（环境工程专业论文）吴堡工业园多水源取水流量优化配置的研究.pdf

摘要 论文题目：吴堡工业园多水源取水流量优化配置的研究 学科专业：环境工程 作者姓名：耿楠 指导教炳! 、党志良教授 、 一- 摘要 作者签 导师签 1 8 1 5 5 1 l l i y 2 1 1 耋旌名z 彳副生 工业园区的水资源优化配置是响应园区供水需求，保证园区社会经济可持续发展的 重要研究课题。针对陕西北部吴堡工业园区地处黄土高原沟壑区，区域经济发展落后， 供水水源地沿黄河右岸依次排丌绵延数十公罩分散布局，采用地下水丌采方式难度大、 输水距离长、取水成本高等特点，研究吴堡工业园多水源取水流量的优化配置，对于降 低水资源取水成本，提高水资源联合调度的效率与效能，减少输水系统的投资费用，都 具有重要的理论意义和现实意义。 ( 1 ) 针对吴堡工业园区的发展需求以及用水特点，采用定额法全面的预测了园区的 需水量，并对园区可供水量及需水量进行了平衡计算与分析，明确了园区的供水任务与 供水规模。 ( 2 ) 在调研和学习国内外输水系统流量优化分配研究成果的基础上，针对吴堡山地 工业园区的地形特点，构建了流量优化分配模型，从宏观层面上定性研究了流量分配、 供水水源位置及其与汇水点的距离对输水费用的影响。 ( 3 ) 以年费用折算值最小为目标函数，以流量为决策变量，有效选取参数取值。通 过多水源节点互连构建虚环管网，建立了吴堡工业园区多水源取水流量的优化配置模型 和流量变化与费用的相关关系。 ( 4 ) 通过工程实例的应用分析和计算，说明了吴堡工业园区多水源取水流量的优化 配置模型在节省投资和费用的同时，得出的各水源地水源点取水量的量化值是合理可信 的。其研究结果不仅为吴堡工业园区多水源取水流量的优化配置提供科学依据，也可为 同类问题的研究提供参考。 关键词：吴堡工业园多水源取水流量优化配置遗传算法 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h er e s e a r c ho nf l o wo p t i m i z a t i o nd i s t r i b u t i o no f t h em u l t i s o u r c ew a t e rs u p p l y f o rw u b ui ni n d u s t r y p a r k m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n i n e e r i n g n a m e = g e n gn a n s u p e r v i s o r = p r o f z h i l i a n gd a n g a b s t r a c t s i g n a t u s i g n a t u w a t e rr e s o u r c e so p t i m a la l l o c a t i o ni ni n d u s t r yp a r ki sai m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti n r e s p o n s et ow a t e rs u p p l yd e m a n di ni n d u s t r yp a r k ，g u a r a n t e e i n gt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o fs o c i a la n de c o n o m i c t h ew u b ui n d u s t r yp a r ki nt h en o r t ho fs h a n x ip r o v i n c ei sl o c a t e di n g u l l yr e g i o n o ft h e l o e s s p l a t e a u ，a n d t h e r e g i o n a l e c o n o m i c d e v e l o p m e n tl a g b e h i n d m e a n w h i l e ，a l o n gt h ey e l l o wr i v e r , w a t e rs u p p l yw a t e rs o u r c es t r e c hi nt u md o z e n so f m i l e ss c a t t e r e d l yi nt h eb a n kl i n e d ，s ot h a ti ti sd i f f i c u l t yt oe x p l o i tt h eg r o u n d w a t e r , s h o r t e nt h e w a t e rd e l i v e r yd i s t a n c e ，a n dr e d u c et h ec o s to fw a t e rs u p p l y i nt h a tc a s e ，t h es t u d yo nt h e w a t e rr e s o u r c e so p t i m a la l l o c a t i o no fm u l t i s o u r c ew a t e rs u p p l yf l o w i n gf o rw u b ui n d u s t r y p a r kh a st h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ef o rs h o r t e n i n gt h ew a t e rd e l i v e r y c o s t ，i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h eu n i t e do p e r a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa n dp e r f o r m a n c e ，a n d r e d u c i n gt h ei n v e s t m e n tc o s to fw a t e rd e l i v e r ys y s t e m t h em a i nr e s e a r c hi sg e n e r a l l ya b o u tf o u rp a r tg i v e nb e l o w ： ( 1 ) t h i sa r t i c l ef o r e c a s t st h ew a t e rr e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a lp a r kb yu s i n gq u o t a m e t h o d ，b a s e d o nt h e f e a s i b i l i t y s t u d i e s o nw u b ui n d u s t r i a l p a r k w a t e r s u p p l y e n g i n e e r i n g t h i sa l s ol a i daf o u n d a t i o nf o rt h i sp a p e rt h o u g ht h es t u d yo fs u p p l ya n dd e m a n d b a l a n c ea n a ly s i so nw a t e rr e s o u r c e ，t oc l e a r i n gt h et a s k sa n ds c a l eo fw a t e r s u p p l yf o rt h ep a r k ( 2 ) b a s e do nt h es u r v e ya n dt h ea c h i e v e m e n to fo p t i m i z i n gd i s t r i b u t i o no ff l o wo p t i m a l a l l o c a t i o no fp i p en e t w o r kd i s t r i b u t i o ns y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，a i m e da tc e r t a i nt e r r a i n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rp r o v i d e sam o d e lo ff l o wo p t i m a la l l o c a t i o n ，i no r d e rt or e s e a r c ht h e e f f e c tt ow a t e rt r a n s p o r t a t i o nf e e s ，w h i c hi sf r o mf l o wd i s t r i b u t i o n ，p o s i t i o no fw a t e r s o u r c e ， a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ew a t e r s o u r c ea n dc a t c h m e n tp o i n to nt h em a c r ol e v e l ( 3 ) t h el e a s tc o n v e r s i o nv a l u eo fa n n u a lc o s ti st a k e na so b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ef l o w i st a k e na sd e c i s i o nv a r i a b l e s ，t h e nc h o o s e dt h ep a r a m e t e rs e l e c t i o ne f f e c t i v e l y b yc o n n e c t i n g t h en o d e so fm u l t i - s o u r c ew a t et os e tu paf i c t i o n a ln e t w o r k ，t h i sp a p e re s t a b l i s hm u l t i p l ew a t e r 2 摘要 一一一_ 一 s o u r c e so p t i m a la l l o c a t i o nm o d e lo fw u b ui n d u s t r i a lp a r ka n d s e tu pr e l e v a n tr e l a t i o n s h i p b e t w e e nf l o wc h a n g e sa n dc o s t s ( 4 ) t h i sa r t i c l ea l s op r o v e st h a tt h ew a t e rs u p p l yq u a n t i t a t i v ev a l u e so f e a c hw a t e r s o u r c e i sr e a s o n a b l ei nw u h ui n d u s t r yp a r k ，w h i l ei te x p l a i n sh o w t h eo p t i m i z a t i o na l l o c a t i o nm o d e l o fm u l t i w a t e rs u p p l yf l o ws a v e st h ei n v e s t m e n ta n dt h ec o s t ，t h o u g ht h ec a l c u l a t i o na n d a n a l y s i so fe n g i n e e r i n gc a s ea n dt h em o d e lp r o v i d e di n t h ep a p e r m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rn o t o n l yp r o v i d e st h eb a s i s f o rt h em u l t i w a t e rs u p p l yf l o wo p t i m i z a t i o na l l o c a t i o n ，b u ta l s o p r o v i d sr e f e r e n c ef o rf u r t h e rs t u d yo nt h i sk i n do fp r o b l e m k e yw o r d s ：w u b ui n d u s t r y p a r km u l t i - s o u r c ew a t e rs u p p l y o p t i m i z a t i o n o ff l o w d i s t r i b u t i o ng e n e t i ca l g o r i t h m s 1 绪论 l 绪论 我国水资源分布不均，大量淡水资源集中在南方，北方淡水资源只有南方水资源的 1 4 。据统计，全国6 0 0 多个城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市也不例外， 甚至更为严重。并且缺乏合理的水资源配置，一些诸如华北等地区水资源的开发利用程 度已很高，但缺水问题对经济发展以及生态环境的影响同趋明显，每年黄河断流问题都 有所加剧，却向海河与淮河平均调出9 0 亿m 3 的水接济，因此，在某地区合理的水资源 配置及夼局基础上，更为重要的是对水资源进行区域问的调配，这罩包括以调水工程为 依靠的水资源统一规划及合理布局。此外地区的经济发展同生产力布局还应考虑到水资 源的影响。计划经济发展的体制之下，过去一些地区工业的布局，考虑水资源的影响不 够充分，将用水需求大的工业稚置在相对缺水地区，在水资源的合理配置问题上人为加 剧了矛盾。这些问题受到越来越广泛的关注，因此在满足工业城市发展要求的基础上， 合理利用水资源十分重要。 1 1 课题的研究意义与背景 1 1 1 课题的研究意义 水资源短缺已成为我国经济社会可持续发展的制约因素。我国是一个水资源贫乏的 国家，人均水资源量仅为1 7 8 5 立方米，约为世界人均水平的四分之一，逼近联合国可持 续发展委员会确定的1 7 5 0 立方米用水紧张线。我国水资源分布不均衡，与人口、土 地和经济布局不相匹配。近年来我国极端气候频发，地区间水资源分布不均的矛盾加剧。 水资源短缺问题同趋突出，已对部分地区生产生活的正常进行产生不利影响。目前我国 在工业用水方面还存在一些问题。一是用水增长强劲；建国初我国工业用水量是2 4 亿立 方米，工业用水占总用水量的2 3 ，而目前工业用水是以前的4 7 倍，占总用水量的2 0 7 1 2 1 。工业用水增长率1 9 8 0 年以盼一直在1 0 以上，近年增长率有所下降，总体增幅趋 缓，但国基数大，需求量仍然偏大。据预测，即使在考虑采取节水措施的情况下，2 0 3 0 年我国工业用水仍将从现在的l1 0 0 多亿立方米增加到2 0 0 0 亿立方米，保障工业用水的 任务非常繁重。二是用水效率低、用水浪费严重。目前我国工业力元产值取水量为9 l 立方米，是发达国家的倍；我国工业用水重复利用率不足5 5 ，而发达国家已达到8 0 以上。我国力元工业g d p 取水量为3 3 8 立方米，同本和美国分别为1 9 立方米和1 5 立方 米，相差已近2 2 0 倍。国内地区间、行业问的差距也较大，跑冒滴漏等现象普遍存在。 三是工业污水处理率不高，工业排放的废水量约占废污水排放总量的4 9 ，绝大多数有 害物质都排入了江、河、湖、库、海，成为水资源的主要污染源。从而进一步加剧了我 国水资源短缺的程度。工业用水也随之成为我国水资源供需矛盾的一个焦点。因此工业 用水的合理调配，不仅关系工业经济的发展，也关系到我国水资源的可持续利用和经济 社会可持续发展的大局。 西安理工大学硕士学位论文 1 1 2 课题的研究背景 本课题是以“陕西省吴堡县水资源利用规划方案研究 以及“吴堡县盐化工、煤焦 化工业园区输水工程远距离输水系统可行性方案研究 项目为依托。项目区域地形大致 是西高东低，向黄河河谷倾斜，海拔高程在6 2 7 1 2 0 4 米之间。北部和西部属黄土梁峁状 丘陵沟壑区，东部和南部黄河沿岸属土石丘陵区，水土流失严重，中部多为南北走向的 黄土梁状残塬地。总体范围内沟壑纵横，沟谷深切，地形破碎1 3 1 。吴堡县在水资源利用 方面存在诸多问题。首先是区域水资源时空分布不均：区内特定的地形地貌、气象、水 文和水文地质条件，导致了区域水资源分布不均。地下水资源集中分布于东部黄河沿岸， 中、西部水资源匮乏，开发利用条件不均一，与矿产资源及经济发展布局不相协调。地 表水除黄河外，多为季节性河流，丰水期暴涨暴落、含沙量大，大量弃水，枯水期河道 断流，水资源利用困难。其次水利工程简陋、城市与工业供水工程建设严重滞后：其境 内水利工程多以引水工程为主，基本没有大的调蓄工程，供水保证率偏低；城市与工业 供水的水源地及供水工程建设严重滞后。工业用水水平低：随着地方经济的快速增长， 工业需水加大，万元工业增加值取水量比陕西省平均值高，节水潜力大。此外企业供水 工程散而小、效率低。部分企业用水主要依靠自行建设的供水工程供给，不仅供水量小、 分散，且运营成本高，供水效率低，供水量难以在用水企业之间根据需求波动进行有效 调配，水资源利用率低，甚至造成一定程度浪费。因此，对于企业用水，急需进行整合 和规划，集中供水，实行统一的水务管理和优化，有效保护和合理配置水资源，提高水 资源利用率和供水效率。加之水资源匮乏，主要矿产资源和工业区的分布与水资源分布 不一致，使得矿产资源，尤其是煤炭资源的开发和主要工业区的发展建设，需要通过水 资源的优化调配才能实现。具体来讲吴堡县水资源开发利用程度较低，尚有较大的丌发 潜力。如要合理地丌发水资源，提高区域用水水平，实际存在的问题主要包含以下几个 方面。 a 区域水资源时空分布不均 区内特定的地形地貌、气象、水文和水文地质条件，导致了区域水资源分布不均。 地下水资源集中分布于东部黄河沿岸，中、西部水资源匮乏，开发利用条件不均衡，与 矿产资源及经济发展布局不相协调。地表水除黄河外，多为季节性河流，丰水期暴涨暴 落、含沙量大，大量弃水，枯水期河道断流，水资源利用困难。 b 水利工程简陋、城市与工业供水工程建设严重滞后 县境内水利工程多以引水工程为主，基本没有大的调蓄工程，供水保证率偏低；城 市与工业供水的水源地及供水工程建设严重滞后。 c 行业部门用水水平低 农业用水：农业灌溉用水比例高，且农业灌溉用水的有效利用系数低，目前比陕西 省农业灌溉用水平均有效利用系数低，节水潜力较大。 2 1 绪论 工业用水：随着吴堡县工业经济的快速增长，工业需水加大，万元工业增加值取水 量比陕西省平均值高，节水潜力大。 d 企业供水工程散而小、效率低 目前部分企业用水主要依靠自行建设的供水工程供给，不仅供水量小、分散，且运 营成本高，供水效率低，供水量难以在用水企业之间根据需求波动进行有效调配，水资 源利用率低，甚至造成一定程度浪费。因此，对于企业用水，需要进行整合和统一规划， 集中供水，实行统一的水务管理和优化，有利于保护和合理配置水资源，提高水资源利 用率和供水效率。 e 水源勘查和供水工程建设严重滞后 吴堡县水资源匮乏，水文地质研究程度低，水资源将成为矿区和工业园区开发建设 的主要制约因素。由于主要矿产资源和工业区的分布与水资源分布不一致，使得矿产资 源，尤其是煤炭资源丌发和主要工业区的发展建设，需要通过水资源的调配才能实现。 吴堡矿区开发即将付诸实施，工业园区的规划建设已全面展开，但水源勘查和供水工程 建设严重滞后，现阶段才丌始启动，由于水源勘查和供水工程建设具有相应的周期性， 必将对矿区丌发和工业园区规划建设的进度造成一定影响，这与矿区开发和工业园区发 展建设的迫切需求不相适宜。 对于吴堡这个经济底子薄，而又刚刚起步大规模发展工业来谋求经济突飞猛进的地 区，在保证工业正常发展的前提下，如何使水源合理调配，而又节省供水投资费用，显 得尤为重要。 1 2 国内外水资源优化配置研究进展 1 2 1 国外水资源优化配置研究进展 国外水资源优化配置起步较早，从2 0 世纪早期就丌始了以水资源系统分析为手段， 水资源合理配置为目的的水资源优化合理配置的研究，基本可分为以下几个发展阶段： 水资源的优化配置起步阶段、迅速的发展阶段和逐步完善的稳固阶段。 第一阶段：1 9 2 0 至1 9 5 0 年，水资源优化合理配置的起步阶段。1 9 2 2 年，位于美国 科罗拉多( c o l o r a d o ) 河流域范围的7 个州，以立佛罩这一控制流域的径流量站为界， 将其流域分为上下两个区，以该站年径流量为基准进行水量分配，并以此签定了第一份 有关水资源的分配协议，此后人类社会便逐步丌始对水资源优化配置的探索。到2 0 世纪 4 0 年代，m a s s e 提出了水库优化调度问题。随后美国陆军工程师兵团( u s a c e ) 于1 9 5 3 年为研究解决美国密苏罩河流域某座水库的运行调度问题而设计了密苏罩河流域以水库 调度为主的水资源的模拟模型1 4 1 。其后，为了解决水库规模和运行调度问题，在尼罗河 流域也专门构造了模拟模型。 第二阶段：1 9 5 0 至1 9 9 0 年左右，水资源优化配置迅速发展阶段。2 0 世纪5 0 年代以 西安理工大学硕士学位论文 后，线性规划，非线性规划，动态规划，群决策以及大系统理论等在此理论研究方面得 到广泛应用，并且随着6 0 年代开始计算机行业的发展，以模拟技术、线性、非线性规 划和动态规划方法为基础分析系统、水资源系统的模拟模型技术以及流域水资源的配置 模型研究得到迅速发展和广泛应用；优化模型的研究成为这一时期的主流5 1 。1 9 6 5 年由 u n e s c o 成立的( i h d ) ( 1 9 6 5 1 9 7 4 ) 机构，对受人类活动影响的水循环、水量平衡、 地下水等方面进行了大量的研究6 1 ；随后又出现了考虑水源系统的特征和社会、经济、 环境等因素的联合优化配置问题的多目标多层次模型，大系统优化方法也开始用于这一 领域，例如，1 9 7 4 年，l b e c k e r 和w w - g y e h 进行了水资源多目标问题研究盯1 ：1 9 7 5 年，y y h a i m e s 应用多层次管理技术进行地表水库、地下含水层的水资源量联合调度研 究t 8 ；1 9 7 7 年，h a i r m e s 等9 1 用( a h p ) 法和大系统理论研究水资源调度模型从而使 方法简化：1 9 7 8 年，s h a f e r 和l a b a d i e 研究以系统模拟为背景的水资源调度和管理，从 而构建流域管理模型n o m ；上世纪8 0 年代美国( m i t ) 完成了对阿根廷科罗拉多河的 水资源系统开发利用规划，提出水资源规划模型以及多目标规划的理论，且应用于实际 1 1 2 。进入8 0 年代后期，随着水污染和水危机的加剧，传统的以水量和经济效益最大为 目标的水资源优化调度的模式已远远赶不上发展需要，国外专家学者丌始注重水质上所 带来的问题，对整体环境效益的影响和在水资源的可持续丌发利用方面的研究，与此同 时，水资源研究方面技术的不断推陈出新和资源的量与资源质的管理理论研究也在不断 深入，使得这一方面的整体研究都取得了较大的发展。d e l o u c k s ，j r s t e d i n g c r 和 d a h a i t h 于1 9 8 1 年在他们所著的水资源系统规划与分析一书中就指导水资源的工 程规划与设计、运行管理的水资源的系统规划方法进行了论述1 ：此后d p e a r s o n 和 p d w a l s h 将产值最大定为目标函数，考虑到输水能力和所需的预测值，将其定为约束条 件，引入相关的水库控制曲线，运用二次规划的理论方法，全面分析研究区域内的水资 源量值优化分配 ：d p s h e c r 通过长时间的深入研究，将优化与模拟技术相结合，于 1 9 8 3 年在华盛顿特区成功建立了城市的配水系统。n b u r a s 著有水资源科学分配一 书，书中详细论述了水资源的分派相关理论方法；8 0 年代中期，同本学者在这一领 域内完成了水资源的丌发利用及其现状的评价( 其中包括了核实天然水资源量、开发利 用水资源、用水需求、以及水的价格、缺水状况和对策的研究) ：1 9 8 7 年，r w i l l i s 和 w w g y e h 应用线性规划方法，以供水费用最小或当供水不足情况下缺水损失最小为 目标，求解了1 个地表水库与4 个地下水含水单元构成的地表水、地下水运行管理问题， 同时还运用s u m t 法求解了地下水含水层与相关的多个水库| 日j 联合管理问题1 7 1 。 第三阶段：1 9 9 0 年以后，水资源合理优化配置的逐步完善阶段。一方面由于可持续 的发展理论提出和缺水问题逐步转向水质性，使水资源的优化配置问题由水量型逐渐转 向水质型。2 0 世纪9 0 年代初，j a v a i d 等针对p a k i s t a n 的某个地区的灌溉系统以不同水质 的量变为研究对象，采用线性规划方法对目标进行优化：m a b r a h a m 和e c a r l o s 两位以 色列的学者为解决短时间内的水资源供水体系的多个问题而建立了一个优化模型，主要 4 l 绪论 是针对多水源的区域水系统，；w j w a t k i n s 和m k d a v i d 将污水处理这部分的费用考虑 到了地表同地下水联合调度的模型中；1 9 9 7 年，h s w o n g 的研究充分考虑了水资源的 利用与保护间的相互关系，过程中对于需水量的预测则将地表、外调以及地下水等多种 来源的水考虑到其中并联合运用，提出多目标多阶段的优化管理理念，介绍其原理及方 法，并针对同益恶化的地下水提出一些防治措施l l8 l ：同年，c a r l o sp e r c i a 和g i d e o no r o n 将目标函数列为构建经济效益的最大化，在以色列南部的e i l a t 地区建立了的地表水、污 水以及地下水等多种水源管理的模型，模型中针对不同部门考虑了对水质各方面的不同 要求明。2 0 世纪9 0 年代中期以后，研究重心有了新的趋势，基因算法和灰色模拟等优 化算法被不断引入模型，这一时期出现并逐步被应用的优化算法主要有模拟退火( s a ) 、 遗传算法( g a ) 等。例如，9 0 年代中期，r a o 研究了小生境遗传算法( m n cg a ) ，这一 算法主要适用于多峰搜索，它是基于排挤的思想 2 0 1 。1 9 9 8 年，w a n gn u 经过多年研究 建立了一个应用于地下水的多阶段优化混合模拟模型，期间主要运用了模拟退火( s a ) 和遗传算法( g a ) ，将它们的作用发挥到水资源的优化管理当中去e 2 2 | 。与此同时在高科 技产业迅速发展的带动下国外在水资源系统的规划管理方面的软件也越来越繁杂，成长 较快，期间丌发的模型具有较高的应用价值。包括有由奥地利的丌发并应用的一款流域 的综合管理类软件w a t e r w a r e ：一款流域的通用水资源优化配置类模型a q u a r i u s ，主要 由美国国家农业部和科罗拉多州大学联合丌发；此外还有一款叫做m i k e b a s i n 的软件， 由丹麦环境与水力研究所( d h i ) 开发，此款软件属于的集成式运用于流域的水资源规划 管理相关决策支持。 进入2 l 世纪，国外主要在相关政策法规，制度等方面加大力度，诸如水资源的产权 界定问题、组织如何安排、经济方面相关机制对水资源配置的效益产生的影响，在此基 础上研究水资源配置的有效机制，研究认为单方面的市场或是单方面的政府都无法满足 合理配置水资源的要求，有效的水资源流域管理政策及体制才是能够解决配置中各类冲 突的最根本途径n ”。 1 2 2 国内的水资源合理优化配置研究进展 与国外相比，我国的水资源优化配置发展虽起步比较晚，但发展速度相对较快。水 资源科学分配方面的研究丌始于1 9 6 0 年左右，研究一开始着重于水库的优化调度。例如 在1 9 6 0 年，吴仓浦首次提出了年调节水库最优运用的d p 模型，在微观层次上提出了水 资源的优化配置思想。特别值得注意的是自改革丌放以来，在一些国家重点的科技攻关 项目推动下我国的水资源配置方面的发展大大向i i 了，这些项目计划组织了大批的科研 力量、专家学者联合攻关，取得了不少在全世界都具有影响力的成果，处于国际的先进 水平线，对于在基础的应用方面，可以说在我国的水资源研究领域罩发挥了巨大的推动 作用，一些主要的研究进展及成果从以下几个涉足的领域进行归纳。 8 水利工程控制单元的水资源优化配置研究 西安理工大学硕士学位论文 水利工程是水资源配置的基本单元，其结构比较简单，影响和制约因素相对较少， 因此如何实现水利工程控制的有限水资源量的效益最大化，成为广大学者较早涉足的研 究领域，最早从水库调度方向入手。1 9 8 0 年，针对北京地区水资源的分配问题，在华士 乾教授的牵引下成立了一个研究小组，专门运用了系统工程的方法分析研究，此后在国 家“七五”科研攻关计划中进行提高并结合应用，谈到国民经济的发展大业，诸如水量 的区域化合理分配、水资源有效利用率、相关水利工程的先后建设顺序以及水资源的合 理丌发利用都被纳入影响及推动发展之列，在水量分配问题中这一研究成为我国的水资 源系统研究在该方面的雏形1 2 4 1 。1 9 8 6 年，曾赛星等运用线性规划方法针对内蒙古水资 源的配置问题建立了联合调度及管理的模型，可以确定农作物在最优的种植模式条件下， 需供给和不同水源合理优化的供给量的比例1 2 5 1 09 0 年代初期，唐德善研究出工农业产 业之间水资源的合理分配比例，这一研究是以黄河中下游的某灌区为背景，采用了递阶 的动态规划方法t 2 6 j 。此还有贺北方等( 1 9 9 5 ) 、马斌等( 2 0 0 1 ) 和丁勇( 2 0 0 7 ) 等诸位 专家学者对“多水库多目标最优控制运用的模型与方法”、“大型灌区水资源合理分配模 型”、“多水源引水灌区水资源调配模型及应用进行了研究”1 2 7 1 。这些研究成果使得完善 并丰富了在水利工程单元范畴内水量的合理优化配置模型及方法，在水利项目工程管理 领域构建并推动了在有限的水资源量条件下如何获得最大的经济效益的思想及其应用。 b 区域水资源优化配置研究 随着社会经济的快速发展，以及多目标和大系统优化理论的同益成熟，从8 0 年代中 期以来，区域水资源合理优化配置研究成为水资源学科研究领域的热点之一。区域是社 会经济活动中相对独立的基本管理单位，它的社会经济发展具有明显的区域特性。区域 水资源配置是以工程影响区、行政区或经济区为对象的水资源配置，它的系统结构复杂， 影响因素众多，各部门的用水矛盾突出，因此研究成果大都以多目标和大系统优化技术 为主要研究手段，在确定可供水量和需水量的条件下，建立区域有限的水资源量在各分 区和各用水部门之间的优化配置的模型，然后对模型进行求解从而得到水量的优化合理 配置方案。例如：上世纪9 0 年代术，为解决河南豫西的水资源优化分配问题，贺北方建 立了大系统的逐级优化模型，可以满足水资源的年优化分配问题。该模型主要包含两个 子模型：第一个是“区域内水资源的年优化分配问题与产业结构调整相结合的模型”；第 二个是“对区域内的可供水量进行逐月优化配置的模型”，第二个是在第一个优化模型的 基础之上，为达到供水量与需水量的最佳分配，于是在子区内逐月寻求各供水水源向各 用水户提供供水的优化运行过程，特点在于研究将产业结的构调整纳入考虑范畴，分析 这一因素对水资源配置的相关影响1 2 8 3 。同一时期，通过结合系统分析方法，结合宏观经 济与区域i n j 的水资源规划实例，翁文斌等构想出以宏观经济为基础的水资源优化合理配 置这一指导性的理论，随后以此为f j ，提出了多目标层次结构的群决策类方法，将水资 源优化配置与区域问经济系统的相互结合变为现实1 2 9 1 。八五期间，中国水利水电科学研 究院、航天工业总公司7 1 0 研究所和清华大学相互协作，在国家“八五”攻关和其他重 6 1 绪论 大国际合作项目中，提出了区域水资源优化配置决策支持系统m e w ap d s s ，这是迄今 为止较为完整的水资源合理调配应用体系1 3 0 1 。金菊良( 2 0 0 0 ) 等学者在水资源优化分配 问题中引入了单亲遗传算法。在解决苏北的平原湖地区多目标系统的水资源优化运行问 题，方红远( 2 0 0 0 ) 等采用了多目标决策的遗传算法进行求解。贺北方等( 2 0 0 2 ) 针对 济源市的水资源现状，运用模拟退火遗传算法进行了优化配置的研究。2 0 0 3 年，一项“九 五( 1 9 9 6 - - 2 0 0 0 ) 国家重点的科技攻关项目“西北地区的水资源合理利用和生态环境的 保护研究 由中国水利水电科学研究院等一些单位组织联合完成，该研究在水资源配置 主体中加入了将生态用水，建立了具有可操作性的干旱地区生态环境的需水量核算方法， 提出了面向生态的水资源生态经济系统合理优化配置方法，并在此基础之上，针对西北 地区生态脆弱的地域提出了水资源合理优化配置的方案。研究以水资源合理优化配置的 方案为基础，进而得出水资源优化合理配置的结果，这种研究思路更加切合实际3 i l 。 c 流域的水资源优化配置研究 以江河湖泊流域作为研究对象的流域问水资源配置的概念相对复杂，流域是一个包 含了多个层次结构以及具有整体性功能的系统，主体包括了社会经济的系统、水资源系 统以及生态环境的系统，对于流域系统这一独立单元而言，相比较之下它体现的水资源 综合指标特性及功能最为显著，从丌始起步发展到合理有效地应用，国内在流域这一方 面的研究成果也有不少。上世纪9 0 年代中期，唐德善构建了黄河流域的多目标水资源的 分析模型，主要是运用多目标规划提出了大系统多目标规划的求解方法1 3 2 1 。黄河水利委 员会在国家“八五”科技攻关项目中进行了“黄河流域水资源经济模型研究”，对地区经 济的可持续发展、黄河水资源规划决策支持系统以及黄河水资源合理调配等方面进行了 全面而深入的研究。1 9 9 8 年，常炳炎等对黄河干流水库的联合调度，区域经济发展与水 资源量需求，黄河流域的水资源合理优化配置，黄河的水资源总体规划决策系统，在对 黄河的水资源丌发利用过程中出现主要的环境问题进行研究以及提出水资源的可持续发 展问题等，从中获得了许多宝贵经验。该研究针对的是全流域，在我国水资源的合理优 化配置方面的研究项目中属首例，成为全面实施流域管理和水资源合理优化配置中的典 范1 3 3 1 02 0 0 2 年，阎战友在时间和空间上进行水资源的合理配置，通过采用综合丌发治 理措施，进行海河流域生态环境改善和修复研究1 3 4 1 ：2 0 0 4 年，冯黎等总结了黄河水资 源的特点，通过水现状及水资源利用中存在的主要矛盾，剖析了黄河上游龙羊峡、刘家 峡水库构成的水量调节体系，并结合南水北调西线，系统分析了这一水量调节体系对协 调水资源利用与水资源配置关系的能力和水资源调节配置的能力1 3 5 1 02 0 0 5 年，王雁林 等以实现流域水资源可持续利用为目标，立足于流域社会经济与生态环境的相协调发展， 分析了陕西省渭河流域面向生态的水资源合理配置与调控模式的内涵，探讨了其基本内 容，并制定了陕西省渭河流域2 0 0 0 年、2 0 1 0 年、2 0 2 0 年水资源合理配置与调控的方案3 6 ，。 此外，2 0 0 7 年，楼章华等采用一种叫做投影的决策分析方法，针对流域的水资源配置方 案给给与了全面的评价，最终取得了良好的效果3 。 7 西安理工大学硕士学位论文 1 3 输配水体系管网优化设计方法的发展状况 对于管网系统优化设计计算主要分为直接优化法和l 、日j 接优化法两方面。间接优化法 也称解析法，它是建立在优化数学模型基础上，通过优化计算求出最优解：直接优化法 是根据各个相关性能指标的变化，通过直接对各种可调参数的选择、计算及方案比较等 方法来得到最优解或满意解。 尽管管网系统设计计算中存在着错综复杂的约束关系，但是只要对其中的某些条件 进行取舍，合理地运用数学工具，就可以把它简化、抽象为比较容易解决的数学模型， 然后通过适当的计算方法得出较优解。在给水管网优化设计中比较常用的优化方法有线 性规划法、非线性规划法、动态规划法、遗传算法等。 a 线性规划法 线性规划( l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 是决策系统的静态优化数学规划方法之一。1 9 7 7 年，a l p e r o v i t sa n ds h a m i r 提出所谓的线性规划梯度法1 3 8 1 并且给出了它在复杂的管网 系统及多水力工况下的应用实例，为以后研究者指出了一条逐步迭代逼近寻优的设计思 路，也为两阶段法的研究奠定了一定基础。 此后，q u i n d r y 等( 1 9 8 1 ) 提出类似的算法t 3 9 1 , 不同的是它在第二阶段不是以流量 分布而是通过调整节点水头逼近最优解。1 9 9 0 年，o k i t s u g uf u j i w a r a 和d ob ak h a n g 提 出一种综合两者交替固定流量分配和节点水头逼近最优解的方法加1 ，这些方法都是基于 x i j 为决策变量的线性规划问题，并且对多工况、有阀门、含泵站及水池的复杂管网系 统进行了讨论。 线性规划方法是对于可行域内最优解的线性逼近，由于管网系统的优化结果倾向于 管网树状化，加入最小管径约束只能保证管网的坏，并不能在真讵意义上实现管网的可 靠性问题，因而如何在线性模型中实现可靠度的研究同益为学者所关注。但是，由于可 靠性的度量到目前为止还没有公认的定义，因此关于可靠度的线性规划模型问题还没有 统一的形式，不具备广泛的适用性。1 9 9 3 年，o k i t s u g uf u j i w a r a 等以事故时流量亏值与 需水总量的比值、h e e k y u n gp a r k 以冗余度作为可靠度的度量等( 4 1 1 总之，由于可靠度 复杂的概念及内涵( 与管径，管材，阀门的数量，管网的构成，故障的隔离和修复时间 等有关) 现有的各种度量方式都不能涵盖所有方面，问题考虑的越全面受计算时间及计 算速度的影响随管网规模的递增就越明显。 b 非线性规划方法 非线性规划( n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 是现代应用数学的- - f - j 重要学科，它所研究 的对象是非线性函数数值最优化问题。随着电子计算机的广泛应用，该学科已迅速地发 展成为一门十分活跃地新兴学科，它的理论与方法已渗透到许多自然科学、社会科学领 域和工程技术之中。 对于管网优化设计计算问题本身而言就具有的非线性性，因此可以直接采用非线性 8 1 绪论 规划法解决。非线性规划法是基于求导原则，即目标函数的导数为零的点就是所求的最 优解。它可以用作处理市售规格管径，但当无法证明管网采用的费用函数是一个单峰值 函数时，得到的计算结果可能只是局部最优解。很多研究者采用了g r g 2 、k y p i p e 两 个子程序来分别处理最优化部分和水力计算部分，因此诸多非线性算法的主要分歧仍在 于可靠度计算的子程序上。一些研究者分别采用了不同的度量方法( y u c h u ns u ，1 9 8 8 4 2 1 最小切割集法；n i n gd u a n ，l a n s e y ，m a y s ，1 9 9 01 4 3 1 ，r a p s 程序；c u l l i n a n e ，l a n s e y ， m a y s ，1 9 9 2 川，时间比例法) 与线性规划方法相类似，不同算法在计算时间或是概念 涵盖方面都有各自的缺点和长处，因而分别适用于解决某一特定类型的问题。 c 动态规划法 标准动态规划法具有明显的阶段划分和状态转移方程，在研究多阶段决策问题中推 导得出，具有严格的数学形式，适用于理论分析。动态规划( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 的 主体是分治思想和解决冗余，因此，动态规划是一种将问题实例分解为更小的、相似的 子问题，并将子问题的解存储而避免计算重复的子问题，来解决最优化问题的算法策略。 其实在实际应用中，许多问题的阶段划分并不明显，不容易分阶段解决。通常只要一个 问题可以划分成规模更小的子问题，并且子问题的最优解包含在原问题的最优解中，就 可以考虑选用动态规划法解决。 1 9 7 5 年，首先把动念规划法引入到管网系统优化设计中的是一些国外学者，目前该 方法在国内外仍在广泛应用。在实际应用中，主要有两个分支：一是以各节点埋深作为 状念变量，通过坡度决策进行全方位搜索，它的优点是直接利用标准管径优化约束，与 初始解无关，但可以控制计算精度，不过要求状态点的埋深i 日j 隔很小，这就使存储量和 计算时间大大增加。为了节省运算时间，1 9 7 6 年有人提出了拟差动念规划法1 4 5 1 0 它是 在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程，可以显著地减少计算时间和存储量， 但有可能在迭代过程中遗漏最优解，而且在复杂地形条件下处理跌水、缓坡情况时受到 限制。二是以管径为状态变量，通过流速和充满度组合进行优化搜索。由于标准管径的 数目有限，该方法与以节点埋深为决策变量的方法相比较，在计算机存储和计算时间上 都有显著优势。最初的动态规划方法是任意选取一组标准管径集中的管径，由此发展出 可行管径法。该方法通过数学分析，对每一管段的管径选用满足约束条件的最大和最小 管径及其之间的标准管径构成可行管径集合，然后应用动态规划计算。 动态规划法是解决多阶段决策最优化问题一种行之有效的方法