（农业水土工程专业论文）哈尔滨地区水资源优化配置研究.pdf

摘要 摘要 水是生命之源，是人类生存和社会经济发展的物质基础，是可持续发展的重要保 障。水资源可持续利用关系到人口、资源、环境、社会的协调发展。随着人口的增长、 社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对水资源数量和质量的需求越来越高， 而可资利削的淡水资源是有限的。同时因水资源浪费及水污染日益加重，水资源供给 与需求之间形成了尖锐矛盾。这一矛盾己成为人类社会发展的制约因素。水资源优化 配置是解决这一矛盾的有效途径，研究水资源优化配置，对促进区域社会、经济、环 境的协调持续发展具有重要意义。 本文系统论述了水资源优化配置的基本原理，探讨了优化配置方式、形式、内 容与原则。以可持续发展理论为基础，选取哈尔滨地区为研究对象，运用多目标规划 的方法，建立了该地区的水资源优化配置模型。通过进行需水预测，以三个水平年 ( 2 0 0 5 、2 0 1 0 、2 0 3 0 ) 和一个保证率( 7 5 ) 的水资源供需情况为依据，拟定模型参 数( 系数) ，采用l i n g o 线性及非线性规划计算软件进行求解，并对哈尔滨地区水资 源进行供需分析，指出哈尔滨地区水资源可持续利用中存在的问题，同时提出了促进 该地区水资源可持续利用的对策和建议。 关键词：可持续发展；多目标规划；哈尔滨；水资源：优化配置 a b s 仃a c t s t u d yo no p t i m a la l l o c a t i o no f h a r b i n r e g i o n a lw a t e r r e s o u r c e s a b s t r a c t w a t e ri st h es o u m eo ft h el i v e s ，a n dt h em a t e r i a lb a s i so ft h eh u m a n b e i n g ss u r v i v a l a n dt h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t w a t e rr e s o u r c e sc a r lg u a r a n t e et h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t t h es u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c e sd e v e l o p m e n ti s i n v o l v e di np o p u l a t i o n r e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n ta n ds o c i e t y w i t ht h er a p i dp o p u l a t i o ni n c r e a s e ，t h es o c i a la n d e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，a n dt h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r di m p r o v e m e n t ，t h eq u a n t i t ya n d q u a l i t y o fw a t e rr e q u i r e m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eh i g h e r , b u tt h ea v a i l a b l e f r e s h w a t e ri s l i m i t e d a d d i t i o n a l l yt h ep o l l u t i o na n dw a s t eo fw a t e rr e s o u r c e sh a s s h a r p e n e dc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nw a t e rs u p p l ya n dw a t e rr e q u i r e m e n t ，w h i c hb e c o m e so n e o f t h ek e yo b s t a c l e so fs o c i a ld e v e l o p m e n t t h eo p t i m a la l l o c a t i o no f w a t e rr e s o u r c e si sa n r e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e si si m p o r t a n ta n dm e a n i n g f u lt ot h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f s o c i e 吼e c o n o m ya n de n v i r o n m e n t t h eb a s i co p t i m i z a t i o nt h e o r yo fw a t e rr e s o u r c e si ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d b a s e d o ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tt h e o r y , s e l e c t i n gh a r b i nr e g i o n a la sr e s e a r c ht a r g e t ，u t i l i z i n g m e t h o do f m u l t i p l e - o b j e c t i v ep r o g r a m m i n g ，b u i l d i n g - u pt h em o d e lo f o p t i m a la l l o c a t i o no f t h i sr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e s p a s s i n gt h ep r o c e e d i n gn e e d st h ew a t e re s t i m a t e ，a n dt h e p a r a m e t e r sa n dc o e f f i c i e n t sa r ed e c i d e do nt h eb a s i so fw a t e rs i t u a t i o n so ft h r e ep l a n n i n g s t a n d a r d y e a r s ( 2 0 0 5 、2 0 1 0 、2 0 3 0 ) a n d o n e p r o b a b i l i t i e s o f a s s u r a n c e ( 7 5 ) d r a f t t h e m o d e l p a r a m e t e r ( c o e f f i c i e n t ) ，a d o p tt h el i n eo fl i n g oa n dn o tt h el i n ep r o g r a n a m i n gc a l c u l a t i o n s o t h v a mp r o c e e d st os o l v et h eo p t i m i z a t i o nm o d e l ，a n dp r o c e e dt ot h et h es u p p l ya n d 奎韭垄些銮堂三堡堡主主些主堡垒塞 d e m a n da n a l y s i st ot h eh a r b i nr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e s ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h e e x i s t i n gp r o b e m so fw a t e rr e s o o r c eu t i l i z a t i o ni nh a r b i nr e g i o na r ep o i n t e do u t ，a n dt h e b e t t e rp o l i c ya n da d v i c e sa l ep u tf o r w a r d j i a n gt a o a 鲥c u l t u r a ls o i la n dw a t e re n 舒n e e n n g p r o f m a y o n g s h e n g k e y w o r d s ：s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t , m u l t i p l e o b j e c t i v ep r o g r a m m i n g ，h a r b i n , w a t e r r e s o u r c e s ，o p t i m a la l l o c a t i o n i i 引占 1引言 1 ，1研究目的与意义 1 1 1 水资源与可持续发展 1 9 8 7 年挪威前首相b r u n d t l a n d 夫人在世界环境与发展委员会上作了著名的报告我 们共同的来来后，世界各国掀起了研究可持续发展的浪潮。g r u n d t l a n d 提出的可持续发 展的定义是：满足当代人的需求，又不损害子孙后代满足其需求能力的发展。1 9 9 2 年联合 国环境与发展人会通过的2 l 世纪议程，标志着可持续发展从理论探讨推向了行动，成 为全人类共同追求的目标。1 9 9 4 年我国政府发表了中国2 l 世纪议程一中国2 1 世纪人口、 环境、演化与发展白皮书，成为制定国民经济与社会发展的重要指导文件。当前，可持 续发展己成为各国制定国民发展战略的中心议题和理论基点。 可持续发展是以人为中心，以资源环境保护为条件，以社会经济发展为手段，谋求当 代人与后代人共同繁荣与持续发展为目的。人类社会的可持续性包括三个相互联系的部 分：生态可持续性、经济可持续性、社会可持续性。水资源是生态经济系统的组成部分， 服从生态和经济规律的支配，并为生态环境和社会经济服务。水资源可持续性的存在，主 要是由生态可持续性法i ) ! i j 1 1 水循环过程决定的。 目前，环境问题、人口问题、资源问题是全球最为关注的三大问题。水作为自然资源 之一，与环境问题、人口问题、社会发展问题密切相关。水是环境的基本要素，水资源的 丰枯及开发利用情况在很大程度上决定着一个地区的生态平衡甚至一个国家的兴衰。 1 1 2 水资源优化配置问题的提出 水是生命之源，是人类生存和社会发展的物质基础，是不可替代的重要自然资源。随 着人口的增艮、社会经济的发展和人民生活水平的提高，有限的水资源供给量和不断增长 的需求量之间已形成尖锐矛盾，这一矛盾在城市发展中显得尤为突出。水资源短缺、水污 染和水资源浪费并存，是水资源供需矛盾形成的重要原因。 一、水资源紧缺，供需矛盾突出。水资源是指一定的经济技术条件下，人类能够直接 使用的淡水资源。水资源是再生性资源，“取之不尽用之不竭”，但全球淡水资源的储量是 十分有限的。由于水资源时空分布不均匀性，以及一定的经济技术条件的限制一定时期 内人们可以利用的水资源量有限。随着人口增长，城市化进程的加快，经济发展和人民生 活水平的提高，人类对水资源的需求大大增长。据统计，1 9 4 0 年全世界总用水量为8 2 0 0 亿m 3 ，1 9 7 0 年增加到2 6 0 0 0 亿m 3 ，进入8 0 年代后，世界上有4 3 个国家用水告急，至9 0 东北农业大学t 程倾十专业学位论义 年代末，发展中国家还有2 0 亿人得不到廉价的符合卫生标准的水。我国水资源总墙2 8 1 2 4 亿矿，居世界第5 能人均水资源量2 1 6 3m 3 ，相当丁_ 世界人均水资源量的1 4 ，排名在 1 0 0 位以后，被列为世界上1 2 个贫水国之一。同时，由于我国水资源时间分配不均，年际、 年内变幅大，地区间差异很大，水土资源分布不协调，造成我国水资源供需矛盾的突出， 水资源配置难度增加。尤其在于早的北方地区，水资源供需矛盾已成为国民经济和社会发 展的制约冈素。 二、水环境污染严重，水资源有效利用量减少。随着工农业发展和人们生活用水量 的增加，l 业废水平j 生活污水排放量的急剧增加，未经处理的污水任意排放，污染了永环 境，进一步加剧了水资源的短缺。据统计，全世界每年排放的污水约4 6 0 0 亿m ，使5 5 0 0 0 亿i n 3 的水体受剑污染。我国水污染问题极其严重，1 9 9 1 年全国污水排放总量3 3 6 亿吨， 其中工业废水t 旨7 0 ，约有一半的工业废水达不到排放标准，生活污水占3 0 ，污水处理 率不到1 0 。对5 3 2 条河流监铡，其中有4 2 6 条受到污染。每年水污染造成的经济损失超 过4 3 4 亿元。水资源短缺和水污染严重已成为我国不少地区和城市生存与发展的巨大障碍。 三、水资源浪费巨人，加重了供水紧张。水资源短缺，除与水资源本身特性、水污染 严重有关外，还与水资源浪费有关。农业是用水大户，用水浪费最为严重，主要表现为大 水漫灌，实际灌溉用水量超过作物需水量，渠系水的利用系数不到5 0 ，灌溉水的利用率 低；工程老化，不少灌区达不到设计灌溉面积。工业工艺水平低，水的重复利用率低，单 位产品的耗水量高，这是二f ：业用水浪费的主要原因。例如，我国平均吨钢耗水量为7 0 一1 0 0 一，而法、美、日吨钢的耗水量分别为3 7 5 i n 、4 0 一和2 1m ，仅为我国的1 8 1 5 0 。 城市供水管道、排水管道的漏失也不可忽视。据有关资料分析，供水管道损失率一般在5 1 0 ，有的城市高达1 5 以上。全国而言这项损失和浪费就不小。 解决水资源供需矛盾的基本途径：一是开源。对于水资源量丰富且水资源开发利用率 低的地区，可以通过加大投资，兴修水利工程和设施，开发新的水源，提高水资源利用效 率，增加该地区的水资源供应能力。二是节流。在水资源相对贫乏、水资源利用率己很高 的地区，增大水源供水能力已没有多大潜力，主要依靠研究节水技术和方法，实施节水措 施，提高人们的节水意识，从而提高全社会的节水水平，减少水资源的浪费，建立节水型 社会。：z k 是缓解供需水矛盾、实现水资源可持续利用的长久之策。三是治污。加大水污 染治理力度，加强环保意识，兴建污水处理厂和中水利用系统，变废水、污水为再生之水， 有用之水。四是水资源优化配置。前面三类方法有一定条件限制，需要大量资金投入，且 效果的发挥还需一定时间。如果运用科学技术和方法，改变传统的管理模式和方法，对有 限水资源进行优化配置，可使水资源得到充分高效利用使社会经济协调发展。 1 1 3 水资源优化配置研究的意义 2 引言 基于可持续发展的水资源优化配置，是以可持续发展战略为指导思想运用系统分析 理论与优化技术，将区域有限水资源在箨子区、各用水部门间进行最优化分配，从而获得 社会、经济、环境协调发展的最佳综合效益。其研究意义是： 一、促进水资源的台理有效利用。水资源优化配置没有增加供水量，也没有减少需 水量，但它却使总体效益最大化。这是因为水资源配置是以综合效益最大为目标，利用优 化方法和技术，通过产业结构调整减少水资源单耗量大的用水部门的占有量，将节省下 来的水资源h j 于水资源利用率高、单耗小、综合效益高的用水部门，从而使水资源得到合 理有效利用。汗恕诚部长曾指出，通过水资源优化配置提高水资源利用效率，实现水资源 可持续利用，这是2 l 世纪我国水利工作的首要任务。 二、促进人口、资源、环境、经济协调发展。发展是永恒的主题，片面的经济增长并 不一定意味着发展。经济增欧型的水资源配置方式，虽取得了经济的迅速增长却带来了环 境污染和生态破坏、对人类的生存和发展构成了威胁。只有人口、资源、环境、经济相互 协调的发展才是晟佳的发展模式，这种持续发展的协调型水资源配置方式是在保护生态 环境的同时，促进经济增长和社会繁荣保证可持续发展顺利进行。 三、促进工程水利向资源水利的转变。水资源优化配置虽然无法从数量上减少缺水量， 但它是减缓水资源供需矛盾的最经济最快速的方法，同时它还使科学技术渗透到水资源管 理工作中，提高管理者的科学意识和管理水平，促进工程水利向资源水利的转变。 四、对其它资源分配问题具有一定的参考价值。水资源是自然资源之一，任何自然资 源都与水资源一样，具有一定使用价值和价值，却又受到一定量的限制，同样存在着合理 有效分配的问题。资源优化配置问题有一定的相似性和差异性，水资源优化配置模型，对 解决其它资源配置问题具有一定的参考价值。 1 2 国内外研究动态 水资源可持续利用是一个崭新的概念，它是可持续发展对再生资源使用的专门术语。 目前可持续利用的概念已被广泛接受，但理论研究还处于刚刚起步阶段，许多内容还停留 于定性的分析。本文选择水资源优化配置为主要研究内容 国外对水资源优化配置的研究始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 0 年科罗拉多的几所大学对计 划需水量的估算及满足未来需水量的途径进行过研讨。7 0 年代以来，研究成果不断增多。 1 9 7 1 年美国学者n o r m a n j d u d l e y 将作物生成模型和具有二维状态量的随机动态规划相结 合，对季节性灌溉用水分配进行了研究1 9 9 5 年，w a t k i n g ，d a v i dw j r 介绍了一种伴随 风险和不确定性的可持续水资源规划模型框架，建立了有代表性的联合调度模型。 2 0 世纪8 0 年代初以来，区域水资源优化配置问题在我国引起了足够重视1 9 9 7 年卢 华友等以义乌市水资源系统为对象，建立大系统分解协调模型，提出了递阶模拟择优的方 3 东北农业火学工程硕士专业学位论文 法。1 9 9 9 年黄强等以西安市市区供水水源优化调度为实例，建立了多水源联合调度的多目 标优化模型提出了多目标模型求解思路和方法。吴险峰等探讨了北方缺水城市一枣庄， 在水库、地下水、回用水、外调水等复杂水源下的优化供水模型，从社会、经济、生态综 合效益考虑，建立了水资源优化配置模型。 纵观国内外水资源优化配置研究进展，水资源优化配置的研究历史不过4 0 多年，在世 界各国水利专家、学者的共同努力下，水资源优化配置从最初的小规模、单目标的灌溉用 水优化，发展到较大规模、多目标、全局优化算法的流域或区域水资源优化配置。水资源 配置方式经历了由增长型到协调型的历史演变。伴随工业产业革命开始的经济增长型的水 资源配置方式，虽然取得了经济的迅速增长，但带来了污染和环境生态破坏的严重后果。 这种资源配置方式曾经是传统的水资源的基本模式，至今仍有一定影响。虽然水资源优化 配置研究取得了一些可喜的成就，但研究的时间毕竟很短，还存在很多问题和不成熟的地 方。特别是随着社会的发展，新的问题不断出现，水资源优化配置也不断面临新的挑战。 还需付出更多努力。 1 3 主要研究内容 本文是在水资源供需矛盾日益加剧、水资源短缺已成为制约社会经济发展的重要因素 的情况下，以哈尔滨地区作为研究对象，运用多目标规划的方法，建立了该地区的水资源 优化配置模型，通过进行需水预测，以三个水平年( 2 0 0 5 、2 0 1 0 、2 0 3 0 ) 和一个保证率( 7 5 ) 的水资源供需情况为依据，拟定模型参数( 系数) 采用l i n g o 线性及非线性规划计算软 件进行求解，并对哈尔滨地区水资源进行供需分析，指出哈尔滨地区水资源可持续利用中 存在的问题。同时提出了促进该地区水资源可持续利用的对策和措施。 4 。 2 区域水资源优化配簧 2 区域水资源优化配置 2 1 水资源优化配置理论 2 1 1 基本概念 水资源是以水事活动为主体的水资源生态经济系统的主要组成部分。在这个系统中存 在许多矛盾，其中最根本的矛盾是社会经济增长的无限需求与生态资源有限供给之间的矛 盾。解决这个矛盾的途径：一是开源节流，建立节水型社会；二是对有限的水资源进行优 化配置，加强水资源的统一规划与管理，使有限的水资源得到充分有效的利用。 水资源优化配置是指在一个特定的流域或区域内，以可持续发展战略为指导，通过工 程与非工程措施，统一调配水资源及有关资源，并在各子区及各个用水部门间进行科学分 配，从而促进社会、经济、环境协调发展。 在我国，特别是东北地区，实施水资源优化配置更具有紧迫性。其主要原因，一是水 资源的天然时空分布与生产力布局严重不相适应；二是在地区间和各用水部门间存在着用 水竞争性；三是部分水资源开发利用方式已导致产生许多生态环境问题。 水资源优化配置的基本功能涵盖两个方面；在需求方面，通过调整产业结构、建设节 水型经济，抑制需水增长势头，以适应较为不利的水资源条件；在供给方面协调各项竞争 用水加强管理，改变水资源的天然时空分布以适应生产力布局。两个方面相辅相成，从 而促进区域的社会经济可持续发展。 水资源配置有宏观微观之分。跨流域的南水北调，属于宏观范畴：水资源经营，使用 企业的水资源优化分配，水价管理等属于微观范畴。我国水资源的最佳配置方式，应是宏 观调控与市场配置相结台的协调配置方式。基于可持续发展的水资源优化配置，是以可持 续发展理论为指导，利用系统分析理论与优化技术使水资源及其它资源在时间上、地区 上、不同受益者之间进行合理分配，以获得社会、经济、环境协调发展的最佳综合效益。 其主要内容如下： 一、研究工业、农业、生活节水技术以及雨洪利用、污水资源化，建立节水型社会。 二、将区域有限水资源在各子区、各用水部门之间进行最优分配。 三、在多种水源联合供水时，寻求各种水源的最优供需水配置。 四、水资源系统结构合理各水源与各用水部门问配置得当，保持系统良性发展态势 五、“以供定需”进行产业结构调整，使区域社会经济的发展速度和规模与资源、环 境相适应，促进区域社会、经济协调持续发展 2 1 2 配置原则 5 东北农业大学工程硕上专业学位论文 水资源优化配置应遵守以下原则： 一、综合效益最大化原则。维持生态经济系统的均衡，从水资源系统的质、量、空间 与时间上，从宏观到微观层次上，从水资源开发利用及保护生态环境角度上，综合配置水 资源及其相笑资源，从而获得环境、经济和社会协调发展的最佳综合效益。 二、可持续性原则。对水资源的开发利用要有一定的限度，必须保持在可承载能力之 内，以维持白然生态系统的更新能力和永续利用，实现水资源可持续利用。 三、保证区域内自然、经济、社会和环境的协调发展。发展是人类追求的永恒主题， 但片面的经济发展将会带来严重的生态环境问题。只有以人为中心的复合系统的协调发展 和水资源的永续利用，才是最佳的发展方式。 四、在水资源利用和水患防治系统范围内，生产、生活废弃物的排放应尽可能地减少 到最低程度，即保持在环境容量范围之内，从而保持水体清洁和水域功能。 五、水资源优化配置应与地区社会经济发展状况及自然条件相适应，因地制宜，根据 当地发展计划，有条件地实现分阶段配置。 六、开源与节流并重原则。节约用水、建立节水型社会是实现水资源可持续利用的长 久之策，也是社会发展的必然。只有开发与节水并重，才能不断增加可持续发展的支撑能 力，保障当代人和后代人的用水需要。 2 1 3 配置方式 水资源可对生态环境产生良好的影响，促进经济、社会持续发展，也可导致环境恶化。 影响经济、社会正常发展。根据水资源与生态经济系统的关系和水资源系统的历史演变， 水资源的配置方式可分为四种类型： 一、初始型。在人类早期社会里，资源完全由自然支配，人类基本上被自然掌握，生 活的需要主要靠大自然的恩赐，自发地对生活资料进行被动地摄取和逐渐地有所选择的摄 取，这就开始了自发的资源配置。实际上这种配置方式不是真正意义上的资源配置。 二、发展型。在自然经济和半自然经济的农业社会时代，人们对自然资源的本质有了 一定的认识和配置能力。中国、古埃及、巴比伦等国开始有意识的利用水资源如修渠筑 堰等水利灌溉一f ：程，发展农业生产。虽然人们对自然界及其资源的认识还很肤浅，但由于 社会生产力发展和科技进步，大大推动了资源配置与利用的发展。 三、增长型。随着工业产业革命的开始，水资源配置方式呈增长型为了满足工业化 和人口、经济的发展需求，强化了各种资源配置。这种强化资源配置的方式，是增长型经 济发展模式的产物。由于资源的产权制度不同，增长型的资源配置方式，虽取得了经济增 长。却带来了世界性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成了威胁。 四、协调型。面对增长型资源配置方式的后果，必须寻求一条经济、社会和环境协调 。6 。 2 区域水资源优化配置 发展的资源配置之路一协调型资源配置方式。其特点是：对满足经济，社会发展需要的自 然资源配置，必须与环境、资源的保护、协调相一致，以维持当代人和后代人持续地发展。 协调型资源配置方式是实施可持续发展战略必然的最佳资源配置方式。 2 1 4 配置形式 水资源生态经济系统( 或称水资源复合系统) ，是由生态环境子系统、社会经济子系统 与水资源子系统三者有机构成。水资源生态经济系统象其它大系统一样，具有质和量的规 定性。系统只有在运动的时间和空间中才能观察、测量和控制。因此，水资源生态经济系 统要素间的配置表现为质、量、空间和时间四种基本形式。 一、质的配置形式。质的规定性把不同性质的系统区分开来，质的配置形式是系统属 性间的组合。水资源质的配置形式是指水资源持续利用中，生态经济诸要素在属性方面相 互联系的关系。生态联系是基本的联系，是组成生态经济系统中资源、环境和人类之间物 质、能量交换的源；经济联系是复台系统中各配置要素由生产到消费若干环节中价值增殖 的过程：技术联系是生态与经济间的中介联系，是劳动者通过智力和工程技术将天然水转 变为商品水的重要桥梁。 二、量的配置形式。量的规定性把同质的系统区分成若干子系统。量的配置形式是指 复合系统中各耍素之间的数量配比或搭配。水资源量的配置形式是指水资源复合系统各要 素的数量配置间要有合适的比例关系，对水的开发利用与水患的防治要有个数量限度和适 度的范围。任何经济生产活动和社会需要对水资源的开发利用要有个闽限，即水的承载能 力；对水患的防治标准也要有个合适的限度，不能超过技术经济能力；对水和环境的保护、 污染防治力度，应与社会经济发展相协调。 三、空间配置形式。空间配置形式是水资源复合系统中诸要素在空间上的布局和联系。 由于我国水资源的空间分布很不均匀，南多北少，且与人口、土地分布、经济技术条件不 相适应，因此必须进行水资源在区域内和区域间不同程度的配置。配置中应摸清水资源数 量，按自然资源分布规律、资源特点，并根据区域经济、技术、综合生产力进行配置。同 时要保护好生态环境、防止生态环境的破坏与污染。 四、时间配置形式。时间配置形式是指水资源复合系统各要素在时序性变化上相互制 约的关系。任何资源都是在一定时间和空间中形成和发展的，也是在一定时间内利用和消 耗的。由于水资源的特点，它的时间配置不能单独存在，总是依附于一定空间和部门实现 的但它有自己的运动规律，若水资源能适时适量与其它资源配置得当，将会发挥巨大效 果：否则效果就会大相径庭。 由于天然来水与生产用水在时程上存在矛盾，水资源开发与水患防治必须结合，拦蓄 储存和调节控制水的措施必不可少，保护资源、环境和防治污染也必须同步实施。这样。 7 东北农业大学t 程颂i ：专业学位论文 通过工程技术和科学管理的优化调度，可实现水资源在时间上的合理配置，从而支持社会 经济的协调持续发展。 2 1 5 优化配置机理 2 1 5 1优化配置目标的度量与识别 资源配置是可持续发展的基本问题之一。它要求自然资源应当在时间上、地区上和社 会不同阶层的受益者之间合理地进行分配。既要考虑到当代的发展，又要照顾到后代可持 续发展的需要；既要照顾到发达地区的发展现实，又要求发达地区的今后发展不应以损害 欠发达地区的可持续发展能力为代价；既要追求以提高自然资源总体配置效率为中心的优 化配置模式又要注意效益在全体社会成员之间的公平分配。因此，可持续发展观念下的 水资源优化配置问题是一个多目标决策问题。 衡量可持续发展的度量有： 一、区域内经济、环境与社会的协调发展。为了度量经济、环境与社会协调发展的程 度，通常需要在水资源优化配置问题中设置相应的经济目标、环境目标和社会目标，以考 查其目标之间的竞争性及协调发展程度。 二、近期与远期的协调发展。为了考查水资源优化配置方案对区域经济、环境与社会 发展在近期和远期的不同影响，要将上述目标分期考查不同水平年的水资源开发利用策略 对区域发展的综合影响。 三、不同区域之间的协调发展。在水资源优化配置目标中应考虑地区结构，以揭示发 展进程中不同地区间在经济、环境与社会发展诸目标的差异。分地区设置目标函数，有助 于揭示不同配置方案对不同地区的影响。 四、发展效益或资源利用效益在社会各阶层中的公平分配。要求在目标函数中尽可能 地采用人均指标，以进行不同时期和不同地区人均指标的对比。对水资源优化配置问题， 不同的开发利用策略将直接导致同一地区内城市和农村人均收入指标的不同变化。 区域可持续发展的基础是经济的发展描述区域经济发展的指标，可采用国内生产总 值( g d p ) 或水资源利用狰效益。粮食人均占有量作为区域可持续发展的目标。可以反映农 业生产规模、农业生产布局及用水效率，因而是一个社会与经济综合的综合发展目标人 均收入是一个重要的社会发展目标，它可以反映项目效益总量的大小。这几个目标是基本 的，一般可根据所研究问题的性质取舍 上述各目标之间存在着很强的竞争性。特别是在水资源短缺的情况下，水已经成为经 济、环境、社会发展过程中诸多矛盾的焦点。在进行水资源优化配置时，各目标之间相互 依存、相互制约的关系极为复杂。一个目标的变化将直接与间接地影响到其他各个目标的 8 2 区域水资源优化配置 变化，即一个目标值的增加往往耍以其他目标值的下降为代价，称为目标间的交换比或权 衡率。研究复杂的水资源优化配置问题时，目标间的交换比对加深问题的认识具有重要意 义。 2 1 5 2 优化配置中的平衡关系 在以区域可持续发展为目标的水赘源优化配置过程中，必须保持若干基本平衡关系， 才能保证优化配置荒略是现实可行的。 一、水资源量的需求与供给平衡。在长期发展过程中，无论是需水还是供水均处于动 态，因而供需间的平衡关系只能是动态平衡。从需水方面看，主要的影响因素是经济总量、 经济结构和部门用水效率。在供水方面，影响供水的主要因素为供水的工程能力和调度策 略。在水资源需求量与供给量均是变量的情况下，动态平衡的保持只能在一定时期和一定 程度内。当供水能力大于需求时，就会造成资金的积压，反之则会由于缺水而给国民经济 造成损失。在缺水的情况下。减少对不同部门的供水以及减少的程度会导致不同的缺水损 失，因而找出较台理的动态供需平衡策略，便成为水资源优化配置的主要任务之一。 二、水投资的来源与分配。水投资包括节水、水资源的开发利用和水环境的治理保护 所需的建设资金和运行管理费用。水投资的来源取决于总投资额的大小及国民经济各部门 之间的投资分配比例。水投资的使用主要分为水资源开发利用和水环境的保护治理两方 面。水资源的来源与分配间的平衡是通过水量的供需平衡及水环境的污染及治理平衡来实 现的。由于水资源开发利用和水环境的治理保护均是重要的社会基础产业，具有建设周期 长和投资额巨火的特点，因而水资源的来源与分配之间的动态平衡是水资源优化配置策略 得以实施的重要条件。 2 2 区域水资源优化配置模型的建立 2 2 1 区域水资源系统 区域水资源系统是个复杂的大系统，一般由四部分组成：一是供水系统。包括蓄水、 引水、提水等地表水，深层与浅层地下水，外流域调水、污水回用等其它水源：二是输水 系统。包括输水河道，输水管道、输水渠道等；三是用水系统。包括工业用水、农业用水、 生活用水、环境用水等；四是排水系统。包括生活污水、工业污水、农业渍涝排水等。区 域水资源的配置过程可描述为：水资源配置系统根据系统输入的信息，从水资源系统通过 输水系统将水分配到各个用水部门，然后由用水系统和排水系统反馈信息给水资源分配系 统水资源分配系统根据其特性和反馈信息。调整水量在各部门间的分配。如此反复，直 到得到最优配置结果。 9 东北农业大学工程硕上专业学位论文 2 2 2 子区划分与水源、用户构成 根据区域的行政区划、地形地貌和水利条件，一般可将区域分成若干子区。设区域划 分为k 个子区，k = i ，2 ，k ，k 子区有i ( k ) 个水源、j ( k ) 个用水部门。因此，对 于k 子区而青是i ( k ) 个水源和j ( k ) 个用户的水资源优化分配问题。 2 2 3 模型目标的确定 区域水资源优化配置的目标，是经济、社会综合效益虽大。其一般模型形式为： m a x l f i ( x ) ? f 2 ( x ) j g t x ) o x o 式中：j 为决策变量：矗c 一、扛，分别为经济效益和社会效益；口j ：) 为约束条件集， 表示水资源承载力、土地资源、其它社会约束和子系统状态方程等。 根据可持续发展战略，下面给出了哈尔滨地区水资源优化配置目标的经济效益和社会 效益的具体目标及函数表达式。 目标i ：区域供水净效益最大 ij ( 正x ，( ) i m a x f ，( x ) = lz ( b ：一c ：) j ；i w k t = 1 ，= 1 li = 1i 式中菇为水源i 向k 子区j 用户的供水量( 万埘3 ) ；酷为水源i 向k 子区j 用户的 单位供水量效益系数( 元肌3 ) ；c ；为水源i 向k 子区j 用户单位供水量的费用系数( 元 m 3 ) ；为k 子区权重系数。 目标i i ：区域供水系统总缺水量最小 m i n 正( 工) ：圭笠讲一篁工门 i - i 卜il i - i j 式中：d ：为k 子区j 用户需水量( 万m 3 ) 。鉴于社会效益目标更不易度量，而区域 缺水量的大小或缺水程度影响到社会发展与安定，因此，以区域总缺水量最小作为社会效 益目标的间接度量。 2 2 4 模型约束条件 1 、水源可供水量约束 1 0 东北农业大学工程硕上专业学位论文 2 2 2 子区划分与水源、用户构成 根据区域的行政区划、地形地貌和水利条件，一般可将区域分成若干子区。设区域划 分为k 个子区，k = i ，2 ，k ，k 子区有i ( k ) 个水源、j ( k ) 个用水部门。因此，对 于k 子区而青是i ( k ) 个水源和j ( k ) 个用户的水资源优化分配问题。 2 2 3 模型目标的确定 区域水资源优化配置的目标，是经济、社会综合效益虽大。其一般模型形式为： m a x l f i ( x ) ? f 2 ( x ) j g t x ) o x o 式中：j 为决策变量：矗c 一、扛，分别为经济效益和社会效益；口j ：) 为约束条件集， 表示水资源承载力、土地资源、其它社会约束和子系统状态方程等。 根据可持续发展战略，下面给出了哈尔滨地区水资源优化配置目标的经济效益和社会 效益的具体目标及函数表达式。 目标i ：区域供水净效益最大 ij ( 正x ，( ) i m a x f ，( x ) = lz ( b ：一c ：) j ；i w k t = 1 ，= 1 li = 1i 式中菇为水源i 向k 子区j 用户的供水量( 万埘3 ) ；酷为水源i 向k 子区j 用户的 单位供水量效益系数( 元肌3 ) ；c ；为水源i 向k 子区j 用户单位供水量的费用系数( 元 m 3 ) ；为k 子区权重系数。 目标i i ：区域供水系统总缺水量最小 m i n 正( 工) ：圭笠讲一篁工门 i - i 卜il i - i j 式中：d ：为k 子区j 用户需水量( 万m 3 ) 。鉴于社会效益目标更不易度量，而区域 缺水量的大小或缺水程度影响到社会发展与安定，因此，以区域总缺水量最小作为社会效 益目标的间接度量。 2 2 4 模型约束条件 1 、水源可供水量约束 1 0 2 区域水资源优化配置 x ；w ， ，= i 式中，彬为水源i 的可供水量； 2 、水源输水能力约束 z ：sq 式中，岔为k 子区i 水源的最大输水能力。 3 、用户需水能力约束 ，( i ) x ；墨讲一 i = l 式中，d j 一为k 子区j 用户的最大需水量。 4 、变量非负约束： 2 2 5 总体模型 菇0 将上述三个目标和各种约束条件组合在一起，即构成区域水资源优化配置的大系统多 目标总体模型，如下所示： f ( x ) = 印，以， ( x ) ) m a x 喜訇芝帅扣，k i = l卜i i ，- l li m i n tj 厶c k ) l - 叶t 一窆菇l i - 1j - i ki = l j 东北农业大学工程硕士专业学位论文 ，( i ) z ；s 矿， j - 1 x ；sq ? ， ) z ；d ；。、 工；0 此模型可以得到整个区域、各子区及用户的缺水程度，通过对供需水平衡结果的分析 结合区域的具体情况，提出解决区域供需水矛盾的途径与措施。 1 2 3 哈尔滨地区水资源态势 3 哈尔滨地区水资源态势 3 1哈尔滨地区概况 3 1 1 自然地理概况 哈尔滨地区位于黑龙江省中南部，松嫩平原东端东经1 2 5 。4 2 1 3 0 。1 0 ，北纬 4 4 。0 4 。4 6 。4 0 。全市幅员面积5 3 0 6 7 万k m 2 。其中市区面积为1 6 6 0k m 。哈尔滨地 区地貌类型东部、北部为低山丘陵区，西部为平原区。地貌类型分为低山、丘陵、高平原、 平原。展高山区主峰位于五常市大秃顶子山，海拔1 6 6 8 m ，最低处在依兰县境内，海拔高 度8 4 m 。山地面积占全市面积的3 3 ，丘陵面积占山地面积的2 1 5 ，平原地占全市面积的 4 5 。境内地质构造山区属长白、兴安褶皱带以及松辽中凹陷带。哈尔滨地处欧亚大陆东 部的中高纬度，属中温带大陆性季风气候。为半湿润地带。其特点是四季分明，1 1 月至次 年2 月为冬季，3 月至5 月为春季，6 月至8 月为夏季，9 月至1 0 月为秋季。冬季干寒、 漫长，夏季降水集中，温热湿润：春季风多、风大，降水少多早；秋季气候多变，常出现 气温急剧下降，农作物易受早霜危害。多年平均气温为2 5 4 3 c 之间，冬季漫长日 平均气温在o * c 以f 的寒冷日数平均为1 6 0 天，历年最低气温为零下4 2 6 ，夏季气温偏 高，与同纬度地区比偏高2 4 c ，且白昼时间长，日匿高气温大于3 0 c 平均日数在1 5 天 左右，极端最高气温为3 7 8 c 。多年平均1 0 积温为2 4 0 0 2 8 0 0 ，年日照时数在 2 6 0 0 小时左右。多年平均无霜期为1 3 5 天，最短为1 0 5 天，最长为1 5 1 天；年降水量平均 为6 1 9 7 m m ；年蒸发量平均为1 3 2 6 m m ，哈尔滨市区年蒸发量达1 5 0 0 啪以上。受东南海洋 气团和西北大陆气团交替影响，哈尔滨地区季风较大，尤为春、秋两季，这两季中每季大 风日数在1 5 2 0 天，其平均风速达4 5 m s ，最大风速达2 2 3 7 m s 。哈尔滨地区植被以 地带性植被红松林、针阔叶混交林、天然次生林、人工林、草原和农田植被为主。其中面 积最大的是森林植被，森林覆被率达4 2 7 9 ，辖区内野生植物种类丰富，据不完全统计， 有植物9 5 0 余种。本区地带植被可分为红松阔叶混交林，次生演替阶段的珍贵硬阔混交林， 针阔混交林阔叶混交林和杨桦林五大类型。全地区境内土壤类型较多，有白浆土、暗棕 壤、黑钙土、草甸土、沼泽土、泥浆士、沙甸土、水稻土等8 个土类1 8 个亚类。黑钙土 是哈尔演主要的地带性土类全市均有黑钙土分布，占土地总面积的5 6 。 3 1 2 社会经济状况 哈尔滨市行政区辖市区道理、道外、南岗、太平、动力、香坊、平房等7 个区和五常、 双城、阿城、尚志等4 个县级市及巴彦、呼兰、宾县、依兰、延寿、术兰、通河、方正等 8 个县。2 6 4 个乡镇，3 5 0 1 个村。据哈尔滨市统计局统计，2 0 0 0 年全市总人口为9 4 1 3 万 1 3 东北农业大学工程硕士专业学位论文 人，其中市区人口为3 4 8 i 万人，占全市人口的3 7 1 2 个县( 市) 有5 9 3 2 万人。全市 农村人口为4 0 4 3 万人，城镇人口为5 3 7 0 万人。2 0 0 0 年全市实现国民生产总值1 0 0 2 7 亿元，其中：第一产业1 7 6 7 亿元，第二产业3 4 0 0 亿元，第三产业4 8 6 0 亿元，近五年 年均增长1 1 8 ，人均国内生产总值1 0 3 5 9 元。粮食生产稳定在8 0 亿公斤左右。工业结构 正在优化，形成汽车、医药、食品等优势产业，大力发展电子信息产业、旅游产业、高新 技术产业，振兴装备制造业，工业总产值达到i 0 1 1 1 亿元。 3 1 3 水资源状况 哈尔滨地区多年平均降水量为6 1 9 7 m m ，全地区多年平均降水总量约为3 2 8 8 6 亿m 3 。 全市境内有流域面积大于4 k m 2 的河流1 8 6 6 条。除松花江干流外，河长在3 0 0 k m 以上的主 要一级支流有蚂蚁河、拉林河、呼兰河、倭肯河、牡丹江5 条，此外还有较大的河流如阿 什河、西北河、少陵河、木兰达河等多条。松花江干流哈尔滨市江段为4 6 6 k m ，哈尔滨断 厩多年平均径流量为3 8 9 亿m 3 ，全市主要江河天然年径流量如表3 - i 所示。 表3 一l哈尔滨地区主要江河天然年径流量 t a b l e 3 1m a i nr i v e rn a t u r a la , i m u a ll t u