城市多水源复合系统分析及合理配置研究

论文摘要

水资源是人类生存和经济社会发展的物质基础,是不可替代的重要自然资源。随着人口的增长、社会经济的发展和人民生活水平的提高,有限的水资源供给量和不断增长的需求量之间已形成尖锐矛盾,这一矛盾在城市发展中显得尤为突出。水资源短缺、水污染和水资源浪费并存,是城市水资源供需矛盾形成的重要原因。城市水资源直接关系着城市的生存与兴衰,直接制约和影响着城市建设及经济的发展,它是城市中最重要最宝贵的资源,具有极其重要的地位。如何解决城市建设中的水问题,关系到城市的现代化建设和可持续发展。水事活动不是孤立的技术活动,也不是单纯的经济活动,而是与自然,社会诸多过程交织在一起的统一体。水资源、社会、经济、生态环境之间相互促进、相互制约、相互作用共同构成了一个复杂的系统。系统地研究水资源与社会、经济、生态环境之间的关系,以及城市各种水资源在多部门之间合理分配,将会对促进城市人水和谐、经济社会与环境的全面协调发展起到重要的指导作用。鉴于此,本文从城市水资源与用水户的特点出发,进行了包括城市用水模拟预测,水资源—社会—经济—生态环境复合系统动力学仿真,城市多水源多用户的合理配置,以及水资源复合系统协同演化分析等方面的研究工作,主要内容如下:(1)城市水资源及其需求分析研究。详细地分析了城市多水源多用户的特点,并进行了城市用水预测的研究。城市用水量由于受经济、人口、生活水平等多种因素的影响,具有一定的灰色特征。本文将遗传算法与多变量灰色模型相结合,提出了具有可变参数的优化遗传算法多变量灰色模型,并以大连城市用水为例进行了实例应用研究。(2)水资源复合系统动力学仿真研究。水资源、社会、经济、生态环境之间相互制约,相互促进,相互耦合,共同作用构成了一个复杂的系统(简称为水资源复合系统)。系统动力学具有处理非线性、多变量、信息反馈、时变动态性的能力,最适用于研究复杂系统的结构、功能与行为。本文利用系统动力学方法,以大连城市为例构建了一个水资源—社会—经济—环境的复合系统动力学模型,并进行系统仿真模拟的研究。(3)基于水质与水量的多水源多用户合理配置。水质与水量是构成水资源的基本要素。本文根据分质供水的思想,构建了城市多水源多用户合理配置系统结构,在充分考虑了资源、环境、经济协调发展的基础上构建了配置的模型。采用多目标逐步宽容约束法(STEM)对该模型进行求解。以大连城市2010、2015、2020规划水平年的供需水量为例进行多水源多用户的合理配置研究。(4)水资源复合系统协调演化分析。水资源复合系统是一个开放的复杂系统,由于受外部环境扰动和内部涨落的影响,在不断地发生着系统的演替和变化。系统的“熵”是系统无序程度的一个度量。本文提出了一种将信息熵与系统协调性指数相结合来判断系统演化方向的方法。最后以大连城市为例进行水资源复合系统协调演化的分析。最后对全文做了总结,并对有待进一步研究的问题进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水资源配置研究现状
• 1.2.2 水资源复杂系统研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 研究的技术路线
• 2 城市水资源及其需求
• 2.1 城市化及其面临的水问题
• 2.1.1 城市及其城市化
• 2.1.2 城市的水问题
• 2.1.3 城市水循环系统
• 2.2 城市水资源分类及其特点
• 2.2.1 常规水资源
• 2.2.2 非常规水资源
• 2.3 城市用水户分类及其特点
• 2.3.1 农业用水
• 2.3.2 工业用水
• 2.3.3 生活用水
• 2.3.4 生态环境用水
• 2.4 城市用水量的预测方法
• 2.5 基于遗传算法多变量灰色模型
• 2.5.1 多变量灰色MGM（1,n）模型
• 2.5.2 多变量灰色MGM（1,n,q）模型的建立
• 2.5.3 基于遗传算法MGM（1,n,q）模型的求解
• 2.5.4 实例研究
• 2.6 小结
• 3 水资源复合系统动力学仿真模型研究
• 3.1 水资源复合系统的内涵
• 3.1.1 系统与复杂系统
• 3.1.2 水资源系统及其复杂性
• 3.1.3 水资源复合系统
• 3.2 水资源复合系统可持续发展机理分析
• 3.3 水资源复合系统的特征
• 3.4 水资源复合系统动力学仿真研究
• 3.4.1 系统动力学
• 3.4.2 系统动力学的主要特点
• 3.4.3 系统动力学建模的步骤
• 3.4.4 模型的有效性检验
• 3.5 水资源复合系统动力学仿真模型实例
• 3.5.1 系统边界的确定
• 3.5.2 系统流图
• 3.5.3 系统反馈回路
• 3.5.4 系统方程
• 3.5.5 方案设计与模拟结果分析
• 3.6 小结
• 4 基于水质与水量的多水源多用户合理配置研究
• 4.1 水资源合理配置的内涵
• 4.1.1 水资源合理配置的概念
• 4.1.2 水资源合理配置的主要任务
• 4.2 水资源合理配置的目标、原则和方式
• 4.2.1 水资源配置的目标
• 4.2.2 水资源配置的原则
• 4.2.3 水资源配置的方式
• 4.3 城市多水源多用户分质配水的可行性
• 4.3.1 分质供水的内涵
• 4.3.2 多水源多用户分质配水的可行性
• 4.3.3 分质供水的方式
• 4.4 城市多水源多用户合理配置的系统结构
• 4.4.1 水资源配置系统
• 4.4.2 城市多水源多用户系统配置结构
• 4.5 多水源多用户合理配置模型
• 4.5.1 水资源合理配置模型
• 4.5.2 多水源多用户合理配置模型特点
• 4.6 多目标决策方法
• 4.7 大连市多水源多用户合理配置研究
• 4.7.1 大连市多种水源状况
• 4.7.2 大连市水资源开发利用存在的主要问题
• 4.7.3 供需水量预测结果
• 4.7.4 大连市多水源合理配置模型
• 4.7.5 大连市水资源合理配置结果分析
• 4.8 小结
• 5 水资源复合系统的协调演化分析
• 5.1 系统的协调性
• 5.1.1 协调与协调度
• 5.1.2 系统协调发展的基本理论
• 5.1.3 系统协调性的测度方法
• 5.2 水资源复合系统指标体系的建立
• 5.2.1 建立指标体系的原则
• 5.2.2 大连城市水资源复合系统指标体系
• 5.3 子系统综合发展水平的确定
• 5.4 子系统协调性系数的计算
• 5.4.1 协调系数体系的构建
• 5.4.2 系统协调发展模型的建立
• 5.5 水资源复合系统的协同演化分析
• 5.5.1 水资源系统的演化
• 5.5.2 系统的熵变理论
• 5.5.3 基于信息熵的水资源复合系统协调演化分析
• 5.6 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间参加课题与发表学术论文情况
• 致谢