| 标题 | 基于多源多汇的水资源调度工程 |
| 范文 | 王嘉志 摘要：在我国水资源空间分布严重不均的现状下，为了满足各地区用水量，建立基于多源多汇网络流的水资源战略模型。首先根据主要河流分布和人均水资源情况，将全国分为六个部分，依次利用logistic模型和灰色GM（1，1，）模型计算各区需水量，利用卫星云图得到各地区主要水库间距后，结合实际情况建立多源多汇水资源战略模型，在模型基础上根据我国实际情况提出兴建水库，海水淡化工程，建立污水处理厂三项措施来对水资源战略进行补充。 Abstract： Under the condition of serious uneven distribution of water resources in China， a water resource strategy model based on multi-source and multi sink network flow is established to meet the water consumption in different regions. Firstly， according to the distribution of main rivers and the water resources per capita， the country is divided into six parts. The water requirement of each region is calculated by using logistic model and grey GM（1，1） model in turn. After the main reservoir space of each region is obtained by satellite cloud map， a strategic model of multi source and multi water resources is established in combination with the actual situation， and the model is based on the model. According to the actual situation in China， three measures are proposed to build reservoir， seawater desalination project and sewage treatment plant to replenish water resources strategy. 关键词：水资源战略；多源多汇模型；南水北调 Key words： water resources strategy；multi-source and multi sink model；South to North Water Transfer Project 中圖分类号：P641.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0183-03 0 引言 淡水资源匮乏已经成了当前世界很多国家发展的瓶颈。虽然我国是水资源大国，但人均淡水资源只占世界人均淡水资源的四分之一，尤其存在水资源空间分布严重不均的现状新中国成立后，进行了大规模的水利建设，取得了兴利除害的重大成就，我国以占全球约6%的可更新水资源、9%的耕地，支持了占全球22%人口的温饱和经济发展。但是，在水资源开发利用的进程中，也出现了一些更为复杂的新情况和新问题。面临新世纪我国发展的战略目标，我们的水资源能否支持将来16亿人口的食物供应？能否支持社会经济的可持续发展？如何解决我国的洪水、缺水和水质污染[1]？基于这些问题，确定一个高效的、实际可行的、高效率利用成本的合理的水资源战略模型来满足中国供水需求迫在眉睫。 1 水资源调度战略现状 自新中国成立后，水资源区域宏微观规划、水资源优化调度和配置、水资源生态环境保护等方面有了显著的进步，同时，全社会性节水理念以及全面节水措施得到了逐步推广[3]。 南水北调工程是我国优化水资源配置、促进各区域协调发展的基础性工程，是目前国家投资额最大、涉及面最广的战略性水资源工程。南水北调东线工程地处长江、淮河、黄河、海河流域下游，涉及津、冀、鲁、皖、苏五省市，是一个多水源、多用户、多阶段的的大型跨流域调水工程，[5]有利于缓解我国南北地区间水资源分配不均的局面，促进区域协调发展。受水区水资源的增加，可以带动相关产业的发展，增加当地居民的收入，也可以改善当地居民的居住环境，提高居民的生活质量。随着经济发展水平提高、产业结构逐步优化、制度及技术创新速度加快，中部地区的社会结构和生态环境都会实现良性发展。[6] 国内外学者虽然对跨流域调水模型开展了大量研究，对跨流域调水工程水资源配置方案已定情况下，对站群运行的系统优化问题也进行了不少探索，但针对南水北调东线江苏境内长距离跨流域调水工程特点，即多个梯级水量站联合调度，多个调蓄湖库联合运行，多种水源联合供水的“河湖梯级栗站”长藤结瓜供水系统的复杂水资源优化配置模型及方法研究，还有待进一步加强。[4] 2 水资源需求预测基于多源多汇网络流的水资源调动战略 建立水资源调动战略的核心在于水资源分配的合理性。将地区水资源需求量粗略定义为当地人口数量与人均水资源需求量的乘积。根据不同地区农业、工业用水情况的差异性和水资源储蓄情况，将整个国家分为6部分，分别为华北地区，东北地区，华东地区，西南地区，西北地区，中南地区。对于各地区需水量的预测，建立灰色GM微分预测模型对当地供水量发展规律作出模糊性的长期描述，用Logistic模型描述对于当地人口数量的预测。为达到节约水资源利用成本的目的，建立基于多源多汇网络流模型的水资源战略，给出水资源从源点到汇点的最小费用最大流，进行水资源战略的配置。 水资源需求预测： 2.1 对数据的收集与处理 中国主要的河流分为黄河、长江、珠江、东北诸河、西北诸河、西南诸河。按照国际公认的标准，人均水资源低于3000，为轻度缺水；人均水资源低于2000m为中度缺水：人均水资源低于1000为重度缺水：人均水资源低于500为极度缺水[2]。基于中国人口密度较大，人均地表水资源量较小的状况，本文将人均地表水资源低于1000的省份确定为缺水省份，人均地表水资源为1000与3000之间的省份确定为水源自足省份，人均地表水资源高于3000的省份确定为水源充足省份。 为了有针对性的研究不同地区用水情况的差异性，将整个国家分为6部分，分别为华北地区，东北地区，华东地区，西南地区，西北地区，中南地区。他们的组成成分分别为：华北地区：北京市、天津市、河北省、山西省、内蒙古自治区；东北地区：辽宁省、吉林省、黑龙江省；华东地区：上海市、江苏省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、山东省；中南地区：河南省、湖北省、湖南省、广东省、海南省、广西壮族自治区；西南地区：重庆市、四川省、贵州省、云南省、西藏自治区；西北地区：陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区；可以看出，华南地区淡水资源供需平衡；东北地区淡水资源丰富：西北、西南、华中地区水资源缺乏，需从其它区域进行调配：华东、华北临海地区水资源缺乏，可以依靠海水淡化以及水资源调配。 2.2 建立Logistic模型，对未来2025年人口进行预测 Logistic模型是1938年Verhulst-Pearl在修正非密度方程时提出的，适用于一定的环境条件中种群的增长存在一个上限，当种群的数量逐渐向着上限上升时实际增长率就要逐渐地减少，种内对资源的竞争，自然资源、环境条件等因素对人口的增长起阻滞作用，且随着人口的增加，阻滞作用越来越大，人口问题是影响我国发展的重要因素，也是预测水资源需求量的关键因素，准确预测出未来人口的发展趋势与大致数目对当地需水量的估计有重要的指导意义。 我们记时刻t的地区人口数量为x（t），并将地区人口数量x（t）看作连续、可微的函数，记初始时刻（t=0）的人口为x0。假设地区人口增长率为常数r，考虑t到t+Δt时间内人口的增量，令Δt→0，则得到x（t）满足如下的微分方程： ； ，这里的r表示人口很少时（理论上设x=0）的增长率，即人口不受环境和资源限制的固有增长率。引入最大人口容量xm，即xm是当地地区自然资源和环境条件所能容纳的最大人口数量。 ；代入 ，得如下的Logistic模型： ）；通过Logistic模型预测的各地区人口情况预测结果，华北地区在2025年将达到30475.8万人，东北地区将达到11464.6万人，同理可得其他地区人口量。 2.3 建立灰色GM模型，对未来六个地区供水量進行预测 在得到各地区人口数量增长模型的情况下，以年份为自变量，以供水量为因变量，建立GM（1，1）灰色模型，用GM（1，1）灰色模型预测2025年6个地区的供水量情况，各地区人均需水量数据用人均需水量表示，华北地区人均需水量为314，东北地区人均需水量为534，华东地区人均需水量为496，中南地区人均需水量为478，西南地区人均需水量为465，西北地区人均需水量为981。通过灰色模型得到的各地区供水量情况，华北地区需水量为478.5，同理可得其他地区需水量。综上所述，我们可以得到2025年的需水量和供水量情况，华北地区需水量为956.9，供水量为534.8，东北地区需水量为612.7，供水量为910.9。同理可得其他地区用水量和需水量。 3 多元多汇网络流模型 以各地区主要水库为研究对象，利用卫星地图得到各大水库之间距离，将各大地区水库水资源中心以核心点，结合各地水资源状况进行调度。 由中国各行政区域所处地理位置来看：西北、西南、华中地区深处大陆内部，远离海洋，其淡水来源除了地表、地下水等，只能来源于来自其他区域淡水的调运。东北、华北、华东、华南地区处于沿海地带，海水资源丰富，在淡水资源短缺的情况下，其淡水来源不仅可以来自淡水的调运，还可以来自海水的淡化。 东北地区包括吉林省、辽宁省和黑龙江三省，南部濒临黄海渤海，大多处于半湿润地区，水资源条件较好，作为资源的水，是指可资利用或可能被利用的水，在满足自身用水充足的情况下，东北地区完全具有向外输送水资源的能力。 综上所述，优化的水资源调度战略方案主要分为三部分考虑： ①由东北地区向华东、西南、华中、西北、华南、华北六个地区输送水源，即以东北地区为源点，其他地区为汇点，制定出6条最小费用最大流； ②华东、华北、华南沿海地区可以借助海水淡化来自给水源，因此分别以华东、华北、华南地区为源点，其他地区（不包含东北）为汇点，制定出各地区的最小费用最大流（共计15条最小费用最大流）； ③将以上最小费用最大流进行拼接与选择，形成最优的水资源战略方案。 在水资源战略方案基础上，主要考虑水资源的调动成本以及海水淡化两个因素，建立多源多汇网络流模型，给出水资源从源点到汇点的最小费用最大流。 制定一个最优的水资源战略方案，即求一个最大流使得该最大流的总运输费用： 首先从一个可运输水资源路径f出发，找到关于这个路径相关的一条连通两个未匹配顶点的路径p，沿着p对进行调整f；对新的p又试图寻找它的p；如此反复直至不存在p为止。 现在要求寻找最小费用最大流，当沿着一条关于f的p，以改进量α=1调整f；对新的可行流f（显然f=f'+1），显然， 若以东北地区为水源源点，西南地区为水源汇点，可得最大流为34.7millionRMB。同理可以得出其他的最大流。 4 水资源战略的建立 在得到多元多汇网络流间距离后，在此基础上考虑建立的水资源战略模型对于当地的影响。总体来说，水资源的调动会增加地表的流动水，使地表流动会改善沿程地区气候环境，同时提供流动水带来的新生物类型，有利于增强和维护水源调动沿程地区物种多样性和生态稳定性。同时也将增加沿程中各水域的连通性和流动性，有利于水环境自净能力的提高。在考虑经济方面、环境方面和社会方面的因素后，提出兴建水库，海水淡化工程，建立污水处理厂三项措施来对水资源战略进行补充。 通過兴建水库可以与水资源调动相联系，高申[6]对其进行了研究，而且缓解了水资源在空间和时间上分布不均匀与供水和用水之间供需矛盾，为人类的农业生产和资源开发提供了良好的保障，带动了养殖、旅游等新兴产业的发展，为能源急速消耗急速消耗的当代社会提供了电能。从工业方面考略，兴建水库有助于进一步促进生产并提供大量电能，为工业区的建立和工业的快速发展创造有利条件。从农业方面考略，合理规划配置水资源，有助于缓解我国水旱灾害频发的造成的经济损失，提高农业方面防洪抗旱能力，促进农业发展，减轻水污染，改善干旱地区缺水的现状。 在海水淡化方面，电渗析浓缩海水制盐是一项成熟的工业技术，在日本取代盐田法已有30余年，并推广到澳洲、南美和中东不少国家应用。[7]虽然海水淡化工程所需费用相对较高，但在海水淡化的处理过程中不仅可以提供大量的淡水资源，同时也增加了副化学品生产，比如盐和矿物质等，形成新型循环经济产业，降低当地潜在环境污染造成的水资源紧张，提高企业经济效益。 建立污水处理厂，可以提高城市环境质量，缓解了工业企业污水处理的压力，改善城市形象，通过污水厂处理充分利用好污水回用技术可使污水变废为宝，这样经过处理后的城市污水，可供工业循环冷却、市政园林、近郊农田灌溉，以及建筑和非接触性生活使用，大大改善了生态环境。 5 水资源调配 上述提供的水资源战略优化方案是从供需平衡角度考虑，兼顾经济、社会、环境因素，力求整个社会的经济、资源、环境综合效益的优化，对中国水资源现状的分析，保证了战略的可行性；最小费用最大流方案保证了战略方案的低成本性。但由于水资源不仅是一种自然资源，也是一种短期内不可再生的战略资源，本文在进行区域水资源协调研究时，没有考虑到区域内各层面、跨区域部门之间的竞争与博弈，受限于数据获取约束，[8]水资源战略还存在改进空间。提供的水资源战略优化方案除了可以应用与规划不同时期水资源战略外，还可以应用于其他资源的预测及调配问题，为各种资源未来可持续发展提供了可参考性方案。 参考文献： [1]钱正英，等.中国可持续发展水资源战略研究综合报告[C]. 中国水利学会2001学术年会论文集，2001，03. [2]张吉辉，李健.基于水足迹的区域广义水资源动态协调与控制[D].天津大学，2012：1-2. [3]IsraelM S， Lund J R. Priority Preserving Unit Penalties in Network Flow Modeling[J]. Journal of Water Resources Planning and Management， 1999， 125（4）： 205-214. [4]侍翰生.南水北调东线江苏境内工程水资源优化配置方法研究[D].扬州大学，2013：17-18 [5]高申.郑州市城区跨流域调水工程与调蓄水库联合调度研究[D].郑州大学，2017， [6]杨云彦.南水北调工程与中部地区经济社会协调发展[J].中南财经政法大学学报，2007：162. [7]张维润，樊雄.水处理技术[J].2009：01-02. [8]张吉辉，李健.基于水足迹的区域广义水资源动态协调与控制[J].天津大学，2012：165-166. [9]李志伟，秦晓亮，张涛，张毅驰.复杂地形地质条件下隧洞进洞方案设计与施工[J].四川水利，2017，38（05）：61-63. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。