（系统工程专业论文）城市水资源供需管理系统动态优化与控制方法研究.pdf

摘要 摘要 我国当前纯粹由于水资源短缺造成缺水的城市只是少数，供水设施能力不足是导致城市 缺水的直接原因。近年来，尽管城市供水设施建设有了长足发展，但许多城市的水供需矛盾 尚未得到明显缓解。在水工业中，资金投入的使用效率和效果非常重要，水工业是一个非常 重要的资金密集型行业。城市用水问题的缓解，不仅是技术问题，也是重要的经济问题。根 据动态变化的城市水需求，合理筹划城市水资源供需管理系统的供水工程投资，对于节约资 金，实现提高供水项目投资效益，具有重要意义。研究的主要目的是希望通过对城市水资源 供需管理系统相关问题的研究，促进雨水资源利用及城市供水行业的投资动态优化和水资源 的有效配置。 研究中应用的主要理论和方法有：城市水供需管理理论、供水系统技术经济分析方法、 时间序列分析方法、最优控制理论、奇异最优控制理论、随机最优控制理论和鲁棒控制理论。 应用的软件有：s a s 统计软件和m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件。 研究的内容包括以下方面。 ( 1 ) 影响城市水供需管理系统运行的月降水量时间序列模型拟合预测问题。 ( 2 ) 城市水资源供需管理系统的最优控制问题：基于不同投资周期下的城市水需求，使 城市水供给有效满足城市水需求的投资动态最优控制问题，及与此相关的状态空间约束下最 优控制中的互补松弛条件问题。 ( 3 ) 城市水资源供需管理系统参数具有不确定性时的鲁棒控制问题。 ( 4 ) 基于最优经济性的城市供水系统的动态优化与控制问题：基于综合成本最小化的城 市供水系统的最优配置问题，及城镇供水效益评价中的分摊系数法改进问题。 关键词：水资源；供需管理；最优控制；鲁棒控制；投资；降水：时间序列 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , i nc h i n at h e r ea 他o n l yf e wc i t i e so f w a t e rs h o r t a g ed u et ot h es h o r t a g eo fw a t e r r e s o u r c e sw h i l et h ed i r e c tc a u s eo f u r b a nw a t e rs h o r t a g ei st h ei n c o m p e t e n tw a t e rs u p p l yf a c i l i t i e s i nr e c e n ty e a r s ，t h o u g ht h ec o n s t r u c t i o no fu r b a nw a t e rs u p p l yf a c i l i t i e sh a sm a d eag r e a tp r o g r e s s ， t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nw a t e rs u p p l ya n dd e m a n do fm a n yc i t i e sh a s n tb e e nr e l i e v e d s i g n i f i c a n t l y t h es e r v i c ee f f i c i e n c ya n de f f e c to ff u n d i n gp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nw a t e ri n d u s t r y , w h i c hi sav i t a lc a p i t a li n t e n s i v ei n d u s t r y t h er e l i e fo fu r b a nw a t e ru t i l i z a t i o ni sn o to n l ya ni s s u e o ft e c h n o l o g yb u tt h a to fe c o n o m y i na c c o r d a n c ew i t ht h ed y n a m i cc h a n g eo fu r b a nw a t e r d e m a n d ，ar e a s o n a b l ei n v e s t m e n tp l a no fw a t e rs u p p l ye n g i n e e r i n go fu r b a nw a t e rr e s o u r c e s s u p p l ya n dd e m a n dm a n a g e m e n ts y s t e mi ss i g n i f i c a n tf o rc a p i t a ls a v i n ga n di n v e s t m e n te f f i c i e n c y o fw a t e rs u p p l yp r o g r a m s 1 1 1 er e s e a r c hm a i n l ya i m st op r o m o t er a i n w a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n a n dt h ed y n a m i co p t i m i z a t i o no fi n v e s t m e n tt ou r b a nw a t e rs u p p l yi n d u s t r ya n de f f i c i e n ta l l o c a t i o n o fw a t e rr e s o u r c e sb yr e s e a r c h i n gt h ei s s u e sr e l a t e dt ot h eu r b a nw a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya n d d e m a n dm a n a g e m e n ts y s t e m t h em a i nt h e o r i e sa n dm e t h o d sa p p l i e di nt h er e s e a r c hi n c l u d e ：t h e o r yo fu r b a nw a t e rs u p p l y a n dd e m a n dm a n a g e m e n t , t e c h n i c a la n de c o n o m i ca n a l y s i so fw a t e rs u p p l ys y s t e m ，t i m es e r i e s a n a l y s i s ，o p t i m a lc o n t r o lt h e o r y , s i n g u l a ro p t i m a lc o n t r o lt h e o r y , s t o c h a s t i co p t i m a lc o n t r o lt h e o r y a n dr o b u s tc o n t r o lt h e o r y t h es o f t w a r ea p p l i e di nt h er e s e a r c hi n c l u d e ：s a ss t a t i s t i c a ls o f t w a r e a n dm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r e n er e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) t h em o d e lf i t t i n ga n dp r e d i c a t i o no fm o n t h l yp r e c i p i t a t i o nt i m es e r i e st h a te f f e c t st h e o p e r a t i o no f t h eu r b a nw a t e rs u p p l ya n dd e m a n dm a n a g e m e n ts y s t e m ( 2 ) t h eo p t i m a lc o n t r o lo ft h eu r b a nw a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya n dd e m a n dm a n a g e m e n t s y s t e m ：o nt h eb a s i so ft h ed i f f e r e n tu r b a nw a t e rd e m a n da c c o r d i n g t od i f f e r e n ti n v e s t m e n tp e r i o d ， t h ed y n a m i co p t i m a lc o n t r o lo fi n v e s t m e n ti sr e s e a r c h e d ，w h i c hm a k e st h eu r b a n w a t e rs u p p l y e f f e c t i v e l ym e e tw i t ht h eu r b a nw a t e rd e m a n d 1 1 1 ec o m p l e m e n t a r ys l a c k n e s sc o n d i t i o ni no p t i m a l c o n t r o lp r o b l e mw i t hs t a t es p a c ec o n s t r a i n tr e l a t e dt ou r b a nw a t e rm a n a g e m e n ts y s t e mi sa l s o r e s e a r c h e d ( 3 ) r o b u s tc o n t r o lw h e nt h ep a r a m e t e re s t i m a t e dv a l u eo ft h eu r b a nw a t e rr e s o u r c e ss u p p l y a n dd e m a n dm a n a g e m e n ts y s t e mi su n c e r t a i n ( 4 ) t h ed y n a m i co p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lo fu r b a nw a t e rs u p p l ys y s t e mb a s e do nt h ec r i t e r i a o fo p t i m a le c o n o m i c a le f f i c i e n c y ：n eo p t i m a la l l o c a t i o no fu r b a nw a t e rs u p p l ys y s t e mb a s e do n t h em i n i m u mc o m p r e h e n s i v ec o s t , a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h es h a r ec o e f f i c i e n tm e t h o di nb e n e f i t e v a l u a t i o no f t o w nw a t e rs u p p l y k e yw o r d s ：w a t e rr e s o u r c e s ；s u p p l ya n dd e m a n dm a n a g e m e n t ；o p t i m a lc o n t r o l ；r o b u s tc o n t r o l ； i n v e s t m e n t ；p r e c i p i t a t i o n ；t i m es e r i e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名垄亘塑嗍趔蹦2 笾 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：翅导师签名：研究生签名：孟：! ：! ! 导师签名： 日期： 2 q q 墨：1 2 ：3 q 第l 章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 本文研究背景是我国当前城市水资源开发利用的情况是随着城市人口增长和经济发展， 城市用水需求的总趋势是在增加。近2 0 年来，中国由于工业化和城市化的快速发展，城市连 片发展的格局形成。1 9 9 0 年2 0 0 2 年，中国城市的数量由过去的4 6 7 座增加至6 6 0 座，城市人 口由3 0 2 亿增长至5 0 2 亿，城市化率由2 6 4 增加到3 9 1 ，社会结构的变化使得城市的用水 量也由1 9 9 0 年的3 6 1 8 亿立方米增加到了2 0 0 2 年的4 8 9 5 亿立方米【l j 。研究表明：城市人口增 加2 4 ，人均用水将增加1 2 6 ! 引。1 9 9 7 年我国城市化水平3 0 0 , 6 ，城市人e 1 3 7 x 1 0 8 。预计2 1 世纪中叶以前，我国城市化水平将可能达到6 0 0 , 6 ，城市人口将增加到9 6 x 1 0 8 左右，水资源的 供需矛盾将进一步加剧。另一方面，水资源的紧缺与用水的浪费并存。从总体上说，因缺水 造成的经济损失超过洪涝灾害。许多地区由于缺水，造成工农业争水、城乡争水、地区之间 争水、超采地下水和挤占生态用水。与此同时，用水效率不高和用水严重浪费的现象也普遍 存在。而城市供水和污水处理的资金缺口很大，缺水城市中，绝大多数属于设施型缺水和污 染型缺水。北方不少城市，所以大量超采地下水，很重要的原因是缺水资金修建引用地表水 的自来水厂和相应管网。南方不少城市，则因地表水污染而大量超采地下水1 3 】。水资源短缺 是城市缺水的原因之一，但就全国范围来看，尚不是城市缺水的主要矛盾。据对我国3 3 3 个 缺水城市的调查发现，因水资源缺乏而导致缺水的只有3 3 个城市，仅占1 0 。在“南水北调 工程中线方案”供水区京、津、冀、豫四省市的1 8 个缺水城市中，主要因水资源缺乏而导致 缺水的城市只有2 个。这表明，纯粹由于水资源短缺造成缺水的城市只是少数。供水设施能 力不足是导致城市缺水的直接原因。据调查，截止到1 9 9 3 年，我国3 3 3 个缺水城市中，由于 供水设施能力不足造成缺水的城市多达2 6 0 个，占缺水城市总数的7 8 ，3 2 个特大型城市中， 有3 1 个城市存在供水设施能力不足问题。近年来，尽管城市供水设施建设有了长足发展，但 许多城市的水供需矛盾尚未得到明显缓解【4 】。多年来，地表水在我国水资源构成中占有重要 地位，地表水资源供水量占供水总量的8 0 以上。目前我国地表水供水量己占我国水资源总 量的1 6 左右，尚还有一定的开发空间，但是，随着水利建设有利位置越来越少，所需投资 越来越大，增加地表水供给的难度也越来越大【引。 如果不从实际操作的观点，而仅从经济角度来讲，城市水工业的组成为：为满足不同人 群的使用而对水进行保护、处理、输送和分配的一些必要活动( 即供水) 和对产生的废水进 行收集、输送、处理的另外一些活动( 即废水处理) 在工业世界的大部分城市中，给水导 致了对废水处理的需求。给水的成本和废水处理的成本之和构成了用水成本。在考虑城市水 工业的经济价值时，有两方面值得注意。其一，是它的绝对条件很多，但在资金密集方面是 个例外。如美国1 9 9 3 财政年度整个水工业行业共获得大约4 1 0 亿美元收入，但却获得1 7 5 亿美元的投资，等同于全年审核后总收入的4 3 。在美国，再没有别的主要工业部门能如 此接近这个年度投资比。水工业另一个更重要的特征是其主要设施都有很长的使用寿命。供 水和废水处理投资的设备预期其使用年限很少有少于2 0 年的。一些设备，例如管道和水泵， 可以使用5 0 年、1 0 0 年或者更长时间。因此，在水工业中，资金投入的使用效率和效果非 常重要。水工业是美国经济中唯一一个非常重要的资金密集型行业，毋庸置疑，它在其他国 家也拥有相似的地位。每年对水行业的投资规模相当大，而该行业错误的投资结果也会延续 很长时间【6 1 。 东南大学博士学位论文 因此，城市用水问题的缓解，不仅是技术问题，也是重要的经济问题。水工业是一个非 常重要的资金密集型行业，给水排水工程作为现代化城市建设的重要基础设施，在我国城市 化发展过程中的作用越来越重要，在未来1 5 2 0 年内，给水排水工程的投资规模将达到一个 新的水平，投资总额预计在2 0 0 0 亿元以上，每年的运行费用需要数百亿元1 7 j 。根据动态变 化的城市水需求，合理筹划城市水资源供需管理系统的供水工程投资，对于节约资金，实现 提高供水项目投资效益的目的，具有重要意义。 不同的城市水需求量测时间周期，所对应的水需求函数的特性是不同的。当时间周期较 短时，如小于等于季度时，水需求不仅会受到人类自身社会、经济活动的影响，一般表现出 较缓的增长趋势；还会受到气候等自然因素的明显影响：由于地区气候模式的变化，温度和 降雨量的差异能导致夏季用水比冬季用水高1 0 - 1 0 0 1 6 l 。所以此时城市水需求还呈现周期 波动性特征，如月用水量的年周期性、时用水量的日周期性等【8 l 。而当量测时间周期较长， 如以年为单位时，影响城市水需求的主要因素将是人类活动自身，天气等自然因素导致的周 期性不再明显。由于城市的经济和人口都是在增长，与此对应的长周期水需求一般也表现为 长期的增长趋势。 自从资本投资部分地基于用水预测来执行，预测的准确度就成为一个非常严肃的经济问 题【们。短量测周期下的城市水需求受气候的影响明显，而其中月降水量是一个较大的影响因 素。降雨量的季节性和年际间的变化也是影响城市供水水源的稳定性因素例。降水量的增加， 能增加城市的可供水源量，这可导致取水成本下降；同时还可减少城市的人工生态供水量。 这两方面都会使城市供水投资减少。反之亦然。因此，合理分析预测城市的月降水量时间序 列，有助于更好地进行城市水资源供需管理的动态优化。 投资开发新水源、扩大供水，尽最大可能满足用户要求，属于所谓的“供给管理”。但 随着人口的继续增长以及经济的不断发展，这种方法日益显露出其不可持续性。于是人们开 始把目光转向水资源的需求方面，即所谓的“需求管理”。供给管理强调人类征服自然、改 造自然，主宰自己命运的思想：而需求管理则侧重于人与自然和谐相处的思想，倾向于抑制 人类过多地向自然界索取，约束人类对水资源无限制的需求，对有限水资源进行合理配置和 科学管理，从根本上解决当前面临的主要水问题，真正实现水资源可持续利用【i 们。面对水 资源问题的严峻挑战，如果仅靠兴建更多的水利工程去保障供给，而不注重通过节水技术等 措施来限制用水需求，非但解决不了问题，即使增加了供水规模，也会导致大量污水产出和 水资源大量浪判i l 】。由于供水管理忽略了用水者节水的可能性，它将水资源供需矛盾的解 决寄托在水资源的供给上，其结果是水资源浪费的增加和使用的低效率；而需水管理则能够 着眼于现存的水资源供给，而不是自发地向新的供水能力投资以满足未来对水的需求，这在 水资源日益短缺的今天，具有重要的现实意义【l 引。水资源合理配置的技术分析是指在宏观 调控下，应用西方福利( 微观) 经济学原理和观点研究水资源的最佳配置问题，也就是利用 市场机制进行水资源的配置问题。迄今应用于水资源规划与管理的优化方法，包含没有约束 的优化方法、有等式约束的优化方法、线性规划方法、非线性规划法、动态规划法、模拟技 术和多目标优化方法等l l 引。因此，应当看到单纯依靠投资等供给管理手段增加供水的不足， 将其与节约用水和水资源合理配置等需求管理手段结合起来，才能真正实现城市水资源的可 持续利用。 1 1 2 研究目的和意义 本文研究的主要目的是希望通过对影响城市水供需管理系统运行因素中的月降水量时 间序列模型拟合预测问题、不同投资周期下的城市水资源供需管理系统的最优控制问题、城 市水资源供需管理系统参数具有不确定性时的鲁棒控制问题、基于最优经济性的城市供水系 统的动态优化等问题的研究，促进雨水资源利用及城市供水行业的投资动态优化和水资源的 2 第1 章绪论 有效配置。 已有的使用a r i m a 方法研究城市降水量的文献，往往只考虑时域方面而忽视频域方面 的分析，对降水量的周期性考察不足。雨水的季节波动和随机性很大，降水量的季节性和年 际间的变化是影响城市供水水源的稳定性因素，对其建模应准确描述这些特征。为克服已有 文献的不足，本文提出将频域谱分析与时域a r i m a 方法结合的降水量时间序列建模方法。 这对丰富城市降水量时间序列的拟合预测方法具有积极意义。水工业是一个非常重要的资金 密集型行业，给水排水工程作为现代化城市建设的重要基础设施，在我国城市化发展过程中 的作用越来越重要，在未来1 5 2 0 年内，给水排水工程的投资规模将达到一个新的水平。因 此，对于资本密集型的城市水供需管理控制系统而言，投资是最重要的决策变量。城市用水 问题的缓解，不仅是技术问题，也是重要的经济问题。根据动态变化的城市水需求，合理筹 划城市水资源供需管理系统的供水工程投资，对于节约资金，实现提高供水项目投资效益， 促进城市供水行业的投资动态优化和水资源的有效配置的目的，具有重要意义。因此，本研 究的意义还包括以动态系统优化与控制的观点，对投资这一影响城市水资源供需管理系统运 行的关键决策变量进行优化控制，以此促进节约资金，提高供水项目投资效益，实现城市水 资源供需管理系统的可持续发展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 城市水资源及用水管理的发展 研究城市水资源供需管理系统，首先应明确水资源的含义。但到目前为止，什么是水资 源还没有一个公认的非常严谨的文字描述。 不列颠百科全书中水资源定义为“自然界一 切形态( 液态、固态、气态) 的水”都算水资源。直到1 9 6 3 年英国国会通过的 水资源法 中，改写为“具有足够数量的可用水源”，即自然界中水的特定部分。1 9 8 8 年联合国教科文 组织( u 叮e s c o ) 和世界气象组织( w m o ) 定义水资源是“作为资源的水应当是可供利用 或可能被利用，具有足够数量和可用质量，并且可适合某地对水资源的需求而能长期供应的 水源”。中国广泛使用“水资源”一词的历史不长，大约从2 0 世纪7 0 年代起，水资源才渐 渐成为人们的热门话题。我国对水资源的理解也不尽相同。 中国大百科全书( 地理卷) 中 将其定义为，地球上目前和近期人类可直接或间接利用的水，是自然资源的一个重要组成部 分；中国大百科全书( 大气科学、海洋科学、水文科学) 中定义为，地球表面可供人类利 用的水，包括水质( 质量) 、水域和水能资源。一般指每年可更新的水资源：中国大百科全 书( 水利卷) 中定义为，自然界中各种形态( 气态、液态、固态) 的天然水。供评价的水 资源是指可供人类利用的水资源，即具有一定数量和可用质量，并在某一地点能够长期满足 某种用途的水资源。综合上述观点，石玉林等认为水资源是指水体中的特有部分，即由大气 降水补给，具有一定数量和可供人类生产生活直接利用，且年复一年的循环再生的淡水，它 们在数量上等于地表地下径流的总和( 对平原地区地下径流还要加上潜水蒸发部分，均不考 虑深层渗漏) 1 1 4 1 。崔玉川等认为，水资源有广义与狭义之分，从广义上说水资源是指自然 界中任何形态( 包括水的固态、液态和气态的形式) 、存在于地球表面和地球的岩石圈、大 气圈、生物圈中的水。而狭义的水资源是指地球上可利用的或者可能被利用的、具有一定数 量和质量保证的、在一定时间内可以更新的那部分淡水量。它必须具备：一是水质应符合人 类利用的要求；二是在现代技术经济条件下，通过工程措施能提取出来的水。从这个意义上 讲，随着科学技术的不断进步，水资源的范围也在不断扩大1 9 1 。 陈南祥等从系统的观点出发，认为水资源系统是天然系统( 包括随机的降水、径流及地 下水和相对稳定的地貌、河系、岩石、土层及植被等) 和人造系统( 包括修建的地面水库、 水电站、井源灌区、运河、输水管渠、防洪堤及分洪区、排涝站、城市供水系统等) 相结合 3 东南大学博士学位论文 而成的复杂系统。在一定时间内，该系统承受着不可控制的及可控制的降水、径流和能量等 的输入，作用于系统内有关联的部分，通过系统处理，产生出相应的供水量、能量及其他效 益的输出，实现系统的功效i l 川。 随着城市化进程的加快，城市用水供需矛盾日趋加剧，“城市水资源”一词也越来越多 地被提出和应用。有的文献将城市水资源定义为“一切可被利用的天然水资源”。不仅包括 本地水资源，而且也包括调用外来的水资源。但这样的定义有其缺陷，如水资源量很难界定、 不够确切。同时，对水资源范围的限定也过于局限，因为城市可利用的水已扩延至再生水或 其他低质水。城市水资源的提出是适应城市发展的要求和客观存在，是城市形成和发展的必 然结果。因此，崔玉川等将城市水资源定义的范畴，拓展到一切可以被城市所利用的水，包 括被调来的外来水源以及海水、再生水和低质水( 污水) 掣w 。 b a u m a n ndd 总结了美国在用水管理方面的进展，2 0 世纪5 0 年代在美国芝加哥大学和 哈佛大学的研究为用水管理的发展远景奠定了根本性基础。芝加哥大学的g i l b e r tew h i t e 在水资源计划编制中就其选择范围的拓宽做了富有说服力的认证。他的早期对洪水灾害的研 究工作突破了传统的结构性和可靠性方法，证实了通过漫滩管理减少潜在危害具有巨大优 势，同时可以通过国家保险程序来减轻灾害所造成的损失。他的学生，如克拉克大学的r o b e r t w k a t e s 把这种模式引入到城市水资源管理中，并且与c l i f f o r dr u s s e l l 和d a v i d a r e y 一起在 城市干旱研究方面做了开创性的工作。在哈佛大学，进行了与以往研究方向完全一致但内容 又有所区别的研究工作。从1 9 5 6 年到2 0 世纪6 0 年代初期，由a r t h u rm a s s 指导编制的哈佛 用水计划确定了需求分析、经济学工具和最优化。r o b e r td o f f m a n , o t t oe c k s t e i n ，m a y n a r d h o f s c h m i d t , j o h nk r u t i l l a , s t e p h e na t h o m a s ，j r 等的研究工作对以后几代研究者和从业者产 生了深远而持久的影响。同时，在兰德公司的资助下，j a c kh i r s h l e i f e r , j a m e sc d eh a v e n 和 j e r o m ew m i l l i m a n 进行了富有开创性的工作。他们的工作重点集中在能促进城市用水的使 用效率和经济性的备选方案的重要性上，是城市水资源规划和管理中需求分析必要性的基础 性研究工作。在约翰霍普金斯大学的j o h ng e y e r , ep i e r c el i n a w e a v e r , j e r o m eb w o l f f 和其 他人一起完成了第一份对居民、商业和工业用水的综合性分析报告。后来由ep i e r c e l i n a w e a v e r 和c h a r l e sw h o w e 在后来的关于未来水资源的研究中提出了具有开创性的 h o w ea n dl i n a w e a v e r 居民用水模型，这个模型在3 0 年中仍在广泛使用。城市需水研究在2 0 世纪7 0 年代后期又被重新重视起来。当时，美国陆军工程兵水资源学会在一定区域内开展 了一项调查报告和发展规划。尽管最初的目的是在工程兵范围内资助水计划编制，但由于该 学会的研究提出了一些在水行业内被广泛应用的分析方法、分析工具和模型，这项工作在工 程兵组织的成员j a m e sc r e w s ，d o n a l dd u n c a n , m i c h a e lk l a u s e ，d a r r e l ln o l t o n 和k y l es c h i l l i n g 等指导下持续了近十年，计划编制和管理咨询有限责任公司给予了这项工作很大的支持。而 新工具开发和测试的成功应归功于b e n e d y k td z i e g i e l e w s k i ，j a c kl a n g o w s k i 和e v ao p i t z l 6 j 。 关于把城市中的水管理与农村中的水管理区分开来的必要性，s t e r n e r t 认为向单个消费 者提供水或其他相似产品服务的成本有必要将配水、引水、量水、管理及控制等方面的巨额 成本包含在内，而伴随水生产中的规模经济，城市与农村这些不同点是明显的。消费者分布 密度较高的城市地区为改进供水服务所进行的人均投资要远远低于农村地区i 1 6 l 。 z a m p a r u t t i 发现，在以前的许多计划经济国家，自然资源、水和能源几乎都是免费提供 的，结果人们缺乏节约的文化观念。在水需求方面同样存在管理不善的问题，仅通过测定用 水量的方法就可将水的消费量减少三分之一l l 儿。 n h a p ii 等指出，在不少地方，由于人口增长和工业化进程加快，使得城市水需求超过 水供给能力，造成当前发展状况是不可持续的。于是需要寻找新的水源，并采取更严格的管 制和排污标准l l 圳。n k h u w adcw 认为城市中由于快速城市化引起的人类活动加剧，增加了 地下含水层作为不同形式污染物容器的威胁，结果使居民受到不断增加的城市地下水源的水 4 第1 章绪论 质恶化和水量匮乏的困扰，城市可能经历水资源供给成本的快速增长，这反过来会严重威胁 城市居民的健康和生存1 1 9 。z 6 r a hm h 研究了供水系统基础设施的质量维度，测算了供水系 统不可靠性带来的成本。印度德里地区每户年均花费2 0 0 0 卢比应付不可靠的供水，超过其 向市政当局年度支付水费的5 5 倍。估计该地区由供水不可靠形成的成本达到每年3 0 亿卢 比，超过供水支出的2 倍1 2 。v a i r a v a m o o r t h yk 等认为需求的爆炸性增长是非灌溉水不足的 最重要原因。这种增长表现在两个重要方面：一是需求的绝对增长源于人口增长因素，并且 人均用水量与经济平行增长。二是人口向城市中心的快速集聚。迅速增加的人口密度创造了 集中于城市中心的巨大需求，需要采取远距离调水的强化措施。由于水缺乏和开发新水资源 受到限制，应当审慎地从传统的基于供给的管理转变到基于需求的管理。需求管理关注于通 常在显著低于标准服务水平时提供更好和更有效利用有限供给的措施。需求管理规划的技术 包括间歇式供水，减少水损失( 包括漏损检测与修复) ，综合量测，改变水价观念，安装( 改 装) 节水装置，废水回用，制度发展，公众了解及教育运动【2 。m a d u n g w ee 等指出，洗澡、 厨房和洗衣机产生的废水属于灰水，占家庭流出量的6 0 。它比厕所水包含更少的病原体 和少了9 0 的氮，因此不需要同样的处置过程。随着对新鲜水的需求增加，灰水的使用可 能减少灌溉水需求，增加新鲜水在其余基本用途的可供性。并通过展示一些国家的灰水重用 研究成果，探讨了灰水重用在非洲国家适宜性睇2 。 g u m b ob 等认为，城市水需求管理( w a t e rd e m a n dm a n a g e m e n t , w d m ) 是更广泛的城市综 合水资源管理( i n t e g r a t e dw a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n t , i w r m ) 的一部分，在通过更有效使用水 资源来缓解贫困方面起重要作用。水需求管理教育和对水专业人员与终端用户的培训对于资 源与信息贫乏的发展中国家尤其重要 2 3 1 。m u l w a f uw 等认为未来城市水需求管理会更重要， 因为对水资源的竞争会更激烈，这特别是由于人口增长，经济活动的增加而造成的，如工业 化和城市化进程加快1 2 4 j 。c h a n a na 等认为2 1 世纪的城市水资源供应管理规划面临三个挑战： 人口增长，污染增加和环境管制。因此应在城市发展中并入包括雨水收集和废水回用等家庭 级的新供水方法，并在悉尼的可持续管理规划中引入了一种称为全部水循环管理( t o t a lw a t e r c y c l em a n a g e m e n t ) 的方法，且将“减少人均水需求量”作为该规划的关键可持续性指标f 2 5 1 。 上述文献表明了人口增长和工业化进程对城市水供需管理形成了严峻挑战，减少人均水 需求量、扩大水资源类型和加强公民的节水意识教育是实现城市水资源可持续发展的重要途 径 崔玉川等认为我国城市水资源的开发利用和节约用水管理大体要经历3 个阶段。( 1 ) “自 由”开发利用，疏于管理阶段。我国2 0 世纪6 0 年代中期属此阶段。( 2 ) 限制开发利用，强 化管理阶段。目前，我国一些缺水城市基本上处于此阶段。( 3 ) 合理开发利用，科学管理阶 段。在这个阶段，水资源管理走向规范化、数字化、网络化和系统化的时代【9 1 。程国栋引入 虚拟水概念，将水资源管理分为供给管理、需求管理、内部结构管理和社会化管理四个层次， 从理论角度分析了水资源社会化管理与水资源重建的关系 2 6 1 。梁勇等认为水资源管理模式 的变迁是一个随经济发展变化的演进过程，并比较研究了供给管理与需求管理、资源化管理 与资产化管理、分散管理与集中管理、集成化管理等几个不同的管理模式，水资源集成化管 理是未来实现可持续发展目标的新策吲2 7 j 。周玉玺分别从供给和需求角度，重新构建了我 国水资源管理的制度框架p j 。 缪国斌等认为水需求管理不是对水的需求寻找新的供给，而是重在用水效益和供水费用 之间寻求适当平衡。需求管理是使水能得到合理利用，并通过各种有效的手段，确定更合乎 需要的用水水平和方式。其目的，一是增加已有资源的利用效益，二是节约资源1 2 引。黄永 基等认为我国水资源需求管理存在三方面突出问题：( 1 ) 需求管理的力度不够。尽管做了大 量工作，但影响社会经济可持续发展的干旱缺水和水环境恶化两大突出问题，依然没有得到 全面妥善解决。( 2 ) 地区之间、城市之间、行业之间水资源需求管理发展不够平衡。( 3 ) 用 5 东南大学博士学位论文 水水平与先进国家差距仍较大1 2 圳。左建兵等认为水资源需求管理分为区域、城区和用户三 个基本层次，不同管理层次的目标和方法是有所区别的。其中城区层次的需求管理任务是以 城市可持续发展为目标，通过对用户层次用水技术和用水行为的控制和引导，达到对城市生 产用水、生活用水、生态用水的有效管理p 。陈东景等认为要实现水资源的科学管理必须 明确以下几个问题：水资源管理是以实现水资源的持续开发和永续利用为最终归宿：水资源 管理应尽快完成由供给管理向需求管理的转变；明确水资源经济价值管理和环境价值管理方 式的差异性；水资源管理应尽快上升为水资源资产化管理；我国干旱地区更要重视水资源的 科学管理【3 l j 。刘俊良等认为实施需水管理的节制用水战略，不仅可以有效减少对水资源的 需求，同时也可以相应地减少污( 废) 水排放量，减少处理水量和污水处理厂投资，即需水管 理可以避免无益工程投型3 2 j 。王伟等提出对水利资金进行宏观监控应遵循结构均衡与总量 增长相结合，需求管理与供给管理相结合、计划调节与市场调节相结合的原则p 引。 王国新介绍了由中国政府委托水利部实施、英国国际发展部出资、相关部门配套支持、 项目实施周期为5 年( 2 0 0 5 年2 0 1 0 年) 的大型双边合作项目中英合作水资源需求管理援助项 目( w r d m a p ) 提出的水资源综合管理8 种方法：水资源评价、水资源综合营理规划、用水 效率、社会进步措施、调解冲突、管制措施、经济措施、信息和交流p 4 。项目实施时，陆 益龙认为，在通过水资源管理来进行扶贫，根据中国的社会经济发展状况，探索适合中国国 情的科学的水资源需求管理过程中，我国水行政主管部门已发现，水利扶贫存在的问题主要 表现在三个方面：一是水利设施老化失修严重；二是水资源开发利用程度较低：三是科技教 育落后，劳动力素质较低。从这三个方面的问题的成因来看，或多或少与管理和制度创新的 滞后性有关。我国水利设施之所以失修严重，表面上看可能是因为缺少资金，但从深层意义 上看，工程建设与管理和制度安排的失调也是重要的原因之一。也就是说，在工程规划、设 计和建设的同时，可能会由于在工程建成后的运行、管理和维护的制度上都没有做好充分的 准备，因而导致维护、管理和资金以及效益的不可持续问题1 3 5 1 。 党卫红等认为在水资源需求管理中，水权交易是重新分配稀缺水资源的一种有效方法。 而我国水权管理的主要缺陷在于水资源的所有权与经营权不分p 引。邢福俊从区域经济学的 角度，提出要以水权为核心，水价为手段，建立具有中国特色的适应社会主义市场经济体制 的水资源的准市场化配置机制l j 。 对于国内各省区市的水资源管理研究，还有龙瀛等针对北京水资源紧缺的实际情况，鉴 于北京市域节水系统的复杂性，提出了采用终端分析和系统分析的方法编制节约用水规划的 研究框架1 3 3 1 ，以及陈忠对于重庆【3 9 】、刘玉霞对于淄博m 1 、王亚红对于浙江f 4 1 1 的研究。 对于价格等经济杠杆与水供需管理的关系，也有不少文献进行了探讨。褚俊英等认为对 于利用何种方法去研究水价对城市居民用水行为影响的复杂性问题最为有效，至今还没有达 成共识。但可以看到，计量经济学方法是其中的主流方法之一，在数据可得的情况下明显优 于单纯的统计分析和定性分析法。同时，近些年来支持意愿调查法作为数据稀疏情况下的一 种补充方法也逐渐受到一些研究者的关注1 4 2 。左建兵等认为水资源需求管理的经济手段是 通过建立合理的水价体系，使水价真正能起到经济杠杆的作用，运用供水价格弹性和需水 价格弹性曲线的变化规律，起到抑制用水增长，缓解水资源供需矛盾的作用p 0 | 。胡爱军引 证发展中国家有关用水需求的水价弹性系数研究成果表明，这一系数值的范围大致为o 4 5 到0 1 0 ，而对我国来说，水价与用水量的定量关系有待进一步深入调查分析【4 j 。邢福俊等认 为居民生活用水有一个弹性不大的基本用水，而大部分用水则为弹性相对较大的多样化用 水。以1 9 9 7 年可比价格计算，当水价从0 5 元，吨升到3 7 5 元吨时，家庭用水需求的价格弹性 从0 1 8 降到0 6 3 1 4 3 1 。竺照轩引证各国生活用水需求价格弹性为- 0 3 到0 6 ，工业用水价格弹 性为加4 5 至u 1 3 7 。这些数字表明水价格的弹性确实存在。总体来说水的价格弹性较低，但经 济学家认为对一种商品限定得越具体、越明确，其替代品就越多，价格弹性也越高。如果将 6 第1 章绪论 水资源按其水质的不同进行分类，如原水、上水( 自来水) 、中水、下水( 污水) ，情况就有所 不同。几种产品之间就存在替代性，如可以用原水和中水替代上水作为工业某些用水，如冷 却用水；可以用中水或下水进行污灌而代替上水等。由于上水、中水、下水的用途依次变少， 三者的价格弹性也依次变小，这样就可以用价格对三种水进行调节，拉开档次m 】。孙镭则 在建立陕西城镇居民生活用水需求函数时发现，居民生活用水的需求价格弹性为- 0 2 3 9 0 8 2 ， 尽管缺乏弹性，但相对于其他需求管理工具，价格在抑制需求上依然是一个有效的工到4 5 1 。 潘家华则认为，水资源的一个重要特点是关系到人类生存和经济运行的战略属性。人类生存 离不开水，人类所食用的所有动植物都依赖于水而生存。其自然供给是没有弹性的，需求弹 性也十分有限。水资源的这一特性要求人口数量和经济规模必须考虑水的可供量，否则过大 的无弹性的需求会导致整个经济系统的崩溃1 4 6 1 。这种看法在水资源稀缺的今天，是值得重 视的。 在定价方法上，周玉玺等认为为反映水资源的全部稀缺价值，水价形成机制应逐步采用 全成本法，包括资源水价、工程水价和环境水价，但是要合理确定这三部分在整个水价中的 比例关系。从目前我国水价实施情况来看，工程水价占绝大部分，资源水价和环境水价仅占 很小的比例1 47 1 。张剑利认为我国城市供水价格结构要直接体现全成本定价，自来水价格不 应只是处理自来水的价格，而是一个系统化的概念。水处理成本、水资源成本和外部成本三 者构成完整意义上的全成本水价。完全成本定价能够通过水费的征收补偿供水企业正常生产 和扩大再生产，为城市供水设施、排水设施、水处理设施以及各种水资源保护措施的实施提 供了经济保障。科学的城市供水定价体系，应具备适合水市场运行的新型水价管理体制；应 依照持续发展原则、维护消费者权益的原则、投资回收原则、水资源配置的高效原则四个基 本原则定价；实行高峰负荷定价、两部制水价、实施超额累进加价多种类定价种类【