水資源規(guī)劃與管理教材(92張)課件

1、水資源管理學(xué)（水資源規(guī)劃與管理）2008年9月課程大綱碩士研究生課程大綱-水資源管理學(xué)碩士研究生課程簡介-水資源規(guī)劃與管理水資源管理水資源規(guī)劃1水資源規(guī)劃2教材書目1、 李廣賀、劉兆昌、張旭，水資源利用工程與管理，清華大學(xué)出版社，20022、汪承杰水資源計(jì)算與評(píng)價(jià)南京：南京大學(xué)出版社，19923、Adamson，AW水資源系統(tǒng)規(guī)劃與分析北京：科學(xué)出版社，1984參考書目11、 現(xiàn)代水資源管理概論。吳季松。2002年10月第1版。北京：中國水利水電出版社2、 水資源學(xué)。陳家琦，王浩，楊小柳。2002年4月第1版。北京：科學(xué)技術(shù)出版社3、 水資源管理。趙寶璋。1994。中國水利水電出版社4、 水資

2、源持續(xù)利用與管理導(dǎo)論。2000年7月第1版。馮尚友。北京：科學(xué)技術(shù)出版社參考書目21、付國偉，程聲通水污染控制系統(tǒng)規(guī)劃北京：清華大學(xué)出版社，19852、付國偉，程聲通水質(zhì)管理信息系統(tǒng)的系統(tǒng)分析北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，19883、朱黨生，王超，程曉冰水資源保護(hù)規(guī)劃理論及技術(shù)北京：中國水利水電出版社，2001第五章水資源系統(tǒng)分析方法 5.1 模型化和最優(yōu)化 5.1.1 數(shù)學(xué)模型 （一）數(shù)學(xué)模型是一組描述和代表真實(shí)系統(tǒng)的方程。 式中：D(t)時(shí)間t后溶解氧的飽和差； L(t)有機(jī)質(zhì)的需氧量； K1脫氧率； K2復(fù)氧率； （二）數(shù)學(xué)模型分類 線性模型和非線性模型 線性模型和非線性模型。 確定性模型的

3、概率模型 靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型 集中參數(shù)模型和分散參數(shù)模型 5.1.2 最優(yōu)化 （一）最優(yōu)化過程：選擇一組決策變量，在系統(tǒng)的約束條件控制下，使目標(biāo)達(dá)到極值的過程。 式中：x1,x2,xn決策變量； f(x1,x2,xn)目標(biāo)函數(shù)； b已知值； （二）最優(yōu)化技術(shù)分類 微分法。 線性規(guī)劃 非線性規(guī)劃 動(dòng)態(tài)規(guī)劃 分解和多級(jí)分析法 模擬 （三）模擬 模擬：時(shí)間里一個(gè)反映實(shí)際的數(shù)學(xué)模型，然后在模型上實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 系統(tǒng)識(shí)別：確定模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 5.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃 5.2.1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃概念 動(dòng)態(tài)規(guī)劃是用來解決多階段決策過程最優(yōu)化的一種數(shù)量方法。其特點(diǎn)在于，它可以把一個(gè)n 維決策問題變換為

4、幾個(gè)一維最優(yōu)化問題，從而一個(gè)一個(gè)地去解決。12n 狀態(tài)決策狀態(tài)決策狀態(tài)狀態(tài)決策渠道最短路徑問題AB1B2C1C2C3D24333321114圖示如下： 狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程是確定過程由一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的演變過程。 如果第k階段狀態(tài)變量sk的值、該階段的決策變量一經(jīng)確定，第k+1階段狀態(tài)變量sk+1的值也就確定。狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程如下（一般形式）12ks1u1s2u2s3skuksk+1 能用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解具有無后效性的多階段決策過程。式中 : 階段變量k狀態(tài)變量sk決策變量uk; 如果狀態(tài)變量不能滿足無后效性的要求，應(yīng)適當(dāng)?shù)馗淖儬顟B(tài)的定義或規(guī)定方法。動(dòng)態(tài)規(guī)劃中能處理的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程的形式。 狀態(tài)具有無后

5、效性的多階段決策過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程如下 無后效性(馬爾可夫性) 如果某階段狀態(tài)給定后，則在這個(gè)階段以后過程的發(fā)展不受這個(gè)階段以前各段狀態(tài)的影響； 過程的過去歷史只能通過當(dāng)前的狀態(tài)去影響它未來的發(fā)展； 構(gòu)造動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型時(shí)，要充分注意是否滿足無后效性的要求； 狀態(tài)變量要滿足無后效性的要求；狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程指標(biāo)函數(shù)最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值指標(biāo)函數(shù)可遞推 解: 整個(gè)計(jì)算過程分三個(gè)階段，從最后一個(gè)階段開始。 第一階段（C D）： C 有三條路線到終點(diǎn)D 。AB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3 f1 (C1 ) = 1 ； f1(C2 ) = 3 ； f1 (C3 ) = 4 5.2.2 渠道最

6、短路徑問題 從水庫A的調(diào)水到水庫D，可以經(jīng)過B、C水庫調(diào)節(jié)。圖示輸水渠道情況下，確定最短供水渠道。 d( B1,C1 ) + f1 (C1 ) 3+1 f2 ( B1 ) = min d( B1,C2 ) + f1 (C2 ) = min 3+3 d( B1,C3 ) + f1 (C3 ) 1+4 4 = min 6 = 4 5第二階段（B C）： B 到C 有六條路線。AB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3B1B2(最短路線為B1C1 D) d( B2,C1 ) + f1 (C1 ) 2+1 f2 ( B2 ) = min d( B2,C2 ) + f1 (C2 ) =

7、 min 3+3 d( B2,C3 ) + f1 (C3 ) 1+4 3 = min 6 = 3 5AB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3B1B2(最短路線為B2C1 D)第三階段（ A B ）： A 到B 有二條路線。 f3(A)1 = d(A, B1 ) f2 ( B1 ) 246 f3 (A)2 = d(A, B2 ) f2 ( B2 ) 437 f3 (A) = min = min6,7=6d(A, B1 ) f2 ( B1 )d(A, B2 ) f2 ( B2 )(最短路線為AB1C1 D)AB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3B1B2AA

8、B1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3B1B2A最短路線為AB1C1 D 路長為 6 從水庫A的調(diào)水到水庫D，可以經(jīng)過B、C水庫調(diào)節(jié)。圖示輸水渠道情況下，確定最短供水渠道。 給定洛杉磯、長灘、圣地亞哥三個(gè)城市。 可供水量Q=8億立方米， 各城市用水的收益函數(shù)（億美元）如表。 5.2.3 供水最大收益問題 Q為供應(yīng)基本需求的剩余水量，沒有最大最小要求。 確定水量最佳分配。 目標(biāo)是總收入最大。 最優(yōu)化方程 約束條件。 目標(biāo)是總收入最大。 第一階段，只考慮一個(gè)城市 確定分配洛杉磯效益最大。 目標(biāo)是總收入最大。 第二階段，只考慮二個(gè)城市 確定分配洛杉磯4、長灘4效益最大。 目標(biāo)是總

9、收入最大。 第三階段，考慮三個(gè)城市 確定分配洛杉磯4、長灘4、圣地亞哥0，效益最大。 5.3 多目標(biāo)線性規(guī)劃 5.3.1 水資源系統(tǒng)多目標(biāo) （一）水資源系統(tǒng)的目標(biāo) 期限：短期、中期、長期。 部門：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、 自然：水生生物、陸生生物 范圍：國家、區(qū)域、地方 約束：立法、環(huán)境、社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì) 技術(shù)：處理能力、供水能力例如：防洪與發(fā)電：發(fā)電損失極?。惶岣咚?，增大庫容 洪水損失極?。航档退?，減少庫容 水質(zhì)與水處理費(fèi)用：水質(zhì)好：水處理費(fèi)用高 水質(zhì)差，水處理費(fèi)用低目標(biāo)函數(shù)（三）最優(yōu)化問題（一般形式）約束條件 多目標(biāo)分析基礎(chǔ)：獲得pareto最優(yōu)解，即不次解。 多目標(biāo)優(yōu)化配置模型的目標(biāo)函數(shù)主

10、要考慮以下幾個(gè)： 社會(huì)效益用區(qū)域總?cè)彼孔钚”硎?式中： 為 子區(qū) 用戶的需水量，104m3； 、 分別為獨(dú)立水源 、公共水源 向 子區(qū) 用戶的供水量，104m3。 經(jīng)濟(jì)效益用供水效益表示 式中： 、 分別為獨(dú)立水源 、公共水源 向 子區(qū) 用戶的單位供水量效益系數(shù)，元/ m3； 、 分別為獨(dú)立水源 、公共水源 向 子區(qū) 用戶的單位供水量費(fèi)用系數(shù)，元/ m3； 、 分別為獨(dú)立水源 、公共水源 向 子區(qū) 用戶供水效益修正系數(shù)，與供水次序、用戶類型及子區(qū)影響程度有關(guān)。 環(huán)境效益用污染物的最小排放量表示 式中： 為 子區(qū) 用戶單位污水排放量中重要污染物的濃度，mg/L，一般常用化學(xué)需氧量(COD) 、

11、生化需氧量(BOD)等水質(zhì)指標(biāo)來表示； 為 子區(qū) 用戶的污水排放系數(shù)。 約束條件有： 供水系統(tǒng)的供水能力約束 公共水源 獨(dú)立水源 式中： 、 分別為公共水源 和 子區(qū)獨(dú)立水源 的可供水量上限； 為公共水源 分配給 子區(qū)的水量。其他符號(hào)含義同前。 輸水系統(tǒng)的輸水能力約束 公共水源 獨(dú)立水源 式中： 、 分別為公共水源 、 子區(qū)獨(dú)立水源 的最大輸水能力。 用水系統(tǒng)的供需變化約束 式中： 、 分別表示 子區(qū)用戶 需水量變化的下限和上限。 排水系統(tǒng)的水質(zhì)約束 達(dá)標(biāo)排放 總量控制 式中： 為 子區(qū) 用戶排放污染物 的濃度； 為污染物 達(dá)標(biāo)排放所規(guī)定的濃度； 為允許的污染物排放總量。其他符號(hào)含義同前。 非

12、負(fù)約束 、 其他約束其中 參數(shù)需要主觀確定。 通用求解方法：將最優(yōu)化方程變化為 5.3.2 線性規(guī)劃圖解法、單純型法5.3.3 莫米河流域多目標(biāo)分析B級(jí)規(guī)劃案例 （一）流域特點(diǎn)： （1）570萬英畝土地、4萬英畝水面； （2）流域包含5個(gè)縣和1個(gè)莫米灣。 （3）城市擴(kuò)展，造成土壤侵蝕 （3）土壤侵蝕和泥沙沉積，造成水質(zhì)、魚類、洪水、美觀問題。 （4）表土流失，造成土地生產(chǎn)能力下降。 （5）人口、經(jīng)濟(jì)、土地利用按中等增長率預(yù)測(cè)，2.1%； （二）規(guī)劃方案 1）規(guī)劃目標(biāo)： （1）增加經(jīng)濟(jì)收入 （2）改進(jìn)環(huán)境質(zhì)量 2）規(guī)劃譜系圖： （1）第二層； （2）第一層；二級(jí) （3）第一層；一級(jí) 3）具體目標(biāo)

13、： 土地利用、土壤侵蝕、水質(zhì)、魚和野生動(dòng)物、室外娛樂、防洪和排水、洪水、管理土地政策、法律目標(biāo)函數(shù)1目標(biāo)函數(shù)2目標(biāo)函數(shù)n規(guī)劃子區(qū)1規(guī)劃子區(qū)2規(guī)劃子區(qū)m價(jià)值協(xié)調(diào) （三）規(guī)劃子模型 土地利用式中： f1土地資源管理費(fèi)。 Cr1每畝農(nóng)業(yè)資源管理費(fèi) R農(nóng)業(yè)管理措施：耕翻、輪作、耕作、梯田化 Ckm2土壤侵蝕類型m每英畝第k娛樂活動(dòng)費(fèi)用 Ckm3土壤侵蝕類型m每英畝保護(hù)野生生物棲息地費(fèi)用 Ckm4土壤侵蝕類型m每英畝洪泛平原費(fèi)用 xrn時(shí)期n農(nóng)業(yè)活動(dòng)r的土地英畝數(shù) ykmn時(shí)期n分配給第k娛樂活動(dòng)的土壤侵蝕類型m英畝數(shù) zmn時(shí)期n分配給保護(hù)野生生物棲息地的土壤侵蝕類型m英畝數(shù) vmn時(shí)期n分配給洪泛平

14、原的土壤侵蝕類型m英畝數(shù) 土地利用約束式中： ar第r土地活動(dòng)下作物的產(chǎn)量系數(shù)。 bn時(shí)期n作物r的最低生產(chǎn)水平 作物類型：玉米、小麥、大豆、燕麥 生產(chǎn)約束式中： n第r土地活動(dòng)下作物r的產(chǎn)量系數(shù)。 dmn時(shí)期n擁有土壤侵蝕類型m英畝數(shù) 土地約束5.3.4 朝陽水資源多目標(biāo)管理模型 利用水資源技術(shù)模型和評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果等，通過水資源實(shí)時(shí)管理模型計(jì)算，結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜一驔Q策者等積累的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和偏好，分水協(xié)議、水價(jià)政策的經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)作用等進(jìn)行綜合分析，最后提出水資源的實(shí)時(shí)管理方案。 水資源多目標(biāo)管理模型，由目標(biāo)函數(shù)和目標(biāo)約束條件、資源約束條件與變量約束條件構(gòu)成，其通用表達(dá)式為：目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)約束 資源約束

15、變量約束 ， 管理的本質(zhì)是為了最有效地達(dá)到某個(gè)目標(biāo)，而對(duì)系統(tǒng)的活動(dòng)施加控制。對(duì)水資源管理來說，也就是用水動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來把握水資源系統(tǒng)，在一定約束條件下，通過某些決策變量的操作，使其按既定目標(biāo)要求達(dá)到最優(yōu)。目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)函數(shù)是水資源管理系統(tǒng)所追求的目標(biāo)，即使決策所產(chǎn)生的結(jié)果最優(yōu)化。在最優(yōu)化技術(shù)方法中，以目標(biāo)函數(shù)表征相應(yīng)目標(biāo)的數(shù)值極大化或極小化。如 式中Qi為i區(qū)域的抽水或排水流量；Ci為有關(guān)的效益或費(fèi)用函數(shù)。 決策變量 決策就是施加影響因素，施加控制，在水資源管理工作中，把人為可控的輸入稱為決策變量，通過它的操縱來達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的控制。通常決策變量可分為如下三類：工程設(shè)施變量：包括確定地表水庫、地下

16、水水源地、地下水補(bǔ)給設(shè)施等的最優(yōu)尺寸。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變量：即確定各行各業(yè)的最優(yōu)規(guī)摸，如農(nóng)業(yè)開發(fā)中的灌溉面積及作物種類等。運(yùn)行決策變量：即各時(shí)段地表水庫的最優(yōu)蓄水和放水、地下水抽水和回灌量的聯(lián)合調(diào)度方案。約束條件 決策變量的實(shí)施要受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和技術(shù)等方面的約束，通?？蓪⒓s束條件分為如下幾類：.水均衡約束，地下水量受地下水運(yùn)動(dòng)方程的控制，用以求解地下水運(yùn)動(dòng)方程的模型是建立管理模型的甚礎(chǔ)。.限量和需求約束。如： a需要考慮抽水或排水所需的能量效率或費(fèi)用； b由于抽水或排水設(shè)備能力限制，地下水位降深不能低于某一規(guī)定值；.非負(fù)約束，這是用單純形法求解線性規(guī)劃問題的必要條件。朝陽區(qū)概況 朝陽區(qū)位于北京市

17、區(qū)東部，華北大平原北端。全區(qū)土地面積467.18km2，全區(qū)轄22個(gè)街道，5個(gè)辦事處，24個(gè)鄉(xiāng)，175個(gè)行政村。 建立水資源經(jīng)濟(jì)管理模型，需要遵循以下步驟：首先要確定管理期和管理范圍，根據(jù)管理區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水資源條件，將其分為若干個(gè)管理亞區(qū)； 研究區(qū)域水資源條件，建立地表水和地下水模擬模型，并對(duì)規(guī)劃期可供水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于用響應(yīng)矩陣法建立管理模型的，應(yīng)求含水層的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)；收集地區(qū)最新國民經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出表，確定管理區(qū)的主要產(chǎn)業(yè)部門；收集管理區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，這是管理模型建立的基礎(chǔ)和依據(jù)；對(duì)規(guī)劃期用水單耗（如人均用水量、萬元產(chǎn)值耗水量、農(nóng)作物灌溉定額）進(jìn)行預(yù)測(cè)；根據(jù)管理目標(biāo)，確定決策

18、變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ蠼?。模型的目的要?本模型以區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源可持續(xù)利用為依據(jù)，通過對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境等用水的合理分配，以達(dá)到既能滿足人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求，又能緩解生態(tài)環(huán)境惡化的目的。 多目標(biāo)水量優(yōu)化配置模型兼顧以下五個(gè)方面的要求:.滿足人民生活用水量需求；.滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的基本需要；.滿足生態(tài)環(huán)境用水的需求；.完成規(guī)劃工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值目標(biāo)；.在滿足需水要求的前提下，開發(fā)水資源投資最小。模型的優(yōu)化原則 .水源類型 分為地表水、地下水、自來水，中水四種水源。.用水部門 在本區(qū)條件下與模型優(yōu)化分配水資源有關(guān)的用水部門有:生活用水（城鎮(zhèn)生活用

19、水、農(nóng)村生活用水）、工業(yè)用水（電子及通訊制造業(yè)用水、一般工業(yè)用水、石油化工用水、電力蒸氣熱水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)用水）、農(nóng)業(yè)用水（種植業(yè)、漁業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)）和生態(tài)環(huán)境用水等四個(gè)大用水部門、十幾個(gè)小用水部門。.優(yōu)化原則 本模型假設(shè)除了水資源以外的各種因素都己具備，工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的大小只取決于水資源條件。根據(jù)朝陽區(qū)的實(shí)際情況，擬定首先滿足人民生活用水和工業(yè)用水，再適當(dāng)安排農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水。模型的變量設(shè)置 在模型中分別以Ai、Ii、Li、Zi分別表示第i分區(qū)上農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水、生態(tài)用水分配水量。用上標(biāo)s表示地表水，g表示地下水，t表示自來水，m表示中水。 考慮到朝陽區(qū)的實(shí)際情況，以及一些用水部門的

20、特殊性，優(yōu)化時(shí)做了以下的假設(shè)： 由于農(nóng)村生活用水具有分散性，在優(yōu)化時(shí)假定農(nóng)村生活用水只來源于地下水，其它水源忽略不計(jì)。 由于中水使用涉及到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，出于安全考慮，假設(shè)中水水僅用于一般工業(yè)、石油化工業(yè)、生態(tài)環(huán)境和電力、蒸汽、熱水、的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)的用水四個(gè)行業(yè)。 生態(tài)環(huán)境需水涉及城鎮(zhèn)生態(tài)、河湖生態(tài)等，考慮到用水的特殊性，為節(jié)省優(yōu)質(zhì)水源，假定生態(tài)用水不使用自來水，而漁業(yè)用水主要使用地表水，畜牧業(yè)只使用地下水，其它水源忽略不計(jì)。模型的變量設(shè)置約束條件 .地表水約束 模型中各行業(yè)用地表水的總量不能超過地表水的可供水量。 式中Wsi表示第i分區(qū)地表水可供水量， ， 表示所用地表水量之和超過或不足于地

21、表水可供水量的差值，即正負(fù)偏差。 0， 0，且 =0約束條件地下水約束 要求地下水開采量不能超過該區(qū)地下水可開采量。 自來水約束 所用自來水水量不能超過可用自來水總量。中水約束 所利用的中水不能超過中水總量。 尋優(yōu)目標(biāo) .居民生活用水目標(biāo) 在滿足水資源約束的前提下，首先保證居民生活用水。對(duì)城鎮(zhèn)生活用水：對(duì)于農(nóng)村生活用水：工業(yè)用水目標(biāo) 對(duì)一般工業(yè) 電子及通訊制造業(yè) 石油化工業(yè) 電力蒸氣熱水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)用水生態(tài)環(huán)境用水目標(biāo)農(nóng)業(yè)用水目標(biāo) 種植業(yè) 漁業(yè) 林業(yè) 畜牧業(yè)開發(fā)水資源投資目標(biāo) 水資源配置須要在水資源、生態(tài)環(huán)境和開發(fā)水資源投資三方面達(dá)到平衡。 對(duì)于各個(gè)具體目標(biāo)需要根據(jù)它在區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和長遠(yuǎn)規(guī)劃

22、中的相對(duì)重要性，規(guī)定其優(yōu)先級(jí)別。滿足水量約束條件P1滿足居民生活用水要求P2滿足工業(yè)用水要求P3滿足農(nóng)業(yè)用水要求P4滿足生態(tài)環(huán)境用水要求P5水資源開發(fā)費(fèi)盡可能小于投資費(fèi)用P6 本模型的目標(biāo)函數(shù)P 優(yōu)化結(jié)果分析 以下為朝陽區(qū)2000年，2010年，2020年的水資源數(shù)據(jù) 人口及用水定額可用水資源量（萬m3）農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水量（萬m3） 優(yōu)化結(jié)果分析2000年，2010年，2020年工業(yè)產(chǎn)值增加值及萬元增加值取水量 優(yōu)化結(jié)果分析2000年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水量分配（萬m3） 優(yōu)化結(jié)果分析 本模型對(duì)開發(fā)地表水、開采地下水、自來水和中水單位水量的成本的按比例0.27：0.54：1：0.25進(jìn)行計(jì)算

23、，自來水開發(fā)成本計(jì)為1，其它則按比例折算。從供水結(jié)構(gòu)來看，本次規(guī)劃是在保證地下水不超采的前提下進(jìn)行的，廣泛推行節(jié)水措施，盡量利用中水，挖掘朝陽區(qū)區(qū)內(nèi)的供水潛力。隨著社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，中水利用將是解決朝陽區(qū)水資源緊缺的有利措施。朝陽區(qū)地下水保持每年利用1.11億m3的供應(yīng)量，自來水也只能保持現(xiàn)狀的1.71億m3的利用量，地表水用量也不會(huì)改變，中水目前的用量還很少，由此可見增加中水用量的重要性。 2000年各行業(yè)水資源分配（萬m3） 優(yōu)化結(jié)果分析2010年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水量分配（萬m3） 優(yōu)化結(jié)果分析2020年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水量分配（萬m3） 第六章水環(huán)境系統(tǒng)模型 6.1 污

24、染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理 6.1.1污染物在水體遷移轉(zhuǎn)化過程中的物理化學(xué)作用 遷移與擴(kuò)散； 吸附與解吸； 沉淀與再懸浮； 降解作用。底泥沙顆粒吸附作用沉淀zx物理運(yùn)動(dòng)（遷移/擴(kuò)散作用）泥河床解吸作用再懸浮污染物吸附作用解吸作用 1）遷移擴(kuò)散作用 一般來說，水體中的污染物主要以溶解狀態(tài)或交替狀態(tài)存在，隨著水體的流動(dòng)不斷遷移，同時(shí)也與周圍的水體相互混合擴(kuò)散，使其濃度不斷降低，水質(zhì)得以改善。 遷移作用 對(duì)于過水?dāng)嗝嫔系娜我稽c(diǎn)來說，污染物經(jīng)過該點(diǎn)并沿流向（設(shè)為x方向）的輸移通量為 式中：Fx為過水?dāng)嗝嫔夏滁c(diǎn)沿x方向的污染物輸移通量，mg/（m2s）；u為某點(diǎn)沿x方向的流速，m/s；C為某點(diǎn)污染物的濃

25、度，mg/m3。 對(duì)于整個(gè)過水?dāng)嗝妫廴疚锏妮斠坡蕿椋?式中：FA為過水?dāng)嗝嫔系奈廴疚镙斠坡?，mg/s； 為經(jīng)過該斷面的水體平均流速，m/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2； 為斷面上污染物的平均濃度；Q為該斷面的流量，m3/s。 擴(kuò)散作用 擴(kuò)散作用是由于污染物在空間上存在濃度梯度，從而使得其不斷趨于均化的物質(zhì)遷移現(xiàn)象。擴(kuò)散作用包括分子擴(kuò)散作用、紊動(dòng)擴(kuò)散作用和離散作用三個(gè)方面。 分子擴(kuò)散，是指水中污染物由于分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運(yùn)動(dòng)過程；紊動(dòng)擴(kuò)散，是由紊流中渦旋的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而引起的污染物從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的遷移過程；縱向離散，也稱為彌散，是由于斷面非均勻流速作用而引起的污染物離散現(xiàn)

26、象。 分子擴(kuò)散過程服從費(fèi)克（Fick）第一定律，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的溶解物質(zhì)的質(zhì)量與溶解物質(zhì)濃度在該面積法線方向的梯度成正比。 紊動(dòng)擴(kuò)散過程和離散過程也可采用類似表達(dá)分子擴(kuò)散通量的費(fèi)克第一定律來表達(dá)。 水體中污染物擴(kuò)散作用的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中：Mx為擴(kuò)散通量，即單位時(shí)間單位面積內(nèi)在x方向由于擴(kuò)散作用通過的污染物質(zhì)量，mg/（m2s）；Emx為x方向的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Etx為x方向的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Edx為x方向的縱向離散系數(shù)，m2/s；C為水體污染物濃度； 為沿x方向的濃度梯度。 2）吸附與解析作用 吸附與解吸過程是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程?？筛鶕?jù)弗勞德利希（Freund

27、lich）吸附等溫式的形式可近似推導(dǎo)泥沙對(duì)水中污染物的吸附速率方程： 式中：S為泥沙吸附濃度，mg/g；為無量綱化的S值；C為水體污染物濃度；W為水體的含沙量，g/L；b為與活化能有關(guān)的指數(shù)；k1，k2分別為吸附速率系數(shù)和解吸速率系數(shù)，d-1。 3）沉淀與再懸浮作用 污染物沉淀與再懸浮量的計(jì)算，一般有兩種途徑： 一是按照河流動(dòng)力學(xué)和泥沙工程學(xué)原理，先計(jì)算河段含沙量變化過程和沖淤過程，然后考慮泥沙對(duì)污染物的吸附解吸作用，進(jìn)一步算出污染物的沉淀與再懸浮量。 另一種是采用一個(gè)系數(shù)直接對(duì)污染物的減少或增加進(jìn)行估算，其表達(dá)式一般為： 式中：Ks為沉淀與再懸浮系數(shù)，Ks與水流速度、泥沙組成、溫度等因素有關(guān)

28、。 4）降解作用 通常，大多數(shù)污染物在隨水流遷移擴(kuò)散的同時(shí)，還在微生物的生物化學(xué)作用下分解和轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，從而使水體中污染物濃度降低，這種現(xiàn)象被稱為降解。 有機(jī)污染物的降解，一般認(rèn)為可按一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來計(jì)算，即 式中：K1為有機(jī)污染物的降解速率系數(shù)（簡稱降解系數(shù)），d-1。 6.2 水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程 水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程是根據(jù)微元水體中水流連續(xù)性原理、能量守恒原理、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與平衡原理而建立的、模擬水質(zhì)運(yùn)動(dòng)、變化過程的最基本方程。 零維水質(zhì)基本方程 零維可看作是河流水質(zhì)完全混合，水質(zhì)濃度均一的水體單元。根據(jù)水量平衡方程和質(zhì)量平衡方程建立非穩(wěn)定態(tài)和穩(wěn)定態(tài)方程。 非穩(wěn)定情況流量、污染物濃度不穩(wěn)

29、定，隨時(shí)間而變化 其基本方程為： 式中：C為單元水體內(nèi)的污染物濃度，mg/L；CI為流入該單元水流的污染物濃度，mg/L；QI、Q分別為流入、流出該單元的流量，L/d；V為該單元的水體體積，L； Si為該單元的源漏項(xiàng)，表示各種作用（如生物降解作用、沉淀作用等）使單位水體的某類污染物在單位時(shí)間內(nèi)的變化量，mg/（Ld）。Si增加時(shí)取正號(hào)，稱源項(xiàng)；減少時(shí)取負(fù)號(hào)，稱漏項(xiàng)。 穩(wěn)定情況 流量、濃度不隨時(shí)間而變化 穩(wěn)態(tài)時(shí)， ，QQI，V為常數(shù)，非穩(wěn)定態(tài)方程可變?yōu)椋捶€(wěn)定態(tài)基本方程）： 非穩(wěn)態(tài)情況常?？梢酝ㄟ^一定的簡化，使之近似為穩(wěn)態(tài)。例如枯水期，當(dāng)計(jì)算時(shí)段不長時(shí)，可由該時(shí)段的濃度、流量平均值代表該時(shí)段的濃

30、度、流量變化過程，從而使計(jì)算簡化。 一維水質(zhì)基本方程 一維水質(zhì)假定污染物濃度在斷面上均勻一致，只隨流程方向發(fā)生變化。 根據(jù)圖所表達(dá)的某河段單元污染物質(zhì)量平衡關(guān)系，再結(jié)合前面分析的污染物在水體中的各種物理化學(xué)過程，由質(zhì)量守恒原理可建立一維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程，即 式中各符號(hào)意義同前。dxSiqM1，M2，M3Q，CQ(x+dx)，C(x+dx)M1(x+dx)，M2(x+dx)，M3(x+dx)一維微分河段水量、水質(zhì)平衡示意圖河段長度流量污染物分子擴(kuò)散通量單位長度入流流量污染物變化量污染物濃度 對(duì)于均勻河段（即過水?dāng)嗝?、流速、擴(kuò)散系數(shù)均為常數(shù)），則上式可寫為 河流的離散系數(shù)Ed一般要比分子擴(kuò)散系

31、數(shù)Em、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)Et大得多，后者與前者相比，常?？梢院雎?，則方向上的擴(kuò)散系數(shù)ExEmxEtxEdx Edx。 最常見的河流一維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程形式： 對(duì)于均勻河段，流量和排污穩(wěn)定時(shí)，各斷面的污染濃度不隨時(shí)間變化，即 ，故一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程為： 二維水質(zhì)基本方程 二維水質(zhì)模擬可分為水平二維和豎向二維兩種情況。 水平二維是指水體的流速和污染物濃度僅在水平面的縱向、橫向變化，在豎向（水深方向）混合均勻。 豎向二維是指水體的流速和污染物濃度僅在縱向和豎向變化，在橫向（寬度方向）保持不變。 水平二維微分河段水量、水質(zhì)平衡示意圖Hdxdyv，Eyu，Exxyz 根據(jù)質(zhì)量守恒原理，水平二維

32、水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程： 式中：Ex為x方向的分子擴(kuò)散系數(shù)、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)和離散系數(shù)之和；Ey為y方向的分子擴(kuò)散系數(shù)、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)和離散系數(shù)之和；u、v分別為x、y方向上的流速分量，m/s；H為水深，m；其他符號(hào)意義同前。 適合于豎向、橫向、縱向都沒有均勻混合的水域 三維水質(zhì)基本方程 采用類似一維河流水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程的推導(dǎo)過程，可以推導(dǎo)出一個(gè)具有x、y、z坐標(biāo)的三維空間中任一微小單元的某種污染物濃度隨時(shí)間的變化率與該處污染物在遷移、擴(kuò)散作用下的輸移量及源漏項(xiàng)的關(guān)系，其表達(dá)式為： 式中：u、v、w分別為x、y、z三個(gè)方向上的流速分量， m/s；Ex、Ey、Ez分別為x、y、z三個(gè)方向上的紊動(dòng)擴(kuò)散

33、系數(shù)、分子擴(kuò)散系數(shù)和離散系數(shù)之和。 6. 3水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程的求解 求解方法主要有兩種：一是解析法；二是數(shù)值法。 解析法 解析法是通過高等數(shù)學(xué)上的微分和積分變換等方法來建立水質(zhì)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型求解的方法。 零維水質(zhì)的情況 為便于求解，設(shè)水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化方程的源漏項(xiàng)由一階反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系（即SiK1C）來表示，同時(shí)令 零維水質(zhì)基本方程可化簡為： 式中：K1為流入單元水體的污染物一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù)，d-1；R為水體的入流量與出流量之比；T為入流水量在單元水體容積中的滯留時(shí)間；其他符號(hào)意義同前。 求解該方程即得混合均勻水體中污染物濃度隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式： 式中：C0、C分別為時(shí)

34、間t0和tt時(shí)的水體污染物濃度，mg/L。 穩(wěn)態(tài)情況下的解析解為： 一維水質(zhì)的情況 由于一維水質(zhì)求解時(shí)比零維水質(zhì)求解時(shí)要復(fù)雜的多，故僅介紹穩(wěn)態(tài)條件下的求解。 假設(shè)對(duì)于一個(gè)均勻河段，如果污染物在河流中只進(jìn)行一級(jí)降解反應(yīng)，一維水質(zhì)基本方程可簡化為： 這是一個(gè)典型的二階常微分方程。如果在x=0處污染物濃度為C0 ，則其解為： 式中：u為河段平均流速，m/s；其他符號(hào)意義同前。 說明：上式只適用于在一個(gè)均勻河段的上游存在污染源C0的情況。 如果河段是不均勻的、具有多個(gè)排放口時(shí)，則必須把它分成多個(gè)在上游斷面只有一個(gè)排放口或支流的均勻河段。 數(shù)值法 數(shù)值法是用離散方法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散、進(jìn)而求出其數(shù)值解的

35、方法。常用的數(shù)值法有有限差分法、有限單元法等。 有限差分法就是用差分商近似代替方程中的微分商的一種數(shù)值求解方法。采用這種方法在實(shí)際應(yīng)用上比較多，而其求解的關(guān)鍵就是選擇適當(dāng)?shù)牟罘煮w系，并對(duì)時(shí)間和空間坐標(biāo)進(jìn)行離散化，如圖。 x(x)i-2i-1ii+1i+2j-2j-1j+2j+1jt(t)時(shí)間、空間坐標(biāo)離散化示意圖 對(duì)時(shí)間和空間坐標(biāo)按等間距離散，則時(shí)間、距離坐標(biāo)分別為：tjjt，xiix，并設(shè)節(jié)點(diǎn)處的水質(zhì)濃度為 ，于是可用 近似替代濃度對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)項(xiàng)。 在對(duì)空間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行差分時(shí)，可取時(shí)間tj或tj+1時(shí)的濃度，也可以用這兩個(gè)時(shí)刻濃度的加權(quán)平均值，如 一維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程的有限差分可寫為： 式中： 源漏項(xiàng)，即一維水質(zhì)基本方程中的Si。 說明： 上式經(jīng)過整理并插入邊界條件后，可構(gòu)成一個(gè)關(guān)于水質(zhì)濃度的“三對(duì)角線”矩陣方程，再通過追趕法等方法來求解該方程。 調(diào)查研究、提出問題、分析問題量化分析建立模型確定輸入模擬計(jì)算輸出結(jié)果最優(yōu)方案選擇方案分析與模型使用模型評(píng)估輸出結(jié)果結(jié)束系統(tǒng)分析修改模型不滿意滿意優(yōu)選技術(shù)方案擬定 技術(shù)術(shù)語作物需水量： 、農(nóng)業(yè)用水量 1、不是井里沒有水，而是你挖的不夠深。不是成功來得慢，而是你努力的不夠多。2、孤單一人的時(shí)間使自己變得優(yōu)秀，給來的人一個(gè)驚喜，也給自己一個(gè)好的交代