（市政工程专业论文）城市水系统水量平衡模型与计算.pdf

摘要 摘要 城市水系统是城市化地区为水资源开发、利用、治理、配置、节约、防洪 等进行的取水、供水、输水、用水、排水、污水处理与回用，以及跨区域调水 等涉水事务的总称。随着经济发展、城市化进程加快和气候变化异常等，城市 面临着水资源供需矛盾突出、水环境恶化、洪涝灾害频繁等紧迫问题，社会经 济可持续发展受到制约。因此，对城市水系统进行深入研究，寻找解决城市水 问题的途径，是支撑城市可持续发展的重要内容。 本课题旨在建立综合的城市水系统水量平衡计算模型，作为开发利用新水 源、降低城市用水量、提高水系统效率解决城市水资源供需矛盾提供参考依据。 首先，分析了国内外城市水系统水量平衡模型研究进展，指出目前国际上 已出现水量平衡模型，并在此基础上加入氮、磷、悬浮固体等污染物质流动的 分析，指导对城市水系统的管理。国内在这方面仍以城市给水供需平衡、工业 水量平衡、流域水资源平衡模型研究与应用为主，而以城市区域为对象探讨综 合水系统的水量平衡模型还不多见。 其次，结合城市水系统特点，利用水量平衡理论分层次建立了城市水系统 模型，主要包括： ( 1 ) 分析了城市水系统中各个组分单元及其特征，从整体上把握各单元组 分间的联系，为城市水系统管理提供依据。 c 2 ) 基于水量平衡理论，分层次建立了。室内”、“室外”和“管网”等子 系统分析模型，其中定义了子系统目标，设定了各子系统时空界限，最终将各 个子系统单元量统一到城市整体研究之中。在构造的模型中，通过调整水量参 数，判断工程方案对系统水量的影响，以指导城市水系统设计和管理。 ( 3 ) 在城市水量平衡模型的基础上，利用e x c e l 开发了城市水系统水量平 衡综合计算软件，实现了城市水系统模型的计算和用户界面表达。 最后，以s h 市作为计算实例，运用模型软件得出了水量指标，并结合模型 方案提出了对该市水系统的改进办法，同时也证明了模型软件的实用性 关键词：城市水系统，水量平衡模型，层次分析，软件开发 a b s t r a c t u r b a nw i l i e rs y s t e mi s 锄i m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r et h a tb u i l tf o rw a t e rr e s o u r e x p l o i t a t i o n , w a t e ru t i l i t y , w a t e ra n dw s s t ew a t e rt r e a l m e n t , w a t e rd i s t r i b u t i o n , w a t e r c o n s e r v a t i o na n df l o o dp r o t e c t i o n t h ec h a l l e n g e sa 糟r e c o g n i z e d 鹊h i g hp o p u l a t i o n d e n s i t y , e c o n o m i cs u i * g ea g a i n s t1 e s 0 1 1 r c t ：s h o r t a g e , t h e r ei sac r i t i c a ls u b j e c to f s t u d r i n ga b o u tu r b a n w a t e rs y s t e m b yf a r , e c o n o m i cd e v e l o p m e n t , u r b a n i z a t i o na n dc l i m a t ec h a n g eh a v el e dt oa n i n c a e a s ei m b a l a n c eb e t w e e nw a t e r r e q u i r e m e n t a n d s u p p l y , e n v i r o n m e n t a l d e g r a d a t i o n , f l o o d i n gd i s a s t e r , e r e t h e r e f o r e ，a n a l y z i n gt h es u r p l u sa m o u n tw i t h i nt h e g a pi nu r b a nw a t e rs y s t e mi sn e c e s s a r y t h et h e s i sa i m sa tb u i l d i n g 龃i n t e g r a u x tu r b a nw a t e rs y s t e mm o d e lt oa n a l y s i s t h ea l t e r n a t i v em e t h o d st os o l v et h ei m b a l a n c ep r o b l e m , m e t h o d sr e f e rt oe x p l o r e w a t e rr e s o u l c e $ ，r e d u c ec o n s u m p t i o n i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd i s t r i b u t i o n , e t c t h e s t u d yi sd e v e l o p e da sf o l l o w s , s t u d i e so i lu r b a nw l l t c rs y s t e mm o d e lr e v i e w e d t h o u g ha d v a n c e dm o d e lh a d b e e nb u i l ta n da p p l i e dl a r g e l ya b r o a d e v e nm o d e l so fm a s sf l o w , a s s c ta n a l y s i sa n d s u s t a i n a b l ea s s e s s m e n ti sb u i l t , i n t e g r a t e dw a t e rm o d e li ss t i l ll a l f ei nd o m e s t i es t u d y w i t haf u l lu n d e r s t a n d i n go fu r b a nw a t e rs y s t e ma n dw a t e rb a l a n c et h e o r y , m o d e l so fw a t e rs y s t e mi nd i f f e r e n tl e v e l sa r cd e v e l o p e d w h i c hi n c l u d e si n d o o r , o u t d o o ra n dn e t w o r k ss y s t e m t h em a i ns t u d yc o n s i s t so f t h e f o l l o w i n ga s p e c t s , ( 1 ) w a t e rb a l a n c em e t h o da n dt h e o r ya 旭a n a l y z e d s i n c et h ec o m p o n e n t so f u r b a nw a t e ra c t i v i t i e sa r ec o m p l e xt om e e tan e ww a t e rr e s o u r r e q u i r e m e n t , s y s t e m a t i ca n a l y s i sm e t h o di sp r e s e n t e dh e r e ( 2 ) o b j e c t i v e sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gb o u n d a r i e so f u r b a nw a t e rb a l a n c e 眦s e t i nm o d e ls t u d y , w h e r et h e r ea r et h r e es u b - s y s t e m sn a m e d 器i n d o o r , o u t d o o ra n d p i p e n e t w o r k sr e s p e c t i v e l y w i t h i ne a c hm o d e l , s e v e r a lp o t e n t i a ls t r u c t u r ep r o j e c t sa s u g g e s t e df o re l i m i n a t i n gt h ei m b a l a n c el a y si nd i f f e r e n tl e v e l s t h e n , s y s t e mu n i t s a r eq u a n t i f i e db ye m p l o y i n gw a t e rb a l a n c et h e o r ya n d 觚i n t e g r a t e ds y s t e mh a sb e e n a b s t r a c t b u i l t , w h i c hw o u l de x p r e s st h es y s t e mw a t e rf l o wa n du s a g es i t u a t i o ni nu r b a nu r e a a d d i t i o n a l l y , i n o r d e rt o q u a n t i f ys y s t e mu n i t s ，c o r r e s p o n d i n ge q u a t i o n sa n d a l t e r n a t i v e sa r ea n a l y z e di ns u b - s y s t e m ( 3 1t or e l e a s ec a l c u l a t i o nb u r d e no fu r b a n w a t e rb a l a n c em o d e l ，e x c e is o f t w a r e i se m p l o y e da st h ep l a t f o r mo f s y s t e mm o d e l w i t hac a s es t u d y , i tp r o v e dt h a tt h em o d e la n ds o t t v a r ed e v e l o p e di nt h i s r e s e a r c hi s u s e f u l ，a n df i n a l l y , t h ew a t e rp r o b l e mt a c k l e di n d i c a t e sa s s e s s m e n t p r o c e d u r ea n ds o m es u g g e s t i o nf o ri m p r o v e m e n ti sg i v e n t h em o d e lp r e s e n t e di nt h ep a p e rc a nb eu s e df o ri n t e g r a t e du r b a nw a t e rs y s t e m m a n a g e m e n t t h e r e f o r ei ti sw o r t hf o ru r b a nw a t e rs y s t e ms u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：u r b a nw a t e rs y s t e m ，w a t e rb a l a n c em o d e l ，s y s t e ms t u d y ，s o l h v a r e d e v e l o p m e n t i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 妒矿年月，e e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 沙旧扩年月，f 日 第1 章绪论 1 1 研究背景及研究意义 第1 章绪论 1 1 1 城市水系统水量现状 水是城市生存和发展的必需品和最大消费品，是城市景观和文化的组成部 分，也是污染物传输和转化的基本载体。水在维持城市区域生态平衡的同时， 也是城市安全的风险来源为了更好地保护水资源，提高水的利用价值，防止 与水有关的疾病或灾害发生，城市根据生产生活的要求和水文循环流动属性构 建了城市水系统随着经济发展、城市化进程加速和气候变化异常等原因，城 市水系统面临着许多挑战，其中包括： ( 1 ) 城市水资源供需不平衡 我国淡水资源的人均占有量地。其时空分布不均匀，南北自然环境差异大， 西北、华北9 省区人均水资源不到5 0 0m 3 ，成为制约这些地区经济建设的瓶颈 据新华社2 0 0 1 年报道，我国3 6 4 个县级以上城市的日缺水量达1 3 0 0 万m 3 ，年 缺水量达5 8 亿m 3 ，其中严重缺水城市涉及1 7 个省区，包括沿海发达城市，例 如上海的人均水资源占有量仅为1 4 5m 3 ，深圳的人均水资源占有量也不足2 0 0 m 3 ，不足全国平均水平的l o 另外，不合理的水资源开采引发了水量缺乏以 外的问题。据新华社2 0 0 6 年8 月报道，由于地下水恶性超采，已使我国境内形 成多于8 万k m 2 的地下漏斗，导致地面沉降等地质灾害目前有3 0 座城市发生 不同程度的地面沉降，其中西安市已发现有9 到l l 条裂缝贯穿全市1 5 5k m 2 ， 有2 6 0 0 座建筑受到威胁，环渤海地区和辽东半岛有多于1 2 0 0 时发生海水倒灌 【l - 3 】。 ( 2 ) 供需差距有扩大趋势 1 ) 城市化与人口 早在1 9 7 7 年联合国水资源大会上，与会专家就已发出。水资源不久将成为 一场深刻的社会危机”的信息3 0 年来水资源问题已成为中东、非洲国家之间 冲突的导火线，世界银行副行长伊斯梅尔撒拉杰丁曾说：。如果说上个世纪的许 多战争是为争夺石油，那么下世纪将会因水而战”城市是人口集中的区域，是 第1 章绪论 国家经济、政治中心，因此整体缺水背景下城市人口增长所导致的水资源压力 尤为突出【4 5 】。联合国人口基金会2 0 0 7 年6 月2 7 日发表了世界人口状况报告 网，报告预测2 0 0 8 年在全球6 7 亿人口中，将有超过一半生活在城市里。到2 0 3 0 年，世界城市人口将增长到5 0 亿，占全世界人口总数的6 0 0 , 4 。随着人口急剧增 加，水资源供需矛盾日趋尖锐，水资源问题已成为全球密切关注和亟待解决的 热点课题n 长期以来，世界大多数国家的城市水资源是直线式利用，在取用捧的过程 中缺少循环和二次利用方面的设计。城市工业发展、人口增长导致需水量急剧 增加，同时仅有限工业部门和生活小区安装节水设施、应用循环用水工艺，特 别是低收入地区对水资源保护投入资金很少，这给淡水资源带来了巨大的冲击 和挑战【州。 2 ) 气候变化 国际气候变化委员会( i p c c ) 2 5 0 0 位气候专家对5 7 7 个子项目研究后指出 亚洲面临的问题中食物短缺、水匮乏、干旱、洪水和人口迁移等与气候变化有 关【9 】 近2 0 年来，由于气候因素的影响，南涝北旱的情况较为突出。研究认为2 1 世纪我国气候将继续明显变暖【l o 】。在温室气体和气溶胶排放情景下( 简写为 s r e sa 2 ) 气象研究表明：中国大陆在2 1 世纪前3 0 年的1 0 年际气候变化趋势 为冬季和夏季表面温度、表面最高温度和最低温度分别升高0 3 2 3 c 、o 1 - - 2 0 、0 5 2 7 ，增幅大体上呈现东西向带状分布，由南至北升温逐渐加强，且 增幅随时间在加大。预计增温的同时降水量将增加，但地区差异较大，北方降 水日数增加，南方大雨日数增加，局部地区强降水事件可能增加。专家组报告 认为气候变化对水平衡的影响有：i 径流的峰值与以往出现的时间不同；i i 冬季 将有更多雨水，春夏融雪水量减少，水库洪涝将提早到春季；i i i 大陆气温升高 蒸发量加大，将引起河川径流量减少、土壤湿度改变，估计部分高耗水的工农 业生产将受到季节性缺水限制。 综上所述，城市水系统管理应结合气候资料采用适应自然水量平衡变化的 方法，有效应对城市地区降雨变化，化洪涝灾害为新水资源，将是城市水系统 研究的重要课题。 2 第1 章绪论 1 1 2 城市水系统水量研究的必要性 目前很多国家的城市面临着资源紧张的严竣考验，水资源状况及其利用水 平已成为评价一个国家和地区能否持续发展的重要指标【4 ，”l 。传统的水资源利用 模式是以需定供、直线式利用，该模式无法持续满足城市发展需要，因此研究 城市水系统、转变城市水系统管理模式势在必行 城市水系统的特点是用水集中、水量增长快、节水潜力大，城市水资源系 统与外界联系广泛，影响因素众多，因此城市水系统复杂且具有高度的开放性 目前我国大力倡导节水型社会，即人们在生活和生产过程中，在水资源开 发利用的各个环节，通过科学地管理和引导，建立与水资源承载能力相适应的 经济结构体系，实现用水高效和生态良好，促进经济社会的可持续发展1 1 2 1 。 1 1 3 城市水系统水量平衡模型研究的意义 城市水系统水量平衡模型是从大量现有材料中选择出适合国内区域性应用 的方法，整合、抽象出方便使用，易于理解的模型研究旨在为以下目标寻求 解答方案：环境上降低资源负荷、减少污水的直接排放；经济上降低管网运营 成本、节约水费、为制定水价提供依据；社会功能方面，为编制用水定额提供 依据、减少城市上下游闻关于水资源取用问题的纠纷、提高用水安全和用水保 证率。 研究将利用水量平衡原理量化城市水系统的单元水量，通过模型和软件实 现快速计算。以便为科研人员提供了解城市现状的基础工具，辅助计算城市范 围内的单元水量。在量化城市水系统单元水量的基础上还能进行二次开发，例 如开发以水为载体的物质流分析，如n ，p ，s s 等；与水相关的能量流分析，如 泵站、水厂、运输等的耗能和节能潜力；水系统资产管理，包括水系统投资、 建造、运营、维护、更新与改造等：雨洪风险分析，即采用雨洪预测量判断雨 洪事件是否会发生，以及事件可能发生的程度；最后可进行水系统安全评价， 如环境影响评价、经济评价和社会文化评价等 研究将为城市规划人员和城市水务管理人员提供城市水系统现状概图，明 确城市水系统供、用、耗、排各个系统单元水量，帮助规划管理人员从整体上 把握城市水系统组成部分间的关系，从而更科学地指导工程投资和工程项目。 3 第1 章绪论 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国外城市水系统水量平衡模型研究 1 9 6 5 年，国际水文十年协调委员会组建了世界水量平衡工作组【1 3 1 。联合国 教科文组织前任首席水专家m c p h e r s o n ( 1 9 7 3 年) 用框图表现了城市水系统组 成单元，它是较早出现的城市水平衡模型美国环境保护协会( e p a ) 在1 9 9 6 年对城市用水模式进行调查，总结出一年内用水量的变化规律和一天的高峰时 段。国际水协( i w a ) 为方便国际交流，统一了供水管网漏损系统的描述名称和 计算方法，提出供水管网漏损水量平衡计算表格【协1 1 ” 流域模型( s w m ，1 9 6 0 年代) 模拟软件的出现，扩大了水量平衡模型的应 用范围，提高了分析计算效率【1 8 ，嘲。澳大利亚1 9 9 5 年开发了水量水质综合模拟 模型( i q q m ) ，是一种用于水资源评价以及规划管理的模拟软件，其特点为模 拟尺度较精细，对资料要求较高 2 0 1 m i t c h e l l 于2 0 0 0 年开发了名为a q u a c y e l e 的城市水循环模型软件，该模型实现了对城市供水系统、雨水和排水的集成表 达1 2 ”由于基于水量平衡的分单元讨论城市水系统综合研究和改造有很强的实 用性和扩展性，目前m i t c h e l l 负责澳大利亚e l 项目，计划在2 0 0 8 年开发出整 体城市模拟模型的原型 2 2 1 。多伦多大学i - l a l l a 博士用系统方法模拟城市水、能量、 化学物质、相关温室气体的流动，在多种假设情景下对多伦多2 0 0 1 年到2 0 1 0 年城市水循环进行模拟，模拟结果认为降低需水量比修复管网或增建新水服务 设施对城市水循环有更深远影响【2 引。d i m i t r i o u 为了预测降雨对淡水的影响和潜 在的洪水，在某些系统中大量数据的支持下，开发了比较精确的湖泊模拟模型 刚。总之模型软件化是水系统研究的趋势。国外许多大型水资源项目将多种模 型的结合分析水质水量。如e i s w i r h 等人在研究城市水系统中的污染载荷时，结 合了城市水量和水质模型( u v q ) 、地理信息系统( a r c l n f o ) 和地下水模型 ( f e f l o w ) 瞄】。由综合模型来分析城市水平衡，更能真实地反映供水和排水系统 各个环节的联系，更好的模拟污染迁移在a 1 s u w r s 项目中，尝试结合了城 市水量水质模型( u v q ) ，管道漏损模型( p l m ) ，不饱和流模型( u f m ) ，不饱 和传输模型( u t m ) ，饱和流和传输模型( s f - t m ) ，由于结合了地理信息系统， 该系统可以用于任何欧洲城市闭。 4 第1 章绪论 1 2 2 国内城市水系统水量平衡模型研究 在国内，水量平衡模型广泛用于城市中不同部门和流域水系统研究。 1 9 8 7 年城乡建设环境保护部发布了工业企业水量平衡测试方法 ( c j 2 0 8 7 h 常明旺等( 2 0 0 7 ) 编著工业企业水平衡测试、计算、分析 探讨 企业在生产过程中的水平衡测试、计算和分析来实施节水方法【2 7 l ；郭生练( 1 9 9 4 ) 用水量平衡率定长时段流域径流模型的参数，建立了半干旱地区月水量平衡模 型，该模型能表示降水、蒸发、气温对径流的影响哪! ；黄显峰等( 2 0 0 7 ) 利用 水量平衡原理弥补经验公式法对参数考虑不足的缺点，建立了雨水利用潜力分 析模型四；赵风伟( 2 0 0 6 ) 在灌区耗水量变化影响因素分析的基础上，构建了 灌区地下水量平衡模型，并对灌区地下水水量平衡进行了计算，分析了灌区耗 水量变化对地下水水量平衡要素的影响p o ；天津大学秦克景( 2 0 0 6 ) 基于以往 供水系统管网调度决策模型，利用系统分析建模的方法，对生产的全过程进行 量化分析，建立了更为经济合理的供水系统管网运行调度决策模型，并提出了 正常管网状态下简化的调度决策数学模型【3 u 总体而言，国内目前对工业测试较为重视，对流域或地区的水量模型研究 较多，而针对城市综合模型研究较少，因此开发城市水系统综合水量平衡模型 具有很强的现实意义 1 3 研究内容 本课题源于中法p 2 r 合作项目，项目的核心主要围绕水资源可持续开发管 理与保护展开研究。2 0 0 3 年开始的国家高科技( 8 6 3 ) 。水污染控制技术研究” 重大专项课题为。中法研究协作网计划( p 2 r ) ”合作项目提供了需求和方向。 中法双方共同发起的p 2 r 合作项目中，第二子项目是建立城市水环境可持续管 理和雨水科学利用模式，探讨城市水资源可持续管理，通过物流分析、资产管 理、风险分析等对城市水系统的可持续进行评价。选题是物流分析中的水量分 析，研究将借助水量平衡工具对城市水系统管理方法和雨水科学利用模式进行 探讨 本文将从以下几个方面展开研究 ( 1 ) 对国内外城市水量平衡方法有关资料和实际调查结果进行汇总，对已 经用过的水量平衡模型和模型建立方法进行回顾和分析； 5 第1 章绪论 ( 2 ) 在常规城市水系统分类的基础上，分层次建立城市水系统模型，模型 中对城市水系统单元名称进行定义，从而消除由于定义范围不同而导致数据理 解上的差异。通过室内、室外、管网子系统的叠加形成城市综合水系统模型， 讨论在假设参数条件下引入新设备、新管理模式建立城市水系统模型，从而在 不同层次间探讨模型的扩展和移植； ( 3 ) 开发基于e x c e l 平台的层次模型水量分析程序，设计输入和输出项， 利用e x c e l 的计算函数和控件实现模型计算和表达。计算程序实现城市水系统中 取、用、耗、排单元的量化，提供多方案比较程序，对不同设定情境下的城市 水系统进行讨论。提出模型校验程序，可以根据模型应用区域的实际情况选择 相关参数，利用水量平衡模型计算结果验证参数的可行性和合理性； ( 4 ) 以s h 城市水系统的原始数据为例，利用城市水量平衡模型进行计算， 验证所编制软件功能，并分析s h 市城市水系统中的水量问题。 6 第2 章城市水系统水量平衡 第2 章城市水系统水量平衡 城市水系统作为一个庞大复杂的系统，整体和分项研究都十分重要，系统 成分间联系紧密、关联复杂，为了便于分析，需要建立适当的数学模型。 2 1 城市水系统 2 1 1 城市水系统的概念 城市水系统是城市化地区为水资源开发、利用、治理、配置、节约和保护 而进行的防洪、水源开发、供水、输水、用水、捧水、污水处理与回用，以及 跨区域调水等涉水事务的总称 城市水系统除具备系统共有的关联性、功能性、整体性等特点外，由于城 市地域范围小、人口密度高、经济规模大，形成了城市水系统自产水资源量小、 用水保证率高、缺水社会影响大等有别于其他系统的鲜明特点3 3 1 图2 1 城市水系统图中子系统问的相互联系 城市水系统按系统功能可分为水源系统、给水系统、用水系统、择水系统、 回用系统和雨水系统 3 4 1 图2 1 中给水系统指给水的取水、输水、水质处理和 配水等设施以一定方式组合成的总体，它的功能是从水源系统取水，输送给用 水系统排水系统指排水的收集、输送、水质处理和排放等设施以一定方式组 合成的总体，它收集雨水系统的来水，用水系统的排水，出水最终排向水源系 统。水源系统指在流域或地区范围内，由水文、水力和水利上互相联系的河流、 湖泊、水库、地下水等水体和有关水工程及各需水部门所构成的综合体，它接 7 第2 章城市水系统水量平衡 纳雨水和排水系统的来水，能被给水系统取用。用水系统是城市生产生活的基 本水活动载体，它接受雨水系统、回用系统、给水系统的来水，向排水系统排 出废水。城市水系统的管理重点就是科学处理以上系统问的关系3 5 】。 2 1 2 城市水系统的组成 固 日口困 图2 2 城市水系统示意图 城市水系统是由城市的水源、供水、用水和排水等四大要素组成。这四大 要素的相互联合构成了城市水资源开发利用和保护的一个循环系统，每个要素 都对这个循环系统起着一定的促进或制约作用【3 6 4 0 。 城市水源是城市水系统的基础要素。如果把供水视为一种特殊商品，那么 水源便是该商品的原料，没有原料也就没有商品。在图2 2 中水源为降雨、地 表水、地下水和循环水。 城市供水是城市水系统的开发或生产要素，它是在水源和用水要素之间架 起的一座“桥梁”。图2 2 中表达为城市周边水井和城市水井抽水，从雨水和地 表水源中取水并输送。如果没有供水要素，水源不能自动变为商品为消费者所 利用。 城市用水是城市水系统的需求或消费要素，供给与需求是一对矛盾，既对 立又统一，没有需求，就不必供给，而满足需求是供给的永恒主题。图2 2 中 用水分为生活、生产和市政等部分。 城市排水是城市水系统中最敏感的要素，具有良性和不良性两方面。其中 第2 章城市水系统水量平衡 良性的排水指经净化处理后捧放，该过程可增加水源的补给量；不良的摔水指 未经净化处理直接捧放，该过程将污染水源水质，进而减少水源的可用水量。 排水部分在图2 2 中表示为处理、雨污排放、卫生设备及工业排放和灌溉额外 流等。 2 2 系统水量平衡 2 2 i 水量平衡的概念 水量平衡研究是质量守恒原理在水文学上的应用，最初于上世纪四、五十 年代发展起来，用于评价不同水文条件下每个水文参数的重要性。在水文基本 术语和符号标准g b t 5 0 0 9 5 9 8 中，水量平衡的定义为地球上任一区域或水体， 在一定时段内，输入的水量与输出的水量之差等于该区域或水体内的蓄水变量【4 l ， 4 2 】。 2 2 2 城市水量理论 由于城市水系统研究中经常会遇到信息不完全的情况，需水量预测可以看 作一个典型的灰色系统 4 3 1 ，它通过对供水历史数据的累加，生成表达系统整体 规律的数据系列。灰色系统，能根据用水历史数据的不同特点，构造出不同的 预测模型，所以灰色模型方法适用于城市时、日、年需水量预测m 灰色模型的实质是反映发展趋势，可以根据“近大远小”的原则，选择有 效的数据作为样本数据，建立灰色模型【4 5 4 6 其特点是所需数据量不大，在数 据缺乏时十分有效 ( 1 ) g m ( i ，1 ) 模型原理 在城市需水量预测中用到g m 模型一般为g m ( 1 , 1 ) 模型，它是只包含一个变 量的一阶微分方程构成的模型。建立g m ( i ，d 模型时，只需要一个历史用水量序 列q 一) ，设原始序列为 钞= 矿( 1 ) 。2 ) l 铲似q 定义累加算子( a g o ) ： q l 。= d = 甜l 。( 1 q m 2 1 l q w ( n ) q 2 ) 式中，d 次累加生成算子，表示如下运算： q 0 ) ( 七) = g 町( 七) d = q ( d ( 2 3 ) j = l 9 第2 章城市水系统水量平衡 式中，o 由原始数据数列q ( 构成的一阶灰色模块； 用灰色模块构成微分方程： 笙+ 册( 1 ) ；b 出 按导数定义重构微分方程，以离散形式表示，微分项的得到 鼋l 。( 1 c + 1 ) 一q w ( k ) = d l 耐l j ( i 【+ l ” 式中，口( 1 ) 累减生成因子； 对微分方程式中的q 取k 和k + l 的平均值，即： q l 。( k + 1 ) = 之【蕾”k + l + 哇。( k ) 1 z 写成矩阵形式为： 令： e = 毋( 2 ) ( 3 ) m 倒 ( 2 ) 铲( 3 ) m 例 妥! q ( 1 ) ( 1 ) + q a j ( 2 ) l z - 1 l 。( 2 ) + q a j ( 3 ) j m抽 专猎”) + 畦1 j ( n ) 】l 4 = m = - j 1 帆l 卜q ：o ( 2 ) j l j 1 帆2 ) + 张3 ) 1 l mm h 。) + q l l 。( n ) 1 l 则上式可表示成：= b a 将方程可改成： e = b a + e 式中，e 误差项； 口最, j 、- - 乘估计值5 解方程的最小二乘解，并带回式得： 望+ ：口m ：； 1 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 第2 章城市水系统水量平衡 写成离散形式为： q a ( o ( 1 + 1 ) ：l q 柳( 1 ) - b 2 1 1 e 二+ 妥 qi t 1 ) j 1 1 ) 。一+ 1 a口 即为模型的时间响应模型 经过累加之后的序列，已经失去原来的物理意义， 测的时候，还需对a g o 生成的序列进行逆变化还原。 定义i - a g o ： 口t 1 q ( 1 ) = q ( o 式中，”次累减生成算子 ( 2 1 2 ) 因此在利用模型进行预 ( 2 1 3 ) 逆变化还原后可得g m ( 1 ， 的预测模型： o ) i ) ( 1 ) 口( 七+ 1 ) = q ( _ i + 1 ) 一q ( 七) ( 2 1 4 ) ( 2 ) g m ( 1 ， 样本的处理 由于某种波动因素的干扰，有时收集到的数据会呈现出过快或过缓的变化 趋势未能反映系统的真实变化规律。因此需要排除波动干扰，强化或弱化原始 序列的变化趋势，提高预测精度。 设为原始序列q = 向似g 仞，卯彬，d 作用于q 的算子，q 经过算子d 作 用后所得序列记为：q = 向例正g 例西，g 彬，称d 为序列算子，称q d 为一次 算子缓冲序列。式中； q ( n ) d = q 例( 2 1 5 ) q ( n - 1 ) d = 1 2 向向一砂+ g 圳( 2 1 6 ) q ( k ) d = 1 ( n - k + 彤r g 内+ 口传+ 砂+ + 鼋桫( 2 1 7 ) q ( 1 ) d = 1 n ( q 倒+ g 仞+ + g p 缈( 2 1 8 ) 2 2 , 3 城市水系统模型 城市区域水量平衡研究水资源的供、用、耗、排平衡，它是从机理上认识 和描述一个区域或者流域内已经形成的水资源量输入与输出单元间的关系，即 以用水为中间媒介，水资源的供水量与耗水量、排水量之间的平衡 2 6 , 4 0 , 4 7 1 ( 1 ) 城市水系统的表达 在城市规划区域内城市水系统以下几项水量平衡关系【1 4 1 ( 如图2 3 所示) ： 城市地表的水量平衡：输入包括降雨、贮存池溢流和供水系统的供水；输 第2 章城市水系统水量平衡 出包括城市地表水渗入含气层、补给流域、汇入贮存池和排入地表水体。 含气层的水量平衡：输入包括城市地表水渗入、井水补给或扩散、化粪池 渗流、浸透区域水的毛细提升；输出包括含气层的水渗流到浸透区域和蒸发到 大气中。 浸透区域的水量平衡：输入包括来自含气层的渗流、化粪池的液体渗入、 供水系统渗透、排水系统的污水渗漏、补给或扩散井来水以及地表水渗出；输 出包括向地表水体渗出和涌流、地下水被提取、毛细提升、潜层蒸发、向深层 区域灌注和亚层地下水径流离开城市规划区域。 城市区域内的地表水体水量平衡：输入包括外来径流、工业冷却水的排入、 降雨、城市地表径流、渗透区域的渗出和涌流和污水排放；输出包括为供水系 统取用、渗出到浸透区域、暴雨引起的洪水泛溢、供给工业冷却水、蒸发和地 表径流离开城市区域 图2 3 城市水量平衡模型( m c p h e r s o n1 9 7 3 ) ( 2 ) 按系统功能分类的模型【鹕】 1 2 第2 章城市水系统水量平衡 1 ) 用水系统模型 城市用水系统主要由工业用水和生活用水两部分组成生活用水量可根据 城市人口发展规划和生活综合用水定额估算出来；工业用水量则要根据用水量 和用水效益的关系确定用水系统模型主要是工业用水量与效益的关系模型， 可用下面简化的线性规划模型来表示： 目标函数： m a r e = 勺_ ( 2 1 9 ) 产 约束条件； a , j x jsb , ，i = l ，m - i ( 2 2 0 ) n d 三 一 艺口时k ，t x j ，_ ，- - 1 ，疗 ( 2 2 1 ) j | l 一 式中，效益函数； 善，第，个部门的总产值或总产量，共有玎个部门； c ，第_ ，个部门的效益增加系数，即单位产值或产量的净效益； 嘞第，个部门生产单位产值或产量的消耗( 生产) 第i 种资源或产品 量，消耗资源为正，生产资源吼为负； 第，个部门单位产值或产量消耗的水资源量，m 代表水资源， m l 为其它资源和产品的种类数岛为第i 种资源或产品的最终需求( 岛为正) 或供给( 矗为负) 量； 6 肘水资源需求量： z ，x ，分别为第，部门产值或产量的上下限值 其它条件不变，给定不同的水资源k ，目标值则会不同，所以这个线性规 划问题隐含着水资源与效益的关系 如果考虑r 个时段的规划期，则每个时段都形成了一个线性规划模型，每个 时段的模型可表示为： 目标函数： 约束条件： m a x f 粥 产， 西弓吖，i = l ，m - i ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 略弓玉醵，弓g 巧，= l ，塌f = 1 ，t ( 2 2 4 ) 州一 式中，各变量的上标t ，表示t 时段的值，其它符号的意义同前式 1 3 第2 章城市水系统水量平衡 2 ) 供水系统模型 构造供水模型的且的是求出供水量与供水费用的关系。设在r 个时段内，共 有p 个工程可以修建，工程，的供水能力3 0 q ，投资为c ，t 时段i ) l k 需水量为 ，生活需水量为，下面构造整数( o 1 ) 规划模型： 令x j , 3 00 - - l 变量，戡勤= 仨 鼍茬鬈篑建成工程州 模型是在满足需水量的条件下，使建造投资和供水运行费用最小； 懈数：一霉悖i - 1 妇 峨 南 “n j t ”7 约束条件： 施工约束； 勤1 ，j = l ，p ( 2 2 6 ) 工程容量约束： + g 勤6 二+ ，f = l ，t ( 2 2 7 ) 式中，只f 时段供水的单位运行费用； 6 h 供水系统初始阶段的可供水量； f 贴现率。 3 ) 污水处理模型 对于污水处理系统也构造o l 整数规划模型。设共有，个污水处理设施可 供修建，第，个污水处理设施的处理能力为q ! ：，基建投资为c t ，；第t 个时段需要 处理的i ) l k 污水量为醪，生活污水量为b “，污水处理系统初始处理能力为聪， 处理的单位运行费用为f ，令为。一1 变量，定义； f 1 当t 时段修建成工程_ ，时 2 1 0其他情况(228) 污水处理模型是在满足污水处理量的条件下，使处理污水的总费用最小。 即： 目标函数：m i l l c = 粪 ( 妻c ) + 只 i 1 1 2 - r ， l t g29)t-i - , i - 目标函数： i i c l + 只i ( 2 卜l l ，一- 7 约束条件： 施工约束： l ，y = l ，p ( 2 3 0 ) 工程容量约束：“ 1 4 第2 章城市水系统水量平衡 + 窆杰q ! ；+ ，；1 ，t ( 2 3 1 ) 卜1j - l 4 ) 三个系统的协调 管理协调系统对以上三个系统进行综合管理协调。使三个系统的净效益最 大，目标函数： 一骞( 私 南一李畴。b 卜 一椎c 例 南 式中，第一项是用水系统效益，第二、第三项分别为供水和污水处理费用。 约束条件：包括以上各分系统中的约束。 此外还有捧污关系约束： 扎，z 一- - r t ( 2 3 3 ) j - i 式中，口。，r 时段_ ，- r 、i l , 部门单位产值或产量的排放污水量。 ( 3 ) 按系统范围分类的模型 4 9 , 5 0 1 1 ) 子系统水资源优化配置模型 5 i 阶段变量t ：以t 为阶段变量( t = l ，2 ，n t , n t 为时段总数) 。 i i 状态变量s g j ，f ) ：以第，子系统第_ ，水库第t 时段末水库、河道或外 来水的蓄水量为状态变量。 i i i 决策变量d r ( i ，) ：以第i 子系统第，水库第t 时段末水库或河道放 水量为决策变量。 i v 目标函数：子系统的亏水度最小，即： m m f f s ( i , j , 班d n ( i , j , 0 1 = 艺兰兰i dr(i,j,oidr(i,j,o(234dn(i,j,0d r ( i , j , o i d r ( i , j , o ) i 一 t l i 仁l 产i 式中，d n ( i ，j ，f ) 、d r ( i , j ，) 分别为第i 子系统第，水库第t 时段水库或河道 实际放水量和需要的放水量。 设定：子系统以f 表示，f = l ，2 ，m ( 子系统总个数) ：子系统内的水库以， 表示，j = 1 2 n ，( 子系统内水库总个数) ；子系统内的用水节点以七表示， k = l 2 , m ( 子系统内用水节点总个数) ；子系统内的入流节点以删表示， m = l ，2 ，。( 子系统内流入节点总个数) ；计算时段以t 表示，t = l ，2 ， ( 模 1 5 第2 章城市水系统水量平衡 拟计算时段总数) 计算模型为：第f 子系统用水节点k 需水量计算模型、入流节点m 汇流过程 计算模型、水量平衡方程和控制节点水量平衡。 约束条件为：供水水源的供水能力约束、供水节点的水量平衡约束、各用 水区的供水能力约束、各