基于多目标规划的泗县水资源优化配置研究

来源: www.daniulw.com 发布时间:2021-04-12 17:11
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:工程硕士
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 摘  要 水是生命之源,生产之要、生态之基,对支撑区域协调发展具有不可替代的作用。现阶段,区域取用水困难、供水水质难以保障等用水问题越发成为阻碍区域可持续发展的重要因素。为此,对区域水量开展优化调配研究,科学合理配置区域有限水资源,可在一定程度上缓解区域用水冲突问题。基于此,本文以安徽省泗县为研究区,考虑各用水部门和供水水源之间的配水关系,及供需水约束条件,选取经济效益最大、社会缺水量最小和污染物排放量最小为目标函数,建立泗县地区多目标水资源优化配置模型。模型采用NSGA-Ⅲ算法求解,根据生成的Pareto最优解集和多目标规划特点,确定了在不同保证率下,各规划年水资源配置方案。主要内容及成果如下:

 
  (1)选取2018年为现状年,对现状年泗县水资源开发利用程度评价,调查分析区域多年供需水变化过程,并结合以现状年生活、工业和农业等用水指标进一步说明现状年泗县用水水平。
  
  (2)综合分析泗县各规划、成果、公报等资料,在现状年基础上,选取2025年、2030年和2035年为规划年,对规划年经济、农业、人口等发展指标进行预测,采用定额法预测不同规划年需水量。并在现状年供水工程基础上,预测了在不同保证率下,各规划年可供水量。通过对规划年供需平衡分析可知,在保证率为P=50%、P=75%下,规划年区域取用水均可满足,不存在缺水现象;在保证率为P=95%下,区域供需水矛盾冲突,各规划年将出现不同程度缺水现象。
  
  (3)确定模型各参数,采用NSGA-Ⅲ算法求解模型,根据生成Pareto最优解集及多目标规划特点,确定水资源优化配置方案。优化配置结果表明:在P=95%保证率下,各规划年总缺水量和缺水率分别为2485万m?、3331万m?、3600万m?和11.6%、14.5%、15.1%。与常规水资源配置方案相比,各规划年P=95%保证率下全县缺水率分别下降了1.0%、2.0%和2.7%。最后,针对规划年不同程度缺水现象,提出了泗县水资源合理开发利用的建议与对策。
基于多目标规划的泗县水资源优化配置研究
  
  关键词:    泗县;多目标;水资源优化配置;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   绪论

  
  1.1、研究背景及意义。
  
  1.1.1、研究背景。
  
  水,作为一种自然资源,对支撑区域全方位协调发展有着重要意义。现阶段,在区域发展的进程中,随着对水资源量需求的快速增加和对供水水质要求的不断提高,可供人们利用的淡水量在不断减少。近几十年来,由于水资源量的供给不足、供水水质难以保障及水环境的持续恶化等水危机问题日益越发突出,目前,水危机问题已为一个主要影响因素,阻碍着我国较多区域的经济社会发展,且我国用水整体效率较低、水资源配置和取用的不合理及浪费严重等现象也成为影响水资源可持续利用发展的主要障碍。同时,在区域社会经济稳步发展的同时及城镇人口稳定增长的背景下,区域水资源需求量的增加与水资源供给量的严重不平衡性日益严重。因此,开展区域水资源科学规划,合理配置、优化调度区域有限水资源量,对缓解区域用水危机、阻止水环境恶化等方面有着重要的现实意义。
  
  泗县坐落于安徽省东北方向,为典型的农业大县,年际间,降雨量变化波动较为剧烈,最大年降雨量与最小年降雨量可相差数倍;年内间,降雨多发于汛期(6~9月)。人均水资源量较全省平均水平偏少,仅为全省人均的一半左右。其境内地表水系发达,大中小河流较多,但河道均位于中下游,污染较为严重,水质整体较差,不满足饮用要求。且过去因发展需要,无节制的开采地下水资源,又因中深层地下水资源恢复较为困难,使得部分区域形成漏斗,引发新的危机;同时在取用水过程中,无意识注重环境的保护,致使大量生活、生产污水排放至河湖中,导致区域水环境日益恶化。综上,该区域因地表水水质较差,地下水资源过度开采,可利用水量总体偏少,属水资源匮乏地区。
  
  由于区域降水年内分配不均和年际变化较大,且地表水环境状况较差,水利工程蓄水能力不足,导致区域出现缺水问题越来越频发。随着区域经济发展,生产需水逐年增高;又因城镇化的推进,城镇人口的不断增加,生活需水量也在增大;且由于越来越重视环境的保护,其用水量也在逐年增长,最终导致泗县需水总量呈逐年增加的变化趋势。因区域水资源供需矛盾突出,生活、生产、环境等用水部门之间出现相互挤占水资源的现象,会在一定程度上弱化环境的供水量,致使环境恶化。环境的恶化在一定程度上又会导致区域水资源可利用量进一步降低,如此往复,使得泗县水资源供需矛盾越发突出。
  
  近年来,泗县在农业生产的基础上,大力发展工业,使得区域经济发展得到了较为满意的结果,全县各方面发展水平得到了显着的提升,并继续保持着良好的发展趋势。随着全县的发展要求,区域用水需求量增大,用水结构也发生了较大变化。如何妥善处理好需水与供水之间的矛盾、社会经济发展用水与环境保障用水之间的矛盾,合理安排生活、生产、环境等用水,保障社会经济又快又好发展;如何合理调配水资源,最大化满足全县需水要求等,将是泗县在未来经济社会发展中面临的首要问题之一,关系到泗县运河文化名城、生态宜居之城、经济繁荣之城、社会和谐幸福之城的建设。
  
  因此,基于可持续发展理念和新时期治水方针,在水资源“三条红线”保护下,以水资源作为最大刚性约束,在保护环境的同时,着力解决好泗县经济社会发展对水资源的可持续利用需求,开展泗县区域水资源优化配置研究,为泗县水资源综合规划和调度、保障经济社会发展提供科学指导依据。
  
  1.1.2、研究意义。
  
  在可持续发展的理念、“三条红线”保护下等,如何满足区域居民正常需水、维持工农业发展用水和保障最低环境需水、如何提高水资源利用效率,减少水资源不必要浪费、以及在生活、生产、环境等需水部门合理调配水资源等是现阶段泗县地区水资源管理亟需解决的问题。
  
  综上,根据泗县水资源现状、经济社会发展状况以及取用水动态变化趋势,必须对当地有限的水资源量科学开采、高效配置、综合规划及全面保护。一方面,泗县水资源天然禀赋条件较差,现状供需矛盾突出,供水保障能力不高,要求全方位考虑泗县地区水资源问题,针对问题综合优化水资源调配的能力。另一方面,随着区域发展步入新时代、新阶段,应严格遵守各项治水方针和制度,切实贯彻各项水资源管理方法和措施,在追求区域最优化发展的同时严格落实水资源保护指标。
  
  因此,亟需开展泗县水资源优化配置研究,为泗县水资源开发利用全面-系统-科学-合理的规划提供有利保障。其目的旨在支撑区域经济社会稳步发展的同时统筹协调资源与环境的可持续发展。最终实现社会、经济和环境效益最大化和资源可持续发展。
  

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  1.2 、国内外研究现状.
  1.2.1、国外研究现状.
  1.2.2、国内研究现状
  1.3 、研究内容及路线.
  1.3.1、 研究内容.
  1.3.2、 技术路线.
  
  第2章  研究区域概况.
  
  2.1、自然地理概况.
  2.1.1、地理位置.
  2.1.2、地形地貌.
  2.1.3、 气候气象.
  2.1.4、 水文地质.
  2.1.5、 河流水.
  2.1.5.1、 河流.
  2.1.5.2、 湖库.
  2.1.6、土壤类型.
  2.2、社会经济发展概况.
  2.2.1、人口.
  2.2.2、国民经济.
  2.3、本章小结.
  
  第3章  水资源量及开发利用状况.
  
  3.1、水资源量.
  3.1.1、地表水资源量.
  3.1.2、地下水资源
  3.2、水资源开发利用现状.
  3.2.1、供水工程及供水能.
  3.2.2、现状年用水量
  3.2.3、现状年供水量.
  3.2.4、开发利用程度.
  3.2.5、现状年用水水平及效
  3.3、本章小结
  
  第4章  供需水预测.
  
  4.1、需水预测.
  4.1.1、需水预测内容.
  4.1.2、需水预测方法.
  4.1.3、生活需水量预测.
  4.1.4、工业需水量预测.
  4.1.5、农业需水量预测.
  4.1.6、环境需水量预测.
  4.1.7、 需水总量.
  4.1.8、需水结构分析.
  4.2、供水预测.
  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、可供水总.量.
  4.3、 规划年供需平衡分析.
  4.4、本章小结
  
  第5章  多目标水资源优化配置模型构建及求解
  
  5.1、多目标水资源优化配置理论简.
  5.1.1、多目标规划法.
  5.1.2、水资源配置理论.
  5.1.3、多目标水资源优化配置理论.
  5.2、多目标水资源优化配置原.
  5.2.1、可持续发展原则.
  5.2.2、公平公正原则.
  5.2.3、有效保护原则
  5.3、多目标水资源优化配置模型构建.
  5.3.1、目标函数
  5.3.2、约束条件.
  5.3.3、多目标水资源优化配置总体模型.
  5.4、多目标水资源优化配置模型求解
  5.4.1、模型参数确定.
  5.4.2、 NSGAI算法原理
  5.4.3、模型运行结果
  5.4.4、优化配置结果分析
  5.5、本章小结.

  结  论

  本文以泗县为研究对象,开展泗县区域水资源优化配置研究。以2018年为现状年,以2025年、2030年和2035年为规划年。首先,对现状年泗县水资源条件及现状年生活、工业、农业和环境用水水平及用水量分析。基于现状年泗县地区整体用水水平、区域发展状况、以及现状水资源开发利用程度等基础上,通过综合考虑各项发展规划和措施,分别预测了各规划年在保证率分别为P=50%、P=75%及P=95%下的生活、工业、农业和环境需水量。需水预测结果表明:规划年间,随着区域人口数量提升、区域经济发展加快、以及人们对环境改善意愿的增强等,区域生活、工业和环境需水量均呈现出增长趋势;而农业需水量随农业节水力度的加大等呈明显减少趋势。其次,在现状年水利工程基础上,结合各项水利发展规划,预测了各规划年不同保证率下区域水源的可供水量。通过供需平衡分析,2025年、2030年、2035年在保证率P=50%、P=75%下,全县正常生活、发展等需水可得到正常满足,区域不存在缺水显现;在P=95%保证率下,各规划年将会出现不同程度缺水现象。最后,为保证规划年研究区域整体协调可持续发展,基于多目标规划方法,以供水经济净效益最大、社会缺水量最小和污染物排放最小为目标,综合考虑了泗县区域供水水源的实际供给状况、区域取用水需求等,建立了泗县地区水资源多目标规划模型。采用NSGA-Ⅲ算法求解该模型,根据生成的Pareto最优解集,基于多目标规划特点,得出了在不同保证率下,各规划年水资源优化配置方案。为泗县水资源综合规划与管理,以及该区域经济-社会-资源可持续发展提供一定指导意义。主要成果如下:

  (1)综合区域各项发展规划和措施,分析区域经济社会发展变化态势。在现状年基础上,对规划年间区域经济社会发展指标进行预测,并采用定额法预测了不同规划年各保证率下生活、工业、农业和环境需水量。规划年2025年、2030年、2035年在保证率分别为P=50%、P=75%、P=95%下,区域需水总量分别为16930.1万m3、20162.3万m3和23805.8万m3;8588.8万m3、21728.8万m3和25451.2万m3;19978.1万m3、22802.5万m3和26471.7万m3。考虑现状年区域供水能力以及规划年需水要求的增加,结合区域水利工程规划,预测了不同规划年各保证率下供水水源的可供水量。规划年2025年、2030年、2035年在保证率分别为P=50%、P=75%、P=95%下,可供水量分别为22484.6万m3、21820.5万m3和20934.9万m3;22916.2万m3、22207.1万m3和21261.5万m3;23514.7万m3、22760.6万m3和21755.0万m3。根据供需水预测结果进行了供需平衡分析。

  (2)在供需水量预测的基础上,根据泗县水资源供给条件和区域需水要求,基于多目标规划方法,建立了以经济效益最大、社会缺水量最小和污染物排放最小的泗县地区水资源优化配置模型。

  (3)通过对模型求解,根据生成的Pareto最优解集,基于多目标规划特点,考虑可持续发展要求,综合确定了各规划年不同保证率下水资源优化配置方案,并从用配水量、缺水量等方面分析了优化配置结果。与常规水资源配置方案相比,各规划年P=95%保证率下,优化配置后的方案总缺水率分别下降了1.0%、2.0%和2.7%。
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  参考文献.

 

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