（环境工程专业论文）分质供水水资源优化配置研究.pdf

中文摘要本课题以分质供水系统水资源配置问题为研究内容，采用系统分析优化理论，通过数学建模的方法，达到城市分质供水系统中水资源的最优分配，实现城市供水用水的可持续发展。首先，从现有供水方式的局限、饮用水标准的提高、现有供水系统的问题及节水方式和要求等角度，分别阐述了分质供水的必要性和水资源优化配置的重要意义。提出可以将二者结合起来，建立分质供水体系下的水资源配置模型。为此，笔者分别回顾了分质供水和水资源配置两方面的发展研究历史和现状，并针对现有研究存在的问题，制定了本课题研究的主要内容和具体方法。其次，利用系统分析的方法，分析了分质供水系统的结构，给出了几种典型的城市分质供水系统的型式。在明确研究对象后，利用解析结构模型法( i s m )这一结构化分析手段，研究了分质供水系统水资源配置优化的各项目标之间的复杂关系，建立了优化问题的多层结构目标体系。在目标体系的基础上，对问题进行了模型化分析，指明了所建模型的形式和内容。在建模过程中，采用统计分析法，搜集了大量工程数据，并利用软件m a t l a b对之进行了回归分析，得到了各子单元的费用模型，再利用给水工程成本函数，建立了各子单元的年成本费用模型，最后列出了各种约束条件，得到了系统总的优化配置模型。此外，对于模型求解，也通过分析比较一系列的优化解法，最终确定采用广义简约梯度法( g r g ) 。最后，引用了一个工程实例，通过对近期规划和远期规划的研究建立了分质供水系统水资源配置的两种优化模型，并利用软件l i n g o 求得了模型的解。根据对解的分析得出结论，即结果能达到满足供水要求的经济最优，从而证明本优化模型可以用于城市水资源规划，实现社会经济条件下水资源的最优配置。关键词：分质供水解析结构模型法回归分析法费用模型广义简约梯度法a b s t r a c tt h er e s e a r c hi sm a i n l ya b o u to p t i m a lc o n f i g u r a t i o no f w a t e ri nd u a lw a t e rs u p p l ys y s t e mw a t e r w i t hs y s t e ma n a l y s i st h e o r ya n dm a t h e m a t i c a lm e t h o d sa d o p t e d , i ti s& g p e c t e dt h a tc i t y 旧把fr e s o u r o e sc o n f i g u r a t i o no fd u a lw a t e rs u p p l ys y s t e mb eo p t i m a la n dc i t yw a t e rr g s 0 1 l r c e sd e v e l o p m e n tb es u s t a i n a b l e f i r s t , r e s e a r c hs t a r tw i t hw a t e rc r i s i sa n de x p l a i ni v a t e rs u p p l ym o d e sl i m i t , t h eu p g r a d i n go fd r i n k i n g1 j i ，a 由e rs t a n d a r d , t h ed e f i c i e n c yo fw a t e rs u p p l ys y s t e ma n dw a t e r 鼢v i n gm e a s u r e , w h i c hc l u r i f yt h ei m p o r t a n c eo fd u a lw a t e rs u p p l ya n dw a t e rr e s o u r c e sc o n f i g u r a t i o n t h e r e f o r e ，d e c i d et oc o m b i n ed u a lw a t e rs u p p l ya n dw a t e rr e s o u r c e sc o n f i g u r a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y a f t e rr e v i e w i n gt h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to ft h o s et w oi t e m s ，f o rs o l v i n gt h ei s s u e so fc u r r e n tr e s e a r c h , t h ec o n t e n ta n dm e t h o do f r e s e a r c ha r ec o n f i r m e d s e c o n d l y , a n a l y z e sd u a lw a t e rs u p p l ys y s t e m ss t r u c t u r ev i as y s t e ma n a l y s i s ,a n ds h o w st h r e er e p r e s e n t a t i v et y p e so fc i t yd u a lw a t e rs u p p l ys y s t e m t h e na d o r i n gi n t e r p r e t i v es t r u c t u r em o d e l c l s m ) ，m a k e sr e s e a r c ho nt h er e l a t i o no f a l lo f o p t i m a lo b j e c t i v e sf r o md u a lw a t e rs u p p l ys y s t e m sw a t e rr e s o u r c e sc o n f i g u r a t i o n , f o r m i n gt h es l 飘l c n l s y s t e mo f o p t i m a lo b j e c t i v e s t h i r d l y , m o d e la n a l y s i si sa p p l i e dt ot h eo p t i m a lp 1 0 b l e m ，w h i c hi l l u s t r a t e si t sm o d e lf o r m d u r i n gm o d e l i n g s t a t i s t i c a la n a l y s i si sa d o p t e dt oc o l l e c ta n dd e a l 、加mal o to f d a t a , b ym e a n so f m a t l a br e g r e s s i o na n a l y s i si sc o n d u c t e dt h e n , c o s tm o d e l sa l ee s t a b l i s h e d b a s e do nc o s tm o d e l s i n t e g r a t e d 埘t l lc o s tf u n c t i o nf o rw a t e rs u p p l yp r o j e c t , a n n u a lo p e r a t i o nc o s tm o d e l sf o re v e r ys u b s y s t e ma r ef o u n d e d a f t e rt h ea d d i t i o no fl i m i t a t i o n s , f m a lo p t i m i z a t i o nm o d e l sc o m ei n t ob e i n g m o r e o v e r , b yt h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e ms o l u t i o nf o ro p t i m i z a t i o nm o d e l ，g r gi sd e e m e dt ob et h em o s ta p p r o p r i a t eo n e f i n a l l y , ap r o j e c te x a m p l ei so v e n , f r o mw h i c ht w oo p t i m i z a t i o nm o d e l sa g ee s t a b l i s h e d , a n dr e s u l t sg e n e r a t eb ym e a n so fl i n g o a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t s ，i tc o m e st oac o n c l u s i o nt h a ts y s t e mg e n e r a lc o s tr e a c h e sam i n i n l u n la sw a t e rs u p p l yr e q u i r e m e n ti st o t a l l ys a t i s f i e d t h i sp r o v e st h a tt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lc a nb ea p p l i e dt 0c i t yw a t e rp r o g r a m m i n gt oa c h i e v et h eo p t i m a lc o n f i g u r a t i o no fc i t yw a t e r地s o u r c e s k e yw o r d s ：d u a lw a t f f l s u p p l y , i n t e r p r e t i v es t r u c a n em o d e l ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，c o s tm o d e l ，g r g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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎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了谢意。学位论文作者签名；自昊旧签字日期：础年f 月，日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫鲞盘茔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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。7( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：囱夏期导师签名：面日手签字日期：撕彩年月，日签字日期：o 厶年1月n 日第一章绪论1 1 水资源优化配置第一章绪论1 1 1 水资源危机水是人类赖以生存和发展的宝贵自然资源，是地球环境的重要组成部分。全球水资源总量尽管非常丰富。但其中海洋占了9 7 5 繇，丽在余下2 5 的淡水中又有8 7 为人类难以利用的冰川，真正可以直接利用的淡水资源极其有限。水资源在时空分布上也有很大不均，给水资源利用带来了很大不便。同时，随着人口和经济的增长，水资源的需求量不断增加，水环境又不断恶化，水资源短缺已经成为全球性问题。联合国在1 9 9 7 年对世界淡水资源的全面评价报告中指出：“缺水问题将严重制约2 1 世纪经济和社会发展，并可能导致国家间的冲突。”我国的水资源相对比较丰富，总量约为2 8 亿m 3 ，居世界第六位，但由于人口众多，人均水资源占有量只有2 4 0 0 m 3 ( 以1 2 亿计) ，仅为世界人均占有量的1 4 。而且，由于受大气环流、海陆位置及地形地貌等因素的影响，我国水资源分布很不均匀。一方面是时间分布不均，夏秋多，冬春少，每年7 、8 月的水资源占全年总量的8 0 ：另一方面是空间分布不均，东多西少，南多北少，长江珠江流域降水充沛，黄河淮河流域则十分短缺，甚至会出现断流。随着降水量逐年减少，江河湖水开发难度加大，水资源的总体形势十分严峻，水资源短缺问题会更加突出。与此同时，随着人口的不断增长，人类活动范围的不断扩大，工农业生产规模的不断发展，天然水体受到了不同程度的污染，水环境中的污染物日益增多，污染物成分越来越复杂，原本匮乏的水资源也更紧张，造成了与水资源短缺同样严重的水质型缺水。2 0 世纪7 0 年代，我国日排污量为3 0 0 0 - - - 4 0 0 0 万吨，8 0 年代达到7 5 0 0 万吨，目前已超过1 亿万吨，其中8 0 以上未经任何处理直接排入水域，使河流、湖泊、水库遭受不同程度的污染。据中国环境状况公报，2 0 0 2 年度海河、辽河、淮河、黄河、松花江、长江和珠江七大水系的7 5 2 个重点断面中，i 、m 类水质占2 9 5 ，类水质占1 7 7 ，v 类和劣v 类水质占5 2 8 。公报还对全国湖泊进行第一章绪论了检测，结果显示，全国湖泊达到富营养化水体的已占6 6 ，巢湖、太湖、滇池、洱海等主要湖泊氮，磷污染较重，直接导致蓝藻日益泛滥。地下水水质也不容乐观。根据2 0 0 3 年我国地下水资源评价与战略问题研究显示，有6 3 的地下水可直接饮用，1 7 经适当处理可以饮用，1 2 不适合饮用只可作为工业供水水源，还有8 的地下水需要经过专门处理才能利用。其中三氮污染、矿化度和总硬度超标、铁锰超标较为突出，迄今全国仍有7 0 0 0 多万人在饮用不符合饮用永水质标准的地下水“。与上述问题相对应的是，随着人i z l 的增长和城市的高度集中发展，用水量在迅速增加，给水资源的需求带来了巨大的压力。而目前我国水资源管理无序、用水粗放等现象，也加剧了水资源危机。据2 0 0 1 年资料，全国6 4 0 个城市中缺水城市达3 0 0 多个，其中严重缺水的城市1 1 4 个，1 3 缺水1 6 0 0 万吨，每年因缺水造成的直接经济损失达2 3 0 0 亿元，全国每年因缺水少产粮食7 0 0 _ - 8 0 0 亿公斤。据预测，在充分考虑节约用水的前提下，2 0 1 0 年，全国总需水量将达6 4 0 0 - - - 6 7 0 0亿m 3 ；2 0 3 0 年，随着人口增长到1 6 亿，全国总需水量将达8 0 0 0 亿m 3 ，需要在现有供水能力上新增2 4 0 0 亿m 3 ，任务将非常艰斟”。水资源问题的出现严重制约了社会发展。首先，水资源危机使得本已十分脆弱的生态环境进一步恶化，天然植被的大量消亡、河湖萎缩、土地沙漠化等问题的出现，已经危及到人类的生存和发展；其次，水资源短缺威胁到了粮食安全，每年造成的粮食减产量达2 5 0 万吨；第三，水资源危机给国民经济带来了重大损失，全国每年因缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 亿元。综上所述，中国水资源形势严峻，在水资源开发利用上的突破和在管理体制上的改革已迫在眉睫。1 1 2 分质供水的必要性1 1 2 1 供水方式的局限面对这样严峻的现实，为了解决城市供水问题，除了大规模调水外，更重要的是节约用水，控制水污染，并合理利用水资源。发达国家在这方面主要是通过水的再利用来实现的。欧洲1 5 国1 9 8 0 年和1 9 9 1 年的家庭人均日生活水量分别平均为1 5 4 l 和1 6 1 l ，平均年递增0 9 1 “1 。其中增长的水量很大一部分只需要第一章绪论低质水，包括冲厕、绿化、消防和景观用水等等。而在我国长期以来，城市供水系统都采用统一给水方式，即不管什么用途都按标准饮用水来供给。在过去经济不发达时期，用水量不大、用途种类单一的情况下，采用这种方法还是可行的。可如今，优质水资源十分紧张，而水用途日趋多样化的情况下，仍然采用统一供永方式，就是对水资源的极大浪费，也是对人力、物力与能量的浪费。全面实旅分质供水，从根本上改变现在这种不分用途、单一水质供水的模式，按照用途的不同，提供不同水质标准的用水，才能合理利用有限的水资源，在现有水资源严重不足的条件下，确保社会的可持续发展。1 1 2 2 饮用水卫生标准的提高我国现行的自来水水质国家标准，是1 9 8 5 年8 月1 6 日由卫生部批准并发布的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 。标准中包括了3 5 项水质指标，其中有机污染指标只有7 项，该标准与发达国家的饮用水水质标准还有相当的差距，在随后的2 0 年内也未做任何修订脚。而在此期间，世界卫生组织( 骄l o ) 和美国的饮水水质规定却发生了两大变化趋势：( 1 ) 规定限值的化学物质数量迅速增加。现行的世界卫生组织饮水水质准则( 第三版) 比1 9 8 4 年版中有机物的指标数量增加了6 倍，农药的指标增加了3 倍，消毒剂及其副产物指标增加了8 倍，水质指标的总数量达到1 6 9 项“1 。2 0 0 2 年版的美国一级饮水水质规定和二级饮水水质规定比1 9 7 7 年版中有机物的指标数量增加了2 8 倍，农药的指标增加了4 倍，消毒剂及其副产物指标增加了1 l 倍，水质指标的总数量达到1 0 7 项嘲。( 2 ) 指标的限值更加严格。随着科学研究的深入，为制定化学物质的限值提供了更充分的依据。例如水中铅对儿童智力发育的影响，使得饮水中铅的限值不断降低，美国的限值从1 9 7 7 年的0 0 5 m g l 降至0 0 1 5 m g l ，w h o 的限值也从1 9 8 4 年的0 0 5 m g l 降至0 o l m g l 。美国对镉的限值从0 0 1 m g l 降至0 0 0 5 m g l ，而鞠o 从0 0 0 5 m g l 降至0 0 0 3 m g l 。实际上，我国的水质污染也相当严重，对人们身体健康构成了极大的威胁。而随着物质生活水平的提高，人们开始对生活质量提出更高的要求，首当其冲的饮用永环境必须改善。尤其是2 0 0 3 年s a r s 疫情的出现，使人们对水的卫生学指标越加重视。原有的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - - 8 5 ) 中的3 5 项水质指标第一章结论已明显不能满足人们对饮用水水质的要求。于是，建设部1 9 9 3 年发布了城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划，提出了饮用水应能够全面达到一类水司的8 8 项水质指标，这8 8 项水质指标中就包括了农药、有机氯、多环芳烃等当今世界上关心的有毒有害有机物。卫生部于2 0 0 1 年正式发布了生活饮用水水质卫生规范研，包括的项目由生活饮用水卫生标准中规定的3 5 项增加到9 6 项，所增的项目绝大部分等同采用了世界卫生组织饮水水质准则中规定的项目和限值，同时参考了美国、日本、欧盟等国家和地区的饮水水质标准。为规范分质供水的水质，建设部于2 0 0 0 年3 月颁布了行业标准饮用净水水质标准( c j 9 4 1 9 9 9 ) 。饮用净水水质标准是根据生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 与正在报批的修改稿，并参考了城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划中提出的一类水司要求达到的规划水质目标制定的啪。在饮用净水的3 9项指标中，除浊度采用一类水司目标值i n t l 外，并对下列项目做了相应调整和明确：( 1 ) 根据饮用净水对更高的观感与口感的要求调整为：色度5 度；总硬度3 0 0 r a gc a c o j l ，铁0 2 m g l ，锰0 0 5 m g l ，硫酸盐1 0 0 m g l ，氯化物1 0 0 m g l ，硝酸盐1 0 m g l ，溶解性总固体5 0 0 m g l 。( 2 ) 根据近年来各国水质标准与研究的发展，砷的致癌作用己被肯定，参照世界卫生组织( w h 0 ) 标准，将砷定为0 0 1 m g l 。铅是种有害无益的元素，而且没有阈值，将铅定为0 0 1 m g l 。( 3 ) 将现有生活饮用水水质中的有机物指标做为饮用净水水质指标，但提出了更高的要求。调整后的指标为：阴离子合成洗涤剂0 2 m g l ，氯仿3 0 i lg u ，四氯化碳2 l ig l ，滴滴涕0 5 ug l ，六六六2 5 pg l 。( 4 ) 高锰酸钾耗氧量和t o c 是代表有机物的综合性指标，规定饮用净水的高锰酸钾耗氧量 2 m g l ，t o c 4 m g l 。( 5 ) 细菌总数改为5 0 c f u i n l ；总大肠菌群为0 c f u 1 0 0 m l ，不再用3 个l 表示；粪大肠菌群为0 c f u 1 0 0 l i i l 。饮用水水质标准的提高，对自来水的生产提出了更高的要求，保证了饮用水的安全与健康。但是，单一的供水模式，不管是饮用，杂用、冲厕、市政、绿化还是工业使用，在工业使用中也不分用途，都按照保证饮用的水质标准供水。这第一章绪论显然是不科学也是不合理的，既是对水资源的浪费，也是对人力、物力、能源等城市资源的浪费。合理的城市供水系统，应该对人体所需的饮用水，进一步提高水质，满足优质饮用水的要求；对水质要求不是太高的用水，可适当降低用水的水质标准，以实现“水尽其用”。1 1 2 3 供水系统的问题我国现有的供水系统也存在着诸多方面的问题，第一，工业废水、生活污水的大量排放及酸雾、酸雨的影响，使受纳水体有机污染加剧，有毒有害物质严重超标，增加了水处理难度；第二，目前我国水处理工艺多为沉淀、过滤等常规方法，很难将污染物质去除，而由于经济条件的限制，深度处理工艺普及尚有较大的难度；第三，我国绝大部分城市管网陈旧，锈蚀、渗漏现象严重，二次供水设施维护不当，二次污染控制不力，导致微生物、病菌等再度繁殖，增加用水隐患；第四，水的不同用处对水质的要求差别很大，如电子工业中的高纯水、直接饮用的矿泉水、冲洗厕所及绿化使用的市政用水等。而利用分质供水的契机，可以改善现有供水系统，提高用水安全和效率嘲。总之，目前在我国实行分质供水不但可以缓解供水紧张和环境污染的恶果，而且还可以合理调配、优化使用水资源，达到可持续发展，提高人们生活水平和健康水平，促进社会经济稳定快速发展的目的。因此，对分质供水及其系统进行深入研究是有必要的。1 1 3 水资源优化配置要解决水资源短缺情况下的用水紧张局面，必须从开源和节流两个方面来进行研究。从开源来说，应该涉及整个水资源系统的供水、用水以及排水各个环节，分质供水是重要的研究方向。在节约用水上，除了控制总体用水需求外，提高城市用水效率，进行水资源优化配置则是主要途径。水资源优化配置是指，依据可持续发展的要求，通过工程和非工程措施，调节水资源的时空分布，兼顾当前利益与长远利益，采用系统方法、决策理论和计算机技术，统一调配当地各类水资源，协调好各地区及各用水部门之间的利益矛盾，尽可能提高区域整体的用水效率，促进水资源的可持续利用和区域的可触续发展“”第一章绪论一方面，有限的水资源与不断增加的需水量之间的矛盾，迫切要求在水资源配置上提出新思路，以实现有限水资源最大社会和经济效益的目的；另一方面，水资源的短缺，使得不同用水行业、用水部门、用水地区之间产生了一定的竞争关系，而对此不同的解决方案会导致不同的社会效益和经济效益，这就为选择最佳的配水方案提供了前提。这两个原因是实施水资源优化配置的必要条件，也是研究的意义所在。在水资源优化配置中，协调各项竞争性用水，并利用工程措施改变水资源的天然时空分布是其重要功能，研究内容涉及水资源供需平衡分析、经济评价、水量分配以及目标决策等多个方面。而如果仅仅是从单一水质的水资源入手，按照传统的供水、用水、排水体系去分析，显然无法真正实现有限水资源下的综合利益最大化，不能达到水资源的优化配置。分质供水理论中包含了自来水，地下水、优质饮用水、中水、海水等各类水质，不仅改变了传统的供水体系，而且将供水、用水和排水有机地融为了一体，综合考虑，为水资源优化配置的实现和相关理论的深入发展提供了重要的基础。而分质供水本身系统的复杂性和多样性，也增加了供水规划的研究难度，借助水资源优化配置进行系统分析和规划决策显得更为迫切和必要。正是缘于分质供水和水资源优化配置互为依托的关系，本文将二者结合起来研究，建立分质供水体系下的水资源配置模型，为城市水资源配置分析和分质供水规划提供一定的参考帮助。1 2 分质供水与水资源配置研究现状1 2 1 分质供水的提出与发展按不同水质供给不同用途的供水方式称为分质供水。分质供水在发达国家已有较长的历史。鉴于水资源紧缺现象的加剧和饮用水水质标准的提高，分质供水的行动正在逐步扩大。美国自来水厂协会下属的分质供水分会于1 9 8 3 年提交了一份分质供水指南，以总结国际上现有的分质供水经验，并期望以此为起点，为建立全美统一的分质供水规范提供基础。分质供水指南中对有关术语的定义为：“可饮用水”是指符合联邦与州第一章绪论政府水质标准，用于饮用、烹调与清洗的水；“非饮用水”是指人类偶然消费不致造成危害，用于非饮用用途的水。美国自来水厂协会表示由其向居民家庭提供的所有生活用水，直至用户的每一只水龙头，都是可饮用的：非饮用水在户内只用于冲洗厕所o ”。具体说来，各发达国家的分质供水系统又各有特点。美国主要建立饮用水与非饮用水的双管道二元供水系统。非饮用水的水源有两类：一类是未经处理或稍加处理的地表水及水质较差的地下水，另一类是废水经过处理后达到一定标准的回用水，主要用做农业灌溉、工业冷却、景观用水、浇洒绿地及冲厕、洗车等。目前，美国至少有十余个城市已建成分质供水系统。日本是城市分质供水实施叫系统化、范围较广、规模较大而且类型较多的国家。主要城市采用的是三种供水系统：生活用水、工业用水及杂用水，分别由上水道、工业水道及杂用水道输送，供给不同等级的水。杂用水主要是指城市污水或生活污水经处理后达到一定的水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水，有时也包括部分未经处理的河水及雨水。它主要用于冲厕、道路洒水、冷却水、园林浇灌、水景补给及消防用水。欧洲的分质供水系统自1 伊世纪末就开始出现了以法国巴黎为例厂有饮用水和非饮用水两套供水系统。非饮用水主要用于冲洗下水道、道路和人行道，公园和庭院的浇灌以及工业生产，水源主要是塞纳河水和维莱特水库的蓄水。非饮用水系统通常是区域性的，设立非饮用水系统的着眼点在于节约水资源及降低处理费用嘲。对于生活饮用水和杂用水实行分质供水是在上世纪8 0 年代以后发展起来的，国内主要有青岛的城市污水回用系统“”、北京高碑店污水处理厂深度处理工程m 、大连市污水再利用工程旧等，它们均是利用城市污水进行处理达到再生回用的标准，再通过管网或河道输送，作为工业用水、园林绿化灌溉、道路喷洒、河流整治及冲厕等。在一些沿海城市，杂用水则可以利用海水为水源，天津市塘沽区就建立了海水和淡水两套供水系统，淡水供饮用，海水则主要用于工业冷却和冲厕，青岛市也在工厂中大量直接利用海水进行工业冷却，香港已经有了完善的海水冲厕体系【i o近年来，优质饮用水工程成为了分质供水的一个新热点。由于国外的生活用第一章绪论水水质标准相对较高，主体供水系统的出水一般都可以达到直接饮用的标准，因此分质供水不涉及专用的饮用水系统。而在国内，自来水并不能直接饮用，现在的优质饮用水工程是在自来水的基础上，在小区内设立优质饮用水处理站，将其中供饮用的部分进一步处理后，通过专用管路输送给住户直接饮用。目前，国内已有相当数量的城市小区优质饮用水工程投入运营，有的正在设计或施工中，如上海的浦东锦华小区饮用水工程“”、深圳梅林一村试点工程“”等。随着经济的发展，城市整体分质供水的条件也逐步成熟，广州市南部供水工程于2 0 0 4 年年底完工，已经有1 0 万人可以喝上优质饮用水，由于其成本远低于小区供水成本，发展前景广阔。1 2 2 水资源配置的研究情况人类对水资源的研究历史悠久，从公元前3 0 0 0 千年埃及人在尼罗河首设水尺观察水位涨落，并筑堤开渠开始，到1 9 世纪末2 0 世纪初近代意义的大坝水库在世界众多河流上纷纷筑造为止，无不是人类不断探索、不懈努力的结晶。然而。在这数千年的漫长发展中，由于水资源开发利用以单用途单目标为主，研究有很大的局限性。随着水科学的进一步发展和决策科学的兴起，水资源综合利用的思想开始萌芽。最早综述水资源的开发、利用和保护问题的著作之一是美国总统水资源政策委员会1 9 5 0 年的报告。这个报告推动了行政管理部门进一步调查研究，同时引起了一些大学着手研究这一课题的极大兴趣。1 9 5 5 年，哈佛大学开始制定一个水资源大纲。该大纲的目的是要为规划和设计复杂的现代水资源系统研究一种方法学。研究这种方法学的目的在于：首先，要能够初步筛选系统的有关方案，以便鉴定出适宜于进一步分析的有前途的方案；其次，要详细分析这些系统方案，以得出一个或几个最优设计。而此时，数学模型已经逐步形成，尤其是解析模型和计算机模拟模型，可以用来进行初步筛选和详细分析。与此同时，加利福尼亚大学的许多研究人员完全独立地开始了水资源系统最优化配置问题的研究。在研究中，他们首次引入了动态规划法，取得了重要的成果。这种方法也成为了水资源工程常用的最优化方法之一。从1 9 5 9年开始，科罗拉多的几所大学每年都组织年会，讨论自然资源的开发的问题，而以水资源问题为重点。在随后的几年间，会议讨论了需水量估算、水务管理、水第一章绪论资源分配、经济分析、评价问题、水资源保护等诸多方面。在借助了相关学科快速发展的优势下，水资源问题的研究工作越来越成熟和系统“町。城市供水系统是水资源系统的主要组成部分，对它的研究是从2 0 世纪5 0 年代末期开始的，初期的研究内容主要是水的分配和调度问题，采用的是单目标优化模型，以经济效益或费用为目标，进行线性规划和动态规划。进入6 0 年代，模拟技术开始广泛应用，运用优化和模拟相结合的方法，一些原来难于用数学规划求解的复杂供水系统的规划问题可以得到满意解。随着城市水资源供需矛盾尖锐，城市供水模型的研究已引起世界各国学者的普遍重视。英国伦敦、法国巴黎、日本东京、澳大利亚墨尔本等许多城市的供水问题，都先后用系统分析的方法进行了研究。国内研究城市供水问题是从2 0 世纪8 0 年代开始的，最初侧重于单一供水系统，研究方法以传统数学理论和经验模型为主，自从系统分析和最优化技术引入我国以后，对于区域供水研究逐步深入，目前已经取得了一定的研究成果。例如，天津市水资源合理分配的研究和引滦入津工程最优调水策略的研究，北京市水资源系统分析及数学模型研究，山西省大同市能源基地水资源数学模型的研究，苏南地区区域供水问题的研究，江苏省南通市区域性供水规划和实践等。随着分析研究的逐步展开，城市供水分配的理论也日益完善，开始在城市供水规划中得到实际应用，并取得了相当好的社会和经济效益“”。1 2 3 研究中存在的问题作为一项全新的研究课题，分质供水系统的水资源配置研究需要借助分质供水和水资源配置两方面的研究成果来完成，但是，由于研究方法和研究方向的局限性，现有的研究仍存在不少问题。从分质供水来说，尽管发展了已有半个世纪，但国内对分质供水的研究尚处于起步阶段，仍然集中在分质供水的种类、可行性、工艺选择、工程规划、管理模式等方面。例如，长沙、宁波、沈阳、济南等城市从分质供水的经济性、处理工艺等角度探讨其实施的可行性忡嘲；也有学者从深圳、上海等地小区分质供水的实际运行中进行系统规模、供水范围、用水定额以及卫生学调查方面的研究“州嘲1 。而在城市分质供水的经济运行方面，研究资料很少。国际上早期的研究主要集中于分质供水水质处理的探讨及技术的开发应用。现在，对分质供水的系第一章绪论统分析和优化逐步展开。如1 9 9 2 年美国学者提出了区域分质供水系统实时运行的非线性优化模型“；1 9 9 6 年有学者研究了优化设计多水质供水系统的框架结构嘲。这些研究虽有一定借鉴作用，但由于受地区差异影响较大，供水模式也各不相同，很难直接用于国内的优化设计。比之分质供水，对于水资源优化配置的研究要更加系统，更为深入。现在，国内的研究主要是利用系统分析和最优化技术，建立数学模型，通过模型求解确定优化方案，尤其在大型供水系统和多目标规划模型两方面研究逐步深入。国外的水资源配置研究倾向于融入城市水资源管理研究中，利用计算机语言建立区域水系统的综合模型，依靠精确的监测手段优化配置水资源。首先，研究对象单一，缺乏可持续发展的思想。或是分析供水系统，或是研究区域用水，对供水、用水、排水的一体化研究较少，忽略了水资源综合利用的实质。其次，系统分析中的最优化技术和目标规划方法都取得了很大的发展，模型及其解法研究也在不断深入，如何把这些新的研究工具更好的应用到实际分析中，拓宽问题的深度和广度，是一个重要的问题。第三，现有研究模型适应性不强。不管是模拟模型还是数学模型，国内还是国外，由于建立模型的方法不同，模型中选用的参量各不相同，目标与约束条件也相应有多种形式，所以，多数模型的适用范围较窄，难以在实际中普遍推广。总之，在分质供水系统水资源优化配置研究中，依靠先进的数学方法、系统手段和计算机技术解决好上述问题是研究的重要部分，对于分质供水和水资源配置研究的有机结合有很大帮助。1 3 课题研究内容和方法1 3 1 研究内容分质供水系统的水资源优化配置是本论文的研究课题。它既包括规划问题，即确定分质供水系统的具体形式和结构及水资源的开发方式，也包括设计问题，即如何合理地找到最佳配水方案，并确定相应的系统各部分的最优规模。由于这些问题都是从供水和用水的矛盾中提出来的，具有多用户、多水源、多部件、多第一章绪论决策的复杂性。因此从整个系统的观点考虑，认识和研究这些矛盾是解决问题的主要部分具体地说，研究的主要步骤如下：( 1 ) 从分质供水概念入手，分析分质供水系统的结构，研究各子系统之间的相互关系；( 2 ) 明确问题的目的要求，确定分质供水系统水资源优化配置的目标体系，并将其转化为设计准则，建立目标函数系；( 3 ) 比较分质供水系统与原有供水系统，建立新增供水配水设施和输水管网的费用函数模型；( 4 ) 找出分质供水系统水资源配置中的各种约束，构造系统数学模型；( 5 ) 建立分质供水系统水资源优化模型，并寻求最优算法求解。1 3 2 研究方法在本课题研究中，分质供水系统的复杂性决定了传统的边际分析方法不能满足研究要求，而利用系统观点分析问题是十分必需的。因此，研究将以系统分析和优化技术为主，并借鉴其它学科的新发展，辅以经济分析、数学建模、计算机软件技术等手段，以求完善分质供水系统水资源配置优化研究体系，提高研究结果的适应性和准确性。其主要研究方法如下：( 1 ) 利用系统工程理论中的解释结构分析法研究分质供水系统内部各子系统的关系，借此建立问题的目标体系；( 2 ) 采用统计分析法，大量搜集工程建设费用和运行费用，并通过线性拟合和非线性拟合方法建立分质供水系统费用函数；( 3 ) 结合经济分析手段，在费用函数上构建优化模型的目标函数，并分析系统结构列出约束条件，从而最终建立模型；( 4 ) 借助m a t l a b 、l i n g o 等软件求解分质供水优化模型。第二章分质供水系统分析第二章分质供水系统分析2 1 系统分析的基本理论2 1 1 系统的基本概念从自然界到人类社会存在着各种各样的系统，如宇宙中的天体系统，地球上的生态系统，社会生活中的商业系统、交通系统等等。尽管不同系统的组成和功能各异，但若抛开它们的具体物质组成、运动形态和功能，从整体和部分之间的相互关系与作用来看，则它们都是由若干个部分或要素，以定的结构相互联系而成的有机整体，并具有各组成部分本身所不具有的新的整体功能。因此，虽然各学科对系统的定义不完全统一，但基本可以归纳为：系统是指若干个可以相互区别、相互依存、相互联系与作用的要素( 或部分) 所组成，具有某种特定结构和功能，处在一定的环境中，以达到某种预定目标的有机整体。2 1 2 系统分析的基本概念系统分析( s y s t e ma n a l y s i s ) 词是由美国兰德咨询公司首先使用的，他们为解决复杂问题，发展并总结出一套方法和步骤，称之为系统分析。采用这种方法研制的规划计划预算系统首先在美国国防部应用，随后推广到联邦其它部门，并陆续被民间机构采用。随着系统分析在各个领域和各类问题中的研究和应用，由于专业内容不同，应用系统思想和方法侧重不同，以及经验不一样，对系统分析的涵义产生了不尽一致的看法。系统分析的狭义解释是系统工程的一个步骤，它是用系统工程的方法来分析和解决问题初始阶段的有关任务，为随后的系统设计、评价和优化、决策实施提供重要基础。广义的解释是把系统分析作为系统工程各类方法特别是定量方法的总称，即，系统分析是从系统论的概念和思想出发，采用各种分析方法和手段，对研究的事物进行定性和定量分析、协调和综合，求得系统整体最优或最满意的解决方法。本课题中采用广义解释啪。系统分析的基本要素有”1 ：第二章分质供水系统分析( 1 ) 目标系统所期望达到的目标或对系统的整体要求是建立系统的根据，也是系统分析的出发点。( 2 ) 方案方案是试图实现系统目标的途径与方法。应该考虑和提出多种替代方案供进一步分析和比较，没有足够数量的方案也就不存在优化。( 3 ) 费用和效益费用是指一个方案为实现系统目标所耗费的全部资源，一般用货币表示。效益是指达到目标所取得的成果，一般也可折合成货币形式表示。( 4 ) 模型模型是建立在对系统本质抽象的基础上的，是方案的某种表达形式。通过模型可以对各方案进行模拟、分析和计算，以预测各种替代方案的性能、费用、效益等情况。使用模型是系统分析的基本特征。( 5 ) 评价准则准则是系统目标的具体指标，用以度量系统效能，评估各替代方案的优劣顺序。( 6 ) 结论将分析研究成果用决策者容易理解的语句，归纳为详略恰当的结论。( 7 ) 建议根据分析结果提出理由充分的有关行动的科学建议。系统分析的一般步骤归纳如下汹1 ：( 1 ) 明确问题与确定目标当一个有待研究分析的问题确定以后，首先将问题做有系统的合乎逻辑的阐述，其目的在于确定目标，说明问题的重点和范围，以便进行分析研究。( 2 ) 搜集资料，探索可行方案在问题明确以后，就要拟定解决问题的大纲和决定分析方法，然后依据已搜集的有关资料找出其中的相互关系，寻求解决问题的各种可行方案。( 3 ) 建立模型为便于对各种可行方案进行分析，应建立各种模型，借助模型预测每一个方第二章分质供水系统分析案可能产生的结果，并根据其结果定性或定量分析各方案的优劣与价值。( 4 ) 综合评价利用模型和其他资料所获得的结果，将各种方案进行定性与定量相结合的综合分析，显示出每一种方案的利弊得失和效益成本，同时考虑各种有关的无形因素，以获得对所有可行方案的综合评价和结论。( 5 ) 检验和核实以试验、抽样、试运行等方式检验所得到的结论，提出应该采取的最佳方案。2 2 分质供水系统概要分析2 2 1 分质供水的基本概念2 211 分质供水的水质分类( 1 ) 自来水以地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中规定的类水体或优于m 类水体的水为原水，经过自来水厂常规净化处理后，通过供水设施和管网输送给用户的生活和工业用水。，( 2 ) 优质饮用水以自来水为原水，经过深度净化后去除水中的有机和无机污染物、细菌、病毒以及其它有害物质，保留对人体有益的常量和微量元素以及适当的矿物质，通过采用优质管材的循环管路供给居民直接饮用，也可以用于洗浴和厨用等。( 3 ) 再生水以居民生活排水或城市污水厂的二级出水为原水，经适当处理后，通过专用管道或河道供农业灌溉、景观和绿化、工业冷却及冲厕用水。( 4 ) 海水将海水净化后，通过专用的防腐管道输送用于工业冷却或输送给居民用于冲厕；海水脱盐后，也可以供人们饮用。2 2 1 2 分质供水的技术工艺( 1 ) 优质饮用水第二章分质供水系统分析目前，优质饮用水系统所采用的处理技术及设备都已经成熟，可以满足优质饮用水的工艺要求。优质饮用水处理技术通常有水质预处理、机械过滤、活性炭吸附、臭氧一活性炭、离子交换、反渗透、超滤和纳滤以及臭氧和紫外线消毒等技术单元，可以针对不同的原水水质实行不同工艺的组合伽。( 2 ) 再生水再生水处理多是采用膜生物反应器( 船r ) 处理技术，出水水质可以满足城市污水再生利用标准；也有采用活性炭或反渗透技术进行深度处理，从而达到更高标准的回用要求。( 3 ) 海水海水利用多是替代淡水直接作为工业用水或生活杂用水，其中用量最大的是工业冷却水，其次是洗涤、除尘、冲灰等；海水淡化多是采用多级闪蒸或反渗透工艺，主要供锅炉使用，也可以作为饮用水。海水利用的技术关键是解决海水取水、净化、杀菌灭藻、防腐、防垢和防海生物附着以及降低能耗等问题b 0 。42 2 2 分质供水系统的概念及其结构分质供水是按用途不同提供不同水质的用水。分质供水系统就是为了达到分质供水的目标所构建的，由相互联系、相互制约、相互作用的若干水资源工程单元所组成的一种水资源系统。由于分质供水概念突破了原有的供水、排水、水处理之间的界限，分质供水系统已不能单纯地视为供水系统的一种形式，而是结构更为复杂庞大的一种水资源综合利用系统。分质供水系统的形式随供水水质、用水对象的不同而多种多样，但其基本结构都遵循以下模式，见图2 - 1 。2 2 3 分质供水系统结构分析。o从图2 1 上看，该系统主要由供水系统、用水系统、排水系统、处理及回用系统四大部分组成。以系统的功能来看，按不同水质、水量需求安全功能应是分质供水系统的基本目标。因此，水资源供需平衡依然是分质供水系统的主要矛盾，供水系统和用水系统是系统分析的重点。第二章分质供水系统分析r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一；i 面一茵一茵面j 图2 - 1 分质供水系统基本结构图2 2 3 1 供水系统分析在分质供水系统中，供水子系统的作用等同于传统的单一供水系统，受其功能影响，它一般具备以下特点：供水要求连续，不允许间断；供水可靠性要求高，对某些特殊行业，即时特殊年份也不允许断水；供水的水质要求满足各部门的标准；供水系统服务范围包括生产、生活、消防、旅游等多项功能及经济目标、社会目标、环境目标等多项目标，需要相互协调。在供水系统中，可供水量是水资源平衡的一个重要参量。可供水量是指在不同水平年、不同保证率下，各种工程设施考虑用水需要可能提供的最大水量。它不同于工程的最大供水能力，也不同于工程的实际供水量。可供水量的概念反映了供水和需水的统一。影响可供水量的因素很多，主要有以下几方面：水资源条件水资源量及时空分布变化都影响着可供水量的大小。水资源越多，可供永量越大，反之越小。用水条件不同年份的用水结构、分布、要求和规模等各不相同，同时，合理用水等因素也影响着可供水量的大小。水质条件不同部门