基于多目標(biāo)規(guī)劃整合模型的秦皇島水資源利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

基于多目標(biāo)規(guī)劃整合模型的秦皇島水資源利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

1水資源子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)城市系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)組成，如社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境。水資源是城市資源子系統(tǒng)的一部分。只有對(duì)城市系統(tǒng)總體發(fā)展進(jìn)行全面正確的預(yù)測,才能從中取得城市在規(guī)劃期內(nèi)對(duì)水資源的需求信息。本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-多目標(biāo)規(guī)劃(SD-MOP)整合模型對(duì)秦皇島市水資源規(guī)劃進(jìn)行研究。1.1sd-mop整合模型系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-多目標(biāo)規(guī)劃整合模型(SD-MOP)是將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(SD)和多目標(biāo)規(guī)劃模型(MOP)有機(jī)地結(jié)合在一起,構(gòu)成一個(gè)完整的SD-MOP模型體系,是規(guī)劃優(yōu)化決策的支持系統(tǒng)。該模型基本特點(diǎn)為:能充分反映系統(tǒng)發(fā)展所固有的趨勢性和連慣性,正確描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能;能客觀尋找出對(duì)城市發(fā)展影響較大的參變量,實(shí)現(xiàn)了對(duì)各主要參變量最優(yōu)點(diǎn)的自動(dòng)搜索。據(jù)此,針對(duì)具體情況設(shè)計(jì)模擬運(yùn)行方案,模擬規(guī)劃方案實(shí)施后的系統(tǒng)發(fā)展趨勢并與決策者交互,最終形成可信度高、優(yōu)化度高、可行性強(qiáng)的規(guī)劃方案。SD-MOP整合模型流程如圖1所示。其中關(guān)鍵因素IPV(importantparametervariable)為系統(tǒng)發(fā)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(biāo)求解方法。1.2基于qhdd模型的水資源利用的優(yōu)化方法(1)建立秦皇島市城市系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型(QHDSD)。原始運(yùn)行QHDSD模型(是指所有決策變量都維持在現(xiàn)狀(以1999年為基準(zhǔn)年值)的不變情況下),預(yù)測原始模擬運(yùn)行狀態(tài)下城市總體發(fā)展趨勢,辨析出系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸,從中獲取有關(guān)水資源的信息,找出城市用水結(jié)構(gòu)的不合理之處,進(jìn)行水資源需求結(jié)構(gòu)的宏觀調(diào)整。(2)通過QHDSD模型的原始運(yùn)行和靈敏度分析,辨析出對(duì)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(yōu)值。獲得水資源利用優(yōu)化方案。(3)將優(yōu)化方案代入SD中模擬運(yùn)行(稱方案運(yùn)行,模型取值為優(yōu)化方案值),預(yù)測方案實(shí)施結(jié)果。在研究中根據(jù)秦皇島市區(qū)的具體用水情況,將城市用水分為常住人口、旅游人口、運(yùn)輸業(yè)、電力、工業(yè)、綠化和農(nóng)業(yè)幾個(gè)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(qū)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(qū)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(yè)用水6028萬t,占用水總量的27%;運(yùn)輸業(yè)用水1320萬t,占用水總量的6%;旅游業(yè)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(nóng)業(yè)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(guī)劃期內(nèi)，城市水資源的預(yù)測3.1qhdsd模型建立及運(yùn)行問題秦皇島市城市動(dòng)態(tài)仿真模型(QHDSD),邊界為秦皇島市區(qū),從2000-2015年規(guī)劃期為16年。模型包括人口、工業(yè)、服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)、資源和環(huán)境幾個(gè)子系統(tǒng),它們之間互相聯(lián)系、互相影響,構(gòu)成了多重反饋的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該模型由219個(gè)變量,230個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程組成。分析處理系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù),合理確定QHDSD模型中相關(guān)參數(shù)的值,進(jìn)行模型有效性驗(yàn)證,確認(rèn)模型符合實(shí)際系統(tǒng)。進(jìn)行QHDSD模型的原始運(yùn)行,得到系統(tǒng)在原始模擬運(yùn)行狀態(tài)下的總體發(fā)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(guī)劃值(簡記為T)。將表1與表3進(jìn)行比較,可以看出城市系統(tǒng)在原始模擬運(yùn)行狀態(tài)下按慣性發(fā)展,到2015年城市人口規(guī)模將低于T值,人均綠地面積僅為T值的61%;工業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值在規(guī)劃期的第一階段為T值的46%,第二階段為T相應(yīng)值的30%;服務(wù)業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值在第一階段為T值128%,第二階段為T值的97%;整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度低于T值,發(fā)展結(jié)構(gòu)也不合理。城市需水總量高于T值,水資源供需失調(diào)。在規(guī)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(yīng)不足,導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境惡化原始模擬運(yùn)行結(jié)果解譯:①有限的期望總投資額是制約系統(tǒng)發(fā)展的主要因素;②水資源供不應(yīng)求是系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸;③行業(yè)產(chǎn)出率及污染指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)發(fā)展的影響較大。水資源供需系數(shù)在2000年后小于1,城市處于缺水狀態(tài)。由于水資源的供應(yīng)不足及其它一些原因,會(huì)減損城市對(duì)資金和人才的吸引力,使得城市在規(guī)劃期的第二階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度滯緩。由于經(jīng)濟(jì)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(tài)環(huán)境質(zhì)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(jìn)城市的健康發(fā)展,有必要對(duì)城市用水結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。3.3城市節(jié)水措施在可行的節(jié)水措施下,對(duì)各用水部分的水資源需求量進(jìn)行初步調(diào)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(guī)模大于原始模擬運(yùn)行值,城市生活需水量將繼續(xù)增加。規(guī)劃期內(nèi)若能采用污水回用技術(shù),常住人口可節(jié)約10%新鮮用水,市政可節(jié)約20%新鮮用水,第一階段和第二階段的總節(jié)水量可分別達(dá)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(shí)間集中,對(duì)城市水資源供應(yīng)會(huì)形成短期壓力。旅游期愈短,對(duì)城市水資源供應(yīng)壓力愈大。應(yīng)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(fù)利用率,并進(jìn)一步推廣熱電聯(lián)網(wǎng)技術(shù),使新鮮耗水量降至總用水量的50%。電力節(jié)水量可達(dá)2030萬t。市區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模將逐漸縮小,城市綠地面積將不斷增大,兩項(xiàng)需水量之和基本上是個(gè)定值。節(jié)水措施:進(jìn)一步發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù),節(jié)水量為30%;完善田間節(jié)水措施,渠系利用率由0.85提高到0.9。這部分節(jié)水量在第一階段可達(dá)2314萬t。工業(yè)用水在規(guī)劃期的兩個(gè)階段分別占市區(qū)總用水量35%和40%以上,這一龐大的用水比例與較少的工業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值極不相稱。節(jié)水措施:增加污水、海水利用量,使之達(dá)到工業(yè)總用水量的20%。在規(guī)劃期第一階段和第二階段,工業(yè)可節(jié)水量分別為2307萬t和2872萬t。通過采用以上節(jié)水措施,2010年市區(qū)總用水量將降至22640萬t,2015年市區(qū)總用水量可降至23403萬t,均未突破市區(qū)可利用水資源總量,第一階段水資源可節(jié)約6606萬t,第二階段可節(jié)余9997萬t。若把這一部分水資源分配給工業(yè),2010年工業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值可增至153億元,2015年工業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值可增至206億元,這一產(chǎn)值規(guī)模與T值相比仍有較大差距。城市用水結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步調(diào)整,人口、運(yùn)輸業(yè)、電力和農(nóng)業(yè)幾部分的用水量調(diào)整已至極限,而常住人口用水量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口規(guī)模的擴(kuò)大還將不斷增加,所以必須且只能進(jìn)一步調(diào)整工業(yè)用水結(jié)構(gòu)。調(diào)整目標(biāo):合理配置規(guī)劃期內(nèi)工業(yè)可用水資源總份額,增加工業(yè)總產(chǎn)值,努力實(shí)現(xiàn)T目標(biāo)。調(diào)整方法:以QHDSD辨析出的關(guān)鍵影響因素為核心建立多目標(biāo)規(guī)劃模型,進(jìn)行城市總體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和工業(yè)行業(yè)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以獲得工業(yè)子系統(tǒng)水資源利用優(yōu)化結(jié)構(gòu)。城市總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化目的:確定城市總體優(yōu)化結(jié)構(gòu)及在此結(jié)構(gòu)下各子系統(tǒng)在規(guī)劃期內(nèi)的功能結(jié)構(gòu)和狀態(tài)規(guī)模;確定各子系統(tǒng)最大可用水量,其中包括工業(yè)所得水資源份額。4模型邊界及主要變量建立工業(yè)行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整(IAMOP)模型,用ODTL方法進(jìn)行求解,以獲得工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,并得出與之相應(yīng)的工業(yè)水資源利用優(yōu)化結(jié)構(gòu)。模型邊界為秦皇島市區(qū),規(guī)劃期為2000-2015年,分為2000-2010年和2010-2015年兩個(gè)階段。主要變量為秦皇島市的六種主要工業(yè),即:食品飲料業(yè)、紡織服裝業(yè)、造紙印刷業(yè)、化工業(yè)、建材業(yè)和冶金機(jī)電加工業(yè)。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(huán)境對(duì)污染物的最大允許排放量等約束。4.1so2的生產(chǎn)sop(1)工業(yè)產(chǎn)值最大化目標(biāo)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(biāo)MinF2=∑j=12∑k=16(NYj)(IO±jk)ΜinF2=∑j=12∑k=16(ΝYj)(ΙΟjk±)(3)工業(yè)用水量最小化目標(biāo)MinF3=∑k=16(IOjk)(IWM±jk)ΜinF3=∑k=16(ΙΟjk)(ΙWΜjk±)(4)工業(yè)占地最小化目標(biāo)MinF4=∑k=16(IOjk)(ILN±jk)ΜinF4=∑k=16(ΙΟjk)(ΙLΝjk±)(5)工業(yè)COD產(chǎn)生量最小化目標(biāo)MinF5=∑j=12∑k=16(IOjk)(CODIO±jk)ΜinF5=∑j=12∑k=16(ΙΟjk)(CΟDΙΟjk±)(6)工業(yè)TSP產(chǎn)生量最小化目標(biāo)MinF6=∑j=12∑k=16(IOjk)(TSPIO±jk)ΜinF6=∑j=12∑k=16(ΙΟjk)(ΤSΡΙΟjk±)(7)工業(yè)SO2產(chǎn)生量最小化目標(biāo)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(yè)行業(yè)產(chǎn)值(萬元/a);WAIOjk為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)值廢水排放量(t/萬元);IWMjk為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)值取水量(t/萬元);IWRj為第j階段工業(yè)可用水總量(萬t);ILNjk為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)產(chǎn)值占地量(hm2/萬元);IEALj為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)值COD處理率;IMAXCODj為第j階段工業(yè)COD環(huán)境容許排放量(kg/a);ISPIOjk為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)值懸浮物(TSP)產(chǎn)生量(kg/萬元);ISPMjk為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)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(yè)TSP環(huán)境容許量大排放量(kg/a);SO2IOjk為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)值二化硫產(chǎn)(SO2)生量(kg/萬元);SO2Mjk為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)值SO2處理量(kg/萬元);REMSO2j為第j階段第k種工業(yè)行業(yè)SO2處理率;IMAXSO2為第j聯(lián)合會(huì)工業(yè)SO2環(huán)境容許排放總量(kg/a);ICjk為第j階段k種工業(yè)行業(yè)資金投入量;ICjk為第j階段工業(yè)資金最大允許投入量。上述總量均為六種主要工業(yè)行業(yè)的總量值,為全部工業(yè)總量的76%;±代表在容忍偏離范圍內(nèi)的上下區(qū)間值。4.2工業(yè)水資源用量根據(jù)秦皇島市統(tǒng)計(jì)局、環(huán)保局的資料及QHDSD模型的運(yùn)行結(jié)果和城市總體結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)果,得到IAMOP模型運(yùn)行所需要的初始參數(shù)。經(jīng)過模型求解,得出工業(yè)行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)如表4。到2010年,以上六種工業(yè)行業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值之和占市區(qū)工業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值的76%左右。由此可知,市區(qū)工業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)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(guī)劃值。以上六種工業(yè)行業(yè)用水量之和為工業(yè)總用水量的76%,因此,工業(yè)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(jīng)過以上分析計(jì)算,得出城市水資源利用規(guī)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(guī)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(yè)萬元國內(nèi)產(chǎn)值耗水量第一階段為52.6t,第二階段為32.2t。5生態(tài)發(fā)展水平將所得規(guī)劃方案代入整合后的SD模型模擬運(yùn)行,預(yù)測方案實(shí)施后的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境后果。表6為規(guī)劃方案實(shí)施后城市系統(tǒng)主要狀態(tài)值的發(fā)展情況預(yù)測。比較表1、表2和表6可知,優(yōu)化方案下,城市人口規(guī)模接近于T值,高于原始模擬運(yùn)行值,即城市所能容納人口數(shù)量多于原始模擬運(yùn)行狀態(tài);工業(yè)國內(nèi)生產(chǎn)總值接近T值,比原始模擬運(yùn)行值高出70%,而工業(yè)用水占城市總用水量的比例較原始模擬運(yùn)行