（环境科学专业论文）海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究.pdf

海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 a b s t r a c t u r b a n - r u r a li n t e g r a t i o ni sag u i d i n gi d e o l o g yt od e a l 诵md e v e l o p m e n ta n dr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h er u r a la n du r b a na “：猫i nt h ee c o n o m i cs o c i e t yd e v e l o p i n gp r o c e s s i ti sa ne n t i t y p r o c e s sf o rt h er u r a la n du r b a n & l e a st of u s e sd a yb yd a y i ti sah i 曲s t a g ei nt h es o c i e t y d e v e l o p m e n t i ti sa l s oam o s tp e r f e c tc o n d i t i o ni nt h eo r g a n i z a t i o no ns o c i e t y , c u l t u r e , e c o n o f f f i ca n dn a t u r e i nt h i sc o n d i t i o n , t h es o c i a lp r o d u c t i v ef o r c e sw i l lp r e s e n taf a s t d e v e l o p m e n tp h e n o m e n o n b u ts o c i e t y sd e v e l o p m e n tc a n n o tl e a v et h em a t e r i a lb a s e m e n t t h ew a t e rr e s o u r c e st a k ea st h ef o u n d a t i o n a ln a t u r a lr e s o u r c ea n ds t r a t e g i ce c o n o m i cr e s o u r c e ； i ti sam o s ti m p o r t a n tc o n d i t i o n a l i t yf a c t o ri na n ys t a g eo fs o c i e t yd e v e l o p m e n t a l o n gw i m t h ea c c e l e r a t i o no ft h ep r o c e s so fu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o n , p o p u l a t i o ng r o w t h ，s o c i a le c o n o m y d e v e l o p m e n ta n dt h ea d v a n c e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，p e o p l en e e dt h ew a t e r r e s o u r c e sw i t hah i g h e rq u a l i t ya n dq u a n t i t y l i m i t e df r e s hw a t e rr e s o u r c e sw i l lb e c o m ea b o t t l e - n e c ki nt h eu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，r e a s o n a b l eu s eo fl i m i t e df r e s h w a t e rr e 思o u r c e sw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o n h a i c h e n gt a k e sa so n eo ft h en a t i o n a lb a i q i a n gc o u n t r y , h a v eah i g hl e v e lo fe c o n o m i c d e v e l o p m e n t a l o n gw i t ht h ep r o p o s i n go fu 而a n - r u r a li n t e g r a t i o n , t h ec o n s t r u c t i o no fs m a l l t o w na n dc o u n t r yu r b a n i z a t i o nh a sb e c o m et h ei m p o r t a n ts t r a t e g i cp l a ni nt h es o c i e t y d e v e l o p m e n ti nh a i c h e n g a tt h es a m et i m e 弱as h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e sc i t y , h o wt o r e a s o n a b l ea l l o c a t et h el i m i t e dw a t 钉r e s o u r c e si saq u e s t i o nt h a tn e e d st ob es o l v e du r g e n t l y i nt h ep r o c e s so fu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o nf o rh a i c h e n g t l l i sp a p e ra n a l y z e st h eo p t i m a l a l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e si nh a i c h e n gw h i c hi sb a s e do nu 而a n - r u r a li n t e g r a t i o n c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n , b r i n g st h ec o o r d i n a t e dd e v e l o p m e n to fu r b a na n dr u r a la r e a li n t ot h e t a r g e to ft h eo p t i m a la l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s a i m e da to p t i m i z i n ga l l o c a t i n gt h ew a t e r r c s o b r c 懿i nh a i c h e n g , f o raw h i l ep r o m o t i n gt h eu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o np r o c e s si nh a i c h e n g t h i sp a p e rm a i n l yu s e st h em e t h o do fm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nt oa n a l y z et h e o p t i m a la l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e si nt h eu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o np r o c e s so fh a i c h e n g b y a n a l y z i n gt h eb a s i cd a t ai nc u r r e n tt a r g e ty e 码o b t a i nt h a th a i c h e n gi saw a t e rs c a r c i t yc i t y , t h er a t eo fw a t e rs c a r c i t yi s9 0 9 h a i c h e n gh a sag e n e r a lo u t c o m ei nt h eu r b a n - r u r a l i n t e g r a t i o n , t h er a t eo fu r b a n i z a t i o ni s4 6 7 b a s eo nt h eb a s i cd a t ai nt h ec u r r e n tt a r g e ty c 码 c o m b i n i n gt h es t r a t e g i cr e q u i r e m e n t sf o rt h ed e v e l o p m e n to fu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o ni n h a i c h e n g , b yt h ed i n to fs t a t i s t i c a ls o f t w a r e , t h i sp a p e rf o r e c a s t st h ei n d e xf o rt h eu r b a n - r u r a l i n t e g r a t i o ni nt h ef o l l o w i n g10y e a r s i ta l s oa n a l y s i st h ew a t e rr i 嚣d u r c e sd e m a n d s u p p l y c o n d i t i o ni nt h eu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o np r o c e s si nt h ef o l l o w i n g1 0y e a r s ，功ec o n c l u s i o ni s ： i nt h ef o l l o 谢n g10y e a r s ，a l o n gw i t ha c c e l e r a t i o np r o c e s so fl h b a n - r u r a li n t e g r a t i o n ，t h e d e v e l o p m e n tl e v e lo fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ei nh a i c h e n gw i l lh a v ea f u r t h e ri m p r o v e d ，h i 曲 e 伍c i e n c ya n dl o wc o n s u m p t i o ni n d u s t r ya n df a c i l i t i e sa g r i c u l t u r ew i l lh a v eau n i v e r s a l d e v e l o p m e n t , u t i l i z a t i o nr a t i oo fw a t e rr e s o u r c e sw i l lh a v ea d v a n c e m e n t b u ti nas h o r tp e r i o d , h a i c h e n gi sa l s oaw a t e rs c a r c i t yc i t y t h i sp a p e ru s e st h ef u n c t i o no ff g o a l a t t a i ni nm a t l a b o p t i m i z a t i o nt o o l b o xt oo p t i m i z e da l l o c a t et h ew a t e rr i 露s o u r c 爆i nh a i c h e n gi nt h ef o l l o w i n g 1 0y e a r s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lv a l u ei nu s e , t h ep a p e rh a sd e s i g n e df i v ed i f f e r e n t p r o g r a m sf o rt h ep l a n n i n gt a r g e ty e a r n ed e c i s i o nm a k e r 啪c h o o s et h ed i f f e r e n ta l l o c a t i n g p r o g r a ma c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc o n d i t i o na n dt h ed i f f e r e n tp o i n to fe m p h a s i st h a th ep a y a t t e n t i o nt o i tw i l lm a k eh a i c h e n gt ob eah a r m o n yd e v e l o p m e n tc i t yo ne n v i r o n m e n ta n d 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 s o c i e t ya n de c o n o m i ci nt h eu r b a n - r u r a li n t e g r a t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：u r b a n - r u r a li n t e g r a t i o n 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 h a i c h e n gc i t y 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特 别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其 他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示 谢意。 学位论文作者签名：丞重 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 醢墅 指导教师签名： 签名e t 期：2 尸电气年易月和日 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 1 绪论 1 1 问题提出的背景 水是生命之源，在人类的生存和社会的发展中具有举足轻重的作用。它是自然环境 的重要组成部分，也是人类赖以生存和发展不可缺少的一种宝贵资源，同时它也是可持 续发展的基础条件。它是工农业发展以及国民经济发展的命脉。社会发展的任何阶段和 任何过程都需要水资源的保障与供给。随着社会的发展及人口和经济的增长，水资源的 需求量不断增加，水环境不断恶化，水资源的短缺和不合理利用已经成为制约大多数城 市发展的瓶颈，因此，如何合理利用有限的水资源已经成为我们迫切需要解决的问题。 随着统筹城乡经济社会发展，国家提出了全面建设小康社会的重大任务，提出了坚 持以人为本，全面、协调、可持续的科学发展观，明确把统筹城乡关系作为五个统筹的 第一位，强调要建立有利于逐步改变城乡二元经济结构的体制。纵观工业化国家发展的 历程，在工业化初期阶段，农业支持工业、为工业提供积累是带有普遍性的趋向；但在 工业化达到相当程度以后，工业反哺农业、城市支持农村，实现工业与农业、城市与农 村协调发展，也是带有普遍性的趋向。现阶段我国正处在走新型工业化道路的工业化高 速发展阶段，全国城市化率已达到4 5 左右，为推进我国城乡一体化发展创造了条件。 城乡一体化建设中的水资源优化配置就是在此背景下提出的。 城乡一体化建设中的水资源优化配置研究的前提条件与原动力：随着城乡一体化进 程的发展，社会经济将出现与以往不同的发展历程，水资源的供需矛盾即有限的水 资源与不断增加的需水量之间的矛盾，将会一直存在。在大多数城市，水资源短缺已经 成为制约本市的社会经济发展以及城乡一体化进程的瓶颈。这就迫使人们开始寻求让有 限的水资源产生最大的效益的方法，即水资源得最佳分配方法，通过水资源的合理有效 分配，从而加快城市的社会经济发展以及加快本地区城乡一体化的进程。 城乡一体化建设中的水资源优化配置研究的基础条件：城乡一体化发展要求相对发 达的城市与相对落后的农村，打破相互分割的壁垒，使城市和乡村融为一体。它涉及到 社会经济、生态环境、文化生活、空间景观等各个方面。而由于水资源的短缺，使得水 资源在利用过程中，存在客观竞争的现象，例如不同的用水行业、部门以及地区等都存 在竞争用水的现象；此外，在不同的时间上也会存在客观的竞争用水现象。针对这些竞 争用水现象人们提出了许多解决方法，但不同的方法会产生不同的效益，包括社会，经 济以及环境等效益。这就迫使人们为了得到最大的效益从而选择不同的配置方式，本文 在此基础上进行了城乡一体化建设中的水资源优化配置。 1 2 研究的意义 ( 1 ) 理论意义 以往的经济增长型的水资源优化配置方式，虽然取得了经济的迅速增长，却也付出 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 了一定的代价，使环境遭到了污染，生态遭到了破坏。本文基于城乡一体化建设进行水 资源优化配置研究，统筹考虑社会、经济、资源、环境的协调发展，采取协调型的水资 源配置方式，促进本地区城乡一体化建设的进程，可以为在国内其它地区开展同类工作 提供借鉴。 ( 2 ) 实践意义 本文以理论为指导，分析了研究区的水资源状况和城乡一体化状况，结合研究区未 来l o 年城乡一体化建设发展规划，预测了未来1 0 年内研究区的水资源状况。通过应用 多目标优化规划模型，对研究区进行了未来1 0 年内水资源的优化配置。可以为当地政 府决策提供参考。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 水资源优化配置研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 2 0 世纪6 0 年代初期开始，国外就对水资源优化配置进行了研究。1 9 6 0 年科罗拉多 的几所大学n 1 就开始了水资源优化配置研究，进行了计划需水量的估算以及满足未来需 水量的途径研究。1 9 8 2 年p e a r s o n 乜1 等人就进行了水资源分配问题的研究，他们的研究 区域选择的是英国的n a w w a 区域，利用多个水库的控制曲线以及二次规划等方法，并 选择最大产值、输送能力和预测的需求值三个条件作为约束，取得了突破性的成果。与 此同时，荷兰学者e r o m i j n m t a m i ng a 通过一系列研究建立了g e l d e r l a n d td o e n t h e 水 资源分配问题的多层次模型，他主要考虑了水的多功能性和多种利益的关系，强调决策 者和科技人员间的合作，该模型体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点口1 。 1 9 9 2 年，a 龟a l ，j a v a i d 等人通过对p a k i s t a n 地区的灌溉系统建立线性规划模型，从而研 究了不同水质水的优化利用问题h 1 。到1 9 9 7 年时，w o n gh u g h s 等人应用多目标多阶段 优化管理的原理方法，在需水预测中考虑到地下水、地表水、外调水、回用水等多种水 源的联合运用，并同时考虑到如何防治地下水恶化的问题陆1 。1 9 9 8 年，w a n g m 嘲研究 遗传算法( g a ) 和模拟退火( s a ) 在地下水资源优化管理中的应用，考虑地下水最优开采 率随水流状态而变化的特性，建立了地下水多阶段模拟优化混合模型。2 0 0 0 年，m i n s g e r 口1 等应用遗传算法建立了不确定性条件下的水资源配置多目标分析模型。2 0 0 2 年，r i n g l e t , c l a u d i a 蚓在湄公河流域建立了水资源优化配置模型，这个模型分析研究了多 国间水的使用和分配。它以流域为单元进行分析与管理，评价水资源的价值，确定湄公河 水资源的分配使用，实现水资源的优化配置。 ( 2 ) 国内研究状况 我国水资源科学分配方面的研究发展较快，经过几十年的研究取得了很多成果。2 0 世纪8 0 年代初期，由华士乾教授为首的研究小组对北京地区的水资源利用系统工程方 法进行了研究，该项研究可以作为我国水资源系统中水量合理分配的雏形。随后，水资 2 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 源模拟模型在其它地区得到了应用。自1 9 9 7 年到2 0 0 6 年，我国学者对水资源优化配置 部分研究结果主要包括：高振宇嘲的北京市宏观经济水资源多目标分析系统研究；王 永航、张理盈等n 帕人的郑州市城市供水资源联合调度模型及模型优化；黄强、王增 发等1 人的城市供水水资源联合优化调度研究；辛玉琛、张志君n 2 1 的长春市城市 水资源优化管理模型研究；吴险峰、王丽萍n 羽的枣庄城市复杂多水源供水优化配置模 型；鲍卫锋、黄介生等n 们人的地表水地下水联合运用模拟模型；陈守煜、黄宪成等n 引 人的大连市水资源利用与宏观经济协调发展规划多目标群决策模型与方法；冯耀龙、 韩文秀等n 叼人的面向可持续发展的区域水资源优化配置研究；陈南祥、李跃鹏n 刀 等人的基于多目标遗传算法的水资源优化配置等等。这些论文分别从不同的角度对 水资源优化配置的模型及方法做了详细的研究。 此外，目前我国进行的南水北调工程；黄河流域的梯级开发、统一规划以及保证生 态用水和流域内国民经济的可持续发展；黑河流域、石羊河流域水资源的统筹规划、合 理开发、协调发展；塔里木河流域水资源的统一规划、统一配置、依法用水、依法配水， 都是水资源优化配置的典型例子。 1 3 2 城乡一体化研究现状 自2 0 世纪开始，世界上许多国家和地区已经不同程度地步入了城市化的实现阶段， 但实现城乡一体化这一发展战略仍是全世界为之奋斗的长期目标。因为在城市化的实现 阶段，各个国家相继出现一系列问题，进而开始尝试城乡一体化发展。如日本在农村城 市化过程产生了生态、环境及能源的问题之后，逐步转向了“城乡一体化 的尝试，并 取得了一定的成效。在今日的欧洲，传统意义上的农村正在逐步消失，。变化着的城市力 不断扩大，城乡的边界已经变得模糊，乡村城市化，城乡一体化，己成为欧洲社会发展 的一种新趋向。 我国从8 0 年代初期，沿海经济较发达地区首先出现了这种城乡经济互相渗透、互 相推动、协调发展的经济发展模式城乡一体化模式。近几年来，城市的区域一体化、 城乡一体化趋势日益突出，新的发展模式不断涌现，在珠江三角洲、上海、北京、苏南 等地实施过程中显示了明显的优越性，也取得了良好的成效。随着我国这些发达地区进 行的城乡一体化建设，内陆地区也已经开始了大范围内的城乡一体化建设的尝试。 1 4 本论文主要研究内容及方法 1 4 1 本论文研究的主要内容 本文以辽宁省海城市为例进行研究，研究的主要内容包括： ( 1 ) 城乡一体化建设中的水资源优化配置的相关理论 主要阐述了城乡一体化建设中的水资源优化配置的内涵、基本内容和方法等，并在 此基础上研究了城乡一体化建设中的水资源优化配置的思路和意义等。 ( 2 ) 海城市的概况及水资源现状分析 3 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 分析了海城市的主要概况，包括自然概况、社会概况以及城乡一体化的现状，在此 基础上做了海城市现状水平年的水资源供需分析。为对海城市进行规划水平年的预测做 基础。 ( 3 ) 海城市规划水平年的经济、人口、城乡一体化发展以及需水量预测和供需分析 科学、合理地预测城市需水量对区域水资源优化配置研究是至关重要的，本文采用 一元线性回归方法，结合海城市水务局提供的资料，对海城市规划水平年的相关数据进 行预测。 根据海城市现状水平年供用水情况，以及本文对规划水平年需水量预测的结果，对 海城市规划水平年水资源供需平衡进行分析。针对出现的水资源问题，提出切实可行的 解决方案。 ( 4 ) 海城市水资源优化配置的研究 本研究采用多目标优化规划方法配置海城市有限的水资源，将多目标分为工业用水 效益、生活用水效益、农业用水效益和生态环境用水效益，以综合用水效益最大为目标。 从社会、经济、环境三个方面充分考虑，确定不同用水户用水效益系数，然后借助m a t l a b 优化工具箱里的f g o a l a t t a i n 函数对多目标进行求解，根据决策者的偏好和社会、自然等 实际情况，通过设定不同的初始值，给出几个优化配置方案供其选择。 1 4 2 本论文应用的方法 本文主要采用多目标优化规划方法，并借助统计软件( 包括e v i e w s 和m a t l a b ) 得出所需结果。主要包括实地考察搜集基础资料，结合基础资料通过计算并运用一元线 性回归方法、借助统计软件e v i e w s 做预测分析，最后根据多目标优化规划方法，借助 m a t l a b 优化工具箱里的f g o a l a t t a i n 函数得到优化配置结果，并对结果进行分析。具体技 术路线框图如图1 - 1 ： 4 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 图卜1 本文技术路线图 f i g u r e1 - 1f i g u r eo f t e c h n i c a lr o u t e 1 5 本论文创新点 ( 1 ) 基于城乡一体化建设进行水资源优化配置研究，扩展了传统的水资源优化配置的 内涵。 ( 2 ) 首次进行了海城市水资源优化配置研究。 5 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 2 城乡一体化建设中的水资源优化配置理论 2 1 城乡一体化建设中的水资源优化配置内涵 过去的水资源优化配置大多是针对城市经济发展而进行的，水资源优化配置的最终 目的是在实现水资源可持续利用的基础上实现城市经济的高速发展，并没有统筹考虑城 市外围乡镇、农村的建设，没有将实现城乡协调发展纳入水资源优化配置的目标中。本 文以城乡一体化发展作为水资源优化配置的限制条件，将水资源优化配置的内涵定义如 下： 城乡一体化建设中的水资源优化配置的最终目的是：通过提高研究区的水资源的利 用效率及分配效率，从而保证研究区城乡一体化发展，保证研究区经济、社会、资源以 及环境协调发展，最终实现水资源的永久性可持续利用。城乡一体化建设中的水资源优 化配置主要包括宏观和微观两个方面。 宏观方面的城乡一体化建设中的水资源优化配置：通过各种水利工程或其他工程、 开源与节流以及污染治理等措施，调节水资源的天然时空分布，兼顾城市与农村，长远 与当前利益等，从而提高研究区的水资源利用效率，最终实现区域的城乡一体化发展及 水资源的永久性可持续发展n 蚴1 。 微观方面的城乡一体化建设中的水资源优化配置：在研究区内，充分考虑地表水、 地下水、回用水以及外调水等不同供水水源的利用，同时考虑到不同用水户包括工业用 水、农业用水、生活以及环境用水等，在供水与用水所形成的复杂系统中，合理配置有限 的水资源。 2 2 城乡一体化建设中的水资源优化配置基本内容 与传统的水资源优化配置基本内容相同，城乡一体化建设中的水资源优化配置工作 同样要在采取合理抑制需求、有效增加供给和积极保护生态环境等综合措施的基础上进 行多方案的供需分析和比较，通过经济、社会、资源和生态环境保护等方面的分析论证 与对比分析，确定水资源优化配置方案。配置工作的基本内容如图2 一l 所示乜刁。 6 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 二状年供需分析二) 土 抑制需求治理保护增加供给 i 调整结构提高效率节约用水污水回用 开源工程 其它水源 j 规划方案生成) 1r r 公平、 规划方案比较 厂高效、丫 厂i 续f 、 l 技术l i 经济li 环境li 社会l 弋慨比 上 合理配置矽 ， 多 一吵o 9 图2 1 水资源合理配置工作的基本内容图 f i g u r e2 - 1b a s i cc o n t e n to f w a t e rr e s o m c e sr a t i o n a la l l o c a t i o nw o r k 2 3 城乡一体化建设中的水资源优化配置的方法 水资源优化配置的分析通常是将水资源优化配置问题构造成为一个求最优解的数 学问题，这种数学问题不仅是单目标问题，也可以是多目标问题。因此水资源优化配置 的方法多采用数学方法，包括单目标优化方法，多目标决策，大系统优化方法以及交互 规划方法等。 2 3 1 单目标优化方法 ( 1 ) 线性规划方法 线性规划方法是在第二次世界大战中发展起来的一种重要的数量方法，主要 用于研究有限资源的最佳分配问题，即如何对有限的资源作出最佳方式地调配和 最有利地使用，以便最充分地发挥资源的效能去获取最佳的经济效益。 其数学模型可表示如下： 7 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 目标函数：m a x ( r n i n ) z = c x 约束条件：从( = ，如 x 0 式中：c = ( c 。c ：，c ，c 。) , b = ( b , b e b a y ，a = k f ，) 眦 线性规划的解法一般采用单纯形法，随着科学的发展，线性规划已经扩展到了整数 规划，即解值必须为整数解时。 该方面的主要研究成果包括：郭元裕、白宪台等瞳3 h 湖北四湖地区除涝排水系统规 划的大系统优化模型和求解方法；王蜀南、曾道先等胁1 系统分析在中小河流水质规 划中的应用；黄冠华乜5 1 模糊线性规划在灌区规划与管理中的应用；沈佩君一1 灌 区扩建改建规划的线性优化模型以及混合模型在滨海水网地区水资源优化调度中的 应用等。这些研究对线性规划的应用进行了探讨，建立了线性规划模型并提出了模糊 线性规划、以及线性优化规划等理论，并通过这些模型进行了研究区的水资源优化配置 研究。 ( 2 ) 非线性规划方法 非线性规划法是具有非线性约束条件或目标函数的数学规划，是运筹学的一个 重要分支。非线性规划研究一个n 元实函数在一组等式或不等式的约束条件下的 极值问题，且目标函数和约束条件至少有一个是未知量的非线性函数。现实世界中， 许多实际问题，如水资源规划等问题，都属于非线性规划问题。非线性规划不同于线性 规划，它不像线性规划那样有特定的解法，非线性规划要针对不同的实际问题，应用不 同的非线性规划优化方法，从而得到一个可能的解。相关研究结果包括刘肇伟、郭宗楼 嘲h 长藤结瓜式灌溉系统优化规划的非线性模型以及李寿声嘲多种水资源联合运用 非线性规划灌溉模型等。 ( 3 ) 动态规划方法 动态规划是运筹学的一个分支，是求解决策过程最优化的数学方法。2 0 世纪 5 0 年代初美国数学家r e b e l l m a n 等人在研究多阶段决策过程的优化问题时，提 出了著名的最优化原理，把多阶段过程转化为一系列单阶段问题，利用各阶段之 间的关系，逐个求解，创立了解决这类过程优化问题的新方法动态规划。 张玉新、冯尚友等咖1 在丹江口水库建立了多目标动态规划模型，以研究水库的发电 与供水问题。唐德善等m 1 以黄河中游某灌区为例，运用递阶动态规划法，确定了水资源 在工业和农业之间的分配比例。袁宏源等m 1 以黑龙港地区为背景，建立了两维动态规划 模型，对农业灌溉制度进行研究。相关研究结果还包括谭维炎、黄守信嘲应用随机动 态规划进行水电站水库的最优调度等，运用马尔柯夫决策过程理论建立了随机动态规 8 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 划模型。 2 3 2 多目标决策技术 多目标决策方法是从2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一种决策分析方法。决 策分析是在系统规划、设计和制造等阶段为解决当前或未来可能发生的问题，在 若干可选的方案中选择和决定最佳方案的一种分析过程。在社会经济系统的研究 控制过程中我们所面临的系统决策问题常常是多目标的。在水资源开发利用中，如 果需用几个目标，全面、公平地权衡开发方案的取舍时，所考虑的这些目标的集合，称 为多目标。城乡一体化建设中的水资源优化配置主要包括三个目标，分别为经济目标、 社会目标以及环境目标，为了使这三个目标的综合效益达到最佳状态，这就成为我们要 研究的多目标决策的问题。多目标决策问题的最终目的是为了在各个相互矛盾又不可忽 略的目标之间，得到使各个目标效益最大的解决途径。相关研究结果包括：陈守煜等1 以碧流河水库为例，建立了多阶段多目标决策的模糊优选模型。郭元裕等蚓在洞庭湖鲩 排涝规划中采用多目标优化模型。白宪台啪1 按优化目标，将整个系统分成若干个子系统， 建立多目标分解一聚合模型。还包括刘肇伟、郭宗楼刀长藤结瓜式灌溉系统优化规划 的非线性模型一文，也建立了干库容最小、灌区面积最大等的多目标优化模型。 2 3 3 大系统优化方法 有时城乡一体化建设中的水资源优化配置模型可能是一个规模较大、影响因素较多 并且结构复杂的模型，这时候我们可以选择大系统优化方法。该方法的解决途径一般为 分解一协调模型。其基本思想为：分解是先将大系统分解成相互独立的若干子系统，形 成递阶层次结构模型，再采用现有的一般优化决策方法实现各子系统的局部最优化；协 调是根据大系统的总目标，通过修改和调整，使各子系统相互协调配合，实现整个大系 统的全局最优。 唐德掣删运用大系统递阶动态规划方法对黄河流域多目标优化配水模型进行求解。 刘建民等啪1 针对京津唐地区水资源大系统供水规划和调度，建立了三级递阶模型和三层 递阶模拟模型。贺北方在河南豫西建立了区域可供水资源年优化分配的大系统逐层优 化模型。 2 3 4 交互规划方法 过去解决多目标优化问题时，多数是将多目标转化为单目标再进行求解。这样的解 决方法仍然局限于单目标求解方法，过于传统；近年来人们开始逐渐重视通过评价函数 来求解多目标极值模型。由于在实际情况下，直接构造一个表达式用于描述一个复杂的 多目标问题相当困难，因此，在实际应用中，我们需要一种不直接使用评价函数表达式， 相反采用一种入机对话的求解过程，即将分析者的求解思想和决策者的决策思想充分结 合。像这样将分析过程和决策过程分别进行，从而到达多目标问题的最优化处理就是所 谓的交互规划方法。它避免了传统方法将涉及权重的弊端，完全不涉及权重问题，但同 9 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 时也并不失去多目标优化的最终意义。交互规划方法在求解的过程中，能够根据当前所 得到的结果为决策者提供交互式的决策。方法主要包括逐步宽容约束法、权衡比替代法 以及交互式切比雪夫优化方法h 等等。 2 3 5 其它方法 这些年来，随着科学的快速发展，模糊( f u z z y ) 数学、神经网络( a n n ) 、遗传算法( g a ) 等理论、方法的开始大范围的应用，于是人们开始将这些理论、方法应用在水资源系统 中。相关理论研究成果主要包括：丁志雄、陈南祥等m 1 地下水资源系统人工神经网络 模型的建立与应用；谢乐云旧1 模糊数学在水资源价值研究中的应用；沈军、刘勇健 水资源优化配置模型参数识别的遗传算法以及冯利华1 神经网络在水资源预测 中的应用等等。这些理论研究对模糊数学、神经网络以及遗传算法等学术前沿方法在 水资源中的应用进行了不同方面的研究。 2 4 城乡一体化建设中水资源优化配置的意义及原则 2 4 1 城乡一体化建设中水资源优化配置的意义 水资源优化配置的分类方法有很多种，可以根据配置的范围、对象和规模等进行分 类，相对的可以分为城市水资源优化配置、流域水资源优化配置和区域水资源优化配置 等等。 本文要探索的主要内容是城乡一体化建设中的水资源优化配置，属于城市水资源优 化配置。所谓基于城乡一体化建设中的水资源优化配置，就是将小城镇建设和可持续发 展战略作为指导思想，运用相应的理论与技术，将城市的水资源合理的分配给全市的各 个用水部门以及农村的区域，经过合理的分配城市的水资源，使得该城市的社会、经济、 资源以及环境可以协调发展，并能实现该城市的城乡一体化发展。其研究意义在于： ( 1 ) 促进城市与农村的协调发展，提高区域城乡一体化发展的进程 城乡一体化建设中的水资源优化配置打破了以往水资源优化配置只注重城市经济 发展的局限，统筹考虑城市与农村的综合用水。考虑在城乡一体化进程中将出现的边缘 农村城市化、城市工业区转移等现象，通过协调分配城市与农村用水，提高城市与农村 的水资源利用整体效率，从而加快城乡一体化的发展。 ( 2 ) 促进社会一经济一资源一环境的协调发展 以往的水资源优化配置方法，大部分注重于经济的快速增长，因此可以称为经济增 长型的水资源优化配置方式。这种方式虽然取得了经济上的部分增长，但却因为过多的 看重经济的增长从而造成了生态破坏以及环境污染等问题，造成了严重的后果。因此， 人们开始探索社会、经济、资源、环境相互协调的最佳的发展模式。而城乡一体化建设 中的水资源优化配置就是在这个前提下开始研究的，它注重多目标优化发展，力求促进 社会、经济、资源与环境的协调发展，并在此过程中促进区域的城乡一体化发展。 1 0 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 ( 3 ) 促进水资源的合理有效利用 城乡一体化建设中水资源优化配置能够使得有限的水资源总体效益最大化，但前提 却是既没有增加供水量也没有减少需水量，这正是水资源优化配置的目的之一。能达到 该目的的主要原因是由于，城乡一体化建设中水资源优化配置以综合效益最大为目标， 通过产业结构调整，逐渐减少单耗水量大的用水部门，增加单耗小、综合效益高的用水 部门，从而使水资源得到合理有效利用。 ( 4 ) 促进水利方法的转变 城乡一体化建设中的水资源优化配置完成了水利工程措施向水利资源措施的转化， 可以称为区域缓解水资源供需矛盾的最经济、最快速的方法。同时，在对城乡一体化建 设中的水资源优化配置的研究过程中，可以探索其它水利技术手段，并将这些技术手段 逐渐应用到区域的水资源管理其它工作中，从而最终实现区域水资源管理中的工程手段 向资源手段的转化。 ( 5 ) 为其他资源的分配问题提供借鉴 对于任何有使用价值的资源来说，在使用过程中，基本都会受到量的限制，所以， 任何资源都同样存在合理利用与合理分配的问题。因此，可以将城乡一体化建设中的水 资源优化配置的模型以及计算方法，应用到其他资源的分配中去。 2 4 2 城乡一体化建设中水资源优化配置的原则 城乡一体化建设中在对水资源进行优化配置时，应考虑到以下原则： ( 1 ) 首先是公平性原则。主要是指中心区和周围郊区、农村在进行水资源分配时保证 公平公正的原则，促进各地区的平衡发展。 ( 2 ) 其次是协调性原则。主要包括不同地区、不同行业以及不同系统之间的协调分配。 ( 3 ) 再次是持续与质量兼顾原则。主要是指在进行水资源配置时，做到优水优用的同 时要考虑到水资源优化配置的最终目的是为了实现水资源可持续利用。 2 5 城乡一体化建设中水资源优化配置的总体思路 城市水资源主要包括地表水、地下水、回用水以及外调水等不同水源，在进行水资 源优化配置时，必须要清楚的了解优质水与劣质水的比例以及哪些部门、哪些行业可以 用劣质水，并要清楚的知道能消耗多少。在城市用水中，不同的水资源要用在相应的用 水部门，例如生产用水要用在工业部门，生活用水用于居民生活需要，农业用水要用在 农业部门，而环境用水要用于改善环境，所以说工业、生活、农业、环境等各个用水部 门各都需要利用水资源嗍，因此，可以说竞争用水的现象存在于各个城市。 城乡一体化建设中的水资源优化配置的研究的核心是为了达到多目标的最优化效 益。它从全局出发，进行统筹优化，通过对各个规划目标的比较，从而得出一个令人满 意的水资源供给与需求等多方面协调发展的最佳组合方案，并同时实现城市的城乡一体 化建设。城乡一体化建设中水资源优化配置的总体思路见图2 - 2 。 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 图2 - 2 区域水资源优化配置方案总体思路 f i g u r e2 - 2g e n e r a li d e ao f r e g i o n a lw a t e r 目的旧o 骼o p t i m i z a t i o na l l o c a t i o np l a n 1 2 海城市城乡一体化建设中的水资源优化配置研究 3 海城市概况及水资源现状分析 3 1 海城市概况 3 1 i 自然地理概况 ( 1 ) 地理位置 海城市位于辽宁省中南部，辽东半岛北端。东临岫岩及边城丹东，西依油城盘锦， 北与钢都鞍山和省会沈阳接壤，南临港口城市营口、大连。地理坐标介于东经1 2 2 。1 8 1 2 3 。0 8 ；北纬4 0 。2 87 - 4 1 。i 07 之间，东西长8 0 k i n ，南北宽4 4l a n ，总面积 2 7 3 2 i k m 2 ，其中市区面积1 5 6 2k m 2 。 ( 2 ) 地形与地貌 海城市地形东高西低，总的趋势为东南向西北倾斜。全市地貌可分为低山区，丘陵 区，平原区三大类型。低山区位于境内的东部与东南部，为千山山脉的延续，有较大的 山峰百余座，一般高程均在5 0 0 m 以上，其中最高峰“一棵树岭 高程为9 3 1 m 。山区 内沟谷发育，地形破碎，山势浑园，等高线5 0 m 以上的面积为1 4 4 0 k m 2 ，占总面积的 5 2 7 。高