（环境工程专业论文）荣县水资源优化配置研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 水是人类赖以生存和发展的重要资源，孕育和维持着地球上的全部生命。 当今世界，随着人口的不断增长和经济的不断发展，淡水资源的需求量不断 增加同时，由于某些不合理的开发利用，使得淡水资源短缺的问题日益加剧。 如何根据水资源现状及社会经济发展战略需求，科学合理开发利用、优化配 置水资源，己成为当前需函待解决的水资源问题。 本文针对四川省荣县的实际情况，分别对水资源需求预测方法、多目标 优化模型以及该模型在水资源优化配置中的应用等问题进行了研究，论文主 要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 从水资源优化配置的内涵和实施的意义入手，系统论述了水资源优 化配置的基本原则和任务等基本理论，着重讨论了水资源优化配置的多目标 性，并针对这种特性研究了多目标规划模型下水资源优化配置模型的建立和 求解。 ( 2 ) 对荣县水资源现状进行了调查评价。调查发现，荣县水资源并不丰 富，且水资源的天然时空分布与生产力布局不相适应，同时各用水部门对水 资源形成无序竞争性使用，制约了国民经济的可持续发展。从水质来看，主 要地表水体水质总体良好，但水污染有加剧水质恶化的趋势。 ( 3 ) 探讨了需水预测的原则和各用水部门的用水趋势，同时也介绍了各 种需水预测方法，如人工神经网络模型预测、灰色预测方法以及在实际中经常 采用的指标分析法等，经用这些方法对荣县各项需水量进行预测，并结合现 状及待建水利工程供水情况进行了供需平衡分析，针对存在的供需矛盾，提 出解决的基本途径。 ( 4 ) 在前几章讨论的基础上，对荣县水资源进行了优化配置。在配置过 程中，详细探讨了用德尔菲法确定各部门用水综合效益，得出了其他用水部 门相对于单位工业用水效益的折算系数，在确定其他参数后，形成多目标优 化模型，进而调用m a t l a b 优化工具箱中的f g o a l a t t a i n 函数对模型进行了求 解，形成了优化配置的最优方案。 关键词水资源；优化配置：多目标；需水预测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 - _ ii mi i i _ - _ - - - 一 a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c e si se s s e n t i a la n di m p o r t a n tt h a ts u p p o r t sh u m a n i t y s d e v e l o p m e n t ，b r e e d sa n dm a i n t a i n sa l it h ei i f eo nt h ee a r t h n o w a d a y s ， a l o n g w i t ht h e u n c e a s i n gp o p u l a t i o ng r o w t h a n dt h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，t h ew a t e rr e s o u r c e sd e m a n di n c r e a s e su n c e a s i n g l y a tt h e s a m et i m e ，a tar e s u l to ft h eu n r e a s o n a b l eu s i n g ，t h es h o r t a g eo fw a t e r r e s o u r c e si si n t e n s i f y i n gi n c r e a s i n g l y h o wt oe x p l o i ta n du t i l i z ew a t e r r e s o u r c e sr e a s o n a b l y ，a n da l l o c a t et h e ms c i e n t i f i c a l l yo nt h eb a s i so ft h e e x i s t i n gc i r c u m s t a n c eo fw a t e rr e s o u r c e sa n dt h es t r a t e g i c a ld e m a n do f s o c i a la n de c o m o m i cd e v e l o p m e n t ，h a sb e c o m ea ne m e r g e n tp r o b l e m s h o u l db es o l v e d a c c o r d i n g t ot h ea c t u r a ls i t u a t i o no fr o n gc o u n t yo fs i c h u a np r o v i n c e ， t h ep a p e rt h o r o u g h l yd i s c u s s e st h ew a t e rd e m a n dp r e d i c t i o nm e t h o d s ，t h e m u l t i - o b j e c t i c e so p t i m a lm o d e la n dt h ea p p l i c a t i o no ft h em o d l ei no p t i m a l a l l o c a t i o nq u s t i o no fr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e s s e v e r a la s p e c tc o n t e n t sa r e i n c l u d e di nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ( 1 ) t h ep a p e rs t a r t sw i t ht h em e a n i n ga n dt h es i g n i f i c a n c eo fo 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 s ，t h e nd i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r yo fo 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 sb yt h e n u m b e r s ，i n c l u d i n gt h e b a s i c p r i n c i p l e sa n dt h et a s k e s p e c i a l l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ec h a r a c t e ro f m u l t i o b j e c t i c e s i nt h e o 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 s ，a n d r e s e a r c h e st h e o 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 sb a s e do n m u l i t i - o b j e c t i v e so p t i m a lm o d e la n dt h es o l u t i o no ft h em o d e la c c o r d i n gt o t h i sc h a r a c t e r ( 2 ) t h ea c t u a l i t yo fw a t e rr e s o u r c e si nr o n gc o u n t yi si n v e s t i g a t e da n d e v a l u a t e d i ti sf o u n do u tt h a tw a t e rr e s o u r c e si sn o tr i c hi nr o n gc o u n t y , a n dt h a tt h en a t u r ed i s t r i b u t i n go fw a t e ri ns p a c ea n dt i m ei sn o ts e a s o n e d w i t ht h ed i s t r i b u t i o no f p r o d u c t i v i t y a t t h es a m et i m e ，w a t e ru s i n g d e p a r t m e n t sc o m p e t e f o rw a t e r o u t o f o r d e r , w h i c h r e s t r i c t e st h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 d e v e l o p m e n to fc o u n t r yn a t i o n a le c o n o m y f r o mt h ew a t e rq u a l i t ya s p e c t 。 w a t e rr e s o u r c e si nr o n gc o u n t yi st u r n e dt ob ew o r s ea sar e s u l to f p o l l u t i o n ，t h o u g hm o s tw a t e ri sa l lr i g h t ( 3 ) t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h ep r i n c i p l e so ft h ew a t e rd e m a n d p r e d i c t i o na n dt h ed e m a n dt r e n do fe a c hw a t e ru s i n gd e p a r t m e n t a tt h e s a m et i m e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m ep r e d i c t i o nm e t h o d s ，s u c ha st h e m o d e lo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) ，g r e yp r e d i c t i o na n dg u i d el i n e a n a l y s i sw h i c hi so f t e nu s e d a f t e rc o m p a r i n g ，t h ea u t h o rc h o s e st h e m e t h o do fg u i d el i n ea n a l y s i st op r e d i c tt h ew a t e rd e m a n di n2 0 10a n d 2 0 2 0 ( 4 ) t h eo p t i m a la l l o c a t i o n o fw a t e rr e s o u r c e si nr o n gc o u n t yo f s i c h u a np r o v i n c ei st a k e na st h e a p p l i c a t i o ne x m p l e b a s e do n t h e a n a l y s i so ft h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e sa n dt h e s u p p l ya n dd e m a n db a l a n c ei nt h ep l a n e dy e a r sa c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n g a n d p l a n i n gw a t e rc o n s e w a n c y ，t h ep a p e re s t a b l i s h e st h eo p t i m a l a l l o c a t i o nm o d e io fw a t e rr e s o u r c e sb a s e do nm u l i t i o b j e c t i v e so p t i m a i c h a r a c t e r f i n a l l y ，t h em o d e li sc o m p u t e dw i t hf g o a l a t t a i nf u n c t i o n i n m a t l a bo p t i m i z a t i o nt o o l b o x b ys e t u p i n gd i f f e r e n ti n i t i a lv a l u e sa c c o r d i n g t ot h ep o n d e r a n c eo fe a c hp a r t m e n t ，t h ea l l o c a t i o ns c e n a r i oi sp u tf o r w a r d k e yw o r d sw 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 ；m u l i t i - o b j e c “v e s ；w a t e r d e m a n dp r e d i c t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 弓乖曩 指导老师签名： 寸琢百父 日期： 沙。滩岁自1 。p 日期：矽寸年f a 弓。p 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 运用模型的方法对水资源的优化配置问题进行研究和求解 2 在多目标规划模型中引入各用水部门用水综合效益系数，以解决各目标之间 的不可公度性。 易根 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 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。随着人口的增长、社会经济的发展和人民生活水平的提高，有限 水资源供给量和不断增长的需求量之间已形成尖锐矛盾，这一矛盾在城市展 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 形成的主要原因。 ( 1 ) 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 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。我国水资源总量2 8 1 2 4 亿m 3 ，居 世界第5 位，人均水资源量2 1 6 3 m 3 ，相当于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。尤其在干旱的北方 地区，水资源供需矛盾己成为国民经济和社会发展的制约因素。 ( 2 ) 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，工业废水和生活污水排放量 的急剧增加，未经处理的污水任意排放，污染了水环境，进一步加剧了水资 源的短缺。据有关资料【1 1 ，全世界每年排放的污水约4 6 0 亿m 3 ，使5 5 0 0 0 亿m 3 的水体受到污染。我国水污染问题极其严重【2 】，1 9 9 1 年全国污水排放 总量3 3 6 亿吨，其中工业废水占7 0 ，约有一半的工业废水达不到排放标准， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 生活污水占3 0 ，污水处理率不到1 0 。对5 3 2 条河流监测，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 染严重己成为我国不少地区和城市生存与发展的巨大障碍。 ( 3 ) 水资源浪费巨大，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，这是工业用水浪费的主要原因。例如，我 国平均吨钢耗水量为7 0 1 0 0 m 3 ，而法、美、日吨钢的耗水量分别为3 7 5 m 3 、 4 0 m 3 和2 1 m 3 ，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【2 】，供水管道损失率一般在5 1 0 ，有的城市 高达1 5 以上。全国面言，这项损失和浪费就不小。 针对面临的水资源问题，水利部提出了从传统水利向现代水利1 3 l 、可持 续发展水利【4 j 转变的新的治水思路，即把水问题放在整个经济社会发展的全 局中进行统筹考虑，处理好人与自然的关系，协调好生活、生产和生态用水， 合理配置水资源，慎重论证重大水资源工程的合理布局，建立防洪安全、供 水安全和环境安全的保障体系。通过水资源的优化配置，满足经济社会发展 的需求，以水资源的可持续利用支持经济社会的可持续发展。由此可见，水 资源优化配置在解决水资源问题中起到了重要的作用。 1 2 国内外研究现状 由于水资源系统受到自然、社会、经济多方面因素的制约与影响，它们 之间存在着错综复杂的矛盾，因此，国内外水资源研究工作者对水资源系统 的研究大多采用系统分析和模型规划的方法，用模型的方法来规划优化水资 源开始于2 0 世纪的中后期，国外有近5 0 年的历史，而我国发展则较晚【5 同。 1 2 1 国外水资源优化配置研究 国外在水资源配置方面的研究起步较早。美国是最早将系统分析方法应 用于水资源规划和管理中的国家，研究成果非常丰富。在内容上，从水库优 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 化调度，到流域水资源综合规划及管理，区域水资源开发利用设计、旱涝灾 害应对与防治、流域水环境管理等；在分析方法上，从简单水资源系统到复 杂大规模水系统，从单目标、确定型问题到多目标、随机型和风险型问题； 在技术手段上，从单纯借助于数学模型到计算机数字化管理、信息控制理论、 人工智能技术与数学模型的结合运用。这些为世界其它国家的水资源开发利 用了典范。 国外水资源规划配置模型的研究过程大致分为以下四个阶段【7 1 4 j ： ( 1 ) 模型理论探索阶段( 4 0 6 0 年代) ，最初以水资源系统分析为手段， 水资源合理配置为目的的研究工作，源于2 0 世纪4 0 年代m a s s e 提出的水 库优化调度问题。这一阶段主要是提出一些设想，探索经济目标、工程分析 与政府决策间的关系，始于美国、日本，继而加拿大、以色列、荷兰等国。 如b a n k s ( 1 9 5 3 年) 指出了地下水一地表水联合运用会产生经济效益；c a s h e 和l i n d e d o r y ( 1 9 6 0 年) 应用线性规划优化分配两个农业区的地表水和地下 水；美国经济学家l e o n t i e f ( 1 9 6 6 1 9 6 9 年) 对美国西部各州各产业部门 的水资源供需问题进行经济研究，建立了投入产出分析与水资源优化管理模 型等。这一阶段主要是将地下水系统作为集中参数系统来处理，使用的数学 方法主要是数学规划。 ( 2 ) 模型理论发展及成熟阶段( 7 0 年代) ，随着计算机技术的发展，许 多学者把数值模拟与最优化技术结合起来，研究成果不断增多。最早系统地 研究水资源分配理论和方法的专著是n 伯拉斯于1 9 7 2 年所著的水资源科 学分配。7 0 年代早期建立的模型，主要考虑的是地下水含水层本身的特性 以及与地表水的转换关系，很少考虑社会效益、经济效益和环境效益，规划 模型的目标函数多是单目标，在此期间出现的模型中，有较典型的物理模型 与数学模型相结合的网络模型；7 0 年代后期，出现了多目标管理模型，较全 面地考虑了水资源系统的特征和社会、经济、环境等因素的联合优化问题。 例如k a p h a n 、h a i m e s 和y u 等对大型复杂地下水资源管理，就是采用大系 统、多级、多目标的建模方法进行研究。 ( 3 ) 模型推广应用阶段( 8 0 年代) ，到了8 0 年代，水资源分配的研究 范围不断扩大，深度不断加深。8 0 年代初，l o u c k s 等在其专著水资源系 统规划与分析中着重阐述了如何运用系统分析方法指导水资源工程规划、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 设计和运行管理，并认为，人类对时空分布恰当、数量质量合适的水资源需 求的不断增长，己促使水资源工程师和规划者们必须运用更为复杂的水资源 系统规划方法解决水资源问题。1 9 8 2 年p e a r s o n 等利用多个水库的控制曲 线，以最大产值、输送能力和预测的需求值作为约束条件，用二次规划方法 对英国n a w w a 地区的用水分配问题进行了研究。而后，英国学者 p w h e r b e r t s o n 等针对潮汐电站的特点，考虑利益的相互矛盾，利用模拟模 型对潮汐海湾的新鲜水分配进行了模拟计算。 ( 4 ) 模型实用性研究阶段( 9 0 年代以后) ，进入9 0 年代，人们开始研 究如何利用水资源，在保证最大经济效益的同时，保持良好的生态环境和社 会环境。作为一个实用的模型必须实现技术上先进、生产上可行、经济上合 理三方面的统一。从己建模的数量上看，还是地下水管理模型居多。从数学 方法上看，随着协调对策论( c o o r d i n a t eg a m et h e o r y ) 的不断发展和应用， 将会使水资源规划模型的研究取得新的进展，从而提高决策方案的利用率。 19 9 7 年w o n g ，h u g h s 等提出支持地表水、地下水联合运用的多目标多阶段 优化管理的原理方法，在需水预测中要求地下水、当地地表水、外调水等多 种水源联合运用，并考虑了地下水恶化的防治措施。9 0 年代，由联合国出版 的水与可持续发展准则：原理与政策方案充分分析了水资源与经济杜会 发展的关系以及在亚太地区所取得的成功实例，确定了水资源开发在可持续 发展中的基本准则和地位，明确指出：水资源与经济社会发展紧密槽连，其 多行业属性和多用途特性使在可持续发展过程中的水资源工程规划与实施变 得极其复杂。 1 2 2 国内水资源优化配置研究 早在上世纪8 0 年代初，区域水资源优化配置问题在我国已引起足够重 视，经过2 0 多年的研究已取得了不少成果【1 5 _ 3 2 1 。我国学者根据问题的特点， 水资源优化配置范围、对象和规模的不同，把水资源优化配置分为以下几个 类型： ( 1 ) 灌区水资源优化配置。利用系统理论与方法，以灌区经济效益最大 或供水量之和最大为目标函数，以作物种植面积或各用水量为决策变量，建 立多水源联合优化调配模型。如贺北方等的多库多目标最优控制运用的模 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 型与方法、黄振平等的陈垓引黄灌区渠系优化配水的初步研究。向丽等 的大型灌区水资源优化分配模型研究、马斌等的多水源引水灌区水资源 调配模型及应用。 ( 2 ) 城市水资源优化配置。针对某一个具体城市，建立多水源多目标优 化模型。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。2 0 0 0 年辛玉琛等应用现代系统分析理论，建立长春市多 水源联合供水的优化管理模型，吴险峰等探讨了北方缺水城市枣庄，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。2 0 0 2 年张雪花等应用 系统动力学一多目标规划整合模型对秦阜岛市水资源进行规划管理。2 0 0 3 年陈守煜等利用与宏观经济协调发展规划多目标群决策模型与方法规划管理 大连市水资源。 ( 3 ) 流域水资源优化配置。这是针对某一特定流域范围内的多种水源优 化分配问题。1 9 9 6 年由黄委员会勘测设计研究院主持的“黄河流域水资源合 理分配和优化调度研究”中，开发建立了包括数据库、模拟模型、优化模型等 决策支持系统，并初步研究了黄河干流水库联合调度模型。2 0 0 0 年徐慧等为 使大型水库群在大范围暴雨洪水期间综合效益达到最优，采用动态规划模型 求解淮河流域大型水库群的联合优化调度问题。 ( 4 ) 区域水资源优化配置。区域是社会经济活动中相对独立的基本管理 单位，其社会经济具有明显的区域特色。1 9 8 8 年贺北方提出区域水资源优化 分配问题，建立了大系统序列优化模型，采用大系统分解协调技术求解。1 9 8 9 年吴泽宁等以经济区社会经济效果最大为目标，建立了经济区水资源优化分 配的大系统多目标模型及其二阶分解协调模型，采用多目标l p 技术求解， 并以三门峡市为实例进行验证。翁文斌，蔡喜明，王浩等人( 1 9 9 5 ) ，将区 域水资源规划纳入宏观经济范畴，阐述了基于宏观经济的区域水资源系统的 概念，并以此为基础，建立的区域水资源规划多目标集成系统。1 9 9 9 年邱林 建立了宁陵县三层递阶大系统优化配水模型，并将该县水资源在各分区、各 作物间进行最优分配。2 0 0 4 年马建琴等从可持续发展的角度，利用多目标优 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 化管理模型对区域农业水资源进行规划配置。 ( 5 ) 宏观经济多目标水资源系统分析。它是将水资源系统纳入宏观经策 支持系统。1 9 9 4 年，蔡喜明等在基于宏观经济的区域水资源多目标集成系统 中，集预测、模拟、优化和决策等功能为一体，建立了区域水资源规划分析 系统。1 9 9 6 年高振宇建立了北京市宏观经济水资源多目标分析系统，实现了 多目标、群决策过程的计算机化。2 0 0 0 年由王劲峰等提出以时空运筹模型为 核心的决策判断过程透明和分层交互的透明交互决策系统，该系统包括三大 相互关联的模块：区域社会经济发展目标模块、水资源供给模块、总量时空优 化模块。用户可以使用此决策系统找到研究区社会经济发展与水资源协调的 方案。 同时，从供需关系的角度，王久顺等【3 3 】又把水资源优化配置的理论研究 分为四个阶段，。以需定供”的水资源配置、“以供定需”的水资源配置、基于宏 观经济的水资源配置和可持续发展的水资源配置，理论研究越来越完善，越 来越理想。 与理论研究相伴而生，优化配置模型也在不断完善，特别是进入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 水资源优化配置模型已不能满足需要，国内外开始注重水质约束、环境效益 以及水资源可持续利用。目前，多目标优化模型较为成熟，应用也较为广泛。 陈守煜等以大连市水资源利用与宏观经济协调发展为研究角度，建立了多目 标群决策模型与方法，蔡喜明等研究了基于宏观经济的区域水资源多目标集 成系统，王丽婧等采用基于i m o p 进行流域环境与经济系统的规划，贺北方 等应用多目标最优控制灌区水库等的调用与调节，这些都是很成功的研究与 应用。 从求解方法上看，水资源优化模型多采用传统的经典优化方法。如文献【1 8 】 建立的模型为一线性规划模型，采用常规的l p 应用软件包。文献【1 刀中对两 层大系统优化模型采用分解协调技术，子系统优化采用广义简约梯度法。文 献i z 训的整体优化采用大系统分解协调，地表水库优化采用增量动态规划方 法，地下水优化采用单纯形法求解。蒋业放在文献旧4 1 中对水资源可持续利 用规划藕合模型中的多目标线性规划模型采用逐步法求解。由于遗传算法 ( g a ) 对于离散、高次非线性、非凸问题显示的优越性，我国一些学者对遗传 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 算法在水利系统优化中的应用进行初步的研究，如方红远等【3 5 l 阐述了多目标 决策遗传算法( m o d g a ) 的应用，采用了浮点向量表达解的结构，并定义适应 度为任一目标与理想点的距离，使用g a 求解苏北平原湖区的水资源多目标 系统优化运行问题。 1 2 3 目前存在的问题 纵观国内外水资源优化配置的研究，其研究历史不过四十多年。在各国 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，发展到大规模、多目标的流域、区域水资源优化配置。水资 源优化配置研究和应用虽然取得了一定的成绩，但毕竟研究时间很短，还存 在很多问题和不成熟的地方。 ( 1 ) 水资源优化配置的理论体系尚不完善 水资源优化配置的理论体系是指针对水资源优化配置所建立的理论、方 法及其在此基础上形成的完整的体系。由于涉及到自然、经济、社会以及生 态环境等众多领域，国内外虽然在水资源的各个单项技术上，如区域水资源 战略、防洪、水环境、灌溉、节水等方面进行了深入而广泛的研究，但对水 资源优化配置的基本概念、基本原理、基本分析方法等尚未形成一个较为完 善的体系。人们多是停留在利用相关词汇，而并未追究其真正含义的程度上。 这样，在水资源的优化配置实施中常常缺乏理论依据和科学基础。 ( 2 ) 未真正体现可持续发展的原则 虽然关于水资源优化配置的概念由来己久，但是它解决水资源问题的作 用常常并不像人们想象的那么大。其中原因之一就是，由于目前水资源紧缺 的现状，在建立水资源优化配置模型时，很难充分考虑社会经济水资源环 境的协调发展，即难以充分体现可持续发展的思想。这主要是由于人们对可 持续发展思想的认识、理解和普遍接收也就是最近二十几年的事。因此，今 后的水资源优化配置应该保证社会经济水资源环境的协调发展，以使社 会、经济、环境三者的综合效益最大。这也是面向可持续发展的资源优化配 置研究的目标。具体而言，应该研究环境效益、社会效益的具体评价和量化 方法，以及经济发展与水资源利用、环境保护之间协调程度的评价和量化方 法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 3 ) 现实应用很少、实施难度较大 虽然对水资源优化配置的研究不少，但现实中的应用却很少，实施起来 难度很大。一些算法应用到实际工程中效果并不十分理想，使得新的算法难 以推广应用。 1 3 本文研究的主要内容 我国对水资源配置问题的真正关注和研究，是在9 0 年代出现水危机、水 己经成为很多国家和地区制约社会经济发展的资源瓶颈的情况下开始的。由 于研究历史并不长，水资源优化配置的理论体系尚不完善，目前仍处在发展 之中。本文在总结分析前人研究成果的基础上，对水资源优化配置理论及应 用进行了探索和研究。主要工作为对荣县水资源进行详细调查评价，进行水 资源分区，结合需水和供水情况分析，运用多目标规划模型对各分区水量到 各用水部门的分配进行优化。 主要有以下内容： ( 1 ) 阐述水资源优化配置问题提出的背景，指出其研究意义，对国内外 的研究历史和现状进行简单的介绍，并指出目前存在的主要问题。 ( 2 ) 水资源优化配置理论。从水资源优化配置的内涵和实施的意义入手， 系统论述了水资源优化配置的基本原则和任务等基本理论，着重讨论了水资 源优化配置的多目标性，并针对这种多目标性研究了水资源多目标优化配置 模型的建立和求解。 ( 3 ) 荣县水资源现状调查评价。按照自然地理特点和社会经济发展状况， 结合区域水资源条件，对研究区进行了水资源利用分区。按不同分区的不同 分别对水资源的数量和质量进行了调查。 ( 4 ) 荣县需水量预测与供需平衡分析。探讨了需水预测的原则和各用水 部门的用水趋势，同时也介绍了各种需水预测方法，如人工神经网络模型预 测、灰色预测方法以及在实际中经常采用的指标分析法等，经用这些方法对 荣县各项需水量进行预测，并结合现状及待建水利工程供水情况进行了供需 平衡分析，针对存在的供需矛盾，提出解决的基本途径。 ( 5 ) 荣县水资源优化配置。在配置过程中，详细探讨了用德尔菲法确定 各部门用水综合效益，得出了其他用水部门相对于单位工业用水效益的折算 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 系数，在确定其他参数后，形成多目标优化模型，进而调用m a t l a b 优化工 具箱中的f g o a l a t t a i n 函数对模型进行了求解，形成了优化配置的最优方案。 ( 5 ) 结语与展望。对论文取得的主要成果进行总结，并指出今后需要进 一步加强研究的内容。 1 4 研究的技术路线 其研究技术路线如下： 课题相关相关图件数据准备 上 水资源利用分区 各分区水资源及开发利用情况调查评价 0 水资源需求预测 j1 l上1 l i 生产需水生活需水 生态需水环境需水 tt i 建立多目标规划模型 上 水资源配置方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章水资源优化配置模型研究 2 1 水资源优化配置基本理论 2 1 1 水资源优化配置的概念和意义 诸多文献【3 6 - 3 8 j 水资源优化配置这样定义：水资源优化配置是指在流域或 特定的区域范围内，运用系统工程理论和优化方法，以水资源的可持续利用 和经济社会的可持续发展为目标，遵循公平、高效、统筹兼顾和可持续利用 的原则，采取除害与兴利、水量与水质、开源与节流、工程与非工程措施相 结合的方法，通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段 和措施，对多种可利用水资源在区域间和各用水部门间进行最优化调配和分 配，力求水资源与其他资源合理配置，实现有限水资源的经济、社会和生态 环境综合效益最大【】。 从宏观上讲，水资源优化配置就是在水资源开发利用过程中，对洪涝灾 害、干早缺水、水环境恶化等问题的解决实行统筹规划，综合治理。实现除 害兴利结合，防洪抗旱并举，开源节流并重。并妥善处理上下游、左右岸、 干支流、城市与乡村、流域与区域、开发与保护、建设与管理、近期与远期 等各方面的关系。 从微观上讲，水资源优化配置包含三层含义：取水方面、用水方面以及取 水用水综合体系的水资源优化配置。取水方面有地表水、地下水、大气水、 土壤水、主水、客水、海水和污水再用等。用水方面有生态用水、环境用水、 农业用水、工业用水、生活用水等。各种水源、水源点和各地各类用水户形 成了庞大复杂的取用水体系，再考虑时间、空1 8 】的变化，实现水资源优化配 置就显得非常重要1 4 0 l 。 水资源优化配置就是要解决我国目前所面临的“水多( 洪涝灾害) 、水少( 干 旱缺水) 、水脏( 水环境污染) 的问题，水资源短缺和洪涝灾害要求水量在时间 和空间上合理调配，水环境污染要求水量和水质之间协调统一，经济社会的 可持续发展要求水资源能够可持续利用。水资源的优化配置研究可为水量和 水质在时间和空间上的合理调配和使用以及保障水资源的可持续利用提供科 学依据和对策、措施。因此，水资源的优化配置研究在解决我国的水资源问 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 题，实现水资源的可持续利用等方面均占有重要地位，对促进经济社会的可 持续发展具有重要理论和实际意义。 2 1 2 水资源优化配置的不同形式 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。 ( 1 ) 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；经济联系是复合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问的中介联 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。 ( 2 ) 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 统中各要素之问的数量配比或搭配。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 发利用要有个限度，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。 ( 3 ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 破坏与污染。 ( 4 ) 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，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 3 水资源优化配置的基本原则 根据水资源优化配置的涵义，水资源优化配置应遵循公平性、有效性、 可持续以及优先性的原则。 ( 1 ) 公平性原则。主要是指发达地区和落后地区在进行水资源分配时保 证公平公正的原则，它以满足不同区域间和社会各阶层间的各方利益进行资 源的科学分配为目标，要求不同区域( 上下游、左右岸) 之间的协调发展，以 及发展效益或资源利用效益在同一区域内社会各阶层中的公平分配。 ( 2 ) 高效性原则。主要是指水资源的高效利用。从水资源利用系统本身 的质和量与空间和时间上、从宏观到微观层次上、从开发、利用、保护水资 源及其环境同步规划和同步实施角度上综合配置水资源，从而取得环境、经 济和社会协调发展的最佳综合效益。效率是基于水资源作为社会经济行为中 的商品属性确定的。对水资源的利用应以其利用效益作为经济部门核算成本 的重要指标，而其对社会生态环境的保护作用( 或效益) 作为整个社会健康发 展的重要指标，使水资源利用达到物尽其用的目的。但是，这种高效性不是 单纯追求经济意义上的效益，而是同时追求对环境的负面影响小的环境效益， 以及能够提高社会人均收益的社会效益，是能够保证经济、环境和社会协调 发展的综合利用效益。这需要在水资源配置问题中设置相应的经济目标、环 境目标和社会发展目标，并考察目标之间的竞争性和协调发展程度，满足真 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 正意义上的高效性原则。 ( 3 ) 可持续原则。就是坚持可持续发展的原则，水资源可持续利用的出 发点和根本目的就是要保证水资源的永续、合理和健康的使用。水资源是一 种再生资源，具有时空分布不均和对人类利害并存的特点。对它的开发利用 要有一定限度，必须保持在它的承载能力之内，以维持自然生态系统的更新 能力和可持续地利用。流域是由水循环系统、社会经济系统和生态环境系统 组成的具有整体功能的复合系统。流域水循环是生态环境最为活跃的控制性 因素，并构成流域经济社会发展的资源基础。以流域为基本单元的水资源优 化配置，要从系统的角度，注重除害与兴利、水量与水质、开源与节流、工 程与非工程措施的结合，统筹解决水资源短缺与水环境污染对经济可持续发 展的制约。水资源的优化配置必须与流域或区域社会经济发展状况和自然条 件相适应，因地制宜，按地区发展计划，有条件地分阶段配置水资源，以利 环境、经济、社会的协调持续发展。 ( 4 ) 优先性原则。对于生活、生产、生态用水，生活用水优先，要在保 障人民生活、促进经济发展的同时维持和改善生态环境。对于连续枯水年和 特枯年的应急用水方案，应重点保障人民生活用水，兼顾重点行业用水，确 保应急对策顺利实施；对于开源、节流与保护，节流与保护优先。 2 1 4 水资源优化配置的任务 “配置”的一般解释为“配备、布置”。然而，如何实现水资源的优化配置， 实现水资源、生态环境和社会经济的协调发展，实现水资源的可持续利用， 在理论和应用上尚无成熟和完善的解决办法。因此，有针对性的开展水资源 优化配置的理论、模型和方法研究是非常必要的。 本文拟