（环境工程专业论文）区域节水最优规划研究.pdf

摘要 区域节水最优规划研究 学辩名称；环境工程 研究生姓名：史海波 导师姓名：岛丹( 教授) 答辩霸麓：2 0 0 2 、3 、2 0 研究生签名：史海波 导师签字：q 摘要 本文运用系统王程瞬理论秘方法，毛蟹究区域节水最倪撬划阚题，以 寻求区城最佳节水规划方案。这一研究剥节约j ；i 水，降低节水工程投资， 实现资源的优化配鼹及区域水资源的可持续发展具有缀要的意义。 运爆b p 网终l = 菱溅模型、g m ( 1 1 ) 模整和趋势移动乎均援溺模型， 预测了替规划年需水量，为区域节水最优规划的制定提供依据。 根据国民经济不同部门用水特征及相瓦关系，将区域节水系统划分 为 二业节东予系统、农监节承手系统、生活节东子系统帮污隶骥用子系 统。建立了区域节水指标体系，以反映各子系统内备舞素以及子系统阃 的相瓦荚系。 以区域节水指标体系为基础，分剐建立了节水量在备节求予系统间 优化分配模型、节水型工业结构调整优化模型、节水型农业种植结构调罄 茏化模型和各静节水工程措施优化组合模型，艿提出了优诧计算方法。应 用这些优化模型，可制定区域节水量优化分配方案、节水型工业“。业结 构调整方案、节水型农业科- 植结构调整方渠和各种节水措施优化组合方 案。 针对两安市的实际，运用术义所提出的方法和模型，制定了西安市 节水最优规划方案。 关键鞲 ：区域节承援剜模型饶纯 a b s t r a c t s t u d yo nt h eo p t i m a lp r o g r a m m i n go fr e g i o n a l w a t e rc o n s e r v a t i o n m 蛳o r ：e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g a n t h o r ：s h ih a i b o d i r e e t o r ：b a id a n m s i g “n a t u 0 0 r e 2 ：篓脑厶 s 缸，蜘妒台6 s i g n a c u r e ：g a ：轨4 a b s t r a c t t h e o r i e sa n dm e t h o d so f s y s t e me n g i n e e r i n ga l ea d o p t e di nt b j sp a p e rt o s t u d yt h ep r o b l e mo fo p t i m a lp r o g r a m m i n go fr e g i o n a lw a t e rc o n s e r v a i i o n a n df r e do u ta l lo p t i m a lp r o g r a m m i n gs c h e m e i ti sf u l lo f g r e a ts i g n i f i c a n c e t os a v ew a t e r , r e d u c ei n v e s m a e a ta n dr e a l i z et h eo p t i m a la 1 1 0 c a t i o na n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f r e g i o n a w a t e r s o l 轻o e s t h eb pn e u r a ln e t w o r k - f o r e c a s t i n gm o d e l ，g m ( 1 ，1 ) f o r e c a s t i d gm o d e l a n dm o “n gt e n d e n c y f o r e c a s t i n gm o d e la l ea d o p t e dt of o r e c a s tw a t e r r e q u i r e m e n to fe v e r y 翻a n n t a gy e a ra n dp r o v i d et h eb a s i sf o rt h eo p d m a l p r o g r a m m i n go f r e g i o n a lw a t e rc o n s e l w a t i o n ， a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e ru s e sa n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e n d i f f e r e n tn a t i o n a le c o n o m i cd e p a r t m e n t s ，r e g i o n a lw a t e rc o n s e r v a t i o ns y s t e m i sd i r i d 蕊i n t ot h ei n d u s t r yw a t e rc o n s e r v a t i o ns u b s y s t e m 。a g r i c u l t u r ew a t e r c o n s e r v a t i o ns u b s y s t e m ，l i v i n gw a t e rc o n s e l v a t i o l ls u b s y s t e ma n dw a s t e w a t e r r e c y c l i n gs u b s y s t e m t h ei n d e xs y s t e mo fr e g i o n a lw a t e rc o n s e r v a t i o ni ss e t u pt or e c e a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne l e m e n t si nt h i ss y s t e ma n ds u b s y s t e m b a s e do nt h ei n d e xs y s t e mo fr e g i o n a lw a t e rc o n s e r v a t i o n ，t h ew a t e r c o n s e r v a t i o nq u a n t i t yo p t i m a ld i s t r i b u t i o nm o d e l ，w a t e r c o n s e r v a t i o n - t y p e d i n d u s t r ys t n m t u r eo p t i m a la d j u s t m e n t m o d e l ，w a t e r c o n s e r v a t i o n t y p e d a g r i c a l m r es t r u c t w eo p t i m a la d j u s t m e n tm o d e la n dm e a s l e so fw a t e r c o n s e r v a t i o no p t i m a lg o r e b i n a t i o nm o d e la l ee s t a b l i s h e da n da d v a n c e d o p t i m a la r i t h m e t i ci sp u tf o r w a r d w 也t h e s em e t h o d s t h eo p t i m a la l l o c a t i o n s c h e m eo fw a t e rc o n s e r v a t i o nq u a n t i t y , w a t e r - c o n s e r v a t i o n - t y p e di n d u s t r y s t r a c 拙r eo p t i m a la d j u s t m e n ts c h e m e ，w a t e r - c o n s e r v a t i o n - t y p e da g r i c u l t u r e s t r u c t u r eo p t i m a la d j u s t m e n ts c h e m ea n dm e a s u r e so fw a t e rc o n s e r v a t i o n o p t i m a lc o m b i n a t i o ns c h e m ea r eb r o u g h tf o r w a r d i a b s t m c t a c c o r d i n gt o t h ef a c to fx i a nc i t y ，t h eo p t i m a lw a t e rc o n s e r v a t i o n p r o g r a m m i n gi sf o r m u l a t e dw i t ht h em e t h o d sa n dm o d e l sp r o p o s e di n t h i s p a p e r k e y w o r d s ：r e g i o n a lw a t e rc o n s e r v a t i o n ；p r o g r a m m i n g ；m o d e l ；o p t i m a l i i i 第一章绪论 1绪论 1 1 研究意义和目的 “水是生命的摇篮，求是工娥的血渡，永是农业的命脉，水是净化 城市环境的泉源”。 “水是人类生存的生命线，是经济发展和社会进步的生命线，是实 现可持续发展的重要物质基础”。 这是人类对“水”越来越深刻的认识。二十世纪六十年代以前，多 数国家、地区的水赛滚与当时的生产水平，城市化规模所需供水照相比， 相对来说还算是丰富的，开发水资源的成本低廉。这一时期主要是通过 不断开发新水源、扩大供水规模，来满足社会发展对水资源增长的需求。 国外称之为“供水定向”( w a t e rs u p p l yo r i e n t e d ) 阶段；二十世纪七 十年代以偌，随着城市化、工业化的加速发展，供水量的急剧增加，可 供开发的水资源越来越少。开发难度愈来愈大，而用水量的增加叉引起 来处理壤永的大量排放，污染永体，给生态环境带来严重的负面影响。 我国的淡水资源人均占有璧为2 4 7 4 立方米，仅为世界人均占有量的 四分之一。目前，我国年需水量由二十世纪8 0 年代的4 7 0 0 亿立方米增 加到6 5 0 0 亿立方米f l j ，已接近可能提供淡水资源的一半，步入缺水国家 的行列；而水资源的时空分布又极不均匀，每年有6 0 的降雨主要集中在 夏秋季节的3 、4 个月内，且多以暴雨的形式出现，年际变化很大，存在 连续枯水、丰水年交替出现的现象。人口稠密、工业集中的黄、淮、海 河流域的径流量只占全国总径流量的6 6 ，而耕地却占了4 0 ，亩均水 量只有叠国平均水平的1 6 ，人均水资源璧仅为全国的6 一1 1 。水质污 染严重，影响了生态环境和人类的健康，进一步加剧了水资源的短缺。 由于过量开采地下水产生的地下水漏斗、地裂缝及海水入侵等环境地 西安理工大学硕士学位论文 质灾害问题越来越多；我国的8 6 6 座城市中，有4 0 0 多座缺承，1 i 0 多座 城市严重缺水，每年由于缺水造成的经济损失多达2 0 0 0 亿元嘲。 上述出末变濂短缺蔼带来鹣矛孛秘嚣聚，促使a 稍麓凝思考、搽衷对 策，这便是从节水中我出路。节约用水不仅可以缓解水资源短缺的局面， 而且可以带来巨大的经济效益。如1 9 8 3 1 9 9 0 年期间，全国平均每年节 省筷承王壤授资缝i 0 亿元，节省工程运杼罄毽费1 3 亿元，节誉瓣撵永 工程投资约1 0 亿元，节省电耗近3 1 0 8 k w h ，另外还可以产生许多无法 计算的环境效益与生态效益。因此，“建设节水型城市”、“建设节水型 衽会”懿黉求越来麓遥谤。 随糟节约用水工作广泛而深入的开展，“节约用水”一词人们融耳濡 目染。毽是，究竟“节约用水”是什么含义，其内涵是什么? 至今仍是 一个尚秃统一定义，并值得深入探讨，具有实际意义驹问题。 “节约”一词的英文是c o n s e r v i n g ，谯科利尔百科全书中将“节约” e o n s e r v i n g 解释为“藉心餐理帮文骥嫒爝自然资源”；在维谊赫将毅 英汉词典中将c o n s e r v e 解释为：t ok e e pf r o mb e i n gd a m a g e d ，l o sto r w a s t e d 。意思是：避免毁坏、损失或浪费；对其名词c o n s e r v a t i0 1 的解 释是：t h eo f f i c i a lc a r ea n dp r o t e c t i o no fn a t u r e ，意罂是：致痔 对自然资源的关心和保护。这姥解释都远避超过了“节省”、“少用”的 含义。 在我謦嚣节终愆承的定义主要有戳下蕊静： 1 通过行政、技术、经济等管理手段，加强用水管理、调整用水结 构、改避用水工艺、实行计划用水、社绝罔水浪费，逡翘先进的科学技 术建立攀 学的用承体系，有效瓣使用求资源、保护水资源，适赢城市经 济和城市建设持续发展的需要【4 j 。 2 。在合理静生产力商局与生产组织簿藏提下，为实现一定豹牲会 经济目标，通过采取多种措施，甜有限的水资源进行合理的分配与优化 利用l 。 2 第一章绪论 扶戳上的定义不难看出，无论国井迸是国内，“节约用永”鞯仅限亏二 节省用水，它可以解释为以下几层含义： 1 繁约焉水应该精心豹管理魏保护求资源，文明使用，使之兔受污 染： 2 节约用水应该合理的开发和利用水瓷源，通过调整用水结构，改 进惩本王艺，建立辩学的霜瘩体系，趣强孀泰援划，含理戆使蔫永资源； 3 节约用水必须高效的使用水资源，用最少的水产生最大的用水效 益，那么必须在用水工艺和节水技术上下功夫，通道用水新工麓和节水 薪鼓寒豹箍广镬露，藏西高效鹃鹱矮承赘漂； 4 节约用水要向管理要水，向科技要水，向产业政策要效靛。通过 建立镲瘩、产水、用水和排永等方面相废的法规体系来加强管璎力度和 科技投入，扩大节承效采。 实践表明，由干工业的迅速发展和城市化进程的加快，人口聚集、 工业集巾鳇城市用承不毽增长快，薯且耀瘩量大丽黛中，用承的供嚣矛 盾首先在城市地迸发生。在我国，农业粥水占总用水量的大部分，随着 人口的增加和经济发展，社会对粮食的需求量也越来越大，加之农业灌 溉条肄簿鑫，褒韭翊隶量也筏逐年增麓。近年来，开发薪隶源遴到越来 越多的制约，使臀增加供水登更加困难，这就出现了城市与农业、工业 与农业争水的局面。因而更多的专家把注意力从蓄水、调水转向节约用 承。l ； 簌，霹节终翔瘩噩搴研究主要集中森城奉节终鬻瘩上，这瓣缓解沼 水紧张的局面起到了定的积极作用。 耳靛，我国农她用水的有效剥用率只寄o 5 左右，远远低子发达国家 韵o 7 一o g 懿水平，表韭节永存在着巨文潜力。一般丽言，表波节柬弱 成本要低于城市节水，如何统筹安排有限的建设资焱取得撮佳的节水效 果，对貔匡来说其鸯十分重簧的瑶实意义。 针对上述问魏，本文运用系统工程的理论和方i 蠡，提出“嚣壤节永 系统”的概念，这悬对4 城市节水系统8 的完善和发展。以便照好地全 3 西安理工大学硕士学位论文 面指导节水工作的开展。这里所谓的区域是指具有独立供水、用水系统 的行政区域或大的流域。区域节水系统的一个显著特点就是将农业节水、 污水回用和城市节水系统中的工业节水和生活节水看作一个完整的系 统，以便统筹安排节水的资金投入，取得最佳的节水效果。 区域节水规划对区域节水系统的良性运转具有重要的指导意义，是 做好区域节水工作的必要前提和重要保证，所以对区域节约用水规划的 研究具有十分重要的实际应用价值和现实意义。但此前，对区域节水规 划研究的广度和深度不够，因而本文对区域节约用水最优规划进行了探 讨，给出了区域节水最优规划模型这一新的方法，以达到降低节水工程 投资、优化配置水资源和区域水资源的可持续开发利用的目的。 1 2 国内外研究现状 区域节水规划是节水工作科学管理的重要环节，并为区域供水、水 环境管理、国民经济发展及产业结构调整提供决策支持。它主要由节水 指标体系、需水量预测、供需平衡分析和节水方案优化模型四部分组成。 其中节水方案中既包括技术措施又包括管理措旆，如水价调整、工业结 构调整等。以下分别介绍各组成部分的研究情况。 1 2 1 关于节水指标体系的研究 节水考核指标是衡量一个城市或某一区域节水水平的一种尺度。不 同的考核指标往往只能反映节水状况的一个侧面，为了全面衡量一个区 域的整体节水水平，通常需要用若干种节水考核指标组成的指标体系进 行评价。以往对节水指标体系的研究主要集中在工业与城市节水指标体 系的建立上和评价上，很难全砸反映整个区域的真实节水水平。对于用 水系统节水指标体系的建立和节水水平的评价，至今尚缺乏系统深入的 研究。这方面的问题主要是由于用水系统错综复杂的影响因素、考核指 标自身的性质、特点及运用条件、节水发展状态以及考核指标的具体计 算等原因造成的。在建立节水考核指标体系时，应根据节水考核对象的 情况选取适当的节水考核指标。 4 第一章绪论 文献 3 给出了工业与城市节水考核指标，如图卜1 所示。所谓综合 考核指标是针对节水考核对象的整个用水系统及其总体情况而言；反 之，则为单项考核指标。 工业与城市 节水考棱指标 相对考 核指标 f 综合考j ，主要考棱指标1 ；i ：；蓑：量 r 上业力兀严t 宦般水量 i i ： 核指标l 附加考核指标：比差事 l i i ； 工业企业用水定额 建设部城市建设研究院曾提出如图l - 2 所示的城市节约用水指标体 系【3 】。该指标体系将城市节约用水指标体系分为两类：城市水量指标和城 市用水率指标。 文献 1 中，给出了城市节约用水的总体指标体系和分体指标体系。 在总体指标体系中，它是在上述城市节约用水指标体系的基础上，增加 了水资源利用率和节水率两个指标。 水资源利用率是反映水资源合理开发和利用程度的指标，它是现状 p = 7 s 保证率下的供水量与总资源量之比。 节水率指标是最能直接体现城市节约用水工作成效的，反映了一个 城市的节约用水水平，它是一定时期内，城市节约用水总量与城市取水 总量之比。 一堕塞里三查堂塑主兰些堡苎 在分体指标中，主要分为工业节水、农业节水、生活节水、环境保 护、节水管理、节水经济六类指标，其中每一分类指标中由分别包括水 量指标和率度指标两类。如图1 3 所示。 图12 城市节约用水指标体系 城市节约用水指标体系 ( 分体指标) 三些羔查鲞ll 查些堇查壅ij 生括节水类 l 环境保护类ll 节水管理类ii 节泵i 三吾蘸 水 且 马 指 标 轰 度 指 标 水 量 指 标 壶 度 指 标 水 量 指 标 盎 度 指 标 水 量 指 标 主 度 指 标 水 且 里 指 标 蛊 度 指 标 水 且 旦 指 标 盏 度 指 标 图卜3 城市节约用水分体指标体系 上述节水指标体系的建立，大都是从城市节水的角度出发的，虽然 文献 1 中给出的节水分体指标体系中，包括了农业节水的一些指标，但 是又少了能从整体上反映一个区域或城市节水水平的综合指标，因而还 第一章绪论 不够完善，不能很好的指导区域节水工作。需要对区域节水指标体系的 建立作进一步的研究。 1 2 2 关于需水量预测模型的研究 需水量预测是进行城市节约用水规划的前提和基础，起着重要作用。 但由于用水系统的复杂性，无法建立一个确定模型对它进行描述，所以 绝大多数需水量预测方法都是建立在对历史数据的统计分析基础上，只 是数据处理方式及应用范围不同。 根据对数据处理方式的不同，需水量预测方法主要可以分为：时间 序列法、结构分析法、和系统方法”j 。时间序列分析法由于其用水数据单 一( 只是用水量的历史数据) ，而最近的数据则包含了极其重要的预测信 息，所以它的预测周期不宣太长；而结构分析法和系统方法是在分析用 水系统、收集多种用水量数据后建立起来的，在用水系统未发生很大变 化的条件下，可以得到较好的结果。近年来，对系统方法中的灰色系统 预测、人工神经网络预测和系统动力学预测方法的研究越来越多。 灰色系统理论是华中理工大学邓聚龙【6 j 教授创立的，其中的伽( 1 ，1 ) 模型是灰色系统理论常用的预测模型，也是灰色系统理论应用中的重要 内容。李铭将灰色系统理论方法用于水资源规划川，建立了灰色需水模型， 灰色拓扑径流模型，灰色供水模型，灰色综合效益评价模型和灰色水资 源多目标规划模型，取得了良好的效果，对灰色系统理论在水资源规划 及其他领域的应用进行了有益的探索。谭冠军弘l 认为g m ( 1 ，1 ) 模型中背景 值构造方法是影响其精度和适应性的关键因素。从此角度出发，对背景 值构造方法进行研究，重构了一个表达形式简洁、计算简单、适应性强 的背景公式。给出了试探法的计算步骤和经验公式法的经验公式。并与 g m ( i ，1 ) 模型的预测结果进行了比较，取得了满意的结果，具有重要的理 论价值和应用价值。 近年来，国内人工神经网络在预测领域中的应用进展迅速。人工神 经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ) 是目前国际上的前沿交叉学科，是借助 西安理工大学硕士学位论文 人脑和神经系统存储和处理信息的某些特征而抽象出来的一种数学模 型。它可以模拟人脑的某些智能行为，如知觉、灵感和形象思维等，具 有自学习、自组织、自适应和非线性动态处理等特性。目前应用最多、 研究比较成熟的多层前馈网络反传算法模型b p 模型是一种较特殊的 非线性映射方法，它通过一元函数的多次复合来逼近多元函数。在国外， l a p e d e s ”等人最早发表了将神经网络应用于预测的文章，他们用非线性 神经网络对由计算机产生的时间序列仿真数据进行了学习和预测。后来， w e r b o s 、v a r f i s 和v e r s i n o “1 分别对实际的经济时间序列数据进行了 预测研究。w e i g e n d 【l ”等人利用神经网络研究了太阳黑子的年平均活动 情况，将神经网络与回归方法作了比较。其研究结果表明神经网络预测 优于统计预测。1 9 9 i 年m a t s u b a 【13 】等人发表了有关应用神经网络进行股 票预测的文章。c h a k r a b o r t y 1 4 1 等人关于神经网络多变量时间序列预测 的一篇文章中，研究了两个相关的纯粹时间序列，用简单的神经网络模 型进行了预测，结果比统计学方法好得多。利用b p 网络进行预测研究的 基础是它能拟合任意的非线性函数并具有很强的范化能力。王瑛、桑大 勇等将人工神经网络方法用于我国环境方面的预测i l “，并取得了良好的 结果。清华大学的单金林【1 “利用神经网络法对城市用水量建立了具有时 间序列的预测模型，提出了基于该模型的数据处理方法( 如图卜4 、l5 所示) ，并结合某城市给水系统进行了用水量负荷预测，预测结果和实际 情况有很好的一致性。太原理工大学的张永波1 根据城市用水量的变化 特点，选取能充分体现用水量变化规律的等维新息数据文件，并合理选 取期望输出，建立了城市用水量预测的神经网络等维新息模型。经实例 验证，并与其它预测方法比较，表明该模型预测误差较小，可满足水源 规划等工作需要。应用于城市用水量预测进行了有益的探索，并建立了 时间序列的预测模型，取得了较好的预测结果。 它的弱点在于它是一种黑盒方法，无法表达和分析被预测系统的输 入与输出之间的关系，因此也难于对所的结果作任何解释：没有一个便 第一章绪论 于选定的、最适合的神经霹络结构标准方法，只麓花大量时闻慕塌凑试 法；以神经网络作预测需要更多数据，也需要更多机时1 ”。 圈l _ 4b p 算法训练耩序框图 凰卜5b p 算法网络骏证程序框黑 9 西安理工大学硕士学位论文 系统动力学( s y s t e md y n a m ic s 简称s d ) 是一种动态系统分析的 表i - i需水量预测方法分类 茼单平均法 移动平均法 简单移动平均法 加权平均法 一次指数平滑法 二次指数平滑法 布朗单一参数指数平滑 指数平滑法 霍特双参数指数平靖法 确 三次指数平靖法 布朗单一参数指数平滑法 定 温特线性季节性指数平滑 时 型 多项式模型 间 指数曲线模型 序趋势外推法 列 对数曲线模型 生长曲线模型 法 季节性水平模型 季节变动法季节性交乘趋向模型 季节性迭加趋向模型 马尔可夫法 一重链状相关预测 随 模型预测 机自回归模型( a r ) 型 博克新一詹金斯 法( b ” 移动平均模型( m a ) 自回归移动平均模型( a r m a ) 结 一元线性回归分析 构 回归分析法多元线性回归分析 分非线性回归分析 析 工业用水弹性系数预测法 法 指标分析法 灰色关联分析 灰色数列预测 系 灰色预 灰色指数预测 统 测方法 灰色拓扑预测 方 灰色灾变预测 法 人工神经网络方法，以b p 模型为代表 系统动力学方法 数学方法。它是由美国麻省理工学院的j a y w f o r r e s t e r 教授在2 0 世纪 第一章绪论 5 0 年代后期所剖嶷的，8 0 年代裙传入我翻，其理论蒸磕是系统论、信意 论和控制论，采用联系的、发展的、辩证的观点，着眼于系统发展的最 终归糍，对系统蠹各组成都分及其反馈翊路进行深入分析。它研究目题 的方袂是一种定性与定量籀结合、系统分析与综合推理相结合的方法， 借助计算机可对上千个变量同时作用的髹统进行研究，并进行决策分析。 这秘方法最翅应鹅予王垃企效管理l ，之舞又成功瘦惩于城枣槛会系统 及世界范围的大系统，著名的增长的极限一书就是采用该方法模拟 包括人口、资源、环境和经济等全球范圈的太系统。 城枣苇鳕蔫拳系统牵涉嚣素多，影镌蓬重广，系统蠢各翻素之闻存 在着戴杂的动态非线性关系，因而系统幼力学在该领域的研究有其自身 的独特优势。文献【1 9 】和【2 0 】都对系统动力学在城市需水量预测方面有过 残磅豹应霜。不进，该方法系统分析避纛复杂、王箨董援大，怠掰需数 据十分详尽，要求分析人员嶷有很深厚韵专业背景，因而为其广泛应用 带来爨难。预测方法分类见袭l l 。 1 2 3 关于节承最往蕊涮模墼 节约用水盛优规划的研究具有很强的实际应用价值，但国内外有关 此方纛靛研究较少。我匡靛嚣家撬携设赣健褥在警瘩营理上缀箍进行统 一管璎和规划，备地的永乖j 髑、节水办、公用事业髑和原来的地矿局( 主 要管理地下水的开采) 都分臀节水工作的一部分，形成多“龙”治水的 焉瑟。隽逶应赣瓣形势，冬魏正筹建耨豹拳务禺，这祥更鸯糕予永羹滚 的合理开发利用、水环境保护和节水工你的开展。 由于国外经济体制的原趿，节约用水工作更多的是一种经济行为而 j # 政辩行为，备受娩进行苇承工作完全燕为单纯稳经济器静，如文献露l 】、 2 2 1 研究了水资源在工业领域的管理和最优规划，但不能达到整个城市或 区域熬齄体最傀。 节水型工业结构调整，是指在缺永娩区尽可髅的鼓励单位产值耗水 量小的工业部门发展，抑制单位产值相对耗水量大的工业部门的发展， 西安理工大学硕士学位论文 同时又适当照顾当地产业部门的体系完整性和生产力布局的合理性及环 境保护的要求，使得在发展过程中工业整体的单位产值耗水量大幅度下 降。这种以结构调整节水的方式产生的综合效益最大。其作用机制见图 l 一6 。 图卜6产业结构调整节水的作用机制 以往对工业结构调整的研究主要是针对环境问题而提出的，且大多 停留在理论研究上，在理论与实践的结合方面还有很大差距。模型的优 化目标多是经济效益最大。边茂新口“应用线性规划原理，以水量和工业 部门的发展作为约束条件，以经济发展为优化目标，对沈阳市工业部门 的用水量进行优化分配研究；刘幼慈等口4 1 以实物型投入产出表为基础， 建立了以7 个化学工业为决策变量，以主要的污染物排放量、主要的资 源为约束条件的多目标规划模型；张忠祥口“从宏观角度提出未来水平年 的污染物排放控制目标，及为此目标而应该采取的战略对策与措施；曲 格平 2 6 1 从宏观战略角度论述了中国必须调整产业结构，积极开拓新的经 济增长点，寻求可持续工业化道路；蔡喜明【2 7 1 提出了基于宏观经济的水 资源系统分析方法集成系统的设想，从宏观战略角度，论述了多目 标模型的建立，包括规划目标的确定，约束条件的集成，其优化功能的 第一章绪论 对象是国民经济结构及发展速度、农业结构及作物种植结构、水资源工 程开发规模和开发次序等，此模型重点是解决供水与用水问题，在水环 境及水污染治理等方面考虑的较少；北京师范大学的王西琴m 】结合水资 源可再生性理论，对陕西关中地区水环境保护进行研究，采用定量的系 统分析方法，建立区域水环境经济系统的产业结构优化模型。结果表明， 在推荐的产业结构和工业结构下，即可以保证经济安规划的速度发展， 达到总体经济目标，同时又能够满足水环境污染控制的目标，从而实现 水环境与经济的协调发展。许新宜删j 从水资源优化配置的前提条件和主 要内容入手，论述了水资源优化配置的宏观经济基础、优化配置目标、 主要平衡关系、需求控制、用水管理、优化配置的经济机制及其定量方 法与手段；薛惠锋p 0 1 研究了水资源对区域经济可持续发展永续支持的理 论、模型和方法，其中包括水资源对国民经济部门分配模型。这些研究 都取得了较满意的结果，本文从城市节约用水的角度对其进行研究，有 别于以往以经济效益为目标的传统研究。 目前对农业种植结构的调整的研究多以定性研究为主，操作性不强。 建立优化模型进行研究的不多，例如何满喜1 应用多维灰色分析，对内 蒙古自治区农业生产结构的重要指标计算了灰色综合关联度，并建立了 灰色动态模型。从而分析农业生产结构的现状，研究农业总产值的发展 趋势，提出协调农业生产结构和促进农业经济发展的建议。穆勇p 2 1 给出 了垦区农场种植业种植计划的线性规划模型，以此为基础建立了模糊线 性规划模型，并讨论了该模型的求解方法。本文还应用模糊规划方法给 出了牡丹江垦区某农场种植业的最优种植计划。刘风兰口”2 1 世纪初农业 结构调整将成为农村工作的主题。为此建立了临汾地区农业及其子系统 内部结构的g m ( 1 ，n ) 动态协调模型，对其进行了发展态势及动态协调分 析，并据此提出2 1 世纪初临汾地区农业结构调整的合理化建议。李炳军 j 运用灰关联原理在选定农业生产系统结构模型主要变量的基础上，建 立了描述农业生产系统运行机制的基本模型和用于对系统运行结果评价 西安理工大学硕士学位论文 分析的评价模型，并用该模型体系对郑州市某区的农业生产系统结构优 化过程进行了模拟，得到了不同时期理想的农业产业结构。 在水资源的规划中，更多侧重于水资源的综合开发利用和调度上， 如文献 3 5 、 3 6 一 3 9 。建立的模型有多目标决策分析模型、多目标 模糊优选随机动态规划模型、多维动态规划模型等。由于节约用水系统 的复杂性，其涉及的参数众多，根据以往的经验，对这种大系统的优化 很难得到完满的最优解。目前，比较新的且处于发展中的解决方法是随 机优化技术的应用。如遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 和模拟退火算 法( s t i m u l a t e da n n e a l i n g ) 及二者的联合使用，这些方法用于解决大型 复杂系统的问题具有一定的优越性。遗传算法具有全局优化能力强，占 用机时少等优点，它采用二进制或浮点数进行编码，构成初始染色体， 通过复制、交叉、变异等过程得到最优解【4 0 】。 模拟退火算法在解决不连续和组合性的大规模优化问题时具有优 越性。优点在于算法中应用了下降策略又允许随机向上移动，从而避免 了把搜索区间局限在小范围内，克服了许多典型优化算法的缺陷 “l 。 1 2 4 关于水价调整的研究 在市场经济条件下，价格作为调节供需的重要手段，受到了经济学 研究的广泛关注。如7 e f f r e yl j o r d a n 以乔治亚州为例，研究了仅考 虑水价单独作用时，给用水量带来的影响，结果表明水价的上涨速率高 于用水量下降的速率 4 2 1 。r o b e r ta c o l l i n g e 【4 3 1 和m i c h a e ll n i e s w i a d o m y 1 分析了美国社会的需水量及其影响因素，并应用边际价 格模型、平均价格模型和价格感知模型进行了需水量的预测。但我国由 于长期处于计划经济下，价格仅仅是核算工具不能通过市场对供需进行 调解。 亚洲开发银行1 9 9 8 年的技术援助项目“w a t e rt a r i f fs t u d y ”和世 界银行的“中国水行业行动计划”等在这方面的研究取得了一些有用的 成果1 4 ，建立了城镇家庭生活需水函数，该函数可以用来分析价格、工 1 4 第一章绪论 资以及供水人口等因素对社会需水量的影响，可以作为水资源管理的重 要参考，也是需水预测的重要工具。研究结果表明对社会需水量影响最 大的是需水人口的增加，职工工资的增加也将导致居民家庭人均生活需 水量的犬幅增长，价格提高对社会需水量的增长有一定的抑制作用，但 并不很明显，我国的价格需水弹性为一0 3 3 ( 即1 0 的价格上升将引起3 3 的用水量下降) ，但棚对其它措麓，价格仍然是一个十分有效的抑制需求 的手段。另外，胡连起、张悦对此也进行了研究，建立了家庭用水量需 求方程【4 6 l 。清华大学的傅国伟、曾息育研究了水价与水环境的相互影响， 指出制水成本与水环境有密切关系，永资源的紧缺程度与水环境的质量 状况是制定和调整水价的基本条件之一。在水价的制定与实施中，应研 究提出综合协调各种水价的原贝和办法，并与水资源和水环境的管理措 旖相匹配1 4 ”。 1 3 研究内容及难点 通过对区域用水资料的分析，建立社会发展需水爨的预测模型，采 用多元回归分析法、移动平均法、用水增长系数法、灰色系统预测法、 人工神经网络预测等方法进行预测模型的建模和求解。然后根据预测结 果，进行供需平衡分析，确定备规划年合理的节求量。 由于节约用水系统具有结构复杂、涉及面广等特点，为便于研究将 其分为工业、农业、生活和污水回用四个节水子系统，并明确备子系统 之间的联系，建立带水考核指标体系，最后在此基础上，建立区域节水 最优规划模型并提出计算方法。该模型主要包括四个部分： 1 - 节水量在各子系统间的分配优化模型； 2 爷水型工业结构谓整伉饨模型； 3 节水型农业种植结构调整优化模型； 4 各种节水工程措旖优化维台模型。 最后，给出保证节水工作顺利实施的建议，以供决策部门参考。 论文的难点是资料的收集、分析和整理。预测模型和最优规划模型 5 西安理工大学硕士学位论文 的建立及求解。 1 4 技术路线 本文首先建立区域节水最优规划理论体系，然后以西安市为例，以 该市多年来用水和节水的数据为依据，采用多种方法来建立需水量预测 模型和供水量预测模型，根据预测数据进行供需平衡分析，建立节约用 水最优规划模型，在满足节水要求的条件下，使节水工程投资最小，并 给出节水措施的最优组合方案，以供决策部门参考。 本文将农业用水、工业用水、生活用水和污水回用统一考虑，建立 相应的节水指标评价体系，最后建立最优规划模型，更加全面真实的反 映了节水系统的状况，得到的结果更加合理，这也是本研究的创新之处。 1 5 小结 本章首先引出了区域节水的有关概念，研究区域节水的目的和意义， 然后给出国内外对区域节水的研究现状和存在的主要问题，最后提出本 文要研究的主要内容和研究方法。 1 6 第二章节约用水系统的组成厦分析 2 节约用水系统的组成及分析 2 1 概述 从区域节约用水的定义可以看出，区域节约用水系统包含的内容十分广 泛，它与区域供水系统和区域用水系统密切相关，因而，对其进行研究离不 开供水系统和用水系统。区域供水与用水系统结构如图2 - 1 所示。 图2 - l区域节水、供水与用永系统结构图 西安壤王大学硕士学能论文 区域节约用水系统与该地区水资源系统、经济系统和水环境系统联 系紧密、相互影响，因而对区域节水系统的研究必然涉及到与之相联系的 上述各祭统。其圭器关系羹鹜2 - 2 。 图2 2愿城节水系统、区域水资源系统和区域经济系统的披系 鏊缓节终建承系统涵盖了区域罔承袈绫懿方方嚣嚣，露辩还涉及到 城市用水系统中的污水回用部分。为了受好的研究区域节水系统，本文 将其分为四个子系统；农业节水子系统、工业节水予系统、生活节水子 系统稿污承叠震孑系统。这瓣令予系绞均有稿黯竞整篷独立瞧，稻互溺 又有密切的联系。下面分别对其进行深入分析。 2 2 工业节水子系统 露前，我国的工业霄求是仅次于农渡用水莳第= 用东大户，它包括 城市工业和乡镇工业用永两部分，工业用水量增长速度快，是导致区域 供承紧张黪主要照囊之一。鲻时，工韭节终用承子系统也是医域节约爱 水系统中最为复杂的部分，它涉及工韭擞产的各个行业、部门，不同工 业行业的生产工艺不同，节水措施也相廉的不同，增加了节水工作的难 度。 第二章节妁用水系统的燃成及分析 2 。2 1 影瘸工娥孀永量静主要嚣素 1 。工业企业的用水方式 樱据企业的粥水方式，霹将工业蹦承系统分为嶷流、循环、回用再 利用鞫循序( 或串联) 四种蘩本类型，勰下图所示。 循环用水系统 i 一取水构筑物 2 一水处理构筑物 3 给痰喾避4 一丽承车闻 5 排水管递 铲废水处理站 7 一排水口 8 一冷却塔 9 一吸水井 1 0 水泵站 1 卜一饕充嫩 循序用水系统 整卜3 工韭企韭用农系统滚程辫 回用水系统的基本特点是，将使用过的水经邋当处理后用于同一用 水系统内部或外部的其它生产过程。它姆循序用水系统的差别不大，只 是需簧更为复杂瀚处霪过程。髓着隶箍联技木释污承霾爱撬模熬发震， 水的循环利用和阐用范围己逐渐从工业且也内部扩大到城市或区域范 西安理工大学硕士学位论文 髫。如麓市污承缀楚理露焉予工业生产、市政焉东、生活杂簿承、环境 娱乐用水及农业灌溉等。 2 工业结梅 豫土述工监企业内部掰水方式岁 ，一个区域或城市的工监结构也同 样会对工业用水鹫产生较大的影响，同时它也是引超水环境污染的一个 主要园素。 一个地区酌工业结构是在长期的社会经济发袋过程中形成的，但班 往追求的是以工业化为主导的高速经济增长，结果趣水资源短缺和水体 严重污浆，整界各曩为瑟熨出了沉重静代赞。因惹如何穗整工娩结镌使 之更适台该区域的水资源条件，即建立“适水型”工业结构，间时在该 结构下的工业发展又不对本区域的环境带来负面影响，这是一个很重要 熬醑究深透。 3 ，生产工艺 在工业生产中同一种产品由于采用的生产方法、生产工艺、生产 设备辅生产用承方式不霹，单位产品的耗永量也不阚。用以节永就是指 通过改革生产方法、生产工芑、生产设备、或生产用水方式，减少生产 用东的静节承途经。 工艺节水不仅可以从根本上减少生产用水，而且通常具有减少用水 设备、减少废水或污染物排放量、减轻环境污染，以节省工程投资和运 彳亍费爱、节省能源等一系列优点。埕该方洼涉及麓趣题多、赣搅复杂， 已被采用的属于工芑型节永的生产方法中，多数是从提高产品质量、生 产效率或节约能源的角度提出的，单纯以节水为目的只占少数。 疆蓠零霉翡穷法主要有：遵流洗涤王艺、风冷龆工艺、秘裁换热技 术、无水生产工艺和闭路用水系统等。 2 。2 2 工业节水子系统包食的主要内容 本文通过对工业企韭用水量影响嚣豢的分析，来考意工监节永静对 策，即工业节水予系统主要包括工业结构的优化调憝、节水措施的优化 第二章节约用水系统的组成及分析 组合及生产工艺的薄新三部分( 如图2 4 ) ，其中生产工艺静革新帮分的 节水投赘很难量化，一般以供水设施占整个工业固定资产的比羹来进行 衡量。 图2 - 4工业节水子累统构成例 2 3 农业节水子系统 逡娶的农韭鲻琦乞主要指灌溉用求，龟括粮食榫秘、林监、粱树和经 济作物等的灌溉用水。其用水特点主要表现在：用水点分散、分布范围 广、馁诞率低：震零总量犬、羁衣效率低；与降水径滤条譬 塞甥穗关； 管理薄弱、资金投入有限。目前，我国农业用水占总用水量的绝大部分， 因而，农业节水在然个节水工作中有着举足轻重的地位。 2 3 1 影确农攮翔求豹主簧困素 1 气候、降水等自然条件 这照叁然条镩蠹接彭嚷袭妊霜衷量，逛这一嚣素是疆建夫搀改变戆 2 水利工程设施情况 程农业用水中，有相当部分水量束被农作物吸收，而是损失在水 钓输送过程中，遮魂是目前裁强农盈臻求效率低鞠主瑟原因。透过建设 水利工程设施，特别是兴建节水灌溉工程，将有助于大力提高农业用水 2 西安理z 大学碗士学位：论文 莉甩率，躐少农业翔水量。 2 3 2 农业节水予系统包含的主要内容 锋瓣嚣上影灏农鼗建承弱主要霞素，农渡节承子系统应包含豁下主 要内容： l 。合理拟定农业种檀结构 合理拟定种植结构，除要考虑包括东资源在内的备项自然条件外， 还涉及区域范围内对粮食、经济作物的市场需求。两方面因素相亘影响， 互相毒l 鳃，情况毙竣复杂。显然，不嗣斡农业饕檀结裁；将直接影啕到农 业需水量，合理的农业种植结构应该是在垫本满足本地区对粮食、林业、 水果及其它经济作物的市场需求的前提下的“适水型”农业种植结构， 它是与当缝承资源条件籀适应匏酃种农、韭种植结构。 2 提农业用水的利用效率 匿嚣我国农业灌水躲有效剥用率不高，大约在0 , 5 左右，在螺俺提 高水的利用效率方面，主要涉及到灌溉方式、灌溉渠道防渗、防漏等工 程措施。推广节水灌溉工程是大势所趋，节水灌溉工程措施多种多样， 譬蓠主簧斑溺蕊有：喷灌、蔫灌、低压管主燕灌溉帮橥淹防渗等攒施。在 资金有限的条件下，如何采取综合措施，即采用不同的工程措施组合， 以取得麓大鲍节承或果，这一阍题值得深入研究。 3 实施经济灌溉定额 所谓经济灌溉定额，是指在保证农业总产量增产效盏且用水效率高 的蕙提下的灌溉用承定额。它突金不丽子瓣翁曩壤采惩鹃赝疆辜产充分 灌溉定额。制定翌济灌溉定额，除要充分考虑不同作物生长期的需水规 律外，还必须考虑作物生长期见的有效