水资源优化配置研究进展

2015年秋季学期《能源动力工程进展》结课论文论文题目：水资源优化配置研究进展姓名：肖大太学号：142081504001专业：水利水电工程学院：能源与动力工程学院日期：2016年1月8日水资源优化配置研究进展摘要:结合我国水资源问题阐述了水资源优化配置的作用，对国内外水资源优化配置的研究进展做了评述，从可持续发展的角度，对水资源优化配置研究成果的特点进行归纳。在此基础上，指出水质水量联合优化配置和水资源优化配置效果评价的理论、模型和方法，以及3S技术和新优化算法在水资源优化配置中的应用，是水资源优化研究的重要领域。关键词：水资源；优化配置；水质；水量1我国的水资源问题与水资源优化配置1.1水资源问题水资源是人类生存和经济社会发展的物质基础，是不可替代的重要自然资源。人口剧增，灌溉农业扩大，工业化和城市化发展，城乡居民生活水平提高，人类社会对水的需求急剧增长。同时由于城乡污水大量排放，地表水和地下水源不断受到污染，可供人类利用的水源日益短缺。部分地区河道断流，湖泊干涸，地下含水层接近疏干，地面下沉，生态环境不断恶化。我国水资源面临着洪涝灾害，水资源短缺和水污染加剧3大问题。因此，水资源的问题已引起全世界的普遍关注。洪涝灾害、干旱缺水、水污染和生态环境恶化，成为我国经济社会持续发展的重要制约因素[1]。1.2水资源优化配置概念和作用水资源优化配置是指在流域或特定的区域范围内，遵循公平、高效和可持续利用的原则，以水资源的可持续利用和经济社会可持续发展为目标，通过各种工程与非工程措施，考虑市场经济规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种可利用水资源在区域间和各用水部门间进行的合理调配，实现有限水资源的经济、社会和生态环境综合效益最大，以及水质和水量的统一和协调。从宏观上讲，水资源优化配置是在水资源开发利用过程中，对洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化、水土流失等问题的解决实行统筹规划、综合治理、实现除害兴利结合，防洪抗旱并举，开源节流并重，协调上下游、左右岸、干支流、城市与乡村、流域与区域、开发与保护、建设与管理、近期与远期等各方面的关系。从微观上讲，水资源优化配置包括取水方面的优化配置，用水方面的优化配置，以及取水用水综合系统的水资源优化配置。取水方面是指地表水、地下水、污水等多水源间的优化配置。用水方面是指生态用水、生活用水和生产用水间的优化配置。各种水源、水源点和各地各类用水户形成了庞大复杂的取用水系统，加上时间、空间的变化，水资源优化配置作用就更加明显。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国外水资源优化配置研究进展2.1以水量配置为主的水资源优化配置研究国外对水资源优化配置的研究始于60年代初期，1960年科罗拉多的几所大学对计划需水量的估算及满足未来需水量的途径进行了研讨，体现了水资源优化配置的思想。70年代以来，伴随数学规划和模拟技术的发展及其在水资源领域的应用水资源优化配置的研究成果不断增多。GYeh(1985)对系统分析方法在水库调度和管理中的研究和应用曾作了全面综述，他把系统分析在水资源领域的应用分为线性规划、动态规划、非线性规划和模拟技术等。Pearson等(1982)利用多个水库的控制曲线，以产值最大为目标，输水能力和预测的需求值作为约束条件，用二次规划方法对英国Nawwa区域的用水量优化分配问题进行了研究。同年，英国学者PWHerbertson等，针对潮汐电站的特点，考虑多部门利益的相互矛盾，利用模拟模型对潮汐海湾的新鲜水量分配进行了模拟计算，展现了模拟技术的优越性；荷兰学者ERomijn.MTaminga考虑了水的多功能性和多种利益的关系强调决策者和决策分析者间的合作，建立了GelderlandtDoenthe的水资源量分配问题的多层次模型，体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点。Willis(1987)应用线性规划方法求解了1个地表水库与4个地下水含水单元构成的地表水、地下水运行管理问题，地下水运动用基本方程的有限差分式表达，目标为供水费用最小或当供水不足情况下缺水损失最小，同时，用SUMT法求解了1个水库与地下水含水层的联合管理问题。美国学者NormanJDudley(1997)将作物生长模型和具有二维状态变量的随机动态规划相结合对灌区的季节性灌溉用水量分配进行了研究。2.2考虑水质因素的水资源优化配置研究90年代以来，由于水污染和水危机的加剧，传统的以供水量和经济效益最大为水资源优化配置目标的模式已不能满足需要，国外开始在水资源优化配置中注重水质约束、水资源环境效益以及水资源可持续利用研究。进入80年代后期随着水资源研究中新技术的不断出现和水资源量与质统一管理理论研究的不断深入，水资源量与质统一管理方法的研究也有了较大发展。尤其是决策支持技术、模拟优化的模型技术和资源价值的定量方法等的应用使得水资源量与质管理方法的研究产生了更大的活力[2,3]。AfzalJavaid等(1992)针对Pakistan的某个地区的灌溉系统建立了线性规划模型，对不同水质的水量使用问题进行优化。在劣质地下水和有限运河水可供使用的条件下，模型能得到一定时期内最优的作物耕种面积和地下水开采量等成果，在一定程度上体现了水质、水量联合优化配置的思想[4]。WatkinsDavidWJr(1995)介绍了一种伴随风险和不确定性的可持续水资源规划模型框架，建立了有代表性的水资源联合调度模型[5]。此模型是一个二阶段扩展模型，第一阶段可得到投资决策变量，第二阶段可得到运行决策变量，运用大系统的分解聚合算法求解最终的非线性混合整数规划模型；RAFleming和RMAdams(1995)建立的地下水水质水量管理模型，建模以经济效益最大为目标，考虑了水质运移的滞后作用，并采用水力梯度作为约束来控制污染扩散；UPmanulall等(1995)建立的地表水地下水联合运用系统的多目标管理模型，模型中将地表水地下水的处理费用纳入管理目标；WongHughS等(1997)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和方法，在需水预测中考虑了当地地表水、地下水、外调水等多种水源的联合运用，并考虑了地下水恶化的防治措施，体现了水资源利用和水资源保护之间关系[6]。CarlosPercia和GideonOron(1997)以经济效益最大为目标，建立了以色列南部Eilat地区的污水、地表水、地下水等多种水源的管理模型，模型中考虑了不同用水部门对水质的不同要求。3国内水资源优化配置研究进展3.1水利工程控制单元的水资源优化配置水利工程是水资源配置的基本单元，由于其结构相对简单，影响和制约因素相对较少，如何实现水利工程控制的有限水资源量的最大效益，成为广大学者较早涉足的研究领域。曾赛星、李寿声(1986)在对内蒙古河套灌区地表水地下水联合优化调度中，采用动态规划方法确定各种作物的灌水定额及灌水次数；1989针对江苏徐州地区欢口灌区的实际情况，建立了一个既考虑灌溉排水、降低地下水位的要求，又考虑多种水资源联合调度、联合管理的非线性规划模型，以确定农作物最优种植模式及各种水源的供水量比例。唐德善(1992)以黄河中游某灌区为例，运用递阶动态规划法，确定水资源量在工业和农业之间的分配比例。此外，贺北方等(1995)、黄振平等(1995)、向丽等(1999)和马斌等(2001)对多库多目标最优控制运用的模型与方法、灌区渠系优化配水、大型灌区水资源优化分配模型、多水源引水灌区水资源调配模型及应用进行了研究[7]。这些成果使水利工程单元的水量优化配置模型和方法不断丰富和完善，促进了以有限水资源量实现最大效益的思想在水利工程管理中的应用。3.2区域水资源优化配置区域是社会经济活动中相对独立的基本管理单位，其经济社会发展具有明显的区域特征。随着经济社会的快速发展，以及多目标和大系统优化理论的日渐成熟，自80年代中期以来，区域水资源优化配置研究成为水资源学科研究的热点之一。贺北方(1988、1989)提出区域水资源优化分配问题，建立了大系统序列优化模型，采用大系统分解协调技术求解。在河南豫西地区建立了区域可供水资源年优化分配的大系统逐级优化模型。该成果的特点是考虑了产业结构调整对水资源量配置的影响。吴泽宁等(1989)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，并用层次分析法间接考虑水资源配置的生态环境效果。翁文斌等(1995)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[8]，并在这一理论指导下提出了多层次、多目标、群决策方法，实现了水资源配置与区域经济系统的有机结合，也是水资源优化配置研究思路上的一个突破。吴险峰等(1997)探讨了北方缺水城市，枣庄在水库、地下水、回用水、外调水等复杂水源下的优化供水模型，从社会、经济、生态综合效益考虑，建立了水资源量优化配置模型。2002年中国水利水电科学研究院等单位联合完成的“九五”国家重点科技攻关项目“西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究”，建立了干旱区生态环境需水量计算方法，提出了与区域发展模式及生态环境保护准则相适用的生态环境需水量，在此基础上，提出了针对西北生态脆弱地区的水资源配置方案[9]。采用了在水资源配置方案设置的基础上，生成水资源配置结果的研究思路，使水资源配置结果更符合区域的实际。3.3流域水资源优化配置流域是具有层次结构和整体功能的复合系统，由社会经济系统、生态环境系统、水资源系统构成，流域系统是最能体现水资源综合特性和功能的独立单元。国内在流域水资源优化配置方面也取得了可喜的成果，成果与区域水资源优化配置研究具有近似的特征。唐德善(1994)应用多目标规划的思想，建立了黄河流域水资源多目标分析模型，提出了大系统多目标规划的求解方法。1996年由黄委会勘测规划设计研究院主持的“黄河流域水资源合理分配和优化调度研究”成果中，开发了由数据库、模拟模型、优化模型等组成的决策支持系统，并初步研究了黄河干流多库水量联合调度模型。王成丽等(1997)针对近年来黄河下游连年缺水、断流等现象，研究了黄河下游水资源量的优化配置问题。陈晓宏等(2002)以大系统分解协调理论作为技术支持，运用逐步宽容约束法及递阶分析法，建立东江流域水资源优化调配的实用模型和方法，并对该流域特枯年水资源量进行优化配置和供需平衡分析。3.4跨流域水资源优化配置跨流域水资源优化配置是以二个以上的流域为研究对象，其系统结构和影响因素间的相互制约关系较区域和流域更为复杂，仅用数学规划技术难以描述系统的特征。因此，仿真性能强的模拟技术和多种技术结合成为跨流域水资源量优化配置研究的主要技术手段。邵东国(1994)针对南水北调东线这一多目标、多用途、多用户、多供水优先次序、串并混联的大型跨流域调水工程的水量优化调配以系统弃水量最小为目标，建立了自优化模拟决策模型，采用动态规划法进行求解。吴泽宁等(1997)以跨流域水资源系统的供水量最大为目标，将模拟技术和数学规划方法相结合，建立了具有自优化功能的流域水资源系统模拟规划模型[10]，并以大通河和湟水流域为例对模型进行验证，提出了跨流域调水工程的规模。解建仓等针对跨流域水库群补偿调节问题，建立了多目标模型，并分析了求解方法和实用上的简化，通过大系统递阶协调方法和决策者交互方式的补充，来实现综合的决策支持（DSS)算法。4结论4.1水资源优化配置研究存在的问题由于水资源系统涉及经济、社会、技术和生态环境的各方面，是复杂的巨系统，特别是可持续发展战略实施，对水资源配置的要求越来越高，水资源优化配置也不断面临新的挑战。用可持续发展思想审视已有研究成果，尚有不完善之处，概括起来