优化 天津某产业区水资源的多目标优化配置模型研究

1、天津某产业区水资源的多目标优化配置模型研究赵胜跃1, 骆碧君1, 王 亮2(1.天津大学环境科学与工程学院,天津300072; 2.天津工业大学材料科学与工程学院,天津300160摘 要: 结合天津某产业区发展特性,以区内各种水资源在生活、工业、生态等方面应用的比例系数以及产业区的水面和绿地面积为自变量,建立了以总费用最小、新鲜水用量最少和COD 排放量最少为目标的多目标函数,以供应能力、经济发展和环境保护为约束条件建立模型并进行求解。最后,建立了产业区水资源供需平衡评价指标体系,评价结果表明,模型的求解配置结果不仅满足了水资源的供需平衡,同时也能够满足产业区资源节约、环境友好、生态宜居的要求

2、。 关键词: 水资源优化配置; 优质饮用水系统; 多目标规划; 指标体系中图分类号:TU991 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(200903-0099-03Study on M ult-i objecti ve Opti m al A llocati on M odel ofW aterResources in an Industri al D istri ct i n T ianji nZ HAO Sheng -yue 1, LUO B -i jun 1, WANG L iang2(1.School of E nvironm ent Science and Technology

3、 ,T ianjin University ,T ianji n 300072,China;2.School of M aterials Science and Engineeri n g,Tianji n P oly technic University ,T ianjin 300160,ChinaAbst ract : Co m bined w ith the deve l o p m ent characteristics of an i n dustrial district i n T ian jin ,tak -i n g pr oportions of variab le w a

4、ter resources in do m estic ,industri a ,l env ironm entalw ater usage and the ar -eas ofw ater surface and greenbelt as i n dependent variables ,the m ult-i objective functi o n w ith t h e m ini m a l tota l cos,t fresh w ater usage and C OD discharge w as constructed ,and a m odelw as for m u lat

5、ed and so l v ed usi n g deliverability ,econo m ic gro w th and envir onm enta l pro tecti o n as li m itations .An i n d icator syste m foreva l u ati n g the balance be t w een supply and de m and fo rw ater resources i n t h e districtw as buil.t The a ll o -cati o n results fr o m t h ism ode l

6、 can satisf y the balance bet w een supply and de m and for w ater resources and m eet t h e requ ire m ents f o r saving resources ,friend l y env ironm en t and eco l o g ica l residence . K ey w ords : opti m al allocati o n of w ater resources ; h i g h quality dri n king w ater syste m; mu lt-i

7、 ob j e ctive plann i n g ; ind i c ator syste m基金项目:天津市科技创新专项资金资助项目(06FZZDS H 00900国外对水资源优化配置的研究始于20世纪60年代,初期的研究目标以满足需水量和经济利益最大化为主,90年代以来,由于水污染和水危机的加剧,在水资源优化配置中开始注重水质约束、环境效益及水资源可持续利用的研究1、2。我国在水资源优化配置研究方面也取得了一些成果35。但是,对于多种水资源合理配置、水资源可持续利用以及环境效益在水资源优化配置中作用的研究仍较少。第25卷 第3期2009年2月 中国给水排水CH I NA W ATER &

8、amp;WA STE WAT ERV o.l 25No.3Feb .2009天津某产业区是滨海新区的重要组成部分,但是滨海新区存在着淡水资源短缺和水质污染问题,对该产业区的发展有着不利影响,同时由于该产业区以第二产业为主,经济发展呈快速上升趋势,用水需求量较大,并且部分地区建有高档住宅区,因此,为了达到 生态宜居、环境友好 的建设目标,需要在满足用水需求以及保护环境的基础上,对该产业区的水资源进行优化配置,保证对水资源的可持续开发利用和经济的健康发展。1 需水量与水资源可供量1 1 需水量结合产业区具体情况,采用指标法对水资源需求量(2020年进行计算,所采取的指标参考了国内一些已建开发区的用

9、水指标,结果见表1。表1 某产业区的需水总量T ab.1 W ater dem and i n an i ndustr ial district项 目日需水量/(104m3 d-1年需水量/(104m3 a-1综合生活用水量4.501641生产用水量24.178821生态用水量(绿地、河湖3.961444其他水量6.682439需水总量39.30143451 2 水资源可供量通过收集资料,区内的可供水资源量主要由引滦水(区内自建水厂的原水、自来水(区外水厂、再生水和雨水四部分组成,可供水量见表2,供略大于需。表2 某产业区可供水量组成T ab.2 W ater supp l y i n an

10、i ndustr i a l district项 目日供水量/(104m3 d-1年供水量/(104m3 a-1区内自建水厂(优质水41460区外(市区水厂1155475区外(市区水厂251825区内再生水厂176205雨水可利用量2.40876可供水总量43.40158412 水资源优化配置2 1 水资源优化配置模型2 1 1 自变量的选取为了使模型变量更明确、系统,体现各种水资源在总用水中的贡献份额,选定自变量为自来水、优质饮用水、再生水、雨水利用的比例系数。同时,为了能够进一步改善产业区的自然生态环境,达到环境友好、生态宜居的目的,将河(湖水面面积与绿地面积也作为自变量。2 1 2 目标

11、函数的确立经济最优,即:F1=m in(a 11+b1 21+c 31W s+(a 12+b2 22+c 32W g+(c 33+d 43 W c+W jc ( 24 b2+ 34 c+W q( 25 b2+ 35 c(1式中 1i、 2i、 3i、 4i 分别为优质饮用水、自来水、再生水和雨水水量在不同用途中的比例系数,%(其中,i取值为1、2、3、4、5时分别表示各种水源在生活、工业、生态、仓储、其他用水方面的用途W s、W g、W jc、W e、W q 分别为生活、工业、建筑仓储、生态、其他用水的需求量(由于本模型需要重新计算适合的人均公共绿地面积,因而相应的生态需水与其他用水的需求量也

12、已改变,需要重新计算,104m3/da、b1、b2、c、d 分别为优质饮用水、生活用自来水、工业用自来水、再生水、收集处理后的雨水价格新鲜水资源用量最少,即:F2=m inW s (1- 31+W g (1- 32+ W jc 24+W q 25(2 COD排放量最小,即:F3=m in (W s+W g+W jc-(W s 31+ W g 32+W jc 34 C COD(3式中 污水排放系数,%C COD 污水处理厂出水COD浓度,m g/L第25卷 第3期 中国给水排水 www.w ate 2 13 约束条件供应能力约束:各种水资源的供水量不超过其最大可供量。绩效约束:包括万元GDP用水

13、量约束、工业万元增加值取水量约束和再生水回用率约束。生态约束:包括产业区内的人均公共绿地面积和生态用水比例约束。环境约束:COD排放量约束。技术约束:所有变量均大于零,且各项水资源或各种用水途径中的利用比例系数之和应为1。绩效约束、生态约束及环境约束的各项约束条件值应在指标体系所要求范围之内。2 1 4 评价指标体系为了对水资源配置结果进行合理的评价,通过参考国内外城市建设规划目标、原则,确定评价指标体系如表3所示。表3 评价指标体系T ab.3 Eva l ution i ndicator system规划目标指 标参考值(国内领先资源节约万元GD P用水量/m3 5.9工业万元增加值取水量

14、/m3 4再生水回用率/% 40生态宜居人均公共绿地面积/m2 11生态用水比例/% 13环境友好城市污水处理率/%100城市水环境功能区水质达标率/%100万元GDP的COD排放强度/kg 4.22 2 优化配置结果利用规划求解软件对水资源优化配置模型进行求解,得出优化后的需水构成与评价结果如表4、5所示。其中,雨水主要用于浇洒道路和生态,不纳入产业区供水系统。表4 优化配置后的需水量及需水构成T ab.4 Compositi on of w ater dem and a fter opti m iza ti on指 标优质饮用水/%自来水/%再生水/%雨水/%总计/(104m3 d-1生活

15、用水量61.0039.004.50工业用水量46.0054.0023.44建筑仓储40.0060.000.73生态用水量43.5256.484.25其他67.3532.656.74注: 按百分比折合后对优质饮用水、自来水、再生水、雨水的总需求量分别为(2.75 104、(17.52104、(17.00 104、(2.40 104m3/d。表5 水资源优化配置后评价指标和优化结果T ab.5 Index evaluti on afte r opti m a l a llocati on规划目标指 标优化结果资源节约万元GD P用水量/m33.48工业万元增加值取水量/m33.98再生水回用率/%

16、66生态宜居人均公共绿地面积/m216生态用水比例(河湖与湿地/%16环境友好城市污水处理率/%达城市水环境功能区水质达标率/%达万元GDP的COD排放强度/kg1.42由表4、5可知,通过优化配置后,无论需水总量还是对各种水资源的需求量均能够得到满足,各类水资源的供应比例较为合理,不同水质的供水可以满足不同的需求,既避免了浪费又保证了用水安全;同时,优化配置的结果满足了评价指标体系的要求,使产业区建设进入国内先进水平的行列,可为产业区发展与增强国际竞争力提供良好的保障。3 结论基于水资源可持续利用理论,根据产业区高度的生态发展要求,建立了以经济最优、新鲜水用量最少和污染物排放量最少为目标的多

17、目标水资源优化配置模型,并合理选取约束条件,对多种水资源的优化配置进行研究。经优化配置后的结果满足评价指标体系的要求,达到了国内领先水平,对产业区的发展有着一定的指导意义。参考文献:1 N or m an J D.O pti m a l i n terseaseona l irr i ga ti on w ate r all o-cati onJ.W ater R esou r,1997,7(4:770-788.2 Kum ar A run,M inocha V ij ay K.Fuzzy opti m ization m ode lf o r wa ter qua lity m anagement of a river syste mJ.JW a-te r R esour P lann i