（环境工程专业论文）城市多种水资源系统优化配置模型的研究.pdf

摘要 本课题以城市多种水资源系统的优化配置为核心研究内容，采用系统分 析及多目标优化的理论，以期在水资源配置领域，达到经济、社会和环境效 益的综合整体优化。 首先，综述了国内外水资源优化配置问题的发展里程，分析并总结了目 前该领域存在的问题与不足。 其次，针对问题与不足之处，从城市可持续发展目标框架体系出发，对 城市多种水资源优化配置系统进行问题的分析说明。最终构建能体现并反映 城市经济、社会和环境综合发展的水资源优化配置的目标体系，为建立优化 模型奠定理论基础。 再次，以分析国内外关于此领域的优化配置模型的优缺点为基础，以前 述优化配置的目标体系为理论根据，笔者重新建立一套优化配置模型。此模 型，以城市供水所取得的经济效益、城市重要污染物的排放量、所辖郊区的 粮食产量、就业人口，生态环境用水量为优化目标，以用水量和作物的播种 面积为决策变量。 再者，对于目前多e t 标优化问题的求解方法进行了研究，并考虑求解过 程的人机交互性，决定尝试以多目标逐步宽容约束法进行求解。 最终，在上述研究成果的基础之上，结合实例构建多种水资源优化配置 模型，并通过d e l p h i 程序开发平台编制应用程序，通过调用规划软件l i n g o 予以求解，获得了经济、社会和环境整体效益最好的优化配置方案，从而证 明笔者所建立的模型具有较好的实用性与科学性。并且可将这一思路应用到 其他资源的优化配置当中去。 关键字：水资源优化配置模型多目标优化宽容约束可持续发展承载力 a b s t r a c t t h i ss t u d yi sm a i n l yf o c u s e do nt h eo p t i m a la l l o c a t i o no f m u n i c i p a lm u l t i p l e w a t e rr e s o u r c e s ，a n di ti sa i m e dt or e a c ht h et o t a lo p t i m i z a t i o no ft h es o c i e t a l b e n e f i t ，e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lo n eb a s e do nt h et h e o r i e so fs y s t e ma n a l y s i s a n dm u l t i p l eo b j e c t i v e so p t i m i z a t i o n f i r s t l y , t h ee v o l u t i o na b o u tw a t e rr e s o u r c e so p f i m ma l l o c a t i o ns t u d yi s s u m m a r i z e d ，a n dt h el i m i t a t i o na n ds h o r t a g eo nt h i sf i e l di sa n a l y z e d s e c o n d l y , i na l l u s i o nt ot h ea b o v ei s s u e s ，t h ec i t yw a t e rr e s o u r c e so p t i m a l a l l o c a t i o nt h e o r yi si d e n t i f i e db a s e do nt h ea i mf r a m es y s t e mo ft h ec i t y s c o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t , w h i c hc a l lr e f l e c tt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n to ft h e c i t y se c o n o m y , c o m m u n i t ya n de n v k o n m e n t a c c o r d i n g l y , t h et h e o r e t i c a lb a s i s f o rt h eo p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h i r d l y , an e wo p t i m a la l l o c a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h ef o r m e r a n a l y s i s i nt h en e wm o d e l ，t h eo p t i m a lo b j e c t i v ef u n c t i o ni sm u l t i - o b j e c t i v e ，t h a t i s ，t h eb e n e f i to fc i t yw a t e rs u p p l y , t h ee m i s s i o na m o u n to ft h em a i np o l l u t a n t , t h e c o m m i s s a r i a to u t p u to f t h es u b u r b ，t h en u m b e ro f p e o p l ew h oa r ew o r k i n ga n dt h e a m o u n to ft h ee n t i r o n m e n tw a t e r i nt h em e a n w h i l e ，t h em o d e ld e c i s i o nv a r i a b l e s a r ew a t e ra m o u n ta n dt h ea c r e a g e o f c r o p f o u r t h l y , c o m p a r i n g a l lt h ek n o w nm o d e ls o l u t i o nm e t h o d sf o r m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ，t h ea u t h o rd e c i d e dt oa d o p tt h ei n t e r a c t i v em u l t i p l e o b j e c t i v e a l l o w a n c er e s t r i c t i o nm e t h o d i nt h ee n d ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a la l l o c a t i o nm o d e l ，t h ea u t h o rd e s i g n e d a n dc o m p l i e dc o m p u t e ra p p l i c a t i o np r o g r a mo nd e l p h ip l a t f o r m ，w h i c hl i n k e d l i n g os o r w a r ef o rm o d e ls o l u t i o n ，a n dt h em o d e li sa p p l i e dt oah y p o t h e t i c a lc i t y , w h i c hp r o v e dt h a tt h er e s u l ti sf e a s i b l ea n dr e a s o n a b l e f i n a l l y , i ti sc o n c l u d e dt h a t t h ew a yc a nb ea p p l i e dt ot h eo p t i m a la l l o c a t i o no f o t h e rr e s o u r c e s k e y w o r d s ：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 nm o d e l ；m u l t i p l eo b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n ；c o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t ；c m y i n gc a p a c i t y 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，也不包含为获得盘壅盘鲎或其他教育机构 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：奎f 蓟分 签字日期：。- 。f 年f 月6 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘生 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权鑫洼盘鲎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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名压i 蓟拿 签字日期：训了年f 月占日 导师签名： 肋碍 签字日期：，d 彳年1 月易日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水姿源优化配置提出的背景 1 1 1 水资源现状 我国是一个淡水资源匮乏的国家【1 j 。 从全国来看【2 ，我国水资源总量为2 8 万亿m 3 ，居世界第4 位，位于加 拿大、巴西和俄罗斯之后，略多于美国和印尼，占世界水资源总量的7 。 人均水资源量2 1 5 1 m 3 ( 按1 3 亿人口计算) ，处于缺水上下限( 3 0 0 0 m 3 - - 1 0 0 0 m 3 人) 的中值，在世界银行近年所做的连续资源统计的1 3 2 个国家中居第8 2 位。 同时，我国的水资源分布非常不均匀，北方人均水资源约为1 0 0 0 m 3 ) , ，属 于严重缺水，并且由于水污染和水土流失使情况更为恶化；南方人均水资源 量虽然超过人均3 0 0 0 m 3 人的缺水上限，但由于分布不均和污染严重，使得 工业、农业和居民生活将得不到按现状模式发展的足够水资源供应。 从城市的状况来看，由于人口密集、工业发达，用水需求过度集中，人 均拥有的可利用淡水资源量就更加稀少，远远低于全国平均水平。以北京为 例，北京市水资源总量高达4 0 8 亿m 3 ，按单位国土面积水资源占有量计算大 约相当于河北省的两倍，但人均可利用水资源量1 9 9 7 年仅3 7 3 m 3 远远低于 全国的人均水平。上海和天津则更少，人均拥有量仅分别为1 9 9 m 3 和1 6 1 m 3 ( 未 含调入的水资源量) 。更为重要的是城市地区9 0 以上的河道程度不同地受到 污染，造成不能提供达标的生活、工业和农业用水的水质型缺水。有关资料 显示口】，全国6 7 0 多个城市中，约有4 0 0 多个城市存在不同程度的缺水，其 中有1 0 0 多个城市严重缺水，缺水是我国许多城市普遍面临的严重问题。其 缺水原因见表1 1 1 2 j 。 1 1 2 水资源优化配置的提出 1 1 2 1 水资源可持续利用的提出【9 】 人类开发利用水资源的过程，是由粗放型利用阶段向转轨阶段继而向可 持续利用阶段逐步发展。直至2 0 世纪7 0 年代以前，人类对水资源的利用仅 第一章绪论 仅是注重其经济效益，其社会效益和生态效益则在一定程度上被忽略掉了， 可以说粗放型的【3 【4 】。随着经济的增长，便暴露了这种开发模式与社会经济、 环境生态的不协调性，如河道断流、地下水漏斗加深、土壤沙化、水体污染、 水资源利用率低下【5 】【6 1 7 1 等。首先区域性出现水荒、水质严重恶化，进而会影 响周边地区。这一时期为由粗放到可持续发展的转轨期。水资源危机的形成， 使人类认识到这种方式的弊病，开始考虑到水资源可持续发展以及人类社会 活动应在水资源承载力的范围之内。这也是人类利用水资源由粗放型向可持 续型转化的转折点。从观念上人类终于屏弃了传统模式，开始认识到水并非 “取之不尽，用之不竭”从而开始了水资源可开发利用的新纪元瞵j 。 表l l ：我国水资源短缺剖析 缺水原因分类缺水性质 具体描述 我国4 2 8 个缺水城市中只有3 1 个城市的缺水是由 资源性缺水非主要矛盾 于缺乏水资源引起的，尚不足总数的1 0 全国9 0 以上的城市水域受到不同程度的污染， 水质性缺水主要原因 近5 0 重点城镇的集中饮用水永源不符合取水标 准 从工业用水看，我国工业用水的重复利用率约为 管理性缺水最重要原因 4 0 远低于发达国家的7 5 一8 0 这一水平，万 元g d p 用水量为6 8 0 m 3 ，远高于发达国家的4 0 m 3 全国3 2 个特大城市中，有3 1 个存在供水能力不 工程性缺水关键原因 足的问题 伴随着人类水资源开发利用的实践经验的积累，水资源可持续开发利用 的理论体系也一步步建立起来1 0 1 ，现在逐步把“能满足人们当前需要的同时， 又不损下一代人生存的需要”作为水资源可持续开发利用的模式。 1 1 2 2 水资源承载力的提出 在提出水资源可持续发展这一概念的同时，有关资料又提出了水资源承 载力这一新的概念。这一概念是在可持续发展概念的基础上提出来的，是对 可持续发展这一概念的深入与延续。一般地说，水资源承载力是一个具有 第一章绪论 自然、社会双重属性的概念，既反映了水资源满足社会经济系统的能力，也 与社会经济系统开发水资源的深度有关，其大小取决于区域自然环境、水资 源量、社会经济技术水平、社会经济结构等诸多因素 1 2 1 ” 。它必须限制在特 定的时间、特定的空间，是随时间和空间的变化而变化的。目前，对水资源 承载力的理解、概念表述并不一致，还未达成统一的认识 1 5 】。有的认为水 资源承载力为水资源在量上的承载能力，即水资源的可利用量；有的认是在 特定的条件下，水资源在满足生态环境需求情况下能够提供给社会经济发展 的最大供水能力或所能承载在最大人口、经济发展规模等。笔者在查阅了大 量文献资料后，将水资源承载力定义为：在特定的时间、特定的区域范匿内， 以现行条件下可以预测到的技术、经济和社会发展的水平为依据，在可持续 发展原则的指导下，在可利用水资源能够持续供养一个良性社会体系的能力 下，在水资源管理得到最大程度的优化时，水资源所能承载的具有一定生活 质量的人口规模和社会经济发展规模。它是水资源开发和利用的统一体。这 概念包括内涵如下： 水资源承载力具有时间和空间上的涵义； ( d 可开发利用水量、水质上有一定限制的涵义： 能体现社会经济的内涵，主要体现在人类开发水资源的经济技术能 力、社会各行业的用水水平、社会对水资源的优化配蹙以及社会的 产业结构等方面的涵义； ( d 具有持续性的内涵。水资源应能持续开发利用，具有持续供社会体 系应用的能力。 总之，水资源承载力体现了环境、社会、人口、经济等方方面面的关系， 是优化配置的前提，也是优化配置的结果。优化配置的最终结果就是在水资 源承载力所允许的范围内最大程度的实现、体现水资源的承载力。 1 12 3 水资源优化配置的提出 如前笔者所述，由于水在社会发展中的不可替代性，与人口增长、社会 经济发展和人民生活水平提高所带来的水资源问题产生了尖锐的矛盾，这种 矛盾是有限的供给量和不断增长的需求量之间的矛盾，是所要求的高质的水 资源与水资源受到严重污染的这事实的矛盾。这一矛盾在城市的发展过程 中尤为突出。水资源短缺、水污染和水资源浪费同时存在，是水资源供需矛 盾的重要原因。目前我国水资源及供需方面存在的主要问题如下： 第一章绪论 ( d 水资源短缺、供需矛盾突出【j 6 】 水资源虽然是可以再生的资源，但并非“取之不尽，用之不竭”。进入 2 1 世纪，我国的水资源供需矛盾将进一步加剧。据预测i l ”，2 0 1 0 年，全国 总供水量为6 2 0 0 6 5 0 0 亿m 3 ，相应的总需水量达7 3 0 0 亿m 3 ，供需缺口近t 0 0 0 亿i l l 3 ，随着经济的发展，2 0 3 0 年缺水量预测值更大。伴随着总缺水量的增大， 另一个现实不容忽视，我国水资源时间分配不均，年际、年内变幅大，地域 问分布不均，地区间差异大，这些因素加重了我国水资源供需之间的矛盾。 ( d 水环境污染严重，水资源有效利用量减少 由前所述及，目前，水资源乖j 用由粗放型向可持续利用型转换，但粗放 型遗留的后果还在影响着当前的水资源环境，工业废水和生活污水还在污染 着人类的生活环境和人类赖以生存的水资源环境，导致水资源的有效利用量 减少，这样就进一步加剧了水资源的短缺。 水资源浪费巨大，加重供水紧张【坞】 对于我国工业来说，工业工艺水平低，水的重复利用率低，万元产值耗 水量大：对于我国农业来说，灌溉技术有待提高，水的利用效率低，灌溉用 水量大，单位水量的粮食产量低。所有这些浪费现象的存在，都在一定程度 上加重了本来就不宽裕的水资源的紧张程度。 ( d 我国的区域发展与水资源不匹配 文献【l9 】对我国3 0 个省、市、区水资源与生产力、人口、耕地和矿产资 源协调程度分析结果见表l 2 。说明了我国区域发展与水资源的匹配程度。 表1 2 ：我国区域发展与水资源匹配分析表 匹配程度所占比例( )地域 极不匹配3 0 北京等9 个行政区域 不匹配3 3 3 内蒙古自治区 基本匹配 1 6 6 7 吉林省等5 个行政区 匹配5 0 上海等1 5 个省区 另外，我国水资源的天然时空分布与生产力布局严重不相适应，地区间 及同一地区不同用水部i q f 日- 存在着用水竞争，水资源的开发利用方式还比较 落后。 为了解决水资源及其供需方面存在的问题，缓解水资源危机，目前主要 第一章绪论 有两种途径：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的利用。 第一种方法有一定的条件限制，需要大量资金的投入，对水资源开发利用率 已经很高或不具备跨流域调水的区域是不现实的，况且，即使通过这种方式， 效果的发挥还需要一定时间。虹果运用科学技术的方法，实施第二砖途径， 改变传统的管理模式和方法，使得水资源在目前的工程设旌不变的条件下， 得到最有效的利用，促进社会经济的协调发展，比较适合象我国这样水资源 利用率较低的国家。 1 2 水资源优化配置的理论研究与实践状况 1 2 1 水资源优化配置的理论研究与实践状况 国外经济发达国家自2 0 世纪6 0 年代开始水资源优化配置理论方面的研 究【2 0 j ，随着系统分析理论和优化技术的引入以及6 0 年代末计算机技术的发 展，水资源模拟模型系统得以迅速研究和应用。经过7 0 年代，研究成果不段 增多。1 9 6 1 年c a s t l l 和i m d e b o r y 在水荧源配置中，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。1 9 7 1 年j o e r o e s 将线性规划用于b a l t i m o r e 的多水源供水方面【2 ”。同年，美国学者n o r m a n j d u d l e y 将作物生长模型和具 有二维状态变量的随机动态规划相结合，对季节性灌溉用水分配进行研究 t 2 2 。1 9 7 3 年，s m i t h 在灌区用水优化配置中也采用线性规划模型并进行求解 2 3 j 。同年，1 9 7 3 年i ) u d l e y - i 日b u r t 灌溉水库水资源的管理上，应用动态规划方 法，利用马尔科夫链的转移概率对递推动态方程加权【2 4 】。m e r e d i t h 等人给出 了关于灌溉配水系统的两个初步而有启发性的动态规划例子【2 5 。1 9 7 6 年， r g e r s 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 口6 j 。经过7 0 年代和8 0 年代的发展，水资源分配的研究范围不段扩大，深度 也进一步加深。1 9 8 2 年p e a r s o n 等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，他们利用多个水库的控制曲线，以最大产值、最大输 送能力和预测的需求值作为约束条件1 2 7 。9 0 年代以来，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 持续利用研究网。1 9 9 2 年a f z a l ，j a v a i d 等针对p a l ( i s t a l l 的某个地域的灌溉系统 第一章绪论 建立线性规划模型，对不同水质的水的使用问题进行优化【2 。在劣质地下水 和有限运河水可以使用的情况下，模型能得到一定时期内作物耕种面积、地 下水开采量等决策变量的值。9 0 年代以来，国外首先兴起各种新型的优化算 法【3 0 】【3 1 】。如遗传算法( g a ) 、模拟退火算法( s a ) 等，开始在水资源优化配 置中运用，在理论和实践上又前进了一步。 国内对于水资源优化配置的研究进展总体上落后于国外发达国家。但是， 自8 0 年代初，水资源优化配置问题在我国得到足够重视起，经过2 0 多年的研 究，已经取得了比较丰硕的研究成果，我国的水资源优化配置的研究都是针 对特定区域建立模型并试图求解。1 9 8 9 年，沈佩君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【3 ”，并采用线性规划模型进行 片内用水部门的水量优化分配。1 9 9 1 年黄冠华针对灌区若干模糊化问题 3 ”， 提出模糊线性规划在灌区规划和管理中的应用。1 9 9 2 年，唐德善以黄河中游 某灌区为例子，运用递阶动态规划法，确定水资源在工业和农业之间的比例 分配1 3 ”，取得了较好的效果。2 0 0 1 年，邱林等，在指出单一目标作物非充分 灌溉制度不足的基础上，建立考虑作物种植风险指标时作物非充分灌溉制度 的多居标优化模型唧，并提出多目标模糊优选动态规划理论和多维动态规划 相结合的方法，又进一步将该法用于作物灌溉制度的模拟优化设计。纵观上 述资料，在我国，农业方面的优化配水模型研究的比较深入，理论根据比较 充分，又经过了一定的实践检验：至于工业配水模型，曹升乐等探讨了工业 部门内部水资源优化配置的理论与方法，建立了水资源优化配置经济效益模 型【3 6 。在此基础上，深入研究了经济效益、社会效益、环境效益、水资源的 可持续利用及其与国民经济、社会的协调发展等因素对水资源优化配置的影 响。通过对上述影响因素的分析，给出了工业内部各行业综合影响系数的计 算公式，建立了水资源优化配置综合效益数学模型。将工业、农业用水综合 起来，进行水资源优化配置的也不乏例子，陈守煜等以大连市水资源开发利 用与宏观经济协调可持续发展为研究背景，建立了大连市宏观经济水资源发 展规划多目标群决策模型【3 ”。根据该决策模型具有的多层次多目标多决策者 的特点，结台工程模糊集理论与切比雪夫决策方法，提出了模糊切比雪夫多 目标群决策方法，并进行实例验证，取得了比较满意的结果。 分析国内外关于水资源优化配置模型的理论与实践的经验可知，理论的 发展是随着社会问题、尤其是水资源问题的显现而发展的。在理论及其模型 的发展过程中，各个方面( 优化配置方法、范围、目标函数等) 都经历了一 第一章绪论 系列变化过程。表1 3 列出了各个方面的变化趋势。 表l 一3 ：水资源优化配置发展变化趋势3 8 】【3 9 【4 0 l 【4 2 、主要变化 变化方面、 主要变化 目的、目标 单一目标优化一大系统、多目标优化 向“宏观”大流域和“微观”区域( 工业、农业) 范围 两方向发展 线性一非线性一动态规划一模拟技术一大系统优 优化方法 化及多目标优化方法 1 2 2 水资源优化配置现存问题 水资源配置方式经历由“粗放型”到“可持续型”的历史演变。“粗放型” 的水资源配置方式，虽然取得了经济的迅速增长，但带来了污染和生态环境 破坏的严重后果。 虽然水资源优化配置研究取得了一些成就，但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，还需要付出更多努力。目前水资源优化配置研究中存在的 主要问题归纳如下： 水资源优化配置多是理论研究和概念模型的设计，不便于实际操作。 目前水资源优化配置理论主要有： 1 、“以需定供”的水资源配置； 2 、“以供定需”的水资源配置； 3 、基于宏观经济的水资源配置； 4 、可持续发展的水资源配置。 第一种水资源配置并不合理，第二、三种不成熟，第四种符合可持续发 展的潮流，但理论上和操作上还不完善。 未体现有效性、公平性和可持续发展的原则 以往的优化配置模型未考虑水资源优化配置应遵循的有效性、公平性和 可持续发展的原则。具体而言，今后水资源优化配置应把环境效益、社会效 益放在与经济效益同等重要的的位置上来，笔者认为构建具体评价方法和量 化方法是进一步发展的方向，这些评价方法包括经济发展、资源利用、环境 第一章绪论 影响之间协调程度的评价方法和量化方法， ( d 模型的目标、约束制定比较随意 目前水资源优化配置基本上是以经济效益最大化为目标函数的核心。模 型中即使考虑了环境与社会效益，也是以约束条件来体现的。所以，模型的 发展方向是目标中应考虑社会、经济、环境的综合效益最佳，模型约束中应 考虑经济、环境、水资源间的协调约束。 ( d 重水量轻水质的配置 水质和水量是密切相关的，离开水质谈水量没有实际的意义，传统的水 资源优化配置方式，只重视水量的配置，而忽视了水“质”的重要性，轻视 水质的优化，造成有限水资源不能充分高效利用。基于可持续发展的水资源 优化配置，应考虑水资源系统中供需双方“质”的特性，将水质量化，并与 水量一同参与优化配置，实现水资源高质高用、低质低用，分质供水。 ( d 多目标优化转化为单目标求解存在弊病 多目标模型的优化问题转化为单目标问题进行优化时，意义不明确，不 能更好的体现原规划问题的规划目标。 ( d 新的优化方法应用不多 针对水资源优化这种大系统的多目标优化模型，目前尚缺乏比较优秀的 解法，从而在一定程度上降低了研究该领域问题的深度与广度。 优化的范围向两端发展，过于“宏观”、过于“微观” 目前，水资源优化的范围有的过于“宏观”向大流域方向发展：有 的过于“微观”向一个特定的行业内部方向发展。特别在农业领域，农 业灌区水资源优化理论上已经相当完善。但介于两者之间的，特别是城市( 包 括所辖郊区) 的水资源优化，还没有得到相当的重视。 1 3 课题的研究意义与主要内容 1 3 1 课题的研究意义 鉴于目前水资源优化配置的范围过于“宏观”、过于“微观”。笔者尝试 对城市( 包括所辖郊区) 这一目前涉及较少的领域进行水资源的优化配置， 本次配置基于可持续发展的原则，以可持续发展理论为指导思想，运用系统 分析理论与多目标优化技术，避开传统的以供水、排水工程为重点的水资源 管理模式，将有限的水资源在城市( 包括所辖郊区) 各用水部门进行最优分 第一章绪论 配，从而获得社会、经济、环境协调发展的最佳效益。其研究意义为 ( 1 ) 促进城市水资源的合理有效利用； 促进工程水利向资源水利转变； 廷促进人口、资源、环境、经济协调发展： ( d 促进大系统多目标优化理论与方法探讨； ( d 对其他资源分配有一定的参考价值。 1 3 2 本课题研究的主要内容 由于水资源优化配置涉及到供水管理和需水管理的方方面面，各方面的 联系、矛盾错综复杂。本次研究又是以往涉足较少的城市( 包括所辖郊区) 的备用水部门之间进行水资源的优化分配。所以本次研究首先要论述清楚城 市多种水资源优化配置的基本概念问题，然后选取能代表城市发展水平且能 用水资源量来量化评价的项，从而确定解析模型并通过求解来获得最优配置 方案。其主要研究内容如下： 水资源优化配置的多目标优化体系的构建，分析城市发展水平的具 体量化评价项； ( d 分析以往“宏观”、“微观”优化模型的优缺点，然后根据( d 的目标 体系构建多目标优化模型； ( d 寻求适合城市水资源优化配置的多目标优化模型的求解方法； ( d 搜集、统计整理所选城市的有关资料，并在实例验证中对所选择城 市目标年的相关数据进行预测，通过( d 建立模型实例，通过中 选定的方法予以求解。 第二章城市多种水资源优化配置目标体系的构建 第二章城市多种水资源系统优化配置目标体系的构建 本文研究的主要对象是以可用水资源及用水部门为主体面构成的一种特 定的水资源优化配置系统，是处在一定范围或环境下，在一定的目标或约束 下为实现各类水资源的优化利用问题。这就要求我们在优化配置过程中，对 所操作的系统有一个明晰的描述，本章即为笔者对城市多种水资源系统优化 配置的集中阐述说明。 2 1 多种永资源及配置系统的说明 2 1 1 城市多种水资源配置系统 研究城市水资源优化配置系统，第一步要明确的就是该系统所含要素及 要素之间的相互联系。这些要素是构成水资源优化配置的基本单元。城市水 资源优化配置系统主要由供水系统、需水系统及环境容纳系统组成。笔者于 图2 一l 中给出了水资源优化配置系统的要素关系图。 从图2 1 中可以看出，城市( 包括所辖郊区) 的水资源配置系统主要由 供水系统、需水系统和环境容纳系统三部分组成。其中 需水系统主要包括农业、工业、生活( 城市、农村) 及市政用水， 它在优化配水系统中处于核心地位，是供水系统供水的目的之所在。 ( d 供水系统的正常运转则是保证需水系统能正常工作的前提、基础。 本论文不涉及供水系统、排水系统的工程建设，只把供水系统所能供应的水 量、水质作为优化的对象。 ( d 容纳系统是水资源被利用过后的“容身”之所，消减人类利用水资 源过程中所产生污染的同时又作为供水系统的部分水源地，是联系城市供水 与排水( 本文不涉及) 的纽带，是水资源可持续利用必须“保护”的对象。 水资源配置系统在本质上与上述三个系统有所区别，它表现为人类 在面临事先可遇见或不可遇见的种种问题后，以人为的种种手段，协调各个 系统之间的关系。我们要做的水资源优化配置，就是要以这种人为的手段、 政策、法律、法规等，保证水资源环境、人类社会、经济的可持续发展。 第二章城市多种水资源优化配置目标体系的构建 l 一瞬j 图2 1 水资源优化配置系统要素关系图 2 1 2 三个子系统的组成 上一节中介绍了城市多种水资源系统的配置结构图，水资源的利用与处 理是贯穿三个子系统的一条中心线，而优化配置系统又以全局的观点对三个 子系统进行管理。这四个系统的简化关系图见图2 2 。 一一一 世硅 。1 一 图2 2 四个系统的简化关系图 呈 一 一黑 第二章城市多种水资源优化配置目标体系的构建 这条中心线中最重要的就是水资源的转化。供水系统将目前条件下可以 利用的水资源( 当然水资源的量和质是在持续发展的原则下，在水资源承载 力的允许范围之内) ，通过优化配置供给需水系统进行利用，利用后的水送至 污水处理厂，其中的部分可以重复利用，大部分排入容纳系统，完成水的循 环。 下面简要说明一下系统的组成要素。 ( d 供水系统 水源，主要有她表水( 包括本地地表水、外流域调水) 和地下水( 浅层 地下水、深层地下水、泉水等) 两种形式，部分地区还有海水淡化、主要供 部分工业用水，另外，污水厂的出水也可以作为二次水源进行利用。 注：本次论文所讨论的城市多种水资源优化配置，不包含各种取水构筑 物，水处理构筑物、泵站、输水管渠和管网、调节构筑物等的优化及投资。 用水系统 农业用水，指农业生产过程中，用于农田灌溉方面的水资源； 工业用水，指工矿企业在生产过程中，用于制造、加工、冷却、空调、 净化和洗涤等方面的水资源； 生活用水，指城市、郊区居民的家庭饮用、洗涤、做饭和清洁卫生用水 及工业企业、机关、学校、宾馆、餐厅、浴室等方面的水资源； 市政用水，指城市消防、浇洒道路和各类市政工程建设用水等方面的水 资源。 环境用水，指城市绿化、景观、河道等用水的水资源。 ( d 容纳子系统 容纳子系统既是水资源配最子系统中水的来源又是水的归宿，它接受直 接排放的污水或污水处理厂的排放废水。容纳子系统有的作为水的来源，有 的起景观河道的作用。 2 1 3 城市水资源配置系统的问题 4 3 文献【4 3 】归纳出了区域水系统普遍存在的问题，本文与之有部分相似之 处，故不再赘述，直接将结论引用并加以补充： 供水系统：地表水补给不足，影响水源水量；地下水开采过量，诱 发环境质量问题；水源水质污染，降低或破坏水源功能。 ( d 需水系统：工业发展迅猛、经济发展，增加用水量要求；节水水平 第二章城市多种水资源优化配置目标体系的构建 较低，影响用水效率。 容纳系统：取水量过大，环境用水失衡，影响可持续发展：水质污 染严重，超出水资源承载力，影响水体功能。 2 2 城市多种水资源优化配置理论 2 2 ，1 优化配置理论的基本概念 笔者参考了文献【4 习中有关水资源优化配置的概念，并通过查阅其他资 料，给出了城市多种水资源优化配置的定义：在本城市( 包括所辖郊区) 范 围内，在特定的目标时间段内( 现在及未来) ，以有效、公平和可持续性的原 则，对本区域内在水资源承载力范围内有限的、可以利用的、不同形式和质 量的水资源，通过各种工程技术和管理措施，统一调配并在各个用水部门之 间进行科学的分配，从而促进社会、经济、环境的协调发展，在水资源承载 力所允许的范围内最大程度的实现、体现水资源的承载力。 从笔者所绘出的定义可以看出，城市水资源优化配置基本包括两方面的 内容：一，需求方面，欲通过调整产业结构，通过技术手段提高节水水平， 抑制需水增长，以适应目前情况的水资源状况；二，供给方面，通过人为强 制手段，协调各项竞争用水，给不同效益、节水水平的用水部门以不同的配 水额。本论文即从以上两个方面来研究问题，首先根据所建模型给不同用水 部门分配用水量，然后根据所分配的水量为调整产业结构等提供建议。 2 2 2 优化配置的理论原则m 1 水资源优化配置应遵循有效性、公平性和可持续性原则。 有效性从纯经济学的观点可解释为：水是有限的资源，经济部门对其使 用并产生回报。经济上有效的水资源分配，是水资源利用的边际效益在各用 水部门中都相等，以获得最大的社会经济效益。换句话说，在某一部门增加 一个单位的水资源利用所产生的效益，在任何其他部门也是相同的。否则， 社会将把这部分水资源分配给能产生更大效益或回报的部门。但这里所说的 有效性并不单纯指经济意义上的有效性，它同时包括社会效益和环境效益， 是针对能够使经济、社会与环境协调发展的综合利用效益而言的，因此，其 目标应包括社会的、经济的与环境的目标。优化配置就要考察各个目标之间 的竞争性与协调状况，以满足真正意义上的有效性原则。 第二章城市多种水资源优化配置目标体系的构建 公平性以满足不同区域间和区域内社会各阶层间以及个人间对水资源及 其效益的合理分配利用为目标。它也许遵循有效性原则，也许与有效性有冲 突，实质上，它既体现为一种权利，也体现为一种义务。在我国，水资源属 国家( 全民) 所有，即人人都是水资源的主人，人人都有使用水的权利( 尤 其是在基本生活用水方面，原则上应人人均等) ，同时，人人都有保护水资 源的义务，“谁浪费，罚谁款；谁污染，谁治理：谁破坏，谁负责”。其实， 各个目标的协调发展在某种意义上也是公平性的体现。 可持续性原则，其目的是为了能使水资源永续地利用下去，也可以理解 为代际间水资源分配的公平性原则。它要求近期与远期之间、当代与后代之 间在水资源的利用上需要有一个协调发展、公平利用的原则，而不是掠夺性 地开发和利用，甚至破坏。即当代人对水资源的利用，不应使后代人正常利 用水资源的权利遭到破坏。由于水资源是一种特殊的资源，是通过水文循环 得到恢复与更新的，不同赋存条件的水资源，其循环更新周期不同，所以应 区别对待。例如，地下水( 尤其是深层地下水) ，其循环周期十分长，故而 其资源量大体是一个常数，过度开发会在质量与数量上影响子孙后代对水资 源的利用，还会引起一系列生态环境问题。因此，可持续性原则要求一定时 期内其开采量不大于其更新补充量。对地表水，由于水文循环比较频繁，当 代人不可能少用一部分水资源而留给后代人使用，若不及时利用，就会“付 之东流”，但也不可能提前支用下一代人的水资源。当代人的主要任务是如 何保护水资源的再生能力，只要当代人的社会经济活动不超过区域水资源的 承载能力，并且污染物的排放不超过区域水环境容量，便可使水资源的利用 满足可持续性原则。 2 3 城市多种水资源优化配置目标体系的构建 欲建立城市多种水资源优化配置的目标体系，就应该明晰城市可持续发 展的指标体系，然后在城市多种水资源优化配置定义、原则指导下，建立水 资源优化配置的目标体系。 2 3 1 城市可持续发展指标体系4 7 4 8 】 城市可持续发展涵盖了一定城市经济、社会、环境等各个方面，其宗旨 在于促进人类社会与生态系统间的和谐兼容，而经济、社会及环境本身都应 具备可持续发展的性质。“经济可持续发展”的根本问题是要解决在经济发展 第二章城市多种水资源优化配置目标体系的构建 和增长过程中的资源开发和分配衍生的矛盾，当中有涉及到科技水平和人群 利益的分配等问题。从“社会可持续发展”来看，持续发展建立在集体公平、 意识通达、对文化特性的肯定、对社会多元活动的参与等因素上。而经济和 社会的可持续发展最终都会聚焦于“环境可持续发展之上”，经济、社会与环 境三者应具备良好的协调统一性( 见图2 3 ) 。城市可持续发展指标体系的 准则层分为经济子系统、社会子系统和环境子系统，子系统下分域，域下为 要素层。文献f 4 7 中给出的城市可持续发展指标体系框架见表2 一l 城一m 讨j _ 坂监艇 图2 3 城市可持续发展作用关系示意图 2 3 2 城市多种水资源优化配置系统目标体系的构建 根据2 3 1 节表2 一l 城市可持续发展指标体系框架，笔者进行了总结分 析，总结并补充了其中与城市水资源相关的项，见表2 2 。 又根据2 1 3 节笔者从供水系统、需水系统、容纳系统总结的城市水资源 配置系统的问题，可以看出，水资源优化配置问题是多目标的优化问题，其 目标不是追求某一对象或方面的效益最好，而应追求整体效益最好。按照城 市可持续发展指标体系框架，水资源优化配置的目标基本上可以归纳为三个 方面：即经济目标，社会目标，环境目标。因此理论上，其目标函数表现为 t g = m a ) 【陋c ( 叻xs o ( w q ) 。勘慨) ( 2 1 ) 式中，丁g 城市水资源优化配置的总目标 明一水资源向量，由不同质量、数量和开发利用形式的水资源组 成 点0 一城市水资源配置所得经济效益 第二章城市多种水资源优化配置目标体系的构建 舶一城市水资源配置所得社会效益 凸一城市水资源配置所得环境效益 表2 一l 城市可持续发展指标体系框架 准则层 领域层要素层 经 经济总体实力g d p ，粮食产量，g d p 年均增长率 济经济结构 工业化系数，第三产业系数，高新技术产值比重 子 经济效益 人均g d p ，工农业劳动生产率，工业资金利用率 系 经济外向性人均实际利用外资，工业企业出口产值比重 统 经济集约性单位耗水g d p 产出，单位g d p 废水排放量 人口指数 人口密度、自然增长率、从业人口比重，平均寿命 社 基础设施 人均道路长度、面积、住房面积 会 资源配置 人均生活用水量，每万人客运量 子 生活水平城镇、农村人均收入、人均社会商品零售额、储蓄额 系 教育水平教育经费占g d p 比重人均教育年限，儿童入学率 统 社会保障 高低收入比，养老保险、医疗保险覆盖率，失业率 科技水平 研究与发展经费占g d p 比重。科技成果转化率 环境 城市环境 c o d 排放量，t s p 浓度、s 0 2 浓度，道路等级等 子 环境控制工业废水捧放量、处理率、综合利用率等 系统 生态环境人均耕地面积，人均公共绿地面积等 注：本表含文献【卅中城市可持续发展指标体系框架表的部分内容。 具体优化配置目标为： 经济目标： 供水经济效益最大，包括工业( 包括第三产业) 产值、农业产值等， 它能全面客观的衡量一个地区的经济发展状况，并可以与其他国家 或地区进行横向比较。 社会目标： 城市所辖粮食产区的粮食产量最大，它兼有经济目标与社会目标， 但主要的还是社会目标，因为农业是国民生活的基础，同时又是用 水最大的部门，粮食产量的多少，在一定程度上关系到社会的安定 第二章城市多种水资源优化配置目标体系的构建 状况。 城市( 包括所辖郊区) 就业人口数最多，它在城市可持续发展指标 体系框架中，是以从业人口比重来显现的。从业人口比重，关系到 社会的稳定，经济的发展。 表2 2 城市可持续发展指标体系框架中与城市水资源关系密切部分 准则层领域层要素层 经济经济总体实力g d p ，粮食产量 子 经济结构 工业化系数，第三产业系数，高新技术产值比重 系统 经济效益人均g d p ，工农业劳动生产率 经济集约性单位耗水g d p 产出，单位g d p 废水排放量 社会 人口指数从业人口比重 子 资源配置 城镇、农村人均生活用水量 系统 基础设施人均道路长度、面积、住房面积 环境 城市环境c o d 排放量，t s p 浓度、s 0 2 浓度，道路等级等 子 环境控制工业废水捧放量、生活污水排放量、处理率 系统 生态环境人均耕地面积，人均公共绿地面积。景观河道等 环境目标： ( d 城市重要污染物( c o d ) 排放量最小，以c o d 排放量作为目标之 一，是因为污染物的排放，与生产、生活、环境息息相关，比较适 合描述区域社会经济活动对水环境的影响。 城市生态环境用水量最大，生态环境用水量的多少，