nc o n t i n u o u ss p a t i a l o nt h eb a s i s o ft h es t u d yo fa n tc o l o n ya l g o r i t h m ，t h i sp a p e ri m p r o v e st h ea n to p t i m i z a t i o nm e t h o d i nt h ea l g o r i t h m ，t ob es u i t a b l ef o rs o l v i n gt h em u l t i - o b je c t i v e si s s u e a n dt h e n ，s o l v e s t h eu n i v e r s i t i e sw a t e rr e s o u r c e so p t i m a la l l o c a t i o nm o d e l ，t oo b t a i na ni n i t i a l a l l o c a t i o nw a t e rr e s o u r c e sp r o g r a m t h i r d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h en a t i o n a le m i s s i o n st r a d i n gt h e o r ya n de s t a b l i s h e s t h ef r a m e w o r ko fu n i v e r s i t i e sw a t e rp e r m i tt r a d i n gs y s t e m ，r e f e r r i n gt on a t i o n a l e m i s s i o n st r a d i n gm o d e l t h i ss y s t e mi n c l u d e su n i v e r s i t i e sw a t e rp e r m i tm l o c a t i o n s u b s y s t e m ，t r a d i n gs u b s y s t e m ，m o n i t o r i n gs u b s y s t e ma n dc o n t r o ls u b s y s t e m f o r t h ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h e i d e a sa n dp r a c t i c a ls u g g e s t i o n so fu n i v e r s i t i e s w a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，t oa s s i s tw a t e rr e s o u r c e s m a n a g e r si nu n i v e r s i t i e s f i n a l l y , a st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fu n i v e r s i t i e sw a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h el l e wc a m p u so ft i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t yh a sb e e n o p t i m i z e dm a n a g e m e n to fw a t e r r e s o u r c e si nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：w a t e rr e s o u r c e s ；o p t i m a la l l o c a t i o n ；s y s t e md y n a m i c ；m u l t i - o b j e c t i v e s m o d e l ；a n tc o l o n ya l g o r i t h m ；e m i s s i o n s 目录 第一章绪论l 1 1 选题背景及意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 生态校园2 1 2 2 系统动力学2 1 2 3 水资源优化配置3 1 2 4 智能算法5 1 2 5 排污权交易6 1 3 本文的研究内容及路线6 1 3 1 本文研究内容6 1 3 2 本文研究路线。8 第二章高校水系统分析1 l 2 1 高校用水途径及水资源类型分析1 1 2 1 1 高校用水途径及水源分类1 l 2 1 2 高校不同用水途径及水源的供需关系1 1 2 2 高校不同用途的需水量预测1 2 2 2 1 系统动力学简介1 2 2 2 2 高校需水鼍仿真系统的构建1 3 第三章高校水资源供需分配1 9 3 1 高校水资源供需分配多目标模型1 9 3 1 1 目标函数2 0 3 1 2 约束条件2 1 3 1 3 模型参数的确定2 l 3 2 模型求解方法2 2 3 2 1 遗传算法一2 2 3 2 2 蚁群算法2 4 3 2 3 本文多目标模型求解方法选择2 6 3 2 4 算法检验2 7 第四章高校用水量许可交易3 1 4 1 排污权交易的理论分析3 1 4 1 1 排污权交易的概念3 1 4 1 2 排污权交易的原则3 2 4 1 3 排污权交易体系3 2 4 1 4 排污权交易的特征3 3 4 2 高校用水量许可交易制度3 4 4 2 1 高校用水量许可分配系统3 4 4 2 2 高校用水量许可交易系统3 5 4 2 3 高校用水量许可监督系统3 7 4 2 4 高校用水量许可调控系统3 8 4 2 5 高校用水量许可交易体系结构3 8 4 3 高校用水量许可交易体系组成关系3 8 4 4 高校用水量许可交易体系的技术方法3 9 4 4 1 用水量许可初始分配模式3 9 4 4 2 用水量许可初始分配方法4 1 4 4 3 市场交易运作程序4 2 4 4 4 用水量许可排污权交易体系的调控措施4 4 第五章高校水资源管理决策支持系统4 7 5 1 系统设计的原则与目标4 7 5 1 1 系统设计的原则4 7 5 1 2 系统设计的目标4 8 5 2 系统的功能结构与逻辑结构4 8 5 2 1 系统功能结构设计4 8 5 2 2 系统逻辑结构设计4 9 5 3 数据库系统设计4 9 5 3 1 空间数据库4 9 5 3 2 综合数据库5 0 5 4 模型库系统设计5 0 5 4 1 需水量预测模型5 l 5 4 2 多目标优化配置模型5 5 5 4 3 用水量许可交易模型5 6 5 5 人机交互系统设计5 6 第六章应用研究5 7 6 1 学校概况5 7 6 2 天津工业大学水资源系统分析6 2 6 2 1 系统动力学模型的构建6 2 6 2 2 模型的灵敏度分析6 3 6 3 天津工业大学水资源优化配置6 5 6 3 1 水资源供需平衡分析6 5 6 3 2 水资源优化配置6 7 6 4 天津工业大学用水量许可交易7 0 6 4 1 用水总量控制目标7 0 6 4 2 用水量初始分配7 0 6 4 3 用水交易模式7 l 6 4 4 监督机制7 l 第七章结束语7 3 参考文献。7 5 发表论文和参加科研情况说明7 9 附录一高校需水量仿真系统变量中英文名称对照表8 l 附录二蚁群算法m a t l a b 源程序8 3 墅| 【谢8 9 i l 第一章绪论 第一章绪论 本章对水资源在人类社会中所占地位、我国水资源占有及利用现状进行了 介绍，同时结合我国水资源现状对加强高校水资源综合管理的意义进行了阐述。 根据本文的研究内容，对相关知识领域的研究现状进行了综述。最后对本文的 研究内容及研究路线进行了简要概述。 1 1 选题背景及意义 随着人类社会的进步和世界经济的发展，加之世界人口的急剧增长，使得 水资源的经济、社会功能性同趋显著，经济社会的地位日趋提高。因此，水资 源的开发与利用已成为影响人类生存与可持续发展的一个关键因素。区域水资 源规划与管理作为在区域水资源总量保持不变的情况下对区域内水资源进行合 理配置以达到水资源高效利用目的的重要手段，备受世界各国尤其是水资源短 缺国家的关注。我国淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ， 列世界第四位，但是由于我国人口众多，导致人均水资源量仅为2 3 0 0 立方米， 只相当于世界平均水平的1 4 ，是全球人均水资源量最贫乏的国家之一。我国 自建国以来，在水资源的开发利用、江河整治及防治水害方面都做了大量的工 作，取得较大的成绩。若只从水资源的总供给量和总需求量平衡的角度上讲， 我国的水资源总供给量完全可以满足自身对水资源的需求量。目前，我国所面 临的水资源供需矛盾并不是自然界水量不能满足我国经济、社会发展的需求， 而是人们使用水资源的粗放方式，主要在于水资源的严重浪费与污染。因此， 有必要研究并实施更加有效地水资源规划与管理政策，以实现对水资源的可持 续利用。 高校是一个集科研、教学和生活于一体的综合性区域，是城市中的水资源 消耗大户，其用水及节水能力均不容忽视。从各高校的统计数据看，大多数高 校人均用水量为2 0 0 3 0 0m ，约是社会居民生活用水的2 3 倒1 1 。随着高校招 生人数的增加、师资力量的加强及教学科研体系的发展，高校用水量也在不断 地增长。在此种发展趋势下，如何安全科学地降低高校用水量及其相关的资金 支出已成为全国各高校建设、管理所面临的亟待解决的问题。高校水资源利用 系统是一个复杂的社会一经济一生态系统，其水资源优化配置模型是一个多目 标非线性的优化模型。同时，新近发展起来的蚁群算法为求解此类复杂优化配 置模型问题提供了新的方法及思路。探讨系统动力学在校园水资源预测中的应 用、蚁群算法在高校水资源优化配置问题中的应用及高校综合节水管理平台构 天津i ：业人学硕十学位论文 建技术的研究，对于如何在保证高校教学、科研及生活j 下常供水的- f i i j 提下实现 更加科学、合理地节约水资源使用量，减少高校在用水方面的投入，进而缓解 城市区域的供水压力建设节水型社会具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 本文所要研究的内容是生态校园领域的一个重要分支，研究过程均是在生 态校园的基础上展开的。在高校水系统分析、高校水资源供需分配模型建立及 求解和高校用水量许可交易体系建立的过程中分别涉及到系统动力学、水资源 优化配置及智能算法和排污权交易等知识领域。 1 2 1 生态校园 在生态校园领域，欧美国家于2 0 世纪8 0 年代末开始将“生态”的概念引 入学校建设中。虽然取得了一些成果，但是许多建造较早的学校正面临设施老 化的问题，校园中不可避免地出现室内空气差、设施落后、舒适度低等缺陷； 新建的学校由于缺乏长期规划也逐渐暴露出问题：一些校园建筑对能源、资源 的利用率低下，废弃物排放量大，对当地环境存在恶劣影响。为解决以上问题， 国外生态校园的设计明显趋向于生态技术的研发使用【2 1 。其在生态技术的开发 上偏重于建筑内部的资源能源循环利用技术以及建筑物与周围环境关系的研 究。除生态技术以外，西方发达国家还十分重视生态教育的开展，注重丰富学 生的知识面，培养学生的综合素质和动手能力，鼓励学生的创新思维。美国、 欧洲各国、澳大利亚等国家的生态教育建设已经发展的较为成熟。 我国为了避免走西方国家“先破坏，再修复”的老路，在抓经济发展的同时， 国家开始注意自然环境的维护与发展。在这种大趋势下，绿地较为集中的校园理 所应当的成为生态化的先锋力量之一。我国对于生态校园有多种定义，谭仕林 ( 2 0 0 3 ) 、臧树良( 2 0 0 4 ) 等认为生态校园是指在生态学原理的指导下，贯彻可 持续发展的战略思想，遵循人与自然协调的原则，通过合理规划设计和建设实施， 形成体现校园特色和文化内涵的校副3 4 】；陈岳堂( 2 0 0 4 ) 认为生态校园是运用 生态学的基本原理与方法规划、设计、管理及运行的人与自然关系和谐，各物种 布局、结构合理且环境质量优良，物质、能量、信息高效利用环境友好的集学习、 工作、生活、休闲功能于一体的人工生态系统【5 j 。自1 9 9 6 年以来，我国在国家环 保总局、中宣部、国家教委的共同努力下，掀起了生态教育建设的热潮，推广以 中小学校为主要对象的环境保护教育管理工作，但效果尚不显著。 1 2 2 系统动力学 系统动力学( s y s t e md y n a m i c s ，简称s d ) 由美国麻省理工学院福瑞斯特 第章绪论 ( j a yw f o r r e s t e r ) 教授于1 9 5 6 年提出，是- 1 3 分析研究信息反馈系统的学科， 也是- 1 3 认识系统问题和解决系统问题交叉的、综合性的新学科。它是系统科 学和管理科学的一个分支，也是- 1 3 沟通自然科学与社会科学等领域的横向学 科【6 j 。系统动力学方法是在总结运筹学的基础上，综合系统理论、控制论、信 息反馈理论、决策理论、系统力学、仿真与计算机科学等基础上形成的崭新的 学科。基于系统论，吸取控制论、信息论的精髓，以反馈控制理论为基础，以 计算机仿真技术为手段的研究复杂社会经济系统的定量方法。作为一种仿真技 术，系统动力学具有一下特点： l 、系统动力学是一门可用于研究处理社会、经济、生态和生物等一类高度非线 性、高阶次、多变量、多重反馈、复杂时变性系统问题的学科。它可在宏观和 微观的层次上对复杂多层性、多部门的大系统进行综合研究。 2 、系统动力学的研究对象是开放系统。它强调系统与环境相互联系、相互作用、 以及系统自身发展与运动的观点；认为系统的行为模式与特性主要根植于其内 部的动态结构与反馈机制。 3 、系统动力学研究解决问题的方法是一种定性与定量相结合、分析、综合与推 理的方法。尽可能采用“白化”技术，把不良结构尽可能相对地“良化”，其模 型模拟是一种“结构一功能”模拟。 4 、系统动力学的建模过程便于实现建模人员、决策人员和专家群众的三结合， 便于运用各种数据、资料、人们的经验与知识，也便于汲取、融会其他系统学 科与其他科学的精髓。 5 、系统动力学在研究处理复杂问题时，擅长处理周期性问题，长期性问题，数 据相对缺乏的问题，高阶次、非线性、时变的问题，可以进行长期的、动态的、 战略的定量分析。 社会系统作为一个具有滞后特性的动力系统，由于缺乏数据而难以精确地 描述其行为，只能通过半定量化的方法，运用模型的仿真和模拟来研究，通过 仿真试验和计算，对社会现象进行分析和预测，为企业、城市、地区、国家等 制定发展战略及进行决策提供有用的信息和决策支持。由于系统动力学具有上 述特点，因此系统动力学模型可以作为社会、经济、生态复杂大系统的“实验 室 。系统动力学的建模过程就是一个学习、调查研究的过程。校园是社会一经 济一环境系统的一种特殊类型，所以可以用系统动力学工具对其进行研究。 1 2 3 水资源优化配置 我国在水资源优化配置方面的研究起步较晚，但发展很快。2 0 世纪6 0 年 代就丌始了以水库优化调度为先导的水资源分配研究。从8 0 年代开始了对水资 源系统优化配置的研究。 天津l ：业人学硕十学位论文 我国于2 0 世纪9 0 年代在全国水资源综合规划大纲中对水资源优化配 置给出了一个比较权威的定义，即“在流域或特定的区域范围内，遵循有效性、 公平性和可持续性的原则，利用各种工程与非工程措施，按照市场经济的规律 和资源配置准则，通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质 量等手段和措施，对多种可利用水源在区域i 日j 和各用水部门问进行的配置”【7 j 。 目前，在水资源优化配置研究理论方面主要存在大系统理论、不确定性理 论、动念规划和多目标规划四种理论。大系统理论是基于可持续发展的思想， 不仅考虑水资源中水的各个要素并将其组成水资源系统，而且把水资源系统和 社会系统、生态系统、人口系统紧密联系起来，共同组成具有特定功能的有机 整体。系统动力学理论和系统工程学理论就是基于系统论的进一步研究发展起 来的。如l i h u af e n g ( 2 0 0 8 ) 利用系统动力学对浙江义乌市进行水资源的承载 能力进行了分析，得出当地只需靠提高水资源的使用效率及加大水资源保护的 投入就可保持水资源供应量的结论【8 1 。在水资源优化决策中，随机和模糊优化管 理模型统称为不确定性水资源优化管理模型。由于水资源系统内部以及系统与 环境之i 日j 存在着模糊性与随机性且水资源系统即是一个复杂的模糊系统，因而 应用模糊优化模型来确定水资源的最优分配方案，将有更大的可靠性与保证性。 在应用动态规划的过程中，可将其与线性规划、模拟技术相结合【9 j ，以克服其 本身易出现“维数灾”的缺点。多目标规划理论多应用于水资源规划巨系统的 总体规划模型中，如张雪飞等人( 2 0 0 6 ) 以唐山市为例利用多目标优化方法研 究了区域水资源的优化配割h 。 与国内相比，国外在水资源优化配置领域的研究起步较早，其起始于2 0 世纪4 0 年代m a s s e 提出的水库优化调度理论。到了2 0 世纪5 0 6 0 年代，随 着系统分析理论与优化技术的引入，使水资源系统分析模型技术得以迅速发展， m o o r e ( 1 9 6 1 ) 提出了在一定时间内最优水量分配的问题【l 。b u r a s 等( 1 9 6 1 ) 首次把d p 法引入联合运用系统，用以解决地面水库和地下水库蓄水分配问题 【1 2 】。m a a s s 等( 1 9 6 2 ) 提出了单目标非线性静态规划模型，目标函数为流域水 资源开发治理的总净效益最大【1 3 】。b u r a s ( 1 9 6 3 ) 针对包含了一个地表水库、一 个地下水库和两个独立灌区的假定系统，建立了动态规划模型，用以确定地下 水库、人工回灌工程的规模、各灌区的灌溉面积以及地表水库、地下水库的供 水策吲1 4 】。美国经济学家l e o n t i e f ( 1 9 6 6 - - 1 9 6 9 ) 对美国西部各州各产业部门 的水资源供需问题进行经济研究，建立了投入产出分析与水资源优化管理模型 【1 5 】焦 寸0 进入2 0 世纪7 0 年代，随着计算机技术、数学规划和模拟技术的发展及其 在水资源领域的应用，有关水资源管理系统的模型及水资源优化配置的科研成 第一章绪论 果不断增多，采用数学模型方法描述水资源系统更为普遍。j o e r o e s ( 1 9 7 1 ) 将 线性规划用于b a l t i m o r e 的多水源供水方耐1 6 j 。d u d l e y 和b u r r ( 1 9 7 3 ) 应用动态规 划方法，在灌溉水库水资源的管理上，利用马尔科夫链的转移概率对递推动态 方程加权【l7 os h a f e rj m 等( 1 9 7 8 ) 提出在水资源系统模拟框架下的水资源配 置和管理，并建立了流域管理模型【l8 1 。到了2 0 世纪8 0 年代，水资源优化配置 的研究范围不断扩大，研究深度也不断增强。p e a r s o n 等( 1 9 8 2 ) 利用多个水库 的控制线，以产值最大为目标，输送能力和预测的需求值作为约束条件，用二 次规划方法对英国的n a w w a 区域的用水分配问题进行了研究。 到了2 0 世纪9 0 年代，水资源优化配置的问题得到了国际上的广泛重视， 由于水污染和水危机的加剧，传统的以水量和经济效益最大为目标的水资源优 化模式已不能满足需要，国外开始在水资源优化配置中注重水质约束、环境效 益以及水资源可持续利用研究。a f z a l 等( 1 9 9 2 ) 针对p a k i s t a n 的某个地域的灌 溉系统建立线性规划模型，对不同水质的水的使用问题进行优化【1 9 】。此外，国 外还兴起了各种新型的优化算法，如遗传算法( g a ) 、模拟退火算法( s a ) 及 微粒群算法( p s o ) 等，在水资源优化配置中开始应用。 1 2 4 智能算法 智能算法是人类受自然( 生物界) 规律的启迪，根据其原理，模仿求解问 题的算法【2 们。他是仿生学、计算机科学及数学等多个学科相互交叉渗透的产物。 智能算法的思想是利用仿生学原理进行算法设计，如遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，g a ) 、模拟退火算法( s i m u l a t e a n n e a l ，s a ) 、蚁群算法( a n tc o l o n y o p t i m i z a t i o n ，a c o ) 、人工免疫算法( a r t i f i c i a li m m u n e ，a i ) 及粒子群算法 ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 等。以下介绍应用与本文中的蚁群算法。 蚁群算法是由d o r i g o 等人受自然界蚂蚁寻找从巢穴到食物源的最短路径 的启发最先提出的【2 。他们充分利用蚁群搜索食物的过程与旅行商问题( t s p ) 之间的相似性，通过人工模拟蚂蚁搜索食物的过程中个体之间的信息交流与相 互协作的过程，最终找到从蚁群到食物源的最短路径的原理从而解决了t s p 问 题【2 2 。，取得了很好的结果。由于蚁群算法具有并行分布式计算、强大的全局寻 优能力、适应性强以及易于与其它算法结合等优点。在随后的研究中，其被用 来求解j o b s h o p 调度问题【2 3 】、指派问题【2 4 2 5 1 、二次分配等问题，显示出蚁群算 法在求解复杂优化问题方面的优越性，而且在求解带约束的多目标问题中，通 过改进后的蚁群算法与n s g a i i 等智能算法相比可以得到更多数量的解，且解 的分布范围更广【2 6 1 。目前，蚁群算法已成功运用在许多离散优化问题中，其研 究范围正在逐渐由离散域向连续域拓展。由此可以证明它是一种具有广阔发展 前景的好方法。 大沣i ：业人学硕十学位论文 1 2 5 排污权交易 排污权交易的思想是2 0 世纪6 0 年代术由美国经济学家戴尔斯( d a l e s ) 首先 提出。排污权是指权利人在符合法律规定的条件下，向环境排放污染物的权利【2 7 1 。 美国于1 9 9 0 年提出的空气清洁法案修正案对排污权交易有了详细的规定，并 取得了显著的经济效果【2 8 1 。 我国从1 9 9 1 年就开始了排污权交易试点工作。2 0 0 2 年，国家环保总局在全国 7 省市( 包括山东、山西、上海、江苏、河南、天津、柳州) 开展了排污权交易 的综合实验，积累了丰富的实践经验。 排污权交易作为一种以市场为基础的经济政策手段，具有促使污染治理效率 高、减低政府管理成本、促进经济环境协调发展及有利于实现总量控制等优点。 因此，将排污权交易模式引入高校水资源综合管理技术平台，有利于实现高校水 资源的有效管理，提高高校水资源的利用率。 1 3 本文的研究内容及路线 本文首先运用系统动力学的理论知识对高校水系统进行分析，确定影响高 校水系统运行的关键因素，同时预测高校不同用途的水资源需求量。继而，根 据需水量预测结果构建高校水资源供需分配模型，得到高校水资源的最佳初始 分配方案。以初始分配方案为基础，建立高校用水量许可交易体系以影响由系 统动力学模型确定的关键因素的取值。最终，整合上述系统动力学模型、水资 源供需分配模型及高校用水量许可交易体系建立高校水资源管理决策支持系 统，以达到对高校水资源管理者进行辅助的目的。 1 3 1 本文研究内容 本文研究内容共分为两部分：第一部分为高校水资源分析，第二部分为高 校水资源综合管理模型的建立。各部分的具体内容介绍如下： 1 、高校水资源分析 本部分所述内容将在本文的第二章进行详细阐述。 首先，对高校的用水途径及可用水源进行分析。 高校用水可划分为学生生活用水、公共设施用水、校园服务业用水、教学 楼日常运行用水及教学科研用水。学生生活用水多数是学生宿舍篇洗和冲厕用 水，这部分用水占高校总用水量的比例很大，是高校节水管理的重点。根据各 用水途径对水质的要求不同，高校水源可采用多水源综合利用模式，将自来水、 再生水、雨水及空调冷凝水均作为高校水源，使各种不同水质的水源均得到充 分利用，从而达到水资源利用率最大化的目的。 第一章绪论 其次，对高校不同用水途径及水源间的供需关系进行研究。 对校园水系统进行剖析，分析校园水系统中的基本问题与主要问题、基本 矛盾与主要矛盾，确定校园水资源循环基本过程，建立校园水资源循环基本过 程图。为建立校园需水量系统动力学模型提供可靠依据。 最后，通过建立系统动力学模型确定高校水系统关键因素及不同用途需水 量预测。 采用系统动力学实现校园不同用途需水量预测的主要步骤如下： ( 1 )构建校园水资源系统动态优化模型并确定模型的边界，对模型涉及到的 变量和参数进行选取。 ( 2 ) 划分模型子系统，研究复杂系统内部各子系统之间及子系统内部诸要素 的反馈关系，利用i t h i n k 软件绘出系统流程图。 ( 3 ) 对各个变量及参数的历史数据进行分析、筛选和处理，确定各个参数的 取值及各个变量的初始值。 ( 4 ) 建立系统动力学方程并在i t h i n k 中运行模型。 ( 5 ) 对模型中变量的量纲一致性及系统动力学方程式在极端条件下的运行结 果进行检验；对模型进行灵敏性分析，通过灵敏度分析及原始模拟运行，找出 对系统影响大的参变量。 ( 6 ) 根据模型的检验结果对模型进行修改并对修改结果进行反馈以使模型达 到对现实过程更高的仿真度，得出较可靠预测结果。 通过系统动力学模型模拟出的校园需水量预测结果可为下面的供需水分配 模型提供可靠的数据资源。 2 、高校水资源综合管理模型 首先，建立供需水分配模型。 本部分所述内容将在本文的第三章进行详细阐述。 以系统动力学模型运行结果为指导，建立多目标优化模型，并应用蚁群算 法对多目标模型进行求解，以得到校园供需水最佳分配方案。 ( 1 ) 构建水资源优化配置多目标优化模型 水资源可持续优化配置的目标表现在经济目标、社会目标和生态环境目标 三个方面。其中，经济目标以全校用水费用及用水设施建设费用最小表示；社 会目标以全校自来水供给量最小表示；环境目标以供水水源水质与用途配置水 质差值之和最小表示。此多目标优化模型的约束条件包括供水系统的供水能力 ( 水源的可供水量) 约束、再生水用于综合生活的用量约束、自变量非负约束。 ( 2 ) 应用蚁群算法对上述多目标模型进行求解 此多目标模型为带约束条件的连续空间中的多目标函数优化模型，针对此 大津j ：业人学硕十学位论文 多目标优化问题的特点，本论文拟定义连续空间中蚂蚁的信息量存留方式及行 走策略，并将信息素交流与全局检验指导相结合，以指导蚂蚁向更好的解的方 向前进。 其次，构建用水量许可交易体系。 本部分所述内容将在本文的第四章进行详细阐述。 参照国家排污权交易模式，根据高校自身的特点将高校的水资源使用者按 照层次及用水水质不同分类，从而建立校园用水量许可交易模型。 最后，建立高校水资源管理信息系统。 本部分所述内容将在本文的第五章进行详细阐述。 以供需水分配模型及用水量许可交易模型为支撑，以根据国家建筑给水 排水设计规范( g