水资源优化配置及对城市可持续发展的影响

本 次 研 究 主 要 以保 持 地 下 水 资 源 多 年 采 补 平 衡 为 原 则 ， 虑 城 市 水 资 源 的 可 持续 利 用 ， 进 行 考 在 不 同行 业 现 状及 未 来 用 水 量 合 理 预 测 计 算 的基 础 上 ， 行 在 现 状 （０ ０年 ）２２ 进 ２１ 、０ ０年 、０ ０年 三 个 水 ２３ 平 年 ， 、 、 三种 年 型条 件 下 ， 表供 水 水 库 的 丰 中 枯 地 合 理 规 划 及 水 库运 用方 案 优 化 研 究 。在 调 度 水 资 源 时 ， 本 着 以技 术 、 济 为 原则 。不 同频 率 年 型 应 经 确 定 控 制 开 采 标 准 的 前 提下 ， 以效 益 最 大 为 目标 ，
０ 前 言
随 着 我 国社 会 经 济 的发 展 和 城 市 化 进 程 的 加 快 ， 资源 短 缺 和水 污 染 加 剧 等 问 题 日益 突 出 ， 水 水 资源 供 需 矛 盾 日趋 尖 锐 ， 已经 成 为 我 国社 会 可 持 续 发 展 的重 要制 约 因 素 。解 决 这一 危 机 的途 径 ， 一 是 开 源 节 流 ， 立 节水 型社 会 ； 建 二是 对有 限 的水 资 源进 行 优 化 配 置 ，力 争 以最 少 的水 资 源量 创 造 最 大 的经 济 效 益 和社 会 效 益 ，实 现 水 资 源 的可 持 续 利用 ，对 城 市 水 资 源统 一 调 配 和 高 效 利用 进 行 研 究 １根 据渭 南 市 不 同水 资源 现状 与 预 测结 果 ， 。 以 动 态规 划 优 化 理 论 为依 据 ，在 地 下 水 保 持 多年 采 补 平衡 、不 同频 率 年 型 确定 控 制 开 采 标 准 的前 提 下 ，以考 虑 生 态 环 境 良性发 展 整 体 效 益 最 大 为 目 标 ， 合 考 虑水 资 源 可 持 续 利用 ， 出逐 月 水 资源 综 提
分 摊系数和工业 的万元产值耗水 量） ｔ ； 为生 活用 Ｏ 水 每立 方 米 水 效 益 与 工业 用 水 每 立方 米 水 效 益 的 比值 ，设 计 中在 供 水 量 未 达 到 设 计 生 活 需 水 量 ８ ％以前 取 为 １ 。 ５ ． ６
３ 优化 配置模型 的分析计算
在 ２３ ０ ０年 （＝０ ｐ ５ ％来 水 条 件 下 ） 况 下 ， 南 市 情 渭 可 供 水 量 为 １ ７ ５９ ２×１ ｍ ，用 水 单 位 Ｎ ３ 即 ０ ＝， ｎ １２ ３ ＝ ， ，。用 Ａ， Ｃ分 别 代 表生 活 、 境 和工 业 用 Ｂ， 环
式 中 ：ｓ 生活 用 水 总 效 益 ； Ｂ为 Ｑ 为生 活 用 水 实 际 分 配 水 量 ；Ｑ）为 生 活 用 水 需 水 量 ； 为 工 业 用 水 （ 。 单 方 水 效 益 ，ｏＯＷ， 、 分 别 指 工 业 用 水 效 益 Ｂ－／ （ Ｗ ￣
ａ 供 给各 个 单位 用 水 量 之 和不 超 过 水 资 源 总 量 ．
Ｂ ＝ ｆＢｑ Βιβλιοθήκη Baidu ０， ＿ 【 Ｄ ５ ） 础 【 ％（ ８ 】 ０ ≤ ≤ （ ） Ｑ≥（ ） ｓ
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Ｌ ｎ＝１
现为经济效益和社会效益 。在此 以保持可持续发 展 和 未 来 环 境 不 再 恶 化 为 原 则 建 立 用 水 效 益 函 数 。 以工业 用 水效 益倍 来 计 算 ， 取 ０５ Ｂ ．。 （ ） 活用 水 ３生 本 设 计 中 以工 业 用 水 的每 立 方 米 水 效 益 为基 准 ，根 据 生 活 用水 分 配水 量 占所 需 水 量 的不 同 比 例 ， 不 同的 比例 系数 ， 以工 业 用 水 的每 立 方 米 取 乘 水 效益 得 到 生 活 用水 的 总效 益 。在 该 时段 所 需 水 量 的 ８％之 内的每 立方 米 水 效 益取 为 工 业 （ 括 乡 ５ 包
镇 工 业 和 重 点 工 业 １每 立 方 米 水 效 益 的倍 ，超 过 ８％但 小 于该 时段 生 活 用 水 需 求 量 的部 分 认 为 每 ５ 立 方 米 水效 益 与 工业 的每 立 方米 水 效 益 相 等 ， 过 超 生 活需 求 量 的 部 分认 为每 立 方 米 水 效 益 为零 。其 生产 函数公 式 如下 ：
２１ 年 ４ ０２ 月第 ４ 期
城 市道 桥 与 防 洪
防洪排水
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水资源优化配置及对城 市可持续发展 的影 响
孙 文
（ 兰州交 通 大学 ， 甘肃 兰州 ７ ０ ７ ３ ０ ０）
摘 要 ： 资源是 一个复 杂 的藕 合系 统 ， 与人类 社会 发展 和生存 环境相 结合 ， 资源优 化配置 作为解 决城 市水 资源短 缺 的重 水 并 水
Ｑ， 即
∑‰ Ｑ ≤
阶段 可 用 于分 配 的有 效 水量 ｇ， 为 非 负数 。 且
●
（） ３
ｂ 供 给第 个 单 位 的水 量 ％ 不 能超 过 在 第 ｎ个 ．
０ ｎ ｌ２ ３ ≤戈 ≤ｇ（ ＝ ， ， ） ０ （＝ ，，） ≤ｇ≤Ｑ ｎ ｌ ２ ３ （） ４ ｃ 不 能 超过 水 资 源 总量 Ｑ， 是 非 负数 ， ． 也 即 （） ５
不 同 频 率 年径 流 量
水称 ７置 名 Ｋ 位
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， ， ｍ
２
５ ０％
７ ％ ５
９ ％ ５
１ 概 述
为 了 解决 水 资 源 紧 缺 ， 限制 地 下 水 开 采 ， 持 保
生态环境平衡 ， 并保 障工农业生产的持续发展 ， 这 就 要 求 运 用 现代 系统 科 学 的方法 去 管 好 、用 好 现 有 的水 源 工 程 ， 对有 限 的水 资 源 进行 优 化调 配 。这 对 缓 解 城 市 供水 紧 张 的局 面 ，搞好 现 状 水 资 源 的 合 理 开 发利 用 ， 并保 证 来 水 不 同水 平 年 、 同来 水 不 频 率 条 件 下 的 城 市人 民生 活 水 平及 工 农 业 生 产 发
面 临 的 问题 ，因而 其 研 究 成 果 对 这些 城市 具 有 十
分重要 的借鉴作用和推广价值 。 陕西省渭南市是陕西省汉 中地区重要 城市之 现 有 市 区人 口 ２ ０万 左 右 ， 年 平 均 降 雨 量 在 多 ６ ０ ｍ 左 右 ， 平 均蒸 发 量 在 １ １０～１２ ０ ｍ ０ ｍ 年 ０ ０ ｍ。 目前 城 市 用水 以 开采 地 下 水 为 主 ，随 着 城 市 规 模 扩 大 ， 口增 加 和工 农 业 生 产 的 发展 ， 市 用 水 越 人 城
为工业供水效益分摊 系数 ， １％； 取 ０ Ｑ为工业分 配 水 量 ， ３Ｗ 为 乡 镇 工业 或 重 点 工 业 的 万元 产值 耗 ｍ； 水 量 ， ３万 元 。 ｍ／
（） ２ 环境 及 公共 设 施 用水
环 境 及公 共设 施 用 水 的效 益 比较 复 杂 ， 主要 表
门进行水资源分配的问题 ， 使用动态规划求解 。把 地 下 水 和 地 表 水 看 作 一 个 供 水 系 统 ，以 工 业 、 生 活 、 境 和公 共设 施 用水 量 作 为决 策 变量 。 环 把 工业 用 水 、 活 、 生 环境 及 共 公 设 施 用 水 分 别 作 为用 水 单 位 ， 每个 单 位 可 看 作 一 个 阶段 ， 阶段 变 量 ｎ ｌ２ ３ 各 个 阶段 可用 于 分 配 的有效 水 量用 表 ＝ ， ，。 示 ｑ 各 阶段 的供水 量 用 ％ 表 示 。 ， （ ） 统方 程 １系 根据 状 态变 量 和决 策 变量 之 间关 系 ， 得该 问 推 题 的系 统方 程 （ 即状 态转 移 方程 ） ： 为 ｇ＋ ｇ一 ｌ ＝ （） １ （ ）时 间 函数 ２ 设 Ｆ ｐ） （ 为以水资源 Ｑ分 配给 ３ 个用 水单位 而获 得 的最 大 净 效益 ， 则
要 手段 ， 对保 证整个 城市 国 民经 济的可 持续 发展起 着重要 的支 撑作用 。 采用 动态规 划优 化理论 原理 ， 建立 了城 市水 资源优化 配 置模型 ， 出了效益 函数 的建立 方法 ， 提 获得 了城市 水源 优化 配置策 略式方 案并 分析 了水资 源配置 对城 市可持续 发展 的影 响 。 关键词 ：水 资源 ； 可持续 发展 ； 动态 规划 ； 优化 配置 中图分 类号 ：Ｖ １ Ｔ ２ 文献标 识码 ： Ｂ 文章 编号 ：０ ９ ７ １ （ ０ ２ ０ — １ ９ ０ １０ — ７ ６ ２ １ ）４ ０ ２ － ３
提 出逐月不 同水库最优控制水位 和水资源利用原 则 、 序 、 案 。按 水 量 供 需 计 算 结果 提 出水 利 工 次 方
程建 议 规划 及 水 量行 业 分配 额 。由于篇 幅关 系 ， 在
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防洪排水
城 市道 桥 与 防 洪
２２ 优 化 配置 模 型 的求 解 ．
２１ 年 ４ ０２ 月第 ４ 期
水 资源 虽是 一 个 连续 变 量 ， 但用 解 析 数学 很 难 分 析 计 算 ，这 个 连 续 变 量 一 般 均 用 离 散 化 方法 加 以处 理 。 离散 可 以按 小 时 、 月 、 日、 年等 时 段 进 行 ， 在 此选 取 以月为 计算 单 位 。 渭 南 市 城 市供 水 优 化是 个 具 有 决 策 变 量 的 最 优 化 分 配 问题 ，在 此 把 原 问 题 转 化 为 一个 动态 的 多 阶段 决 策 过 程 问题 ，即 把 同 时 对 各个 部 门进 行 水 资 源最 优 化 分 配 问 题 看作 分 阶段 依 次对 各 个 部
一
，
来 越 紧张 。渭 南 市供 水 水 源 主 要 有 地 下 水 源 和 地 表 水 源两 部 分 ， 以地 下 水 水 源为 主 。渭 南 市 主要 并
水 源 状 况见 表 １ 表 ２ 、 。
表 １ 渭 南市地下水水 源状况 （ 位 ：０ 单 １ ｍ３ ／ ａ）
利用原则 、 次序和方案。 按水量供需计算结果提出 水利工程建设规 划及分行业水 量优化配置方案 。 为解 决 水 资 源优 化配 置 问题 提 供 了理 论工 具 。
此只列出 ２３ ０ ０年 （＝０ ｐ ５ ％来 水条 件 下 ）的计 算 结
果。
２水资源优化配置模型的建立及初、 边值条件
２ １ 优 化 配 置模 型 的 建立 ．
模 型 中状态 变 量 和决 策变 量 为 连续 变 量 。 将 现 其 离散 化 。并 把每 月 的水 资 源量 离 散 为 ２ 进行 ０份 优 化分 配 Ｉ ５ Ｊ 。可持 续 发展 的 效益 函数 为 ： （ ） 业用 水 １工 工业 用 水净 效 益采 用 净产 值 分摊 方 法 ， 算公 计 式 如下 ： ・Ｑ ｔ） （ ／Ｖ ，式 中 ： Ｂ为工 业 供 水 净 效 益 ，
展 具 有 十分 重要 的意 义 。因此 ， 定对 渭 南 市城 市 决 供 水 水 资源 优化 调 度 进行 研究 。同时 ， 南 市 面临 渭 的水 资源 管 理 问题 也 是 众 多 干 旱 和半 干旱 城 市 所
收稿 日期 ：０ １ ０ — ５ ２ １ － ７ ０ 基金项 目： 国家 自然基 金项 目（０ ７ ０ ６ ； ５ ６ ８ ７ ） 国家十 一五科 技发 展 支撑计 划重 点项 目（ ０ Ｂ Ｃ ７ ０ ） ２ ６ Ａ ０Ｂ ２ ０ 作者简介 ： 孙文 （９ ６ ， ， １７ 一）男 山西大 同人 ， 士研究 生 ， 师 博 讲 从 事岩 土工程 与水利 工程方 面 的教学 与研究 工作 。