（环境工程专业论文）多水源优化调度的管理与决策.pdf

中文摘要 水资源的需求量不断增加，供需矛盾日益突出，加上人类对水资源不合理的 开发利用而带来的众多负面影响，这些都将制约社会经济的发展和人类文明的进 步。人类必须合理开发利用有限的水资源以满足社会发展和经济增长的需要，从 而实现水资源与社会经济、生态环境的协调发展，促进水资源的可持续利用，保 障社会经济的可持续发展。 对多水源进行优化调度、科学的管理与决策是保证水资源可持续发展的有效 措施，也是水资源可持续利用的基础支撑。本文以可持续发展为指导思想，从理 论的创新与完善、水量预测方法选择、调度模型构建与先进优化技术引入、优化 调度方案综合评价方法选择、风险情况下的管理与决策、管理与决策系统的构建 等方面系统研究了多水源优化调度的管理与决策问题。在理论研究的同时，结合 相关研究区域给出了相应的实例应用，验证了理论与方法的可行性与实用性。最 后，在理论研究的基础上，结合多水源管理的需要利用g i s 以及n e t 技术开发了 多水源优化调度的管理与决策系统，为多水源管理者提供信息化管理和智能化决 策平台。 本文引入带精英策略的非支配排序遗传算法( n s g a i i ) ，并结合多目标决 策中的逼近理想解法( t o p s i s ) 很好的解决了多水源优化调度与决策中方案的 拟定与评选问题，同时初步探讨了风险情况下多水源优化调度的管理与决策问 题；在实际应用中，本研究采用组件模块化开发方法构建多水源优化调度的管理 与决策系统，不仅大大缩短了系统的开发周期而且提高了系统的效率。 关键词：水量预测；多水源优化调度；带精英策略的非支配排序遗传算法；逼 近理想解法：风险决策；地理信息系统；管理与决策系统 a b s t r a c t c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n gd e m a n dq u a n t i t yf o rw a t e rr e s o u r c e s ，i n c r e a s i n g l y s t r i k i n gc o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns u p p l ya n dr e q u i r e m e n t , b e s i d e s ，n u n e r o u sn e g a t i v e e f f e c t sd u et ou n r e a s o n a b l ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ，a l lo f t h e s ew i l lr e s t r i c tn o to n l yt h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m yb u ta l s ot h ep r o g r e s so f h u m a nc i v i l i z a t i o n t h u s ，w em u s tr a t i o n a le x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fl i m i t e d w a t e rr e s o u r c e st om e e tt h en e e do fs o c i a ld e v e l o p m e n ta n de c o n o m i cg r o w t h ，s oa st o i m p l e m e n th a r m o n i o u sd e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e s ，e c o n o m i cg r o w t ha n d e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，p r o m o t es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ， a n d g u a r a n t e es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m i c t om a k eo p t i m a lo p e r a t i o n , s c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n - m a k i n gf o r m u l t i - w a t e rr e s o u r c e si sa ne f f e c t i v em e a s u r et og u a r a n t e es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f w a t e rr e s o u r c e s ，a n di ti sa l s ot h eb a s i cs u p p o r tf o rs u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fw a t e r r e s o u r c e s t h i sp a p e rt a k e ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta sg u i d i n gi d e o l o g y , o nt h eb a s e s o fs t u d yf r o mt h e o r yi n n o v a t i o na n di m p r o v e m e n t ，m e t h o ds e l e c t i o no fw a t e rq u a n t i t y f o r e c a s t , c o n s t r u c t i o no fs c h e d u l i n gm o d e la n di n t r o d u c t i o no fa d v a n c e do p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e ，m e t h o ds e l e c t i o no fc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf o rs c h e m eo p t i m i z a t i o n , m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n m a k i n g u n d e rc o n d i t i o n so fr i s k s ，c o n s t r u c t i o no f m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e ma n do t h e ra s p e c t sp r a c t i c a lt e c h n o l o g y , m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o nm a k i n go fm u l t i - w a t e rr e s o u r c e so p t i m a lo p e r a t i o na r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d a tt h es a m et i m ew i t ht h e o r e t i cr e s e a r c h , c o m b i n e dw i t h r e l e v a n tr e s e a r c hr e g i o n st h ep a p e rg i v e st h ec o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o ne x a m p l e s ， w h i c hv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h et h e o r i e sa n dm e t h o d s f i n a l l y , m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mo fm u l t i - w a t e rr e s o u r c e so p t i m a lo p e r a t i o n i se s t a b l i s h e db yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fg i sa n d n e t , c o m b i n i n gw i t ht h en e e do f m a n a g e m e n to f m u l t i w a t e rr e s o u r c e s , w h i c hb a s e do nt h e o r e t i cr e s e a r c ha n dp r o v i d e s ap l a t f o r mo fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n di n t e l l i g e n td e c i s i o nf o rm a n a g e r so f m u l t i w a t e rr e s o u r c e s t h ep a p e ri n t r o d u c e de l i t i s tn o n d o m i n a t e d s o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( n s g a i i ) ，c o m b i n e dw i t ht h et e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a l s o l u t i o n , w h i c hs o l v e s t h ep r o b l e m so fs c h e m eg e n e r a t i o na n de v a l u a t i o ni n m u l t i - w a t e rr e s o u r c e so p t i m a lo p e r a t i o na n dd e c i s i o nm a k i n g a tt h es a n l et i m e ，t h e p a p e rp r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e st h em a n a g e m e n ta n dd e c i s i o nm a k i n go fm u l t i w a t e r 陀s o u r c e s o p t i m a lo p e r a t i o n i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s t h i sr e s e a r c ha d o p t s c o m p o n e n t - b a s e dm o d u l a r i z a t i o nd e v e l o p m e n tt oc o n s t r u c t m a n a g e m e n ta n d d e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mo fm u l t i w a t e rr c s o u t c c so p t i m a lo p e r a t i o n ，w h i c hn o t o n l v s h o r t e n st h ed e v e l o p m e n tp e r i o dg r e a t l yb u ta l s o i m p r o v e st h ee m c i e n c yo f 也e s y s t e m k e yw o r d s ：w a t e r q u a n t i t yf o r e c a s t ；m u l t i w a t e rr e s o u i e s o p t i m a l o p e r a t i o n ；e l i t i s tn o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ；t e c h n i q u ef o ro r d e r p r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n ；r i s kd e c i s i o n ；g i s ；m a n a g e m e n ta n d d e c i s i o n - m a k i n gs y s t e m 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，也不包含为获得鑫洼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。 学位论文作者虢莲誓 签字日期：劢7 年6 月z 扫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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) 一躲绣裳 签字日期：砂7 年舌月2 ，日 导师签名：曰一彳缓1 签字日期：- 哆年占月1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 1 1 1 课题提出背景 水是生命之源，也是构成生物体的基本物质，人类从诞生的那一刻起注定与 水相伴。在2 l 世纪，实现水资源的可持续利用以支撑经济社会的可持续发展， 是新时期我国水利事业的重大使命，是加速建设资源节约型和环境友好型社会的 必然选择。切实做好水资源的开发利用、节约保护、合理配置，是摆在我们面前 的重要任务。 随着社会进步和生产发展，许多区域内城市的供水问题、水污染问题已成为 限制经济持续发展和社会和谐稳定的瓶颈。协调地区及用水部门间的利益矛盾， 提高区域整体的用水效率和效益，促进水资源的可持续性利用和经济社会的可持 续性发展已成为水资源配置追求的目标。为此，国家近年来不仅投巨资修建或正 在修建一大批水利工程项目，比如小浪底、三峡等大型水利枢纽以及南水北调工 程。在国际金融危机的大环境下，许多城市在拉动内需的政府号召下，也都正在 修建大型的污水处理设施。同时，国家对节水型社会的建设也提上日程，已经把 大连作为北方城市的节水试点，把绵阳市作为南方多水城市的节水试点。 天津市地处我国政治文化中心和经济发达地区的海河流域，多年人均水资源 量仅为1 6 0 m 3 ，是全国水资源最为紧缺和生态与环境严重恶化的地区之一【m 】； 滨海新区作为国家“十一五”重点发展的地区，其淡水资源短缺和水质污染同时 存在，若处理不当，水资源很有可能成为制约经济发展的制约凶素【3 1 。 本文研究的区域为空港物流加工区一期工程，是天津市滨海新区中临空产业 区的重要组成部分，其功能定位和主要任务是服务于滨海新区的开发与开放，同 时注重生态环境开发和保护，建成国际一流的绿化景观和生态环境m 】。它的建 成与使用将突出发挥天津滨海国际机场的空运优势，并利用天津铁路枢纽、天津 港和京津塘、津滨、唐津高速公路等组成的交通网络，构筑国际一流的信息、技 术与产品集散基地。 结合研究区域特点，以可持续利用为理念的供水多水源优化调度的管理与决 策中，不仅包含多水源系统的优化配置问题，还包括多水源调配方案决策分析、 第章绪论 优选等问题。做好多水源的整体调度，充分合理利用区域内所拥有的自来水、雨 水及再生水等各种水资源，保证规划区域水资源的可持续开发利用，将在确保经 济社会快速、稳定发展中起到非常重要的作用。 要有效地利用区域内的多种水源，必须有相匹配的多水源调度系统。调度必 须从区域多水源管理与决策的角度出发，首先，应采用合理的方法对需水量进行 准确预测；然后，在弄清各种水资源的水质、水量等的基础上，对多水源系统进 行合理配置与协调利用，以达到充分利用现有水资源、减少系统运行费用、降低 区域缺水损失的综合目标。因此，根据相关模型，开发多水源优化调度的管理与 决策系统是课题的研究内容之一。 1 1 2 研究意义 本研究所做的多水源优化调度系统是在建立规划区域多种水源、多种水传输 系统的水资源网络结构系统的基础上，根据研究区域建设期、以及区域未来成型 后的水资源系统供需变化，考虑自来水、引滦水、再生水及雨水等的相互协调； 同时根据多水源优化思想，调整用水结构，对研究区域水资源进行动态管理与优 化调度。 研究本课题的理论意义：规划区域内多水源管理与决策的研究，体现了可持 续发展理念在水资源管理方面真正的应用，完善多水源管理与决策的理论方法， 拓宽水资源管理与决策的思路。 研究规划区域内供水系统多水源管理与决策问题的应用方面的意义在于：本 次研究的规划区域为北方沿海城市的一个工业产业区，在供水系统的设计中，遵 循兼顾生活、生产、生态用水，优质优用，充分利用再生水及雨洪水，优先配置 再生水等非常规水源等设计原则，并将在区域建成后实行多水源系统的优化调 度，以提高用水效率；优化调度问题解决不好不仅会造成水资源的严重浪费，加 大水利工程的负荷，更会影响规划区域内经济的发展，问题解决得好，将使其水 资源不仅得到合理的配置和高效利用，更为其经济的迅速发展提供保障。 另一方面，以规划区域为研究对象，研究风险条件下多水源调度方案的优选 问题，可以使得水务部门管理与决策活动的风险降低，从而使水务事业与区域经 济的发展相协调。研究成果将为规划区域内水资源优化调度带来更大便利，同时 为政府以及水务部门的决策提供科学的理论依据和有效的方法。 计算机和通讯技术的快速发展，为城市供水系统科学调度与管理技术的提高 2 第一章绪论 和完善提供了可行条件。在2 0 0 5 年，供水科学调度系统的研究已被列为国家供 水行业2 0 1 0 年技术进步规划及2 0 2 0 年远景目标内容之一【6 1 。开发多水源优化调 度与管理决策系统，将为决策者提供大量、全方位的辅助信息，实现决策的科学 性和完备性，是现代供水与水资源管理部门源信息化建设发展的必然趋势。 1 2 国内外研究进展 1 。2 1多水源优化调度管理与决策的研究进展 1 9 5 0 年，美国水资源委员会的一份报告，对水资源开发、利用和保护进行 了论述。1 9 5 5 年美国哈佛大学水资源大纲( h a r v a r d w a t e r p r o g r a m m i n g ) 标志着 系统分析及优化模型在水资源规划及管理中应用研究的开端。 在研究的初期，数学规划在水资源优化方面应用研究较多【7 - l 。直到目前为 止还有很多学者仍在致力于研究新的解决途径，在数学规划方法应用的同时，投 入产出分析方法、模拟仿真技术、网络理论等都融进了水资源分配研究中。1 9 7 2 年，b u r a s 对2 0 世纪五六十年代兴起的系统分析理论在水资源开发利用中的应用 进行了系统研究，重点阐述了数学规划理论及计算手段在水资源系统设计和运行 调度中的应用方法、分析步骤掣1 2 1 。 近年来，系统科学有了新的发展，相继产生了耗散结构论、协同论和突变论， 这些新的进展推动了水资源合理配置问题的研究。例如基于生物进化原理发展起 来的遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) ，是一种高效、并行、全局的非线性优化方 法，它为求解水资源管理模型这类组合最优化问题提供了新思路、新方法 1 3 , 1 4 。 同时研究者根据需要对遗传方法进行了多方面的改进，例如为解决非线性和多目 标问题，研究者提出基于人工神经网络的遗传算法【1 5 】。2 0 0 2 年，m c k i n n e y 等提 出基于g i s 系统的水资源模拟系统框架，进行了流域水资源配置研究的尝试【1 6 1 。 从研究内容上看，国外学者还对各种需水量的估算、用什么途径来满足不同的需 水要求，以及水分配中的政治和行政管理等问题进行了研究。 我国把水资源优化配置曾作为一个专题进行研究，取得了显著成果。1 9 8 2 年开始的国家“六五”“七五”重点科技攻关项目华北水资源研究中，对华 北地区水资源总量和“四水”转化规律进行了广泛的研究，提出了结合该地区水 资源问题的根本解决措施，形成了水资源合理配置概念。“八五 “九五”期间， 我国又开展了基于宏观经济的水资源优化配置的理论和方法、面向生态的水资源 合理配置理论和方法的研究。作为成果的总结，许新宜等在1 9 9 7 年编著了华北 地区宏观经济水资源规划理论与方法，2 0 0 2 年，谢新民等著宁夏水资源优化 3 第一一章绪论 配置与可持续利用战略研究，2 0 0 3 年，王浩等编著了黄淮海流域水资源合理 配置以及西北地区水资源合理配置与承载能力研究。这些研究成果标志着 我国水资源合理配置理论和方法体系框架的基本形成。 从公开发表的研究成果上看，我国的水资源优化调度研究主要集中在水电站 水库调度 1 7 - 2 4 】、跨流域调水以及水资源利用 2 5 - 2 8 】，以及生态关系的研究 2 9 - 3 1 1 等方 面。从近几年的研究看，国内关于这方面的研究内容更为宽广，也涌现出了一批 具有代表性的学者及研究成果。比如，2 0 0 2 年，陈晓宏等【3 2 】以大系统分解协调理 论作为技术支持，运用逐步宽容约束法及递阶分析法，建立东江流域水资源优化 调配的实用模型和方法，并对该流域特枯年水资源量进行优化配置和供需平衡分 析；2 0 0 4 年，魏加华等将自适应控制理论引入流域水量调度，建立了黄河流域水 量调度模型，提出了自适应轨迹跟踪水量调度方法【3 3 1 。2 0 0 4 年，王慧敏等创新性 地提出在南水北调工程水资源配置与调度中引入供应链管理的思想，发挥“沟通 与协调”的作用，通过制订“供水协议”，使整个系统处于“双赢”的平衡状态， 以达到水资源配置与调度的目的f 圳。 上述研究工作无论在理论上还是在应用上都很重要，但目前国内外在多水源 优化调度以及管理决策方面的应用研究还比较薄弱，从查阅的文献来看，也是对 单个问题研究较多，系统性的研究较少。 1 2 2 国内外水资源决策支持与管理系统的研究进展 2 0 世纪7 0 年代初m s s c o t t m o r t o n 教授在“管理决策系统”一文中首先提出决 策支持系统。其定义为“综合利用各种数据、信息、知识，特别是模型技术，辅 助决策者解决决策问题的人机交互系统” 3 5 1 。在国外，特别是工业发达的西方国 家，管理与决策系统已经进行实际应用，成为一种正规的、普遍使用的信息系统。 成功应用的例子大量出现，其软件和硬件已商品化和通用化。 水资源管理决策支持系统( w a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n to fd e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ，简称w r m d s s ) 是近几年在d s s 的基础上发展起来的，现在已被广泛用 于水资源评价、管理、模拟、预测及规划中，它的应用是水资源的开发与管理走 向科学化、合理化，使得对水资源的预测、模拟与规划更加方便、快捷、准确。 目前该领域已包含水文水资源模拟优化技术、最优模型、数据管理系统、地理信 息系统、专家系统、多目标支持工具以及图形显示技术等【3 6 】。 我国最早的水资源系统是由清华大学水电系完成的“七五”国家攻关项目一 一京津唐地区水资源规划决策支持系统【3 7 】，除此以外，还有黄河水利委员会开发 的国家“八五”科技攻关项目专题黄河防洪防凌决策支持系统【3 8 1 。近年来， w r m d s s 在我国有了较快的发展：将决策支持系统广泛的应用于区域水资源规 4 第一章绪论 划与管理，如天津市水资源规划决策支持系统【3 9 1 ；流域水资源管理，如保翰璋等 开发的疏勒河流域水资源管理决策支持系统 4 0 l ；水库优化调度，如宋松柏等开发 的石头河水库优化调度决策支持系统等4 1 1 。 1 3 研究内容与方法 1 3 1 研究内容 本研究的主要目的是建立一套完整的理论与方法，用于多水源优化调度的管 理与决策。各个章节围绕此目的展开，主要内容包括： ( 1 ) 研究规划区内的需水量及雨水可利用量预测方法。需水量预测方法很 丰富，实际中，不可能利用一种方法预测所有区域的需水量，本研究结合研究区 域特点，给出城市用水分类指标预测方法及其具体应用。同时结合规划区降雨特 点，提出利用灰色模型预测雨水可利用量。 ( 2 ) 探索多水源优化调度理论。研究模型建立的原则与方法，建立一般多 水源优化调度的多目标决策模型，并结合实际，利用经济杠杆、供水安全以及多 水源协调利用的优先原则建立多目标模型：研究模型的求解方法，根据对各种算 法的对比，引入精英非支配解排序遗传算法( n s g a i i ) 及其应用。 ( 3 ) 采用定性与定量方法，研究多水源调度方案的综合评价问题。结合决 策理论研究多水源调度方案评价体系中评价元素的权重问题，给出模糊层次分析 法及其具体应用，重点研究各评价元素重要性标度的选择问题：在方案优选决策 中，引入逼近理想解法，并将其应用于区域多水源优化调度的决策中；最后基于 不确定情形，初步探索考虑风险情况下多水源优化调度方案的决策问题。 ( 4 ) 对多水源优化调度中建立的优化模型、决策模型以及优化算法进行集 成，结合管理中所涉及的信息查询、编辑、统计、以及数据存储等，基于g i s 与n e t 技术构建适用于多水源优化调度的管理与决策系统。 理论研究的逻辑顺序为：需水量预测及雨水可用量预测多目标模型的建 立多目标模型的求解权重的确定方案的决策与优选风险情形 下多水源优化调度的决策系统集成与开发。 1 3 2 研究方法与技术路线 本研究的技术路线( 其中包含所利用的研究方法) ，如图1 1 所示。 5 第一章绪论 1 4 本章小结 图1 - 1 多水源优化调度的管理与决策研究的技术路线 ( 1 ) 概述了课题的提出背景、研究区域内概况以及多水源用水结构，并结 合实际应用，阐述了本课题研究的理论意义与实际应用方面的意义。 ( 2 ) 论述了水资源优化调度及其管理与决策方面的国内外研究进展，指出 了在区域多水源优化调度方面理论研究的不足，并结合优化调度决策支持系统的 应用，提出开发符合研究区域的多水源优化调度的管理与决策系统。 ( 3 ) 结合多水源优化调度的管理与决策实际，确定了本课题的研究内容， 以及研究方法，最后拟定了本课题研究的技术路线。 6 第二章需水量与雨水可用最预测 2 1引言 第二章需水量与雨水可用量预测 多水源系统的作用应当是对各类用户尽可能经济地提供可靠且合乎水质要 求的自来水、优质水、再生水或者可利用的雨水，以满足各类用户当前、未来的 用水要求。所以，对需水量以及雨水可利用量的变化与特征，有个事先的估计， 是多水源系统发展与运行研究的重要内容。 多水源系统用水量及区域内降雨量的变化有其内在的规律，这主要体现在它 们的周期性上，包括用水量的年趋势性、用水量及降雨的季节周期性、以及用水 量的时周期性上。它们的周期性分别是由于人类的生产、生活具有的规律性、以 及区域气候等各种因素导致的一种内在规律。需水量及雨水可调用量预测就是根 据区域历史用水量及降雨量数据的变化规律，并考虑社会、经济等主观因素和天 气、季节性气候等客观因素的影响，利用科学、系统的或者经验的数学方法，在 满足一定精度的要求下，对规划区未来某时段内的需水量及雨水可用量进行预 测。 截至目前，在现代供水系统工程科学中，各种水量预测方法及理论已经成为 占有重要地位的研究领域，是供水系统规划和优化调度的重要部分【4 2 1 。 需水量及降雨量预测方法在国内外文献中并不鲜见，同时国内外在提到对雨 水利用时也都发明了很多新技术和新方法，但由于区域的差别，对雨水可利用量 预测的文献并不多见。预测的理论及方法也多大多是依靠区域水文、流域水资源 等水环境进行的宏观预测。 在城市需水量预测方面：1 9 9 6 年，王煜将灰色系统理论引入需水预测中， 并提出带有时间因子的非线性g m ( 1 ，1 ) ，最后提出非线性灰色预测模型对需水量 预测具有较好效果【4 3 】，并在随后的几年里灰色系统理论得到了很好的应用【“t 4 5 】。 2 0 0 0 年，m a i e r 等人通过对神经网络的设计、训练与测试用来预测和预报水资源 变量 4 6 1 。2 0 0 7 年，陈为亚分析了某市年需水量变化的特点，讨论了对年需水量 预测效果较好的灰色g m ( 1 ，1 ) 模型在年需水量预测中的应用，为水量的宏观调控 及用水规划提供了参考w 7 1 。同年，席洋等利用灰色系统理论建立预测年需水量的 g m ( 1 ，1 ) 模型，并以北京市年用水量为原始数据进行了实际预测，且通过后验差检 验验证y o m ( 1 ，1 ) 模型的应用条件及其在需水量预测中的应用范围，为我国其他 7 第二章需水量与雨水可用量预测 城市年用水量预测提供了参考【4 引。 在降雨量预测方面：2 0 0 2 年，傅鹤林等根据历年降雨量利用灰色g m ( 1 ，1 ) 模 型建立了降雨量的预测理论模型，同时在灰色预测的基础上，与m a r k o v 链耦合 建立了修正降雨量的理论预测模型，并在最后结合实际工程对模型进行了验证， 为降雨量的预测提供了一种新的途型4 9 】。2 0 0 6 年，夏乐天等在介绍马尔可夫链 预测方法的基础上，以郑州市多年降雨量资料为基础，应用加权马尔可夫链对该 地区的旱涝状态进行了分析【5 例。 目前对城市需水量及降雨量预测的模型和方法有【4 2 】：趋势外推测方法，找 到水量变化趋势，按照变化趋势对未来的需水量或者降雨量做出判断。回归分 析模型，通过分析所获得的历史水量数据的统计分析和处理，建立回归分析模型， 而后进行预测。灰色预测模型，利用历史数据按某种要求做数据处理( 或数据 变换) 后建立微分方程模型，组成灰色系统，然后对未来做出预测。时间序列 模型，采用随机过程特性，建立和估计产生随机序列的随机过程模型去进行预测， 这种方法比较适合短期预测。神经网络模型，参照生物神经网络，对现实进行 抽象、简化或模仿，通过学习与推理进行预测。组合预测和分类预测方法，组 合预测即是综合各种预测方法所提供的信息，对不同预测方法进行适当组合，分 类预测即按某种用水能够被划分开的分类方式进行的预测方法。 通过在规划区内多水源优化调度的实际项目中的研究，由于规划区功能性原 因以及目前处于建设期，考虑到需水量规律性存在较大不确定性，上述数学模型 预测方法在进行蓄水量预测时效果不是很好，故在对规划区进行需水量预测时， 宜结合城市供水工程规划规范( g b 5 0 2 8 2 9 8 ) 中综合指标法的思想以及比例 相关法预测思想，采用城市分类预测方法；另外，鉴于雨水利用信息的不完全性 及不确定性符合灰色系统理论，且灰色预测模型理论及应用上比较成熟，在对多 水源优化调度时采用此模型对区域内的雨水可利用量进行预测。 2 2 城市用水分类预测方法及其应用 2 2 1 城市用水分类预测方法的基本思想与求解步骤 需水量可以按任何一种用水能够被划分开的分类方式进行，常见的分类是按 部门用水、时间或地理区域划分的，也有按照城市用水习惯进行分类的，即把城 市需水量分为生活、生产、消防、市政、未预见漏损用水量等【5 l 】。 根据分类标准的不同，城市用水各组成部分的性质是不相同的，同时它们在 总用水量中所占比例也不相同。这些组成部分的性质和所占比重不同决定了他们 s 第二章需水量与雨水可用最预测 的特性，以及对整个系统中影响因素的响应特性( 即灵敏度) 也是不同的。因此， 进行分类预测的一个明显好处就在于它可以使一定类型的用水和影响它的特殊 因素相联系，并在预测时予以反映出来。此外，分类预测也能为多水源的优化调 度与决策提供更详细的信息。 在实际应用时城市用水分类预测法的求解步骤简单易懂，具体包括以下几个 方面： ( 1 ) 根据实际用水结构，把用水量按照使用性质与用途分类。建议按照城 市用水习惯来分，即把总需水量看作综合生活用水、工业生产用水、市政公用及 其它耗水的总和。 ( 2 ) 分别根据当地社会经济情况结合室外给水规范、城市供水工程规 划规范划分类别，然后预测各组成部分的用水指标，或者根据统计资料对比预 测各组成部分的用水指标。缺少用水指标的组成部分，暂不确定它们的指标。 ( 3 ) 利用区域内各类用水的基础数据和用水指标，计算各组成部分的需水 量。各组成部分的需水量即为该组成部分所包含的各类水的需水量之和，缺少用 水指标的组成部分，采用比例相关法，利用与其他用水的比例确定其需水量，即 所求需水量为已知需水量和相关系数的乘积。各组成部分的需水量町由下面的公 式进行计算， q f = q ，t ( 2 1 ) 式中q 组成部分i 的需水量； ，；组成部分i 的用户数量： q ，组成部分i 的用水指标； f 调度周期内计算的天数。 ( 4 ) 根据统计资料和专家建议设定各组成部分中各类水用量所占比例。例 如此规划区综合生活用水量中包含有两类用水，即优质引用水和自来水。它们在 综合生活用水量所占的比例系数分别为7 8 和2 2 。 ( 5 ) 计算多水源中各类用水的需水量。具体做法是把各组成部分的需水量 组成一个行矩阵彳，把各组成部分中多水源各类别的水作为行向量组成一个列矩 阵口，彳曰即是最后求的多水源中各类水的需水量组成的列向量。 2 2 2 应用实例 由于本课题研究区域的功能、用水习惯与普通的市区并不一样，针对这个特 点，研究区域的用水结构划分的应更加细化。把总需水量具体分为生活需水量、 工业用水量、仓储建筑需水量、生态需水量以及道路浇洒等其他需水量。在调度 周期上，为了满足多水源调度的需要，具体考虑到按月份分配指标，由于用水习 9 第二章需水量与雨水可用量预测 惯的不同，生活与生态用水量的指标在时间上也不相同，例如综合生活用水量在 夏季月份要大，在冬季月份相对较少；生态用水量在冬季不考虑，初春时要加大 补水力度，而在汛期根据降水的预测情况适当升降： 参考同类型城市或开发区的经验取值，根据研究区域的现有规划成果，结合 国家与规划区所述地区的规范与标准，给出各组成部分的用水指标( 由于指标在 月份上的不同不影响具体的计算过程，在此考虑各种组成部分的需水量计算全面 性，具体给出在四月份各组成部分的指标) ，对采用比例相关法计算的部分予以 说明，并在表后附带了相关比例系数，具体信息见表后附带说明。具体如表2 1 所示。 表2 - 1 研究区域用水结构划分及其四月份各部分指标 注：本数值来源于研究区域水资源综合开发利用规划及区域相关用水指标j 3 l l 划，建筑用 水量以工业需水量的8 计，其他需水量以总需水量的1 7 计。 根据本课题研究区域的用水结构划分，给出了各组成部分中各类水量所占的 百分比，如表2 2 所示。 表2 2 各组成部分中多水源水类所占比例 注：本数值来源于研究区域水资源综合开发利用规划 根据上文分类预测方法的求解步骤，利用研究区域基础资料及相关规划资 1 0 第_ ：章需水量与雨水可用鼍预测 料，主要包括研究区域各用水单元的基础数据，如综合生活用水单元的预测月份 常住人口数量、工业用水单元的一类以及二类工业用地的面积等，得出了多水源 需水量的预测结果，详细见表2 3 。 表2 - 3 预测计算结果万m 3 月 2 3 灰色g m ( i ，1 ) 模型预测方法及其应用 2 3 1 灰色理论及g m ( i ，1 ) 模型建立 灰色系统理论是中国学者邓聚龙1 9 8 2 年3 月在国际上首先提出来的，在灰 色系统理论的研究中，灰的基本含义指的是系统内信息部分己知、部分未知，或 者说信息不完全。 所谓灰色预测法是一种对既含有已知信息又含有不确定因素的系统进行预 测的方法，它广泛用于对随机、有序的灰色过程进行预测，从而去寻找其潜在的 规律，其中灰色过程即灰色生成方式有累加生成、累减生成、均值化生成、级比 生成等。灰色预测是以g m 模型( g r a ym o d e l ) 为基础所进行的预测，它是用历 史数据作灰色过程生成后建立微分方程模型，对未来进行估计的一种预测方法。 g m ( i ，1 ) 模型是最常用的一种灰色模型，g m ( i ，1 ) 建模是灰色系统理论中一种 动态序列处理方法，它是由一个只包含单个变量的一阶微分方程构成的模型5 2 1 。 建x f _ g m ( i ，1 ) 模型只需要一个历史序列x ) 。具体建模时要根据灰色系统的生成 方式，利用累加生成方式介绍其建模过程，具体如下： ( 1 ) 给定历史数据非负序n - 工o = b ( 1 ) ，z ( o ( 2 ) ，工( 们( 刀) ( 2 ) 对序列进行累加转化，利用历史序列生成阶累加( 1 - a g o ) 序列： x o = 扛o ( 1 ) ，x ( 1 ( 2 ) ，x o ( ，1 ) ( 2 2 ) 第二章需水量与雨水可用量预测 矗 式中x 1 ( 七) = z o ( i ) ，k = l 一2 ，n 。 f = l ( 3 ) 利用灰色模块建立g m ( 1 ，1 ) 模型的一级微分方程： 业+ 甜( 1 ) ：6 式中参数口为发展系数，b 为灰色作用量。 ( 4 ) 模型的求解： 首先用最d , - 乘法求解微分方程中的参数向量： 阱咖广n 式中口= 一2 1 _ ( x o j ( 1 ) 科协1 一三( j ( i ( 2 ) + x ( 1 ( 3 ) ) l 一三( 工( 1 ( 3 ) + x ( 1 ( 4 ) ) 1 ：y 2 工o ( 2 ) x o ( 3 ) 石o ( 以) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 然后将计算求得的参数a ，b 代入微分方程并求解，取j o ( 1 ) = j 1 ( o ) ，即得 灰色g m ( 1 ，1 ) 预测模型： 诹+ 1 ) ：i ) ( 1 ) 一bi 木p 诎+ _ b ，七：0 ，1 ，2 以 ( 2 - 5 ) l a j 口 ( 5 ) 预测结果的还原： 经累加后的序列到此已经失去其原来的物理意义，在利用该模型进行预测 时，还须对a g o 生成的序列进行累减逆变换还为： 量o ( 后+ 1 ) = 舅1 ( j j + 1 ) 一i 1 ( 七) ( 2 6 ) 2 3 2 灰色模型的检验 灰色g m ( 1 ，1 ) 模型的检验包括残差检验、关联度检验和后验差检验等三种， 通常情况下一般选取后验差检验作为灰色模型的检验方法，不过考虑到检验过程 的可读性和可操作性，进行雨水可利用量预测，可只用残差与相对误差检验。 计算实际数据序列x o ( f ) 与预测数据曼o ( f ) 的绝对误差及相对误差方法如 下： 绝对误差： e ( i ) = x o ( f ) 一安o ( f ) ，( f = 1 , 2 ，刀) ( 2 7 ) 1 2 第- 章需水量与雨水可用量预测 相对误差： r e ( 归器1 0 = l 2 ，川) ( 2 - 8 ) 为了更好地衡量预测结果的整体精度，由绝对误差序列及相对误差序列计算 平均绝对误差和平均相对误差，如下： 平均绝对误差： m a e = ! e i e ( i ) i ( 2 9 ) ，一_ 平均绝对百分误差： m a 船2 吉善1 0 0 1 r e ( f ) | ，i = 1 , 2 , - - , n ( 2 - 1 0 ) 通常认为平均绝对百分误差小于5 0 时预测是可行的，平均绝对百分误差越 小，模型精度越高。 2 3 3实例计算 规划区域地处海河流域，降水量年内分布很不均匀，全年降水量主要集中在 汛期( 6 9 月份) ，其降水量占全年降水量的6 8 4 8 4 1 ，平均为7 8 2 p 引。 因此，在对雨水可调用量进行预测时，主要考虑汛期。 研究区域排水系统是雨污分流制，雨水经过收集最后经过泵站外排经过适当 处理，进入到景观河道作为可用蓄水，用于生态补水以及道路浇洒等。因此，预 测区域内收集到的雨水可利用量，包括通过泵站外排出的雨水量与景观河道接受 的直接降雨量。但是，经过实地调研，研究区域内排水系统雨水、污水管道混接， 造成数据不符合于此要求。因此，本研究数据选用时经过利用统计资料和经验对 数据利用公式( 2 1 1 ) 进行处理： = 业鱼掣 ( 2 - 式中拥断雨水可利用量，万m 3 月； p ( t ) 降雨量，m m ； 如雨水汇流面积，k m 2 ： 4 。，河湖水面面积，砌2 ； 驴径流系数。 即先利用降雨量历史数据，取综合径流系数的办法求解间接进入景观河道的 可用蓄水，然后加上景观河道直接接受的降雨量，以此作为历史雨水可利用量数 据。 第二章需水量与雨水可用楚预测 结合研究区域2 0 0 2 年到2 0 0 4 年各汛期月份的雨水可利用量计算值的历史数 据( 万m 3 月) ，应用上述建立的灰色g m ( 1 ，1 ) 模型对该区域的雨水可利用量进行模 拟预测。分别采用2 0 0 2 2 0 0 3 年各月份的数据进行建模模拟，2 0 0 4 年各月份的