城市水资源管理模型范文

1引言

水是人民生活和经济社会发展的基础性战略资源,同时又是生态环境的控制要素,是实现社会经济可持续发展的重要物质基础。联合国组织近年一再强调大城市水资源是世界水资源问题中的重点,而管理又是城市水资源问题的核心。水利部党组在党中央、国务院治水方针指导下,提出以水资源的可持续利用支持经济社会可持续发展的治水新思路,高度重视城市水问题,明确提出做好城市水利工作是实现水利现代化的重要标志。因此加强城市水资源管理研究,对城市用水健康循环和保证城市可持续发展具有深远的战略意义。

随着城市规模与分布密度的不断增大,需水量由局部问题扩张到区域性问题。水资源进入了供水管理时期,其任务是保证供水,满足城市的稳定用水,科学分水,使各城市备用水部门能够合理、均衡发展,它构成了近几十年来国内外城市水资源管理与研究的主要内容。城市经济的进一步发展,可利用水资源量成为区域性的约束因素,水资源管理将进入一个新的水资源供需调控时期,管理内容同时包括供水管理、需求管理以及供需综合调控。这个新的时期,供水管理不再是单纯的水量保证问题,而是要从社会、经济、生态等方面考察供水规模与供水增长速度的有效性,设计供水的优化方案。需求管理是在供水的平均成本和边际成本的压力下,以行政、经济、法律等手段提高生产用水的有效性,促进城市用水及其发展趋势与供水、水环境条件相适宜。另一方面,如果城市用水的比较效益很高,将能促进或刺激供水的扩大,这使得城市水资源供需存在着互为反馈的动力机制,借此,城市水资源供需调控得以实施,使有可能找到一条水供需动态优化的控制路径和管理模式。城市水资源可持续管理是一项复杂的系统工程,需建立在多目标、多主体规划模型基础上,从更高层次角度提出管理模式,求出全局最优策略,实施统一规划、统一经营与统一管理,从而解决资源短缺、生态环境恶化和水污染问题。从效益上来看,城市水资源管理一体化的最终目标是水资源开发利用必须达到经济效益、社会效益和生态效益的协调统一,从中寻求最优的水资源利用方式,最大限度地满足该地区国民经济各部门的需求、改善国民经济用水和生态环境用水的矛盾、合理开采利用地下水,达到水资源配置的合理与高效,实现水资源对国民经济发展和生态环境的支撑。因此其中的关键问题就是城市水资源管理模型的合理开发,需按照系统化、最优化、决策化进行分析研究,应用电脑快速整理和融汇所有有关资料,提供高科技含量的高智能评估,利用信息反馈原理和运筹决策法提出最优开发利用的地表水和地下水联合调度、水量与水质统一管理、水污染综合整治等的科学依据。

2研究现状分析

水资源管理理论研究的发展,是与水资源的持续利用和人类社会协调发展密不可分的。近100年来,随着科学技术水平的提高和经济社会的发展,水资源管理逐步走向合理化、多样化和集约化(福田仁志,1983)。同时,水资源系统优化调度和分配、水资源宏观区域规划、水环境战略保护以及采取全面节水措施、营造节水型社会等方面都有很大的进步。虽然城市水资源管理由来久远,但将管理、科学管理置于重要位置却是近30年的事。

2.1国外研究现状

国外城市水资源管理的研究,包括供给、需求及污水处理的研究,60年代就已开始。Scarato(1969年)[1]将能力(容量)扩大的原优化模型首次用于城市的水处理与输水管道的布局规划方面,并且取得了较好的结果；Riordan(1971年)[2]提出了一般的多阶段边际费用动态规划模型,将此模型用于城市水处理设施的规划方面,以费用为目标函数对城市水处理设施进行动态规划；Mulvihill和Dracup(1974年)[3]用非线性规划方法建立了城市供水和污水处理的联合规划模型；Dandy等(1984年)[4]提出一种考虑价格、偿还贷款等因素的动态规划方法,并将这种方法用于城市供水系统的规划；Haimes(1974年)[5]将供水和用水作为协调对象,用系统分解协调方法构造出区域供水需水协调模型,并用此模型对北大西洋区域的水资源进行了分析与规划；1983年,D.P.Sheer经过长时间的努力,利用优化和模拟相结合的技术在华盛顿特区建立了城市配水系统；1992年6月联合国环境与发展大会在巴西里约热内卢通过了著名的《里约宣言》和《21世纪议程》,世界各国政府为其在宣言中所做的承诺进行了不懈的努力,并在研究社会、经济、资源与环境如何协调发展的问题上做了大量的工作。J.Icke(1999)[6]进行了城市水资源管理中的可持续性评价的分析,建立了城市水资源循环模拟模型,用该模型来评价城市水资源的可持续利用性；P.M.J.Terpstra(1999)[7]建立了城市生活用水的模拟模型,用该模型来模拟各种不同供水管理水平下的用水状况,从而选择最优的供水管理方式,以促进城市用水的可持续发展；为了提高和改善可持续水资源管理水平,瑞士环境策略研究基金会(1999)[8]发起了一项瑞士6年研究项目“可持续城市水管理”,主要研究目标是保护环境、节约自然资源及提高人类生活健康及卫生环境,该项目包括饮用水处理系统、城市暴雨管理系统及污水回用系统三个主要方面；TerenceR.Lee(2000)[9]探讨了拉丁美洲的城市水资源管理状况,针对具体问题,提出了解决的思路,为将来水政策的制定提供了一定的依据。

2.2国内研究现状

在我国,城市水资源管理工作的研究与展开主要开始于20世纪80年代。周克俊(1987年)[11]将Haimes发展的模型作了改进,并应用于常州市水资源的研究中,这项研究存在一个问题是没有考虑污水处理系统.污水处理系统的存在,增加了供水费用,对用水系统起约束作用,若不考虑处理费用,则供水、用水系统将会扩大到不适当的规模；都金康等(1990年)[12]将供水、用水、污水处理一并考虑,建立城市水资源规划和管理的分解协调模型,该模型分为两级,一级为管理协调系统,二级由供水、用水和污水处理三个系统组成,分别建立第二级三个系统的数学规划模型,然后在第一级用系统分解协调法将三个模型连接起来,形成城市水资源分解协调模型；张超等(1993年)[13]将系列模型方法应用于城市水资源开发利用规划中,提出了一种新的评价指标体系,采用了确定性与随机性两种动态模拟技术,以及动态规划,多目标规划等优化技术,应用于长治市水资源开发利用规划中。

1996年,为纪念“世界水日”,由联合国人居中心、建设部和水利部共同举办了“城市水资源管理国际会议”,旨在加强国际间合作,共同研究策略来解决城市缺水问题及保护全球的生态环境,实现全球经济的可持续发展；1997年,由联合国UNDP资助,中国国际经济和技术交流中心承担了“21世纪的中国城市水管理”的研究课题,并得到中国建设部的大力支持,该项目旨在通过完善水管理机构改革和需水管理策略,从而提高城市供水和污水管理水平,以促进城市的可持续发展,主要研究区域包括北京和石家庄两地；WeiYan(1999年)[10]探讨了21世纪的城市水管理策略,系统地介绍了发达国家城市水管理的发展模式,包括水管理组织机构、资金融资等情况；王先峰等(1999年)[14]针对西安市严重缺水的供水形势及实际情况,对西安市两个主要水源建立了动态确定型多目标非线性数学模型,并从水量水质两方面对其进行约束,得出了27年各月的水量水质参数；辛玉琛等(2000年)[15]建立了城市水资源优化管理模型,该模型包括地表水优化调度模型、地下水优化管理模型及整体目标,并运用该模型对长春市水资源管理进行了分析,解决了常规分析方法未能解决的问题；邵益生(2000年)[16]探讨了21世纪中国城市的水战略,指出我国城市水资源目前面临供需矛盾加剧、水源水质保护难度加大、迫切需要改善饮用水的质量三大挑战,再次建议将“节流优先,治污为本,多渠道开源”作为城市水资源可持续开发利用的新战略；董辅祥(2000年)[17]提出了城市水资源可持续利用的方针与对策,强调节水与合理的水费体制是城市水资源可持续利用的主要对策；于书霞、尚金城(2002年)[18]运用系统动力学的方法,研究了城市水资源供需系统的优化分析,得出了水价和水污染整治投资比例是两个关键因素,只有二者相互协调,共同发挥作用,才能促进城市水资源的可持续发展；王维平等(2003年)[20]针对缺水地区水资源时空分布不均及丰枯交替频繁,尤其是连枯年份高频率出现的特点,采用优化和模拟技术,建立了适用于多水源、多工程、多用户等复杂条件下具有可操作性的水资源预分配管理模型,以实现水资源在各地区、各部门、各行业层次上的分配。在此基础上,研制出按节水水平高低和企业用水重要性大小进行配水的管理模型,从而达到了在实际水资源管理的直接对象——企业间的优化配置。

3结语

随着水资源短缺及水污染的日趋严重,合理规划及管理城市水资源、解决水资源问题将是中国21世纪可持续发展的重大课题,如何在传统区域发展模式和自然资源开发利用模式的基础上有所突破,顺利贯彻从不重视节水、治污和不注意开发非传统水资源转变为节流优先、治污为本、多渠道开源的城市水资源可持续利用战略,进一步丰富面向可持续发展的水资源学科体系,仍然需进一步深入的探索,特别是在城市水资源基本平衡关系、需求管理、供水管理、水量与水质统一管理、地表水与地下水统一管理、经济机制、决策机制等各主要模型的数学描述等方面,还需要进行更深层次及多元化的探讨,对城市水资源管理模型来说,其发展的趋势应是需水、供水、排水、节水四方面的有效统一,如何将四方面纳入一个模型之中,则是我们要研究的重点。