供水系统风险防范研究论文

水资源短缺风险综合评价 摘要 本文首先对北京市的 2001-2009年得水资源短缺状况进行了调查，在综合考虑系统属性等风险过程后，利用层次分析模型对北京市各缺水影响因子的权重进行了定量分析，并基于致险因子承险因子及损害程度等影响因子构建了水资源系统风险的评价指标及模型：该指标体系由 4 层次共 20 个指标构成，能更好的表征风险的产生和构成；该模型包括参数计算与风险分级，能简便计算风险级别的划分。其次，本文在综合考虑水资源呈现能力后得出结论，北京市能应对水资源系统风险，但是仍受约束性风险限制，可通过开源节流，调整产业结构及规划水资源管理来应付.然后我们对北京市 2001-2009年水资源总量，地表水资源以及地下水资源量进行了调查。运用 Matlab 处理系统对历年降水量进行了拟合，用 origin 处理系统对万元 GDP 水耗做出了拟合由此得出了缺水量波动性较大的结论。最后本文对所建模型进行了升级及完善，采用灰色模型的建立改进方法，通过对无偏 GM(1,1)模型的求解，得出 2010 年和 2011 年度致险率(RBI)、承险率(RSI)、脆弱性(CI)以及风险(ωDRi)、风险损失(DI)的值，并由此得出结论，北京市未来两年的水资源短缺风险分别为 28.40%和 30.50%，正在呈上升趋势，逐年增高，不过基本上还在约束性风险级别内，为此建议管理机构还是要约束水资源使用来防范风险，通过推荐高效水资源系统管理，促进水资源优化配置进程等途径来促进水资源系统恢复，有效地减弱风险发生及潜在损害。 关键词： 层次分析法 水资源短缺风险 多元回归 拟合 无偏 GM（1,1） 2 1. 问题的重述 水资源，是指可供人类直接利用，能够不断更新的天然水体。主要包括陆地上的地表水和地下水。近年来，我国、特别是北方地区水资源短缺问题日趋严重，水资源成为焦点话题。水资源系统风险是由于天然来水的波动、地下水持续保障能力不足、供水条件落后以及水资源社会经济承载负担过重等因素综合作用的结果, 对社会、经济、环境存在潜在损害。目前北京是世界上水资源严重缺乏的大都市之一，其人均水资源占有量不足 300m3，为全国人均的 1/8，世界人均的 1/30，属重度缺水地区，北京市水资源短缺已经成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。政府采取了一系列措施, 如南水北调工程建设, 建立污水处理厂,产业结构调整等。但是，气候变化和经济社会不断发展，水资源短缺风险始终存在。如何对水资源风险的主要因子进行识别，对风险造成的危害等级进行划分，对不同风险因子采取相应的有效措施规避风险或减少其造成的危害，这对社会经济的稳定、可持续发展战略的实施具有重要的意义。 根据《北京 2009 统计年鉴》及市政统计资料提供了北京市水资源的有关信息。利用这些资料和我们自己获得的其他资料，讨论得知北京市水资源短缺现在主要的主要原因是水资源供应小于水资源需求的矛盾，而如果想要解决这个问题，就必须要从影响因子来着手，所以问题细分为： 北京市水资源短缺的主要因子是什么？ 各因子对于风险程度的贡献是多少？ 北京市已经到什么样的风险程度了？ 针对于主要因子我们怎样应对才能降低风险，从而做到有效调控？ 北京是未来几年又将面临什么程度的水资源短缺风险，又该如何应对呢？ 最后，通过建模等一系列过程进行分析检验并得出结论，且向北京市主管部门写一份建议报告。 2. 问题的分析 北京水资源人均占有量在世界各国首都中排名百位之后。自上世纪七十年代以来，随着人口的大量增加和经济的发展，缺水成为北京面临的严重问题之一，近几年每年缺水均在 4 亿立方米左右。地下水资源开采量逐年剧增，尽管目前对地下水开采进行了限制，地下水位有所上升，但仍处于超采状态。地下水的超采会形成漏斗区，到目前为止，已经形成以朝阳区为中心，西到石景山、东至顺义、南至南苑、北到昌平约 1600 平方公里的漏斗区，引起地面沉降。由于水位不断下降，致使井越打越深，形成恶性循环。为应对这种情况，多年来，北京通过各种方式保证供水安全，除了通过调整产业结构加大节水力度，多次提高水价，强力推行农业、工业和城市节水，关、停、转移高耗水企业外，还独创了地表水、地下水、再生水、过境水、雨洪水和外调水的六水联调模式，对水资源进行合理调配，以此提高城市的供水能力。尽管方法尽施，可是但是究竟是什么导致了北京市的如此现状呢，有没有什么原因呢，该怎样解决呢，经过本小组成员的查找资料和激烈的讨论，我们认为从水资源系统结构来看, 风险来源于系统属性和过程对潜在危害的抵抗乏力。系统本身的输入主体短缺、过程波动及输出脆弱程度是导致系统风险产生的重要原因, 他们是水资源系统风险的致险因子; 水资源系统对致险因子进行反馈, 引导系统对潜在风险进行抵抗从而削减风险产生及危害, 我们将这一种反 3 馈及抵抗性质称为承险能力; 系统在致险与承险因子相互作用下, 当致险压力大于承险能力时, 风险就产生了。所以风险因子分为致险因子和承险因子，然后致险因子和承险因子又会细分为很多条。不同的因子给风险所能带来的贡献的大小是不一样的，这个可以通过建模的方式利用 Excel 或者 Matlab，origin 软件进行运算得出，之后通过制定一个风险等级将北京市的现状表现出来，并对作出巨大贡献的因子进行合理的调控。至于北京市水资源短缺未来两年的预测，我们可以用回归的思想，再用灰色理论进一步改进，即可对北京市进行预测了。 3. 模型的假设与符号说明 假设 1：收集的北京市水资源各个数据都实际数值相差不大； 假设 2：各个影响因素不会因突发事件发生突变； 假设 3：建模收集数据真实可靠； 假设 4：建模中涉及主观分析的结论基本与事实相符； aij ——1—9 标度理论得出的第i 项较第 j 项的相对重要值 μij ——测度判断值 ωD ——准则层 D 下的相对权向量 CI —— 脆弱性 ωSi ——系统风险的发生及传递对系统损害率在相关评价指标体系上的指标权重 的重分配值 Pi——风险潜在发生概率 Ri——系统风险因子的指标值 DI——风险损失 RBI ——致险率 RSI——承险率 ωDRi——风险 b——回归系数； bint——回归系数的区间估计； r——残差； rint ——置信区间； stats——用于检验回归模型的统计量，有三个数值：相关系数r2、F值、与F对 应的概率 p。其中相关系数r2 越接近 1，说明回归方程越显著； F > F1-α（k，n-k-1）时拒绝 H0，F 越大，说明回归方程越显著；与 F对应的概率 p α < 时拒绝H0，回归模型成立。 α ——显著性水平，一般为 0.05或 0.01，本论文中为 0.05. 4. 模型建立与求解 4.1 针对于问题 1： 我们对北京市全年水资源总量与全年供水(用水)总量进行了调查和比较如表 1 所示。 4 表1[7]-[9] 全年水资源总量 19.2 16.1 18.4 21.4 23.2 24.5 23.8 34.2 21.8全年供水(用水)总量 38.9 34.6 35.8 34.6 34.5 34.3 34.8 35.1 35.5北京市全年水资源总量与全年供水（用水）总量的比较19.216.118.421.4 23.2 24.5 23.834.221.838.9 34.6 35.8 34.6 34.5 34.3 34.835.1 35.50.05.010.015.020.025.030.035.040.045.02001 2008 2009全年水资源总量全年供水(用水)总量亿立方米 利用 Origin 软件处理的三位直观图如图 1。 图1 5 如图所示北京市全年供水总量均高于水资源总量，由于 2008 年北京市举办奥运会，为了保证北京市水资源能够及时供应，所以产生了供水量与水资源总量相差不大的局面。其余年份数据反映北京市各年均呈缺水事态。 我们通过具体的系统属性，系统潜在损害指标来对系统表征层进行表征。通过对水文水资源循环机理的研究，充分考虑水资源系统风险产生和传递机制，经过层层挑选，从而得到一下 20 个评价指标(如图 2)[1]。 图 2 水资源系统风险评价指标体系图 6 说明: A 代表目标层,即水资源系统风险评价要达到的目标, 即水资源系统风险求算。 B 代表风险属性层,即表征潜在危害排除系统承险能力而产生和传递的过程。风险属性层有短缺性、波动性、脆弱性及承险性。系统承险能力通过水资源系统的承险性来表征. C 代表风险属性系统表征层,即水资源系统面临风险的综合表征层, 但不能明确地表征系统的风险, 因此需要通过系统潜在风险损害可能及损害程度来细化表征。本指标系统将风险属性层通过12个指标来体现。 D 代表评价指标层,即通过具体的系统属性、系统潜在损害指标来对系统表征层进行表征。通过对水文水资源循环机理的研究, 充分考虑水资源系统风险产生和传递机制, 经过层层挑选, 从而得到以下20个评价指标。 这些指标不但从水量、水质方面对水资源系统风险进行了表征, 还兼顾了社会、经济、生态环境的效应, 并综合考虑了人对风险的积极适应以及人的应急性处理等主观能动的作用。 我们认为从水资源系统结构来看, 风险来源于系统属性和过程对潜在危害的抵抗乏力。Kaplans 等从定量角度对风险进行了定义[2]，系统本身的输入主体短缺、过程波动及输出脆弱程度是导致系统风险产生的重要原因, 他们是水资源系统风险的致险因子; 水资源系统对致险因子进行反馈, 引导系统对潜在风险进行抵抗从而削减风险产生及危害, 我们将这一种反馈及抵抗性质称为承险能力; 系统在致险与承险因子相互作用下, 当致险压力大于承险能力时, 风险就产生了。水资源系统风险的要素还包括损害程度, 致险压力、承险能力及损害程度，综合作用下的风险过程, 如图 3 所示[1]。 图3 水资源系统风险过程及属性表征 7 系统风险因子(如图2所示)可归结为致险因子和承险因子, 前者是指引起系统变化的因子, 包括系统结构的变化和外界干扰, 致使风险发生的概率为致险率; 而后者是指系统充分反馈或在历史事故后自我调节、自我适应而达到的能够应对危害的要素, 系统对风险削减能力为承险率。下面对致险因子以及承险因子进行展开讨论。 水资源系统致险因子： ① 短缺性: 指水资源系统在自身运行过程中输入主体容易受到损害的性质, 表征系统输入主体抵抗风险的不完备性。短缺性体现在系统运行的供需不满足性以及系统已经受到损害的程度。具体来看, 水资源系统的短缺性体现在使用短缺性、蓄水短缺性和环境短缺性三个方面, 即水资源缺水率、地下水超采和水体污染造成损害性。 ② 波动性: 相对于水资源系统多年正常运作的稳定程度, 波动性是指水资源系统因为系统波动或要素波动造成的系统不平衡运作的性质。系统波动性来源于系统多年的不平衡性和系统输入输出的变动性。波动可以用平均状态和极值差异来表征, 同时系统输入输出的稳定性也非常重要, 因此, 水资源系统波动性由多年波动、极值波动和水源波动来表征。 ③ 脆弱性: 表征系统面临风险的潜在损害度, 即系统潜在输出抵抗风险的脆弱程度。 脆弱性指标能够衡量因风险产生而引起的损害程度, 体现在水资源- 社会经济耦合系统中, 主要是引起社会、经济、生态应对风险能力的下降。社会损失体现在人均潜在利用能力的损失, 经济损失表征对生产活动造成的损害, 而生态损害体现在生态环境的破坏上。 水资源系统承险因子： 水资源系统本身是一个动态的开放系统, 能通过自身的反馈调节来应对风险, 系统本身形成了一套承担风险发生和阻止风险破坏的承险因子体系。水资源系统本身的资源禀赋、系统内部对风险事件形成的适应性以及风险发生时通过人为调度的应急性, 都是系统应对风险的有力保障, 是水资源系统承险因子。资源禀赋体现在水资源系统本身具有的资源条件, 如水资源保障度、水资源再生条件等; 适应性指人类在长时期的生产活动中形成的应对风险的措施、方法手段等, 包括节水措施及节水意识的形成, 以及水资源优化管理及效率提高等方面的尝试; 而应急性是人类形成的专门应对风险发生的应急管理调度措施的能力[1]。 综上所述,我们判定北京市水资源短缺风险的主要风险因子包含致险因子和承险因子, 水资源系统的致险因子体现在使用，蓄水和环境三个方面, 即水资源缺水率、地下水超采和水体污染造成损害性。承险因子体现在系统本身的资源禀赋、系统内部对风险事件形成的适应性以及风险发生时通过人为调度的应急性。 4.2 针对于问题二: 我们认为,为了区分缺水的主要影响因素，且有针对性地对北京市进行规划和治理，我们采用层次分析模型进行了定量分析。 层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一种定量与定性相结合的决策方法。层次分析模型(Analytic HierarchiealModel，AHM)是AHP的简化和改进。相对来说，AHP对一致性的要求较高些。AHM的核心环节是将AHP方法中的比例标度判断矩阵(aij)n*n转换为测度判断矩阵(μij)n*n。转换公式为 ： 8 式中：aij是按照1—9标度理论得出的第i项较第j项的相对重要值;一般取β=2。AHM法确定权重的主要步骤如下： ① 根据 1～9 标度理论构造两两比较矩阵，即判断矩阵A=(μij)n*n ② 根据转换公式，构造 AHM的测度判断矩阵，并逐行检验一致性。 ③ 属性AHM 复制法：对于n个指标 Dj(j=1,2,…n),比较其相对重要性并确定每个指标权重，可通过构造相对属性测度判断矩阵来实现。令μij 表示第 i 个指标相对于第 j 个指标的重要性；μji 表示第 j 个指标相对于第 i 个指标的重要性. μii表示第 i 个指标自身的比较。按属性数学的要求，规定：μii=0，μij+μji=1.构造如下AHM 模型。其中间的 n*n 个元素μij 构成相对属性测度评判矩阵(μij)n*n。 ④ 将测度判断矩阵的每一列正规化： ⑤ 求出判断矩阵的每一行各元素之和： ⑥ 对应向量的正规化： 则ωi即为该层次各因素对上一层某要素的相对权重。在具体应用时，在某准则D下元素间的相对权向量表示为： D ω =( 1fω , 2fω ,…, fn ω ) 其中[1]： 9 风险的传递遵循系统科学的传递原则[3]:并联系统的传递函数为两个子系统传递函数之和, 即 ωs= ωs1 ﹢ωs2 式中ωs1，ωs2分别为子系统1，2。 我们结合风险函数即上式，依据评价指标体系本文将建立基于系统属性及传递的致险率(RBI)、承险率(RSI)、脆弱性(CI)及风险损害(DI)的水资源系统风险评价参数。 Tobin和Montz提出利用风险概率(Pi)与系统脆弱性的乘积来度量风险, 本文模型构建中发现这一风险结果是对风险损害的重要体现, 由此沿用这一方法, 通过构建综合风险损害参数DI表示风险, 如下式所示: 通过指标体系, 将体现系统面临致险因子和承险因子对系统作用程度的致险率(RBI ) 及承险率(RSI)分别计算如下: 141Di iiRBI R ω==∑  2015Di iiRSI R ω==∑  经计算得出系统风险因子的指标值Ri (见表2)，系统风险因子对于系统的贡献大小，即对系统风险权重ωD（见表3）。 表2 2001—2009北京市水资源系统风险指标值（Ri） 指标 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10Ri 1.0000 0.3500 0.1175 1.0000 0.4929 1.0000 0.1917 0.6923 0.7300 0.4857指标 D11 D12 D13 D14 D15 D16 D17 D18 D19 D20Ri 0.1039 0.0493 0.7586 0.4020 0.6684 0.2131 0.1086 0.8700 0.2354 0.3000 水资源系统风险评价指标体系中, 水资源系统脆弱性因子既代表对引起风险发生的致险因子, 又反映了水资源系统损害程度, 由此, 在表征损害程度属性时, 需要构建区别于致险率表征的损害性表征参数, 即脆弱性(CI), 指标权重(ωS)区别于致险承险体系的指标权重 ωD。 10 149Si iiCI R ω==∑  式中: ωSi 表示系统风险的发生及传递对系统损害率在相关评价指标体系上的指标权重的重分配值（见表3的ωS）。 表3 北京市水资源系统风险评价指标权值 指标 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10ωD 0.2440 0.6609 0.1567 0.0267 0.0457 0.0770 0.0164 0.0710 0.0468 0.0300ωS 0.2606 0.0963指标 D11 D12 D13 D14 D15 D16 D17 D18 D19 D20ωD 0.1090 0.1690 0.0130 0.0890 0.3880 0.1935 0.2576 0.0515 0.0910 0.0191ωS 0.2541 0.0958 0.0715 0.2214 在对风险的计算中, 采用风险潜在发生概率(Pi)与脆弱性(CI)的乘积的算数平方根ωDRi(风险指数)来表征风险[1]: 000DiDI DIRDIω > = ≤   结合北京市水资源系统状况, 得到北京市水资源系统风险评价指标的2001- 2009年指标值, 从而利用上式,借助Excel软件得到北京市水资源系统的致险率(RBI )、承险率(RSI)、脆弱性(CI)、风险（ωDRi）、风险损失(DI )分别为57.63% 、40.05%、42.46% 、27.3%、7.46% 。 参考美国军用标准（MIL-STD-882）[4]中提供的定性分析方法，根据本文风险定义及风险属性，充分考虑系统的致险因子与承险能力的相互关系，将水资源系统风险划分为5级，表征不同的风险级别，见表4.

1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频恒压供水系统出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，s7-200具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。 图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理3.1 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的s7-200 plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。s7-200 plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。三相交流电与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。 图2 变频恒压供水系统的总体框图3.2 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转速为： 其中： n0为异步电机同步转速；n为异步电机转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。 图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件电路设计4.1 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、热继电器kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。 图4 系统主电路图4.2 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的i0.0输入口相连接，当按下sb0时，i0.0为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，i0.1为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，i0.5为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，i0.6为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。i0.5和i0.6的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，i0.2为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。 图5 plc外围接线图5 程序设计5.1 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，i0.1为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。 图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.5。此时，q0.1为“0”， q0.2为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后q0.3为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.6。此时，q0.4为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时q0.1为“1”，q0.2为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。5.2 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过a/d转换器得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置 6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.

根据国内外水资源与供水安全的研究对比，应该建立适合我国国情的水资源与供水安全研究体系。将水资源与供水安全理论创新、水资源开发利用观念进行转变进入可持续水管理阶段。

改变水资源理念，即不仅注重水的消费价值，同时重视水的非消费价值; 不仅满足当代人的需要，而且注重世世代代可持续利用; 不仅重视水对生态系统的影响，而且重视生态系统其他要素变化对水的影响。以科学发展观和可持续发展水利为指导，坚持以“维护健康水源，促进人水和谐”为基本宗旨的新时期的水资源开发利用工作思路，确立“在保护中开发，在开发中保护”、 “统筹保护与开发，协调生态与发展”的基本原则。确保 “防洪安全、饮水安全和生态安全”的工作重点，合理开发利用水资源，维系优良生态的战略任务的完成。

一、国外先进经验的借鉴

从水源开发来看，日本的生活用水特别是大城市的生活用水，其水源主要依赖于河流、水库等地表水。随着水资源开发利用率的不断提高，对从水库等工程手段获得水源的依赖程度不断增加，有数据表明，1960 年时水库取水和河流取水分别占 19% 和 50%，到2000 年，水库取水 率 大于 河流 取水 率。因此，水 库 取水 越 来 越重要。

从水源的多元化来看，无论是通过调水还是通过新型水源开发以确保供水，无一不体现着工程的作用，而稳定的供水和污水的高度处理也是依靠工程手段强有力的支持。因此，工程手段是保证稳定供水、确保饮水安全的根本。日本的饮水安全是在饱尝公害苦果后历经几十年的整治得来的。从客观的角度看，日本走的是先污染、后治理的老路，其成功之处在于通过强大的法制建设，使水质和水环境得以治理，这一点体现在以下过程中。

日本进入工业复兴期后，伴随而来的是以大城市为中心不断扩大的水质污染。水俣病出现后，日本于1958年制定并颁布了《水质保护法》和《限制工业排污法》(合称“水质二法”)，各地方政府也加紧制定相关条例。但是“水质二法”限定的地区和内容有限，远不能满足环境保护的要求。20世纪60年代上半期，随着经济高速增长，公害问题更为突出，相继出现了被称为第二水俣病的阿贺野川水银污染和痛痛病等公害病。为此，1967年日本出台了《公害对策基本法》，特别是1970年内阁通过了加强公害对策法律制度建设的提议，在水质管理方面，制定了《水质污染防止法》以取代“水质二法”。1971年设立环境省，以期从环境保护的角度承担起水质保护的行政责任。在附近，由于人口和工业较为集中，引起水质污染、赤潮多发，为此，1973年制定了《濑户内海环境保护临时措施法》，并于1978年使该法永久化。为解决水质改善未果的湖泊水质问题，1984年又制定了《湖泊水质保护特别措施法》。

鉴于封闭性水域水质改善见效慢、有害化学物质污染显著等问题，为防止有害物质对地下水的污染，1989年和1990年分别就防止有害物质对地下水和生活用水造成污染对《水质污染防止法》进行了修订;年，为防止新的有害化学物质对公共水域的污染，在大规模强化环境标准健康项目的同时，又增加了25项需检测项目。1996年《水质污染防止法》再次修订，纳入了地下水污染净化措施的内容，并于1997年设定了与地下水水质污染相关的环境标准。从上面的演进过程可见，日本水质安全的法律法规建设经历了一个循序渐进的过程，是根据水质保护需要不断完善的，水源从地表水到地下水，限制范围从水源地、河流到封闭性水域，措施也从浓度控制到部分采用总量控制。总之，法律建设在保障水质安全中起了不可替代的作用，法制建设是保障水质安全的重要手段。

日本自来水的高度普及，一方面得益于经济力，另一方面也得益于国家的重视。国家对自来水工程既有“国库补助”，又有“特别优惠政策”。国库补助是国家在预算范围内根据政令规定，对经营自来水工程和供水工程的地方公共团体给予的部分补助。而特别优惠政策则是国家对新建或新增、改造或灾后修复的自来水设施工程所需资金进行提供。

尽管日本已在确保水量供给和水质方面达到相当的程度，但是日本仍不满足现状，自加压力，提出了更高的奋斗目标。1999年，日本主管自来水的厚生劳动省召集自来水业的有识之士召开了研究自来水问题的研讨会，并整理出了“21世纪自来水及自来水行政的方向”的政策建议，该建议的某些条款被2001年《水道法》修订所采纳。2003年6月，由有识之士组成的“自来水发展蓝图研究会”成立，并于2004年6月提出了对策建议，旨在成为世界自来水领域的领跑者。

根据我国水资源的基本特点，今后我国水资源的开发利用中必须注意借鉴国外的一些成功经验。

(1)要通过水资源的合理配置，解决好严重缺水区的水资源供应。我国南方地区水资源丰富，但北方地区缺水严重。为解决地区性的水资源分布不平衡问题，应考虑适当地进行区域调水。近年来我国有关部门已就区域调水问题提出一些设想，比如，为解决辽河中下游缺水问题，提出了引松(松花江)入辽方案;为解决乌鲁木齐等地区的缺水问题，有人提出了新疆“北水南调”工程;为解决华北、西北等地用水问题，提出了“南水北调中线”、西线和东线工程的设想。目前“南水北调”中线工程已经开始进入运作阶段。随着我国经济实力的增强，应当更多地考虑区域性的水资源调配问题，使有限资源得到更好的利用。

(2)要在全社会大力倡导节约用水，在农业生产中大力推进节水灌溉。一方面我国水资源短缺的问题越来越突出，另一方面水资源的浪费还很严重。因此，解决好水的问题，必须高度重视节约用水。要通过行政、法律、经济、技术等手段，在农业、工业和城市生活等领域全面推行计划用水和节约用水。国家要将发展节水灌溉和节水农业作为节水工作的核心和重点，加大政策扶持力度，积极支持节水灌溉技术的开发和研究，对节水灌溉工程的建设，各级财政应给予适当的补助。

(3)要解决好水污染问题，做好污水、废水的循环利用。近年，我国对淮河、海河、辽河及太湖、滇池、巢湖等水域的水污染问题进行了重点治理，并取得了好的效果。但是水污染的形势依然非常严峻。要把水环境治理和污水、废水的处理与利用作为一项战略性的任务长期不懈地抓下去。

(4)加强对水资源的统一管理。要尽快理顺水资源的管理体制，加强水资源的流域管理，协调好江河上下游、左右岸的关系，促进流域经济的协调发展。逐步实行取水、用水的定额制度，合理确定水价，充分发挥水价对用水的调节作用。

二、对我国水资源研究的启示

在绝大多数发展中国家，水行业正处于十字路口，守旧意味着水资源和财政资源的利用没有得到充分保证且不可持续，经济增长不理想，社会紧张加剧。国家、地方政府、流域机构及水用户协会面临的主要困难在于进行必要的水利改革，这些改革包括:①水资源的开发与管理;②向农村及城市贫困人群提供充足的供水及卫生服务;③水能的开发利用;④在水管理决策中考虑环境和生态系统需要;⑤满足世界不断增长的人口的需要。改革可提高针对参与水行业各方面的激励效果，包括水用户、政府官员、水服务提供者、投资者。只有提高激励效果，才能增加资金流向水行业，增加投资回报，改进管理者和水用户的行为。主要激励作用来自决策过程的透明度、利益相关方的参与、水用户要支付的水价及其对拥有水资源和水服务权利的认识，以及执法情况。政府官员对投资和管理财政资源作出最佳决策。在半干旱和干旱地区，无法为所有人有效地提供充足的水源。为了重新建立平衡，需要改变消费模式，对水资源要进行重新分配，可能要减少部分使用者的用水量。必须优先考虑重新分配机制。同样，在供水和卫生方面，通常只有当目前的水使用者尤其是用水条件较好的使用者支付较高的水费后，才能够实现水厂的长期可持续性，并将服务扩大到计划外的社会群体。如果利益相关方的利益得到考虑，即使变更在短时间内会使他们遭受损失，他们也极可能同意改善管理。因此，透明度、了解信息、利益相关方的参与、决策的放权等均是改革进程的重要步骤，均有助于改革的成功。

随着我国国民经济的快速发展，城乡供水的矛盾日益突出。中国尽管在水资源总量上位居世界前列，但是由于人口众多，人均可用水资源却列于100名之后。作为首都的北京，几乎每年都受到缺水的威胁。沿海城市，如大连、天津、青岛、烟台等，更是经常发生水荒。在农村尤其是北方农村，不仅总体水量不足，而且有限的水源也没有得到很好的保护。许多农村居民日常生活用水的水质很差。随着社会经济的发展，人民生活水平将不断提高，势必引发供水形势的进一步紧张。城乡供水问题，是影响我国总体国力快速提高的一个关键因素。跨流域调水是一种解决经济发达地区供水问题的有效措施，但是，工程建设成本昂贵、地缘关系敏感、环境影响突出、运行维护费用高等问题，影响了该措施的应用。提高水价，用经济杠杆调节用水量，也是一个行之有效的方法，但是，这势必降低产品的竞争力。

内陆城市应主要着眼于就地解决供水问题。以北京市为例。北京市的平均年降水量约500mm，面积约16808km2。假定平均有效径流系数为0.2，则每年可利用的地表水的理论值为16.8×108m3，即每人每年约有168m3的水可供支配。美国人目前人均日用水量约为0.265m3，即每年97m3。可见，如何有效开发利用当地水资源，很值得研究。坦帕湾地区除了上面谈到的修建平原水库、废水利用、雨水处理塘、修建透水停车场、透水马路外，当地水源的开发利用还包括修建地下水库和屋顶雨水直接回收。地下水库的修建对于人多地少的我国意义重大。地下水库的缺点是工程造价较高，但它有许多优点:不占地、水体不易被污染、断了蚊子的产卵源。如果能够利用某些闲置的地下工程，则工程造价也会大大降低。屋顶雨水直接回收是一项新的技术，目前美国已在一些小城镇推广。其主要思路是:将屋顶的雨水通过一套专用系统直接汇集到地下水库或其他汇水设施，而不是排入城市排水系统中。由于屋顶的不透水性，其径流系数基本可达100%。屋顶雨水中除鸟类排泄物之外一般没有其他污染源，水质经轻微处理后即可达到生活用水标准。屋顶雨水的直接回收还带来两个好处:一是减轻了雨水对建筑物基础的冲刷;二是减轻了城市排水和防洪的压力，从而降低了排水系统的成本。大连地区沿海岛屿在20世纪80年代开始采用雨水集水池方式，缓解了部分散居岛民用水的问题。对于沿海城市，尤其是北方沿海城市，应大力发展海水淡化。海水是一种取之不尽、用之不竭，水质易控制，不受降水影响的水资源。目前全世界有120多个国家建有海水淡化厂，包括美国这个水资源相对丰富的国家。提到海水淡化，人们往往首先想到的是其高昂的成本，从而望而却步。实际上，如果设计得当，充分利用先进技术，相对于跨流域调水，其成本不但不高，而且还会低一些。随着技术水平的提高，这种优势更加突出。

还是以美国坦帕湾地区为例。该地区正在建设和将要建设的三座大型海水淡化厂的取水口将直接利用已建的三座火力发电厂的冷却水的取水口。这样做的好处:首先，大大降低了海水淡化厂的建设成本;其次，一般而言，火力发电厂冷却水的取水口的选定已经过严格论证，水质易达要求，因此省去了大笔科研经费。再次，排放出来的火力发电厂的冷却水的盐度一般低于原海水的盐度，而海水淡化厂的排放水的盐度却大大高于原海水的盐度。两种排放水的混合大大减少了高盐度污染。而这种污染会导致一些鱼类的死亡。最后，海水淡化厂是用电大户，紧靠电厂建设可有效节省输电成本。

针对世界和我国快速城市化进程中水资源对社会经济发展制约作用不断增强的态势，产生水资源约束力的概念。研究认为:

(1)水资源约束力是在特定空间和时间范围内由于水资源短缺对社会经济系统产生的约束作用。在缺水地区，它是造成社会经济发展速度变慢的关键制动力之一。它具有时空内涵、社会经济内涵、生态内涵三种基本内涵。

(2)水资源约束力研究是我国和世界21世纪水安全研究的重要内容之一，是水资源科学和社会科学相互交叉渗透而形成的新的重大理论和实践研究领域。它不仅着眼于解决现实世界中突出的水问题，而且丰富了水资源科学研究的框架和理论体系。

(3)在水资源压力研究的基础上，进一步研究水资源约束力，可以完整地揭示水资源系统与社会经济系统之间的相互作用和关系，对水资源科学的发展具有主要的理论和现实意义。

(4)当前应尽快建立并完善水资源约束力研究的理论体系，加强水资源约束力的基本理论、量化方法和实证研究。重点加强区域水资源约束力的产生、影响因素、影响机制、变化规律、调控途径等的研究;并不断拓展研究领域，加强水资源约束力与水资源科学其他领域的集成研究。

对于供水安全问题，首先，应该建立和完善水权制度，明晰水资源产权，实行资源有偿使用制度，建立污染补偿机制。其次，在此基础上，建立一个利用市场手段和政府宏观调控手段的水市场，真正让水价反映水资源的稀缺程度，让水市场起到优化配置水资源的作用。再次，完善水价形成机制，建立健全由资源成本、工程成本、环境成本构成的节水型水价体系，进一步规范城市水价及收费的管理办法，既要保护用水户利益，又要促进城市水产业的健康发展。转变观念，加强水利法制建设，按照市场经济发展的规律，努力建立健全能够有效引导和规范水务活动、维护水务秩序的水法制体系，保障国家对水资源的统一管理。建立和推行行政执法责任制，进一步加大行政执法监督力度，建立追究制度。此外，我国各大城市目前还应不断完善水危机应急处理的法律法规，适时修订防洪法和水污染防治法，作为未来制定水安全法的过渡。只有构筑完整而严密的法律体系，才能使城市水安全管理尽快走向规范化、制度化和法制化，才能防范城市水安全突发事件造成重大的群众生命安全损失，维护社会稳定。鉴于当前我国与水相关的法律法规还不完善、水管理体系尚不健全，应当构建一个统一指挥、资源共享、反应快速、联合行动的城市水安全应急处理机制，各级政府应当根据各地实际情况完善城市预警机制，提升应对突发水环境事件的应急处置能力，保证在发生各种水安全事故时能够及时采取措施，有效地调度人力资源，科学配置物质资源，快速高效地化解各种危机。国家应当从水源、供水、排水、防洪等环节的相互衔接着手，增强各个系统之间的协调性，制定包括水安全突发事件在内的应急预案，展开对每个存在环境安全风险的企业、供水等设施污染的可能性的调查。此外，通过增加城市战略性储备水源，加强河流治理，保护水源，增加缓冲水库等措施，保证水源的稳定性和可靠性。环境污染问题具有显著的社会性，而城市供水因其居民必需的公共产品的性质，社会性更强。在这个信息迅速传播的时代，充分引导和利用公众的参与来解决问题，将是我国公共管理发展的必然趋势。因此，要建立和完善具有迅速通告与反馈功能的公众参与机制，使其成为保障机制的重要组成部分。公众参与处理突发性水事件，必然会提高水问题在社会中的关注度，提高政府乃至全民对水资源战略属性的认识，从而对公众水安全意识的提高及水资源保护与节约工作的开展起到积极的作用。

淡水资源是关系到一个国家存亡的重要因素，因此它不仅是一个环境和经济问题，而且是一个重要的社会和政治问题。淡水资源是战略性资源。翻开人类历史，水一直是引起国家和地区间争端甚至战争的主要问题。早在4500年前，为争夺幼发拉底河和底格里斯河的水源，当地民族暴发了战争。之后，围绕着争夺世界各大江河水资源战争不断。印度和孟加拉为恒河水而争;埃及、苏丹及埃塞俄比亚为尼罗河水而争;纳米比亚与博茨瓦纳为欧科范果河水而争，甚至将状纸交到海牙国际法庭;美国和墨西哥为科罗拉多河和格兰德河水而争，曾于19世纪爆发战争;欧洲一些国家曾为多瑙河水而争;中东因为是极端贫水地区，该地区的几次战争也与争夺水源有关，正如联合国前秘书长加利预言:“今后某些地区的战争将不是政治的战争，而是水的战争”。