浐灞河流域面向生态的水资源优化配置研究.pdf

目录目 录摘 要.IABSTRACT.II1前言.11.1研究背景、目的以及意义.11.1.1研究背景.1LL2研究目的及意义.11.2水资源优化配置研究概况及发展趋势.2L2.1国外研究进展.21.2.2 国内研究概况.41.2.3 模型构建方法.71.2.4水资源优化配置的发展趋势.813研究的内容与技术路线.101.3.1研究的主要内容及方法.101.3.2研究的技术路线.102研究区概况.112.21海河流域概况.112.1,1地理位置.112.1.2地形地貌.122.1.3 土壤植被.122.1.4社会经济.122.L5河流水系.152.1.6河流水质.172.1.7河流泥沙.172.L8水利工程.172.1.9水功能区.172.2满河流域水资源状况.172.2.1降水资源.172.2.2地表水资源.182.2.3地下水资源.182.2.4水资源总量.18西安理工大学硕士学位论文225水资源可利用量.192.3济浦河流域供用水现状及分析.192.3.1各类工程供水现状.192.3.2用水及耗水现状.202.3.3现状年水资源供需分析.21234水资源开发利用程度及潜力分析.242.35水资源开发利用存在的主要问题.242.4本章小结.243沪濡河流域需水量预测及供需平衡分析.253.1需水量预狈！I.253.L 1经济社会发展指标分析.253.1.2不同水平年需水预测.263.2可供水量预测.323.2.1 预测原则与方法.323.2.2 预测结果.323.3 一次供需平衡分析.343.3.1 2005年一次供需平衡分析.353.3.2 2020年一次供需平衡分析.353.3.3 2030年一次供需平衡分析.353.4二次供需平衡分析.363.4.1 2020年二次供需平衡分析.363.4.2 2030年二次供需平衡分析.363.5本章小结.364流域纳污能力分析与入河污染物总量控制方案.374.1 水质现状.374.1.1 河流水质现状.374.1.2 地下水水质状况.374.2流域纳污能力分析.374.2.1 计算范围.374.2.2 计算模型.384.2.3参数确定.384.2.4 综合降解系数（K）.384.2.5 纳污能力计算.394.3污染物排放量与入河量预测.39目录4.3.1入河排污量调查.394.3.2排污量预测.394.3.3污染物入河量预测.414.4流域入河污染物总量控制方案.414.4.1入河污染物目标控制量计算.414.4.2入河污染物现状排放量计算.424.4.3入河污染物控制总量确定.434.4.4削减量分配.434.5本章小结.445沪浦河流域水资源优化配置模型的建立及求解.455.1水资源优化配置的涵义.455.2水资源优化配置的目标和基本原则.455.3济浦河流域水资源优化配置模型.465.3.1 流域水源及用户分类.465.3.2流域水资源优化配置模型的建立.465.3.3模型求解及结果分析.505.4小结.526结论与建议.556.1结论.556.2建议.55附表.57致谢.96参考文献.97附录.1011前言1前言1.1 研究背景、目的以及意义1.1.1 研究背景沪灌河流域位于西安市东部，流域范围涉及西安市的蓝田县、长安区、雁塔区、满桥 区和未央区，以及商洛市的商州区。该流域是西安农业、林业重要区域，是陕西省纺织工 业、国防制造工业、汽车工业的重要生产地，但是用水矛盾尤其是经济建设与生态环境用 水矛盾突出。流域上游的城市与工业规模有限，对水质污染不大，但水土侵蚀问题突出，河水含沙量很高。下游受城镇排污影响，水质恶化现象严重，水变黑、变臭。由于引水混 乱，河道常常出现断流现象；同时以前河道内挖沙严重，对河道的形态及植被破坏很大。由于上、中游农灌和生活污水等非点源污染的排泄，特别是济溺河城市段生产废水及生活 污水的大量排入，使沪浦河下游地表水环境受到污染。主要污染物COD、氨氮等均不能 满足水功能区划相应的水质目标。随着流域内上、下游地区经济的高速发展，水环境污染 有加剧的趋向。清海河流域多年平均水资源总量为7.19亿可利用总量为3.72亿m3,占流域水 资源总量的5L7%。该流域2005年各类供水工程总供水量17828.7万n?,现状年生活和 国民经济耗水量17248.3万nA己挤占了生态环境用水。随着沪浦河流域内人口的增长、经济的发展和人民生活水平的提高，中下游之间用水矛盾日趋尖锐。清满河水资源问题的 实质，是如何解决人与自然的关系，使有限的水资源最大限度地满足流域经济、社会生活 和生态环境协调发展的需要。因此，加强浮浦河流域以水资源合理配置为核心的统一管理,通过行政手段、经济手段、工程手段、科技手段、法律手段等有效协调区域之间用水问题,合理安排生产、生活和生态用水，促进水资源优化配置、高效利用，对于提高水资源承载 能力，实现沪流河流域水资源可持续利用，保护和改善流域及周边地区生态环境，推动西 安市经济社会的可持续发展具有重要的现实意义。1.1.2 研究目的及意义由于自然资源的过度开发与消耗，污染物质的大量排放，导致全球性资源短缺、环境 污染和生态破坏，各种自然灾害频繁，削弱了自然生态环境的承载能力。伴随着经济社会 的发展，人口数量的增加，工农业生产的发展，特别是工业化、城市化进程的加快，人类 对水资源的需求越来越大，水资源供需失衡，水环境和生态环境遭到严重破坏，水资源短 缺日益显现，同时加剧了流域工农业生产用水和生态用水之间的矛盾。一直以来，水资源配置的出发点是满足工农业生产和人类生活用水，但生态环境的需 水问题一直没有列入水量调配方案。由于对生态环境需水的忽视，引起了生态系统的退化 及环境的恶化，因此在考虑水资源配置时，应该考虑在生态、工业、农业、生活四个方面 进行，即由传统的工业、农业和生活三个方面的配置转化为现代的生态、生产、生活三个 西安理工大学硕士学位论文方面的配置。目前，许多国家的水资源管理部门已经开始运用水量调配手段抢救性地开展 区域生态恢复和环境治理，并取得了明显成效。将生态环境用水纳入流域水资源优化配置 中，建立湿地生态环境用水的保障制度，是构成国家或区域可持续发展战略的必然选择本文结合西安市济浦河流域经济、社会、生态环境等现状，分析水资源供需矛盾，计 算生态环境需水量，就面向生态的流域水资源合理配置进行探讨，以“用最小的水资源投 入来获得最大的生态服务”理念为指导，开展水资源优化配置研究，重点考虑流域生态需 水，结合供需平衡分析，提出有效、合理的水资源配置模式，具有重要的理论意义。1.2 水资源优化配置研究概况及发展趋势1.2.1 国外研究进展(1)以水量配置为主的水资源优化配置水资源优化配置的研究是从水量优化配置开始的。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。YY.Haimes(1974)提出了水资源系统协 调管理模型。20世纪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1982年E.Romiji.M.Tamiga1”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，建立了水资源量分配的 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；同年，Pearson等由利 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。1983年伯拉斯所著 的水资源科学分配皿，是较早地系统研究水资源分配理论和方法的专著。该书较为全 面地论述了水资源开发利用的合理方法,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。G Yehs于1985年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。1987年Willis旧应用线性规划方法以供水费用最小或当供水不足情况 下缺水损失量最小为目标求解了地表水、地下水运行管理问题，同时用SUMT法求解了 水库与地下水含水层的联合管理问题。1992年6月联合国环境与发展大会之后，联合国 及其所属组织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，并取得极大的进展。主要作品有：亚太21世纪议程及挑战、亚太水资源利用 与管理手册、水与可持续发展准则：原理与政策方案。(2)考虑水质因素的水资源优化配置进入20世纪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20世 纪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目标的 21前言水资源优化配置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持续利用研究。AfkaJ”于1992年针对Pakistna的某个地区灌溉 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了优化，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作物耕种面积和相应地下水开采量 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。1995年，Watkins,David W Jr”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。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；同年，R A Fleming和R M Adams建立的地下水水质水量管理模型，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，目标仍然是经济效益 最大，决策变量是地下水开采量：Upmanu等建立了地表水地下水联合调度的多目标 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。澳大利亚Murray流域水管 理局”】实施了 Murray River规定河道的配水规划，在对生态系统的需水时间和需水量、现有用户的需水要求及未来的需水要求计算评价的基础上，评价水资源满足需求的能力，以最小的环境负效益、最大的社会经济效益为优化配水的目标。Wong,HughS等”于 1997年提出支持地表水、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；Shuval,Hillels【血指出，污水 回用依赖于污水处理中心系统所服务的人口数，同时也依赖于涉及鼓励污水循环和重复利 用的官方政策，指出污水回用对于保持干旱国家和地区的水资源可持续利用具有重要的意 义；Carlos Percia和Gideon 0小11口”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。国际水资源协会（IWRA）主席B.Braga”8】认为流域水资源优化配置是将有限 的水资源在多种相互竞争的用户中进行复杂分配,各项目标的基本冲突表现在经济效益与 生态环境效益上的冲突；1999年，Kumar,Arun等【皿建立了污水排放模糊优化模型，提 出流域水质管理经济上和技术上可行的方案。因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，于是又进一步提出了一个所有污水排放非歧视性可替代方案，并由 污水控制部门来组织实施。Cai提出了求解非线性水资源管理模型的遗传算法和线性规 划结合的方法；Tewei侬】建立了流域整体的水量水质网络模型；Quba3开发了确定多用 户优化配水模型的线性规划模型，以净收益最大为目标，以水土资源条件和季节的单位需 水为约束。Jerson侬】等针对经济用水超过了水资源承载能力的干旱地区，讨论了水分配 机制，提出了基于不同用水户的机会成本的分配模型；Tisdell.】研究了澳大利亚Border 河Queensland地区水市场的环境影响，研究结论是水权交易有可能使生产需水和天然流 量情势之间差异增加，因为生产用水集中于有高利润的作物种植；水市场有可能限制恢复 自然流量情势的水政策的有效性，因此要在生产需水和环境需水间平衡。3西安理工大学硕士学位论文1.2.2 国内研究概况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。自80年代中期以来，国内对水资源优化配置的 研究已成为水资源学科研究的热点之一。研究成果多以系统分析和最优化技术的原理方法 为主要研究手段，得到一定水量在各部门之间的合理配置，主要有以下四个类型：（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。我国20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，这一时期的水资 源配置研究对象主要集中于单一的防洪、灌溉、发电等水利工程，研究的目标是实现工程 经济效益的最大化。1982年张勇传等将变向探索法引入动态规划中，并研究了在水库 优化调度中的应用；同年，施熙灿等研究了考虑保证率约束的马氏决策规划在水电站 水库优化调度中的应用问题，建立了马氏决策规划模型；1983年董子敖等研究了改变 约束法在水电站水库优化调度中的应用。1986年曾赛星、李寿声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年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，又考虑多种水资寂联合调度、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陈守煌和周惠成于1991年提出了多阶段多 目标系统的模糊优化决策理论，建立了多阶段多目标系统的模糊优化决策模型，并研究了 水资源系统多目标模糊优化问题。唐德善n”于1992年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。1995年由中国水利水电科学 研究院主编的水资源大系统优化规划与优化调度经验汇编系统地介绍了我国20世纪 8090年代初在水资源大系统优化规划和优化调度方面的新理论、新技术和新方法。此 外，贺北方等】（1995）、黄振平等E】（1995）、向丽等（1999）和马斌等“3I（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。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。（2）区域水资源优化配置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，研究成果多以多目标 和大系统优化技术为主要研究手段，建立区域有限水资源量在各分区和用水部门间的优化 配置模型，求解模型得到水量优化配置方案。这一时期的代表性成果是结合区域经济发展 水平并同时考虑供需动态平衡的基于宏观经济的水资源优化配置理论。贺北方1361（1988、41前言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。翁文斌教授等s在“八五”%攻关项目“华北地区水资源合理配置”研究中采用投入产出分析方法将水资源纳入了宏观 经济系统集成研究，并采用多目标分析技术对水资源进行合理配置，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。1997年，卢华友以义乌市水资源系统为对 象，建立大系统分解协调模型，提出了递阶模拟择优的方法；同年，吴险峰等如探讨了 枣庄市在水库、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，建立了水资源优化配置模型。2002年，国家科技攻关项目“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，提出了针对西北生 态脆弱地区的水资源配置方案；同年，贺北方等皿研究了基于遗传算法的区域水资源优 化配置，探讨了多目标遗传模拟退火混合算法在区域水资源优化配置中的应用，并提出了 基于遗传算法的区域水资源优化配置模型的两种求解方法，一种是多目标分解协调遗传算 法，建立递阶多目标优化模型，反复协调，实现最终目标；另一种是大系统总体优化遗传 算法，将整个区域作为一个系统，直接采用优化方法进行整体优化，模拟计算了不同保证 率下区域水资源优化配置的状况。2005年，徐扬民建立了鄱阳湖区水资源优化配置模 型，对鄱阳湖区水资源进行了优化配置研究，合理分配了鄱阳湖区的生活用水、工业用水、农业用水和生态用水，为缓解局部水资源供需矛盾和促进经济的发展提供科学的依据。2008年，杨辉辉等指出区域水资源优化配置是以水资源评价为基础，通过需水分析、供需平衡来分析确定水资源最优开发方案和基本数据,然后在此基础上建立区域水资源优 化配置模型，运用大系统、遗传算法等理论进行求解。2009年，孙超等阿在对甘肃省鄂 尔多斯盆地水资源开发利用进行评价的基础上,对未来各水平年水资源的供需分析和优化 配置进行了研究，提出了实现水资源供需平衡的对策及措施，以保障区域内经济社会的可 持续发展。(3)流域水资源优化配置流域水资源合理配置是在流域水资源可持续利用思想指导下，遵循自然规律与经济规 律，通过工程和非工程措施，借助于先进决策理论和计算机技术，干预水资源的天然时空 分配，统一调配流域地表水、地下水、废污水、外流域调水、微咸水和海水等水源，以合 理的费用保质保量的适时满足不同用户用水需求，充分发挥流域水资源的社会功能和生态 环境功能，促进流域及区域经济的持续稳定发展和生态系统的健康稳定”皿。国内在流域 水资源优化配置方面已经取得了可喜的成果，与区域水资源优化配置研究具有近似的特 征。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。该项目研究考虑了水量的区域 5西安理工大学硕士学位论文分配、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，成为我国水资源系统中水量合理分配的雏形，对今后我国水资源优化配置奠定了基础。1994年，唐德善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，由黄委会勘测设计院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”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，初步研究了黄河干流多库水量联合调度模型。国家“八五”科技 攻关8592U3项目专题华北地区宏观经济水资源规划管理的研究提出了基 于宏观经济的水资源优化配置理论，水资源优化配置定义为“在一个特定的流域或区域 内，以可持续发展为原则，对所有可利用的水资源，通过工程措施和非工程措施调节其天 然时空分布，在不同用水部门之间进行科学分配，尽可能提高区域整体用水效率，获得最 大的经济、社会和环境效益”。“八五”攻关对黄河流域水资源合理分配与优化调度进行 了研究。1997年，王成丽【的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。2002年，陈晓宏等w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，并对该流 域特枯年水资源量进行了优化配置和供需平衡分析；同年，王浩、秦大庸和王建华】系 统地阐述了水资源总体规划体系应建立以流域系统为对象、以流域水循环为科学基础、以 合理的配置为中心的系统观，以多层次、多目标、群决策方法作为流域水资源规划的方法 论。2006年，王霞】建立太子河流域包含经济效益、环境效益、社会效益、水库供水效 益的多目标水资源优化配置数学模型，以大系统递阶动态规划算法进行求解。2009年，邓坤等0】运用多目标规划理论建立了一个考虑当地水、黄河水、长江水等多水源联合供 水条件下的南四湖流域水资源优化配置模型。模型以经济和社会的综合效益最大为目标，分析确定了模型各参数，并调用Matlab优化工具箱中的函数进行编程求解。(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。1994年，邵东国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进行水量最优调配，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。1997年，吴泽宁等以跨流域水资源系 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，并以大通河和徨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；同年，卢华友,等以跨流域水资源系统中各子系统的供水量和蓄水量 最大、污水量和弃水量最小为目标，建立了基于多维动态规划和模拟技术相结合的大系统 分解协调实时调度模型，采用动态规划法进行求解，并以南水北调中线工程为背景进行了61前言实例验算。该成果考虑了污水量最小目标，是水资源优化配置研究的一大进步 1998年,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。.二工二七：,(5)面向生态的水资源优化配置：:二.二面向生态的水资源优化配置的研究虽不多，但一些学者已经从整个区域或流域生态系 统的角度，对水资源的合理配置和调控模式进行了探索性研究。国家“九五”攻关项目“西北地区水资源合理配置和承载力研究”首次提出了面向生态经济建设的西北水资源 合理配置模式3】，西北水资源配置的基本原则，是坚持水土平衡、水量平衡、水沙平衡 和水盐平衡。在此基础上适当加大开源，使西北地区在更高的社会经济发展水平上达到新 的生态环境平衡。方创琳口以柴达木盆地为例，在对多目标(经济目标、生态目标、资源约束等目标)辩识的基础上，设计了水资源优化配置总体思路，采用投入产出模型、AHP等定性为主的决策方法和以系统动力学模型、生产函数模型等定量为主的决策方法生 成水资源优化配置基准方案，进而采用多目标方案优选的密切值模型求出了柴达木盆地水 资源优化配置的最佳方案。在香山科学会议第158次学术讨论会上就“面向生态的水资源 合理配置与调控”主题则在自然与人类活动影响下的水资源演变规律，水与生态的相互 作用，水资源合理配置与调控的准则与方法，水资源利用的新理论、新方法、新技术等多 个方面进行了深入的探讨，提出水资源配置需要以“发展、协调、现实”为准则，以“最 小的水资源投入来获得最大的生态服务”理念来指导。孙自永等】提出中国西北地区内 陆河流域面向生态环境的水资源开发模式要以水资源与生态环境的耦合研究为基础，将水 资源开发作为水资源系统的输入，其输出作为生态环境系统的输入，分析其响应，即生态 环境的变化对水资源开发方案的生态环境效应进行预测评价。左其亭等“2】提出了面向可 持续发展的水资源管理量化模型，包括水量一水质一生态耦合系统模型、社会经济系统模 型以及社会经济系统与水量一水质一生态系统的耦合系统模型，并对博斯藤湖进行了可持 续水资源管理应用研究。粟晓玲侬】提出了生态效益分摊系数的理论与简化计算公式以及 生态效益计算方法，建立了面向生态的水资源合理配置模型，模型以生态与经济综合效益 最大为目标函数，将该模型应用于石羊河流域的水资源模拟优化，获得了优化的生态用水 和经济用水比例。张翠萍【6”尝试着将生态水利、景观水利和多目标水资源优化配置问题 相结合，从面向生态的角度对水资源优化配置的理论及应用进行探索和研究，并结合武汉 市水资源现状与发展趋势，构建了优化配置模型，运用逐步宽容约束法结合遗传算法求解 多目标优化模型。L2.3模型构建方法随着可持续发展战略的开展以及水资源的严重短缺，水资源优化配置的研究得到了很 7西安理工大学硕士学位论文大的发展，到目前为止水资源优化配置的模型构建的主要方法有以下几种：(1)线性规划模型。其数学模型可表示为：目标函数：max(min)f(Xi,x2,.xn)(1.1)约束条件：gi(xp X2，.xn)i=l,2,mXj0,j=l,2,.n(2)非线性规划模型。当最优化问题的目标函数或约束方程中有一个或多个非线性函数 时，这种问题的最优化称为非线性规划。非线性规划问题没有通用解法，只能针对不同的 问题采用不同的解法。(3系统动力学方法。系统动力学方法是把研究对象看作具有复杂结构的、随时间变化 的动态系统。水资源系统涉及的变量很多，各变量之间关系复杂，模拟过程是动态过程，而系统动力学恰好具备了处理非线性、多变量、信息反馈、时变动态性的能力，基于系统 动力学建立的水资源优化配置模型，可以明确的体现水资源系统变量间的相互关系。该方 法的优点在于能定量的分析各类复杂系统的结构和功能的内在关系，能定量分析系统的各 种特性，擅长处理高阶、非线性问题，比较适应宏观的动态趋势研究。其缺点是系统动力 学模型建立的参变量不好掌握，而且易受建模者对系统行为动态水平认识的影响，容易导 致不合理的结论。(4)大系统分解协调理论。该方法是解决工程大系统全局优化问题的基本方法。根据协 调方式的不同，又可分为目标协调法和模型协调法。目标协调法是在协调过程中通过修正 子问题的目标函数来获得最优解，模型协调法则是通过修正子问题的优化模型(约束条件)来获得最优解。(5)多目标与决策技术。多目标优化包括两方面内容，一是目标间的协调处理；二是多 目标优化算法的设计。该方法的优点在于它可以同时考虑多个目标，避免为实现某一目标 而忽略其他目标。但是，由于多目标决策涉及决策者的偏好问题,不同的利益团体追求不 同的目标效果，难以得到一个单一的绝对的最优解。P个目标函数、m个约束条件的多目 标规划模型可表述为：opt F(X)=Fi(X),F2(X),-Fp(X)t(1.2)s.t.gi(X)Wbj,i=l,2,.m(6)模拟技术。模拟技术是指数字模拟技术或计算机技术，即利用计算机模拟程序进行 依靠真实系统运动行为试验，通过有计划的改变模拟的参数便可选择较好结构和性能，从 而确定真实系统的最优运行策略。1.2.4水资源优化配置的发展趋势由国内外水资源优化配置研究进展可知，水资源优化配置理论和方法研究己取得了长 足的进展，且在经济社会和科学技术的高速发展过程中不断发展和完善，取得了很多有价 值的成果。纵观国内外的研究成果，水资源优化配置的发展趋势将体现在以下几个方面:81前言(1)水质水量联合调配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 国未来的发展中，水质导致的水资源危机将大于水量危机，必须引起高度重视。水资源的 可持续利用必须充分考虑经济发展与水资源和环境的相互协调，进行水质水量联合调配是 水资源配置研究的重要内容。研究水体的水环境容量，污水与用水之间的关系，污水排放 和水体纳污量间的关系，以及水质水量联合配置的理论、模型和方法，是水资源合理配置 的重要研究课题(2).从单一目标模型趋向于多目标模型.目前流域水资源配置多采用最优准则(如发电、供水量最大，投资最小，淹没损失最 小等)和单一目标(将一些相互竞争目标作为约束条件处理后，选用一个目标)进行优化，给出最优方案供决策者参考和采用。但是，这样的方案，往往因为模型未能概括的其他因 素急剧变坏，甚至成为不可行方案，或是不能反应决策者愿望等，不易被决策者采纳。因 此，采用最满意准则(体现的形式很多，如目的、优先权级、效用等)和多目标函数(如 经济的、环境的、社会的等)是非常必要的。由于多目标决策技术的性质和灵活性，可以 给出各个目标之间的利益转换关系，也能给出所有方案的排队关系，还可根据决策者的偏 好和效用给出相应的决策方案，因此，应用多目标决策方法，研制水资源配置多目标分析 模型，能适应问题的各种决策要求和扩兵决策范围，有利于决策者选出最佳均衡方案。(3)生态环境需水计算理论研究水是生态环境的控制性要素，水资源的不合理开发利用和管理导致了严重的生态环境 问题。生态环境需水量既是水资源开发利用的基本依据；也是实现水资源合理规划与配置 的技术支持。正确计算生态环境需水量是实施水资源优化配置的前提，也是水资源可持续 利用的根本保障。目前，关于生态环境需水量计算的理论尚不成熟，没有统一的计算标准 和方法，因此，必须提出一套便于实际操作的可行的科学的计算生态环境需水量的理论和 方法。目前，该领域的研究主要集中在河道、湿地及地下水等方面，关于生态环境需水计 算的理论和方法急需完善和深入。因此，积极开展生态环境需水量计算的相关研究，对合 理量化生态需水量和优化配置水资源均有重要意义。(4)基于可持续发展的面向生态的水资源配置理论研究根据我国新时期的治水方针以及水资源开发利用和管理中出现的新问题、新情况，研 究和指导水资源开发利用的理论、观点，正逐步向着基于可持续发展的水资源配置理论发 展。社会经济的不断发展，使得对水资源的需求量不断增加，而对水资源的盲目、掠夺式 开发和利用则会危及人类赖以生存的生态环境，而生态环境的破坏，又反过来会阻碍社会 经济的发展，最终危及人类的生存与发展。因此，只有实现水资源合理开发和高效利用、积极恢复和修复被破坏的生态环境，人类才能保障自己的生存和可持续发展。因此基于可 持续发展的面向生态的水资源配置理论将会不断得到发展和完善。9西安理工大学硕士学位论文1.3研究的内容与技术路线1.3.1 研究的主要内容及方法（1）本文拟采用定性和定量分析相结合的研究方法，对济浦河流域水资源利用现状 进行分析；;（2）根据水文资料（降雨、流量等）和生态资料（鱼类、水生植物等），采用Tennant法 进行计算，取河流多年平均流量的10%作为河流的基本生态需水量；河道外生态需水量 主要考虑植被生态需水（采用面积定额法计算）、湖泊生态需水（采用最小水位法计算）、湖泊蒸发需水（采用蒸发降水差法计算）；（3）应用需水量预测结果进行流域水资源供需分析；（4）计算河流纳污能力，确定污染物入河总量控制方案；（5）将生态需水纳入用水部门，以各用水部门效益最大为目标，应用优化技术方法 来分析沪濡河流域水资源的优化配置问题。在面向生态的水资源配置中，要在充分发挥水资源经济社会及生态与环境效益的同 时，做好水资源在经济社会系统和生态与环境系统及其用户之间的分配，促进全流域人与 自然和谐及可持续发展。1.3.2研究的技术路线本文研究采用的技术路线如图1-1所示。图1-1技术路线Fig.1-1 Framework of research technical2研究区概况2研究区概况2.1沪濯河流域概况*2.1.1地理位置、泸i霸河流域位于西安市东部，跨东经109。00-109。47、北纬33。50,34。27,之间，南 起秦岭，北至渭河，东临骊山，西界皂河，南北长约78 km,东西宽50 km,总流域面积 2581 km2。流域范围涉及西安市的蓝田县、长安区、雁塔区、海桥区和未央区，以及商洛 市的商州区。泸濡河流域在全国（全省）统一的水资源利用分区中属“渭河咸阳至潼关南岸（D050620）”四级分区范围。沪浦河流域在“渭河咸阳至潼关南岸“四级区下划分水资源 利用五级分区，共分为以下四个水资源利用五级分区，见表21。表21济溺河流学水资源五级分区表Tab.2-1 Schematics of five grade subareas in Chanba River basin水资源综合分区行政区分区代码计算面积（km?）涉及乡（镇、街办）四级区五级区小计平原区山丘区渭河 咸阳 至 潼关 南岸D050620&溺河峪 口以上/商州区D05062178.578.5牧户关蓝田县1227.8%1227.8溺源乡、九间房乡、玉 山镇、普化镇、蓝桥乡、辆川乡、玉川乡、葛牌 镇、沪河常 家湾以 上蓝田县D050622386.693.3293.3焦岱镇、小寨乡、汤峪 镇、安村乡、孟村乡、史家寨乡、长安区235.4127.0108.4杨庄乡、魏寨乡、引镇、鸣犊镇、炮里乡濡河峪口-马渡 王蓝田县D050623297.964.4233.5蓝关镇、三里镇、前卫 镇、澳湖镇、华胥镇潮河马 渡王、常 家湾以 下瀛桥区D050624219.7181.338.4狄寨、红旗、西王、十 里铺、纺织城、洪庆、潮桥镇、新筑雁塔区5.25.2曲江、等驾坡沪浦生态 区129.9129.9满桥区、雁塔区、未央 区全区2581.0601.11979.911西安理工大学硕士学位论文满河峪口以上区人口稀少，水资源开发利用程度较低，为流河流域的主要产水区；沙 河常家湾以上区的上游山区人口稀少，水资源开发利用程度较低，是济河主要产水区；濡 河峪口至马渡王区水资源虽有一定程度的开发利用，但规模较小，以农灌为主，开发利用 程度总体不高；浦河马渡王、.常家湾以下区，城镇面积比重大，人口密集，工业发达，水 资源工程密度大，是济海河流域的重点用水区。.2.1.2地形地貌沪濡河流域地势南高北低，自东南向西北倾斜。从源头到下游可以分为秦岭山地、台 嫄丘陵、丘陵和川道平原四种地貌类型区。地处秦岭山区的潮河流域上游山势陡峭，河谷 纵横，峰岭连绵。秦岭山区主要是基岩山区，岩石裸露，土层较薄，但植被良好；位于泸 河、濯河之间的白鹿嫄为黄土台嫄区，大致呈东南西北向展布，源区宽89km；丘 陵区主要位于浦河与零河之间；川道平原区主要地处濯河马渡王、沪河常家湾以下的沪、海河河漫滩及其一、二级阶地，地势平坦，土壤肥沃，适宜农作物耕种；沙濡生态区地势 南高北低，区域内地形开阔，地势平坦，宜于开发利用。2.1.3 土壤植被流域内土壤有11个土类，22个亚类，49个土属，108个土种，属褐土带。土壤分布 规律是从东至西依次为棕壤一褐土一淋溶褐土一立茬土一油土一黄善土一白善土,从北向 南是红色土一立茬土一油土一善土一河淤土一水稻土一洪积土一褐土一棕壤土。土壤以重 质壤土和砂质壤土为主，分另4占42.4%和36.83%,而中壤土和轻壤土分别只占10.92%和 9.58%o质地较好的土壤集中分布在川道区，一般的土壤多集中在嫄面、半岭以及横岭地 区，质量较差土地集中分布在山区。植被属暖温带针阔叶混交林，为原生次生植被，以天然次生植被和人工植被为主。天 然林分布在秦岭山区，以松栋林带为主，主要组成树种有锐齿株、栓皮株、油松、华山松、白皮松等。灌木树种有黄护、胡枝子、绣线菊、白刺花等，草本植物有蒿类、野棉花、披 针苔等。丘陵沟壑、黄土台嫄和河谷平原区植被多为人工植被。主要树种有油松、侧柏、雪松、杨树、刺槐、泡桐、柳树、椿树、板栗、核桃、花椒、苹果、桃、葡萄等。农作物 主要有蔬菜作物20余种；粮食作物以小麦、玉米为主，还有大麦、谷子共16种；经济作 物有棉花、油菜、，西瓜等10种；药材有人工栽培的生地、白术等，野生的有黄黄、血参、柴胡等20种；野生水生植物主要有芦苇、蒲草。2.1.4社会经济(1)人口及分布济潘河流域2005年总人口 130.1万人，其中农村人口 94.3万人，占总人口的72.5%,城镇人口 35.81万人，占总人口的27.5%。全流域平均人口密度504人/kn?。122研究区概况表2-2