安阳市水资源优化配置研究
更新时间:2023-07-18 13:03:01 阅读量: 实用文档 文档下载
甘肃农业大学
硕士学位论文
安阳市水资源优化配置研究
姓名:李明明
申请学位级别:硕士
专业:农业水土工程
指导教师:成自勇
20080601
摘要
水资源是人类生存和社会发展的必要物质基础,是可持续发展的重要保障。随着人口的增长、社会经济的发展和人们生活水平的提高,对水资源的需求无论是量还是质上都有了巨大的增长。由于过去一些错误的认识以及对水资源的不合理开发与利用,使许多国家已陷入水资源短缺的困境。在我国,水资源短缺在很多地区已经严重阻碍经济社会发展,直接影响我国经济社会的可持续发展。因此研究区域水资源优化配置对促进区域社会、经济、资源、环境协调发展具有重要意义。
本文在阅读大量文献、科技期刊的基础上,总结前人的研究成果,对水资源优化配置理论和模型建立进行了探索和研究。并在可持续发展理论为指导思想下,以河南省安阳市为课题,进行需水量预测及优化配置的理论探讨和实际应用研究。本文研究内容归纳起来主要有以下几方面内容:
l、在综述了国内外研究现状的基础上,阐述水资源优化配置问题提出的背景和其研究意义,并指出目前存在的主要问题。
2、分析了可持续发展理论和量化准则的概念,探讨可持续发展的量化方法。3、简述区域水资源需水量预测的方法。将需水结构分为生活需水、生态需水、农业需水和工业需水四部分,分别进行预测。
4、以经济效益、社会效益和环境效益为目标,结合区域内多种水源的约束条件,建立相应的数学模型。对遗传算法在水资源优化配置中的求解思路进行了研究,并对GA的编码、适应度、遗传算法算子设计和实现进行了详细的阐述。介绍了基于遗传算法的求解技术和方法一多目标分解协调遗传算法和大系统总体优化遗传算法两种优化方法及其在模型求解中的应用。
5、针对安阳市水资源系统的特点和实情情况,对水资源系统进行规划分区。采用定额法对安阳市降雨保证率p=50%下对2010、2015、2030三个规划水平年的需水量进行了预测。建立安阳市水资源优化配置模型,求解方法采用多目标分解协调遗传算法,利用Matlab的遗传算法工具箱函数进行计算机脚本程序的编写,对模型进行求解,得到该区水资源优化配置的结果,并进行了成果分析。
最后,综合理论和应用研究成果,指出今后需要进一步加强研究的内容。
本文立足于统筹考虑、科学配置,充分利用和保护有限水资源,促进节水和水资源的高效利用,使有限的水资源得到优化配置,发挥出最大的经济、社会、环境效益,以水资源的可持续利用确保经济社会的可持续发展,为今后进行从事水资源规划等工作积累了宝贵的经验。关键词:水资源;优化配置;遗传算法;安阳市
Summary
Water
survivalresourcesisthenecessarymaterialdevelopment,foundationofthehumanbeing,sandsocialandtheimportantguaranteeofsustainabledevelopment.Withthepopulationgrowth,thesocialeconomicdevelopment,andthe。
resourcesdemandforwaterpeople’Slivmgstandardsimprovement,the
increasedenormouslybothonisalsothequantityorquality.Manycountrieshavebeenin
erroneoustroubleoftheshortageofwaterresources,becauseofsomeunderstanding
inthepastandunreasonabledevelopmentandutilizationforwaterresources.InChina,theshortageofwaterresourceshasbecomethebottleneckseriouslyhampertheeconomicandsocialdevelopmentinmanyareas,whichinfluencedirectlytheeconomicsocialsustainabledevelopment.Therefore,thestudy
resourcesontheoptimizingallocationofregionalwater
developmentof
Basedonisofgreatsignificancetotheharmoniousandenvironment.society,economy,resourcesreadingextensiveliterature,summingupthepredecessors’researchresults,theoptimizingallocationandmodelconstructionforthewaterresourcesare
ofsustainabledevelopmentexploredandinvestigatedinthispaper.Inthetheory
theguidingideology,as
andanasexampletoAnyangCityofHenanProvince,thethepredictionand
ofthepapercantheoreticaldiscussionpracticalapplicationresearchonoptimizingallocationofwaterdemandbe
besummarizedindone.Themaincontentsthefollowingaspects:
resources,玳。pescribe
and
andthestudybackgroundofoptimizingallocationofwaterpointoutthemeaningofthestudy.Introducebrieflytheresearchstatusathomeatpresent.abroad,andpointouttheexistentmainproblems
砌∞ebrieflythetheoryofsustainabledevelopmentand
thequantitativemethodofsustainabledevelopment.quantitative.善饥豁
伊Ⅷ妒斌眦emethodoftheareawaterbrieflythewaterdemandpredicted
resources.Dividethewaterstructureintothe
industrialwatertocalculatedomestic,ecological,agriculturalandrespectively,and
and4沙也eeconomic,socialenvi—ental
givethecalculationmethod.benefitsastheo啪ivefunction,
constructthecorrespondingmathematicalmodelcombiningwiththeconstrainsofvariedwatersources.Studytheideasofapplyingthegeneticalgorithm(GA)tosolvetheoptimizingallocationofwaterresources,anddescribeindetailthedesignandimplementationonGAcoding,fitnessandoperator.IntroducetwoGAoptimizationmethodsofmulti-objectivedecompositionandcoordinationandlarge-scalesystemgeneraloptimizingandtheirapplicationsinsolvingthemodel.Throughthejudgmentofeachgenerationindividualoptimization,andoptimizethewaterresourcessysteminthestudyareastoobtaintheobjectiveofoptimizingallocation.
5、AimingatthecharacteristicandactualsituationofAnyangCitywaterresourcessystem,planthedivisionofthesystem.Underp=50%,predictthewaterdemandwithfixedlawin2010,2015and2030threeplanninglevelyears.Constructtheoptimizingallocationmodel,whichisprogrammedandsolvedbytheGA,andobtaintheresultsofthewaterresourcesoptimizingallocationandanalyed.
Lastly,combiningthetheoryandtheapplicationresearchresults,andpointoutthemaincontentsofthefuturestudy.
Inthepaper,basedontheoverallconsiderationandscientificconfiguration,wetakefulladvantageofandprotectthelimitedwaterresources,andadvancethewater-savingandhigllefficientutilization.Maketheoptimizingallocationofthelimitedwaterresourcestogetthemaximaleconomic,socialandenvironmentalbenefits,andensurethesustainabledevelopmentofeconomyandsocietythroughsustainableutilizationofwaterresources,SOaccumulatevaluableexperienceonwaterresourcesplanningforfuturework.
Key—words:waterresources;optimizingallocation:GA:AnYangcity
甘肃农业大学硕士学位论文
独创性声明
本人声明,所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。
El期:a,8,占日学位论文作者签名:捌
第一章绪论
1.1项目研究背景和意义
1.1.1研究背景
随着科学技术进步和社会生产力的飞速发展,人类创造了前所未有的物质财富,加速推进了人类文明发展的进程经济的快速发展,出现了人口过快增长、资源过度消耗、生态环境质量严重下降等问题,使水资源短缺带来的供需矛盾不断加大。对于我国,虽然水资源总量丰富,但人均占有量少,属于世界13个贫水国之一,加上水资源时空分布不均匀以及开发利用不合理,使得城市缺水问题日益突出、水体污染日趋严重、洪水与干旱并存,‘目前全国有近2/3的城市供水不足,年缺水约6×109m3,每年影响工业产值2000多亿元¨1。
自上世纪80年代可持续发展思想形成以来,随着人类对水资源与生态环境之间关系认识的提高.最终意识到:高消耗、高污染、先污染后治理的传统发展模式已经不再适应当今和未来发展的需要,必须寻找一条社会、经济、资源、环境相协调的可持续发展道路幢1。
在一些资源性缺水地区,或是面对巨大的投资而无能为力的工程性缺水地区,人们更注重利用科学方法和优化技术,通过建立水资源优化配置模型,对有限的水资源进行优化配置。然而,由于水资源配置涉及到社会、.经济、资源、环境等多方面问题,是一个十分复杂的系统科学问题。如何在可持续发展的前提下进行水资源的优化配置,将人类活动控制在生态、资源、环境允许范围内,恢复和重建受损的生态系统等问题越来越受到国际社会的广泛关注和重视。1.1.2研究意义
水资源优化配置在我国是在水资源出现严重短缺和水污染不断加重这样一个背景下于20世纪90年代初提出来的口3,并逐步应用到水资源的规划与管理中,但在解决水资源问题上,作用并不像人们希望的那么大:原因有多个方面: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,但没有在实
际定制规划方案完全体现;另一方面,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。由此,在以往建立水资源优化配置模型时,并没有充分考虑社会一经济一水资源一环境的协调发展,即可持续发展的思想。因此,如何保证社会一经济一水资源一环境的协调发展,以使社会、经济、环境综合效益最大,就成为区域水资源优化配置理论的研究目标。
其意义除了一般水资源优化配置的作用外,还表现在:
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。这是因为水资源优化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。
②促进社会一经济一资源一环境的协调发展
发展是永恒的主题,片面的经济增长并不一定意味着发展。经济增长型的水资源配置方式,虽然取得了经济的迅速增长,但却带来了生态破坏和环境污染,对人类的生存发展构成了威胁。只有社会、经济、资源、环境相互协调的发展才是最佳的发展模式。研究面向可持续发展的水资源优化配置,不仅能够给管理者提供决策依据,实现水资源的合理利用,而且能增强人们的节水意识,对有效改善水资源紧缺、水环境恶化等问题,是在保护生态环境的同时,促进经济增长和社会繁荣,从而保证可持续发展的实现。促进水资源的持续利用和实现城市可持续发展具有重要意义。
⑨促进系统分析理论与优化方法的探讨
区域水资源系统是一个复杂的大系统,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对其他资源的分配问题有一定的参考价值
水资源是自然资源之一,任何资源都具有一定的价值和使用价值,却又受到一定量的限制,其他资源同样存在着合理有效分配的问题,资源优化配置问题
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有一定的相似性和差异性,水资源优化配置模型及其算法,对于解决其他资源的配置问题有一定的参考价值。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1国外水资源优化配置研究
对于水资源优化配置,国内外已经进行了较多研究,提出了各种解决问题的理论方法,主要有大系统分解一协调、模拟技术、动态规划、多目标规划等H1。1953年,美国陆军工程师兵区](USACE)在美国密苏里河流域研究6座水库的运行调度问题时设计了最早的水资源模拟模型;砌chardBellman(1957年1提出了动态规划,用来求解多阶段决策过程的最优策略陌1。1972年,Young和Bredenoefl于1972年提出了一个由水文模型和经济模型等组成的地面水和地下水联合管理运行的模拟模型∞1。1977年,Y.Y.Haimes运动大系统分解.协调技术研究了地面水和地下水的联合管理运行问题。在研究中,他们把整个系统划分为一系列的小区,先对每个小区建立各自的优化运行模型进行第一层优化,以确定各小区引河水量、回灌水量和抽水量等,然后进行第二层优化,即协调各小区第一层优化的结果,以求整个系统的运行成本最小n1。1985年,美国康奈尔大学的D.ELoucks教授等提出了水资源系统工程的“交互模型方法”。认为决策模型不仅要反映系统的物理本质,而且必须与人类思维方式和用户的认识模式相一致,与实际决策过程要吻合:在决策过程中,模型还必须充分反映决策者的要求、愿望和主观判断伸1。20世纪90年代以来,由于水污染、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配置己不适应形式的发展。国外开始在水资源优化配置中考虑水质约束、环境效益和水资源可持续利用研究。1992年,Afzeal,Javaid阳1等针对Pakistan的某处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。1997年WongHughSn们等提出支持地表水、地下水联合运用的多目标、多阶段优化管理的原理与方法,在需水预测中要求地下水、当地地表水、外调水等多种水源联合运用,并考虑地下水恶化的防治措施。1999年KumarArun…3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。因为该模型忽略了不同行业的排放量与污水处理水平不一致的问题,于是又
提出一个所有污水排放的非歧视可替代方案。1995年Watkins.DavidWJr“21介绍了一种伴随风险和不确定性的可持续水资源规划框架,建立了有代表性的联合调度模型。
90年代以来,一些新的优化算法,如遗传算法(GA)、模拟退火(SA)等开始在水资源优化中应用nH劓。1995年,RaoVenmunt.V对适于多峰搜索的小生境遗传算法(MNCGA)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GA在多目标决策中的应用,并将其应用于含水层的治理。MNCGA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描述地下水动态变化,模拟结果构成GA的输入。1998年,WangM研究遗传算法和模拟退火算法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而变化的特性,建立了地下水多阶段模拟优化模型n副。通过GA和SA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GA和SA的优点和缺点。三个实例研究中,GA和SA优于或接近于各种规划方法的优化解。2000年,Morshed,Jahangir¨鄙等回顾了GA在非线性、非凸、非连续问题中的应用,对改进遗传算法的可能性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GA各种参数的敏感性。
1.2.2国内水资源优化配置研究
国内水资源配置方面的研究起步较晚,但发展很快。上世纪60年代就开始了以水库优化调度为先导的水资源分配研究,最早是以发电为主的水库优化调度。到了80年代,区域水资源的优化配置问题在我国开始引起重视。80年代初,以华士乾教授为首的研究小组曾对北京地区的水资源系统利用系统工程的方法进行了研究,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,可以说是水资源系统中水量合理分配的雏形n钥。随后的水资源模拟模型在北京及海河北部地区进行了应用。
80年代中后期,开始提出了水资源合理配置研究课题。在理论研究方面,贺北方于1988年提出区域水资源优化分配问题,并建立了大系统序列优化模型,采用大系统分解协调技术进行求解,又于次年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,并将该优化模型应用到郑州市水资源系统分析与最优决策研究中n81。1989年吴泽宁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,采用多目标线性规划技术求解,并以三门峡市为实例进行验证乜鄹。
1994年至1995年,由联合国LINDP和UNEP组织援助、新疆水利厅和中国水科院负责实施的“新疆北部地区水资源可持续总体规划"项目,对新疆北部地区的经济、水资源和生态环境之间的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,成果受到国际组织和国内专家的高度评价,并取得了地方政府的认可。
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"攻关和其他重大国际合作项目中,系统的总结了以往工作的经验,将宏观经济、系统方法和区域水资源规划实践相结合,提出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,建立了区域水资源优化配置决策支持系统,应用该系统对华北水资源问题进行了专题研究n91。他们在该专题中开发的“宏观经济水资源规划决策支持系统MEWAP.DSS"是迄今为止较为完整的水资源合理配置应用体系。同时,在水资源合理配置的基础理论和分析技术与方法等方面均有很大突破。
黄河水利委员会利用世界银行贷款进行了“黄河流域水资源经济模型研究’’,并在此基础上,结合国家“八五”科技攻关项目,进行了“黄河流域水资源合理分配及优化调度研究”(常丙炎等,1998),对地区经济可持续发展与黄河水资源、地区经济发展趋势与水资源需求、黄河水资源规划决策支持系统、干流水库联合调度、黄河水资源合理配置、黄河水资源开发利用中的主要环境问题等方面,进行了深入研究,并取得了较为成功的经验啪3。这项研究是我国第一个对全流域进行水资源合理配置的研究项目,对全面实施流域管理和水资源合理配置起到了典范的作用。
从求解方法上看,国内水资源优化配置模型多采用线性规划、动态规划等传统的经典优化方法?¨。由于遗传算法对于求解离散、高次非线性、非凸问题显示的优越性,近年来,我国一些学者积极探索遗传算法在水资源系统中的应用。如1997年ChenYu.ming妇习叙述了几种遗传算法,提出了改进传统GA的方法,并以一个灌溉优化管理问题为实例进行应用。2000年,金菊良等使用单亲遗传
算法求解水资源最优化分配问题乜羽。方红远乜钔等运用多目标决策遗传算法,对苏北平原湖区的水资源多目标系统优化运行问题进行了求解。2002年,贺北方、1周丽等n81运用遗传模拟退火算法,对河南济源市水资源优化配置进行亍研究。1.2.3目前存在的主要问题及发展方向
1.2.3.1水资源优化配置研究存在的主要问题
纵观水资源优化配置研究进展,水资源优化配置的研究历史不过40多年,水资源优化配置己经发展到较大规模、多目标、全局优化算法的流域或区域水资源优化配置。水资源配置方式经历了由增长型到协调型的历史演变。虽然水资源优化配置研究取得了一些可喜的成就,但是它也不断面临到新的挑战。其存在的主要问题归纳如下:
①未能体现可持续发展原则;
②重水量轻水质配置;
③对水资源价值与价格研究不够;
④新的优化方法应用不多;
⑤现实应用很少、难以实施。
1.2.3.2水资源优化配置研究的发展方向
在水资源严重短缺的今天,必须注重水资源优化配置研究,特别是新理论和新方法的研究。协调好资源、社会、经济和生态坏境的动态关系,确保实现社会、经济、环境和资源的可持续发展,是水资源优化配置研究发展的总体目标和方向。具体而言,今后水资源优化配置领域的研究,应该注重对以下几方面的重点研究。
(1)理论的完善与创新
可持续发展理论体现了资源、经济、社会、生态环境的和谐发展,但目前多是理论研究和概念模型的设计,不便于实际操作。基于宏观经济投入产出分析的水资源优化配置,由于分析思路与目前国家统计部门统计口径相一致,相关资料便于获取,具有可操作实用性,但传统的投入产出分析中未能反映生态环境的
保护,不符合可持续发展的观念。因此,将宏观经济核算体系与可持续发展理论相结合。对现行的国民经济产业以环保产业和非环保产业分类进入宏观经济核算,将资源价值和环境保护融入区域宏观经济核算体系中,建立可持续发展的国民经济核算体系势在必行,这样一种新的优化配置理论体系目前实施虽然难度很大,但是只有这样才能彻底改变传统的不注重生态环境保护的国民经济核算体系,使环保作为一种产业进入区域国民经济核算体系,以实现真正意义上的水资源可持续利用。
(2)水质和水量问题
水质和水量是密切相关的,离开水质谈水量没有实际意义。有关分析资料表明,在我国未来发展中,水质导致的水资源危机大于水量危机,必须引起高度重视。例如,在水资源丰富的南方地区,在水资源开发利用中对水质保护重视不够,存在水质性缺水。特别是平原河网地区,灌、排、提、引、蓄都是通过河网水位流量调节来实现,河道上下游、左右岸补给和排水关系复杂,水质水量问题紧密结合,考虑水质水量的河网区域的水资源优化配置难度大,但具有十分重要的理论意义和现实意义。因此,在水资源优化配置过程中,应该充分重视水质问题,水质问题与环境和生态问题密切相关,实现了水质水量的优化配置,必将有利于水环境与生念的改善和保护,最终实现水资源开发利用的良性循环。
(3)水资源优化配置的全局性
水资源优化配置是一个全局性问题,对于缺水地区,必然应该统筹规划调度水资源,保障区域发展的水量需求及水资源的合理利用。对于水资源丰富的地区,必须努力提高水资源的利用效率。在我国,对于水资源严重短缺的地区,水资源的优化配置受到高度重视,我国水资源优化配置取得的成果也多集中在水资源短缺的北方地区和西北地区,对水资源充足的南方地区,研究成果则相对较少。在水量充沛的地区,往往存在因水资源的不合理利用而造成的水环境污染破坏和水资源的严重浪费,必须予以高度重视。
(4)水务一体化管理
一般而言,优化配置的结果对某一个体的效益或利益并不是最好的,但对整个资源分配体系来说,其总体效益是最好的,即存在局部最优和全局最优的问题。要实现水资源的优化配置,就必须实行水资源统一管理,以全局为重,树立整体观念。实践证明,组建水务局是实现区域水资源统一管理的有效途径,各地
区应建立水务一体化管理的水务局,从水资源分散的多头管理转变到集中的统一管理,为水资源优化配置提供体制上的保障。
(5)用市场优化配置水资源
市场是配置资源的有效手段。随着我国社会主义市场经济体制的建立和完善,要实现现代化配置和社会经济效益的最大化,就必须按照市场经济的基本要求,引入市场机制,发挥市场机制在水资源配置中的基础作用,建立和完善在国家宏观调控下的水市场,这也必将有利于水资源的优化配置和高效利用。因此,加深对水市场运行机制的研究也是水资源优化配置研究的重要内容之一。1.3本文的主要研究内容
可持续发展是当今社会发展的主体,是人类社会发展的新阶段、新模式。在目前水资源供需矛盾日益加剧、水污染日益严重、水资源短缺已成为制约社会经济发展的制约因素。我国对水资源配置问题的真正关注和研究,使从90年代出现水危机的情况下开始懂得,由于研究历史并不长,水资源优化配置的理论体系尚不完善,目前仍处于发展阶段。
本文在总结前人的研究成果的基础上,对水资源优化配置理论和模型建立进行了探索和研究。并以河南省安阳市为课题,进行需水量预测及优化配置的理论探讨和实际应用研究。在目前水资源供需矛盾日益加剧、水污染日益严重、水资源短缺等问题已成为制约社会经济发展的制约因素的情况下,该研究对于区域有限水资源的节约、高效利用、促进社会一经济一资源一环境协调可持续发展,具有重要理论和实际意义。本文研究内容归纳起来主要有以下几方面内容:
1、在综述了国内外研究现状的基础上,阐述水资源优化配置问题提出的背景和其研究意义,并指出目前存在的主要问题。‘
2、在分析可持续发展理论和量化准则的概念的基础上,探讨可持续发展的量化方法。
3、将需水结构分为生活需水、生态需水、农业需水和工业需水分别预测,出了预测方法。
4、以经济效益、社会效益和环境效益为目标,结合区域内多种水源的约束条件,建立相应的数学模型。对遗传算法在水资源优化配置中的求解思路进行了
研究,并对GA的编码、适应度、遗传算法算子设计和实现进行了详细的阐述。探讨了基于遗传算法的求解技术和方法一多目标分解协调遗传算法和大系统总体优化遗传算法两种优化方法及其在模型求解中的应用。
5、针对安阳市水资源系统的特点和实情情况,对水资源系统进行规划分区。采用定额法对安阳市降雨保证率p=50%下对2010、2015、2030三个规划水平年的需水量进行了预测。建立安阳市水资源优化配置模型,求解方法采用多目标分解协调遗传算法,利用Matlab的遗传算法工具箱函数进行计算机脚本程序的编写,对模型进行求解,得到该区水资源优化配置的结果,并进行了成果分析。
6、综合理论和应用研究成果,并指出今后需要进一步加强研究的内容。
第二章可持续发展概论及量化方法
2.1可持续发展的概论
2.1.1可持续发展理论的提出
随着科学技术的进步和社会生产力的飞速发展,人类创造了前所未有的物质财富,加速推进了人类文明发展的进程。但是由于人口的急剧增加、社会经济的迅速发展,使得以资源匮乏和污染为主要特征的水资源危机成为备受关注的全球性问题,亦是制约我国维护生态环境和社会经济可持续发展的主要因素。
1972年,在瑞典斯德哥尔摩召开的世界环境大会上,人们开始转变多年以来习以为常的“世界实际是无限的”概念,开始明白“只有一个地球”的含义,认识到经济发展要与环境、资源相协调。这次大会虽然由于发达国家与发展中国家的尖锐分歧未能就环境与发展问题达成共识,但是意义十分重大,孕育了“可持续发展”的萌芽。1980年,国际自然保护联盟(IUCN)在发表的《世界自然保护大纲》中首次提出“可持续发展”这一科学术语心:3。
1983年12月,由挪威首相Brundtland夫人主持成立一个独立的特别委员会(即“世界环境与发展委员会"),专门研究制订“全球的变革日程"。经过4年的努力,1987年,Brundtland夫人在世界环境与发展委员会上作了著名的题为OurCommonFuture《我们共同的未来》的报告。明确提出了“可持续发展”的概念,即可持续发展是指“人类在经济社会发展和资源开发中,以确保它能够满足目前的需要而不破坏未来发展需求的能力”啪1。这一概念在1989年联合国环境规划署(urge)第15届理事会通过的《关于可持续发展的声明》中得到接受和认同啪1,可持续发展已成为各国研究的中心议题和理论基点啪1。1992年联合国环境与发展大会通过的(21世纪议程》,标志着“可持续发展’’已经从理论走向了实际,并且成为全人类共同追求的目标。1994年,我国发表了《中国21世纪议程一中国21世纪人口、环境与发展白皮书》,指出“走可持续发展之路,是中国在未来和下一世纪发展的自身需要和必然选择"嘶1。
2.1.2可持续发展的内涵及主要目标
“可持续发展"以人为中心,以资源保护为条件,以社会经济发展为手段,以谋求当代人与后代人共同繁荣与持续发展为目的,是人类社会发展的理想模式。实质是要处理好人口、资源、环境与经济协调发展关系。其根本目的是满足人类日益增长的物质和文化生活的需求,不断提高人类的生活质量。其核心问题是,有效管理好自然资源,为经济的发展提供持续的支撑力。
可持续发展的内涵(弧311概括如下:
①促进社会进步是可持续发展的最终目标
②可持续发展是以资源、环境作为其支撑的基本条件.
③可持续发展鼓励经济增长,但可持续发展所鼓励的经济增长绝不是以消耗资源、污染环境为代价,而是力求减少消耗、避免浪费、减小对环境的压力。
④可持续发展强调资源与环境在当代人群之间以及代际之间公平合理地分配。
⑤可持续发展战略的实施以适宜的政策和法律体系为条件,必须有全世界各国及全社会公众的广泛参与。
以娜威首相Brundtland夫人为主席的世界环境与发展委员会在OurCommonFuture报告中提出了下列可持续发展政策的主要目标口们:
①恢复增长。
②改变增长的质量。
③满足就业、粮食、能源、水和卫生的基本需求。
④保证人口的持续水平。
⑤保护和加强资源基础。
⑥重新调整技术和控制危险。
⑦把环境和经济融合在决策中。
2.2可持续发展的量化方法
2.2.1可持续发展的量化准则
目前,尽管“可持续发展’’的概念已经得到广泛的研究和普遍共识,但对
于其定量化研究还不多。从可持续发展的概念,可引申出可持续发展的三大准则:
①可承载。可持续发展要求资源必须是可承载的,开发不允许破坏地球上基本的生命支撑系统,即空气、水、土壤和生态系统;“可承载’’通常是针对“资源"、“环境’’而言的,如,资源可承载、环境可承载等。而经济、资源、环境协调发展,就必须满足“可承载"准则。
②有效益。可持续发展要求社会进步、经济增长,这种进步和增长不是以当前的利益为着重点,而应立足长远利益,且以资源环境保护为条件;
③可持续。可持续发展不仅考虑到当代人,而且顾及到后代人。不仅要保障现代的发展,而且要保证未来的发展,使发展处在不断增加的趋势。它与传统的“短期经济增长"截然不同,发展是有持续性的。
2.2.2可持续发展的量化方法
根据国内外最新研究动态,主要有两种可持续发展量化方法;一种是基于“社会净福利函数’’的量化方法:一种是基于“发展综合指标侧度”∞D)的量化方法。前一种方法,是用经济学手段,量化可持续发展中的社会、经济和生态环境效益。第二种方法,是采用模糊隶属度定量描述方法和多准则集成技术,来量化可持续发展中的可承载能力、经济效益和可持续性以及它们的集成等问题。由于前者量化方法技术难度较大,资料一般不易得到。所以以下主要介绍的是第二种可持续发展量化方法,既基于“发展综合指标测度"∞D)的量化方法b¨。
发展综合指标测度以“可承载’’、“有效益"、“可持续”三大准则为基础的,用来对社会、经济、资源、环境四个子系统协调发展进行综合评价,是社会、经济、资源、环境四大类指标的函数,其表达式为:
DD=/(xl,X2,X3,X4).(2—1)
式中,DD为发展综合指标测度;墨为反应“社会”指标的变量,由人口、科技发展水平等组成;X,为反应“经济"指标的变量,由国民生产总值、工业总产值、农业总产值等组成;X,为反应“资源"指标的变量,由人均资源量、可利用资源量等组成:X。为反应“环境"指标的变量,由排污量、污染物浓度等组成。
发展综合指标测度的计算公式可具体表示为:
DD(T);LI(T)f12.EG(T)fl'(2-2)
式中,工,仃)为可承载程度,对“可承载"的量化;EG(T)为经济增长度,对r 有效益,,的量化;T为规划水平时段;芦t,卢z为指数权重,根据重要程度分别赋值,一般可取∥-=∥:=O.5。DD(T)作为衡量T时段“发展,,的一个“尺度’’。对于同一个系统,同一时段,DD(T)越大,认为发展程度越高,效益越大。当肋仃+1)≥DD(T)时,表示区域是可持续发展的。
可承载程度Ⅳ仃):假如反映“可承载"的因子e。有n个。为了使数据无量纲化,对于单因子ej,ei越大,可承载程度也越大时,定:3LxIei/巳。,反之,定义x=e加/e;,则单因子可承载程度表示为∥Q;)1z(x;),隶属函数/z可根据具体情况进行确定。整个系统的可承载隶属程度为:
LI(T)2兀∥唧@)
式中,口j为第i个可承载因子的权重;其它符号意义同上。(2—3)
经济增长度EG(T):设初始年经济指标值为岛,规划水平年经济指标为E(T),令X=E(T)/E。,经济增长指标可用下面的隶属函数来表示:
E6ff);∥,型石十口(2—4)
式中,a为待定系数;lf‘为隶属度,pE.[0,1]。
第三章区域水资源需水量预测及分析
区域需水量是指某个区域内未来某一发展水平下某时段所需求的水量。主要由生活、工业、农业和生态用水组成,大小取决于区域社会经济近期和远期的发展计划和发展目标。因此,需水量预测应在一定时期社会经济发展计划已确定的条件下进行,以准确预测出未来规划水平年用水需求为最终目标。在对需水量进行预测前,应首先根据社会发展计划下的宏观目标对社会经济指标进行预测,为需水量预测提供条件。需水量预测是水资源优化配置重要的基础工作之一。3.1社会经济指标预测
本次研究区的人口增长是在河南省计划生育委员会所作的人口预测基础上,综合考虑人口的自然增长率、人口的年龄组成、国家计划生育政策等因素,进行人口预测。人口增长预测的公式为:
£;Po(1+g_)一(3—1)
式中,£为t规划水平年的人口数量;蜀为现状年的人口数量;q,为人口综合增长率(人口自然增长率和机械增长率之和);以为现状年至预测年的年数。
这种预测方法属于统计趋势预测法,精度取决于基准年人口总数和逐年人口综合增长率的确定。当规划水平年的人口总数确定后,各分区的人口数可按该区现状年人口占全区人口总数的比例进行分配,计算公式为:
£‘。只"Yt’(3--2)
式中,芹为第k子区.f规划水平年的人口数量;“为第k子区现状年人口占全区人口的比例。
规划水平年内的国内生产总值、工业总产值预测也可用类似于(3-2)统计趋势法预测。
3.2需水量预测
由于用水系统的复杂性,目前条件下很难建立起一个确定的模型对其特性进行描述,因此,绝大多数的需水量预测都是在一定时期社会经济发展计划已确定的条件,根据用水量的历史资料,考虑未来社会发展规划和环境的变化,采用适当的预测理论和方法,对未来社会需水量作出定性或定量的估计的口羽。
目前,国内外对区域需水量的预测方法有很多,譬如趋势法、指数平滑法、灰色预测法、线性回归法、定额分析法、神经网络预测法等。本研究主要采用用水定额法口引。是通过先预测社会经济发展指标(如人口、工业总产值等),在分门别类预测用水户的用水定额后,再计算出需水量。这种方法比较直观,简单易行,便于考虑各种影响因素的变化以及政策性调整的影响,在实际工作经常采用这种方法进行预测。本次研究在对安阳市的需水预测中即是采用这种方法。
图3-1需水量预测内容构成图
Fig.3-1Predictedcontentcompositionofwaterdemand
3.2.1生活需水量预测
城市生活用水分为城镇生活用水和农村生活用水两部分,城镇生活用水包括居民日常生活用水和公共用水两部分,这两部分合起来又称为城镇大生活用
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