基于多目标规划整合模型的秦皇岛水资源利用结构优化研究

基于多目标规划整合模型的秦皇岛水资源利用结构优化研究

1水资源子系统的设计城市系统由许多子系统组成，如社会、经济、资源和环境。水资源是城市资源子系统的一部分。只有对城市系统总体发展进行全面正确的预测,才能从中取得城市在规划期内对水资源的需求信息。本文采用系统动力学-多目标规划(SD-MOP)整合模型对秦皇岛市水资源规划进行研究。1.1sd-mop整合模型系统动力学-多目标规划整合模型(SD-MOP)是将系统动力学模型(SD)和多目标规划模型(MOP)有机地结合在一起,构成一个完整的SD-MOP模型体系,是规划优化决策的支持系统。该模型基本特点为:能充分反映系统发展所固有的趋势性和连惯性,正确描述系统的结构和功能;能客观寻找出对城市发展影响较大的参变量,实现了对各主要参变量最优点的自动搜索。据此,针对具体情况设计模拟运行方案,模拟规划方案实施后的系统发展趋势并与决策者交互,最终形成可信度高、优化度高、可行性强的规划方案。SD-MOP整合模型流程如图1所示。其中关键因素IPV(importantparametervariable)为系统发展影响较大的敏感性因素,ODTL为基于容忍偏离水平交互式多目标求解方法。1.2基于qhdd模型的水资源利用的优化方法(1)建立秦皇岛市城市系统动态仿真模型(QHDSD)。原始运行QHDSD模型(是指所有决策变量都维持在现状(以1999年为基准年值)的不变情况下),预测原始模拟运行状态下城市总体发展趋势,辨析出系统发展的瓶颈,从中获取有关水资源的信息,找出城市用水结构的不合理之处,进行水资源需求结构的宏观调整。(2)通过QHDSD模型的原始运行和灵敏度分析,辨析出对秦皇岛市水资源供需平衡影响较大的IPV,建立和求解MOP模型,确定IPV的最优值。获得水资源利用优化方案。(3)将优化方案代入SD中模拟运行(称方案运行,模型取值为优化方案值),预测方案实施结果。在研究中根据秦皇岛市区的具体用水情况,将城市用水分为常住人口、旅游人口、运输业、电力、工业、绿化和农业几个用水部分。2我国市水资源量概况秦皇岛市人均水资源量为610m3/a,是全国平均值的1/4左右,属于缺水城市。秦皇岛市区可供水资源总量2000-2005年为22246万t,2010-2015年为29246万t,2010-2015年为333400万t。1999年市区需水量为22588万t,其中常住人口生活用水4560万t,占用水总量的20%;绿化用水1100万t,占用水总量的5%;工业用水6028万t,占用水总量的27%;运输业用水1320万t,占用水总量的6%;旅游业用水330万t,占用水总量的1%;电力用水4060万t,占用水总量的18%;农业用水5190万t,占用水总量的23%。1999年水资源供需比为1。3在赵赵城的规划期内，城市水资源的预测3.1qhdsd模型建立及运行问题秦皇岛市城市动态仿真模型(QHDSD),边界为秦皇岛市区,从2000-2015年规划期为16年。模型包括人口、工业、服务业、农业、资源和环境几个子系统,它们之间互相联系、互相影响,构成了多重反馈的系统结构。该模型由219个变量,230个系统动力学方程组成。分析处理系统的历史数据,合理确定QHDSD模型中相关参数的值,进行模型有效性验证,确认模型符合实际系统。进行QHDSD模型的原始运行,得到系统在原始模拟运行状态下的总体发展趋势(表1)和城市各用水部分需水量占城市总需水量的比例(表2)。表3为秦皇岛市城市总体规划值(简记为T)。将表1与表3进行比较,可以看出城市系统在原始模拟运行状态下按惯性发展,到2015年城市人口规模将低于T值,人均绿地面积仅为T值的61%;工业国内生产总值在规划期的第一阶段为T值的46%,第二阶段为T相应值的30%;服务业国内生产总值在第一阶段为T值128%,第二阶段为T值的97%;整体经济发展速度低于T值,发展结构也不合理。城市需水总量高于T值,水资源供需失调。在规划期第一阶段,水资源供需比为1∶1.12,在第二阶段水资源供需比为1∶1.11。3.2水资源供应不足,导致水生态环境恶化原始模拟运行结果解译:①有限的期望总投资额是制约系统发展的主要因素;②水资源供不应求是系统发展的瓶颈;③行业产出率及污染指标对系统发展的影响较大。水资源供需系数在2000年后小于1,城市处于缺水状态。由于水资源的供应不足及其它一些原因,会减损城市对资金和人才的吸引力,使得城市在规划期的第二阶段经济发展速度滞缓。由于经济增长速度慢,防治污染资金不足,加之污染物排放量不断增加,使得城市生态环境质量下降,人在城市中的生存适宜度降低。为了解决水资源供需矛盾,促进城市的健康发展,有必要对城市用水结构进行调整。3.3城市节水措施在可行的节水措施下,对各用水部分的水资源需求量进行初步调整。城市生活用水包括常住人口用水和市政用水,供水保证率要求高。T方案下城市人口规模大于原始模拟运行值,城市生活需水量将继续增加。规划期内若能采用污水回用技术,常住人口可节约10%新鲜用水,市政可节约20%新鲜用水,第一阶段和第二阶段的总节水量可分别达到1325万t和1448万t。旅游用水占城市总需水量的比例很小,但旅游人口用水时间集中,对城市水资源供应会形成短期压力。旅游期愈短,对城市水资源供应压力愈大。应采取措施将旅游期由7～8月延长为5～10月。可提高电力用水的重复利用率,并进一步推广热电联网技术,使新鲜耗水量降至总用水量的50%。电力节水量可达2030万t。市区农业生产规模将逐渐缩小,城市绿地面积将不断增大,两项需水量之和基本上是个定值。节水措施:进一步发展节水灌溉技术,节水量为30%;完善田间节水措施,渠系利用率由0.85提高到0.9。这部分节水量在第一阶段可达2314万t。工业用水在规划期的两个阶段分别占市区总用水量35%和40%以上,这一庞大的用水比例与较少的工业国内生产总值极不相称。节水措施:增加污水、海水利用量,使之达到工业总用水量的20%。在规划期第一阶段和第二阶段,工业可节水量分别为2307万t和2872万t。通过采用以上节水措施,2010年市区总用水量将降至22640万t,2015年市区总用水量可降至23403万t,均未突破市区可利用水资源总量,第一阶段水资源可节约6606万t,第二阶段可节余9997万t。若把这一部分水资源分配给工业,2010年工业国内生产总值可增至153亿元,2015年工业国内生产总值可增至206亿元,这一产值规模与T值相比仍有较大差距。城市用水结构还需要进一步调整,人口、运输业、电力和农业几部分的用水量调整已至极限,而常住人口用水量随着经济的发展、人口规模的扩大还将不断增加,所以必须且只能进一步调整工业用水结构。调整目标:合理配置规划期内工业可用水资源总份额,增加工业总产值,努力实现T目标。调整方法:以QHDSD辨析出的关键影响因素为核心建立多目标规划模型,进行城市总体结构的优化和工业行业内部产业结构优化,以获得工业子系统水资源利用优化结构。城市总体结构优化目的:确定城市总体优化结构及在此结构下各子系统在规划期内的功能结构和状态规模;确定各子系统最大可用水量,其中包括工业所得水资源份额。4模型边界及主要变量建立工业行业产业结构调整(IAMOP)模型,用ODTL方法进行求解,以获得工业产业结构优化方案,并得出与之相应的工业水资源利用优化结构。模型边界为秦皇岛市区,规划期为2000-2015年,分为2000-2010年和2010-2015年两个阶段。主要变量为秦皇岛市的六种主要工业,即:食品饮料业、纺织服装业、造纸印刷业、化工业、建材业和冶金机电加工业。所建模型中水资源约束只是约束条件之一,还有其它方面如资金投入量、环境对污染物的最大允许排放量等约束。4.1so2的生产sop(1)工业产值最大化目标MaxF1=∑j=12∑k=16(NYj)*IO±jk)ΜaxF1=∑j=12∑k=16(ΝYj)*ΙΟjk±)(2)废水排放最小化目标MinF2=∑j=12∑k=16(NYj)(IO±jk)ΜinF2=∑j=12∑k=16(ΝYj)(ΙΟjk±)(3)工业用水量最小化目标MinF3=∑k=16(IOjk)(IWM±jk)ΜinF3=∑k=16(ΙΟjk)(ΙWΜjk±)(4)工业占地最小化目标MinF4=∑k=16(IOjk)(ILN±jk)ΜinF4=∑k=16(ΙΟjk)(ΙLΝjk±)(5)工业COD产生量最小化目标MinF5=∑j=12∑k=16(IOjk)(CODIO±jk)ΜinF5=∑j=12∑k=16(ΙΟjk)(CΟDΙΟjk±)(6)工业TSP产生量最小化目标MinF6=∑j=12∑k=16(IOjk)(TSPIO±jk)ΜinF6=∑j=12∑k=16(ΙΟjk)(ΤSΡΙΟjk±)(7)工业SO2产生量最小化目标MinF7=∑j=12∑k=16(IOjk)(SO2IO±jk)ΜinF7=∑j=12∑k=16(ΙΟjk)(SΟ2ΙΟjk±)约束条件:∑k=16(IOjk)(IWM±jk)≤IWR±j∑k=16(ΙΟjk)(ΙWΜjk±)≤ΙWRj±;∑k=16(IOjk)(ILN±jk)≤IEAL±j)∑k=16(ΙΟjk)(ΙLΝjk±)≤ΙEALj±);∑k=16(ICjk)≤IC±j∑k=16(IOjk)(TSPIO±jk)−∑k=16(ISPM±jk)(REMTSP±)≤IMAXISP±j∑k=16(IOjk)(CODIO±jk)(1−REMCOD±j)≤IMAXCOD±j∑k=16(IOjk)(SO2IO±jk)−∑k=16(SO2M±jk)(REMSO±2)≤IMAXSO±2j∑k=16(ΙCjk)≤ΙCj±∑k=16(ΙΟjk)(ΤSΡΙΟjk±)-∑k=16(ΙSΡΜjk±)(REΜΤSΡ±)≤ΙΜAXΙSΡj±∑k=16(ΙΟjk)(CΟDΙΟjk±)(1-REΜCΟDj±)≤ΙΜAXCΟDj±∑k=16(ΙΟjk)(SΟ2ΙΟjk±)-∑k=16(SΟ2Μjk±)(REΜSΟ2±)≤ΙΜAXSΟ2j±式中NY1为第j阶段长度(a);IOjk为第j阶段第k种工业行业产值(万元/a);WAIOjk为第j阶段第k种工业行业单位产值废水排放量(t/万元);IWMjk为第j阶段第k种工业行业单位产值取水量(t/万元);IWRj为第j阶段工业可用水总量(万t);ILNjk为第j阶段第k种工业行业产值占地量(hm2/万元);IEALj为第j阶段第k种工业行业单位产值COD处理率;IMAXCODj为第j阶段工业COD环境容许排放量(kg/a);ISPIOjk为第j阶段第k种工业行业单位产值悬浮物(TSP)产生量(kg/万元);ISPMjk为第j阶段第k种工业行业单位产值TSP处理量(kg/万元);REMTSPj为第j阶段TSP处理率;IMAXTSPj为第j阶段工业TSP环境容许量大排放量(kg/a);SO2IOjk为第j阶段第k种工业行业单位产值二化硫产(SO2)生量(kg/万元);SO2Mjk为第j阶段第k种工业行业单位产值SO2处理量(kg/万元);REMSO2j为第j阶段第k种工业行业SO2处理率;IMAXSO2为第j联合会工业SO2环境容许排放总量(kg/a);ICjk为第j阶段k种工业行业资金投入量;ICjk为第j阶段工业资金最大允许投入量。上述总量均为六种主要工业行业的总量值,为全部工业总量的76%;±代表在容忍偏离范围内的上下区间值。4.2工业水资源用量根据秦皇岛市统计局、环保局的资料及QHDSD模型的运行结果和城市总体结构调整结果,得到IAMOP模型运行所需要的初始参数。经过模型求解,得出工业行业产业结构如表4。到2010年,以上六种工业行业国内生产总值之和占市区工业国内生产总值的76%左右。由此可知,市区工业国内生产总值到2010年、2015年分别为193亿元和361亿元,基本接近了总体规划值。以上六种工业行业用水量之和为工业总用水量的76%,因此,工业总用水量到2010年、2015年分别为10147万t和11830万t,占城市用水总量的35%和36%。经过以上分析计算,得出城市水资源利用规划方案(表5):城市总用水量到2010年、2015年分别为29176万t和33309万t,水资源供需比均略大于1(见表3)。其中常住人口水资源消耗量在规划期第一阶段为120L/d,第二阶段为130L/d。市政用水为生活用水量的1.3倍。工业万元国内产值耗水量第一阶段为52.6t,第二阶段为32.2t。5生态发展水平将所得规划方案代入整合后的SD模型模拟运行,预测方案实施后的社会、经济和环境后果。表6为规划方案实施后城市系统主要状态值的发展情况预测。比较表1、表2和表6可知,优化方案下,城市人口规模接近于T值,高于原始模拟运行值,即城市所能容纳人口数量多于原始模拟运行状态;工业国内生产总值接近T值,比原始模拟运行值高出70%,而工业用水占城市总用水量的比例较原始模拟运行