水资源合理开发利用研究

水资源合理开发利用研究

代美1马定梅2肖同1

代美1马定梅2肖同1

1.华北理工大学建筑工程学院河北唐山063000；2.华北理工大学管理学院河北唐山063000

摘要：当前水资源短缺已成为我国经济持续发展的限制因素。本文用灰色预测模型预测了中国2025年的用水需求量，用优化配置模型制定了中国未来的最优水资源战略，并将该模型运用到实际生活中结合天津市的用水情况，提供了具体解决措施，并讨论了该战略对经济、社会和环境的影响。利用遗传算法制定了最优水资源战略，解决了水资源的存储、转移、淡化、保护等问题。根据上述水资源优化配置成果，结合国情，对水资源开发利用及配置提出了具体建议。

关键词：水资源战略灰色预测优化配置遗传算法

水资源短缺一直是限制我国经济持续发展的重要因素，为此要制定一个最佳用水战略，可以考虑通过合理优化水资源来提高其利用率。同时应追求经济、社会、环境的综合效益最大化，需要确定经济、社会、环境效益等三个目标，建立优化配置模型来解决水资源的存储、利用和分配等可持续发展问题，从而为政府或环保部门提供合理的参考建议。

1水资源可持续利用优化配置模型的建立

1.1GM（1,1）的中国用水量预测

灰色模型是利用离散随机数经过生成变为随机性被显著削弱而且较有规律的生成数，建立起的微分方程形式的模型，这样便于对其变化过程进行研究和描述。也可以对行为特征的异常情况发生的时刻进行估计计算，以及对在特定时区内发生事件的未来时间分布情况做出研究等等。灰色预测在工业、农业、商业等经济领域，以及环境、社会和军事等领域中都有广泛的应用。特别是依据目前已有的数据对未来的发展趋势做出预测分析。

利用灰色预测原理结合MATLAB进行求解[1]，得到2005年—2025年我国各个年份对应的总用水量预测值，得到预测结果直观图如下所示:

图12005年—2025年我国各个年份对应的总用水量预测

下面开始建立具体的水资源可持续利用优化配置模型：

1.2模型建立

根据区域的地形地貌、水利条件、行政区划，一般可将区域划分为若干个子区。区域内的水源，根据其供水范围可以划分为两类：公共水源和独立水源。所谓公共水源是指能同时向两个或两个以上的子区供水的水源。独立水源是指只能给水源所在地一个子区供水的水源。

设区域划分为K个子区，子区k=1,2,3…K.区域内有M个公共水源，公共水源c=1,2,3…M;k子区有I（k）个独立水源，J（k）个用水部门。公共水源c分配到k子区的水量用表示，其水量和独立水源一样，需要在各用户间分配。因此，对于k子区而言是I（k）+M个水源和J（k）个用户的水资源优化分配问题。水资源优化配置是多目标优化问题，应追求经济、社会、环境的综合效益最大，并力图保持系统的良性发展。水资源可持续优化配置的目标表现在经济目标、社会目标和生态环境目标三个方面。

其目标函数形式可表示为：

式中，X为决策变量，由不同数量、质量和赋存形式的水资源组成，一般形式如下：

(1)

为约束条件集，表示水资源的承载力、土地资源等和子系统状态方程。

目标1经济效益：经济效益选用区域供水引起的经济效益最大来表示。

2案例分析

（1）需水量及其阈值

用户需水量分别为城镇生活、工业、农村生活、农田灌溉、林牧渔5个部门的需水量。预测需水量，可以运用差分方程法、时间序列、灰色预测等方法[2]。根据中国国家统计局数据，以2010年为基准年，结合居民生活用水和工业用水对应给出了预测成果，对农田灌溉考虑两种情况，对应其灌溉需水量也有两种方案。这里取其2025年的一种方案、的数据为例，城镇居民生活、工业用水、农村生活用水、农田灌溉、林牧渔5个部门共同组成用户需水量，由此进行模型的建立求解。

（2）权重系数

确定经济、社会、环境目标的目标权重为0.40,0.33,0.27.

（3）其他参数

模型中的其他参数，均按照具体情况确定。

上述水资源优化配置模型是一个多目标、非线性的优化模型。由于所建立的模型规模并不很大，决策变量也不太多（30个）。鉴于此，采用‘大系统总体优化遗传算法’求解天津市水资源优化配置模型。遗传算法的编码方法和遗传算子的设计，是应用遗传算法时需要考虑的两个主要问题。对不同的优化问题需要使用不同的编码方法和不同的遗传算子，它们与所求解的问题密切相关，因此对所求解问题的理解程度是遗传算法应用成功与否的关键。结合天津市水资源优化配置模型的具体情况，本文对遗传算法进行了具体的设计。

对于水资源优化配置模型，根据优化遗传算法的求解步骤，以及遗传算法原理，使用MATLAB编制模型求解的程序。根据2025年用水量情况，结合确定的参数和收集到的数据，编程可求得天津市该年的水资源优化配置结果。模型的目标值根据运行程序得到的结果，分别为：经济目标（经

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济效益）元，社会目标（区域缺水量）亿m3，，环境目标（区域污染物排放量）吨。

3结论

(1)全国该年缺水量为亿,缺水率（缺水量/需水量）为，工业用水、农田灌溉、林牧渔都出现了不同程度的缺水。而城镇居民生活用水和农村生活用水、工业用水还能够供给，该年总计缺水亿;(2)对各用水部门而言，工业缺水率为、农业灌溉缺水率为、林牧渔缺水率为，城镇居民生活用水和农村生活用水还能满足供给，这也是模型中设置用户公平系数的一种体现。(3)所建立的水资源优化配置模型，是多目标优化问题，配置成果是经济、社会、环境三个目标之间的均衡解（非劣解），所求得的三个目标值，是天津市水资源优化配置效益的反映：供水经济效益f1反映了优化配置后水资源对区域经济发展的贡献；缺水量f2反映了优化配置后，该区域的供需水平衡情况；COD排放量f3与各用水部门的污水排放系数和污染物浓度有关，反映了该区域的水环境质量和水污染治理效果。(4)在优化配置模型中，求得区域的协调情况为：水资源利用与经济发展的协调度;经济发展与环境保护的协调度;整个区域的协调发展指数。可见，水资源利用与经济发展协调度较好，而经济发展与环境保护之间的协调较差，整个区域资源、经济、环境的协调性一般。

(5)本文对水资源优化配置建立了模型，当资料、信息条件以及模型参数改变时，仍可运行已编制的计算机程序，进行模型求解。因此，所建模型和设计的求解算法具有一定的适用性和可操作性。

根据上述水资源优化配置成果，结合我国国情，对水资源合理开发利用及配置提出以下建议：

(1)调整产业结构，提高各工业部门的水资源利用率;(2)开源节流，合理利用和节约用水。禁止污染水源，研究具有实际可行，节约成本的海水淡化技术，使其尽快运用到实际生活中去;(3)对于区域水资源问题，要采用科技手段，适当的调节水平衡，同时在区域水资源的使用上，可以采用配给制，这种方法在西欧已经得到了广泛推广，效果明显。

参考文献：

[1]冯尚友.水资源持续利用与管理导论[M]，北京：科学出版社，2010.

[2]冯尚友.多目标决策理论方法与应用[M].武汉:华中科技大学出版社.2014.