区域水资源优化配置研究.docx

区域水资源优化配置研究.docx

《区域水资源优化配置研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《区域水资源优化配置研究.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

区域水资源优化配置研究

区域水资源优化配置研究

水利水电工程专业0601班：

李艳超

指导教师：

***

摘要：

随着人类社会对水的需求不断增加，水资源的供需矛盾日益突出，已成为国民经济发展的重要制约因素。

由于过去人类对水资源的一些错误认识以及对水资源的不合理的开发和利用，使得水资源浪费和水污染现象十分严重，这不仅影响了经济社会发展和人民生活，对生态系统和环境也造成了强烈的冲击。

水资源优化配置，就是针对水资源系统，利用优化技术方法，依据一定的目标（单一目标或多目标），在水资源系统的综合约束条件下，使水资源配置达到目标最优的过程。

本文参考了大量的相关文献，对水资源优化配置的含义、特点、目标和原则等进行了叙述，并对国内外有关水资源优化配置方面的研究方法进行了综述。

本文建立了多目标水资源优化配置模型，模型用Matlab求解，并对保定市进行了区域水资源优化配置研究，具体内容如下：

（1）论述了水资源优化配置的含义、特点、目标、原则以及国内外水资源优化配置的研究现状和研究展望；

（2）简述了保定市概况及保定市水资源开发利用现状；保定市已属极度缺水地区；（3）对保定市进行水资源供需预测分析，包括需水预测和供水量预测，得到不同水平年水资源供需预测分析结果，并针对分析结果提出了解决方法；（4）以保定市为研究对象，建立了多目标水资源优化配置模型，利用Matlab语言编写程序，根据水资源供需预测分析结果，求得水资源优化配置结果；（5）对水资源优化配置结果进行分析，以可持续发展为基础，实现保定市社会—经济—环境的协调发展。

关键词：

水资源；优化配置；可持续发展；Matlab

TheResearchonOptimizingAllocationofRegionalWaterResources

Abstract:

Followingthesociety'sincreasingdemandforwater,watersupplyanddemandbecomeanincreasinglyprominent,hasbecomeanimportanteconomicdevelopmentconstraints.Inthepast,someerrorsofhumanunderstandingofwaterresourcesandwaterresourcesofirrationaldevelopmentandutilizationofwasteandwaterpollutionmakeswateraveryseriousproblem,whichaffectsnotonlytheeconomicandsocialdevelopmentandpeople'slife,ecosystemsandenvironmentcreatedastrongimpact.Optimalallocationofwaterresourcessystemisfortheuseofoptimizationmethods,basedonatarget（singletargetormultipletargets）,acomprehensivesystemofwaterresourcesundertheconstraintstoachievethegoalofoptimalresourcesallocationprocess.Thisreferencetothelargenumberofscientificandtechnologicaljournalsandrelatedliteratureonoptimalallocationofwaterresources,characteristics,objectives,andprinciplesweredescribed,andtheoptimalallocationofwaterresourcesathomeandabroadabouttheresearchmethodswerereviewed.Inthispaper,amulti-objectiveoptimizationmodelofwaterresources,themodelsolvedusingMatlab,andconductedinBaodingoptimizationofregionalwaterresources,asfollows:

（1）Themeaning,characteristics,objectivesandprinciplesoptimalallocationofwaterresourcesisrecounted,anddomesticandinternationalwaterresourcesoptimalallocationofresearchstatusandprospects;

（2）OutlinesthegeneralsituationandBaodingBaodingWaterResourcesDevelopmentandUtilization.Baodingisalreadyveryshortofwater;（3）SupplyanddemandofwaterresourcesthroughthepredictionofBaoding,includingwaterdemandprojectionsandwatersupplyforecasting,havedifferentlevelsofanalysisinwatersupplyanddemandforecasts,andanalysisoftheresultsforasolution;（4）Baodingastheresearchobject,theestablishmentofamulti-objectiveoptimizationmodelofwaterresources,useofMatlabprogramminglanguage,accordingtoforecastwatersupplyanddemandanalysis,theresultsobtainedoptimalallocationofwaterresources;（5）Theoptimalallocationofwaterresourcesanalysisoftheresults,basedonsustainabledevelopmentandachieveBaodingsocial-economic-andenvironmentaldevelopment.

Keywords：

waterresources;optimalallocation;sustainabledevelopment;Matlab

1.绪论

1.1研究背景

水是生命之源、万物之本，是实现可持续发展的重要物质基础，同时又是一个国家综合国力的重要组成部分。

随着人类社会对水的需求不断增加，水资源的供需矛盾日益突出，已成为国民经济发展的重要制约因素。

人类对水资源的认识和关注程度是随着水资源的日益紧缺及生态环境的日渐恶化而不断增强的。

水不仅是人类生存、经济发展和社会进步的生命线及实现可持续发展的重要物质基础[1]，而且是一个国家综合国力的重要组成部分，是一个国家经济社会、文明发展的战略资源。

1997年联合国发布的《世界水资源综合评价报告》中指出：

“水问题将严重制约21世纪全球经济与社会发展，并可能导致国家间的冲突。

”

21世纪，世界将面临的三大水问题，即洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化，已经威胁到人类生活水平的提高、社会的稳定和经济的发展[2]。

水资源的含义在国内外的有关文献中有多种提法，至今没有形成公认的定义。

水资源可以理解为人类长期生存、生活和生产中所需要的各种水，既包括数量和质量的含义，又包括其使用价值和经济价值[3]。

《大不列颠大百科全书》将水资源解释为“全部自然界任何形态的水，包括气态水、液态水和固态水的总量”，为“水资源”赋予了十分广泛的含义。

基于此，1963年英国的《水资源法》将水资源定义为“（地球上）具有足够数量的可用水。

”等等。

我们一般认为水资源有广义与狭义之分[4]。

狭义上的水资源是指人类在一定的经济技术条件下能够直接使用的淡水。

广义上的水资源是指能够直接或间接使用的各种水和水中物质，在社会生活中具有使用价值和经济价值的水都可以称为水资源。

水资源作为主要的自然资源，既是一切生物赖以生存的基本条件和人类生产生活的重要资源，又是自然环境的重要要素[5]。

水资源具有一般资源的基本特性，但就其本身的存在形式及于自然环境、人类生产生活、经济社会等的关系来看，又具有某些比一般资源更重要的特性[6]：

（1）水资源属于可再生资源；

（2）水资源具有不可替代性；（3）水资源具有有限性及不均匀性；（4）水环境较脆弱、易破坏。

只有充分认识到水资源的特性，

才能合理有效地利用水资源。

我国水资源总量相对丰富，但人均拥有水量少，水资源供需矛盾突出[7]。

根据1986年完成的全国水资源调查评价结果，我国水资源总量28124亿m3，位居世界第六，但人均水资源2300m3、公顷均水资源28500m3仅分别相当于世界平均人均占有量的1/4、公顷均占有量的4/5。

因此，我国是一个人均水资源严重短缺的国家。

面对21世纪，我国人口的发展将达到16亿高峰，人口的增加将会使人均水资源占有量进一步减少。

在我国，水资源的地区分布非常不均匀，与生产力布局不相匹配[7]。

据1993年资料统计，北方人口占全国总人口的47%，耕地占全国的65%，国内生产总值（GDP）占全国的45%，但水资源量仅占全国的19%；南方人口占全国总人口的53%，耕地占全国的35%，国内生产总值（GDP）占全国的55%，而水资源量仅占全国的81%。

我国水资源时间分配也不均匀，水资源年际、年内变化大[7]。

水土流失、过度开发造成了生态环境破坏、河湖面积萎缩、森林退化、土地沙化和部分地区地下水超采等一系列的问题[8]。

而所有这些使得水环境污染严重的问题显得更加突出。

因此，水资源短缺已成为我国实施可持续发展战略的严重制约因素。

水资源优化配置[9]，就是针对水资源系统，利用优化技术方法，依据一定的目标（单一目标或多目标），在水资源系统的综合约束条件下，使水资源配置达到目标最优的过程。

1.2研究意义

我国是一个水资源短缺的国家，人均水资源远低于世界平均水平。

同时，年内、年际分布不均，在空间分布上与耕地、经济、人口等分布不匹配。

多年来，解决地区性和季节性缺水是水利部门的重要任务。

目前，许多地区已经出现了资源型的水资源供应紧张，不仅影响了经济社会发展和人民生活，对生态系统和环境也造成强烈冲击。

水资源短缺己经成为我国经济和社会发展的严重制约因素。

随着社会经济的进一步发展，水资源短缺问题将更加突出。

现在，上游和下游、地表水和地下水、农业用水和城市用水、经济用水和生态用水之间，水资源利用的矛盾越来越尖锐。

而要解决这些矛盾，就要通过水资源的优化配置，提高水资源的利用效率，实现水资源可持续利用[10]。

水资源优化配置研究工作，是水资源合理配置的基础，是流域规划的重要内容，也是新形势下研究面向可持续发展的流域水资源规划的重要方面。

通过水资源优化配置研究来制定水资源配置方案至少有两方面的作用[11]：

一方面，通过控制社会发展规模、调整经济结构以及节约用水等措施，使需水量在可供水量允许范围内，减小人类活动对水资源的压力；另一方面，通过工程措施和非工程措施，改变水资源系统的时空分布特征，以最大可能的满足社会经济可持续发展的需要，创造最大的综合效益。

社会经济发展要求以水资源的可持续利用保障经济社会的可持续发展，而水资源可持续利用的核心是实现水资源的优化配置[12]，提高水资源的利用效率。

水资源优化配置能有效促进水资源的合理有效利用，能保证最大可能的满足社会—经济—资源—环境的协调发展[13]，不仅考虑经济效益，还考虑社会效益和环境效益，使社会、经济、环境综合效益最大。

水资源优化配置过程是人类对水资源重新分配和布局的过程，它既可对生态环境产生良好的影响，促进经济社会的持续发展，也可导致生态环境的恶化[14]，影响经济社会的正

常发展。

因此水资源配置的好坏，不仅关系到他所依托的生态系统的兴衰，更关系到水资源可持续发展战略支撑能力的强弱，必须加强研究和实践，以利于社会、经济及生态环境的协调发展。

建立节水型社会，是解决我国水资源短缺问题的必然选择，有助于减少废污水排放，改善生态环境，是发展循环经济的重要举措。

而在水资源综合规划指导下，建立初始水权的分配制度，是节水型社会的初级阶段。

在此基础上，建立政府调控、市场引导、公众参与的节水型社会管理体制，实现流域水资源统一管理和区域涉水事务的统一管理，并通过制定用水权交易市场规则，建立用水权交易市场，实行用水权有偿转让，提高水资源的利用效率和效益，并引导水资源向节水、高效领域进行配置，使节水型社会发展到高级阶段，满足建立循环经济对水资源节约和保护的要求。

1.3本文研究的主要内容及方法

1.3.1研究的主要内容

我国对水资源优化配置问题的真正关注和研究，是在90年代出现水危机、水已经成为很多国家和地区制约社会经济发展的资源瓶颈的情况下开始的。

由于研究历史还不长，我国的水资源优化配置理论体系尚不完善，目前仍处于发展之中。

本文对水资源优化配置理论及应用进行了探索和研究。

主要内容如下：

（1）阐述水资源优化配置问题的研究背景，指出其研究意义。

（2）水资源优化配置理论的研究。

从水资源优化配置的基本概念着手，系统论述了水资源优化配置的含义、特点、目标、原则等基本理论，并对国内外的研究现状和研究展望进行了简单的介绍。

（3）建立了多目标水资源优化配置模型，应用Matlab求解。

（4）应用于实例研究。

以保定市的水资源优化配置为例，介绍了该区域的地理位置、水资源现状。

1.3.2研究的方法

本文针对区域水资源优化配置中重水量轻水质、重国民经济需水轻生态环境需水的特点，基于大系统总体优化配置理论与方法，综合考虑生态环境需水因素，构建了多目标水资源优化配置模型，运用Matlab语言编程对模型进行求解，并将所配置模型及方法应用于实例研究。

1）模型的建立

（1）目标函数

由于水资源优化配置至少要考虑社会效益、经济效益、环境效益[15]，因此，可以把目标函数分成三个目标，再集成总的综合效益。

这就是多目标优化模型。

目标1社会效益：

由于社会效益不易度量，可以用区域总缺水量最小来间接反映。

目标2经济效益：

用供水带来的直接经济效益来表示。

目标3生态环境效益：

与水资源利用直接有关的环境问题，以生态环境用户供水保证率最大来量化。

（2）约束条件

一方面，可以从水资源配水系统的各个环节分别进行分析；另一方面，可以从社会、经济、水资源、生态环境协调方面进行分析。

主要有水源可供水量约束、工程输水量约束、用水部门需水约束、决策变量非负约束和一些其他约束条件。

2）模型的求解

本文采用Matlab语言编程对模型进行求解。

在Matlab优化工具箱中，用于求解多目标规划问题的函数为fgoalattain，其形式为[16]

[X，fval，attainfactor，exitflag，output，lambda]

=fgoalattain（fun，X0，goal，weight，A，b，Aeq，beq，lb，ub，nonlcon，options）

该工具函数的基本优化思路采用的是目标逼近方法。

目标逼近法指的是建立一组期望的设计目标值{f1（x），f2（x），…，fn（x）}，令非劣解集到目标集的距离最小，也即在期望值附近，引入一个松弛变量

，松弛度最小的一个非劣解就是对于目标

的最可行解。

标准形式如下：

基于这样一种算法，fgoalattain函数的应用形式如下：

F（x）-weight*r≤goal

C（x）≤0

Ceq（x）=0

A*x≤b

Aeq*x≤beq

lb≤x≤ub

式中：

weight为权值向量，用来控制逼近过程中的步长；ceq（x）=0与c（x）≤0分别为非线性等式和不等式约束；Aeq*x=beq与A*x≤b分别为线性等式和不等式约束。

2.水资源优化配置的理论

2.1水资源优化配置概念的发展

水资源优化配置的概念是在一定的社会经济条件及水资源问题出现的背景下提出来的：

一方面，随着人口增长、社会经济发展，出现了有限的水资源与不断增加的需水量之间的尖锐矛盾。

在很多国家和地区，水资源短缺已经成为制约社会经济发展的主要因素。

这就迫使人们寻找水资源的最佳分配，以实现有限的水资源发挥出最大的效益的愿望。

这就是开展水资源优化配置研究的前提条件和原动力。

另一方面，正是由于水资源短缺，是的水资源再用水行业、用水部门、用水地区、用水时间上存在客观的竞争现象，而对于这种现象的不同解决方案（即配水方案）将导致不同的社会效益、经济效益以及环境效益。

这就为选择最佳效益的配水方案提供了可能。

这是开展水资源优化配置研究的基础条件。

再一方面，随着系统工程理论方法的出现及不断发展，为解决复杂水资源系统优化问题提供了技术支撑。

水资源优化配置[15]泛指通过工程和非工程措施，改变水资源的天然时空分布；开源与节流并重，兼顾当前利益和长远利益；利用系统科学方法、决策理论和先进的计算机技术，统一调配水资源；注重兴利与除弊的结合，协调好各地区及各用水部门之间的利益与矛盾，尽可能地提高区域整体的用水效率，以促进水资源的可持续开发利用和区域的可持续发展（许新宜等，1997年）。

亦即“运用系统工程理论方法，建立水资源优化配置模型，以此制定水资源配置方案”。

实际上，关于水资源优化配置的概念由来已久，但是，解决水资源问题的作用并不像人们想象的那样大。

原因有多方面：

一方面，水资源优化配置理论的应用还不广泛，即使有些流域已经应用，但在实际制定规划方案时，并未完全体现；另一方面，水资源优化配置模型体现的指导思想在水资源规划方面还存在着问题，这主要是由于水资源优化配置模型实际上是水资源规划思想的一种具体体现。

特别是，在建立水资源优化配置模型时，没有充分考虑社会—经济—水资源—环境的协调发展，即可持续发展的思想。

这主要是由于人类对可持续发展思想的认识、理解和普遍接受也就是最近二十年来的事。

因此，如何保证社会—经济—水资源—环境协调发展，以使社会、经济、环境综合效益最大，就成为面向可持续发展的水资源优化配置理论的研究目标。

2.2水资源优化配置的概念及特点

2.2.1水资源优化配置的含义

实现水资源优化配置是水资源可持续利用的重要内容[17]，它包括两方面的含义：

一方面，对于水资源充足的区域，水资源优化配置主要体现在区域产业结构的优化上，以达到充分提高水资源的利用率的目的；另一方面，对于水资源短缺的区域，水资源优化配置是指区域水资源在各个需水单位间的合理分配和区域产业结构优化调整之间的相互耦合，以追求区域的最高效益和促进区域的经济协调发展。

如何使水资源充分发挥其作用，并使其有利于人类社会的发展，这是水资源优化配置应首先讨论的议题。

同时，合理开发利用水资源、实现水资源的优化配置也是我国实施可持续发展战略的根本保障。

2.2.2水资源优化配置的特点及作用

面向可持续发展的水资源优化配置，是以可持续发展为指导[15]，利用系统科学方法、决策理论和先进的计算机技术，将流域水资源进行最优化分配，从而获得最大的社会、经济、环境综合效益。

水资源短缺和洪涝灾害要求水量在时间和空间上合理调配，水环境污染要求水量水质之间的协调统一。

水资源优化配置研究可为水量和水质在时间和空间上的合理调配和使用提供科学依据和对策、措施。

因此，水资源优化配置研究在解决我国水资源问题，实现水资源的可持续利用等方面均占有重要的地位，对促进经济社会的可持续发展具有重要理论和实际意义。

2.3水资源优化配置的目标

水资源合理配置的总目标应是根据流域或区域水资源生态系统的自然和社会状况，采用科学技术方法和合理的管理体制对水资源开发利用和水患防治系统进行改造、规划、设计、组合和布局的安排与管理，以期达到可持续发展的要求和水资源持续利用。

水资源合理配置的具体目标有：

水资源持续利用系统的产出大、效率高；水资源利用系统的结构与功能最佳；系统抗干扰和恢复转化的能力强。

2.4水资源优化配置的原则

水资源配置的原则[15]从宏观上看，根据稀缺资源分配的经济学原理，水资源合理配置应遵循高效性与公平性的原则；在水资源利用高级阶段，还应同时遵循水资源可持续利用的原则，即高效性、公平性和可持续性应是水资源合理配置的基本原则；从微观上看，水资源的配置还应遵循优水优用原则、资源短缺下的最小破坏原则。

（1）可承载原则，可持续发展首先要求不允许破坏地球上的生命支撑系统（如空气、水、土壤等），即处在可承载的最大限度之内，以保证人类福利水平至少处处在可生存状态。

（2）综合效益最大原则。

可持续发展鼓励经济增长，但它不仅重视增长数量，更追求提高质量。

它以保护自然环境为基础，以改善和提高生活质量为目标，与资源、环境的承载能力相协调，追求经济效益、社会效益、环境效益的综合效益最大。

（3）可持续性原则。

通过水资源配置，以维持自然生态系统的更新能力和持续利用，实现水资源可持续利用。

不仅考虑到当代人，而且顾及后代人，体现可持续原则。

（4）水资源利用和水患防治相结合原则。

在配置水资源的同时，也要注意与历史、现在和将来出现的水患治理相结合。

在实际确定水资源规划方案的同时，既考虑水资源的分配需要，也要顾及可能的水患防治需要。

（5）水资源利用和水资源保护相结合的原则。

在面向可持续发展的水资源优化配置过程中，实际上已经考虑到水资源的保护问题，这里需要指出的是：

在制定水资源优化配置方案的时候应该尽可能将污水的排放减小到最低程度，以保持在水资源承载力的允许范围之内。

（6）开源与节流并重原则。

这里主要针对：

在建立水资源优化模型时，要兼顾考虑“开源”途径和“节流”途径。

“开源”和“节流”是解决水资源需求的两条基本途径。

过去，人们对“开源”比较重视，常常靠兴修水利工程和设施，开发新水源，来增加水源的供水能力。

但是，在水资源相对贫乏、水资源利用率已经很高的地区，增大水源供水能力已没有多大潜力，特别是在供水能力已经超过水资源可承载能力的地区，“开源”已经不可能。

这时，主要靠节水技术方法，实施节水措施，提高人们节水意识，建立节水型社会。

让越来越稀缺的水资源为人类更好的服务。

2.5国内外水资源优化配置的研究现状及研究展望

水资源合理配置研究的发展，与水资源的持续利用和人类社会协调发展密不可分。

以水资源系统分析为手段、水资源合理配置为目的的研究工作，源于20世纪40年代Masse提出的水库优化调度问题，国内外诸多学者经过半个世纪多的实践研究，在水资源优化配置方面取得了丰硕的研究成果。

2.5.1研究方法及方法评价

1）运筹学的规划论

运筹学有很多分支，在水资源优化配置方面应用较多的有线性规划、非线性规划、动态规划和多目标优化技术等。

线性规划在水资源优化调度中最早在国外被用于灌溉调水和供