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华北水利水电学院硕士学位论文 引黄供水工程方案模糊优选及系统规划优化 摘要 为了搞好引黄供水工程的建设、管理与评价，本文针对黄河中下游两岸城市和地区缺 水的现象以及引黄供水工程发展的现状，结合黄河水利委员会研究项目“郑东新区龙湖引 水工程方案研究”对引黄供水工程进行了研究。本研究主要探讨了引黄供水工程区生态经 济系统的优化规划，建立了引黄供水工程方案优选综合评价指标体系，引入半结构多目标 决策模糊识别理论与方法对引水工程方案进行优选。 随着社会的发展以及引黄供水工程的建设，区域生态经济系统也发生了相应的变化。 本文针对其优化规划问题，运用层次分析法，构建引黄供水工程区生态经济系统规划的数 学模型，对设定的各种方案进行优劣性评价和排序，为解决引黄工程区复杂的生态经济系 统的规划提供决策依据。 在对我国供水工程的建设、管理、评价理论与方法进行深入研究的基础上，确定了从 经济、技术、资源、环境和社会五个方面考虑的引黄供水工程方案优选综合评价指标体系 的重要性、可行性以及要求、原则和依据，探讨了引黄供水工程方案优选综合评价指标体 系建立的方法，建立了结合项目实际的引黄供水工程方案优选综合评价指标体系。 在参阅国内有关理论方法和应用实例基础上，针对评价指标体系既有定量指标又有定 性指标、既有越大越优指标又有越小越优指标的特点，本文引入半结构多目标决策模糊识 别理论与方法以及专家评分法对引黄供水工程方案进行优选。针对各指标及各分系统，进 行各方案之间的两两对比，来确定各指标的权重及各方案相对于优的隶属度，最终确定各 方案针对总系统的相对于优的隶属度。从而可以算出各方案关于优的排序，并且确定最优 方案。 最后，以郑东新区龙湖引水工程作为范例进行了方案的模糊优选以及工程区生态经济 系统优化规划。通过应用实例证明，引黄供水工程区生态经济系统优化规划方法的确定以 及优选指标体系的建立是合理的，所建指标体系能够全面反映引黄供水工程中的资源、环 境、经济、技术、社会等因素；运用半结构多目标模糊优选理论能够融入人的知识经验， 使决策者直接参与，并能考虑多目标中各目标的重要程度，能够量化定性目标，将定性目 标与定量目标一并参与决策，使决策结果更为科学、合理，增加了可信度。评价指标体系 和该理论的结合应用，可以很好地评价该引黄供水工程方案，并且确定最优方案。 华北水利水电学院硕上学位论文 关键词引黄供水规划优化 层次分析法评价指标体系 半结构多目标模糊 优选理论供水方案模糊优选 华北水利水电学院硕士学位论文 t h ep l a n ea n df u z z yo p t i m i z a t i o nf o ry e l l o wr i v e rd i v e r s i o np r o j e c t s a b s t r a c t i no r d e rt oc o n s t r u c t ，m a n a g ea n de v a l u a t ey e l l o wr i v e rd i v e r s i o np r o j e c t s m o r er e a s o n a b l y ，t h ep a p e rr e s e a r c hy e l l o wr i v e rd i v e r s i o np r o j e c t sa c c o r d i n g t ot h ep h e n o m e n o no fl a c k i n gw a t e rr e s o u r c ei nt h ea r e ao fm i d d l e l o w e ry e l l o w r i v e r ，a n dc o m b i n e dw i t hy e l l o wr i v e rc o m m i s s i o n sp r o j e c t “l o n g h ud i v e r s i o n p r o j e c ti ne a s t e r np a r to fz h e n g z h o uc i t y ”i tm a i n l yd i s c u s s e st h eo p t i m a l p l a n n i n go ft h eb i o e c o n o m i cs y s t e mi na r e a ，e s t a b l i s ht h ee v a l u a t i o ni n d e x s y s t e mo fp r o j e c to p t i m a ls e l e c t i o na n djn t r o d u c et h e s e m i s t r u c t u r a la n d m u l t j o b j e c t i v ef u z z yd e c i s i o n m a k i n ga n do p t i m a ls e l e c t i o nt h e o r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt h ec o n s t r u c t i o no fy e l l o wr i v e t d i v e r s i o np r o j e c t ss o m ec h a n g e so fh i o e c o n o m i cs y s t e mh a v et a k e np l a c e t h i s a r t i e l ee s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mp l a n n i n go ft h e b i o - e c o n o m i cs y s t e mi nt h ea r e at od e t e r m i n ew h i c ho ft h ek n o w np r o j e c ti sb e t t e r t h a nt h eo t h e rw h i c hp r o v i d es o m e t h i n go nw h i c hd e c i s i o n - m a k i n gd e p e n d o nt h eb a s eo fd e e pr e s e a r c hi nt h e o r i e sa n dm e t h o d so fd i v e r s i o n p r o j e c t s c o n s t r u c t i o n ， a d m i n i s t r a t i o na n de v a l u a t i o n ，t h ei m p o r t a n c e ， f e a s i b i l i t y ，r e q u i r e m e n t ，r u l e sa b o u tt h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fy e l l o w r i v e rd i v e r s i o np r o j e c t so p t i m a ls e l e c t i o ni si n i t i a l l ye s t a b l i s h e df r o mf i v e a s p e c t so ft h ee c o n o m y ，t e c h n o l o g y ，s o c i a le f f e c t ，s u r r o u n d i n g s ，r e s o u r c e s ，t h e m e t h o d so ft h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma r ed i s c u s s e da n dt h ee v a l u a t i o ni n d e x s y s t e mo fy e l l o wr i v e rd i v e r s i o np r o j e c t so p t i m a ls e l e c t i o n i ss e tu p o nt h eb a s eo fr e a d i n ga b o u tc o r r e l a t e dt h e o r ya n da p p l i c a t i o nc a s et h e p a p e ri n t r o d u c et h es e m i s t r u c t u r a la n dm u l t i o b j e c t i v ef u z z yd e c i s i o n m a k i n g a n do p t i m a ls e l e c t i o nt h e o r ya n dm e t h o do fs p e c i a l i s t sm a r k i n gt om a k eo p t i m a l s e l e c t i o nt oy e l l o wr i v e rd i v e r s i o np r o j e c t sa c c o r d i n gt h ec h a r a c t e rt h a t q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ef a c t o ri sc o m b i n e d e v e r yp r o j e c ta r ec o n t r a s t e d e a c ho t h e ri na c c o r d sw i t hi n d e xs y s t e mi no r d e rt od e t e r m i n et h ew e i g h ta n d t h em e m b e r s h i po ft h ei n d e x t h e nt h eb e s tp r o j e c ti sd e t e r m i n e d f i n a l l y ，t h r o u g ht h ev a l i d a t eu s i n g “l o n g h ud i v e r s i o np r o j e c ti ne a s t e r n p a r to fz h e n g z h o uc i t y ”p r o j e c to p t i m a ls e l e c t i o n ，t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w t h a tt h ed e t e r m i n a t i o no ft h eo p t i m a lp l a n n i n gm e t h o do fb i o e c o n o m i cs y s t e m a n dt h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fp r o j e c to p t i m a ls e l e c t i o na r er e a s o n a b l e ： t h es y s t e mc o u l dr e f l e c to v e r a l lr e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n t ，e c o n o m y ，a n ds o e i e t y 华北水利水电学院硕十学位论文 r e l e v a n tt oy e l l o wr i v e rd i v e r s i o np r o j e c t s w i t ht h es t u d i e dt h e o r i e s ，h u m a n k n o w l e d g ec o u l db ec o n s i d e r e d ：w i t c hc r e a t e sp o s s i b i l i t yt o d e c i s i o n m a k i n g p e r s o n s d i r e c t p a r t i c i p a t i o n c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n t w e i g h t o f m u l t i o b j e c t i v e ，q u a n t i t a t i v eo b j e c t i v e sc o u l db eq u a n t i f i e d c o n j u n c t i v eu s e o fq u a n t i t a t i r ea n dq u a l i t a t i r eo b j e c t i v e si nd e c i s i o n m a k i n g ，m o r es c i e n t i f i c d e c i s i o n m a k i n gr e a s o n a b l er e s u i t sh a sb e e na c h i e v e d ，w h i c hi n c r e a s e s d e p e n d a b i l i t y w h e nt h es y s t e ma n dt h e o r ya r eu s e di ny e l l o wr i v e rd i v e r s i o n p r o j e c t s ，t h eb e s tp r o j e c tc a nb ed e t e r m i n e d k e yw o r d s ：y e l l o w r i v e rd i v e r s i o n p r o j e c t s ，o p t i m i z a t i o np l a n e ， h i e r a r c h i c a lp r o c e s sm e t h o d ，e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ，s e m i s t r u c t u r a la n d m u l t i o b j e c t i v ef u z z yd e c i s i o n m a k i n ga n do p t i m a ls e l e c t i o nt h e o r y ，d i v e r s i o n s c h e m e ，f u z z yo p t i m i z a t i o n 华北水利水电学院硕士学位论文 1 1 论文选题背景及目的意义 1 1 1 选题背景 1 绪论 黄河流域是中华民族的发祥地，黄河哺育了中国灿烂的古代文明。黄河流域自然资源 十分丰富，是我国重要的能源和重化工基地。但是黄河流域水资源匮乏，人均水资源占有 量仅为全国人均的四分之一，单位耕地面积水资源量仅为全国的五分之一。黄河流域降雨 时空分布极不均匀，全年降雨量的6 0 一7 0 集中在6 月到9 月份，极易产生洪水。黄河又 是世界上泥沙含量最多的河流，河道泥沙淤积形成了下游的“地上悬河”，洪水灾害十分 频繁。 当前我国改革开放和社会主义现代化建设己进入一个新的阶段。黄河的治理开发，事 关我国经济发展的大局。为使我国经济发展实现三步走的目标，治黄作为水利工作的重要 组成部分，就必须贯彻落实好“科教兴国”、“科教兴水”和可持续发展战略。黄河的出路 在于科技进步。 近年来，随着我国经济的快速发展，黄河中下游地区的城市及农村人口大量增加，工 业用水、城市居民生活用水量也不断增长，沿黄河两岸相当多的城市和地区出现了较为严 重的缺水现象。在这种情况下，沿黄城市和地区为满足城市需水要求，以黄河水为水源， 修建了各种各样的取水工程。然而，黄河水泥沙多、易断流、丰枯季节水量变化大、阻及 调水调沙对黄河造成的影响等特点给工程的规划设计与运行管理带来了诸多困难“3 。 郑州市位于黄河下游南岸，作为河南的省会城市，近几年经济发展迅速，城市规模不 断扩大。建设郑东新区，把郑州市建设成为国家区域性中心城市，实现“中原城市群、经 济隆起带”的发展目标，是“拉大城市框架、扩大城市规模、加快城市化进程”的重大决 策。 在这种背景下，作为“水域靓城”总体发展概念规划的点睛之笔，龙湖水系集中反映 了城市建设“以人为本”的思想理念，符合人与自然和谐共处、生态环境与经济生活协调 持续发展的总体要求。 龙湖水系由龙湖、东西运河、南北运河和“三河一渠”构成，目前，龙湖水系的建设 华北水利水电学院硕十学位论文 已全面展开。作为龙湖生态系统工程配套的关键性工程一郑东新区龙湖水源及输水系统工 程尤为重要”3 。郑州市范围内的沿黄取水口门包括有李村、邙山、花园口、岗李、马渡等， 不同的取水口对应不同的引水线路。各引水口及其对应的引水线路都有各自不同的特点。 选择哪个引水口引水以及哪条线路输水对于工程的建设起着至关重要的作用。 针对上述问题，本次研究选择了“郑东新区龙湖引水工程”中的部分任务作为研究内 容，该研究内容主要分为以下部分：引黄供水工程概况及规划优化，引黄供水工程方案优 选系统结构分析及评价指标体系的建立，半结构多目标模糊优选理论与方法，以及郑东新 区龙湖引水工程方案优选。 1 1 2 理论研究意义和实际应用价值 黄河流域人口多，资源丰富，又大多属于旱、半干旱地区，加重了两岸经济社会发展 对黄河水资源的依赖性。黄河为沿河城市和工矿企业的生产、生活和发展提供了宝贵的水 资源，引黄灌区是我国重要的商品粮、棉基地，黄河于流也发展成我国重要的水电基地”1 。 黄河水还维系着黄河流域及河口近海的基本生态过程。人民治黄以来取得了连续5 0 年伏 秋大河不决口的重大胜利，保障了国家经济建设的j e i 页n 进行和人民安居乐业。然而，近年 来出现的下游干流断流的严重问题，又对断流地区经济社会及自然生态产生了不利影响“1 。 黄河被称为地上悬河，在黄河中下游地区，两岸的大堤承担着主要的防洪任务，根据国家 规定，从黄河引水的管道或渠道均不允许穿破黄河大堤。这给引黄供水工程的规划、设计 和施工也增加了难度。 黄河的泥沙问题、断流问题、防洪问题、污染问题、丰枯季节水量悬殊的问题，以及 引黄工程过黄河大堤问题、取水口的选择问题等等都使得引黄供水工程与其他的引水工程 具有不同的特点，在了解现有研究状况的基础上”“，仍需进行专门研究。 根据以上情况，本文引入模糊数学的有关理论和方法来研究引黄供水工程的规划优 化、方案选择、评价指标体系等问题，这对于引黄供水工程的规划设计、方案选择、领导 决策具有重要的参考价值。因此，该项研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 2 相关领域研究现状 本论文研究的最终目标是建立一套引黄供水工程方案优选综合评价指标体系，以及应 用有关模糊数学的理论和方法对引水方案进行优选，评价指标体系的建立和评价模型的应 华北水利水电学院硕士学位论文 用首先需要大量全面的对应研究领域的专业基础理论和最新研究成果做理论支撑。在本研 究中，除涉及引黄供水工程这一研究领域外，还涉及指标评价体系以及经济、技术、社会 影响、生态环境和管理等专业研究领域。引水工程方案选择对所建工程发挥效益影响重大， 因此多年来有许多学者曾进行过引水工程技术选择及综合评价理论方面的研究工作。现对 论文涉及的主要研究领域的研究现状及存在的问题进行概述。 1 2 1 引黄供水工程评价指标体系及确定方法研究现状 传统引水工程规划阶段，引水方案选择，主要是由部分专家和决策人凭经验，以技术 上可行、经济上合理为工程设计原则，以对某几项重要因素的分析结果来确定工程标准与 形式。随着社会经济的发展，环境、生态、资源问题的同益突出，人们也逐渐意识到在引 水方案选择上传统的“技术一经济”原则虽然还是基本原则，然而存在着严重的缺陷。不 合理的技术和经济消费，加上人口盲目地急剧增长，将会导致资源枯竭和环境恶化的危机。 因而，在进行现代化工程技术决策时，不仅要考虑“技术经济”这一方面的技术准则， 而且还应考虑到“环境一社会”这些非技术方面的准则。显然，“环境一社会”准则是当 今可持续发展研究和强调的主题，在引水工程规划设计中，拓宽决策视野，更新决策方法， 寻找复合客观实际，便于应用的决策途径，是当前的一项紧迫任务。 在综合评价指标体系方面，可以说，考虑的越来越全面和详细，但是对于随着政治、 经济、地理条件的改变，指标因子之间变化趋势及其关系分析尚少见。而且，对于所建指 标体系以及指标因子之间的权重分析还有待深入。对于引黄供水工程综合评价指标体系， 仍然需要进行专门的、深入细致的研究。 1 2 2 工程方案优选理论和模型及城市供水的研究现状 在水利工程建设中，方案选择理论与方法的研究经历了一个由常规方法到系统分析方 法转变的过程，系统工程、模糊数学、层次分析、半结构理论等逐步介入，使得水利工程 方案选择和优化设计过程中的定性和定量指标得到了有机的结合，并向着和人工智能技 术、决策支持系统技术相结合的方向发展。 最早提出多目标问题的是经济学家威佩尔托 ( v p a r e t o ) ，1 8 9 6 ，但直至库郝一图 克尔 ( k u h nt u c k e r ) ，1 9 5 1 证明了向量优化问题的非劣充分必要条件后多目标决策理论 才有了实质性的发展。在我国，冯尚友教授在1 9 9 1 年出版专著对于多目标优化理论与应用 华北水利水电学院硕士学位论文 问题进行了较为系统全面的论述”1 。 国外城市供水的研究，6 0 年代就已开始。s c a r a t o ( 1 9 6 9 年) ”1 将能力( 容量) 扩大的原优 化模型首次用于城市的输水管道与水处理的布局规划方面，并且取得了较好的结果： m u l v i h i l l 和d r a c u p ( 1 9 7 4 年) ”3 用非线性规划方法建立了城市供水和污水处理的联合规划 模型；d a n d y 等( 1 9 8 4 年) “”提出一种考虑价格、偿还贷款等因素的动态规划方法，并将这 种方法用于城市供水系统的规划；h a i m e s ( 1 9 7 4 年) “将供水和用水作为协调对象，用系统 分解协调方法构造出区域供水需水协调模型，并用此模型对北大西洋区域的水资源进行了 分析与规划；1 9 8 3 年，d p s h e e r 经过长时阳j 的努力，利用优化和模拟相结合的技术在 华盛顿特区建立了城市配水系统：t e r p s t r a ( 1 9 9 9 ) “”建立了城市生活用水的模拟模型， 用该模型来模拟各种不同供水管理水平下的用水状况，从而选择最优的供水管理方式，以 促进城市用水的可持续发展。 张三力“”“”( 1 9 9 5 年) 强调，为了实施有效的项目管理，但凭人们一般的办事经验是 不行的。关于项目管理，国内外已经在实践中总结了一套系统的理论、原则、方法和技术， 并进行了详细的介绍。张三力系统的阐述了工程项目评价的方法论：统计预测的原理和方 法、对比原则有无对比法和逻辑框架法，并提出效益评价方法有：经济效益的评价方 法、环境效益和社会效益的评价方法、项目可持续性的评价方法、综合评价方法，基本上 形成了套比较系统的项目评价体系。 孔祥元“”( 1 9 9 5 年) 从技术经济观点出发，将影响因素划分成两种类型，共选择了1 4 个影响因子，用层次分析法进行了灌水技术优选研究，其成果特点是方法简单、直观。但 在考虑因子方面仍有定的局限性。 姚光业“6 1 ( 2 0 0 2 年) 指出，项目评价指标体系的建立，可以为国家制定投资计划、 政策提供依据。通过项目评价，可以发现宏观投资管理中的不足，从而国家可以及时地修 正某些不合适经济发展的技术经济政策，修订某些已经过时的评价指标与参数。 白鸿莉“”( 1 9 9 7 年) 提出项目竣工投产、交付使用后，通过项目后评价，针对项目 实际效果所反映出来的从项目决策、设计、实施到生产经营各阶段存在的问题，提出相应 的改进措施的意见，使项目尽快实现预期目标，更好地发挥效益。 邹一峰、邹欣“”( 1 9 9 8 年) 详细论述了项目评价的客观基础、技术经济指标和指标体 系理论，以及评价方法的决定性评价方法、比较型评价方法、不确定性评价方法、系统分 析法、价值工程等。 吴添祖等“”( 1 9 9 7 年) 以技术和经济的关系为切入点，对项目的经济性评价方法、建 华北水利水电学院硕士学位论文 设项目可行性研究、项目的可持续性发展评价、价值工程等方面作了全面的论述。 郑垂勇等”( 1 9 9 4 年) 以项目为载体，以经济研究为目标，以数学和计算机为手段， 通过寻找、比较和选择经济上最有利的决策理论和综合分析技术，使人们能够纵观全局， 比较优劣，做出合理的判断，以获得最佳的经济效果。 张金锁等”“( 2 0 0 0 年) 阐述了技术经济分析的方法论，又详细讨论了重要的技术经济 分析指标和分析方法，尤其重点谈了技术方案的财务评价、国民经济评价、综合评价、综 合评价指标体系的确定等。 徐建新嘲( 2 0 0 0 年) 从不同方案之问优选的角度出发，划分出4 类2 2 个指标因子，用 半结构多目标模糊优选理论，与专家打分相结合进行了灌溉模式方案优选的研究，并研制 了相应的软件。但该软件在专家打分的计算机录入过程及软件的灵活实用以及系统的容错 性、完整性方面还有待完善和提高。 张庆华、白玉慧、倪红珍等”( 2 0 0 2 年) ，运用层次分析理论和方法，建立了综合考 虑项目国民经济评价、技术评价和社会评价及内部收益率、净现值、效本比、投资回收期、 灌水均匀度、灌水强度、灌溉水利用率、节水灌溉方式的安全性、可靠性、地形适应性、 作物的适应性、施工难易程度等因素的节水灌溉方式选择层次分析模型，阐述了综合评价 节水灌溉方式总排序、单排序及其各影响因素权重计算方法。 崔志清、何长宽等。4 1 ( 2 0 0 0 年) 对水利工程的评价依据、原则、内容及基本方法做 了全面的论述，并对项目的国民经济评价、财务评价、工程评价、经营管理评价、环境影 响评价、社会影响评价等做出了详细分析，并提出了具体方法，形成了一套完整的指标评 价体系。 韩振中等”( 2 0 0 1 年) 系统的阐述了灌区节水改造项目的评价标准、评价内容分类、 评价指标体系的构建、综合评价以及基于计算机技术的评价指标体系的应用探讨。 陈守煜。“( 1 9 9 8 年) 提出的半结构性多目标模糊优选理论为水利工程方案优选问题提 供了理论基础。 综上所述，很多学者、专家在工程项目的评价和方案优选领域做出了很多的探索，积 累了很多成果，但是在技术、经济、资源、环境、社会等几个方面的评价指标体系的构建 和相关计算机软件方面还有很大的局限性和不完善的地方。另外，可以说到目前为止，在 引水工程中通用性较强，又有适用价值，得到本专业同行一致认可，且应用简便，有相应 程序软件的研究成果并不多见。本文计划在吸收他们先进研究成果的前提下在这一领域做 进一步的研究，力争使其得到提高和完善。 华北水利水电学院硕士学位论文 1 3 论文主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文在引黄供水工程综合评价指标体系的研究过程中主要采用以下方法：结合黄河中 f 游地区经济、技术、环境等方面的实际发展水平，确定了建立引黄供水工程评价指标体 系的重要性和可行性以及依据、要求和原则。其次，选择具有代表性的在建和已建引黄供 水工程，深入调查了解工程从方案确定到规划设计以及运行管理各阶段的经验做法和存在 问题，从中分析引黄供水工程实施和正常运行的各种主客观影响因素，以对工程建设具有 重要影响作用的经济、技术指标，以及社会、国家所普遍关注的资源、环境指标为主，初 步确定评价指标体系的粗选指标，然后对上述初选指标进行比较分析，保留能够反映工程 建设主要内容的重要指标，舍弃重复性指标，尽量避免交叉性指标，筛选出简单明了、内 涵丰富、信息真实度高的指标作为代表性指标。再次，广泛征求咨询专家、行政领导和引 黄供水工程管理人员以及市民的意见和建议，并借鉴已有研究成果，在此基础上，经过多 次反复修改补充与完善，设计出引黄供水工程综合评价指标体系。从而初步确定从经济、 技术、社会、环境和资源等方面作为评价角度的引黄供水工程方案优选综合评价指标体系。 引黄供水工程方案优选模型的研究内容主要包括：筛选及引用国内外水电系统规划、 管理、决策方法，以及工程的综合评价理论和方法，同时研究层次分析法和模糊理论，从 经济、技术、资源、环境、和社会等五个方面作为工程建设与管理综合评价的依据，引入 半结构性多目标模糊优选理论。研究用专家打分确定引黄供水工程方案优选系统结构及评 价指标体系中各个指标的权重，用模糊理论结合专家打分确定评价指标体系中各个指标的 隶属度，从而通过半结构性多目标模糊优选理论及模型确定引黄供水工程各方案在经济方 面、技术方面、社会影响方面、生态环境方面、资源方面的相对优属度向量，初步探讨定 量、定性问题模糊隶属度的确定方法。最后，本文利用所建立的方案优选综合评价指标体 系和半结构多目标模糊优选方法对郑东新区龙湖引水工程的各方案进行了优选。 1 3 2 研究技术路线 本论文考虑从分析引黄供水工程特点入手，首先建立整体研究框架，明确需要解决的 问题，将问题划分为有区别、相对独立的子问题，然后分别研究各个子问题( 经济方面、 华北水利水电学院硕士学位论文 技术方面、社会影响方面、资源方面、生态环境方面) ，最后将子问题协调连接建立完整 的引黄供水工程方案优选综合评价指标体系。对子问题的研究也视研究问题的不同，分层 解决。引黄供水工程综合评价指标体系的建立，需要深入调查了解工程从方案确定到规划、 设计、施工以及运行管理各阶段的经验做法和存在问题，从中分析引水工程实施和正常运 行的各种主客观影响因素。并广泛征求咨询专家、行政领导和工程管理人员以及市民的意 见和建议，同时借鉴已有的研究成果，在此基础上，经过多次反复修改补充与完善，设计 出引水工程综合评价指标体系。 针对引黄供水工程建设、管理特点，从经济、技术、社会影响、生态环境、资源等五 个方面作为工程建设与管理综合评价的依据，根据评价指标定性、定量因素混合的特点， 建立具有三层：总体分系统因子结构特点的指标评价体系及原则，引入专家评分 方法和半结构性多目标模糊优选方法等理论，进行引黄供水工程的方案优选，以指导工程 规划设计、建设及管理工作。该指标体系及相关理论在郑东新区龙湖引水工程方案优选过 程中得到了应用。 对于引黄供水工程区的规划优化，本文计划在对引黄工程区生态经济系统分析的基础 上，针对其优化发展问题，运用层次分析法，构建引黄工程区生态经济系统规划的数学模 型，以当地的经济繁荣、人民富裕、生态平衡和社会进步为目标，以对引黄工程区的有利 因素、制约因素和潜力因素整体考虑、统筹兼顾为规划思路，充分考虑引黄工程引起的生 念经济系统的变化以及引起的一系列反应，从而确定引黄工程区的生态经济系统规划方 案，为领导决策提供依据，并且指导实际应用，为发挥当地自然优势和经济优势，改善生 态环境等提供帮助。论文针对郑东新区龙湖引水工程方案进行了规划优化方面的典型分 析。 华j t 承肇l 零毫学院颧 学位谂文 2 1 综述 2 弓l 黄供承王程系缆概况 我潼城枣供求与躐枣熬发震紧密鞣联，具有悠久爨史。旱农公元? 整纪，蹙t | 錾霹裂粒 西安城，就曾因临近备河之水汇集京师，导水入城，外凿昆明池进行调蓄，内设暗管排除 废东，基本形成完整静供霸体系，禳豢务“，承帝王都”。公元1 3 整纪元代雾守敬开激宣 浮翁山渠，引温榆河上游白浮泉水，利用地形沿山麓等高线开挖渠道，会玉泉水系，经翁 山泊( 今之昆明湖) 调走，送入北京城，渠长数l o 公蓬。 所谓引黄供求工程，具体的来讲，就是为了满足黄河两岸地区经济发展以及城市建设 的需要，以黄河水为水源，在黄河两岸适当的位置选择取水口，通过淑水工程进行取水， 经过一系列匏沉沙、调蓄、竣零、净化等工程缮麓，从嚣达到绘城市或地区供求豹星黔。 黄河下游地区，在北宋时期曾 现过引黄河水淤灌农田；民国年间也修建过几次虹吸工程， 但冀甄模均穰夺，对闽氇穰短。壹嚣赣中国惑立后，零| 黄灌溉攀鲎才真正蓬教发震怒来， 从而使这个地区的农业生产落后、人民生活贫困的面虢得到彻底改变，并且一跃成为我国 主要酶穰稀生产基地。3 。建国厝、随饕国家经济的发震，工监、农鼗及城市鸯活用承鬃大 幅度增加，沿黄河两岸的许多城市和地区都先后修建了引黄供水工程，极大地缓解了用水 矛盾。例如引黄济青躐接从黄河干流引水，水源工程主要包括渠首取水沉沙工程、输水渠 道和泵站等。剩溺现焱抒渣张引黄阑引水1 2 0 m 。s ，相应年水璧5 4 9 亿心。采取条渠沉沙 方案，沉沙池总面积3 6 k m 2 ，计划淤高5 m ，分9 条使用，每条使用5 年，条渠长5 - 8 k m ，最 宠楚5 0 0 m 。羧承渠历缀9 令县送，全长2 5 3 k m ，其中戆开2 1 1 k m ，裂蠲骥有涎濑4 2 k m 。输 水渠沿途跨越河、沟、渠9 0 条，均采用立交。供水工程主甍有暗渠，低压管道，隧洞共 长2 2 k m ，净承厂一座，净承畿力3 6 万毋船，输配拳蛰遘髂5 k m 。棘滋潍承黪凳连臻输承 与供水的反调节工程，属平原水库性质，总库容1 4 5 亿m 3 ，调节库容1 1 亿m 3 ，围坝长 1 4 5 k m ，库区谣积1 4 4 k m 2 ，最大埙高1 5 2 m ，工程建成后，结合青岛市当地水深，9 0 年代 前5 年每年可向城乡供水1 1 亿m 3 ，相应工农业总产馕的年增长率可以从9 掇嵩到1 5 左 右，解决缺水城市的调水工程效益十分显著”3 。 远年来，黄河中下游嚣岸城市和越区，搬继掺建了许多引水工程，极大地键进了地区 经济的发展。例如2 0 0 5 年建设的河南长垣县引水工程，以5m 3 s 流撼从黄河引水入沉沙 洼、溺蓄漶；以1 0m s 滤豢设 辕东管逶；捷东泵浩设计扬程为3 2 m ；沉沙漶、调饕涎 华北水和水电学院硕：学位论文 聚始均在滩区建设。濮鞠市建设豹引黄供水工程叛5 岔s 流量从黄河雩| 水，醵2 岔s 流 量向城市供水。武陟县引水工程以2 0 心s 设计流量从黄河弓l 水，以l om 3 s 流凝向灌区 以及城市供水，水源工程在滩区建设。这些引水工程的修建都改潜了这些地区用水紧张的 状猿，极大程度上繁荣了当地经济。 2 2 黄河特性 ( i ) 含沙量高 黄河属于多混沙河流，多泥沙河流的主要特点是含沙量高。黄河多年平均含沙量达数 一 公厅每立方岽，历年最藏含沙餐达数匿公斤每立方米，舞表2 - i 鼹示： 表2 - i 一些河流测站处的含沙量 涌名溺站名豫 多年乎穆含沙量( k g m 。)掰年最毫含涉量( k g m 3 ) 黄河龙门 3 2 49 3 3 焚河 陕县3 3 9 5 9 0 渭河华县 4 0 39 0 5 黄河下游花圈口水文站多年平均含沙薰2 8 3 3k g m 3 ，泥沙主要来源于汛期7 - - 1 0 月， 占全年来沙量的8 4 ，焉? 、8 爨月来沙鬟则占全年来沙爨的5 6 。黄潺蕊因目站备足平均 流量、含沙量见表2 2 所示： 表2 - 2 黄溺花蘑日站各月平均淡差、食涉鬟( t 9 1 9 1 9 9 8 年) 月份 l23456 l 流量( 弼3 s ) 5 3 2 5 7 3 9 2 8 9 7 l 9 4 6 9 8 9 晗沙量( k g m 3 ) 7 0 77 7 l9 4 79 1 69 。4 71 8 5 月份 7891 0 1 11 2 滚量( 茁s ) 2 0 9 02 8 5 02 6 2 02 1 6 01 2 7 06 9 l 含沙量( k g m 3 ) 4 4 4 5 9 63 4 0 1 9 6 1 3 59 4 9 ( 2 ) 摸、梧承滚爨交 乞憨殊 黄河洪、枯水流量交化悬殊，如表2 2 黄河花园口站水文资料。又如龙门水文站资料， 一般年傍：秸水翁( 卜6 爿、1 1 1 2 月) 流爨为1 8 5 5 8 0 m 3 s ：汛颓洪峰流量6 0 0 0 - 1 4 0 0 0 m 。s 。 在黄河下游桔水期，天然束水量小，再搬之沿黄涮两岸各地区引水过多，造成多年曾出现 数叶_ 天甚至一二酉天断流的现象。近年来，在小浪底水库的调节下，黄河下游断流现象已 9 华北水利水电学院硕士学位论文 减少，但洪、枯水流量变化仍然悬殊。 ( 3 ) 沙质河床冲淤变化大 黄河下游，除山区、峡谷区河道外，丘陵、平原区河道河床由枯水河槽和宽广河漫滩 所组成。沙质为沙、粉沙及沙性土。在洪水区水流满滩落淤，涨水时冲槽淤滩，落水时拉 滩淤槽；枯水期冲滩淤槽，可使原主槽完全淤塞，又冲出新槽。由于泥沙淤积，槽、滩发 生相互转化，使河床平面、剖面不断发生变形。河床总的趋势是淤高，有时也发生局部刷 深。 ( 4 ) 丘陵、平原区河床宽浅，汊道丛生，流势多变 黄河下游，两岸多为土质河岸，对水流无约束力，易冲易淤，形成宽浅河道，平均单 宽流量过小，水深与河宽相差悬殊，河相系数( e ：华) 可达3 0 6 0 。在黄河下游高村处 n e 高达3 0 左右。由于河相系数过大，河道难以稳定，水流分汊，因此、汉道交织、浅滩密 布、河势多变。 ( 5 ) 调水调沙对河道的影响 根据黄委会资料，黄河在长期的调水调沙过程中，会导致河床下切。河床下切将会引 起相同流量时水位下降，从而对引水工程会造成影响。 以上所述黄河的特点，对于引水口门的选择问题，以及整个引水工程的建设都提出了 更高的要求，认真分析这些特点对于引黄供水工程的建设起着关键的作用。 2 3 引黄供水工程的组成 引黄供水工程系统的组成一般由取水工程系统、泥沙处理工程系统、调蓄水库工程、 提水工程、输水工程、净水工程系统等部分组成。其系统构成如图2 1 所示： ( 1 ) 取水工程系统 取水工程系统，是在黄河岸边适当的位置选择取水口，利用引水闸、引渠、水泵站等 引水建筑物从黄河取水的工程系统。取水工程系统常见的有十余种形式”7 “。岸边 闸、引渠、扩散型前池取水；引渠、分水闸、前池取水；岸边喇叭形翼墙、进水闸、 分格前池取水；堤身进水闸、闸后组合汇流、分格前池取水；临河闸单孔单泵取水： 缆车式泵站取水；有闸的双向斗槽取水；河心取水；河心泵站取水；分道圆形 进水池取水布置形式的泵站。各种取水形式都有其优缺点，有的适合在多泥沙河流取水工 华北水利水电学院硕士学位论文 程中应用，有的不适合在多泥沙河流取水工程中应用，因此，在引黄供水工程中，应根据 实际情况选择合理的取水工程形式。 ( 2 ) 泥沙处理工程系统 黄河为多泥沙河流，“引水必引沙”是黄河的国策。因此，如何处理泥沙，是引黄供 水工程建设的重中之重。引黄供水工程防治泥沙主要分两部，一是取水防沙工程措施；二 是沉沙工程。取水防沙，是在取水的同时尽量少引沙。沉沙工程是将取出的泥沙沉淀下来， 为下一步清理泥沙做好准备，它是泥沙处理不可或缺的工程措施。 ( 3 ) 调蓄水库工程系统 黄河洪枯来水量悬殊，为保证正常供水，一般都要修建调蓄水库。调蓄水库库区的选 址、库容的确定等等都对工程的建设起着重要作用。 ( 4 ) 提水工程系统 引黄供水工程为河道取水工程，水位相对较低；另外，根据黄河有关部门规定，取水 工程不得穿破黄河大堤。因此提水工程的修建是必不可少的。 ( 5 ) 输水工程系统 输水工程包括管道输水、渠道输水或管、渠结合输水工程。沿途会涉及到倒虹吸、渡 槽等建筑物的修建。合理选择输水线路、输水方式以及合适的设计标准对于保证供水、节 约投资、改善环境等等都具有有利作用。 ( 6 ) 净水工程系统 为满足用户对水质的要求，还需要修建净水工程系统。 2 4 引黄供水工程取得的成效及发展前景 实际情况表明引黄供水工程的建设和运行都起到了很好的经济和社会效果，对于解决 黄河中下游地区的农业用水、工业用水、城市生活用水起到了重要的作用，成为这些地区 经济快速发展所不可缺少的因素。 黄河下游引黄范围不断扩大，为进一步开发建设创造了良好的条件。不但在农业用水 方面取得了巨大的成就，还解决了许多地区人畜吃水难的问题，黄河流域内目前已解决饮 水困难人数2 7 3 0 万人、牲畜1 5 6 0 万头，分别占需解决数量的7 1 _ 6 和6 8 3 。同时， 为城镇生活和工业提供了可靠的水源，促进了城市和工业的发展。为城镇提供的水量由8 0 年代的3 0 多亿m 3 ，增加到目前的5 0 多亿m 3 。 华北水利水电学院硕士学位论文 引黄供水工程的经济效益也是显著的。1 9 5 0 1 9 9 5 年，黄河地区农业灌溉水利分摊主 要粮食作物累计增产量2 5 4 9 亿k g ，油料7 1 亿k g ，棉花2 6 亿k g ，甜菜1 0 3 亿k g ；灌溉 效益按1 9 9 5 年现价计为4 2 8 4 亿元：除此之外，为农村人畜供水和城市工业、生活供水的 经济效益也是巨大的。 随着黄河流域经济的发展，水资源的需求量将有很大的增长，现状工程的供水能力满 足不了国民经济增长的需要，还必须增建一批新的供水工程。结合黄河治理开发规划，今 后增加供水工程的原则是以内涵为主，适当外延，全河统筹兼顾，合理分配水资源。近期 主要对已有工程进行加固、改造和配套，提高蓄水、引水、提水工程的供水量和供水保证 率。在提高已有工程经济效益的基础上，结合经济可能及水资源条件，适当增建一些新工 程。由于黄河自身的特性，使得引黄供水工程与其他的引水工程相比具有不同的特点，因 此，对工程的规划和建设就提出了更高的要求，有许多的问题等待我们去研究和解决。 2 5 引黄供水工程的问题与对策 2 5 1 问题 多年来引黄工程的建设和运行为我们积累了丰富的经验，在防沙、排沙、取水口、引 水闸、泵站建设等方面都形成了一些相对成熟的方法和理论，这些方法和理论反过来又很 好的指导了引黄工程的建设。但是，随着科学技术的发展，又由于黄河自身特性的存在， 目前仍有很多问题等待我们去研究和解决。 ( 1 ) 取水口取水存在的问题 由于黄河自身的特性，使得河流主流摆动频