吉林省中部城市引松供水工程水资源配置方案研究

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-05-21 21:50
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:工程硕士
第1章绪论 1.1研究背景及意义 我国地域广袤,气候多样特点导致了水资源分布不均匀,东部、南方多,西 部、北方少。在夏季多雨时,南方多会发生洪涝灾害严重影响南方人们生活和南
第1章绪论
1.1研究背景及意义
我国地域广袤,气候多样特点导致了水资源分布不均匀,东部、南方多,西 部、北方少。在夏季多雨时,南方多会发生洪涝灾害严重影响南方人们生活和南 方城市经济发展,而北方因为水资源量短缺使得人们生活用水、产业用水和生态 用水矛盾突出。所以水资源的合理配置成为水利发展中的重要一环,早在20世纪 80年代初我国的学者开始对水资源如何配置进行了研究,经过这么多年,我国已 经形成了具有我国特色,符合我国国情的水资源配置方法。
吉林省位于我国东北部。在时间和空间上,吉林省水资源分布不均衡,东部 水资源丰富,中西部水资源短缺。中部地区是吉林省的经济中心,人口稠密,工 农业发达,位于东北黑土带的核心地区。它是振兴东北老工业基地和国家主要商 品粮基地的关键区域。以省会长春、工业城市四平市和辽源市为中心的中部城市, 这一片区域水资源短缺。人均水资源占有量和亩均水资源占有量分别占全国平均 水平的18%和11%。此地区水资源开发利用率已超过70%,是一个水资源匮乏的 地区。为此,吉林省政府决定兴建调水工程,以解决吉林省中部缺水的问题。
中部供水工程是松花江和辽河流域“北水南调”新格局中的近中期“三大调 水”工程之一。供水范围为长春市、四平市、辽源市及所属的九台区、德惠市、 农安县、公主岭市、梨树市、伊通县、东辽县、长春双阳区等11个市、县、区的 城区⑴。总干线进口为丰满水库,末端为冯家岭分水枢纽,分水枢纽后接长春干线、 四平干线和辽源干线。长春干线起点为总干线末端冯家岭分水枢纽调压井处,设 计水位为224.74m,终点为伊丹河;四平干线起点为冯家岭分水枢纽,经泵站加压 后向正西方向穿越伊丹河、伊通河后避开硫铁矿,在莫里青公社附近进入大黑山, 通过隧洞继续向正西方向,在南歲子镇附近穿过哈大高速公路后折向西南沿哈大 高速公路方向进入下三台水库;辽源干线起点为冯家岭分水枢纽,经泵站加压后 通过杨家林山峰处调压井,在阎家屯附近出洞,管线穿越伊丹河后沿长营公路西 侧向西南布置,在粉坊屯穿越长营公路后继续沿长营公路延伸,在伊通县付家店 正北前行至伊通县分水口,向小料浅水库和伊通县水厂供水。
对于这样一个大型调水工程来说,如何配置水资源成为一个核心问题,中部 供水工程可行性研究报告中采用数学建模的方法对水资源进行配置,但是对工程 一定无法定量只能定性的问题却没有过多的研究。在本文中将采取陈守煜教授所 提出的多目标半结构性模糊决策分析方法对工程中的定性问题定量,使定性问题 变成定量问题,与定量问题一起进行矩阵求解,最后得出最优方案。通过研究可 为调水工程中水资源配置方案的选择提供一定理论基础,为同类工程提供相应的 参照资料,具有一定的指导参考意义。
1.2国内外研究进展
1.2.1国外研究现状
在20世纪50年代中期时国外开始对水资源配置进行研究,在往后的10年到 20年间水资源配置研究开始快速发展,许多传统的方法和理论都被用到水资源配 置中。
哈佛大学的研究组在1955年提出了水资源与环境并列思考的想法,研究了社 会经济、实际工程和国家政策之间的关系,12年后《水资源系统分析》一书被发 表,书中将系统分析的思想和方法引入水资源规划中,并开始研究流域的水资源 分配模型。
70年代,Y Gen将系统分析在水资源中的应用分为线性规划,动态规划,非 线性规划和模拟技术等[2]o 1982年,Pesmo等人以产值最大为目标,以输水能力 和预计需求量为约束,并采用二次规划法研究了英国纳瓦地区的水配置问题⑶。 1987年,威利斯(Willis)的目标是最低供水成本或在供水不足时没有水流失。用 线性规划法和SUMT法求解地表水与地下水的联合运行以及水库与地下水含水层 的联合管理⑷。
1992年,Afzal和Jvaaid建立了巴基斯坦某地区灌溉系统的线性规划模型⑸。 Upmanu Lail等人于1995年建立的地表水和地下水联合应用系统的多目标管理模 型回。Wong, Huong S等人于1997年提出支持地表水,地下水和外部水的联合使 用,并考虑了防治地下水恶化的措施⑺。1999年,Kumar, Anm等人建立了废水 排放的模糊优化模型罔。
自21世纪以来,互联网的快速发展,智能优化算法日益更新,国外学者对智 能算法进行了广泛的研究。2007年B. Abolpour[9]等人在自适应神经网络模糊推理 系统基础上,将模糊强化学习算法融进来,从而建立了自适应神经模糊强化学习 法。
2014年,Nouiri, IM提出一个水资源配置的新思路,一个以优化需水和减少 费用为目标,以河流盐度需求和水力为约束条件,同时利用遗传算法以及PARETO 优化概念来求解问题。
1.2.2国内研究现状
我国的水资源配置研究始于1980年代初。1980年代初,华士乾等人应用系 统工程方法研究水资源利用问题[11],是我国研究水资源配置的开端。从“六五” 攻关开始,我国科学家针对不同时间出现的水资源问题,在国家总体战略引导下 开展了不同类型的水资源配置理论方法与对策措施研究[⑵。
(1)1981-1985年评估了华北地区的水资源,地表水和地下水可利用量,为 配置水资源奠定了基础[13]o 1986-1990年中,着重分析了“四个水”的转化机理和 水资源的合理利用,并对根据需求确定了地下水和地表水的联合结构模式进行了 研究叫
(2)1991-1995年科学家着眼于水资源与国民经济的关系,提出了基于水资 源的合理配置方法,并在华北地区,黄河流域和新疆北部地区开展了类似应用研 究[1546]o冯尚友[⑺和刘健民[罔等人分别提出水资源系统工程理论和采用大系统递 阶分析方法建立了模拟和优化相结合的三层递阶水资源系统模拟模型。
(3)1991-2000年学者针对西北内陆河流域的水生态问题开展了考虑生态的 水资源配研究。[923]。
(4)2001-2005年,科学家提出了一种广义的水资源分配方案,以将大气有 效降水,土壤水和再生水纳入水源范围,同时充分考虑再生水。并在宁夏开展研 究〔24]。在2006-2010年,在用户配置方面,从“真实节水” 出发,开始重视耗 水(ET)控制优化配置[26-27]。
(5)2010年后,国家开始兴建南水北调工程,南水北调工程加速了跨流域大 系统水资源配置的进展[28-30]o由于南水北调工程存在及其复杂的水资源系统,为 构建清晰可行的配置思路和定量方法,王浩卩1]提出了 “三次平衡分析”的理论方 法;徐良辉[辺提出了包含调水区与受水区所在流域整体进行系统模拟的系统概化 和模型构建技术;王劲峰⑴]等提出了区际调水时空优化配置理论模型。
(6)2014年后,由于我国早期快速发展和建设,水污染严重,基于此现象专 家和学者提出结合水质条件的水量配置的想法[34-36]o牛存稳等以黄河为例在分布 式水文模型模拟的基础上提出了水量水质联合模拟与评价方法卩6刘丙军等提出 基于信息嫡分析的河流水质时空演化分析模型,对东江流域水量调控下的水质变 化规律进行了验证[涸。严登华等以水量水质双总量控制为约束条件,分析了区域 水资源合理配置卩冬 董增川、付意成、张守平等采用数值模拟、水资源系统网络 等方法构建了水量水质联合模拟和配置模型[4X2]。
自从改革开放之后,我们国家倡导打开国门走出去,将国外与国内联系在一 起,正是如此,我国在自身研究水资源配置的同时,还引进了国外制作的软件, 其中MIKE-BASIN是使用最广泛的妙45]。
1.3研究内容及研究路线
1.3.1研究内容
本论文是以吉水院参与设计的中部供水工程为研究背景,水资源配置是吉林 省中部城市引松供水工程核心内容之一。吉水院采用的是以王浩院士提出的水资 源配置三次平衡思想为基础,加入长系列计算,考虑多个方面,最后使用水科院 研制的模型计算出结果,得出2030年强化节水方案为中部供水工程水资源最优配 置方案。
在本文中,通过对国内外水资源配置方法学习和分析,发现好多方法无法对 工程中的定性目标进行计算。例如中部供水工程水资源配置中存在施工技术的难 易的程度和对生态影响程度两个定性目标,这两个定性目标无法跟定量目标一起 进行定量分析,所以如果不考虑这两个目标,所选出的水资源配置方案就缺乏可 信度。所以为解决此问题,文中决定采用了陈守煜教授所提出建立的多目标半结 构模糊优选理论对中部城市供水工程水资源配置方案进行比选。首先先选出影响 水资源配置的重要指标,建立吉林省中部供水工程模糊优选图。第二步将定性目 标赋予模糊标度,使其可以进行量化分析,之后将定量目标和已经量化的定性目 标分别建立优化矩阵,算出各个目标的优属度向量。第三步,将所有目标进行整 合,代入同一个优化矩阵,算出三个水资源配置方案(节水方案)的相对优属度, 选出最大值即为最优方案。最后将所选方案与吉林省中部供水工程可行性研究报 告中所选的水资源配置方案经行对比。
1.3.2研究路线
本论文的研究路线图见图l-lo
图1・1论文研究路线图

第2章受水区水资源及开发利用现状
2.1基本概况
2.1.1自然地理概况
受水区位于松辽平原东南侧,地形地貌总体呈东南高,西北低,主要为少部 丘陵和大部台地平原。自然植被不发育,多为次生林及人工林。本区地处欧亚大 陆中纬度地带,夏季短促、温暖多雨,冬季漫长、严寒少雪,属大陆性季风气候。 该区多年平均降水量580mm左右,主要集中在6〜9月,年平均气温5.5°C。
2.1.2社会经济概况
中部地区土地肥沃、交通方便、经济发达、人口相对集中,是吉林省经济中 心区和国家主要商品粮基地;主要城镇位于吉林省社会发展的经济聚集带,是振 兴东北老工业基地的重点地区和吉林省的精华所在,人口和产业密度高,人才、 资金、技术、信息等要素的集聚能力强,对周边地区具有很强的辐射和带动作用。 已建成以省会城市长春市和重要工业城市四平市、辽源市为中心城市的吉林省中 部城市群,为全国重要的工业基地。
第3章受水区需水预测
3.1需水预测
3.1.1经济社会发展预测
3.1.1.1人口与城镇化预测
根据中部城市总体规划(2010-2030年),并参照《吉林省委省政府关于统筹 推进吉林特色城镇化的若干意见》,预测2030年供水城镇人口发展指标。
据统计,2013年供水城镇人口 620.15万人,其中11个市、县级城市(区) 人口 591.19万人,建制镇人口 28.97万人。
到2030年,供水城镇人口将达到1022.41万人,其中城市人口 948.77万人, 建制镇人口达到73.64万人;供水城镇人口预测成果详表3-lo
3.1.1.2产业结构分析与经济发展预测
吉林省发展和改革委员会从宏观上对全省经济不同阶段的增长情况进行了分 析预测,对吉林省经济布局及产业结构调整方向进行了预测。
供水城镇2030年工业产业结构情况见图3-lo

考虑经济增长的前快后慢特点,依据长春市、四平市、辽源市各地国民经济 发展十二五规划和《吉林省新型城镇化规划》,本次经济指标预测分行业考虑, 根据各县市城市发展规划,以2013年实际经济指标为基础,结合经济结构调整及 行业发展规划进行预测,经计算,2020年〜2030年经济综合增长率为5.9%,供水 城镇二、三产业经济增长速度采用值详见表3・2。
第4章 水资源方案配置(三次平衡思想)
4.1水资源配置思想与模型
4.1.1水资源“三次平衡”的配置思想
水资源“三次平衡啪勺配置思想,包括三个步骤:其一为立足于现状开发利用模 式下的水资源供需分析,即一次平衡;其二为立足于当地水资源或现有调水规模不 变的前提下,充分考虑节水和治污挖潜等条件下的水资源供需分析,即二次平衡; 其三为考虑跨流域流域工程实施调水后的水资源供需分析,即三次平衡。
4.1.2水资源配置模型
本次所研制的水资源配置模型是一种基于以水资源区套行政区为基本计算单元 的水资源供用耗排平衡方程、水利工程调度供水平衡方程以及各类约束方程,以供 水净效益最大及损失水量最小为目标函数的数学规划模型。利用世界银行和美国 GAMS公司研制的通用数学模型系统(GAMS)对该模型进行求解计算,通过对各 种方案的计算和对比分析,提出水资源配置推荐方案,为调整水资源配置格局和设 计合理的引松工程规模提供科学的依据。
4.2水文系列与需水方案
根据水资源“三次平衡”的配置思想,利用中国水利水电科学研究院研制的水 资源配置模型和软件系统对拟定的各种组合方案进行长系列模拟计算,选择的系列 为1956-2003年;针对52个计算单元48年长系列不同的降水年型分别选择不同保证 率的需水量与之对应,并结合农业灌溉月分配系数分别给出各计算单元48年长系列 逐月需水过程。根据不同水平年社会经济发展指标和生态环境保护目标、需水定额, 分别优选和给出未来各水平年一般节水(高)、适度节水(中)、强化节水(低) 三个需水方案。
第5章 水资源方案配置(模糊决策法)
5.1半结构多目标决策理论
模糊性是一种真实且客观的存在,在工程的建设中往往会存在这种无法量化 的影响目标,对于这种无法量化的影响目标即定性目标,如果忽视就会导致工程 结果的不准确,对于这一工程问题,陈守煜教授经过大量的工程实践和科学研究, 提出了 “半结构性多目标模糊理论分析方法” Hl
5.1.1多目标系统的目标相对优属度矩阵
5.1.1.1定量目标相对优属度确定
在系统中有一个由n个满足约束条件的方案组成的决策集,可以直接量化的 目标有叫个,其中越大越优目标是血个,越少越优目标是业个邯]。
第6章结论与展望
6.1结论
6.1.1中部供水工程可行性研究报告比选结果
中部供水工程可行性研究报告中使用了王浩所提出的“三次平衡”思想,使 用水科院所研制的水资源配置模型对三个节水方案进行长系列计算,并且考虑农 业,工业,第三产业用水量和需水量,社会经济发展和生态保护等多方面因素, 经过分析和比选,并参考不同水平年供水城镇缺水深度,将2030年强化节水方案 作为推荐的水资源配置成果。
6.1.2模糊决策模型比选结果
通过多目标半结构性模糊决策分析方法建立吉林省中部城市引松供水工程水 资源配置方案的优选模型,将一些无法量化的定性目标比如环境影响、移民工程 难度等,与工程投资、水资源状况和社会影响等定量目标一起进行矩阵计算,在 模型求解得出最优值,最后选定2030年强化节水方案最优越,此方案需水量40.25 亿nA 供水量39.01亿nA 缺水深度3.1%,毛调入水量&66亿m3污水处理厂 投资24亿元,节水投资50.23亿元,引松工程投资135.13亿元,污水处理厂运行 费2.31亿元,污水处理程度强,生态影响强;节水器具普及率90%,城镇管网漏 失率9%,工业重复用水率88%,生产节水量7.18亿mS节水率38.39%,节水难 度较难。
6.1.3结论
通过建立的中部供水工程水资源配置方案模糊决策模型,模型分析结果与吉 水院所编写的中部供水工程可行性研究报告所选的水资源配置方案相同,均认为 2030年强化节水方案为最优方案,由此可以看出模糊决策分析方法是适用于中部 供水工程水资源配置方案的分析和比选的,在以后的调水工程中模糊决策分析方 法也可作为一种方案分析和比选的方法。