城市水資源管理模型范文

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1引言

水是人民生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源,同時(shí)又是生態(tài)環(huán)境的控制要素,是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。聯(lián)合國(guó)組織近年一再?gòu)?qiáng)調(diào)大城市水資源是世界水資源問(wèn)題中的重點(diǎn),而管理又是城市水資源問(wèn)題的核心。水利部黨組在黨中央、國(guó)務(wù)院治水方針指導(dǎo)下,提出以水資源的可持續(xù)利用支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的治水新思路,高度重視城市水問(wèn)題,明確提出做好城市水利工作是實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。因此加強(qiáng)城市水資源管理研究,對(duì)城市用水健康循環(huán)和保證城市可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

隨著城市規(guī)模與分布密度的不斷增大,需水量由局部問(wèn)題擴(kuò)張到區(qū)域性問(wèn)題。水資源進(jìn)入了供水管理時(shí)期,其任務(wù)是保證供水,滿足城市的穩(wěn)定用水,科學(xué)分水,使各城市備用水部門(mén)能夠合理、均衡發(fā)展,它構(gòu)成了近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外城市水資源管理與研究的主要內(nèi)容。城市經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,可利用水資源量成為區(qū)域性的約束因素,水資源管理將進(jìn)入一個(gè)新的水資源供需調(diào)控時(shí)期,管理內(nèi)容同時(shí)包括供水管理、需求管理以及供需綜合調(diào)控。這個(gè)新的時(shí)期,供水管理不再是單純的水量保證問(wèn)題,而是要從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等方面考察供水規(guī)模與供水增長(zhǎng)速度的有效性,設(shè)計(jì)供水的優(yōu)化方案。需求管理是在供水的平均成本和邊際成本的壓力下,以行政、經(jīng)濟(jì)、法律等手段提高生產(chǎn)用水的有效性,促進(jìn)城市用水及其發(fā)展趨勢(shì)與供水、水環(huán)境條件相適宜。另一方面,如果城市用水的比較效益很高,將能促進(jìn)或刺激供水的擴(kuò)大,這使得城市水資源供需存在著互為反饋的動(dòng)力機(jī)制,借此,城市水資源供需調(diào)控得以實(shí)施,使有可能找到一條水供需動(dòng)態(tài)優(yōu)化的控制路徑和管理模式。城市水資源可持續(xù)管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需建立在多目標(biāo)、多主體規(guī)劃模型基礎(chǔ)上,從更高層次角度提出管理模式,求出全局最優(yōu)策略,實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一經(jīng)營(yíng)與統(tǒng)一管理,從而解決資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化和水污染問(wèn)題。從效益上來(lái)看,城市水資源管理一體化的最終目標(biāo)是水資源開(kāi)發(fā)利用必須達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,從中尋求最優(yōu)的水資源利用方式,最大限度地滿足該地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的需求、改善國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水和生態(tài)環(huán)境用水的矛盾、合理開(kāi)采利用地下水,達(dá)到水資源配置的合理與高效,實(shí)現(xiàn)水資源對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的支撐。因此其中的關(guān)鍵問(wèn)題就是城市水資源管理模型的合理開(kāi)發(fā),需按照系統(tǒng)化、最優(yōu)化、決策化進(jìn)行分析研究,應(yīng)用電腦快速整理和融匯所有有關(guān)資料,提供高科技含量的高智能評(píng)估,利用信息反饋原理和運(yùn)籌決策法提出最優(yōu)開(kāi)發(fā)利用的地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度、水量與水質(zhì)統(tǒng)一管理、水污染綜合整治等的科學(xué)依據(jù)。

2研究現(xiàn)狀分析

水資源管理理論研究的發(fā)展,是與水資源的持續(xù)利用和人類(lèi)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展密不可分的。近100年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,水資源管理逐步走向合理化、多樣化和集約化(福田仁志,1983)。同時(shí),水資源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度和分配、水資源宏觀區(qū)域規(guī)劃、水環(huán)境戰(zhàn)略保護(hù)以及采取全面節(jié)水措施、營(yíng)造節(jié)水型社會(huì)等方面都有很大的進(jìn)步。雖然城市水資源管理由來(lái)久遠(yuǎn),但將管理、科學(xué)管理置于重要位置卻是近30年的事。

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外城市水資源管理的研究,包括供給、需求及污水處理的研究,60年代就已開(kāi)始。Scarato(1969年)[1]將能力(容量)擴(kuò)大的原優(yōu)化模型首次用于城市的水處理與輸水管道的布局規(guī)劃方面,并且取得了較好的結(jié)果；Riordan(1971年)[2]提出了一般的多階段邊際費(fèi)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型,將此模型用于城市水處理設(shè)施的規(guī)劃方面,以費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)對(duì)城市水處理設(shè)施進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃；Mulvihill和Dracup(1974年)[3]用非線性規(guī)劃方法建立了城市供水和污水處理的聯(lián)合規(guī)劃模型；Dandy等(1984年)[4]提出一種考慮價(jià)格、償還貸款等因素的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法,并將這種方法用于城市供水系統(tǒng)的規(guī)劃；Haimes(1974年)[5]將供水和用水作為協(xié)調(diào)對(duì)象,用系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)方法構(gòu)造出區(qū)域供水需水協(xié)調(diào)模型,并用此模型對(duì)北大西洋區(qū)域的水資源進(jìn)行了分析與規(guī)劃；1983年,D.P.Sheer經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力,利用優(yōu)化和模擬相結(jié)合的技術(shù)在華盛頓特區(qū)建立了城市配水系統(tǒng)；1992年6月聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)在巴西里約熱內(nèi)盧通過(guò)了著名的《里約宣言》和《21世紀(jì)議程》,世界各國(guó)政府為其在宣言中所做的承諾進(jìn)行了不懈的努力,并在研究社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境如何協(xié)調(diào)發(fā)展的問(wèn)題上做了大量的工作。J.Icke(1999)[6]進(jìn)行了城市水資源管理中的可持續(xù)性評(píng)價(jià)的分析,建立了城市水資源循環(huán)模擬模型,用該模型來(lái)評(píng)價(jià)城市水資源的可持續(xù)利用性；P.M.J.Terpstra(1999)[7]建立了城市生活用水的模擬模型,用該模型來(lái)模擬各種不同供水管理水平下的用水狀況,從而選擇最優(yōu)的供水管理方式,以促進(jìn)城市用水的可持續(xù)發(fā)展；為了提高和改善可持續(xù)水資源管理水平,瑞士環(huán)境策略研究基金會(huì)(1999)[8]發(fā)起了一項(xiàng)瑞士6年研究項(xiàng)目“可持續(xù)城市水管理”,主要研究目標(biāo)是保護(hù)環(huán)境、節(jié)約自然資源及提高人類(lèi)生活健康及衛(wèi)生環(huán)境,該項(xiàng)目包括飲用水處理系統(tǒng)、城市暴雨管理系統(tǒng)及污水回用系統(tǒng)三個(gè)主要方面；TerenceR.Lee(2000)[9]探討了拉丁美洲的城市水資源管理狀況,針對(duì)具體問(wèn)題,提出了解決的思路,為將來(lái)水政策的制定提供了一定的依據(jù)。

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在我國(guó),城市水資源管理工作的研究與展開(kāi)主要開(kāi)始于20世紀(jì)80年代。周克俊(1987年)[11]將Haimes發(fā)展的模型作了改進(jìn),并應(yīng)用于常州市水資源的研究中,這項(xiàng)研究存在一個(gè)問(wèn)題是沒(méi)有考慮污水處理系統(tǒng).污水處理系統(tǒng)的存在,增加了供水費(fèi)用,對(duì)用水系統(tǒng)起約束作用,若不考慮處理費(fèi)用,則供水、用水系統(tǒng)將會(huì)擴(kuò)大到不適當(dāng)?shù)囊?guī)模；都金康等(1990年)[12]將供水、用水、污水處理一并考慮,建立城市水資源規(guī)劃和管理的分解協(xié)調(diào)模型,該模型分為兩級(jí),一級(jí)為管理協(xié)調(diào)系統(tǒng),二級(jí)由供水、用水和污水處理三個(gè)系統(tǒng)組成,分別建立第二級(jí)三個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型,然后在第一級(jí)用系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)法將三個(gè)模型連接起來(lái),形成城市水資源分解協(xié)調(diào)模型；張超等(1993年)[13]將系列模型方法應(yīng)用于城市水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃中,提出了一種新的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用了確定性與隨機(jī)性兩種動(dòng)態(tài)模擬技術(shù),以及動(dòng)態(tài)規(guī)劃,多目標(biāo)規(guī)劃等優(yōu)化技術(shù),應(yīng)用于長(zhǎng)治市水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃中。

1996年,為紀(jì)念“世界水日”,由聯(lián)合國(guó)人居中心、建設(shè)部和水利部共同舉辦了“城市水資源管理國(guó)際會(huì)議”,旨在加強(qiáng)國(guó)際間合作,共同研究策略來(lái)解決城市缺水問(wèn)題及保護(hù)全球的生態(tài)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展；1997年,由聯(lián)合國(guó)UNDP資助,中國(guó)國(guó)際經(jīng)濟(jì)和技術(shù)交流中心承擔(dān)了“21世紀(jì)的中國(guó)城市水管理”的研究課題,并得到中國(guó)建設(shè)部的大力支持,該項(xiàng)目旨在通過(guò)完善水管理機(jī)構(gòu)改革和需水管理策略,從而提高城市供水和污水管理水平,以促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展,主要研究區(qū)域包括北京和石家莊兩地；WeiYan(1999年)[10]探討了21世紀(jì)的城市水管理策略,系統(tǒng)地介紹了發(fā)達(dá)國(guó)家城市水管理的發(fā)展模式,包括水管理組織機(jī)構(gòu)、資金融資等情況；王先峰等(1999年)[14]針對(duì)西安市嚴(yán)重缺水的供水形勢(shì)及實(shí)際情況,對(duì)西安市兩個(gè)主要水源建立了動(dòng)態(tài)確定型多目標(biāo)非線性數(shù)學(xué)模型,并從水量水質(zhì)兩方面對(duì)其進(jìn)行約束,得出了27年各月的水量水質(zhì)參數(shù)；辛玉琛等(2000年)[15]建立了城市水資源優(yōu)化管理模型,該模型包括地表水優(yōu)化調(diào)度模型、地下水優(yōu)化管理模型及整體目標(biāo),并運(yùn)用該模型對(duì)長(zhǎng)春市水資源管理進(jìn)行了分析,解決了常規(guī)分析方法未能解決的問(wèn)題；邵益生(2000年)[16]探討了21世紀(jì)中國(guó)城市的水戰(zhàn)略,指出我國(guó)城市水資源目前面臨供需矛盾加劇、水源水質(zhì)保護(hù)難度加大、迫切需要改善飲用水的質(zhì)量三大挑戰(zhàn),再次建議將“節(jié)流優(yōu)先,治污為本,多渠道開(kāi)源”作為城市水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的新戰(zhàn)略；董輔祥(2000年)[17]提出了城市水資源可持續(xù)利用的方針與對(duì)策,強(qiáng)調(diào)節(jié)水與合理的水費(fèi)體制是城市水資源可持續(xù)利用的主要對(duì)策；于書(shū)霞、尚金城(2002年)[18]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法,研究了城市水資源供需系統(tǒng)的優(yōu)化分析,得出了水價(jià)和水污染整治投資比例是兩個(gè)關(guān)鍵因素,只有二者相互協(xié)調(diào),共同發(fā)揮作用,才能促進(jìn)城市水資源的可持續(xù)發(fā)展；王維平等(2003年)[20]針對(duì)缺水地區(qū)水資源時(shí)空分布不均及豐枯交替頻繁,尤其是連枯年份高頻率出現(xiàn)的特點(diǎn),采用優(yōu)化和模擬技術(shù),建立了適用于多水源、多工程、多用戶等復(fù)雜條件下具有可操作性的水資源預(yù)分配管理模型,以實(shí)現(xiàn)水資源在各地區(qū)、各部門(mén)、各行業(yè)層次上的分配。在此基礎(chǔ)上,研制出按節(jié)水水平高低和企業(yè)用水重要性大小進(jìn)行配水的管理模型,從而達(dá)到了在實(shí)際水資源管理的直接對(duì)象——企業(yè)間的優(yōu)化配置。

3結(jié)語(yǔ)

隨著水資源短缺及水污染的日趨嚴(yán)重,合理規(guī)劃及管理城市水資源、解決水資源問(wèn)題將是中國(guó)21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題,如何在傳統(tǒng)區(qū)域發(fā)展模式和自然資源開(kāi)發(fā)利用模式的基礎(chǔ)上有所突破,順利貫徹從不重視節(jié)水、治污和不注意開(kāi)發(fā)非傳統(tǒng)水資源轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)流優(yōu)先、治污為本、多渠道開(kāi)源的城市水資源可持續(xù)利用戰(zhàn)略,進(jìn)一步豐富面向可持續(xù)發(fā)展的水資源學(xué)科體系,仍然需進(jìn)一步深入的探索,特別是在城市水資源基本平衡關(guān)系、需求管理、供水管理、水量與水質(zhì)統(tǒng)一管理、地表水與地下水統(tǒng)一管理、經(jīng)濟(jì)機(jī)制、決策機(jī)制等各主要模型的數(shù)學(xué)描述等方面,還需要進(jìn)行更深層次及多元化的探討,對(duì)城市水資源管理模型來(lái)說(shuō),其發(fā)展的趨勢(shì)應(yīng)是需水、供水、排水、節(jié)水四方面的有效統(tǒng)一,如何將四方面納入一個(gè)模型之中,則是我們要研究的重點(diǎn)。