水资源供需分析及优化配置

'水资源供需分析及优化配置一、目的及意义　　摸清大连市水资源现状，预测未来水资源供需状况，制订措施，提出保证水资源长期稳定供给的方案计划。二、水资源供需分析分区：总体要求：有利于综合研究该区的水资源的开发、利用、管理和保护等问题；有利于充分暴露本区的水资源供需矛盾；有利于资料的收集、整理、统计、分析；有利于计算成果的校核、验证，以及各分区之间的协调、汇总等．分区原则：(1)尽量按流域、水系划区，这样做，有利于算清水帐。(2)同一供水系统划在一个区内，这样划区有利于查清本区水旱灾害情况，分析清楚木区供需之间的矛盾。(3)尽量照顾行政区划的完整性。这样做，有利于资料的搜集和统计。(4)自然地理条件和水资源开发利用条件基本相似的区域划归一个区。这样做，既突出了各个分区的特点，又便于在一个分区内采取比较协调一致的对策措施。需水预测1、工业用水①趋势法：用历年工业用水增长率来推算将来工业用水量。公式：式中：——预测的某一水平年工业需水量；——预测起始年份工业用水量；d——工业用水年平均增长率；n——从起始年份至预测某一水平年份所间隔时间(年)。用趋势法预测关键是对未来用水量增长率的准确确定，需要找出与增长率紧密相联的因素，充分分析过去实际结构，合理确定未来不同水平年的平均用水增长率。需要相当长的一个时段和具有准确度较高的用水量数值资料。②相关法：工业用水的统计参数与工业产值有一定的相关关系。把产值作为横轴，描绘上实际值，进行回归分析。1).用工业用水增长率和工业产值增长率相关关系推算工业发展用水。2).用工业产值与万元产值用水量的相关关系推求工业发展用水。一般给出用水定额。普遍应用相关法一般方程：2、农业用水公式：式中：——某作物灌溉面积；——某作物灌溉定额； ——某作物灌溉水量；——全区所有作物灌溉水量。3、生活用水城市生活用水预测方法一、趋势法或简单相关法式中：W——某水平年城市生活用水总量(m3/年)；——现状人口(人)；——某水平年人口数(人)；——城市人口计划增长率(%)；n——起始年份至某一水平年份的时间间隔(年)；——某水平年份拟定的人均用水综合定额(m3/人·年)。二、分类分析权重变化估算法(双因子分析)式中：——某一水平年的总用水量(m3/年)；——某一类用户在某一水平年所占的权重(%)；——某一类用户在某一水平年的单位用水量(m3/人·年)；——某一类用户在某一水平年的用水人数。农村生活用水按人均用水标准进行估算。公式为：式中：——农村居民生活用水量；m——人均生活用水标难；n——用水人数。4、牲畜用水式中：——全部牲畜用水总量；——各种牲畜或家禽头数或只数； ——各种牲畜或家禽用水定额。供水预测P＝50%、75%、95%三、水资源优化配置水资源优化配置是指在一个特定流域或区域内，工程与非工程措施并举，对有限的不同形式的水资源进行科学合理的分配，其最终目的就是实现水资源的可持续利用，保证社会经济、资源、生态环境的协调发展。水资源优化配置的实质就是提高水资源的配置效率，一方面是合理解决各部门和各行业（包括环境和生态用水）之间的竞争用水问题。另一方面则是提高水的利用效率，促使各部门或各行业内部高效用水。1、国内外研究现状国外水资源配置研究水资源合理配置研究的发展，是与水资源的持续利用和人类社会协调发展密不可分的。近100年来，随着科学技术水平的提高和经济社会的发展，水资源管理特别是农业灌溉管理逐步走向合理化、多样化和集约化（福田仁志，1983）。同时，水资源系统优化调度和分配、水资源宏观区域规划、水环境战略保护以及采取全面节水措施、营造节水型社会等方面都有很大的进步。随着水利工程的不断实施，水资源合理配置基础设施建设和管理手段的进一步完善，真正意义上的水资源合理配置已成为可能。20世纪50年代以来，国外水资源系统分析方面的研究迅速发展。1950年美国总统水资源政策委员会的报告，是最早综述水资源开发、利用和保护问题的报告之一。这个报告的出台，推动了行政管理部门进一步开展水资源方面的调查研究工作。以水资源系统分析为手段、水资源合理配置为目的的各类研究工作，首先源于20世纪40年代Masse提出的水库优化调度问题。50年代以后，随着系统分析理论和优化技术的引入以及60年代计算机技术的发展，水资源系统模拟模型技术得以迅速研究和应用。由于水资源系统的复杂性以及存在包括政治、社会、决策人偏好等各种非技术性因素，所以简单使用某些优化技术并不能取得预期的效果，而模拟模型技术可更加详细地描述水资源系统内部的复杂关系，并通过有效的分析计算获得满意的结果，从而为水资源宏观规划及实际调度运行提供充分的科学依据。最早的水资源模拟模型，是美国陆军工程师兵团于1953年为了研究解决美国密苏里河流域6座水库的运行调度问题而设计的（Hall和Dracup，1970）。其后，在尼罗河流域为解决水库的规模及其运行调度问题（Emergy和Meek，1960）也构造了专门的模拟模型。Masse等人在1962年提出了模拟技术在评价流域开发经济指标中的应用实例。D.H.Marks于1971年提出水资源系统线性决策规则后，采用数学模型的方法描述水资源系统问题更为普遍。随着系统分析理论和优化技术的引入以及计算机技术的发展，水资源系统模拟模型和优化模型的建立、求解和运行的研究和应用工作不断得到提高。例如，1974年，J.L.Cohon和D.H.Marks对水资源多目标问题进行了研究；1975年，Y.Y.Haimes应用多层次管理技术对地表水库、地下含水层的联合调度进行了研究，使模拟模型技术向前迈进了一步。1975年，J.A.Dracup和A.D.Fudmar用系统方法对南斯拉夫Moraua流域的水资源规划管理进行了研究。1978年，J.M.Shafer和J.W.Labadie提出了流域管理模型。1982年，加拿大内陆水中心利用线性规划网络流算法解决了渥太华流域及五大湖系统的水资源规划和调度问题。1983年，D.P.Sheer经过长时间的努力，利用优化和模拟相结合的技术在华盛顿特区建立了城市配水系统。美国麻省理工学院于1979年完成的阿根廷河Rio Colorado流域的水资源开发规划，是最具成功和有影响的例子。其中，以模拟模型技术对流域水量的利用进行了研究，并提出了多目标规划理论、水资源规划的数学模型方法，并加以应用。N.伯拉斯所著《水资源科学分配》（1983），可以说是较早地系统研究水资源分配理论和方法的专著。该书简要阐述了20世纪六、七十年代发展起来的水资源系统工程学内容，较为全面地论述了水资源开发利用的合理方法，围绕水资源系统的设计和应用这个核心问题，着重介绍了运筹学数学方法和计算机技术在水资源工程中的应用。研究这些方法的目的在于：初步筛选系统的有关方案，作为进一步分析的方案；然后，详细分析这些方案，得出一个或几个最优设计。但是，正如作者所说，此书是“数学分析应用在水资源工程中的研究成果及其推广的结果”。自1992年6月联合国环境与发展大会在巴西里约热内卢通过了著名的《里约宣言》和《21世纪议程》以后，世界各国政府为其在宣言中所做的承诺进行了不懈的努力，并在研究社会、经济、资源与环境如何协调发展的问题上做了大量的工作。联合国及其所属组织和许多国际组织也为寻找一种各个方面均认可的良好途径、以解决人类社会发展进程中所遇到的这一世界性难题做出了非凡的努力，这为各国提供了很好的参考模式。联合国及其所属组织就“环境与可持续发展”问题进行了大量的工作，每年出版近百本书籍和刊物。它们在许多国家的各个领域进行了社会、经济、资源与环境方面的理论探讨和实例研究，使全球范围的可持续发展研究有如火如荼之势，并取得极大的进展。《亚太21世纪议程及挑战》是联合国对亚太地区在环境管理和可持续发展中提出的21世纪行动计划进行的全面评估，分析和提出了在实施过程中的各种限制因素与机会；《亚太水资源利用与管理手册》回顾了亚太地区水资源保护、水质、水生态系统现状，提出了水资源利用和管理的战略目标和实施方法；《水与可持续发展准则：原理与政策方案》充分分析了水资源与经济社会发展的关系以及在亚太地区所取得的成功实例，确定了水资源开发在可持续发展中的基本准则和地位，明确指出：水资源与经济社会发展紧密相连，其多行业属性和多用途特性使在可持续发展过程中的水资源工程规划与实施变得极其复杂。美国世界观察研究所自20世纪70年代末就开始对世界社会、经济、资源与环境的协调发展加以密切关注，发表了大量文章，向世人发出各种警告。尽管一些观点有些偏颇，甚至一些数据不甚准确，但其出发点仍是提醒人类社会在经济增长的同时要注意资源短缺、环境恶化的严重威胁。该所所长LasterR.Brown在其《重新评估地球的人口承载力》一书中指出，随着当今世界人口爆炸和资源、粮食供求矛盾日益激化，粮食安全将在今后替代军事安全成为各国政府首要解决的问题。SandraPostel则在《最后的绿洲》一书中阐明了水资源的短缺，将影响人类社会的各个方面，如从中东和平前景到全球粮食安全，以及城市发展和工业布局。正如20世纪70年代石油价格一样，水资源短缺将会成为国际争端的导火索和国家经济变化的原因。因此，人们目前所面临的挑战是：在已经控制和利用水的同时，学会如何与水维持一种平衡，并在这一平衡下和谐的生存和发展。国内水资源配置研究我国水资源科学分配方面的研究起步较迟，但发展很快。20世纪60年代，开始了以水库优化调度为先导的水资源分配研究。80年代初，由华士乾教授为首的研究小组对北京地区的水资源利用系统工程方法进行了研究，并在国家“七五”攻关项目中加以提高和应用（华士乾，1988）。该项研究考虑了水量的区域分配、水资源利用效率、水利工程建设次序以及水资源开发利用对国民经济发展的作用，成为水资源系统中水量合理分配的雏形。随后，水资源模拟模型在北京及海河北部地区得到了应用。同时，中国科学院组织科研设计生产部门和高等院校及地方单位，成立了“中国科学院新疆资源开发综合考察队”，围绕中央提出的“三个基地” （畜产品、经济作物、石油能源）、“五个重点行业”（农牧业、石油和石油加工业、食品和纺织业、动力工业、建材工业）、“一个命脉、一个动脉”（水利和交通运输）的构想，在以往各部门工作的基础上，深入开展了以“新疆资源开发和生产布局”为中心课题的综合考察研究工作。该课题旨在通过综合评价自然资源、自然条件和社会经济条件，搞清新疆的资源开发潜力、环境容量和经济发展方向，勾绘出20世纪末和21世纪初的生产力发展布局远景，明确建设重点和时序，为编制开发新疆的长远规划提供科学依据。20世纪80年代后期，学术界开始提出水资源合理配置及承载能力的研究课题，并取得初步成果。80年代中，新疆水利厅在自治区科委的支持下，会同有关单位进行了“新疆水资源及其承载能力和开发战略对策”的课题研究（1988）。该课题深入研究了水资源形成机理、水资源特征及优势、水资源长期变化趋势预测、水资源潜力及承载能力和水资源开发利用对策，首次涉及到水资源承载力的分析计算方法，并提出初步成果。同时，其中提出的水资源开发对策和措施为自治区水利建设的发展指明了方向。1994～1995年，由联合国UNDP和UNEP组织援助、新疆水利厅和中国水利水电科学研究院负责实施的“新疆北部地区水资源可持续利用总体规划”（1995）项目，在水利部、国家经贸委的支持下，联合自治区有关单位，对新疆北部地区的经济、水资源与生态环境之间协调发展进行了较为充分的研究，提出了基于宏观经济发展和生态环境保护的水资源规划方案。其成果受到国际组织和国内专家的高度评价，并得到地方政府的认可。中国水利水电科学研究院、航天工业总公司710研究所和清华大学相互协作，在国家“八五”攻关和其它重大国际合作项目中，系统地总结了以往工作的做法和经验，将宏观经济、系统方法与区域水资源规划实践相结合，形成了基于宏观经济的水资源优化配置理论，并在这一理论指导下提出了多层次、多目标、群决策方法。具体体现所提理论和方法的区域水资源优化配置决策支持系统，应用到了华北水资源专题研究成果上（中国水利水电科学研究院，1994）。由于我国人均、亩均水资源占有量远低于世界平均水平，加之水土资源分布与生产力布局间的相互匹配情况不尽合理，解决水资源问题将是中国21世纪可持续发展的重大课题。如何在传统区域发展模式和自然资源开发利用模式的基础上有所突破，进一步丰富面向可持续发展的水资源学科体系，以便更好地指导实践，学术界做了十分有益的探索。特别是在水资源优化配置的基本概念、优化目标、基本平衡关系、需求管理、供水管理、水质管理、经济机制、决策机制及各主要模型的数学描述等方面，均有新的研究成果。其理论和方法，在华北地区、新疆北部地区及其所属部分省、地级州市得到了广泛应用，取得了较大的经济和社会效益。世界范围的水资源危机和人口爆炸、能源短缺、环境恶化是人类在21世纪面临的由人类自身带来的巨大灾难，将对人类能否战胜自身构成严峻考验。人类在不断认识自然、征服自然的过程中，同时也在不断地认识自己和战胜自己。因此，可持续发展是人类生存与发展的自身需要和必然选择，在考虑经济发展的前提下必须兼顾生态环境的保护，在利用地球资源的过程中必须顾及未来人类对其的利用权力，这一概念已经在较大的范围内得到了初步的共识。2、步骤1)、确定优化目标、决策方案和约束条件；2)、建立数学模型；3)、模型求解；4)、计算结果的验证。3、水资源优化配置模型常用的几种数学优化模型 1、线性规划模型特点是模型中的目标函数及约束条件的数学形式均为线性，由于它具有标准的求解方法，通常可把复杂的水资源优化问题构造成线性规划模型。它的标准形式为：目标函数：约束条件：　(i=1,2,…,m)≥0(j=1,2,…,n)2、动态规划模型此类模型主要应用于系统分析的多阶段决策过程，可以求得整个系统的最优决策方案。动态规划的基础是最优性原理，基本方法就是把一个复杂的问题分解，形成一个多阶段的决策过程，并按一定的顺序或时序，从第一阶段开始，逐次求出每阶段的最优决策，从而求得整个系统的最优决策。动态规划的基本方程是一个使过程状态连续转移的递推方程。它的数学形式是：约束条件：动态规划模型可用函数迭代法或策略迭代法求解。3、多目标规划模型区域水资源的开发利用都是多目标的，在追求经济效益目标的同时，还应提出社会、环境、长期效益等方面的目标。这类问题需要利用多目标规划的方法来解决。它的模型形式可表示为：目标函数：约束方程：决策变量向量：多目标规划是运筹学的一个重要分支，它是随着线性规划无法解决的问题的出现而诞生的。多目标规划作为实现现代化管理的决策支持工具，具有4方面特点：一是具有许多组解的“满意行为”模型，而不是只有“唯一解”的最大化模型。二是特别适用于解决具有不同度量单位和相互冲突的多目标决策问题，利用加权系数或层次序列法可描述决策者对某目标的偏好程度，并将不同度量的目标归一化。三是可以保证决策结果是非劣解，通过一定数学处理方法，可首先排除劣解，然后在非劣解集中挑选出满意的解，即能保证决策结果尽可能接近理想值。四是便于利用电子计算机技术，通过计算机可迅速为决策者提供多种行动方案和决策信息，有利于决策者对各个目标相互关系的理解和认识。同时，易于开发人— 机交互系统，为决策者提供方便简单的决策支持工具。多目标规划方法的独特优势，使其近年得到普遍重视，在经济管理、工业工程最优控制，资源优化分配等各个领域得到了广泛应用。随着计算机技术的发展，多目标规划将会进一步完善和提高，成为区域水资源优化配置的实用工具。四、大连地区水资源供需分析1、分区按行政分区将全区分为8个区：市区、甘井子区、旅顺口区、金州区、瓦房店市、普兰店市、庄河市、长海县2、现状分析选1998年为现状年进行评价1998年现状需水量(104m3)分　区生活用水工业用水灌溉用水牲畜用水合计城镇生活用水农村生活用水小　计市区1341213412甘井子区31463753521旅顺口区8452991144金州区24299723401瓦房店市1482122327051541955普兰店市5711218178915081131庄河市67112601931720800长海县39871261117合　计2259554352803037151998年现状供水量(104m3)分　区生活用水工业用水灌溉用水牲畜用水合计城镇生活用水农村生活用水小　计市区2086613082217415847918881248021甘井子区旅顺口区金州区瓦房店市1113133824511856854195513803普兰店市4861266175252214330113117735庄河市630126318938893564780039229长海县2896124528017273合　计23123527128394191666778637151190613、供需预测①经济指标预测人口总人口预测表（万人）大连市金州以南瓦房店普兰店庄河长海1998573.2292.36101.8282.0988.058.882001592.5308.65102.582.789.758.9 2002595.6311.2102.78389.88.92003598.7313.85102.883.389.858.92004601.8316.5102.983.689.98.92005605319.051038489.9592010620328.851058690.1510城镇供水人口预测表（万人）大连市金州以南瓦房店普兰店庄河长海1998296.92432314.115.21.62001316.9259.42415.216.51.82002322.42632415.617.91.92003329266.7251619.322004334.6270.42516.420.72.12005343.2274.22816.8222.22010369.8288.23019302.6农村人口预测表（万人）大连市金州以南瓦房店普兰店庄河长海1998276.349.3678.8267.9972.857.282001275.6249.2678.567.5273.257.12002273.2148.1878.767.4471.972003269.7447.1477.867.3570.556.92004267.2146.0677.967.2569.26.82005261.8144.827567.2467.956.82010250.2240.637567.0460.157.4用水定额生活用水综合定额表（升/人·日）金州以南瓦房店普兰店庄河长海城镇农村城镇农村城镇农村城镇农村城镇农村199823673133479451114484836200124473139501055111950614020022477414151107511225164522003252751445210952124526753200425476146531135312653694420052597714954117541295472452010280731674714451149488436农村生活用水综合定额表（升/人·日）金州以南瓦房店普兰店庄河长海19987347514836 200173505150402002745151515220037552525253200476535353442005775454544520108260606050工业产值工业总产值预测表（亿元）大连市金州以南瓦房店普兰店庄河长海19981413.68873.8220.08215.39102.851.56200120201340.6270.42481592200222631518.44287.562681863200325341716.25305.752902184200428381942.05323.953122555200531792193.84343.163382986201051203460.52454.4859659910牲畜数量全市牲畜数量预测表大牲畜（万头）小牲畜（万头）饲养场猪（万头）鸡（万只）199848413421040200148417441811200248417482106200348417532407200448420582558200548420652710201048420793140牲畜用水定额大牲畜40升/头·日，小牲畜20升/头·日，鸡0.1升/只·日②需水量预测各分区工业需水量预测表单位：×104m3水平年金州以南瓦房店普兰店庄河长海大连市1998189341540.61507.77201122713.3200120992.51892.8173611131425748.3200221727.22012.9187613022126939.1200322487.72140.3203015262828212200423274.82267.7218417853529546.5200524089.42402.1236620864230985.5 2010272553181.4417241936038861.42005年、2010年各分区农业灌溉需水量表单位：×104m3水平年作物种类金州以南瓦房店普兰店庄河长海合计2005年水田570305667502100031376小麦200400600蔬菜56005940384031506018590果树288055004720390017000其它450400320400201590合计962015296156302845080690762010年水田305643201875026126小麦200400600蔬菜51006080432034566019016果树297550404720360016335其它850900800900203470合计91251547614160267068065547全市及金州以南地区生态环境需水量表单位：×104m3水平年1998200120022003200420052010大连市994.21597.81787.71971.12138.42368.82723.4金州以南7871268.11419.41550.11675.418021923.8牲畜需水量大牲畜小牲畜饲养场合　计猪鸡1998700.83014.9306.637.964060.32001700.83044.1321.266.104132.22002700.83044.1350.476.874172.22003700.83044.1386.987.864219.72004700.83066423.493.374283.62005700.83066474.598.924340.22010700.83066576.7114.614458.1各分区牲畜需水量预测表单位：×104m3水平年牲畜分类金州以南瓦房店普兰店庄河长海2005大牲畜80.3189.8219211.7小牲畜671.6803883.3693.514.6猪场197.151.1109.5116.80.2 鸡场9.329.21.858.4合计958.31073.11213.61080.414.8大连市4340.22010大牲畜73197.1219211.7小牲畜671.6803883.3693.514.6猪场226.358.4146146鸡场9.329.62.6730.2合计980.21088.11250.91124.214.8大连市4458.2生活用水量大连市金州以南(1)瓦房店(2)普兰店(3)庄河(4)长海(5)199828497.822247.22468.71749.41908.8123.7200131101.624414.72650.21839.42053.5143.8200231889.825012.12700.21864.72135.5177.320033292225821.62790.61914.92212.5182.420043361626346.52839.31977.42290.7162.1200534769.727181.23001.12042.72375.2169.5201039771.830670.13471.22466.82948.9214.8总需水量表（×104m3）项目水平年200120022003200420052010生活城镇25659.126396.727404.128082.329255.433992.6农村5442.55467.55492.75533.55514.25779.1合计31101.631864.232896.833615.834769.639771.7牲畜4340.24458.2农业6907665547工业25748.326939.12821229546.530985.538861.4生态环境1597.81787.71971.12138.42368.82723.4不可预见水573459306162637666407859总计148207.1159220.7'