區(qū)域水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成技術(shù)與應(yīng)用.pdf

1、隨著人口的增長和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會對水資源的需求不斷增加，導(dǎo)致水資源日趨匱乏，同時工業(yè)生產(chǎn)排放的大量廢水使水環(huán)境受到嚴(yán)重污染，這些問題越來越嚴(yán)重地制約著經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展，成為發(fā)展的瓶頸。因此，工業(yè)企業(yè)乃至區(qū)域范圍內(nèi)的節(jié)水減排成為不可回避的問題之一。按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，發(fā)展水循環(huán)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)水資源利用的良性循環(huán)，是貫徹和落實科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建和諧社會的本質(zhì)要求，對實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實意義。本論文基于水循環(huán)

2、經(jīng)濟(jì)的思想，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法，開展了水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成技術(shù)與方法研究。
　　 論文首先從我國水資源利用現(xiàn)狀出發(fā)，通過調(diào)查我國水資源供需關(guān)系及水資源利用中存在的問題，識別了我國工業(yè)水資源高效利用的技術(shù)瓶頸，闡述了工業(yè)領(lǐng)域節(jié)水減排的意義和必要性。在全面查閱了水資源優(yōu)化配置、高效利用及水污染控制等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點綜述了水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，論文從工業(yè)過程內(nèi)部、工業(yè)過程之間及區(qū)域范圍三個層次，通過研究

3、水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成模型及其應(yīng)用研究，建立相應(yīng)的水資源高效利用、廢水最小化技術(shù)方法。其主要研究內(nèi)容包括：
　　 1.工業(yè)過程內(nèi)部水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成模型的建立與應(yīng)用。
　　 論文針對我國工業(yè)生產(chǎn)過程水資源缺乏梯級利用、廢水排放量大、水資源重復(fù)利用效率低等問題，采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，研究建立了廢水直接回用、再生循環(huán)、再生回用三種不同水資源分配網(wǎng)絡(luò)超結(jié)構(gòu)。以此為基礎(chǔ)，論文以企業(yè)年度總費用(主要包括新鮮水費用、廢水處理/再生費

4、用、管道建造及運行費用、水泵運行費用等)最小為目標(biāo)函數(shù)，引入了管網(wǎng)改造的投資回報率為拓?fù)浼s束，研究建立了工業(yè)過程內(nèi)部水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成的混合整數(shù)非線性(MINLP)數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了企業(yè)層面上水資源的優(yōu)化配置，有效地解決了新鮮水需求量和廢水排放量大、水資源重復(fù)利用率低等問題。通過實例驗證，表明在允許廢水自身回用并不限制回用連接數(shù)的條件下，模型能取得與央點法一致的結(jié)果；在相同管道連接數(shù)約束下，結(jié)果優(yōu)于文獻(xiàn)的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，利用建立的直

5、接回用模型對某造紙廠廢紙造紙車間水資源分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化集成后的水資源分配網(wǎng)絡(luò)新鮮水消耗量和廢水排放量分別減少25％和27％，節(jié)水減排效果明顯。
　　 2.工業(yè)過程之間水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成模型的建立與應(yīng)用。
　　 論文針對我國工業(yè)企業(yè)之間水資源交換利用模式少、運行費用高、穩(wěn)定性差等問題，以進(jìn)一步節(jié)水減排為目標(biāo)，研究建立了工業(yè)過程間水資源分配網(wǎng)絡(luò)直接(一個水網(wǎng)絡(luò)中用水單元的出水，通過網(wǎng)絡(luò)間管道連接，直接作為

6、另一個水網(wǎng)絡(luò)中用水單元的進(jìn)水)和間接(一個水網(wǎng)絡(luò)中用水單元的出水，首先排放到中間水池或再生裝置，然后再從中間水池或再生裝置作為另一個水網(wǎng)絡(luò)中用水單元的進(jìn)水)優(yōu)化集成的超結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以參與優(yōu)化集成的全部工廠的年度總費用為目標(biāo)函數(shù)，分別研究建立了工業(yè)過程間水資源分配網(wǎng)絡(luò)直接和間接優(yōu)化集成的MINLP模型，實現(xiàn)了企業(yè)間廢水的交換利用和水資源的聯(lián)合配置。通過實例驗證，表明當(dāng)允許自身回用，且管道連接數(shù)約束一樣時，模型能取得與文獻(xiàn)一致的結(jié)果。

7、在此基礎(chǔ)上，利用直接優(yōu)化集成模型對某工業(yè)集團(tuán)的氧化鋁廠和熱電廠之間水資源分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，與兩個工廠只在內(nèi)部優(yōu)化集成相比，新鮮水消耗進(jìn)一步減少13.2％，而且廢水不外排。
　　 3.區(qū)域產(chǎn)業(yè)間水資源分配網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)優(yōu)化集成模型的建立與應(yīng)用。
　　 對于區(qū)域來說，必須發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。區(qū)域內(nèi)水資源分配網(wǎng)絡(luò)在優(yōu)化改造及運行過程中，管道生產(chǎn)運輸、管網(wǎng)改造、管網(wǎng)運行能耗等會產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，這種影響在區(qū)域范

8、圍內(nèi)是不容忽視的。因此，區(qū)域?qū)用娓鳟a(chǎn)業(yè)間水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成問題，除了以年度總費用最小為優(yōu)化目標(biāo)外，還應(yīng)該考慮環(huán)境影響因素。
　　 針對區(qū)域范圍內(nèi)的多種新鮮水源(包括地下水、河水、湖水、水庫蓄水、外調(diào)水等)、污水處理廠達(dá)標(biāo)出水在各產(chǎn)業(yè)間缺乏合理配置的問題，采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，研究建立了區(qū)域各產(chǎn)業(yè)間水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成超結(jié)構(gòu)；根據(jù)超結(jié)構(gòu)，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，建立了區(qū)域產(chǎn)業(yè)間水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成模型。模型的目標(biāo)函數(shù)一是環(huán)境影響最

9、小，二是年度總費用最小，通過模型多目標(biāo)優(yōu)化，對兩個目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)衡。引入生命周期評價方法，對區(qū)域內(nèi)水資源分配網(wǎng)絡(luò)建造、運行、廢棄的整個生命周期進(jìn)行全過程的環(huán)境影響評價，并推導(dǎo)了管網(wǎng)建造階段和廢棄階段環(huán)境影響量化線性回歸方程的回歸系數(shù)。通過實例驗證，表明模型能夠?qū)蓚€目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行權(quán)衡，優(yōu)化后的水資源分配網(wǎng)絡(luò)能夠保證年度總費用和環(huán)境影響同時最小，優(yōu)化出經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，符合可持續(xù)發(fā)展理念的水資源分配網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，利用建立的模型對某開發(fā)區(qū)所在區(qū)

10、域水資源分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，區(qū)域范圍內(nèi)水資源分配網(wǎng)絡(luò)新鮮水消耗和廢水排放比優(yōu)化前分別減少22％和75.8％。
　　 4.區(qū)域水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成應(yīng)用研究。
　　 針對目前學(xué)術(shù)界側(cè)重水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成理論研究，應(yīng)用研究相對偏少的問題，本論文利用研究建立的工業(yè)過程內(nèi)部、工業(yè)過程之間和區(qū)域產(chǎn)業(yè)之間水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成模型，嘗試在一個包括6個主要工廠的工業(yè)集團(tuán)所在區(qū)域進(jìn)行水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究。利用本論文

11、研究建立的工業(yè)過程內(nèi)部直接回用模型，首先對6個工廠進(jìn)行各工廠內(nèi)部水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成，結(jié)果表明，優(yōu)化后6個工廠總的新鮮水消耗減少5.94％，總的廢水排放減少18.64％。其次利用本論文研究建立的工業(yè)過程之間間接集成模型在6個工廠間進(jìn)行水資源分配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成，構(gòu)造企業(yè)間水資源耦合交換網(wǎng)絡(luò)。與企業(yè)內(nèi)部集成結(jié)果相比，新鮮水消耗減少9％，廢水排放減少70％。最后，利用本論文研究建立的區(qū)域范圍內(nèi)各產(chǎn)業(yè)間水資源優(yōu)化集成多目標(biāo)優(yōu)化模型，在該集團(tuán)所在