（环境科学专业论文）基于循环经济的区域水资源优化配置研究.pdf

南 口 于大 学 学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 协 i x ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 系本人在 本人系本作品的唯一作者 ( 第一作者)，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于 “ 南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺:己提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学未声誉 卜 的福失由木人自-1 . 本人完全了解 a学图 书馆关 于保存、使 用学位论文 的管理办 法。 同 意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目 录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务 ( 论文前i s 页)。 公开级学位论文全文电子版于提交1 年后， 在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称: 作者签名: 学号: 日期 :年月日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、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: 年月日 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: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 4 at , 咚(f 朴 可 少 邢卿 秘密*1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于 1 0年) 机 密* 2 0 军工 最长2 0 年， 可 少 于2 0 年) 南开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: 年月日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 研究背景及意 义 1 . 1 . 1水资源优化配置问 题的提出 ( 1 ) 水资 源紧 缺， 供需矛 盾突出 水资源是指一定的经济技术条件下，人类能够直接使用的淡水资源。水资源 是再生性资源，但由于水资源时空分布不均和一定的经济技术条件限制，一定时 期内 人们可以利用的水资源量有限。随着人口增长，城市化进程加快，经济发展 和人民生活水平提高，人类对水资源的需求大大增长， 有限的水资源供给量和不 断增 长的需求 量之间已 形成 尖锐矛 盾. 据统护 j . 1 9 4 0 年 全世界总 用水量 为8 2 0 0 亿m 3 , 1 9 7 0 年 增 加 到2 6 0 0亿扩， 进 入8 0 年 代 后 ， 世 界 上 有4 3 个 国 家 用 水 告 急，至 9 0 年代末，发展中国家还有2 0 亿人得不到廉价的符合卫生标准的水。我 国 水资源总 量2 8 1 2 4 亿m 3 ， 居世界 第 6 位， 人 均水资 源量2 1 6 3 m 3 ， 相当 于 世界 人均水资 源量的叭， 居世 界 第1 2 1 位， 被列 为世界 上1 3 个贫 水国 之一。 水资 源 供需矛盾已成为国民经济和社会发展的制约因素。 ( 2 )水环境污染严重，水资源有效利用量减少 我国 水污 染问 题极 其严重 11 1 . 1 9 9 1 年全国 污 水排 放总 量3 3 6 亿吨， 其中 工业 废水占7 0 % ， 约有一半的 工 业废水 达不到 排放标 准， 生活 污水占3 0 % , 污水处理 率不到1 0 % 。 对5 3 2 条河 流监 测， 其中 有4 2 6 条 受到 污染。 每 年水污染 造成的 经 济 损失 超过4 3 4 亿元。 水资 源短 缺和水 污染严 重已 成为我 国不 少地区 和城市生 存 与 发展的巨 大障碍。 ( 3 ) 水资源浪 费巨 大， 加重了 供水紧张 水资 源短缺， 除与 水资源 可 利用量有限、 水 污染 严重有 关外， 还与水资 源浪 费有关。 农业是 用水大 户， 用水浪费 最为 严重， 主要 表现为 大水漫 灌，实 际灌溉 用水量超过作物需水量，渠系水的利用系数不到5 0 %，灌溉水的利用率低;工程 老化， 不少灌区 达不 到设计 灌溉 面积。 工业工艺 水 平低， 水的重复 利 用率低， 单 位产品 的耗 水量高， 这是 工业用 水浪费的 主要 原因。 例如 ，我国 平 均吨钢耗水 量 第一章 绪论 为7 0 - 1 0 0 扩， 而 法 、 美 、 日 吨 钥 的 耗 水 量 分 别 为3 .7 5 耐， 4 .0 扩和2 .1 m a ， 仅 为 我国的1 / 8 和1 / 5 0 . 城市 供水 管道、 排水管 道的 漏失也 不可忽 视。 据有关资料 分 析2 ， 供水管 道损失 率一 般在5 % - 1 0 % ， 有的 城市高 达 1 5 % 以 上. 全国面言， 这 项损失和浪费就不小。 解决 水资 源供 需矛 盾的 基本 途径: 一是开 源。 对于 水资 源量 丰富 且水资源开 发利用率 低的 地区 ， 可以 通 过加 大投资， 兴修 水 利工程和设 施， 开发 新的水源， 提高水资源 利 用效率， 增加 该 地区 的 水资 源 供 应能力。 二是节 流。 在水资源相 对 贫乏、 水资 源利 用率已 很高 的 地区， 增大水 源 供水能力己 没有多 大 潜力，主要 依 靠研究节 水技 术和方 法， 实 施节 水措 施，提 高 人们的节 水意识， 从 而提高全 社会 的节水水平，减少水资源的浪费，建立节水型社会。三是治污。加大水污染治理 力度， 加强环 保意识， 兴 建污 水处理 厂和中 水 利用系 统， 变废水、 污水 为再生 之 水， 有用之 水。 四是 水资 源优 化配置 。前面 三 类 方法有一定 条件限 制， 需要大量 资金投入，且效果的发挥还需一定时间。如果运用科学技术和方法，改变传统的 管理模式和 方法， 对有限 水资 源 进行优 化配置 ， 可使水资 源得到 充分高 效利用， 使社会经济协调发展。 1 . 1 . 2水资源优化配置研究的意义 ( 1 )促进水资源的合理有效利用 水资源优化配置没有增加供水量，也没有减少需水量，但它却使总体效益最 大化。这是因为水资源配置是以综合效益最大为目 标，利用优化方法和技术，通 过产 业结构调整， 减 少水资 源 单耗量 大的 用水 部门的占 有量， 将 节省下来 的水资 源用于水资源利用率高、单耗小、综合效益高的用水部门，从而使水资源得到合 理 有效利用。 原水 利部部 长汪 恕诚 在 “ 水权 和水市 场” 的 讲话中 指出， 通过水资 源优化配置 提高水资 源利 用效 率， 实现水 资源 可持 续利用， 这是2 1 世 纪我国水利 工 作 的 首 要 任 务 (3 l c 2 ) 促进 人口 、资 源、 环 境、 经 济协调 发 展 发 展是 永 恒的 主 题， 片 面的 经济 增长并 不一 定意味 着发 展。 以 经济增长 为目 标的水资 源配置 方式， 虽 取得经 济的 迅速 增长却 带来 环境污 染和生 态破坏、 对人 类的生 存和发 展构成 威胁。 只 有人口 、资 源、 环境、 经济相 互协调 的发 展才是最 佳的 发展模式， 这种 持续 发展的 协调 型水 资源配 置方 式， 是 在保护 生态 环境的同 时，促进经济增长和社会繁荣， 保证可持续发展顺利进行。 第一章 绪论 ( 3 ) 促进大 系统多目 标 优化理论与 方法的 探 讨 基于 循环经 济的区 域水资 源优化 配置 模型 是 一个多目 标、 非线性 的优 化模型。 线性规划、动态规划等传统方法受到了问题复杂程度的限制，而新近发展起来的 智能优化 算法( 遗 传算法、 神经网 络、 禁忌 搜索等 ) 为 解决复 杂优化问 题提供了新 的思路和手段。探讨智能优化算法在水资源系统中的应用， 对于促进这些算法的 实际 应用以 及 为解决 复杂 大系统问 题积累 经验， 具 有重 要意 义。 ( 4 ) 对其它资 源分配 问题具 有一定的 参 考价 值 水资源是自然资源之一，任何自然资源都与水资源一样，具有一定使用价值 和价值，却 又受到 一定 量的限 制， 同样存 在 着合 理有效 分配 的问 题。 资源 优化配 置问 题有一 定的 相似性 和差异 性， 水资 源优 化配 置模 型及 其算法， 对解决 其它资 源配置问题具有一定的参考价值。 第二节 国内外研究现状 1 . 2 . 1国外水资源优化配置研究现状 国外对水资源优化配置的研究始于 6 0年代初期，1 9 6 0科罗拉多的几所大学 对计划需 水量 的 估算及 满足未 来需水量的 途径 进 行过 研讨。 7 0 年代以 来， 研究 成 果 不 断 增多 . 1 9 7 1 年 美 国 学 者n o n n a n j .d u d le y h l将 作 物 生 成 模 型 和 具 有 二 维 状 态 变量的随机动态规划相结合， 对季节性灌溉用水分配进行了研究。8 0 年代， 水资 源分配的 研究范 围不 断扩 大， 深 度不 断加深. 如1 9 8 2 年p e a rs o n ls l 等利 用多 个水 库的 控制曲 线， 以 最大产 值、 输 送能 力和预 测的 需 求值 作为 约束条 件， 用二 次规 划 方法对 英国的 n a w w a区 域的用水 分配 问题进行 了研究 。英国学者 p v n . h e r b e r t s o n l 61 等，针 对潮汐电 站的特点， 考 虑利 益的 相互 矛盾， 利用模拟 模型 对 潮 汐 海 湾的 新 鲜 水 分 配 进 行 了 模 拟 计 算. 荷 兰 学 者e .r o m ij n .m .t a m in g a l71 考 虑 了水的 多功能 性和多种 利益的 关系，强调决 策 者和科技 人员间的合作，建 立了 g e l d e r l a n d t d ce n t h e 的水资 源分配问 题的多 层次 模型. 9 0 年代以 来， 由 于水 污染和水危 机的加 剧， 传统 的以 水量和 经济效 益最 大为 目 标的 水资源 优化 模式己 不能满足需 要， 国 外开 始 在水资 源 优化配置中 注重 水质 约 束、 环 境 效 益以 及 水 资 源 可 持 续 利 用 研 究 . 1 9 9 2 年a b a l, j a v a id lel等 针 对p a k is ta n 的 某个地区的 灌溉 系统建 立线 性规划模型， 对不 同 水质的 水的 使用问 题进 行优化。 第一章 绪论 在劣质地下 水和有限 运河水可以 使用的情况 下， 模型能 得到一 定时期内作 物耕种 面 积 、 地 下 水 开 采 量 等 . 1 9 9 7 年w o n g , h u g h s .1” 等 提 出 支 持 地 表 水 、 地 下 水 联 合运用的多目标多阶段优化管理的原理方法， 在需水预测中要求地下水、当地地 表水、 外调水 等多 种水 源的联 合运 用， 并考虑了 地下 水恶化 的防治 措施。 1 9 9 9 年 k u m a r , a r u n l lo l等 建 立 了 污 水 排 放 模 糊 优 化 模 型 ， 提 出 了 流 域 水 质 管 理 的 经 济 和 技术 上可 行的方 案. 1 99 55 年， w a t k i n s , d a v i d w j r l r r !介绍了 一种伴随 风险和不 确 定性的可持 续水资源规 划模型 框架， 建立了 有代表 性的联合 调度模型。 1 9 9 7年 s h u v a l , h ille l s .1 1指 出 ， 污 水 回 用 依 赖 于 污 水 处 理 中 心系 统 所 服务 的 人口 数 ， 同时也依赖于涉及鼓励污水循环和重复利用的官方政策。同时指出污水回用对以 保持干早国家和地区的水资源可持续利用的意义。 9 0 年代以 来新的 优化 算法， 如 遗传算法( g a ) 、 模 拟 退火 ( s a ) 等， 开始 在水资 源 优 化 中 应 用 。 1 9 9 5 年 ， r a o v e n m u r i113 !对 适 于 多 峰 搜 索 的 基 于 排 挤 的 小 生 境 遗 传算法( m n c g a ) 进行了 研究. 利用峰 值与决策 变量不 同集 合之间的效 用关系， 扩展 g a在多目 标决策中的应用，并将其用于含水层污染的治理。mn c g a主要 用于优化地下水的最佳开采量，通过偏微分方程所描述的水流来模拟地下水的动 态 变 化 ， 模 拟 的 结 果 构 成g a的 输 入. 1 9 9 8 年 ， w a n g ,杯141研 究 遗 传 算 法 (g a ) 和 模 拟 退 火 (s a ) 在 地 下 水 资 源 优 化 管 理 中 的 应 用， 考 虑 地 下 水 最 优开 采 率 随 水 流 状态而 变化的特 性，建 立了 地下 水多阶 段模拟优 化混 合模型。 通 过 g a和 s a的 求解结果与线性规划、非线性规划、动态规划结果的比较，来评价 g a和 s a的 优点和 缺陷。 三 个实 例研究中 ， g a 和s a的优化 结果 优于 或接近于 各种规划方 法 的 优 化 结 果 。 2 0 0 0 年 ， m o rs h e d , j a h a n g irlrs l等 回 顾 t g a 在 非 线 性 、 1 卜 凸 、 非 连 续问题中的应用， 对改进遗传算法的可能方面进行了研究与探索。以一个具有固 定和变化费用的非线性地下水优化问题为实例， 将改进遗传算法得到的最优解与 非线性规划得到的解进行比较，并研究这些改进方法对g a各种参数的敏感性。 1 . 2 . 2国内水资源优化配置研究现状 早在 s o 年代初，区域水资源优化配置问题在我国己引起足够重视，经过 2 0 多年的研究己 取得了 不 少成果 。 根据问 题的特点， 区 域水资 源优化配 置范围、 对 象和规模的不同，可分以下几个类型: ( 1 ) 灌区水资 源 优化配 置。 利用系统理论与方法，以灌区经济效益最大或供水量之和最大为目标函数， 第一章 绪论 以 作物种植 面积 或各 用水童为 决策变量， 建 立多 水源 联合优化 调配模 型。 贺北 方 11 6 1等 的 多 库 多 目 标 最 优 控 制 运 用 的 模型 与 方 法 、 黄 振 平 11 71 等 的 陈 坟 引 黄 灌 区 渠 系 优 化 配 水 的 初 步 研 究 、 向 丽 等 118 1的 大 型 灌 区 水 资 源 优 化 分 配 模 型 研 究 、 马 斌 1 19 】等 的 多 水 源引 水 灌 区 水 资 源 调 配 模 型 及 应 用 . ( 2 )城市水资源优化配置。 针对某一 个具体 城市， 建 立多 水源多目 标 优化 模型. 1 9 9 7 年卢华 友im l 等以 义 乌市 水资 源系 统为对 象， 建立 大系统分 解协 调模 型， 提出 递阶模 拟择优方 法。 1 9 9 9 年黄强 2 1 1 等以 西安 市市区 供水 水源优化调 度为 实例， 建 立了多 水 源联合调 度的 多 目 标 优化模型. 2 0 0 0 年 辛玉 深( 22 1 等 应用现代 的系 统分 析理论， 建 立长春市多 水源 联合 供水的 优化管理 模型. 吴险 峰12 3 1 等 探讨了 北方 缺 水城市 枣庄， 在水库、 地下水、回用水、外调水等复杂水源下的优化供水模型，从社会、经济、生态综 合效益考虑，建立了 水资源优化配置模型。 ( 3 )流域水资源优化配置。 这是针 对某一 特定 流域范围内 的多种水 源优 化分配问 题. 1 9 9 4 年唐德善2 4 1 应用多目 标 规划的 思想， 建立了 黄河流 域水资 源多目 标分析模 型，提出 了 大系 统 递阶动态规 划的求 解方 法. 1 9 9 6 年由 黄委员 会勘 测设 计研究院 主持的“ 黄 河流域 水资源合理分配和优化调度研究”中，开发建立了 包括数据库、模拟模型、优化 模型等决策 支持 系统， 并 初步研 究了 黄河 干流 水库 联合调 度模型 1 x 1 . 2 0 0 0 年徐慧 ( 2 i 等为使 大型 水库群 在大 范围暴雨 洪水期间 综 合效 益达 到最优， 采 用动态规 划模 型求 解淮河 流域 大型 水库群的 联合 优化调 度问 题。 ( 4 )区域 ( 经济区)水资源优化配置. 区 域是社 会经济 活动中 相 对独立的基本 管理 单 位， 其社会经 济具有明 显的区 域 特 色。 1 9 8 8 年 贺 北 别切 提 出 区 域 水 资 源 优 化 分 配 问 题 ， 建 立 了 大 系 统 序 列 优 化 模型， 采用 大系统 分解 协调技 术求. 1 9 8 9 年 贺北 方 1 28 1 建 立了 二级 递阶分 解协调模 型， 运用目 标 规划进 行 产业结构 调整， 此优化 模型 用于 郑州市水 资源系 统分析与 最 优 决 策 研 究 中 . 1 9 8 9 年 吴 泽 宁 12 9 1等以 经 济 区 社 会 经 济 效 果 最 大 为目 标 ， 建 立 了 经济区水资源 优化 分配的 大系 统多目 标 模型及 其二 阶分 解协调模 型， 采用多目 标 1 8技术 求 解 ， 并 以 三 门 峡 市 为 实 例 进 行 验 证 . 1 9 9 9 年 邱 林 130 1建 立了 宁 陵 县 三 层 递阶大系统 优化配 水模 型，将 该县水资 源在各 子区 、 各作物间 进行最 优分配。 ( 5 ) 宏观经 济多目 标 水资 源系 统分析。 它是将水资源系统纳入宏观经济系统，以经济、社会、环境等为目 标，建立 第一章 绪论 已 有 研究 成果尚 有不 完善之 处， 概括 起来有以 下 几个方面: ( 1 ) 重视水量的 优化 配置， 对水质水 量统 一优化 配置 研究不 够; ( 2 ) 重视确定 条件 下水资源的 优化配 置， 对不确定性 对水资 源配 置的 影响 研究不 够; ( 3 ) 重 视工程 措施，对非 工程措 施在 水资 源优化 配置中 的 作用 研究不 够: ( 4 ) 重 视水资 源配置 的经济效 益研究， 对水资源的生态环境效果研究不够. 第三节 主要研究内 容 本文依托天津市科技发展计划项目 “ 海河底泥清淤优化方案研究即 ( 0 5 y f s z s f 0 2 1 0 0 ) 和南开 大学“ 9 8 5工 程” 循环 经济哲学 社会 科学创新 基地项 目 ( a 0 5 0 0 4 ) ，以天津市作为研究对象，进行水资源优化配置的理论探讨和实际 应用研究。该课题对于区域有限水资源的节约、高效利用，促进人口、资源、环 境 、 经 济 协 调 持 续 发 展 ， 具 有 重 要 理 论 和 实 际 意 义 全文共五 章， 主 要内 容概 括如下: 第一章， 绪论。 综 述了 水资源 优化配 置的 研究 背景、 研究 意义及问 题的 提出。 总结了国内外研究现状，并在此基础上确定了本文研究的主要内容。 第二章，基于循环经济的区域水资源优化配置。阐述了水资源优化配置的基 本概念和理论，将循环经济的理念引入到水资源优化配置中，建立基于循环经济 的区域水资源优化配置模型。 第三章，遗传算法及其在求解水资源优化模型中的应用。介绍了基本遗传算 法及其改进方法，并进行数值优化实例研究.针对水资源优化配置模型的特点， 提出 大系统总 体 优化 遗传算 法。 论述了 水资源 优化 配置模 型中效 益系数的 求解方 法。 第四章， 应用实例:天津市水资源优化配置研究。应用大系统总体优化遗传 算法求 解天津 市水资 源优 化配置 模型实 例， 建立 模型， 分析结 果，并 提出 解决天 津市水资源紧缺矛盾的建议。 第五章，结语与展望。 第二 章 塞于循环经 济的 区域 水资源优 化配1 第二章 基于循环经济的区域水资源优化配置 第一节 循环经济与可持续发展 1 9 9 0 英国 环境 经 济学家d . p e a r c e 和r . k t u r n e r 在 自 然资源 和环境经济 学 一书中首次 提出循 环 经济的 概念， 循环经济的 理 念正 式孕育 形成。 1 9 9 2 年召开的 环境与发展大会和 2 0 0 2年的可持续发展世界首脑会议都提出了 人类必须走可持 续发展的道路，循环经济则是实现可持续发展的新型经济模式。循环经济是运用 生态学 规律来指导 人 类 社会的 经济活动， 是以 资 源的 高效 利用和 循环利用为核 心， 以 “ 减量化、再利用、再循环即为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征 的社 会生产和 再生 产方 式， 其实质是以 尽可能 少的 资源消 耗 和尽可能小 的环境 代 价实 现 最 大 的 发 展 效 益 14 21 2 . 1 . 1经济增长的两种模式 人类在经济发展过程中主要有两种模式: ( 1 ) 传统的 经济 增长 模式， 是一种“ 资 源一 产品 一污染 排放” 的单向 线性过 程， 其基木 特征是“ 高消 耗、 高 排放， 低循 环、 低 效率” 。 这种模 式可以 持 续下去 的必要条件是资源取之不尽、用之不竭，且廉价易得;所产生的环境污染和生态 破坏不 影响人 类自 身 的生 存 和发展。理论 和现实 反 复证明 这种 经济发展 模式将 难 以为继。 ( 2 ) 循环 经济 模式 ， 是一种建立 在进入系 统的 物 质能 量不 断循 环利用基础 上 的生 态经济， 实 现经济 活 动生态化。 其过程是 一 个 “ 资 源一 产品一 废弃物一 再生 资源” 的反 馈式 循环， 通 过延长 产业链， 在 系统内 进行 “ 废弃物” 全面回收 、再 生资源化、 循环利 用; 其特征 是 “ 低消耗、 低 排放， 高 效率、 高 循环即 : 其结果是 提高资 源利用率 和利 用效 率， 节约资源， 最 终污 染物 排放量 和对 环境影响 最小化。 可见， 循环经济 是一 种资 源节 约型、 环境 友好型 经 济发 展模式， 体现了 一种新的 可持 续发展的思 维 模式 和活 动方式。 第二章 荃于 循环经济的区域水资源优化配里 2 . 1 .2循环经济的 原则 推进循环经济所遵循的重要原则就是“ 减量化、 资源化、 再循环. 。 “ 减量化” 就是通过提高资源利用率，利用效率技术，节约资源:通过清洁生产技术，减少 污染排放，尽可能地减少进入生产、消费过程的资 源总量和废弃物的排放总量。 在保证经济增长的同 时， 实现资 源节约最大化和污染排放最小 化。 “ 资源化” 就是 以“ 废弃物” 利用最 大化为目 标， 最大可能 地延长 产品 到废弃 物的 转 化， 有效延 长产品的服务周期和强度。 生产的产品可以 被多次反复地有效使用， 最终的“ 废 弃物” 作为资源进入下一个生产 环节。 “ 再循环” 就是完成其使用功能或服务功能 的产品、 生产过程中的副 产品， 以 及排放的“ 废弃物” ， 经过处理后重新变成可以 利用的资源，通过不断循环利用， 提高资源的 利用效率和环境同 化能力。以生态 产业链为发展载体，以 清洁生 产为重 要手段， 通过对“ 废弃 物” 的 多次回收， 多 级资 源化和良 性循环， 实 现“ 废弃 物” 的 最少 排放 和对 环境的 最小 影响。循环求 发展， 生态出效益。 第二节 水资源优化配置基本概念和原则 2 .2 . 1 基本概念 水资 源优 化 配置 14 3 1 是 指 在 一 个 特定的 流 域或 区 域内 ， 以 可 持 续 发 展战 略为 指 导， 通过工程与非工程措施， 统一调配水资源及有 关资 源， 并在各子区及各个用 水部门间进行科学分配， 从而促进社会、经济、 环境协调发展。 基于循环经济的水资 源优化配置，是以 循环经济理论为指导， 利用系统分析 理论与优化技术，使水资源及其它资 源在时间 上、 地区上、不同受益者之间进行 合理分配， 以获得社会、 经济、 环境协调发展的最佳综合效益。 其主要内容如下: ( 1 ) 研究工业、 农业、 生活节水技术以 及雨洪利用、 污水资 源化， 建立节水 型社会。 ( 2 ) 将区域有限 水资 源在 各子区、各 用水部门 之间 进行最 优分 配。 ( 3 ) 在多种水源联合 供 水时， 寻 求各种水源的 最优供需 水配置。 ( 4 ) 水资源系统结构合理， 各水源与各用水部门间配置得当， 保持系统良 性 发展态势。 第二章 基于循环经济的区 域水资源优化配里 2 .2 .2配1原 则 根据稀缺资 源分配的经济学原理， 水资 源优化配置应遵循有效性与公平性的 原则，在水资 源利用高级阶段， 还应遵循水资源可持续利用的原则，即有效性、 公平 性和 可 持 续 性 应 是 水资 源 优 化 配置 的 基 本 原 则 a . 周 . ( 1 ) 有效性原则 它要求在水资源合理配置问 题中设置相应的 经济目 标、环境目 标和社会发展 目 标，并考察目 标之间的竞争性和协调发展程度。 ( 2 )公平性原则 它要 求 不 同 区 域 ( 上 下 游、 左 右 岸 ) 之 间 的 协 调 发 展 ，以 及发 展 效 益 或 资 源 利 用效益在同一区域内社会各阶层中的公平分配。 ( 3 )可持续原则 它要求近期与远期之间、当代与后代之间对水资源的利用上需要有一个协调 发展、公平利用的原则，而不是掠夺性地开采和利用，甚至破坏，即当 代人 对水 资源的利用， 不应使后一代人正常利用水资源的权利受到破坏， 第三节 基于循环经济的区 域水资源优化配置模型 2 .3 . 1区 域水 资源系 统 区 域 水资 源 系 统 是 个复 杂 的 大 系 统 阅， 一 般由 供 水 系 统、 输水系 统、 用 水系 统、 排水系统四 部 分组成。 区 域水资 源的 配置 过 程 14 7 1如下图 所示: 图2 1区域水资 源配置 过程示 意图 由 此 可 见 ， 区 域 水 资 源 供 需 配 一置 涉 及 到 社 会 、 经 济 、 生 态 、 环 境 诸 方 面 ， 是 第二章 基于循环经济的区 域水资源优化配1 1 ! 一 个与生 态系 统、 经济 系统 相祸合的复 合系 统， 称为水资 源生 态 经济系统， 简称 为水资源复合系 统或水资 源系统. 2 .3 . 2水源、 用户 组成 设区域有i 个水源， j 个用水部门， 分别为生活、 生产、 生态用水。 则区 域水 资源优化配置是i 个水源向i 个用户的 水资 源优化分配问 题。 具体分析如下图 所 不 : 困-.-.-.-.-.-.-.- 第一产业 水源 l:。.-. 生产第二产业 第三产业 城镇 农村 活一-态 生一-生 河道生态侈复 搜地生态修复 水土保持用水 河湖生态用水 屯 - - - . . . . - . - -. . . . . . . - .- . - . 一 _ _ _ _ _ j 图2 .2水源用户组成图 2 .3 . 3模型目 标函数的确定 基于循环经济的 水资源优化配置模型是综合考虑社会、 经济、 环境各方面效 益的多目 标复杂大系统.目 标函数有3 个， 分别是社会效益、 经济效益和环境效 益。社会效益是一个不易 度量的目 标，仅以水资源对社会影响的角度考虑，可以 认为缺水量大小或缺水程度直接影响到社会的发展和安定，是社会效益的一个侧 面 反 映 148 1 。 因 此， 本 研究以 社 会 总 缺水 量 最 小 来间 接 反映 社 会效 益目 标， 经济效 益目 标用供 水带 来的 直接效 益 最大 表示， 环境效 益目 标用水体中 重要污染物c o d 的 排放量 最 小 来 表 示 刚。 目 标一:区域供水系统总缺水量最小 j， m in fi(x ) . 著 (d j 一 菩 x y ) ( 2 . 1 ) 式 中 : 马为 j 用 户 需 水 量( 万 扩 ) ; 、 为 水 源 1 向 7 用 户 的 供 水 量( 万扩) . 1 1 第二章 塞于循环经济的区域水资源优化配里 目标二:区域供水净效益最大 i r m a x f 2 (x ) - 乏 万 。 。 “ ，“ ( 22 ) 式 中 : g y 为 水 源i 向j 用 户 单 位 供 水 量 的 净 效 益 系 数( 7 g / m ) s 。 为 水 源i 的 供 水次 序 系 数 ; 几为l 用 户 的 用 水公 平 系 数 供水次序 系数， 是 根据各种 水源的蓄水 性 能不 同， 因而存 在供水 的先后 顺序 不同: 用户公 平系 数则 是根据用水 部门的 用水 特 性不同 ，因而 存在 用水的先 后顺 序不同。它们是公平性原则在不同用户间间的一种体现。 目标三:区域水体中重要污染物 c o d排放量最小 i i m in f 3(x ) 一 菩 0 .o ld ip i ; x y 式 中 : d i 为j 用 户 单 位 废 水 排 放 量 中 重 要 污 染 因 子 的 含 量 表示:巧为l 用户 污水 排 放系 数 ( 2 - 3 ) m 幼) ，以c o d 2 . 3 . 4模型的约束条件 ( 1 )水源可供水量约束 ( 2 4 ) 式中:w , 为 水源i 的可 供水量 ( 2 ) 水源 输水 能力 约束 j 万 x ,i s q , 式中: q ; 为i 水 源的 最大 输 水能力。 ( 3 ) 用户 的需 水能 力预测 ， d_ 勺x a s d, - 一 i d .一 于 一， 式 中 : d i m , , d i 二为j 用 户 的 最 小 、 最 大 需 水 皿 ( 2 5 ) 不 句 ( 4 ) 排水系 统的 水质约束 r i 著 o .o ld ip i s x y ) s r u ( 2 乃 式中:w o 为 允许 的污 染物 排放总量 ( 5 )区 域协 调发 展约束 区域内 资源、 经 济、 环境和社会的 发展 应是 协 调、 持续的发 展， 区域 水资 源 第二章 墓于循环经济的区 域水资浑优化配里 优化配置应是协调型配 置. 区 域社 会经济的发 展应在资 源和环境所允许的能 力之 内， 其发展速度和规 模， 应与 水资 源、 环境的 承载能力 相适应。 因此， 模型中 提 出了 区域协调发展的 概念 和 度量 方法， 包括水资 源利用与区域经济发展的 协调， 以 及经济发展与水环 境质量改善的协调两个方面。 认为区域协调发展程度应有最 低的 要求，即 产 办e ( a ) k s x (a x ) 二 ， ( 2 .8 ) 式中 ， 产 、 p分 别 为 区 域 协 调 发 展 系 数 及 最 佳 值. r a ( a ) f e z ( a x ) 分 别 表 示水资源利用与区域经济发展的协调度、经济发 展与水环境质量改善的协调度. ( 6 )变量非负约束 x # 之 。( 2 .9 ) 2 .3 .5总体模型 将上述三个目 标和各种约束条件组合在一起，即构成区 域水资源优化配置的 大系统多目 标总体模型，如下所示: f ( x ) 一 . p t if ( x ) , f z ( x ) , f s ( x ) ( 21 0 ) 、尸戈 xl只f ，气护翻卜d 一勺 (djj，翻 m i n f s ( x ) 菩 0 .0 d i p i 万 “ 峨 介 ，兮习洲 d j, k i x . s d j- ( 21 1 ) 1兮侧 0 .0 址a x y % w 1勺自. 一 j11. ( a d a e x ( a x ) 二 产 凡之 0 式中各符号意义如前。 第二章 墓于循环经济的区 域水资 源优化配置 此模型具有下列功能: ( 1 ) 在既 定水资 源分配系 统 和社 会经 济系 统的 条 件下， 能 实现区 域的 社会、 经济、环境综合效果最大， 并可得到相应的 水资源分配方案. ( 2 ) 可以 得到区域规划水平年重要污染物排放量， 从而可与环境保护规划中 提出的污染物排放的控制目 标进行对比分析， 为环境保护决策提供依据。 ( 3 ) 可以 得到整个区 域、 各子区 及各用 户的 缺水 程 度， 通过对供需水平衡结 果的 分析， 结合区 域的 具体情况， 提出 解决区 域 供需水矛 盾的 途径与 措施。 2 . 3 . 6模型参数的确定 在上述模型目 标和约束条件的表达式中涉 及到一 些参数，下面讨论部分参数 的确定方法。 ( 1 ) 水 源 供 水 次 序 系 数 马 、 用 户 公 平 系 数 巧 供 水 次 序 系 数a 反 映i 水 源 相 对 于 其 它 水 源 供 水 的 优 先 程 度。 例 如 多 水 源联 合供水， 假设各水源的供水次序为: 1 . 污水回用: 2 .地表水; 3 她下水。 现将各水 源的 优先 程 度 转 化 成 0 ,1 区 间 上 的 系 数， 即 供 水 次 序 系 数 . 以 。 表 示i 水 源 供 水 次序的序号， “，. 。 .为 水 源 供 水 序 号 的 最 大 值， “ 可 参 考 下 式 确 定 : 1 + n 一 绮 ( 2 . 1 2 ) 艺 (l + n _ - n , 用 户 公 平 系 数 巧 ， 表 示 i 用 户 相 对 于 其 他 用 户 得 到 供 水 的 优 先 程 度 氏 与 al 很相似，与用户优先得到供水的次序有关。 首先根据用户的性质和重要性，确定 用 户 得 到 供 水 的 次 序( 序 号 ) ， 然 后 可 参 照 马 的 计 算 公 式 确 定 用 户 公 平 系 数 巧 ( 2 ) 净 效 益 系 数 ， 净 效 益 系 数 是 随 时 间 而 变 化 ， 并 不 是 一 成 不 变 的 有 关 净 效 益 系 数 ， 的 确 定 将会在后面章节详细讨论。 ( 3 )区 域协调发 展指数 在上述约束条件之 区 域协调发展约束中， 本文使用了“ 区 域协调发展指 数” 这一概念来 度量区 域内 社会、 经济、资 源、 环境的协 调发 展程度。 它包括水 资源利用与区 域 经济发展的 协调、 经济发 展与 水 环境 质量改善的 协调两方面。 协 调程度是一个模糊概念， 故 这里用 模糊数学中 的 隶 属函 数表示 这两 方面的 协调度。 b 1 为 水 资 源 利 用 与 区 域 经 济 发 展 相 协 调 的 模 糊 子 集 ， 隶 属 函 数 、 佩 ) 表 示 协调度。 姑且认为各部门的需 水量可以 表示 经济的 发 展程度，区 域水资 源利用与 第二章 基于 循环经济的 区域水资源优化配里 经 济 发 展 的 比 值 a , ， 可 看 作 是 区 域内 所 有 用 水 部 门 供 水 a 之 和 与 需 水 量 之 和 之 比，即 。 1 1 - # ( 11 3 ) 1 .0 a , 二 a: f b i lo , i - i e x p ( - 4 (a , 一 a , ) 2) a , a , 式 中 ， 试为 区 域 水 资 源 利 用 与 经 济 发 展 的 最 佳比 值， ( 之1 4 ) 视具体情况确定， 本文 取1 .0 ; 其它符号意义同前。 同 理 ， b 2 为 经 济 发 展 与 环 境 改 善 程 度 相 协 调 的 模 糊 子 集， 10 8 2 帆) 为 区 域 经 济 发 展 与 水 环 境 质 量 改 善 的 协 调 度， a 2 为 区 域 经 济 发 展与 环 境 改 善 程 度的 比 值 .e / e . 几 / 人。 ( 2 . 1 5 ) f 1 2 ( a 2 ) - e x p ( - 4 ( a 2 一 ):).( 2 . 1 6 ) 式 中 ， a 2 为 区 域 经 济 发 展 与 环 境 改 善 程 度的 比 值 ， 视具 体 情 况 确 定 ， 本 文 取 1 .0 : e o , e 分 别 为 基 准 年 和 规 划 水 平 年 区 域 的 经 济 增 长 指 标( 人 均g d p 、 人 均 纯 收 入 等 ) ; f l ,几 分 别 为 基 准 年 和 规 划 水 平 年 区 域 的 重 要 污 染 物 排 放 量( 即目 标2 ) 。 其它符号意义同前。 协调程度是个模糊概念， 不同的 人 对同一模糊概念的理解不同，因 此会给出 有差异的隶属函数。 可根据情况选用模糊统计法、 德尔菲法、集值统计 法、 标准 函 数 法 等 5q 。 本文 采 用 的 式( 2 .1 4 ) 和( 2 . 1 6 ) 为 标 准函 数. 最后，将上述水资源利用与区域经济发展、 经济发展与 水环境质量改善这两 方面 的 协 调 度 聚 合 在 一 起， 构 成 本 文 所说 的“ 区 域 协调 发 展指 数” / 1 : p - -u - ( 0 0 a l l ( 0 2 ) ( 2 .1 7 ) 式 中 ， t 1 t 2 分 别 是 给 定!t e c h . ) 和 1 8 2 ( 0 1 ) 的 一 个 指 数 权 重 。 根 据 其 重 要 程 度， 给t 1 1 2 赋 值 . 通 常 可 取y , - y 2 - 0 .5 . 即 1 t - j l t s ( a 1 ) lt a x t a 2 ) ( 2 .1 8 ) 第四节 循环经济对水资源优化配置的影响 水资 源优化配置 应 遵循 循环经 济的 原 则， 并结 合 水资 源自 身的 特点， 使水资 源在循环的闭 合回路中 得到最大价值的利用。循环经济对水资源优化配置的影响 第二章 荃于 循环经济的区 域水资源优化配里 主要体现在: ( ”依据减量 化原则， 控制区 域的需水 量. 明 确各 地区、 各行业、 各部门 乃 至各单位的用水指标，确定产品生产或服务的 科学用水定额，作用于水资源优化 配置模型的需水约束条件，影响优化配置结果. 2 ) 依据再 利用 原则， 在水资 源的利用 过 程中 提高水资 源利用效率。 针对不 同的用水单位设置重复用水系数， 影响模型目 标函 数和约束条件。 ( 3 ) 依据再循环原则， 加快城市污水治理和再生水利用。 确定不同循环经济 发展程度下再生水可利用量的指标，作用于模型的供水约束条件，影响优化配置 结果。 本文只从再生水的角度考虑循环经济对水资源优化配置的影响， 通过分析不 同条件下再生水利用量的多少，体现循环经济对优化配置结果和水资源供需平衡 分析的作用。 对于其他方面的影响，有待进一步研究。 第三章 遗传算法及其在求解水资 源优化 模型中的 应用 第三章 遗传算法及其在求解水资源优化配置模型中的应用 第一节 基本遗传算法及其改进 3 . 1 . 1基本遗传算法 遗传算法( g a ) 是一种适合于复杂系统优化计算的自 适应概率 优化技术. 它 是由 美国 密 执安 大 学 的j .h .h o l l a n d 15 3 1 教 授 在上 世 纪6 0 年代 提出 的， 起源于 对自 然 和 人 工自 适 应 系 统 的 研 究 . 即年 代， d j .g o ld b e rg 在 一 系 列 研 究 成 果 的 基 础 上 总结出 基 本 遗传 算 法( s im p l e g e n e t ic a l g o ri t h m s ， 简 称s g a ) . 基 本 遗 传算 法只 使用选择算子、交 叉算子 和变异算子这三种基本遗传算子， 其遗传进化操作过程 简单， 容易 理解， 是其 它一些遗传算法的雏形和基础， 它不仅给各种遗传算法提 供一个基本框架， 同时也具有一定的 应用价值。 下图为基本遗传算法的 运算过程。 图3 . 1 塞 本 遗传 算 法运 算 过 程图 6 l 第三章 遗传算法及其在求解水资源优 化模型中的应用 基本遗传算法 提出以 来得到广泛应用。 在工 程应 用 过程中发现基本遗传 算法 的许多缺点 和不足， 如: 连续变量进行编码存在困难， 需处理计算量和所儒精 度; 后期收敛速度慢， 局部搜索能力弱; 存在早熟 现象。于是对基本遗传算法进行各 种各样的改进，产生多种改进的遗传算法。 3 . 1 .2基本遗传算法的改进 本文在学习和参考多种改进方法的基础上， 选用动态交叉率和变异率，同时 采用小生境技术，形成基于小生境的改进遗传算法，保持种群的多样性，防止早 熟，实现全局最优. ( 1 ) 交叉 率、 变 异 率 的 动 态调 整 6 5 1 遗传算法的参数中 交叉概率p c 和变异概率p m的大小关系到遗传算法运行性 能。p c 越大，新个体产生的速度越快。 然而， p c 过大模式被破坏的可能性越大， 使得高适应度的个体结 构很快遭到破坏; p c 过小搜索速度慢。 变异可以 产生新的 模式，提高 搜索的范围. 选择合适的p c 和p i n 值， 对算法的搜索性能至关重要。 对遗传算法中相关参数进行动态调整被称为自 适应 遗