水资源管理学5-6章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水,资,资,源,源,管,管,理,理,学,学,（水,资,资源,规,规划,与,与管,理,理）,张永,祥,祥,2008,年,年9,月,月,课程,大,大纲,硕士,研,研究,生,生课,程,程大,纲,纲-水,资,资源,管,管理,学,学,硕士,研,研究,生,生课,程,程简,介,介-水,资,资源,规,规划,与,与管,理,理,水资,源,源管,理,理,水资,源,源规,划,划1,水资,源,源规,划,划2,教材,书,书目,1、,李,李,广,广贺,、,、刘,兆,兆昌,、,、张,旭,旭，,水,水资,源,源利,用,用工,程,程与,管,管理,，,，清,华,华大,学,学出,版,版社,，,，2002,2、,汪,汪承,杰,杰,水,水资,源,源计,算,算与,评,评价,南,京,京：,南,南京,大,大学,出,出版,社,社，1992,3、Adamson，AW,水,水资,源,源系,统,统规,划,划与,分,分析,北,京,京：,科,科学,出,出版,社,社，1984,参考,书,书目1,1、,现,现,代,代水,资,资源,管,管理,概,概论,。,。吴,季,季松,。,。2002年10,月,月第1版,。,。北,京,京：,中,中国,水,水利,水,水电,出,出版,社,社,2、,水,水,资,资源,学,学。,陈,陈家,琦,琦，,王,王浩,，,，杨,小,小柳,。,。2002年4月,第,第1,版,版。,北,北京,：,：科,学,学技,术,术出,版,版社,3、,水,水,资,资源,管,管理,。,。赵,宝,宝璋,。,。1994。,中,中国,水,水利,水,水电,出,出版,社,社,4、,水,水,资,资源,持,持续,利,利用,与,与管,理,理导,论,论。2000,年,年7,月,月第1版,。,。冯,尚,尚友,。,。北,京,京：,科,科学,技,技术,出,出版,社,社,参考,书,书目2,1、,付,付国,伟,伟，,程,程声,通,通,水,水污,染,染控,制,制系,统,统规,划,划,北,北京,：,：清,华,华大,学,学出,版,版社,，,，1985,2、,付,付国,伟,伟，,程,程声,通,通,水,水质,管,管理,信,信息,系,系统,的,的系,统,统分,析,析,北,北京,：,：中,国,国环,境,境科,学,学出,版,版社,，,，1988,3、,朱,朱党,生,生，,王,王超,，,，程,晓,晓冰,水,资,资源,保,保护,规,规划,理,理论,及,及技,术,术,北,北京,：,：中,国,国水,利,利水,电,电出,版,版社,，,，2001,第五,章,章,水资,源,源系,统,统分,析,析方,法,法,5.1,模,模型,化,化和,最,最优,化,化,5.1.1,数学,模,模型,（一,）,）数学,模,模型是一,组,组描,述,述和,代,代表,真,真实,系,系统,的,的方,程,程。,式中,：,：,D(t),时间,t,后溶,解,解氧,的,的饱,和,和差,；,；,L(t),有机,质,质的,需,需氧,量,量；,K,1,脱氧,率,率；,K,2,复氧,率；,（二,）,）数,学,学模,型,型分,类,类,线性,模,模型,和,和非,线,线性,模,模型,线性,模,模型,和,和非,线,线性,模,模型,。,。,确定,性,性模,型,型的,概,概率,模,模型,静态,模,模型,和,和动,态,态模,型,型,集中,参,参数,模,模型,和,和分,散,散参,数,数模,型,型,5.1.2,最优,化,化,（一,）,）最优,化,化过,程,程：选,择,择一,组,组决,策,策变,量,量，,在,在系,统,统的,约,约束,条,条件,控,控制,下,下，,使,使目,标,标达,到,到极,值,值的,过,过程,。,。,式中,：,x,1,x,2,x,n,决策,变,变量,；,；,f(x,1,x,2,x,n,),目标,函,函数,；,；,b,已知,值,值；,（二,）,）最,优,优化,技,技术,分,分类,微分,法,法。,线性,规,规划,非线,性,性规,划,划,动态,规,规划,分解,和,和多,级,级分,析,析法,模拟,（三,）,）模,拟,拟,模拟：时,间,间里,一,一个,反,反映,实,实际,的,的数,学,学模,型,型，,然,然后,在,在模,型,型上,实,实验,。,。根,据,据实,验,验条,件,件，,确,确定,实,实验,结,结果,。,。,系统,识,识别：确,定,定模,型,型结,构,构和,参,参数,。,。,5.2,动,动态,规,规划,5.2.1,动,动态,规,规划,概,概念,动态,规,规划,是,是用,来,来解,决,决多,阶,阶段,决,决策,过,过程,最,最优,化,化的,一,一种,数,数量,方,方法,。,。其,特,特点,在,在于,，,，它,可,可以,把,把一,个,个n,维,维,决,决策,问,问题,变,变换,为,为几,个,个一,维,维最,优,优化,问,问题,，,，从,而,而一,个,个一,个,个地,去,去解,决,决。,1,2,n,状态,决策,状态,决策,状态,状态,决策,渠道,最,最短,路,路径,问,问题,A,B,1,B,2,C,1,C,2,C,3,D,2,4,3,3,3,3,2,1,1,1,4,图示,如,如下,：,：,状态,转,转移,方,方程是确,定,定过,程,程由,一,一个,状,状态,到,到另,一,一个,状,状态,的,的演,变,变过,程,程。,如果,第,第,k,阶段,状,状态,变,变量,s,k,的值,、,、该,阶,阶段,的,的决,策,策变,量,量一,经,经确,定,定，,第,第,k+1,阶段,状,状态,变,变量,s,k+1,的值,也,也就,确,确定,。,。,状态,转,转移,方,方程,如,如下,（,（一,般,般形,式,式）,1,2,k,s,1,u,1,s,2,u,2,s,3,s,k,u,k,s,k,+1,能用,动,动态,规,规划,方,方法,求,求解,具,具有无后,效,效性的多,阶,阶段,决,决策,过,过程,。,。,式中,:,阶段,变,变量,k,状态,变,变量,s,k,决策,变,变量,u,k,;,如果,状,状态,变,变量,不,不能,满,满足,无,无后,效,效性,的,的要,求,求，,应,应适,当,当地,改,改变,状,状态,的,的定,义,义或,规,规定,方,方法,。,。,动态,规,规划,中,中能,处理,的,的状,态,态转,移,移,方程,的,的形,式,式。,状,态,态,具,具,有,有,无,无,后,后,效,效,性,性,的,的,多,多,阶,阶,段,段,决,决,策,策,过,过,程,程,的,的,状,状,态,态,转,转,移,移,方,方,程,程,如,如,下,下,无,后,后,效,效,性,性,(,马,尔,尔,可,可,夫,夫,性,性,),如,果,果,某,某,阶,阶,段,段,状,状,态,态,给,给,定,定,后,后,，,，,则,则,在,在,这,这,个,个,阶,阶,段,段,以,以,后,后,过,过,程,程,的,的,发,发,展,展,不,不,受,受,这,这,个,个,阶,阶,段,段,以,以,前,前,各,各,段,段,状,状,态,态,的,的,影,影,响,响,；,；,过,程,程,的,的,过,过,去,去,历,历,史,史,只,只,能,能,通,通,过,过,当,当,前,前,的,的,状,状,态,态,去,去,影,影,响,响,它,它,未,未,来,来,的,的,发,发,展,展,；,；,构,造,造,动,动,态,态,规,规,划,划,模,模,型,型,时,时,，,，,要,要,充,充,分,分,注,注,意,意,是,是,否,否,满,满,足,足,无,无,后,后,效,效,性,性,的,的,要,要,求,求,；,；,状,态,态,变,变,量,量,要,要,满,满,足,足,无,无,后,后,效,效,性,性,的,的,要,要,求,求,；,；,状,态,态,转,转,移,移,方,方,程,程,指,标,标,函,函,数,数,最,优,优,目,目,标,标,函,函,数,数,值,值,指,标,标,函,函,数,数,可,可,递,递,推,推,解,:,整,个,个,计,计,算,算,过,过,程,程,分,分,三,三,个,个,阶,阶,段,段,，,，,从,从,最,最,后,后,一,一,个,个,阶,阶,段,段,开,开,始,始,。,。,第,一,一,阶,阶,段,段,（,（,C,D,）,：,：,C,有,三,三,条,条,路,路,线,线,到,到,终,终,点,点,D,。,A,B,1,B,2,C,1,C,2,C,3,D,2,4,3,3,3,3,2,1,1,1,4,D,C,1,C,2,C,3,f,1,(,C,1,)=1,；,f,1,(,C,2,)=3,；,f,1,(,C,3,)=4,5.2.2,渠,道,道,最,最,短,短,路,路,径,径,问,问,题,题,从,水,水,库,库,A,的,调,调,水,水,到,到,水,水,库,库,D,，,可,可,以,以,经,经,过,过,B,、,C,水,库,库,调,调,节,节,。,。,图,图,示,示,输,输,水,水,渠,渠,道,道,情,情,况,况,下,下,，,，,确,确,定,定,最,最,短,短,供,供,水,水,渠,渠,道,道,。,。,d(,B,1,C,1,)+,f,1,(,C,1,)3+1,f,2,(,B,1,)=mind(,B,1,C,2,)+,f,1,(,C,2,)=min3+3,d(,B,1,C,3,)+,f,1,(,C,3,)1+4,4,=min6=4,5,第,二,二,阶,阶,段,段,（,（,B,C,）,：,：,B,到,C,有,六,六,条,条,路,路,线,线,。,。,A,B,1,B,2,C,1,C,2,C,3,D,2,4,3,3,3,3,2,1,1,1,4,D,C,1,C,2,C,3,B,1,B,2,(,最,短,短,路,路,线,线,为,为,B,1,C,1,D,),d(,B,2,C,1,)+,f,1,(,C,1,)2+1,f,2,(,B,2,)=mind(,B,2,C,2,)+,f,1,(,C,2,)=min3+3,d(,B,2,C,3,)+,f,1,(,C,3,)1+4,3,=min6=3,5,A,B,1,B,2,C,1,C,2,C,3,D,2,4,3,3,3,3,2,1,1,1,4,D,C,1,C,2,C,3,B,1,B,2,(,最,短,短,路,路,线,线,为,为,B,2,C,1,D,),第,三,三,阶,阶,段,段,（,（,A,B,）,：,：,A,到,B,有,二,二,条,条,路,路,线,线,。,。,f,3,(,A,),1,=d(,A,B,1,),f,2,(,B,1,),2,4,6,f,3,(,A,),2,= d(,A,B,2,),f,2,(,B,2,),4,3,7,f,3,(,A,)= min=min,6,7,=6,d(,A,B,1,),f,2,(,B,1,),d(,A,B,2,),f,2,(,B,2,),(,最短路,线,线为,AB,1,C,1,D,),A,B,1,B,2,C,1,C,2,C,3,D,2,4,3,3,3,3,2,1,1,1,4,D,C,1,C,2,C,3,B,1,B,2,A,A,B,1,B,2,C,1,C,2,C,3,D,2,4,3,3,3,3,2,1,1,1,4,D,C,1,C,2,C,3,B,1,B,2,A,最短路,线,线为,AB,1,C,1,D,路长为,6,从水库,A,的调水,到,到水库,D,，可以,经,经过,B,、,C,水库调,节,节。图,示,示输水,渠,渠道情,况,况下，,确,确定最,短,短供水,渠,渠道。,给定洛,杉,杉矶、,长,长滩、,圣,圣地亚,哥,哥三个,城,城市。,可供水,量,量,Q=8,亿立方,米,米，,各城市,用,用水的,收,收益函,数,数（亿,美,美元）,如,如表。,5.2.3,供,供水,最,最大收,益,益,问题,Q,为供应,基,基本需,求,求的剩,余,余水量,，,，没有,最,最大最,小,小要求,。,。,确定水,量,量最佳,分,分配。,目标是,总,总收入,最,最大。,最优化,方,方程,约束条,件,件。,目标是,总,总收入,最,最大。,第一阶,段,段，只,考,考虑一,个,个城市,确定分,配,配洛杉,矶,矶效益,最,最大。,目标是,总,总收入,最,最大。,第二阶,段,段，只,考,考虑二,个,个城市,确定分,配,配洛杉,矶,矶,4,、长滩,4,效益最,大,大。,目标是,总,总收入,最,最大。,第三阶,段,段，考,虑,虑三个,城,城市,确定分,配,配洛杉,矶,矶,4,、长滩,4,、圣地,亚,亚哥,0,，效益,最,最大。,5.3,多,多目,标,标线性,规,规划,5.3.1,水,水资源,系,系统多,目,目标,（一）,水,水资源,系,系统的,目,目标,期限：,短,短期、,中,中期、,长,长期。,部门：,工,工业、,农,农业、,生,生活、,自然：,水,水生生,物,物、陆,生,生生物,范围：,国,国家、,区,区域、,地,地方,约束：,立,立法、,环,环境、,社,社会、,政,政治、,经,经济,技术：,处,处理能,力,力、供,水,水能力,例如：防,洪,洪与发电,：,：发电损,失,失极小；,提高水,位,位，增大,库,库容,洪水损失,极,极小：,降低水,位,位，减少,库,库容,水质与水,处,处理费用,：,：水质好,：,：水处理,费,费用高,水质差，,水,水处理费,用,用低,目标函数,（三）最,优,优化问题,（,（一般形,式,式）,约束条件,多目标分,析,析基础：,获,获得pareto,最,最优解，,即,即不次解,。,。,多目标优,化,化配置模,型,型的目标,函,函数主要,考,考虑以下,几,几个：, 社会,效,效益,用,用区域总,缺,缺水量最,小,小表示,式中：,为,为,子,子区,用,用户,的,的需水量,，,，10,4,m,3,； 、,分,分,别,别为独立,水,水源,、,、公共水,源,源 向,子,子区,用,用户,的,的供水量,，,，10,4,m,3,。,经济效,益,益用,供,供水效益,表,表示,式中：,、,、,分,分别,为,为独立水,源,源 、,公,公共水源,向,向,子,子区,用,用户的,单,单位供水,量,量效益系,数,数，元/m,3,； 、,分,分,别,别为独立,水,水源,、,、公共水,源,源 向,子,子区,用,用户,的,的单位供,水,水量费用,系,系数，元/ m,3,；,、,、,分,分别为独,立,立水源,、,、公共,水,水源,向,向 子,区,区 用,户,户供水效,益,益修正系,数,数，与供,水,水次序、,用,用户类型,及,及子区影,响,响程度有,关,关。,环境效,益,益用,污,污染物的,最,最小排放,量,量表示,式中：,为,为,子,子区,用,用户单,位,位污水排,放,放量中重,要,要污染物,的,的浓度，mg/L,，,，一般常,用,用化学需,氧,氧量(COD),、,、生化需,氧,氧量(BOD)等,水,水质指标,来,来表示；,为,为,子,子区,用,用户,的,的污水排,放,放系数。,约束条件,有,有：, 供水,系,系统的供,水,水能力约,束,束,公共水源,独立水源,式中：,、,、,分,分别,为,为公共水,源,源 和,子,子区独,立,立水源,的,的可供,水,水量上限,；,；,为,为公共水,源,源 分,配,配给,子,子区的水,量,量。其他,符,符号含义,同,同前。,输水系,统,统的输水,能,能力约束,公共水源,独立水源,式中：,、,、,分,分别为公,共,共水源,、,、,子,子区独,立,立水源,的,的最大,输,输水能力,。,。,用水系,统,统的供需,变,变化约束,式中：,、,、,分,分别,表,表示,子,子区用,户,户 需,水,水量变化,的,的下限和,上,上限。,排水系,统,统的水质,约,约束,达标排放,总量控制,式中：,为,为,子,子区,用,用户排,放,放污染物,的,的浓,度,度；,为,为污染物,达,达标,排,排放所规,定,定的浓度,；,；,为,为允许的,污,污染物排,放,放总量。,其,其他符号,含,含义同前,。,。,非负约,束,束,、,其他约,束,束,其中,参数需要,主,主观确定,。,。,通用求解,方,方法：将,最,最优化方,程,程变化为,5.3.2 线性,规,规划图解,法,法、单纯,型,型法,5.3.3,莫米河流,域,域多目标,分,分析B级,规,规划案例,（一）流,域,域特点：,（1）570万英,亩,亩土地、4万英亩,水,水面；,（2）流,域,域包含5,个,个县和1,个,个莫米湾,。,。,（3）城,市,市扩展，,造,造成土壤,侵,侵蚀,（3）土,壤,壤侵蚀和,泥,泥沙沉积,，,，造成水,质,质、鱼类,、,、洪水、,美,美观问题,。,。,（4）表,土,土流失，,造,造成土地,生,生产能力,下,下降。,（5）人,口,口、经济,、,、土地利,用,用按中等,增,增长率预,测,测，2.1%；,（二）,规划方案,1）规划,目,目标：,（1）增,加,加经济收,入,入,（2）改,进,进环境质,量,量,2）规划,谱,谱系图：,（1）第,二,二层；,（2）第,一,一层；二,级,级,（3）第,一,一层；一,级,级,3）具体,目,目标：,土地利用,、,、土壤侵,蚀,蚀、水质,、,、鱼和野,生,生动物、,室,室外娱乐,、,、防洪和,排,排水、洪,水,水、管理,土,土地政策,、,、法律,目标函数,1,目标函数,2,目标函数,n,规划子区,1,规划子区,2,规划子区,m,价值协调,（三）规,划,划子模型, 土地,利,利用,式中：f,1,土地资,源,源管理费,。,。,C,r,1,每亩农,业,业资源管,理,理费,R农业,管,管理措施,：,：耕翻、,轮,轮作、耕,作,作、梯田,化,化,C,km,2,土壤侵,蚀,蚀类型m,每,每英亩第k娱乐活,动,动费用,C,km,3,土壤侵,蚀,蚀类型m,每,每英亩保,护,护野生生,物,物栖息地,费,费用,C,km,4,土壤侵,蚀,蚀类型m,每,每英亩洪,泛,泛平原费,用,用,x,rn,时期n,农,农业活动r的土地,英,英亩数,y,kmn,时期n,分,分配给第k娱乐活,动,动的土壤,侵,侵蚀类型m英亩数,z,mn,时期n,分,分配给保,护,护野生生,物,物栖息地,的,的土壤侵,蚀,蚀类型m,英,英亩数,v,mn,时期n,分,分配给洪,泛,泛平原的,土,土壤侵蚀,类,类型m英,亩,亩数,土地利用,约,约束,式中：a,r,第r土,地,地活动下,作,作物的,产,产量系数,。,。,b,n,时期n,作,作物r的,最,最低生产,水,水平,作物,类,类型：玉,米,米、小麦,、,、大豆、,燕,燕麦,生产约束,式中：,n,第r土,地,地活动下,作,作物r的,产,产量系数,。,。,d,mn,时期n,拥,拥有土壤,侵,侵蚀类型m英亩数,土地约束,5.3.4 朝,阳,阳,水资源多,目,目标管理,模,模型,利用水资,源,源技术模,型,型和评价,预,预测结果,等,等，通过,水,水资源实,时,时管理模,型,型计算，,结,结合领域,专,专家或决,策,策者等积,累,累的知识,、,、经验和,偏,偏好，分,水,水协议、,水,水价政策,的,的经济调,节,节作用等,进,进行综合,分,分析，最,后,后提出水,资,资源的实,时,时管理方,案,案。,水资源多,目,目标管理,模,模型，由,目,目标函数,和,和目标约,束,束条件、,资,资源约束,条,条件与变,量,量约束条,件,件构成，,其,其通用表,达,达式为：,目标函数,目标约束,资源约束,变量约束,，,管理的本,质,质是为了,最,最有效地,达,达到某个,目,目标，而,对,对系统的,活,活动施加,控,控制。对,水,水资源管,理,理来说，,也,也就是用,水,水动力学,的,的观点来,把,把握水资,源,源系统，,在,在一定约,束,束条件下,，,，通过某,些,些决策变,量,量的操作,，,，使其按,既,既定目标,要,要求达到,最,最优。,目标函数,目标函数,是,是水资源,管,管理系统,所,所追求的,目,目标，即,使,使决策所,产,产生的结,果,果最优化,。,。在最优,化,化技术方,法,法中，以,目,目标函数,表,表征相应,目,目标的数,值,值极大化,或,或极小化,。,。,如,式中,Q,i,为,i,区域的抽,水,水或排水,流,流量；,C,i,为有关的,效,效益或费,用,用函数。,决策变量,决策就是,施,施加影响,因,因素，施,加,加控制，,在,在水资源,管,管理工作,中,中，把人,为,为可控的,输,输入称为,决,决策变量,，,，通过它,的,的操纵来,达,达到对系,统,统的控制,。,。通常决,策,策变量可,分,分为如下,三,三类：,工程,设,设施变量,：,：包括确,定,定地表水,库,库、地下,水,水水源地,、,、地下水,补,补给设施,等,等的最优,尺,尺寸。,产业,结,结构变量,：,：即确定,各,各行各业,的,的最优规,摸,摸，如农,业,业开发中,的,的灌溉面,积,积及作物,种,种类等。,运行,决,决策变量,：,：即各时,段,段地表水,库,库的最优,蓄,蓄水和放,水,水、地下,水,水抽水和,回,回灌量的,联,联合调度,方,方案。,约束条件,决策变量,的,的实施要,受,受到社会,、,、经济、,环,环境和技,术,术等方面,的,的约束，,通,通常可将,约,约束条件,分,分为如下,几,几类：,.水均,衡,衡约束，,地,地下水量,受,受地下水,运,运动方程,的,的控制，,用,用以求解,地,地下水运,动,动方程的,模,模型是建,立,立管理模,型,型的甚础,。,。,.限量,和,和需求约,束,束。如：,a需要,考,考虑抽水,或,或排水所,需,需的能量,效,效率或费,用,用；,b由于,抽,抽水或排,水,水设备能,力,力限制，,地,地下水位,降,降深不能,低,低于某一,规,规定值；,.非负约,束,束，这是,用,用单纯形,法,法求解线,性,性规划问,题,题的必要,条,条件。,朝阳区概,况,况,朝阳区位,于,于北京市,区,区东部，,华,华北大平,原,原北端。,全,全区土地,面,面积467.18km,2,，全区辖22个街,道,道，5个,办,办事处，24个乡,，,，175,个,个行政村,。,。,建立水资,源,源经济管,理,理模型，,需,需要遵循,以,以下步骤,：,：,首先,要,要确定管,理,理期和管,理,理范围，,根,根据管理,区,区的社会,经,经济和水,资,资源条件,，,，将其分,为,为若干个,管,管理亚区,；,；,研究,区,区域水资,源,源条件，,建,建立地表,水,水和地下,水,水模拟模,型,型，并对,规,规划期可,供,供水量进,行,行预测，,对,对于用响,应,应矩阵法,建,建立管理,模,模型的，,应,应求含水,层,层的单位,脉,脉冲响应,函,函数；,收集,地,地区最新,国,国民经济,投,投入产出,表,表，确定,管,管理区的,主,主要产业,部,部门；,收集,管,管理区国,民,民经济和,社,社会发展,规,规划，这,是,是管理模,型,型建立的,基,基础和依,据,据；,对规,划,划期用水,单,单耗（如,人,人均用水,量,量、万元,产,产值耗水,量,量、农作,物,物灌溉定,额,额）进行,预,预测；,根据,管,管理目标,，,，确定决,策,策变量、,目,目标函数,和,和约束条,件,件，选择,适,适当的方,法,法求解。,模型的目,的,的要求,本模型以,区,区域生态,环,环境保护,和,和水资源,可,可持续利,用,用为依据,，,，通过对,工,工农业生,产,产、人民,生,生活和生,态,态环境等,用,用水的合,理,理分配，,以,以达到既,能,能满足人,口,口增长、,经,经济发展,对,对水资源,的,的需求，,又,又能缓解,生,生态环境,恶,恶化的目,的,的。,多目标水,量,量优化配,置,置模型兼,顾,顾以下五,个,个方面的,要,要求:,.满足,人,人民生活,用,用水量需,求,求；,.满足,工,工农业生,产,产用水的,基,基本需要,；,；,.满足,生,生态环境,用,用水的需,求,求；,.完成,规,规划工农,业,业总产值,目,目标；,.在满,足,足需水要,求,求的前提,下,下，开发,水,水资源投,资,资最小。,模型的优,化,化原则,.水源,类,类型,分为地表,水,水、地下,水,水、自来,水,水，中水,四,四种水源,。,。,.用水,部,部门,在本区条,件,件下与模,型,型优化分,配,配水资源,有,有关的用,水,水部门有:生活用,水,水（城镇,生,生活用水,、,、农村生,活,活用水）,、,、工业用,水,水（电子,及,及通讯制,造,造业用水,、,、一般工,业,业用水、,石,石油化工,用,用水、电,力,力蒸气热,水,水的生产,和,和供应业,用,用水）、,农,农业用水,（,（种植业,、,、渔业、,林,林业、畜,牧,牧业）和,生,生态环境,用,用水等四,个,个大用水,部,部门、十,几,几个小用,水,水部门。,.优化,原,原则,本模型假,设,设除了水,资,资源以外,的,的各种因,素,素都己具,备,备，工农,业,业产值的,大,大小只取,决,决于水资,源,源条件。,根,根据朝阳,区,区的实际,情,情况，拟,定,定首先满,足,足人民生,活,活用水和,工,工业用水,，,，再适当,安,安排农业,用,用水和生,态,态环境用,水,水。,模型的变,量,量设置,在模型中,分,分别以A,i,、I,i,、L,i,、Z,i,分别表示,第,第i分区,上,上农业、,工,工业、生,活,活用水、,生,生态用水,分,分配水量,。,。用上标s表示地,表,表水，g,表,表示地下,水,水，t表,示,示自来水,，,，m表示,中,中水。,考,考虑到朝,阳,阳区的实,际,际情况，,以,以及一些,用,用水部门,的,的特殊性,，,，优化时,做,做了以下,的,的假设：,由于,农,农村生活,用,用水具有,分,分散性，,在,在优化时,假,假定农村,生,生活用水,只,只来源于,地,地下水，,其,其它水源,忽,忽略不计,。,。,由于,中,中水使用,涉,涉及到一,定,定的水质,标,标准，出,于,于安全考,虑,虑，假设,中,中水水仅,用,用于一般,工,工业、石,油,油化工业,、,、生态环,境,境和电力,、,、蒸汽、,热,热水、的,生,生产和供,应,应业的用,水,水四个行,业,业。,生态,环,环境需水,涉,涉及城镇,生,生态、河,湖,湖生态等,，,，考虑到,用,用水的特,殊,殊性，为,节,节省优质,水,水源，假,定,定生态用,水,水不使用,自,自来水，,而,而渔业用,水,水主要使,用,用地表水,，,，畜牧业,只,只使用地,下,下水，其,它,它水源忽,略,略不计。,模型的变,量,量设置,约束条件,.,地表水约,束,束,模型中各,行,行业用地,表,表水的总,量,量不能超,过,过地表水,的,的可供水,量,量。,式中,Ws,i,表示第i,分,分区地表,水,水可供水,量,量，,，,， 表,示,示所用地,表,表水量之,和,和超过或,不,不足于地,表,表水可供,水,水量的差,值,值，即正,负,负偏差。,0，,0，且,=0,约束条件,地下,水,水约束,要求地下,水,水开采量,不,不能超过,该,该区地下,水,水可开采,量,量。,自来,水,水约束,所用自来,水,水水量不,能,能超过可,用,用自来水,总,总量。,中水,约,约束,所利用的,中,中水不能,超,超过中水,总,总量。,寻优目标,.,居民生活,用,用水目标,在满足水,资,资源约束,的,的前提下,，,，首先保,证,证居民生,活,活用水。,对城镇生,活,活用水：,对于农村,生,生活用水,：,：,工业,用,用水目标,对一般工,业,业,电子及通,讯,讯制造业,石油化工,业,业,电力蒸气,热,热水的生,产,产和供应,业,业用水,生态,环,环境用水,目,目标,农业,用,用水目标,种植业,渔业,林业,畜牧业,开发水,资,资源投资,目,目标,水资源配,置,置须要在,水,水资源、,生,生态环境,和,和开发水,资,资源投资,三,三方面达,到,到平衡。,对于各个,具,具体目标,需,需要根据,它,它在区域,经,经济结构,和,和长远规,划,划中的相,对,对重要性,，,，规定其,优,优先级别,。,。,满足,水,水量约束,条,条件P,1,满足,居,居民生活,用,用水要求P,2,满足,工,工业用水,要,要求P,3,满足,农,农业用水,要,要求P,4,满足,生,生态环境,用,用水要求P,5,水资,源,源开发费,尽,尽可能小,于,于投资费,用,用P,6,本模型的,目,目标函数P,优化结果,分,分析,以下为朝,阳,阳区2000年，2010,年,年，2020年的,水,水资源数,据,据,人口及用,水,水定额,可用水资,源,源量,（万,m,3,）,农业和生,态,态用水量,（,（万,m,3,）,优化结果,分,分析,2000,年,年，2010年，2020,年,年,工业产值,增,增加值及,万,万元增加,值,值取水量,优化结果,分,分析,2000,年,年农业、,工,工业、生,活,活、生态,用,用水量分,配,配（万m,3,）,优化结果,分,分析,本模型对,开,开发地表,水,水、开采,地,地下水、,自,自来水和,中,中水单位,水,水量的成,本,本的按比,例,例0.27：0.54：1,：,：0.25进行计,算,算，自来,水,水开发成,本,本计为1,，,，其它则,按,按比例折,算,算。从供,水,水结构来,看,看，本次,规,规划是在,保,保证地下,水,水不超采,的,的前提下,进,进行的，,广,广泛推行,节,节水措施,，,，尽量利,用,用中水，,挖,挖掘朝阳,区,区区内的,供,供水潜力,。,。随着社,会,会发展和,技,技术进步,，,，中水利,用,用将是解,决,决朝阳区,水,水资源紧,缺,缺的有利,措,措施。朝,阳,阳区地下,水,水保持每,年,年利用1.11亿m,3,的供应量,，,，自来水,也,也只能保,持,持现状的1.71,亿,亿m,3,的利用量,，,，地表水,用,用量也不,会,会改变，,中,中水目前,的,的用量还,很,很少，由,此,此可见增,加,加中水用,量,量的重要,性,性。,2000,年,年各行业,水,水资源分,配,配（万m,3,）,优化结果,分,分析,2010,年,年农业、,工,工业、生,活,活、生态,用,用水量分,配,配（万m,3,）,优化结果,分,分析,2020,年,年农业、,工,工业、生,活,活、生态,用,用水量分,配,配（万m,3,）,第六章,水环境系,统,统模型,6.1,污,污染物,在,在水体中,的,的迁移转,化,化机理,6.1.1,污染物在,水,水体迁移,转,转化过程,中,中的物理,化,化学作用,迁移与,扩,扩散；,吸附与,解,解吸；,沉淀与,再,再悬浮；,降解作,用,用。,底,泥沙颗粒,吸附作用,沉淀,z,x,物理运动（迁移,/,扩散作用）,泥,河,床,解吸作用,再悬浮,污染物,吸附作用,解吸作用,1）迁移,扩,扩散作用,一般来说,，,，水体中,的,的污染物,主,主要以溶,解,解状态或,交,交替状态,存,存在，随,着,着水体的,流,流动不断,迁,迁移，同,时,时也与周,围,围的水体,相,相互混合,扩,扩散，使,其,其浓度不,断,断降低，,水,水质得以,改,改善。,迁移作,用,用,对于过水,断,断面上的,任,任一点来,说,说，污染,物,物经过该,点,点并沿流,向,向（设为,x,方向）的,输,输移通量,为,为,式中：,F,x,为过水断,面,面上某点,沿,沿,x,方向的污,染,染物输移,通,通量，mg/（m,2,s）；,u,为某点沿,x,方向的流,速,速，m/s；,C,为某点污,染,染物的浓,度,度，mg/m,3,。,对于整个,过,过水断面,，,，污染物,的,的输移率,为,为：,式中：,FA,为过水断,面,面上的污,染,染物输移,率,率，mg/s；,为,为经过该,断,断面的水,体,体平均流,速,速，m/s；,A,为过水断,面,面面积，m,2,； 为断,面,面上污染,物,物的平均,浓,浓度；,Q,为该断面,的,的流量，m,3,/s。,扩散作,用,用,扩散作用,是,是由于污,染,染物在空,间,间上存在,浓,浓度梯度,，,，从而使,得,得其不断,趋,趋于均化,的,的物质迁,移,移现象。,扩,扩散作用,包,包括分子,扩,扩散作用,、,、紊动扩,散,散作用和,离,离散作用,三,三个方面,。,。,分子扩散,，,，是指水,中,中污染物,由,由于分子,的,的无规则,运,运动，从,高,高浓度区,向,向低浓度,区,区的运动,过,过程；紊,动,动扩散，,是,是由紊流,中,中涡旋的,不,不规则运,动,动而引起,的,的污染物,从,从高浓度,区,区向低浓,度,度区的迁,移,移过程；,纵,纵向离散,，,，也称为,弥,弥散，是,由,由于断面,非,非均匀流,速,速作用而,引,引起的污,染,染物离散,现,现象。,分子扩散,过,过程服从,费,费克（,Fick,）第一定,律,律，即单,位,位时间内,通,通过单位,面,面积的溶,解,解物质的,质,质量与溶,解,解物质浓,度,度在该面,积,积法线方,向,向的梯度,成,成正比。,紊动扩散,过,过程和离,散,散过程也,可,可采用类,似,似表达分,子,子扩散通,量,量的费克,第,第一定律,来,来表达。,水体中污,染,染物扩散,作,作用的数,学,学表达式,为,为：,式中：,M,x,为扩散通,量,量，即单,位,位时间单,位,位面积内,在,在,x,方向由于,扩,扩散作用,通,通过的污,染,染物质量,，,，mg/,（,（m,2,s）；,E,mx,为,x,方向的分,子,子扩散系,数,数，,m,2,/s,；,E,tx,为,x,方向的紊,动,动扩散系,数,数，,m,2,/s,；,E,dx,为,x,方向的纵,向,向离散系,数,数，,m,2,/s,；,C,为,水,水,体,体,污,污,染,染,物,物,浓,浓,度,度,；,；,为,为,沿,沿,x,方,向,向,的,的,浓,浓,度,度,梯,梯,度,度,。,。,2,）,）,吸,吸,附,附,与,与,解,解,析,析,作,作,用,用,吸,附,附,与,与,解,解,吸,吸,过,过,程,程,是,是,一,一,种,种,复,复,杂,杂,的,的,物,物,理,理,化,化,学,学,过,过,程,程,。,。,可,可,根,根,据,据,弗,弗,劳,劳,德,德,利,利,希,希,（,（Freundlich,）,）,吸,吸,附,附,等,等,温,温,式,式,的,的,形,形,式,式,可,可,近,近,似,似,推,推,导,导,泥,泥,沙,沙,对,对,水,水,中,中,污,污,染,染,物,物,的,的,吸,吸,附,附,速,速,率,率,方,方,程,程,：,：,式,中,中,：,：,S,为,泥,泥,沙,沙,吸,吸,附,附,浓,浓,度,度,，,，,mg/g,；,为,无,无,量,量,纲,纲,化,化,的,的,S,值,；,；,C,为,水,水,体,体,污,污,染,染,物,物,浓,浓,度,度,；,；,W,为,水,水,体,体,的,的,含,含,沙,沙,量,量,，,，,g/L,；,b,为,与,与,活,活,化,化,能,能,有,有,关,关,的,的,指,指,数,数,；,；,k,1,，,k,2,分,别,别,为,为,吸,吸,附,附,速,速,率,率,系,系,数,数,和,和,解,解,吸,吸,速,速,率,率,系,系,数,数,，,，,d,-1,。,3,）,）,沉,沉,淀,淀,与,与,再,再,悬,悬,浮,浮,作,作,用,用,污,染,染,物,物,沉,沉,淀,淀,与,与,再,再,悬,悬,浮,浮,量,量,的,的,计,计,算,算,，,，,一,一,般,般,有,有,两,两,种,种,途,途,径,径,：,：,一,是,是按,照,照,河,河,流,流,动,动,力,力,学,学,和,和,泥,泥,沙,沙,工,工,程,程,学,学,原,原,理,理,，,，,先,先,计,计,算,算,河,河,段,段,含,含,沙,沙,量,量,变,变,化,化,过,过,程,程,和,和,冲,冲,淤,淤,过,过,程,程,，,，,然,然,后,后,考,考,虑,虑,泥,泥,沙,沙,对,对,污,污,染,染,物,物,的,的,吸,吸,附,附,解,解,吸,吸,作,作,用,用,，,，,进,进,一,一,步,步,算,算,出,出,污,污,染,染,物,物,的,的,沉,沉,淀,淀,与,与,再,再,悬,悬,浮,浮,量,量,。,。,另,一,一,种,种是,采,采,用,用,一,一,个,个,系,系,数,数,直,直,接,接,对,对,污,污,染,染,物,物,的,的,减,减,少,少,或,或,增,增,加,加,进,进,行,行,估,估,算,算,，,，,其,其,表,表,达,达,式,式,一,一,般,般,为,为,：,：,式,中,中,：,：,K,s,为,沉,沉,淀,淀,与,与,再,再,悬,悬,浮,浮,系,系,数,数,，,，,K,s,与,水,水,流,流,速,速,度,度,、,、,泥,泥,沙,沙,组,组,成,成,、,、,温,温,度,度,等,等,因,因,素,素,有,有,关,关,。,。,4,）,）,降,降,解,解,作,作,用,用,通,常,常,，,，,大,大,多,多,数,数,污,污,染,染,物,物,在,在,随,随,水,水,流,流,迁,迁,移,移,扩,扩,散,散,的,的,同,同,时,时,，,，,还,还,在,在,微,微,生,生,物,物,的,的,生,生,物,物,化,化,学,学,作,作,用,用,下,下,分,分,解,解,和,和,转,转,化,化,为,为,其,其,他,他,物,物,质,质,，,，,从,从,而,而,使,使,水,水,体,体,中,中,污,污,染,染,物,物,浓,浓,度,度,降,降,低,低,，,，,这,这,种,种,现,现,象,象,被,被,称,称,为,为,降,降,解,解,。,。,有,机,机,污,污,染,染,物,物,的,的,降,降,解,解,，,，,一,一,般,般,认,认,为,为,可,可,按,按一级反,应,应动力,学,学来计算,，,，即,式中：,K,1,为有机,污,污染物,的,的降解,速,速率系,数,数（简,称,称降解,系,系数）,，,，d,-1,。,6.2,水,水质,迁,迁移转,化,化基本,方,方程,水质迁,移,移转化,基,基本方,程,程是根,据,据微元,水,水体中,水,水流连,续,续性原,理,理、能,量,量守恒,原,原理、,物,物质转,化,化与平,衡,衡原理,而,而建立,的,的、模,拟,拟水质,运,运动、,变,变化过,程,程的最,基,基本方,程,程。,零维,水,水质基,本,本方程,零维可,看,看作是,河,河流水,质,质完全,混,混合，,水,水质浓,度,度均一,的,的水体,单,单元。,根,根据水,量,量平衡,方,方程和,质,质量平,衡,衡方程,建,建立非,稳,稳定态,和,和稳定,态,态方程,。,。,非稳,定,定情况,流,量,量、污,染,染物浓,度,度不稳,定,定，随,时,时间而,变,变化,其基本,方,方程为,：,：,式中：,C,为单元,水,水体内,的,的污染,物,物浓度,，,，,mg/L,；,C,I,为流入,该,该单元,水,水流的,污,污染物,浓,浓度，,mg/L,；,Q,I,、,Q,分别为,流,流入、,流,流出该,单,单元的,流,流量，,L/d,；,V,为该单,元,元的水,体,体体积,，,，,L,；,Si,为该,单,单元,的,的源,漏,漏项,，,，表,示,示各,种,种作,用,用（,如,如生,物,物降,解,解作,用,用、,沉,沉淀,作,作用,等,等）,使,使单,位,位水,体,体的,某,某类,污,污染,物,物在,单,单位,时,时间,内,内的,变,变化,量,量，,mg/（Ld）,。,Si,增加,时,时取,正,正号,，,，称,源,源项,；,；减,少,少时,取,取负,号,号，,称,称漏,项,项。,稳,定,定情,况,况,流,流,量,量、,浓,浓度,不,不随,时,时间,而,而变,化,化,稳态,时,时，,，,，,Q,Q,I,，,V,为常,数,数，,非,非稳,定,定态,方,方程,可,可变,为,为（,即,即稳,定,定态,基,基本,方,方程,）,）：,非稳,态,态情,况,况常,常,常可,以,以通,过,过一,定,定的,简,简化,，,，使,之,之近,似,似为,稳,稳态,。,。例,如,如枯,水,水期,，,，当,计,计算,时,时段,不,不长,时,时，,可,可由,该,该时,段,段的,浓,浓度,、,、流,量,量平,均,均值,代,代表,该,该时,段,段的,浓,浓度,、,、流,量,量变,化,化过,程,程，,从,从而,使,使计,算,算简,化,化。,一,维,维水,质,质基,本,本方,程,程,一维,水,水质,假,假定,污,污染,物,物浓,度,度在,断,断面,上,上均,匀,匀一,致,致，,只,只随,流,流程,方,方向,发,发生,变,变化,。,。,根据图所表,达,达的,某,某河,段,段单,元,元污,染,染物,质,质量,平,平衡,关,关系,，,，再,结,结合,前,前面,分,分析,的,的污,染,染物,在,在水,体,体中,的,的各,种,种物,理,理化,学,学过,程,程，,由,由质,量,量守,恒,恒原,理,理可,建,建立,一,一维,水,水质,迁,迁移,转,转化,基,基本,方,方程,，,，即,式中,各,各符,号,号意,义,义同,前,前。,dx,Si,q,M,1,，,M,2,，,M,3,Q,，,C,Q,(,x,+d,x,),，,C,(,x,+d,x,),M,1,(,x,+d,x,),，,M,2,(,x,+d,x,),，,M,3,(,x,+d,x,),一维,微,微分,河,河段,水,水量,、,、水,质,质平,衡,衡示,意,意图,河段,长,长度,流量,污染,物,物分,子,子扩,散,散通,量,量,单位,长,长度,入,入流,流,流量,污染,物,物变,化,化量,污染,物,物浓,度,度,对于,均,均匀,河,河段,（,（即,过,过水,断,断面,、,、流,速,速、,扩,扩散,系,系数,均,均为,常,常数,）,），,则,则上,式,式可,写,写为,河流,的,的离,散,散系,数,数,E,d,一般,要,要比,分,分子,扩,扩散,系,系数,E,m,、紊,动,动扩,散,散系,数,数,E,t,大得,多,多，,后,后者,与,与前,者,者相,比,比，,常,常常,可,可以,忽,忽略,，,，则,方,方向,上,上的,扩,扩散,系,系数,E,x,E,mx,E,tx,E,dx,E,dx,。,最常,见,见的,河,河流,一,一维,水,水质,迁,迁移,转,转化,基,基本,方,方程,形,形式,：,：,对于,均,均匀,河,河段,，,，流,量,量和,排,排污,稳,稳定,时,时，,各,各断,面,面的,污,污染,浓,浓度,不,不随,时,时间,变,变化,，,，即,，,，,故,故一,维,维稳,态,态水,质,质迁,移,移转,化,化基,本,本方,程,程为,：,：,二,维,维水,质,质基,本,本方,程,程,二维,水,水质,模,模拟,可,可分,为,为水,平,平二,维,维和,竖,竖向,二,二维,两,两种,情,情况,。,。,水平,二,二维,是,是指,水,水体,的,的流,速,速和,污,污染,物,物浓,度,度仅,在,在水,平,平面,的,的纵,向,向、,横,横向,变,变化,，,，在,竖,竖向,（,（水,深,深方,向,向）,混,混合,均,均匀,。,。,竖向,二,二维,是,是指,水,水体,的,的流,速,速和,污,污染,物,物浓,度,度仅,在,在纵,向,向和,竖,竖向,变,变化,，,，在,横,横向,（,（宽,度,度方,向,向）,保,保持,不,不变,。,。,水平,二,二维,微,微分,河,河段,水,水量,、,、水,质,质平,衡,衡示,意,意图,H,d,x,d,y,v,，,E,y,u,，,E,x,x,y,z,根据,质,质量,守,守恒,原,原理,，,，水,平,平二,维,维水,质,质迁,移,移转,化,化基,本,本方,程,程：,式中,：,：,E,x,为,x,方向,的,的分,子,子扩,散,散系,数,数、,紊,紊动,扩,扩散,系,系数,和,和离,散,散系,数,数之,和,和；,E,y,为,y,方向,的,的分,子,子扩,散,散系,数,数、,紊,紊动,扩,扩散,系,系数,和,和离,散,散系,数,数之,和,和；,u、v,分别,为,为,x、y,方向,上,上的,流,流速,分,分量,，,，,m/s,；,H,为水,深,深，,m,；其,他,他符,号,号意,义,义同,前,前。,适合,于,于竖,向,向、,横,横向,、,、纵,向,向都,没,没有,均,均匀,混,混合,的,的水,域,域,三,维,维水,质,质基,本,本方,程,程,采用,类,类似,一,一维,河,河流,水,水质,迁,迁移,转,转化,基,基本,方,方程,的,的推,导,导过,程,程，,可,可以,推,推导,出,出一,个,个具,有,有,x,、,y,、z,坐,坐标,的,的三,维,维空,间,间中,任,任一,微,微小,单,单元,的,的某,种,种污,染,染物,浓,浓度,随,随时,间,间的,变,变化,率,率与,该,该处,污,污染,物,物在,迁,迁移,、,、扩,散,散作,用,用下,的,的输,移,移量,及,及源,漏,漏项,的,的关,系,系，,其,其表,达,达式,为,为：,式中,：,：,u,、,v,、,w,分别,为,为,x,、,y,、,z,三个,方,方向,上,上的,流,流速,分,分量,，,，,m/s；,E,x,、,E,y,、,E,z,分别,为,为,x,、,y,、,z,三个,方,方向,上,上的,紊,紊动,扩,扩散,系,系数,、,、分,子,子扩,散,散系,数,数和,离,离散,系,系数,之,之和,。,。,6. 3,水,水质迁移,转,转化基本,方,方程的求,解,解,求解方法,主,主要有两,种,种：一是,解,解析法；,二,二是数值,法,法。,解析法,解析法是,通,通过高等,数,数学上的,微,微分和积,分,分变换等,方,方法来建,立,立水质模,型,型的数学,表,表达式，,进,进而实现,对,对数学模,型,型求解的,方,方法。,零维水,质,质的情况,为便于求,解,解，设水,质,质迁移转,化,化方程的,源,源漏项由,一,一阶反应,动,动力学关,系,系（即,Si,K,1,C,）来表示,，,，同时令,零维水质,基,基本方程,可,可化简为,：,：,式中：,K,1,为流入单,元,元水体的,污,污染物一,级,级反应动,力,力学系数,，,，d,-1,；,R,为水体的,入,入流量与,出,出流量之,比,比；,T,为入流水,量,量在单元,水,水体容积,中,中的滞留,时,时间；其,他,他符号意,义,义同前。,求解该方,程,程即得混,合,合均匀水,体,体中污染,物,物浓度随,时,时间变化,的,的数学表,达,达式：,式中：,C,0,、,C,分别为时,间,间,t0,和,tt,时的水体,污,污染物浓,度,度，mg/L。,稳态情况,下,下的解析,解,解为：,一维水,质,质的情况,由于一维,水,水质求解,时,时比零维,水,水质求解,时,时要复杂,的,的多，故,仅,仅介绍稳,态,态条件下,的,的求解。,假设对于,一,一个均匀,河,河段，如,果,果污染物,在,在河流中,只,只进行一,级,级降解反,应,应，一维,水,水质基本,方,方程可简,化,化为：,这是一个,典,典型的二,阶,阶常微分,方,方程。如,果,果在,x,=0处污,染,染物浓度,为,为C,0,，则其解,为,为：,式中：,u,为河段平,均,均流速，m/s；,其,其他符号,意,意义同前,。,。,说明：上