基于多目標規劃整合模型的秦皇島水資源利用結構優化研究

1水資源子系統的設計城市系統由許多子系統組成，如社會、經濟、資源和環境。水資源是城市資源子系統的一部分。只有對城市系統總體發展進行全面正確的預測,才能從中取得城市在規劃期內對水資源的需求信息。本文采用系統動力學-多目標規劃(SD-MOP)整合模型對秦皇島市水資源規劃進行研究。1.1sd-mop整合模型系統動力學-多目標規劃整合模型(SD-MOP)是將系統動力學模型(SD)和多目標規劃模型(MOP)有機地結合在一起,構成一個完整的SD-MOP模型體系,是規劃優化決策的支持系統。該模型基本特點為:能充分反映系統發展所固有的趨勢性和連慣性,正確描述系統的結構和功能;能客觀尋找出對城市發展影響較大的參變量,實現了對各主要參變量最優點的自動搜索。據此,針對具體情況設計模擬運行方案,模擬規劃方案實施后的系統發展趨勢并與決策者交互,最終形成可信度高、優化度高、可行性強的規劃方案。SD-MOP整合模型流程如圖1所示。其中關鍵因素IPV(importantparametervariable)為系統發展影響較大的敏感性因素,ODTL為基于容忍偏離水平交互式多目標求解方法。1.2基于qhdd模型的水資源利用的優化方法(1)建立秦皇島市城市系統動態仿真模型(QHDSD)。原始運行QHDSD模型(是指所有決策變量都維持在現狀(以1999年為基準年值)的不變情況下),預測原始模擬運行狀態下城市總體發展趨勢,辨析出系統發展的瓶頸,從中獲取有關水資源的信息,找出城市用水結構的不合理之處,進行水資源需求結構的宏觀調整。(2)通過QHDSD模型的原始運行和靈敏度分析,辨析出對秦皇島市水資源供需平衡影響較大的IPV,建立和求解MOP模型,確定IPV的最優值。獲得水資源利用優化方案。(3)將優化方案代入SD中模擬運行(稱方案運行,模型取值為優化方案值),預測方案實施結果。在研究中根據秦皇島市區的具體用水情況,將城市用水分為常住人口、旅游人口、運輸業、電力、工業、綠化和農業幾個用水部分。2我國市水資源量概況秦皇島市人均水資源量為610m3/a,是全國平均值的1/4左右,屬于缺水城市。秦皇島市區可供水資源總量2000-2005年為22246萬t,2010-2015年為29246萬t,2010-2015年為333400萬t。1999年市區需水量為22588萬t,其中常住人口生活用水4560萬t,占用水總量的20%;綠化用水1100萬t,占用水總量的5%;工業用水6028萬t,占用水總量的27%;運輸業用水1320萬t,占用水總量的6%;旅游業用水330萬t,占用水總量的1%;電力用水4060萬t,占用水總量的18%;農業用水5190萬t,占用水總量的23%。1999年水資源供需比為1。3在趙趙城的規劃期內，城市水資源的預測3.1qhdsd模型建立及運行問題秦皇島市城市動態仿真模型(QHDSD),邊界為秦皇島市區,從2000-2015年規劃期為16年。模型包括人口、工業、服務業、農業、資源和環境幾個子系統,它們之間互相聯系、互相影響,構成了多重反饋的系統結構。該模型由219個變量,230個系統動力學方程組成。分析處理系統的歷史數據,合理確定QHDSD模型中相關參數的值,進行模型有效性驗證,確認模型符合實際系統。進行QHDSD模型的原始運行,得到系統在原始模擬運行狀態下的總體發展趨勢(表1)和城市各用水部分需水量占城市總需水量的比例(表2)。表3為秦皇島市城市總體規劃值(簡記為T)。將表1與表3進行比較,可以看出城市系統在原始模擬運行狀態下按慣性發展,到2015年城市人口規模將低于T值,人均綠地面積僅為T值的61%;工業國內生產總值在規劃期的第一階段為T值的46%,第二階段為T相應值的30%;服務業國內生產總值在第一階段為T值128%,第二階段為T值的97%;整體經濟發展速度低于T值,發展結構也不合理。城市需水總量高于T值,水資源供需失調。在規劃期第一階段,水資源供需比為1∶1.12,在第二階段水資源供需比為1∶1.11。3.2水資源供應不足,導致水生態環境惡化原始模擬運行結果解譯:①有限的期望總投資額是制約系統發展的主要因素;②水資源供不應求是系統發展的瓶頸;③行業產出率及污染指標對系統發展的影響較大。水資源供需系數在2000年后小于1,城市處于缺水狀態。由于水資源的供應不足及其它一些原因,會減損城市對資金和人才的吸引力,使得城市在規劃期的第二階段經濟發展速度滯緩。由于經濟增長速度慢,防治污染資金不足,加之污染物排放量不斷增加,使得城市生態環境質量下降,人在城市中的生存適宜度降低。為了解決水資源供需矛盾,促進城市的健康發展,有必要對城市用水結構進行調整。3.3城市節水措施在可行的節水措施下,對各用水部分的水資源需求量進行初步調整。城市生活用水包括常住人口用水和市政用水,供水保證率要求高。T方案下城市人口規模大于原始模擬運行值,城市生活需水量將繼續增加。規劃期內若能采用污水回用技術,常住人口可節約10%新鮮用水,市政可節約20%新鮮用水,第一階段和第二階段的總節水量可分別達到1325萬t和1448萬t。旅游用水占城市總需水量的比例很小,但旅游人口用水時間集中,對城市水資源供應會形成短期壓力。旅游期愈短,對城市水資源供應壓力愈大。應采取措施將旅游期由7～8月延長為5～10月。可提高電力用水的重復利用率,并進一步推廣熱電聯網技術,使新鮮耗水量降至總用水量的50%。電力節水量可達2030萬t。市區農業生產規模將逐漸縮小,城市綠地面積將不斷增大,兩項需水量之和基本上是個定值。節水措施:進一步發展節水灌溉技術,節水量為30%;完善田間節水措施,渠系利用率由0.85提高到0.9。這部分節水量在第一階段可達2314萬t。工業用水在規劃期的兩個階段分別占市區總用水量35%和40%以上,這一龐大的用水比例與較少的工業國內生產總值極不相稱。節水措施:增加污水、海水利用量,使之達到工業總用水量的20%。在規劃期第一階段和第二階段,工業可節水量分別為2307萬t和2872萬t。通過采用以上節水措施,2010年市區總用水量將降至22640萬t,2015年市區總用水量可降至23403萬t,均未突破市區可利用水資源總量,第一階段水資源可節約6606萬t,第二階段可節余9997萬t。若把這一部分水資源分配給工業,2010年工業國內生產總值可增至153億元,2015年工業國內生產總值可增至206億元,這一產值規模與T值相比仍有較大差距。城市用水結構還需要進一步調整,人口、運輸業、電力和農業幾部分的用水量調整已至極限,而常住人口用水量隨著經濟的發展、人口規模的擴大還將不斷增加,所以必須且只能進一步調整工業用水結構。調整目標:合理配置規劃期內工業可用水資源總份額,增加工業總產值,努力實現T目標。調整方法:以QHDSD辨析出的關鍵影響因素為核心建立多目標規劃模型,進行城市總體結構的優化和工業行業內部產業結構優化,以獲得工業子系統水資源利用優化結構。城市總體結構優化目的:確定城市總體優化結構及在此結構下各子系統在規劃期內的功能結構和狀態規模;確定各子系統最大可用水量,其中包括工業所得水資源份額。4模型邊界及主要變量建立工業行業產業結構調整(IAMOP)模型,用ODTL方法進行求解,以獲得工業產業結構優化方案,并得出與之相應的工業水資源利用優化結構。模型邊界為秦皇島市區,規劃期為2000-2015年,分為2000-2010年和2010-2015年兩個階段。主要變量為秦皇島市的六種主要工業,即:食品飲料業、紡織服裝業、造紙印刷業、化工業、建材業和冶金機電加工業。所建模型中水資源約束只是約束條件之一,還有其它方面如資金投入量、環境對污染物的最大允許排放量等約束。4.1so2的生產sop(1)工業產值最大化目標MaxF1=∑j=12∑k=16(NYj)*IO±jk)ΜaxF1=∑j=12∑k=16(ΝYj)*ΙΟjk±)(2)廢水排放最小化目標MinF2=∑j=12∑k=16(NYj)(IO±jk)ΜinF2=∑j=12∑k=16(ΝYj)(ΙΟjk±)(3)工業用水量最小化目標MinF3=∑k=16(IOjk)(IWM±jk)ΜinF3=∑k=16(ΙΟjk)(ΙWΜjk±)(4)工業占地最小化目標MinF4=∑k=16(IOjk)(ILN±jk)ΜinF4=∑k=16(ΙΟjk)(ΙLΝjk±)(5)工業COD產生量最小化目標MinF5=∑j=12∑k=16(IOjk)(CODIO±jk)ΜinF5=∑j=12∑k=16(ΙΟjk)(CΟDΙΟjk±)(6)工業TSP產生量最小化目標MinF6=∑j=12∑k=16(IOjk)(TSPIO±jk)ΜinF6=∑j=12∑k=16(ΙΟjk)(ΤSΡΙΟjk±)(7)工業SO2產生量最小化目標MinF7=∑j=12∑k=16(IOjk)(SO2IO±jk)ΜinF7=∑j=12∑k=16(ΙΟjk)(SΟ2ΙΟjk±)約束條件:∑k=16(IOjk)(IWM±jk)≤IWR±j∑k=16(ΙΟjk)(ΙWΜjk±)≤ΙWRj±;∑k=16(IOjk)(ILN±jk)≤IEAL±j)∑k=16(ΙΟjk)(ΙLΝjk±)≤ΙEALj±);∑k=16(ICjk)≤IC±j∑k=16(IOjk)(TSPIO±jk)?∑k=16(ISPM±jk)(REMTSP±)≤IMAXISP±j∑k=16(IOjk)(CODIO±jk)(1?REMCOD±j)≤IMAXCOD±j∑k=16(IOjk)(SO2IO±jk)?∑k=16(SO2M±jk)(REMSO±2)≤IMAXSO±2j∑k=16(ΙCjk)≤ΙCj±∑k=16(ΙΟjk)(ΤSΡΙΟjk±)-∑k=16(ΙSΡΜjk±)(REΜΤSΡ±)≤ΙΜAXΙSΡj±∑k=16(ΙΟjk)(CΟDΙΟjk±)(1-REΜCΟDj±)≤ΙΜAXCΟDj±∑k=16(ΙΟjk)(SΟ2ΙΟjk±)-∑k=16(SΟ2Μjk±)(REΜSΟ2±)≤ΙΜAXSΟ2j±式中NY1為第j階段長度(a);IOjk為第j階段第k種工業行業產值(萬元/a);WAIOjk為第j階段第k種工業行業單位產值廢水排放量(t/萬元);IWMjk為第j階段第k種工業行業單位產值取水量(t/萬元);IWRj為第j階段工業可用水總量(萬t);ILNjk為第j階段第k種工業行業產值占地量(hm2/萬元);IEALj為第j階段第k種工業行業單位產值COD處理率;IMAXCODj為第j階段工業COD環境容許排放量(kg/a);ISPIOjk為第j階段第k種工業行業單位產值懸浮物(TSP)產生量(kg/萬元);ISPMjk為第j階段第k種工業行業單位產值TSP處理量(kg/萬元);REMTSPj為第j階段TSP處理率;IMAXTSPj為第j階段工業TSP環境容許量大排放量(kg/a);SO2IOjk為第j階段第k種工業行業單位產值二化硫產(SO2)生量(kg/萬元);SO2Mjk為第j階段第k種工業行業單位產值SO2處理量(kg/萬元);REMSO2j為第j階段第k種工業行業SO2處理率;IMAXSO2為第j聯合會工業SO2環境容許排放總量(kg/a);ICjk為第j階段k種工業行業資金投入量;ICjk為第j階段工業資金最大允許投入量。上述總量均為六種主要工業行業的總量值,為全部工業總量的76%;±代表在容忍偏離范圍內的上下區間值。4.2工業水資源用量根據秦皇島市統計局、環保局的資料及QHDSD模型的運行結果和城市總體結構調整結果,得到IAMOP模型運行所需要的初始參數。經過模型求解,得出工業行業產業結構如表4。到2010年,以上六種工業行業國內生產總值之和占市區工業國內生產總值的76%左右。由此可知,市區工業國內生產總值到2010年、2015年分別為193億元和361億元,基本接近了總體規劃值。以上六種工業行業用水量之和為工業總用水量的76%,因此,工業總用水量到2010年、2015年分別為10147萬t和11830萬t,占城市用水總量的35%和36%。經過以上分析計算,得出城市水資源利用規劃方案(表5):城市總用水量到2010年、2015年分別為29176萬t和33309萬t,水資源供需比均略大于1(見表3)。其中常住人口水資源消耗量在規劃期第一階段為120L/d,第二階段為130L/d。市政用水為生活用水量的1.3倍。工業萬元國內產值耗水量第一階段為52.6t,第二階段為32.2t。5生態發展水平將所得規劃方案代入整合后的SD模型模擬運行,預測方案實施后的社會、經濟和環境后果。表6為規劃方案實施后城市系統主要狀態值的發展情況預測。比較表1、表2和表6可知,優化方案下,城市人口規模接近于T值,高于原始模擬運行值,即城市所能容納人口數量多于原始模擬運行狀態;工業國內生產總值接近T值,比原始模擬運行值高出70%,而工業用水占城市總用水量的比例較原始模擬運行