（市政工程专业论文）区域原水系统规划的优化研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 水是生命的源泉，也是生态环境系统中最活跃，影响最广泛的要素之一。而 我国水资源人均占有量只有2 2 2 0m 3 a ，仅居世界第“o 位，被列入世界1 2 个贫 水国家名单。另一方面，我国8 0 的水域、4 5 的地下水受到污染，9 0 以上的城 市水源严重污染，同时，近年如广东北江水污染这类事件的发生，不仅对城市供 水造成了严重危害，还严重影响到人民群众的饮水安全和生命健康。因此，合理 应用水资源显得非常重要，对原水系统水资源配置提出了更高地要求。 论文在简述需水量预测方法的发展，以及分析需水量预测方法的分类和影响 因素的基础上，详细评述了需水量预测的常用方法，建立了基于g m ( i ，1 ) 模型和 b p 神经网络的最优权组合模型，对其在区域总需水量预测中的应用进行了研究， 经精度检验，验证了该模型合理、可行。论文概述了大系统理论和多目标问题理 论，详细介绍了现有的水资源优化配置模型并建立了以输配水年运行费用最低为 目标的水厂布局优化模型，最后结合水量优化和水厂布局优化建立了原水系统优 化总体模型，并可通过遗传算法求解模型。 论文以经济、社会、环境等综合效益最大化为目标，对深圳市大鹏半岛原水 系统规划进行了实例研究。根据当地统计数据，结合大鹏半岛的自然经济社会概 况和水资源利用现状，运用g m ( 1 ，1 卜- b p 神经网络最优权组合模型预测出2 0 1 0 年、2 0 2 0 年区域总需水量分别是3 2 1 5 万m 3 a 、6 8 8 1 万m 3 a ，采用了基于人口和 用地性质的用水标准法预测各用户水量；确定了研究区的供水水源、用户构成和 用水关系、优化目标和约束条件、模型参数等，使用m a t l a b 工具箱求解模型，得 到在供水保证率9 7 下2 0 1 0 年、2 0 2 0 年的水量分配，结果表明各用水部门水量 基本满足；并对水厂布局方案进行比较，给出了较优的水厂布局方案。 关键词：需水量预测，最优权组合模型，水资源优化配置，水厂布局 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w a t e r , w h i c hi s t h es o u r c eo fl i f e i so n eo ft h em o s ta c t i v ea n de x t e n s i v e i n g r e d e n t si nt h ec c o l o g i c a ls y s t e m i nc h i n a , p e rc a p i t aw a t e rr e s o u r c e si so n l y2 , 2 2 0 m 3 a , i tr a n k s l l o t hp l a c ei nt h ew o r l d c h i n ai so nt h el i s to f t h ew o r l d s1 2w a t e rp o o r c o u n t r i e s o nt h eo t h e rh a n d ，8 0 o fw a t e r s ，4 5 o ft h eu n d e r g r o u n dw a t e r , a n dm o r e t h a n9 0 o f u r b a nw a t e ra r e p o l l u t e di no u rc o u n t r y m e a n w h i l e s u c ha sb e i j i a n gr i v e r i ng u a n g d o n gp r o v i n c ew a t e rp o l l u t i o ni n c i d e n t so c c u r r e di nr e c e n ty e a r s ，a r en o to n l y as e r i o u st h r e a tt ot h eu r b a nw a t e rs u p p l y , b u ta l s oh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to np e o p l e s h e a l t ha n dt h es a f e t yo fd r i n k i n gw a t e r t h e r e f o r e ，ar e a s o n a b l ea p p l i c a t i o no ft h e v a l u a b l ew a t e rr e s o u r c e si sv e r yi m p o r t a n t , a n dt h er a ww a t e ra l l o c a t i o ns y s t e mi s r e q u i r e dah i g h e rl e v e l o nt h eb a s i so fb r i e f l y e x p o s i t i o n a b o u tw a t e rd e m a n df o r e c a s tm e t h o d s d e v e l o p m e n ta n da n a l y s i n gw a t e rd e m a n df o r e c a s tm e t h o d s c l a s s i f y c a t i o na n di n i n f l u e n c ef a c t o r s ，t h ep a p e rd e t a i l sw a t e rd e r n a n df o r e c a s tm e t h o d si nc o m l t l o nu s e , a n d e s t a b l i s h e st h ec o m b i n e dm o d e lw i t ho p t i m u mw e i g h tb a s e do ng m ( 1 ，1 ) m o d e la n d b pn e u r a ln e t w o r km o d e l a n dr e s e a r c h e si t sa p p l i c a t i o ni nr e g i o n a lt o t a lw a t e rd e m a n d f o r e c a s t , t h ep r e c i s i o nt e s ts h o w st h a tt h em o d e li sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e t h ep a p e r s u m m a r i z e sa n da n a l y s e st h el a r g e s c a l es y s t e m st h e o r ya n dt h em u l t i o b j e c t i v eq u e s t i o n t h e o r y , d e t a i l se x i s t i n gw a t e rr e s o u r c e so p t i m i z a t i o nd i s p o s i t i o nm o d e la n dw a t e rp l a n t s l a y o u to p t i m i z a t i o nm o d e la i m i n ga tt h ey e a ro p e r a t i n gc o s tm i n i m u m ，e s t a b l i s h e st h e r a ww a t e rs y s t e mo p t i m i z a t i o no v e r a l lm o d e lw h i c hi n t e g r a t e sw a t e rr e s o u r c e s o p t i m i z a t i o na n dw a t e rw o r k sl a y o u to p t i m i z a t i o n , a n da d o p t st h eg e n e t i ca l g o r i t h mt o s o l v em o d e l t h er a ww a t e rs y s t e mp l a n n i n go fd a p e n gb y l a n di sa sa na p p l i c a t i o ne x a m p l e a i m i n ga ta l l a r o u n db e n e f i tm a , x i m u n l a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a ld a t ao fd a p e n g b y l a n d ，t h ep a p e rw i t ht h es u r v e yo fn a t u r e ，e c o n o m y , s o c i e t ya n ds t a t u sq u oo fw a t e r r e s o u r c e su t i l i z a t i o nf o r e c a s t st h er e g i ：o n a lt o t a lw a t e rd e m a n dt h eg m ( 1 ，1 ) b pn e u r a l n e t w o r km o d e li n2 0 1 0 ( 3 2 ，1 5 0 ，0 0 0 m 3 a ) ，2 0 2 0 ( 6 8 ，8 1 0 ，0 0 0 m 3 a ) ，a n df o r e c a s t sv a r i o u s d e p a r t m e n t s w a t e rd e m a n db yw a t e ru s e ds t a n d a r d sb a s e do nt h ep o p u l a t i o na n du s i n g g r o u n dn a t u r e ；d e f i n i t e st h er e s e a r c ha r e a sw a t e rs u p p l y 野o u r c e ，u s e rc o n s t i t u t i o na n d w a t e ru s e dr e l a t i o n s ，o p t i m i z e dg o a la n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n ，m o d e lp a r a m e t e ra n ds o o n u s e st h em a t l a bo p t i m i z a t i o nt o o l b o xt os o l v et h em o d e l ；t ob et h ea l l o c a t i o n so f i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 2 0 1 0 ，2 0 2 0 ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e d e p a r t r n e n t s w a t e r d e m a n db a s i c a l l y s a t i s f y ；c o m p a r i s o nb e t w e e nt w ow a t e rp l a n tl a y o u tp r o j e c t s ，t h ep a p e rc h o o s e sab e t t e r o n e k e y w o r d s ：w a t e rd e m a n df o r c a s t ，c o m b i n e dm o e lw i t ho p t i m u mw e i g h t ，w a t e r r e s o u r c e so p t i m a la l l o c a t i o n , w a t e rp l a n tl a y o u t l i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：缘阖签字日期：砷年年月知e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：孑二荣凰 导师签名：璃f 乞铲乞 签字日期：砷年碑月弓。e t签字日期：z 夕年牛月尹日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 水，是一种非常重要而且特殊的自然资源。在自然界中，水的多种用途大体 上可分为三大类：作为生命要素维持生态生存；作为万物存在的一个重要的自然 环境因素；作为国民经济发展的重要物质基础。前两种用途是人类和万物生存发 展的必要条件，后一种则是人类社会与生态环境持续良性发展的物质保证。水资 源对人类社会发展的重要性是不言而喻的。 2 0 0 2 年8 月2 8 日，在约翰内斯堡举行的可持续发展世界首脑会议【l l 上，将水 列为可持续发展的五大世界性课题之首，将水危机列为未来1 0 年人类面临的最严 重的挑战之一。根据大会的资料，全世界目前有l l 亿人未能喝上安全的饮用水， 2 4 亿人缺乏充足的用水卫生设施。联合国预计，到2 0 2 5 年，全世界淡水需求量将 增加4 0 ，届时世界上将有近一半的人口生活在缺水地区。现在，缺水或水资源 紧张的地区正在不断扩大，北非和西亚尤为严重。人类不合理利用也造成水资源 的萎缩。过度用水、水污染和引进外来侵略性物种造成湖泊、河流、湿地和地下 含水层的淡水系统的破坏，已经给人类带来严重后果。在美国、印度和中国的一 些地区，过度开采地下水，水床沉降而无法补充河流的水源，常常造成河流断流 而使下游干涸，如美国的科罗拉多河和中国的黄河。水危机已经严重制约了人类 的可持续发展。 按2 0 0 0 年人1 2 ：i 统计，中国水资源人均占有量2 2 2 0 m 3 ，仅约为世界平均水平的 1 4 ，而且水资源与土地资源的分布不匹配，降水的多年变化和年内集中程度均很 大，导致一级流域年际间来水量可相差数倍，年内最大4 个月来水可达全年径流 的8 0 f 2 1 。到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足 问题，其中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，全国城市缺水总量为6 0 亿m 3 。不利的 水资源先天条件，一是造成中国北方地区生态环境的相对脆弱；二是导致了灌溉 农业的巨大用水需求；三是易于形成较为频繁的水旱灾害。随着社会经济的发展， 各地用水量均不同程度地增长，世界总用水量在2 0 世纪前6 0 年以2 7 递增，1 9 6 0 年1 9 7 5 年以3 递增，中国从1 9 4 9 年1 9 8 0 年以4 8 的年递增率上升，可见水 资源缺口将越来越大。再加上近年来，我国水体污染日益严重，全国每年排放污 水高达4 0 0 亿t ，除7 0 的工业废水和不到1 0 的生活污水经处理排放外，其余污 水未经处理直接排入江河湖海，致使水体污染越来越严重【3 】。日趋严重的水污染不 仅降低了水体的使用功能，还进一步加剧了水资源短缺的矛盾，对中国正在实施 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁到城市居民的饮水安全和人 民群众的健康。 2 0 0 4 年4 月，川化股份第二化肥厂尿素车间解吸装置的两台给料泵因故障不 能运行，生产中的工艺冷凝液没有经过解吸塔有效的处理，废水直接外排造成简 阳江段氨氮的最高值，约超标5 0 余倍。此次事件导致了中国自唐山大地震以来持 续时间最长、面积最大的城市停水。2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，中国石油吉林石化公司 双苯厂发生化学品爆炸事故，产生的大量双苯污染物排入松花江，造成松花江水 体严重污染，国内包括哈尔滨市在内的沿江多个城市停止供水长达四天。另外， 受污染的河水还流入俄罗斯境内，也引起了当地政府的高度关注和当地居民的精 神恐慌。此外，还有重庆市垫江县一家化工厂发生爆炸导致苯泄漏、广东省韶关 冶炼厂将超过一千吨的含重金属镉的污水排入北江严重污染珠江水系等等近年发 生的水污染事件。这些事件【4 】已不仅仅直接威胁城市居民的饮水安全和人身健康， 而由于污染造成的大范围长时间停水，造成巨大恐慌，危及社会安定和发展。 通过了解连云港市2 1 8 个农村水厂，发现存在水厂规模小、设置不尽合理， 水源无防护措施，净化处理率低，氟含量超标等问题【5 】。城镇水厂布局分散，选址 不合理，一旦在发生水污染事件，大面积停水不可避免；未考虑充分利用原水水 头、降低输配水成本等问题，使水厂投资和运营成本过大，水价偏高，增加了群 众负担。 上述事实一方面突现供水规划的重要性，一方面对原水规划提出了更高的要 求。本课题正是在这样的背景下进行研究，竭力使原水规划更合理、更安全、更 经济。 1 1 2 目的与意义 水资源优化配置是指在一个特定流域或区域内，工程与非工程的措施并举， 对有限的不同形式的水资源进行科学合理的分配，其最终目的就是实现水资源的 可持续利用，保证社会、经济、生态环境、资源协调发展。水资源优化配置的实 质就是提高水资源的配置效率。一方面是提高水的分配效率，合理解决各部门和 各行业( 包括环境和生态用水) 之间的竞争用水问题。统计资料表明，无论是从时间 过程还是从不同国家的横向对比来看，随着社会经济的发展提高，农业用水将大 量被工业和生活用水所取代。另一方面则是提高水的利用效率，促使各部门或各 行业内部高效用水l o j 。 水厂布局优化是指在安全可靠输水到用户的前提下，水厂布局应相对集中、 节能、经济。也就是说，避免建设水质、水量无法保障及难于管理的小型水厂， 所建设的水厂应便于管理输送，以及在输水管网成环时水厂间可互为应急备用， 提高供水可靠性；水厂选址应根据原水所具有的位置水头，布置在地势较高的地 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 方，充分利用原水水压，减少输送能耗，节约能源；水厂选址应综合考虑取水工 程、输水工程的费用，减小建设成本和运行成本。目前，原水系统规划的研究偏 重于水资源系统优化配置，未将净水厂的布局优化问题纳入系统一并讨论。所以， 本文在水源优化配置中将综合考虑水厂布局规划的优化问题，以完善原水系统规 划体系。 水资源匮乏，城市供水日益紧张。随着城市社会经济的发展，一方面城镇生 产、生活用水供需矛盾突现，并不断加剧。另一方面现在零散、规模小、水质得 不到保障的水厂格局已不满足城市发展的需要，未来将逐渐淘汰。原水优化配置 研究己迫在眉睫，科学、合理地分配区域内有限的不同形式的原水，以保证社会 经济在安全稳定的环境下发展，对实现区域的水资源可持续利用和建立节约型社 会具有重要的意义。 1 2 国内外水资源优化配置概述 随着日益严重的水资源短缺问题，全球普遍出现水危机，水已经成为很多国 家和地区制约社会经济发展的资源瓶颈，水资源配置问题引起了人们的关注，这 方面的研究是在这种情况下开始的。目前，水资源优化配置的理论体系尚在发展 中，下面分国外、国内概述其发展【m 2 5 】。 1 2 1 国外水资源优化配置发展概况 从2 0 世纪4 0 年代m a s s e 提出的水库优化调度问题，国外开始了通过系统分 析对水资源进行合理配置的研究。到了5 0 , - - 6 0 年代开始，水资源系统分析方面的 研究发展迅速，引入了系统分析理论和优化技术。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【8 1 。c a s f l l 和i m d e b o r y ( 1 9 6 1 ) 运用线性规划方法成功的解决 了两个农业用户之间的水量分配。m a a s s 等人( 1 9 6 2 ) 提出了模拟技术在评价流域经 济开发指标中的应用。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、地下水库的供水策略。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等。 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果不 断增多，采用数学模型方法描述水资源系统更为普遍。w a t t e nb a r g e r ( 1 9 7 0 ) 通过有 限差分模拟，应用响应矩阵法建立了含水层河流系统的管理模型，实现了地 下水和地表水的宏观调控。d h m a r k s ( 1 9 7 1 ) 提出水资源系统现行决策规则。 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 的多水源供水方面。s m i t h ( 1 9 7 3 ) 在灌区用 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 水优化配置中也采用线性规划模型并进行求解。d u d l e y 和b u r t ( 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。r g e r s ( 1 9 7 6 ) 在对印度南部c a u v e r y 河进行规划时，以流域上游地区农作物总 净效益极大和灌溉面积极大为目标函数，建立了多目标优化模型对水资源进行配 置。s 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 9 】。c o r d o v a 、b r a s ( 1 9 7 9 ) 利用随机控制原理和方法，在作物生长 季节内最优分配灌溉水量以取得最大经济效益问题进行了大量研究，其研究是在 考虑了土壤水水分胁迫对作物生长响应、土壤含水量的季节变化动态和降雨过程 的随机性的情况下，把一定水量在全生育期内进行分配的问题。 经过7 0 年代的发展，8 0 年代水资源优化配置的研究范围不段扩大，深度也不 断加强。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。荷兰学者e r o m i j n m t a m i n g a ( 1 9 8 2 ) 考虑了水的多功能性和多种 效益的关系，强调决策者和科技人员间的合作，建立了g e l d e r l a n d t d o e n t h e 的水资 源分配问题的多层次模型，体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点。 w i l l i s ( 1 9 8 7 ) 应用线性规划方法求解了一个地表水库与四个地下水含水单元构成的 地表水、地下水运行管理问题，地下水运动用基本方程的有限差分式表达，目标 为供水费用最小或当供水不足情况下缺水损失最小，同时用s u m t 法求解了一个 水库与地下水含水层的联合管理问题。8 0 年代后期，随着水资源研究中新技术的 不断出现以及水资源的量与质统一管理理论研究的不断深入，水资源的量与质统 一管理方法研究有了较大发展。如决策支持技术、模拟优化技术和资源价值定量 方法等的应用【l o 1 7 1 。 到了2 0 世纪9 0 年代，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 ，j a v a i d 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。n a t h a n t 和b r u a s ( 1 9 9 3 ) 在6 个流域、2 个水库和一条河流组成的复杂水资 源系统中，也应用了地表水系统动态分配的优化控制模型。c a r l o sp e r c i a 、g i d e o n o r o n ( 1 9 9 7 ) 以经济效益最大为目标，建立了以色列南部e i l a t 地区的污水、地表水、 地下水等多种水源的管理模型，模型中考虑了不同用水部门对水质的不同要求。 9 0 年代以来，国外首先兴起各种新型的优化算法，如遗传算法( g a ) 、模拟退火算 法( s a ) 等，在水资源优化配置中开始应用。 1 2 2 国内水资源优化配置发展概况 相对于国外，我国在水资源系统优化配置方面的研究起步较晚，但发展却很 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 快。2 0 世纪6 0 年代就开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，我国这方面的研究都是针对特定区域建 立模型并求解。 2 0 世纪8 0 年代初，由华士乾教授为首的课题组对北京地区的水资源利用系统 工程方法进行了研究，并在“七五”国家重点科技攻关项目中加以提高和应用。 该项研究成果考虑了水量的区域分配、水资源利用效率、水利工程建设次序以及 水资源开发利用对国民经济发展的作用，成为我国水资源配置研究的雏形【l “。沈 佩君( 1 9 8 9 ) 等在宁波市供水区建立了包含多种优化技术的多种调节性能的混合模 型，并采用线性规划模型对片区内用水部门进行水量优化分配。刘健民等( 1 9 9 3 ) 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供水模拟模 型，并对京津唐地区的供水规划和优化调度进行了应用研究【19 1 。中国水科院等单 位( 1 9 9 7 ) 系统地总结了以往工作经验，将宏观经济、系统方法与区域水资源规划实 践相结合，提出了基于宏观经济的多层次、多目标、群决策方法的水资源优化配 置理论，开发出了华北宏观经济水资源优化配置模型，为大系统水资源配置研究 开辟了新道路1 2 0 1 。黄河水利委员会( 1 9 9 8 ) 进行了“黄河流域水资源合理分配及优化 调度研究”，综合分析区域经济发展、生态环境保护与水资源条件，是我国第一个 对全流域进行水资源配置研究，对构建模型软件实施大流域水资源配置起到了典 范作用【2 。尹明万和李令跃等( 1 9 9 9 ) 结合大连市大沙河流域水资源实际情况，研制 出第一个针对小流域规划的水资源配置优化与模拟耦合模型。在“九五”期间， 国家又启动了“九五”国家重点科技攻关项目“西北地区水资源合理开发利用与 生态环境保护研究”，将水资源配置的范畴进一步拓展到社会经济一水资源 生态环境系统，配置的对象也发展到同时配置国民经济用水和生态环境用水，并 且研究和提出了生态需水量计算方法。王浩、秦大庸和王建华等( 2 0 0 1 ) 在“黄淮海 水资源合理配置研究”中，首次提出水资源“三次平衡”的配置思想，系统地阐 述了基于流域水资源可持续利用的系统配置方法，其核心内容是在国民经济用水 过程和流域水循环转化过程两个层面上分析水量亏缺态势，并在统一的用水竞争 模式下研究流域之间的水资源配置问题，是我国水资源配置理论与方法研究的新 进展。王劲峰和刘昌明等( 2 0 0 1 ) 针对我国水资源供需平衡在空间上巨大差异所造成 的区际调水需求，提出了水资源在时间、部门和空间上的三维优化分配理论模型 体系，包括含4 类经济目标的目标集、7 类变量组合的模型集和6 种边际效益类型 的边际效益集，由此组成了1 6 8 种优化问题，并提出一种解析解法。贺北方、周 丽( 2 0 0 2 ) 研究和提出一种基于遗传算法的区域水资源优化配置模型，利用大系统分 解协调技术，将模型分解为二级递阶结构，同时探讨了多目标遗传算法在区域水 资源二级递阶优化模型中的应用【2 2 1 。赵建世、王忠静和翁文斌( 2 0 0 2 ) 在分析了水资 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 源配置系统的复杂性及其复杂适应机理分析的基础上，应用复杂适应系统理论的 基本原理和方法，构架出了全新的水资源配置系统分析模型。谢新民和岳春芳等 ( 2 0 0 3 ) 针对珠海市水资源开发利用面临的问题和水资源管理中出现的新情况，采用 现代的规划技术手段，包括可持续发展理论、系统论和模拟技术、优化技术等， 根据国家新的治水方针，在国家“九五”重点科技攻关研究成果的基础上，建立 了珠海市水资源配置模型基于原水一净化水耦合配置的多目标递阶控制模 型，并通过3 种配置模式和7 5 0 多种配置方案的模拟计算和综合对比分析，给出 了2 种优先推荐的配置模式和7 0 多个推荐配置方案，为珠海市未来2 0 年的水资 源优化配置和统一管理提供了科学的依据。冯耀龙等( 2 0 0 3 ) 系统分析了面向可持续 发展的区域水资源优化配置的内涵与原则，建立了优化配置模型，给出了其实用 可行的求解方法【2 3 1 。尹明万等( 2 0 0 4 ) 在探讨水资源系统及水资源配置模型概念的基 础上，介绍了全面考虑生活用水、生产用水和生态环境用水要求的、系统反映各 种水源及工程供水特点的水资源配置模型的建模思路和技巧，给出了可以应用于 大型复杂水资源系统的水资源配置系统模型实例【2 ”。 水资源优化模型的求解常采用传统的经典优化方法。由于遗传算法( g a ) 对于 离散、高次非线性、非凸问题显示的优越性，我国一些学者对遗传算法在水利系 统优化中的应用进行了初步的研究。c h e r t y u - m i n g ( 1 9 9 7 ) 叙述了几种遗传算法，提 出了改进传统g a 的方法，并以一个灌溉优化管理问题为实例进行应用。金菊良 等( 2 0 0 0 ) 用单亲遗传算法，求解水资源最优化分配问题，并对该单亲遗传算法的全 局收敛性和实用性进行初步分析。所采用的实例为4 个变量、1 个约束条件的简单 水资源优化分配模型。方红远、邓玉梅( 2 0 0 1 ) 阐述了多目标决策遗传算法( m o d g a ) 的应用。采用了浮点向量表达解的结构，并依据多目标决策协调规划法定义适应 度为任一目标与理想点的距离。 目前，国内学者对水资源配置理论和应用研究以及相应决策分析作了较多工 作。但由于研究范围和投入力量的限制，各类研究通常以具体问题为导向，应用 范围有限。对模型以及软件开发尚缺少必要的投入，与国外研究和应用水平尚有 一定差距【2 5 1 。 1 2 3 存在的主要问题 纵观国内外水资源优化配置的研究，其研究历史不过四十多年，从最初的小 规模、单目标的灌溉用水优化，发展到大规模、多目标的流域、区域水资源优化 配置。水资源优化配置研究和应用虽然取得了一定的成绩，但毕竟研究时间很短， 存在理论体系尚不完善，重水量轻水质，与实际联系不紧，应用少等问题。现有 水资源的优化配置研究分配到用户的水源和水量，忽略主要用户并不是直接使用 原水，而使用的是经过水厂处理过的净化水这一重要事实。在水资源优化配置中 6 重庆大学硕士学位论文l 绪论 遗漏这一重要因子，会影响到结果准确性、可操作性。 1 3 研究主要内容 本文在总结分析前人研究成果的基础上，以本地水源不足、需靠外地引水的 城镇为研究对象，本着高效性、公平性、可持续性和安全性利用的原则，重点研 究区域内原水水量优化配置，对原水系统规划优化理论、模式及应用进行探索和 研究。主要研究内容包括以下几方面： 需水量预测方法研究。介绍和分析需水量预测的发展、分类、方法，以及 需水预测影响因子。针对目前以单一的模型预测为主这一情况，在灰色模型和改 进b p 神经网络基础上，研究最优权组合模型预测区域总需水量，使用m a t l a b 进 行实例计算，并检验预测精度。 原水系统优化模型的建立和求解。从水资源优化配置的基本原则和目标等 理论入手，分析水资源大系统理论和多目标问题，探讨以经济、社会、生态效益 最大为目标的原水水量优化配置模型与以输配水年运行费用最低为目标的水厂布 局优化模型，研究水资源配置优化和水厂布局优化组合而成的总体优化模型，以 及遗传算法求解模型。 将上述预测方法和优化模型应用于深圳市大鹏半岛，研究用m a n a b 及其工 具箱对模型进行求解，得到最佳配置和最佳方案，分析结果，验证模型及其求解 方法的可行性和合理性。 7 重庆大学硕士学位论文 2 区域需水量预测方法研究 2 区域需水量预测方法研究 城市需水量的量值决定了给水工程系统中所有组成部分的规模，因此需水量 预测是给水规划中最基本、最重要的工作之一。需水量预测是用预测的理论和方 法，有条件地的对某一区域将来某一阶段可能用水量做出定性或定量的预计。当 前水资源严重短缺，随着经济迅猛发展，对水资源的需求越来越大，因此如何合 理有效的预测未来水资源的需求量，对水资源优化利用显得至关重要。 2 1 需水预测方法发展 在城市供水历史早期，基础设施被设计成把有具体水源( 例如，井或小型水库) 的生产水量输送出去。有些是通过管道连接输送，有些是通过水的卖主输送，有 些仅在水源处使用。为了防止中心商业区发生火灾而存在的水分配系统，仅仅是 顺便输水给用户。这种形式在美国和欧洲一直存在，直到1 9 世纪井的出现。 由工业革命带来的雇佣习惯使得工人阶级家庭的需水量大大增加、家庭取水 能力降低、同水卖主的谈判逐渐减少或放弃为居民室内用水提供方便的供水服务。 1 9 世纪末，经济发展和收入增加使许多家庭有能力支付提供更方便服务的费用， 这种趋势把越来越严重的水源污染与公共卫生中净水意识的提高联系在一起。 第二阶段是许多城市要保证提供给所有市民清洁的水。从工程的角度看，这 个目标使设计难题发生了逆转，不是从现有水源把水供给所能服务的人口，而是 现在各种水源要为现有总人口供水。因为水源一般在短期内不会再生，所以设计 难题就变为：水系统的设计必须考虑未来人口和未来用水量。2 0 世纪初，水系统 设计的这种变化在许多工业国家已大部分完成，标志着用水预测起源j 。 从2 0 世纪6 0 年代起许多发达国家开始重视对国民经济各部门未来用水量的 预测。1 9 7 7 年联合国世界水会议在阿根廷马德普拉塔( m a r d e lp l a t a ) 召开，号召各 国要进行一次专门的国家级水资源评价活动。 2 0 世纪7 0 年代以来，各国陆续开展了中长期供需水量的预测工作。联合国工 业发展组织的研究成果认为1 2 刀，从目前工业发展的趋势来看，2 0 2 5 年工业用水量 要比1 9 9 5 年增加一倍多，即届时工业用水量将达到1 5 1 0 ”m 3 。 1 9 8 0 年前后，在中国农业区划工作的带动下，开展了水资源调查评价和水资 源利用评价工作【2 引。吸收国外经验，把水文评价与水的利用和供需展望结合进行， 于1 9 8 6 年分别提出了全国、各流域( 片) 和各省、自治区、直辖市三个层次的研究 报告，进行了需水量预测研究( 至2 0 0 0 年) 。 中国科学院水问题联合中心从1 9 9 2 年下半年开始组织完成了“中国水资源开 重庆大学硕士学位论文 2 区域需水量预测方法研究 发利用在国土整治中的地位与作用”这一重大课题，并参加编制了中国2 1 世纪 议程，从如何解决我国的水资源持续利用出发，开始了新一轮需水量预测研究( 2 9 1 。 2 2 需水预测方法分类及影响因子 2 2 1 需水预测的分类 由于用水系统的复杂性，很难建立一个确定模型对用水系统进行描述，因此， 预测需水量的方法有很多，可以分为直观预测法、时间序列预测法和模拟模型预 测法三大类( 见表2 1 ) t 2 9 1 。 表2 1 常用需水量预测方法分类 t h b l e2 1t h es o r t so f w a t e rd e m a n dm e t h o d si nc o m m o nl l g e 直 头脑风暴法 观 特尔斐法 预主观概率法 测 关联树法 法 先行指标法 简单平均法 约 简单滑动平均法 束 外 滑动平均法加权滑动平均法 推 指数平滑法 时 预 间测 多项式模型 序法 趋势外推( 公式) 法 指数模型 列 预 季节变动法 测一重链状相关预测 法 概 马尔克夫法模型预测 窒 预 自回归模型( a r ) 测 滑动平均模型( m a ) 法 博克斯一詹金斯( b - j ) 法 a r m a 模型 一元线性回归分析 结 构 多元线性回归分析 分 回归分析非线性回归分析 模 析 拟 法 工业用水弹性系数预测法 模 指标分析法 型 灰色关联度分析 预 灰色数列预测 测 系 法 统 灰指数预测 方 灰色预测方法灰色拓扑预测 法 人工神经网络方法( a n n ) ，以b p 模型为代表 系统动力学方法 9 重庆大学硕士学位论文2 区域需水量预测方法研究 根据需水预测对象的不同，需水预测可分为工业需水预测、农业需水预测、 生活需水预测、生态环境需水预测和总体需水预测五种类型。其中农业需水预测 可分为农业灌溉需水和林、牧、渔业需水预测；工业需水预测可分为钢铁、纺织、 火电等部门需水预测；生活需水预测可分为城镇生活需水预测和农村生活需水预 测。 根据需水预测目的和预测对象特点的不同，需水预测可分为短期需水预测和 长期需水预测。短期预测一般是为用水系统实施优化控制而进行的日预测和时预 测，这种预测要求精度高、预测速度快；长期预测一般是指以水资源规划为目的 的年预测，它要求预测周期长、考虑因素多。 根据预测模型对未来的描述能力，即预测周期的长短，需水预测方法又可以 分为单周期预测和多周期预测。以过去的历史数据预测未来一个单位时间的需水 量为单周期预测；预测未来二个以上单位时间的需水量为多周期预测。 根据需水预测的性质，可将其分为定性预测和定量预测。定性预测是建立在 经验判断、逻辑思维和逻辑推理基础之上的，主要特点是利用直观的材料，依靠 个人的经验进行综合分析，对未来需水状况进行预测。常用的定性预测方法有抽 样调查法、类推法、主观频率法等。定量预测是通过分析用水量各项因素、属性 的数量关系，运用数学模型预测未来需水量的方法，其主要特点是根据历史数据 找出其内在规律、运用连贯性原则和类推性原则，通过数学运算对需水量未来状 况进行数量预测。定性预测和定量预测并不是相互孤立的，在实际预测中，往往 是将两者结合起来，以提高预测的精确度【3 0 】。 2 2 2 需水预测的影响因子 需水预测结果不仅与采用的预测方法有关，而且预测结果的准确性与其他一 些相关的影响因素有直接关系。如资料的准确与可靠性、社会经济的发展状况以 及生态环境的演变等因素，都会对预测结果产生影响。 资料因素 可靠翔实的历史用水资料是需水预测准确性的重要保障。需水预测必须依靠 一定的历史用水资料，建立在不可靠数据资料上的任何预测都不可能是准确的。 但在现实工作中，往往会遇到资料收集困难、数据统计不便等问题，从而造成资 料短缺或不可靠，影响了预测精度。随着社会的不断进步，数据收集手段和管理 水平也在逐渐提高，所需资料将会满足预测需要。 社会经济因素 水资源是社会发展和国民经济的一项重要物质基础，人类的生存、工农业的 生产和发展都离不开水资源的支持。在现代社会中，随着社会经济的快速发展， 社会各方面对水的需求越来越大，因为国内生产总值、工农业产值、人口、耕地 l o 重庆大学硕士学位论文 2 区域需水量预测方法研究 面积、灌溉面积、粮食产量等社会经济指标和社会经济的发展规模都与用水有着 密切的关系。未来社会经济发展存在不确定因素，不同发展阶段、不同发展模式 对水资源的需求量是不同的。因此，在需水预测中，必须首先提出不同发展前提 下的社会经济指标预测成果。 生态环境因素 生态系统对水资源系统具有重要的调节、涵养以及水质净化等功能。生态系 统的退化将会产生水土流失和渠库淤积、汛期降雨的调节和水源涵养能力的降低 等影响。生态环境是关系到人类生存发展的基本自然条件，而它的日益恶化己迫 使人们对水资源及生态环境的重要性有了更清晰的认识。生态系统和生态环境的 变化都会对用水产生较大的影响。目前生态需水、生态用水、生态耗水及生态环 境用水越来越被人们所重视。在统计用水的过程中，己开始将生态用水纳入统计 行列。所以，在不同规划水平年的需水预测中也必须要考虑生态因素。 另外，在需水预测中应考虑一些政策措施的影响。如节约用水，它是水资源 优化配置工作的重要组成部分，与需水有着密切的关系，而且节水量相当于供水 量，己成为满足未来用水需求的必不可少的措施【7 】。 2 3 预测方法 2 3 1 常用的预测方法 城市用水一般由居民生活用水、工业用水、商业用水和公共用水组成，也有 少量的其他目的用水，比如消防用水、管线清洗用水和管网系统渗漏等。需水量 预测的常用方法就是根据区域的实际情况，确定每种用水需水量预测的方法，从 而求和得到总需水量；或根据历史资料和主要影响因素变化趋势，预测需水量。 一般的方法有指数预测法、用水定额法、增长趋势分析法、相关分析法p ”。 用水定额法首先要对定额对象进行大量的调查和分析，基于现有定额参数， 再考虑可持续发展，最后制定有具体指向的用水定额。具体的有：人均生活用水 定额法、人均综合用水定额法、单位产品需水量定额法、万元产值需水量定额法 等。此法简单实用，但缺点是需要大量的历史资料和做大量的调查工作，才能保 证预测的准确和合理性。 增长趋势分析法是时间序列法，根据历史资料来推测未来的，可以有多项式、 指数曲线、对数曲线、