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考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 水文学及水资源 曾碧球 指导教师：陈洋波教授 摘要 地球上的水资源量是有限的。随着社会的发展，人类对水资源的需求量越来 越多，这就导致了有限的水资源量无法满足人类日益增长的需求。特别是像中国， 大部分地区是属于季风气候区，降水分布极不均匀，旱季降水很少，很多地方出 现了缺水现象。水资源的供给量无法满足所有的用水需求，这就需要我们加强工 程建设，增加旱季可供水量的同时，也要寻找最优的供水分配方式，让有限的可 供水量获得最大的社会效益，既要最大限度的促进经济的增长，同时也要注意生 态环境的保护，做到可持续发展。为了解决这个问题，各国从不同方面进行了很 多研究，并成功的把系统工程的理论应用n - f 水资源领域，产生了水资源系统工 程学。 本文就是应用水资源系统工程中应用较成功的方法，大系统理论，建立大 系统多目标梯级决策模型，并把此模型应用于广东省惠州市的西枝江流域。应用 动态规划，约束法等方法对模型求解，并利用决策偏好系数选择模型最优的供水 方式，求出最大的综合效益，把求出的结果反馈到决策层，若决策者觉得该方案 还有待该进的地方，就根据决策者的意见，改变供水最低保证程度，重新寻找最 佳方案，直到决策者认可最佳方案为止。本方法应用于西枝江流域，在生态环境 最低保证程度为9 2 ，生活，工业和农业的最低保证程度分别为9 5 ，9 0 和 8 0 ，且生态环境需水的权重低于工业需水，高于农业需水时有艟大的社会综合 效益，此种方案为最优的供水方案。 关键词：水资源系统工程动态规划生态环境需水交互式决策决策偏好系数 供水保证程度 一i w a t e r s h e dw 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 nm o d e lc o n s i d e r i n g w a t e r q u a l i t yi m p a c t h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s z e n gb i q i u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e ny a n g b o a b s t r a c t t h eq u a n t i t yo ft h ew a t e rr e s o u r c e so nt h ee a r t hi sl i m i t e d a st h ed e v e l o p i n go f t h es o c i e t y , n l o r ea n dm o r ew a t e rw a sn e e d ，w i t ht h er e s u l tt h a tt h ew a t e rr e s o u r c e c a n tc o n t e n tt h ed e m a n d i nc h i n a ，m o s to ft h ea r e aw a sa f f e c t e db yt h em o n s o o n p r e c i f i i t a t i o nd i s t r i b u t i n gc a n tb eu n i f o r m i t ya ta 1 1 i nt h ed r ys e a s o mw a t e ri ss h e r ti n m u c ha r e a n es u p p l yo fw a t e rc a n tm e e tt h en e e do ft h ed e m a n d s ot h a tm o r e w e t k st oa d dt h eq u a n t i t yo fw a t e ri nt h ed r ys e a s o nh a st ob e e nb u i l t a n d , i nt h es a m c t i m e ，s e a r c h i n gf o rt h eb e s td i s t r i b u t i n gw a yo ft h ew a t e ri sn e e d , a l l o w i n gt h el i m i t e d w a t e rw i n n i n gt h eb e s tb e n e f i t 、v h a tw em u s td oi sp r o m o t i n gt h ei n c r e a s eo ft h e e c o n o m y a sw e l la sp r o t e c t i n gt h ee n v k o n m e n t i no r d e rt os o l v et h eq u e s t i o n ，m a n y r e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n ei nm a n yc o u n t r i e s ，a n dt h et h e o r yo ft h es y s t e m s e n g i n e e r i n gh a sb e e ni m p o r t e dt ot h ed o m a i no ft h ew a t c rr e s o u r c e ，f o r m i n gt h ew a t e r r e s o u r c es y s t e m se n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r , t h eb i gs y s t e m ，m u l t i o b j e c t i v ea n dc a s c a d e sd e c i s i o nm o d e lc o m e s f r o mt h es y s t e m se n g i n e e r i n g ，a n di sa p p l i e di nt h ew a t e r s h e do fx i z h i j i a n gr i v e r , a n d t h e np r e s e n t st h ec o n s t r a i n tm e t h o d ，t h ei n t e r a c t i v ed e c i s i o nm e t h o da n dd y n a m i c p r o g r a m m i n gt os o l y et h i sm o d e ld e c i s i o np r e f e r e n c ec o e f f i c i c n ti su s e dt oc h o i c e t h eb e s tq u o m o d os u p p l y i n gw a t e r , w h i c hg e t st h em o s ti n t e g r a t e db e n e f i t ，a n dt h e n b r i n g st h eb e n e f i tt ot h es u p e r v i s o ra sf e e d b a c k i ft h es u p e r v i s o rd o n ta d p r o v eo ft h e r e s u l t ，t h el e a s tg u a r a n t e er a t eh a st oc h a n g ea st h es u p e r v i s o r sa d v i c ea n ds e a r c hf o r a n o t h e rq u o m o d os u p p l y i n gw a t e r , t i l lt h es u p e r v i s o ra p p r o v eo ft h er e s u l t t h i s m o d e li sa p p l i e di nt h ew a t e r s h e do fx i z h i j i a n gr i v e r , a n dc a n g e tt h em o s ti n t e g r a t e d b e n e f i tw h e nt h el e a s tg u a r a n t e er a t eo fe c o - e n v i r o n m e n ti s9 2 a n dt h el c a s t g u a r a n t e er a t eo fl i f c ，i n d u s t r y , a n da g r i c u l t u r e ，i s9 5 ，9 0 ，a n d8 0 a n dt h ew a t e r c o n s u m p t i o nf o re c o e n v i r o n m e n ti sm o r ei m p o r t a n tt h a nw a t e rc o n s u m p t i o nf o r a g r i c u l t u r ea n dl e s st h a nw a t e rc o n s u m p t i o nf o ri n d u s t r y k e y w o r d s ： w a t e rr e s o u r c es y s t e m se n g i n e e r i n g ；d y n a m i cp r o g r a m m i n g ； e c o - e n v i r o n m e n tw a t e rd e m a n d ；i n t e r a c t i v ed e c i s i o nm e t h o d ； d e c i s i o np r e f e r e n c ec o e f f i c i e n h s u p p l y i n gw a t e rg u a r a n t e er a t e u 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 第一章绪论 1 1 选题背景和研究意义 随着社会的发展，人类对水资源的需求日益增多，水资源被污染的现象日趋严 重，这样导致了有限的水资源在很多地区已经无法满足人类的需求，而在有些地方 污染很严重，出现了有水不能用的尴尬局面。我国大部分地区属于季风气候区，降 水极不均匀。旱季降水很少，水的供需矛盾更加明显。人们开始探讨解决水资源供 需矛盾问题的方法，通过工程和非工程手段来增加可供水量。早期，人类主要利用 工程措施，修建了很多的蓄水和提水设施，增加工程可供水量。然而，工程措施在 长期的运行过程中，逐渐出现了影响流域的生态环境等一系列的问题，人们慢慢开 始重视研究非工程措施，研究采用合理的水资源分配方式和水库调度方式来解决水 资源供需矛盾。近几年，广东地区，一些以前以发电，防洪调度为主的水库，在水 资源量日益紧张的情况下，改变水库调度功能，改为供水，防洪为主调度，解决了 部分地区在旱季水资源无法得到满足的问题。这就是通过非工程措施增加了可供水 量。目前，对水资源配置的研究已经有很多，并取得了很多的成果，然而，大部分 的水资源优化配置都只考虑到地区水量的要求，忽视了水质的影响。 本文在考虑水量分配的同时考虑到水质的影响，寻求能够获得最大的社会综合 效益的供水分配模型，即获取最大的经济效益，又能使生态环境不受到破坏，保证 流域的可持续发展。这也是与自然，社会发展的规律相适应的。 1 2 水库调度简介 河库联合调度是以水库调度为基础，以流域为单元，把水库下游用水和水库调 度作为一个整体来考虑。水库调度是河库联合调度的核心基础，所以要做好河库联 合调度，首先要了解和掌握水库调度的方法及其发展历史。 水库调度也称水库控制运用，是对已建水利水电枢纽合理有效的控制运用，达 到充分发挥防洪，兴利效益的一种技术措施，属于非工程措施。水库调度必须遵循 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 以下基本原则：在确保水电站水库大坝工程安全的前提下，分清发电与防洪及其它 综合利用任务之间的主次关系，统一调度，使水库综合效益尽可能大；当大坝工程 安全与满足供电，防洪及其他用水要求有矛盾时，应首先满足大坝工程安全要求； 当供电的可靠性与经济性有矛盾时，应首先满足可靠性的要求【1 1 。通常把水库调度 按调度方式分为常规调度和优化调度。 常规调度借助于常规调度图，以调度规则为依据，利用径流调节理论和水能计 算方法来确定满足水库既定任务的蓄泄过程。因为该法简易直观、概念清晰，所以 在水电站水库调节计算中常被广泛使用。但调度结果不一定最优，丽且不便于处理 复杂的水库调度问题。 优化调度则是一种建立以水库为中心的水利水电系统的目标函数，拟定期应满 足的约束条件，然后用最优化方法求解有目标函数和约束条件组成的系统方程组， 是目标函数取得极值的水库控制应用方式。优化调度一般以年为调度周期，以月或 旬为时段，在调度期内将有限的输入能量最优地分配到其中的各个时段。优化调度 按照对径流的描述方法来分，则可分为确定性优化调度，显随机优化调度和隐随机 优化调度三种。目前优化调度的常用计算方法有系统分析法，模拟优化法，以及神 经网络，遗传算法等其他方法【2 1 。 在以前科技发展水平下，由于受到预报条件、预报水平的限制，水库调度具有 明显的两重性。若调度的好，可以在保证上下游防洪安全的前提下增加发电量和其 它综合利用效益；反之，将造成很大的损失，甚至是毁灭性的灾难。随着科学技术 的进步，尤其是网络技术的飞速发展和计算机的普及，水库调度由无预报调度与经 验调度相结合发展到预报调度与经验调度相结合的时代，并且正在探求水库调度自 动化和智能型调度系统。在我国，大多数有条件的大中型水电站都已具备实时水情 预报的条件，并且预报的精度也逐步提高，预见期也相应延长，为更好的进行水库 调度打下了基础。 1 3 水库调度国内外研究进展 水库调度的研究是从径流调节计算开始的。最早使这个问题有了一套完整的 计算方法的是哈桑的累积曲线方法，而a a 莫罗佐夫关于水库调配调节的概念使 2 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 调度图成为水电站水库的调度管理依据。这种以调度图和调度规则来指导水库调度 的方法至今仍被广泛采用。之后，随着现代应用数学，径流调节理论，电子计算技 术及控制技术的迅猛发展，以最大经济效益或其他物理量为目标水库优化调度得到 迅速发展。特别是随着系统理论在水库优化调度领域的不断发展，大量的研究成果 不断问世，针对不同问题的各种形式的模型也相继出现。到目前为止，水库调度的 较典型的方法有常规方法，系统分析方法，模拟方法和其他方法。 1 3 1 常规方法 水库调度常规方法，也称传统方法，一般指时历法和统计法。水库常规调度是 按过去实测的径流时历特征资料为依据，计算和编制的一组综合考虑了各种可能来 水的调节调度线以及由这些调度线和水库特征水位划分的若干调度区组成的调度 图，根据面临时刻水库蓄水在该图中的位置，进行水库调度，决策水库放水，为水 电站和其他综合利用部门服务。它以实测资料为依据，方法比较简单直观，且可以 汇集调度的决策人员的经验和判断能力，故仍然是目前普遍采用的方法。但是，由 于常规调度图依据的实测水文资料代表性不够，因此它指导的水库调度方案通常只 是一个可行解或合理解，而不是最优解；常规调度很难处理多目标、多约束、多维 变量等复杂问题，尤其对于水库群和复杂水利系统的调度更是如此【3 1 。 1 3 2 系统分析方法 奥地利生物学家贝塔朗菲最先于2 0 世纪4 0 年代提出普通系统论的概念，为系 统工程的发展和使人类走向系统时代奠定了理论基础。第二次世界大战后，随着运 筹学从单纯军事和战争中的应用研究，转移到经济领域，以及随后系统工程的出现， 产生了水资源系统工程，就有越来越多的水利学者从系统的角度对水库调度进行研 究，并取得了可观的成绩，大大提高了水库调度的综合效益。 在国外，杨( y o u n g ) 于1 9 6 7 研究了确定来水情况下水库优化调度，他研究有 限水平、单一水库的最优控制问题( o c p ) ，用贝尔曼( b e l l m a n ) 的动态规划最优原理 求得最优控制问题的解；h e i d a r i 等在1 9 7 1 年考虑了四个水库的实际问题，首次提 3 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 出并应用离散微分动态规划法( d d d p ) 求解问题：b e c k e r 和y e h 在1 9 7 4 年用线性 规划方法研究了水库最优控制问题，以直接寻求水库最优运行策略：n o p m o g c o l 和a s k e w 在1 9 7 6 年用多重增量动态规划技术( m i d p ) 研究此间题：t a u x e 等在1 9 7 9 年研究了多目标水库的动态规划问题f 4 】o 我国在水资源系统分析方面的研究开始于上世纪6 0 年代，但比较广泛的研究 是在上世纪7 0 年代，到上世纪8 0 年代后期发展比较迅速，在水资源系统工程理论 与方法研究方面取得了可喜的成绩。其中，1 9 8 4 年董子敖等首次提出和采用了计 入径流时空相关关系的“多目标多层次优化法”数学模型【5 1 ；1 9 8 6 年张玉新，冯尚 友提出了多维决策的多目标动态规划模型( m d m o d p ) 6 1 ，并把此模型成功应用 在水库水沙联合调度中| 7 1 。1 9 8 8 年以来，沈晋、马光文针对美国学者s a a t y 上世纪 7 0 年代提出的a h p 法的优缺点，研究提出了多目标多模型系统的层次递阶控制方 法；1 9 9 2 陈守煜、周惠成对黄河防洪调度方案应用了多目标多层次理论和模糊优 选分析方法进行研究，形成决策支持系统【8 1 ；1 9 9 8 年，陈洋波等人以发电量和保证 出力为目标，建立了水库优化调度多目标模型，结合隔河岩水库的调度，论证了该 方法的可行性和优化性【9 】；1 9 9 8 年解建仓等以黄河干流水库群为实例，建立了优化 调度模型，采用大系统分解协调原理推导了模型的求解算法【1 0 l ，为解决多目标水库 调度“维数灾”提供了崭新的途径。大系统分解协调模型成为优化水库群运行策略 的一种有效模型。 1 3 3 模拟方法 。 模拟方法是利用数学关系式描述系统参数和变量间的关系，通过计算机来模拟 系统实际变化，具有较强的仿真性，能在较短的时间内模拟长时期内发生的事件， 并可以通过参数的改变来模拟不同的情景。在不同方案下，对事件进行模拟，对模 拟结果进行分析，可供决策者参考。水资源系统是一个复杂巨型系统，为了寻求便 于操作实施的方案，人们开始应用模拟技术解决水资源问题。2 0 世纪6 0 年代初美 国哈佛大学水规划小组首先采用数学模拟方法提出了解决地表水与地下水的联合 运用问题。之后，针对特定水库系统的模拟模型不断出现。如美国垦务局在上世纪 7 0 年代研制的科罗拉多模拟系统，模拟了该流域内大型水库的供水、防洪、发电 4 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 调度，还考虑了盐的浓缩问题，近年来人们开始寻求模拟优化功能。模拟优化就是 在模拟模型中嵌入优化结构。1 9 9 5 年邵东国等人在数学论证的基础上给出了模拟 自行优化的最优性和收敛性准则【1 l l 。1 9 9 6 年崔远来等人在分析了水库等调蓄工程 状态域及自优化模拟技术特征的基础上，建立了以防洪及兴利为目标的水库优化调 度自优化模拟模型【1 2 】。1 9 9 7 年吴泽宁等人研究了一般流域及跨流域水资源系统的 特点，并将模拟技术和数学规划方法相结合，建立了具有自优化功能的通用流域水 资源系统模拟规划模型i ”】。2 0 0 0 年李会安等人以黄河干流的上游梯级为例，根据 实时调度中用水计划和径流预报的时段滚动修正特点，研究了自优化模拟技术在水 量实时调度中的应用，并建立了黄河干流上游梯级水量实时调度自优化模拟模型 1 1 4 1 。 1 3 4 其它方法 随着水资源系统理论的成熟和计算机软件、硬件技术的飞速发展，考虑到水资 源决策分析及决策者参与决策的特点，研究者开始把计算机技术引入水资源，从上 世纪8 0 年代末开始，水资源专家系统和决策支持系统、神经网络、遗传算法，灰 色系统【”1 等成为水资源领域研究的热点。另外，根据实际情况，将多种方法耦合也 是一种研究水库群联合调度的途径。 1 9 9 4 年，韦柳涛，梁年生等构造了水库群联合调度神经网络专家系统，获得 指导水库群联合运行的调度规则，并模拟了运行结果，证明了所提方法的优越性。 ”6 】1 9 9 5 年胡铁松等基于h o p f i e l d 连续模型，建立了一般意义下的混联水库群优化 调度的神经网络模型，以水库群优化运行策略作为b p 网络的训练样本，通过b p 网络对样本的学习得到水库群优化调度函数【”1 ：2 0 0 0 年畅建霞等人以b p 网络为基 础，研究了西安市供水水库优化调度函数的神经网络计算过程，网络训练时采用累 积误差校正算法、动态调整学习率和惯性系数法，实现了调度函数的隐式表达，不 需要建立复杂系统的显式关系式【”1 ：畅建霞、王大刚分别提出了基于整数编码的遗 传算法【1 9 也0 】，并将g a 与动态规划的计算结果进行了比较；解建仓等对水资源调度 管理决策支持系统的相关问题进行了深入分析和探讨【2 1 】：陈守煜、邱林将随机动态 规划与非线性规划和模糊优选理论等有机结合，提出了多目标模糊优选随机动态规 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 划模型，并作于黄河梯级水电站的优化调度【2 2 】：加拿大s o l i m a n 、c h r i s t e n s e n 综合 了多种优化方法，对多水库水电站系统的长期运行提出了多变量空间优化模型【2 3 】。 1 4 水库调度存在的问题和发展趋势 水库调度研究发展至今已取得了很多的成果，然而由于水库工程的工作情况与 所在河流的水文情况密切相关，而天然的水文情况是多变的。目前水文气象预报科 学的还不能做出足够精确的长期预报，加上水资源系统是一个动态，多变的开放耗 散的“非结构化”或“半结构化”系统【2 4 1 ，从而给水库调度研究和成果推广应用 带来困难。目前，在实际应用中，用优化调度指导水库实际运行成功的实例并不多 见。至今为止，世界上还没有一个通用的水库调度软件能像流行的管理计算通用软 件那样在世界各国推广应用。这一方面表明水库调度理论和实际应用之间还存在较 大差距。近年来，随着计算机技术和水资源基础理论研究的飞速发展以及多学科的 交叉渗透，理论和实际紧密结合，紧跟现代科学技术的发展已成为水库调度的一大 趋势。比如，应用逐渐成熟的气象预报和遥感技术，增长径流预报的预报期和预 报精度，增加水库调调度的可靠性；开发新一代的决策支持系统。虽然水库调度研 究的问题越来越复杂，但提供给用户的解决系统问题的方法却应该越来越简单，直 观和形象。为充分发挥决策者在流域水资源系统中的作用，增强决策中的人机交互 能力，采用先进的计算机技术，开发操作简单，快速高效，交互性强的把专家知识， 经验知识和决策知识融于一体的智能型决策支持系统是未来水库调度研究的发展 主流。 另一方面，当今大多数水库调度的目标一般都是防洪，发电，灌溉，航运，供 水等1 2 ”，没有考虑水库调度对环境的影响，水库修好后，造成有些洄游的鱼类灭绝 或濒临灭绝的边缘，有些水库下游， 血吸虫，蚊虫病害加重，这些都是由于水库 修建和调度时没有很好的考虑这些目标所造成的。因此，保护环境的水库调度变得 很重要，也成为水库调度一个发展趋势。利用合理的水库调度，可以增加枯水期下 游的水量改善水质；通过水库的合理调度，在水库下游合适位置创造适当的产卵条 件，保护洄游性鱼类；库水位调节是控制蚊子繁殖的有效办法，美国田纳西河流域 管理局( t v a ) 水库体系的经验表明，如果蚊子在繁殖季节始水库水位每周升降 6 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 0 3 米，就会致命地破坏蚊子的生命周期。 1 5 生态环境需水的研究 生态环境需水量( w a t e rr e q u i r e df o re c o l o g ya n de n v i r o n m e n t ) 的理论研究， 国外始于二十世纪4 0 年代，由美国渔业和野生动物保护组织为避免河流生态系统 退化，规定需保持河流最小生态流量，也是最早生态环境需水流量的概念，并于 7 0 年代初通过立法列入地方法案，法案对河流基流量、河道内用水、各类湿地、 河口三角洲等环境需水量规定了限定值1 2 6 i ：英国、澳大利亚等国8 0 年代起接受河 流生态流量的概念，并广泛开展研究。生态环境需水是一个新概念，涉及生态学， 水文学，地学等科学，目前有关生态环境需水的研究虽已取得较大进展，但人们对 其概念和内涵的理解还不尽相同。 国内对生态环境需水问题是近几年刚刚得到关注并开始研究的课题。由中国工 程院组织的4 3 位院士和近3 0 0 位院外专家参加完成的“2 1 世纪中国可持续发展水 资源战略研究”认为，广义的生态环境需水指“维持全球生物地理与生态水分平衡 所需要的水量，包括水热平衡，生物平衡，水沙平衡，水盐平衡等所需的水”；狭 义的生态环境需水是指“维持生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总 量”。国内目前的研究多集中在水资源供需矛盾突出以及生态环境相对脆弱和问题 严重的干旱、半干旱和季节性干旱的半湿润区。而对南方湿润地区的生态环境需水 量研究较少，人们习惯性认为南方湿润地区不可能存在水量不足的现象。然而，近 些年来，随着经济的发展，排入河流中的污染物大量增多，导致了象广东这样的降 水丰富的地区也出现了水质性缺水现象，很多河流中有水，但已经发黑，发臭无法 利用。所以生态环境需水的研究不仅在干旱地区需要研究，在湿润地区也很有必要 进行研究。在进行水资优化配置中，就要考虑到生态环境需水量的要求，把生态环 境效益作为与经济效益一样重要的目标来考虑。只有协调好生态环境效益和经济效 益，使两者的综合效益到达最优的水资源配置方案才是最优的水资源优化配置方 案。生态环境效益难以直接计算，一般采用生态环境用水的满足程度来作为生态环 境目标。这样就要计算生态环境需水量。生态环境需水量的常用的计算方法有： 7 0 1 0 法，t e r m a n t 法，湿周法，r 2 c r o s s 法，污染物迁移转化法和生境模拟法，综 7 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 合法等一系列的方法。本文采用的是污染物迁移转化法。 由于生态环境用水是各种需水类型中的一种，同时，生态环境用水量的多少又 直接影响到生态环境效益，即生态环境用水多，生态环境效益就好但这样可能会导 致其他用水需求得不到满足而使得经济效益减少，所以，本文应用生态环境需水量 这个与经济效益和环境效益都有关的因素把水量和水质联合起来考虑。 1 6 河库联合调度 随着现代社会的发展，人类对水的需求量增加的同时也产生了大量的污水，大 量的污水排入河流，湖泊中，使水体受到污染，严重的甚至出现发黑，发臭，鱼类 无法生存的现象。( 2 0 0 2 年中国环境状况公报资料显示，七大水系7 4 1 个重点监 测断面中，2 9 1 的断面满足i i 类水质要求，3 0 的断面属，v 类水质，4 0 9 的断面属劣v 类水质。水污染已经给全国工业，农业和人民健康带来严重的不利影 响。 改善水质，提高水环境承载力，恢复河流的生态环境已经成为目前我们亟待解 决的问题。改善水质，提高水环境承载力的主要途径有两条：减污和增水。即减少 污水排放量和增加河道中河水的流量。 减污主要要抓三个方面的工作：( 1 ) 清洁生产；( 2 ) 节约用水；( 3 ) 污水处理。 最直接的办法就是禁止废水的产生和排放或者修建大量高级污水处理厂，将污水进 行深度处理后再排放。然而社会要发展，要满足人类生产生活的需求就必须生产， 要生产而不产生废水在目前是不可能做到的，而修建大量的污水处理厂，把所有的 污水都经过深度处理后再排放到河流中，这就需要一笔很大的资金，以中国目前的 经济实力来看，在短时间内是很难有这么大一笔资金来修建所需的污水处理厂。基 于社会发展现状来考虑，我们在人工处理尽可能多的污水的同时也要充分利用河水 的自然净化能力。 增水，对流域进行增水控制，提高流域的自然净化能力。废水排入水体中会造 成严重的危害，但由于在水体中存在物理作用，化学反应，生物吸收和生物降解作 用，使水体本身也有一定的自身净化污染物的能力，或称为水体的自净能力。水体 自净机制包括沉淀、稀释、混合等物理作用；氧化还原、分解化合、吸附凝聚等化 8 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 学和物理化学作用；生物和生物化学作用等。各种作用相互影响，同时发生并行进 行。一般地说，物理和生物化学作用在水体自净中占有很重要的位置【2 7 】。水体的自 净能力是有限的，有一定容量的，超过这个限度，河流就要遭到污染。废水进入水 体后，污染与自净过程就同时开始。距排放口近的水域，污染过程是主要的，表现 为水质恶化，形成严重污染区；而在相邻的下游水域，自净过程得到加强，污染过 程强度有所减弱，表现为水质相对严重污染水域而言有所好转，形成中度至轻度污 染区域；在轻度污染区域之下水域，自净过程是主要的，表现为废水经水体物理、 化学和生物作用，污染物质或被稀释或被分解或被吸附沉淀，水质被恢复到正常状 态。 在改善水质上，我们就要减污和增水并重。在条件允许的情况下，可调用流域 内，外的没受污染的水稀释污水，利用河水的自净能力降低污水浓度，使其水质达 到功能区的要求。然而水从调水区调出就减少了调水区的纳污能力，实际上是水环 境承载力的空间的转移，不是任何情况下都可以采用的。若是流域上游有水库等蓄 水工程，就可以利用水库把洪水季节多余的水水存储起来，到枯水季节再释放下去， 在流域内按时间分配水资源，既不会影响其他流域，而且能获得多重的效益。在洪 水期，把洪水存储下来，可以缓解下游的洪水压力，而削减河道中的洪峰流量；在 把洪水期多余的水存储起来的同时也把洪水期多余的环境承载力给存储起来了，到 枯季利用，可以解决枯季缺水的问题，更能提高枯水期的水环境承载力，就相当于 是水资源承载力的时间的转移。通过这种方式，把对人类有害的洪水给利用起来， 不让洪水资源白自流走，是洪水资源化的一种很好的体现。 河库联合调度就是以流域为研究对象，对流域内水库和河道中的水进行统一的 管理和调配，尽可能多的发挥水库的调蓄功能来满足水库的兴利要求和保证下游生 态环境需水的要求。这种河库联合调度与现在国、内外所提倡的水资源要分流域管 理相适应的，在流域中，当下游水资源短缺时，就要求既使在水库的利益受到损害， 也要水库加大放水从而使整个流域的需水尽可能的达到满足，使整个流域总的损失 最小。如2 0 0 2 年以来，珠江流域持续干早，特别是2 0 0 4 年入秋以来，江河来水明 显减少，水位大幅度降低，珠江三角洲地区遭遇近2 0 年来最为严重的咸潮上溯， 严重威胁澳门、珠海、中山、广州等地供水安全。国务院领导高度重视，要求确保 9 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 珠江三角洲地区供水安全。国家防总2 0 0 5 年1 月7 日批准实施珠江流域压咸补淡 应急调水，1 7 日应急调水正式启动，2 9 日调水进入三角洲地区。2 月4 日，珠江 流域应急调水任务全面完成，共增调水量8 5 1 亿立方米( 天生桥一级电站4 7 3 亿 立方米，岩滩水库2 2 亿立方米，飞来峡水库1 5 8 亿立方米) 。这次应急调水效果 非常显著，大大超过预期的设想。下游河道水的盐度大大的降低了 ( h t t p ：a v w w p e a r l w a t e r g o v c n z t z l d s y x d t x w d e t a i l j s p ? r e c i d = 5 3 6 0 ) 至此，珠江压咸补 淡应急调水工作已取得阶段性的胜利。这次调水虽然会给上游水库带来一定的经济 损失，但是下游河道的水质得到了保证，从而使整个流域的损失减少，人们的正常 生活得到了保证。这就是河库联合调度的一个很成功的范例。 1 7 论文结构 本论文共分五章。第一章提出了本文的选题背景和研究意义，回顾了水库调度 和生态环境需水的研究历史，以及河库调度提高生态环境用水，改善水质的机理和 重要性；第二章介绍大系统多目标梯级交互式决策水量模型，以及模型的求解方法； 第三章介绍了水质模型和求解方法；第四章介绍考虑水质影响的流域水资源优化配 置模型，并把此模型应用于西枝江流域的水资源配置中。应用生态环境需水量这个 因素把水量和水质联合起来。 通过生态环境用水与另外三种经济型用水的优先权 重进行比较，产生了四种不同的供水配置方式，然后分别比较各种分配方式产生的 经济效益和环境效益，得出最优的水资源配置方式；第五章，为结论，总结本论文 的研究内容和成果。 1 0 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 第二章大系统多目标梯级决策模型 2 1 系统工程简介 系统的定义，不同的学科有不同的说法，但一般认为，凡在一定环境下，为实 现某一目标，由若干相互联系，相互制约，相互作用的因素( 部分) 而组成的集合 体，就称为系统。任何一个系统均包括两个部分：一是系统本身，二是系统所处在 的环境。系统本身由三个元素组成，即输入，运转，和输出。随着科学技术的日益 进步，人类的系统思想不断丰富和完善，逐渐产生了系统科学，而且仍在不断发展 中。我国著名科学家钱学森认为，系统科学体系由三个层次构成：其一是直接改造 客观世界的工程技术系统工程；其二是为工程技术提供理论基础的技术科学一 一运筹学，控制论，信息论等；其三是在技术科学基础上进一步抽象概括成为认识， 揭示客观事物规律的基础理论基础科学，就是系统学【2 ”。系统工程是应用系统 理论，近代数学方法和电子计算机技术，研究系统规划，设计，制造，组织和管理 的- - t l 整体最优的技术科学。这种技术对于一切系统均适用，具有应用的广泛性和 普遍性。研究不同的系统问题就有相应的各种系统工程，如工程系统工程，社会系 统工程，生态系统工程等。研究水资源系统问题就有水资源系统工程。系统工程研 究的对象是各种体系的系统；它的思考方法是全局的和协调的辩证思想；它采用的 技术方法是以运筹学，信息论，大系统理论，多目标决策技术和控制论等为理论基 础，以电子计算机为运算手段的现代科学方法；最终的目的是使研究系统的整体最 优。 系统工程在解决各类不同问题时，为了实现系统整体最优的目的，具有比较共 同或相似的工作思路，工作阶段和工作步骤的模式，也就是系统工程的工作程序。 为了达到系统工程程序中每个阶段和步骤的预期目的或目标，须借助系统分析 综合评价的反复过程来实现。这种解决问题的方法就是系统工程的基本方法。 系统分析在系统科学或系统工程中的应用从两个方面完成它的职能：其一，在系统 方案实施之前，进行最优方案的选择分析，也称决策中的分析；其二，在决策后实 旋过程中，进行系统地最优运用分析，也称实施运转过程分析。 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 现代生产和科技的迅速发展，客观上形成了许多实际的大系统，这些系统的共 同特点是规模大，层次多，关系复杂，影响因素多，而且带有随机性质。由于大系 统的上述特点，应用传统的的方法研究这类问题将会遇到很多难以解决的问题。 为了克服上述问题，大系统理论随之产生了。大系统理论提供了一系列的解决上述 问题的方法，如多重建模，简化模型与次优，分解协调，多目标方法和分解一 一聚合方法等。由于大系统一般具有多层的梯阶性和非单一多目标性，2 0 世纪7 0 年代发展起来的大系统梯阶分析与多目标决策方法，分别研究了大系统的这两个侧 面。随后，国内外学者目益重视将这两种方法融为一体，逐渐形成了大系统多目标 梯阶分析的方法。分解协调方法是面对大系统多层次，多目标，多阶段，多决 策单元及多不确定因素影响等特点，为改善现行系统分析数学模型结构单一，功能 有限，难以适应实际大系统决策分析需要而建立起来的。分解协调法的基本概念是 把大规模的复杂系统分解成独立的子系统，而后建立模型。这种分解处理的方法是 利用等级，层次的概念，使系统分析人员可以对各个子系统分散地，独立的进行最 优化处理。根据子系统模型的性质和子系统的目标及约束条件，可以采用不同的最 优化方法，它们的解可以称为第一级解。子系统之间用全局变量连接，在第二级或 更高级进行控制，达到全系统最优解，这个解称为第二级或高级解。使子系统独立 的办法，是先松弛一个或更多的最优性条件，然后在第二级满足这些条件。它是现 行大系统梯级分析的一种新方法，是多目标决策分析中一项新的非劣解集生成技 术，也是二者融为一体的大系统多目标梯级分析的一种寻优工具。 本文所采用的方法就是分解一协调的梯阶分析方法。 2 2 基于水库调蓄的流域水资源优化配置方法 为了论证西枝江及白盆珠水库的各种供水方案的优劣，确定最优的供水方案， 本文提出一种基于水库调蓄的流域水资源优化配置梯阶决策多目标动态规划方法。 2 2 1 问题的描述 对于一个流域，若其上，中游建有一个调蓄水库，则流域中，下游的可供水量， 稀释需水量可通过水库进行控制，图2 - 1 为在有水库调节下流域供水示意图。 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 图2 1 水库调蓄下流域供水示意图 配水节点是流域水资源合理配置中的一个抽象的概念，对应天然河道中下游的 一个点，水资源通过该结点被配置到用水区及用水户，流域可供水量即指配水节点 的可供水量。配水结点的可供水量包括该点以上所有的来水量，可用下式表示。 r q 。+ s ，+ 窿彬一1 ，tt 1 ，2 ，t( 2 1 ) 其中，t 为时段变量，t 为计算时段数，本计算中，取月为计算时段，则在进 行以年为周期的计算时，t = 1 2 ；r 为配水结点在时段t 的可供水量；q t 为配水结点 上游水库在时段t 的下泄流量 s 。为区间来水量，即水库至供水结点区间在时段t 的天然来水流量，w t _ 1 为t - 1 时段供水结点向流域内用户的实际供水量，a 为综合 用水回归系数，本文假定用水在一个时段后回归河流。本规划不考虑回归水利用。 若仅考虑水库供水，则配水结点的可供水量为q t 。 配水结点的可供水量各项中，只有水库的下泄流量q t 一项是可控的，其它各 项都是不可控的。 2 2 2 模型的结构 本模型将一个复杂的水资源社会经济环境系统，从二维方向进行分解，从而形 成一个水资源合理配置的多层次梯阶决策结构，如图2 2 所示，采用多目标分解一 一协调法求解。 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 2 2 2 1 系统的二维划分 1 ) 时间维划分 时间划分分2 个层次，第一层次是将规划期分成规划基准年，规划水平年，中 期规划年和远景规划年4 种不同年份，第二层次是将各年分成若干个计算时段。本 文取规划基准年，规划水平年，中期规划年和远景规划年分别为2 0 0 0 年，2 0 1 0 年， 2 0 2 0 年和2 0 3 0 年，分别以t o ，t 1 ，t 2 和1 3 表示；而以月为计算时段，则每年 取1 2 个时段，计算时段以t 表示。 2 ) 用户维划分 将所有水资源用户进行分类。本文将用水户分成4 种类型，即城乡生活用水， 工业用水，农业用水和生态环境用水，分别用u 1 ，u 2 ，u 3 和u 4 表示。 2 2 2 2 梯阶决策结构 按照上述方法对系统进行二维划分后，整个水资源系统被分解成若干个子系 统，从而使水资源合理配置成为一个多层次的梯阶决策过程，如图2 - 2 所示。决策 的最高层是水资源合理配置的决策层，对应本项目的研究人员，负责对整个系统在 时间及用户维上进行控制和协调，控制水库的运行方式，并对整个系统水资源的合 理配置进行决策，并决定最终的配置方案。 梯阶决策是一个自上而下的梯阶多层决策，整个决策分成二个层次，分别为时 间层和用户层，时间层决策为第一层，用户层决策为第二层。时间层决策通过对水 库的控制，实现流域水资源在时间系列上的分配，而用户层决策实现水资源在用户 层间的分配。各层之间相互关联，相互影响，下一层的决策依赖于上一层的决策结 果，而下一层的决策结果为上一层的决策提供依据，通过层与层之间决策结果的反 馈和协调，最终实现全系统最优决策。 1 4 淋爵*沸毽墨器簖薄*婿篙高高母吼瓣瞳 圃-2才(礴籁玲啦母咖墨吣湖海蒜写浴狒擗茁 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 1 ) 时间层决策 时间层的决策是将全年的水资源在全年各月间进行合理分配，以确定配水结 点的水量配置方案。时间层的决策建立在水库调节的基础上，水资源年内各月的 合理分配通过合理调度水库运行方式实现。 通过建立水库调节的优化模型，实现时间层的优化决策，具体的优化模型需 根据流域水系结构及水库位置建立，并根据模型结构确定求解方法。针对西枝江 流域情况，本文提出一个水库优化调度模型，并采用动态规划法求解，实现时间 层的决策。 通过模型的求解，可确定出长系列各个计算时段配水结点的可供水量r i ， t = l ，2 ，t ：其中，t 为长系列内的计算月数，即t = 1 2 e m ，m 为总年数。 2 ) 用户层决策 用户层决策的目的是将通过时间层决策确定的配水结点在各计算时段的可 供水量r ，合理配置到配水结点对应的各个用水户，以确定各个用水户所分配的 水量w c ，l ，i - - 1 ，2 ，n ；其中，n 为用水户个数，本文中，n = 4 。 建立多目标优化模型，进行用户层的优化决策。详细模型与方法将在下部分 介绍。 2 3 时间层决策一水库优化调度动态规划法模型 2 3 1 目标函数 优化模型的目标是使用户的用水保证程度最高，本文用各时段缺水量的平方 和最小作为目标函数，形式如下。 f 刊喀一q ) 2 ( 2 - 2 ) 其中，d 。为t 时段各用户的需水量，w 。为t 为时段供水结点的实际供水量， 按下式计算： 1 6 考虑水质影响的流域水资源优化配置模型 形j d t f ，置如r 4 【r ，i f r ， w 2 w 3 ( 2 1 4 ) 其中，w 。，w 。，w 。w 4 分别为生活，工业，农业和生态环境用水用户的用水优 先权重。 3 ) 变量