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泗縣地區多目標水資源優化配置模型構建分析

來源:河北工程大學 作者:王一杰
發布于:2021-04-12 共6425字

  摘  要

  
  水是生命之源,生產之要、生態之基,對支撐區域協調發展具有不可替代的作用。現階段,區域取用水困難、供水水質難以保障等用水問題越發成為阻礙區域可持續發展的重要因素。為此,對區域水量開展優化調配研究,科學合理配置區域有限水資源,可在一定程度上緩解區域用水沖突問題。基于此,本文以安徽省泗縣為研究區,考慮各用水部門和供水水源之間的配水關系,及供需水約束條件,選取經濟效益最大、社會缺水量最小和污染物排放量最小為目標函數,建立泗縣地區多目標水資源優化配置模型。模型采用NSGA-Ⅲ算法求解,根據生成的Pareto最優解集和多目標規劃特點,確定了在不同保證率下,各規劃年水資源配置方案。主要內容及成果如下:



泗縣地區多目標水資源優化配置模型構建分析
 

  
  (1)選取2018年為現狀年,對現狀年泗縣水資源開發利用程度評價,調查分析區域多年供需水變化過程,并結合以現狀年生活、工業和農業等用水指標進一步說明現狀年泗縣用水水平。
  
  (2)綜合分析泗縣各規劃、成果、公報等資料,在現狀年基礎上,選取2025年、2030年和2035年為規劃年,對規劃年經濟、農業、人口等發展指標進行預測,采用定額法預測不同規劃年需水量。并在現狀年供水工程基礎上,預測了在不同保證率下,各規劃年可供水量。通過對規劃年供需平衡分析可知,在保證率為P=50%、P=75%下,規劃年區域取用水均可滿足,不存在缺水現象;在保證率為P=95%下,區域供需水矛盾沖突,各規劃年將出現不同程度缺水現象。
  
  (3)確定模型各參數,采用NSGA-Ⅲ算法求解模型,根據生成Pareto最優解集及多目標規劃特點,確定水資源優化配置方案。優化配置結果表明:在P=95%保證率下,各規劃年總缺水量和缺水率分別為2485萬m?、3331萬m?、3600萬m?和11.6%、14.5%、15.1%。與常規水資源配置方案相比,各規劃年P=95%保證率下全縣缺水率分別下降了1.0%、2.0%和2.7%。最后,針對規劃年不同程度缺水現象,提出了泗縣水資源合理開發利用的建議與對策。
  
  關鍵詞:    泗縣;多目標;水資源優化配置;NSGA-Ⅲ算法。
  

  Abstract

  
  Water is the source of life, the key to production and the base of ecology, it playsan irreplaceable role in supporting regional coordinated development. At present, thewater  problems  such  as  the  difficulty  of  regional  water  intake  and  water  qualityguarantee have become the important factors hindering the sustainable development ofthe region. Therefore, carrying out research on the optimal allocation of regional waterresources,  scientifically  and  rationally  allocating  limited  water  resources,  caneffectively alleviate the crisis caused by water shortage. Based on this, this paper takesSixian  County  of  Anhui  Province  as  the  research  area,  considering  the  waterdistribution relationship between water use departments and water supply sources, themaximum economic benefit, the minimum social water shortage rate and the minimumpollutant emission are selected as the objective functions, establish a multi-objectivewater resources optimal allocation model in Sixian County. The model was solved byNSGA - Ⅲ algorithm, according to the generated Pareto optimal solution and multi-objective programming characteristics, the water resources allocation scheme of eachplanning year is determined under different guarantee rates. The main contents andachievements are as follows:
  
  (1) Selecting 2018 as the current year, the development and utilization degree ofwater resources in Sixian county is evaluated, based on the actual water supply andwater demand for many years, the supply and demand trends of water sources and wateruse  sectors  are  analyzed,  the  water  consumption  level  of  Sixian  County  is  furtherillustrated by the water consumption indexes of living, industry and agriculture in thecurrent year.
  
  (2)  Comprehensive  analysis  of  the  planning,  achievements,  communiques  andother materials of Sixian County, on the basis of the current year, 2025, 2030 and 2035are selected as the planning years. Forecast the economic, agricultural, population andother development indicators in the planning year, water demand in different planningyears is predicted by quota method. And based on the current year water supply project,the available water supply in each planning year is predicted under different guaranteerates. Through the analysis of the balance of supply and demand in the planning year,we can see that, under the guarantee rate of P = 50% and P = 75%, the regional water intake in the planning year can meet the demand, and there is no water shortage; whenthe guarantee rate is P = 95%, conflict of regional water supply and demand, and watershortage will appear in different degrees.
  
  (3) The parameters of the model are determined, and the optimal allocation schemeof  water  resources  is  obtained  by  solving  NSGA-Ⅲ  algorithm.  According  to  thegenerated  Pareto  optimal  solution  and  multi-objective  programming  characteristics,Determine the optimal allocation scheme of water resources. The optimal configurationresults show that: under the P = 95%, the total water shortage and water shortage ratioof each planning year are 19.44 million m3, 26.93 million m, 28.59 million m3and11.6%,  14.5%  and  15.1%  respectively.  Compared  with  the  conventional  waterresources allocation scheme, under the assurance rate of P = 95% in each planning year,the  water  shortage  ratio  of  the  whole  county  decreased  by  1.0%,  2.0%  and  2.7%respectively. Finally, in view of the water shortage in different degrees in the planningyear, this study also put forward the suggestions and countermeasures of reasonabledevelopment and utilization of water resources in Sixian County.
  
  Keywords:     Sixian  County;  Multi  objective;  Optimal  allocation  of  water  resources; NSGA - Ⅲ algorithm。
  

  第1章   緒論

  
  1.1、研究背景及意義。
  
  1.1.1、研究背景。

  
  水,作為一種自然資源,對支撐區域全方位協調發展有著重要意義。現階段,在區域發展的進程中,隨著對水資源量需求的快速增加和對供水水質要求的不斷提高,可供人們利用的淡水量在不斷減少。近幾十年來,由于水資源量的供給不足、供水水質難以保障及水環境的持續惡化等水危機問題日益越發突出,目前,水危機問題已為一個主要影響因素,阻礙著我國較多區域的經濟社會發展,且我國用水整體效率較低、水資源配置和取用的不合理及浪費嚴重等現象也成為影響水資源可持續利用發展的主要障礙。同時,在區域社會經濟穩步發展的同時及城鎮人口穩定增長的背景下,區域水資源需求量的增加與水資源供給量的嚴重不平衡性日益嚴重。因此,開展區域水資源科學規劃,合理配置、優化調度區域有限水資源量,對緩解區域用水危機、阻止水環境惡化等方面有著重要的現實意義。
  
  泗縣坐落于安徽省東北方向,為典型的農業大縣,年際間,降雨量變化波動較為劇烈,最大年降雨量與最小年降雨量可相差數倍;年內間,降雨多發于汛期(6~9月)。人均水資源量較全省平均水平偏少,僅為全省人均的一半左右。其境內地表水系發達,大中小河流較多,但河道均位于中下游,污染較為嚴重,水質整體較差,不滿足飲用要求。且過去因發展需要,無節制的開采地下水資源,又因中深層地下水資源恢復較為困難,使得部分區域形成漏斗,引發新的危機;同時在取用水過程中,無意識注重環境的保護,致使大量生活、生產污水排放至河湖中,導致區域水環境日益惡化。綜上,該區域因地表水水質較差,地下水資源過度開采,可利用水量總體偏少,屬水資源匱乏地區。
  
  由于區域降水年內分配不均和年際變化較大,且地表水環境狀況較差,水利工程蓄水能力不足,導致區域出現缺水問題越來越頻發。隨著區域經濟發展,生產需水逐年增高;又因城鎮化的推進,城鎮人口的不斷增加,生活需水量也在增大;且由于越來越重視環境的保護,其用水量也在逐年增長,最終導致泗縣需水總量呈逐年增加的變化趨勢。因區域水資源供需矛盾突出,生活、生產、環境等用水部門之間出現相互擠占水資源的現象,會在一定程度上弱化環境的供水量,致使環境惡化。環境的惡化在一定程度上又會導致區域水資源可利用量進一步降低,如此往復,使得泗縣水資源供需矛盾越發突出。
  
  近年來,泗縣在農業生產的基礎上,大力發展工業,使得區域經濟發展得到了較為滿意的結果,全縣各方面發展水平得到了顯著的提升,并繼續保持著良好的發展趨勢。隨著全縣的發展要求,區域用水需求量增大,用水結構也發生了較大變化。如何妥善處理好需水與供水之間的矛盾、社會經濟發展用水與環境保障用水之間的矛盾,合理安排生活、生產、環境等用水,保障社會經濟又快又好發展;如何合理調配水資源,最大化滿足全縣需水要求等,將是泗縣在未來經濟社會發展中面臨的首要問題之一,關系到泗縣運河文化名城、生態宜居之城、經濟繁榮之城、社會和諧幸福之城的建設。
  
  因此,基于可持續發展理念和新時期治水方針,在水資源“三條紅線”保護下,以水資源作為最大剛性約束,在保護環境的同時,著力解決好泗縣經濟社會發展對水資源的可持續利用需求,開展泗縣區域水資源優化配置研究,為泗縣水資源綜合規劃和調度、保障經濟社會發展提供科學指導依據。
  
  1.1.2、研究意義。
  
  在可持續發展的理念、“三條紅線”保護下等,如何滿足區域居民正常需水、維持工農業發展用水和保障最低環境需水、如何提高水資源利用效率,減少水資源不必要浪費、以及在生活、生產、環境等需水部門合理調配水資源等是現階段泗縣地區水資源管理亟需解決的問題。
  
  綜上,根據泗縣水資源現狀、經濟社會發展狀況以及取用水動態變化趨勢,必須對當地有限的水資源量科學開采、高效配置、綜合規劃及全面保護。一方面,泗縣水資源天然稟賦條件較差,現狀供需矛盾突出,供水保障能力不高,要求全方位考慮泗縣地區水資源問題,針對問題綜合優化水資源調配的能力。另一方面,隨著區域發展步入新時代、新階段,應嚴格遵守各項治水方針和制度,切實貫徹各項水資源管理方法和措施,在追求區域最優化發展的同時嚴格落實水資源保護指標。
  
  因此,亟需開展泗縣水資源優化配置研究,為泗縣水資源開發利用全面-系統-科學-合理的規劃提供有利保障。其目的旨在支撐區域經濟社會穩步發展的同時統籌協調資源與環境的可持續發展。最終實現社會、經濟和環境效益最大化和資源可持續發展。
  

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  1.2 、國內外研究現狀.
  1.2.1、國外研究現狀.
  1.2.2、國內研究現狀
  1.3 、研究內容及路線.
  1.3.1、 研究內容.
  1.3.2、 技術路線.
  
  第2章  研究區域概況.
  
  2.1、自然地理概況.
  2.1.1、地理位置.
  2.1.2、地形地貌.
  2.1.3、 氣候氣象.
  2.1.4、 水文地質.
  2.1.5、 河流水.
  2.1.5.1、 河流.
  2.1.5.2、 湖庫.
  2.1.6、土壤類型.
  2.2、社會經濟發展概況.
  2.2.1、人口.
  2.2.2、國民經濟.
  2.3、本章小結.
  
  第3章  水資源量及開發利用狀況.
  
  3.1、水資源量.
  3.1.1、地表水資源量.
  3.1.2、地下水資源
  3.2、水資源開發利用現狀.
  3.2.1、供水工程及供水能.
  3.2.2、現狀年用水量
  3.2.3、現狀年供水量.
  3.2.4、開發利用程度.
  3.2.5、現狀年用水水平及效
  3.3、本章小結
  
  第4章  供需水預測.
  
  4.1、需水預測.
  4.1.1、需水預測內容.
  4.1.2、需水預測方法.
  4.1.3、生活需水量預測.
  4.1.4、工業需水量預測.
  4.1.5、農業需水量預測.
  4.1.6、環境需水量預測.
  4.1.7、 需水總量.
  4.1.8、需水結構分析.
  4.2、供水預測.
  4.2.1、地表水源可供水量.
  4.2.2、地下水源可供水量.
  4.2.3、中水回用可供水量.
  4.2.4、可供水總.量.
  4.3、 規劃年供需平衡分析.
  4.4、本章小結
  
  第5章  多目標水資源優化配置模型構建及求解
  
  5.1、多目標水資源優化配置理論簡.
  5.1.1、多目標規劃法.
  5.1.2、水資源配置理論.
  5.1.3、多目標水資源優化配置理論.
  5.2、多目標水資源優化配置原.
  5.2.1、可持續發展原則.
  5.2.2、公平公正原則.
  5.2.3、有效保護原則
  5.3、多目標水資源優化配置模型構建.
  5.3.1、目標函數
  5.3.2、約束條件.
  5.3.3、多目標水資源優化配置總體模型.
  5.4、多目標水資源優化配置模型求解
  5.4.1、模型參數確定.
  5.4.2、 NSGAI算法原理
  5.4.3、模型運行結果
  5.4.4、優化配置結果分析
  5.5、本章小結.

  結  論

  本文以泗縣為研究對象,開展泗縣區域水資源優化配置研究。以2018年為現狀年,以2025年、2030年和2035年為規劃年。首先,對現狀年泗縣水資源條件及現狀年生活、工業、農業和環境用水水平及用水量分析。基于現狀年泗縣地區整體用水水平、區域發展狀況、以及現狀水資源開發利用程度等基礎上,通過綜合考慮各項發展規劃和措施,分別預測了各規劃年在保證率分別為P=50%、P=75%及P=95%下的生活、工業、農業和環境需水量。需水預測結果表明:規劃年間,隨著區域人口數量提升、區域經濟發展加快、以及人們對環境改善意愿的增強等,區域生活、工業和環境需水量均呈現出增長趨勢;而農業需水量隨農業節水力度的加大等呈明顯減少趨勢。其次,在現狀年水利工程基礎上,結合各項水利發展規劃,預測了各規劃年不同保證率下區域水源的可供水量。通過供需平衡分析,2025年、2030年、2035年在保證率P=50%、P=75%下,全縣正常生活、發展等需水可得到正常滿足,區域不存在缺水顯現;在P=95%保證率下,各規劃年將會出現不同程度缺水現象。最后,為保證規劃年研究區域整體協調可持續發展,基于多目標規劃方法,以供水經濟凈效益最大、社會缺水量最小和污染物排放最小為目標,綜合考慮了泗縣區域供水水源的實際供給狀況、區域取用水需求等,建立了泗縣地區水資源多目標規劃模型。采用NSGA-Ⅲ算法求解該模型,根據生成的Pareto最優解集,基于多目標規劃特點,得出了在不同保證率下,各規劃年水資源優化配置方案。為泗縣水資源綜合規劃與管理,以及該區域經濟-社會-資源可持續發展提供一定指導意義。主要成果如下:

  (1)綜合區域各項發展規劃和措施,分析區域經濟社會發展變化態勢。在現狀年基礎上,對規劃年間區域經濟社會發展指標進行預測,并采用定額法預測了不同規劃年各保證率下生活、工業、農業和環境需水量。規劃年2025年、2030年、2035年在保證率分別為P=50%、P=75%、P=95%下,區域需水總量分別為16930.1萬m3、20162.3萬m3和23805.8萬m3;8588.8萬m3、21728.8萬m3和25451.2萬m3;19978.1萬m3、22802.5萬m3和26471.7萬m3。考慮現狀年區域供水能力以及規劃年需水要求的增加,結合區域水利工程規劃,預測了不同規劃年各保證率下供水水源的可供水量。規劃年2025年、2030年、2035年在保證率分別為P=50%、P=75%、P=95%下,可供水量分別為22484.6萬m3、21820.5萬m3和20934.9萬m3;22916.2萬m3、22207.1萬m3和21261.5萬m3;23514.7萬m3、22760.6萬m3和21755.0萬m3。根據供需水預測結果進行了供需平衡分析。

  (2)在供需水量預測的基礎上,根據泗縣水資源供給條件和區域需水要求,基于多目標規劃方法,建立了以經濟效益最大、社會缺水量最小和污染物排放最小的泗縣地區水資源優化配置模型。

  (3)通過對模型求解,根據生成的Pareto最優解集,基于多目標規劃特點,考慮可持續發展要求,綜合確定了各規劃年不同保證率下水資源優化配置方案,并從用配水量、缺水量等方面分析了優化配置結果。與常規水資源配置方案相比,各規劃年P=95%保證率下,優化配置后的方案總缺水率分別下降了1.0%、2.0%和2.7%。

  參考文獻.

作者單位:河北工程大學
原文出處:王一杰. 基于多目標規劃的泗縣水資源優化配置研究[D].河北工程大學,2020.
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