工业园区水网络系统的生命周期建模与集成优化

More attention is paid for water resource problems in industrial parks. Based on the principles of industrial ecology and process system engineering, this project aims to investigate the modelling and optimization of inter-plant water networks and consider the issues of energy conservation and emission reduction from the point of view of life cycle thinking. The work consists of four parts. Firstly, it is to elaborate the evolution mechanism of water quantity and quality in the industrial park. A four-link life cycle model is presented, which includes water supply, water demand, water treatment and water discharge processes. Based on the four-link life cycle model, it is possible to explore the links and conditioning relationships among these four processes. Secondly, models of multiple attributes and water-energy nexus of water networks are investigated for the industrial park according to life cycle analysis. Three-dimensional input-output analysis is proposed. Thirdly, in the step the potential uncertainties for the inter-plant water networks are identified and formulated. Next these uncertainties are integrated in the optimization model with the minimum objectives (i.e., total freshwater consumption, regenerated water quantity, total annual cost). A bi-level stochastic programming approach is proposed to coordinate time series with spatial distribution for inter-plant water networks. Fourthly, three-dimension input-output analysis is integrated with carbon emission pinch analysis to perform co-benefits of water resource conservation and carbon emission reduction. A case study of typical industrial park is used to demonstrate the proposed methodology. This project could be useful as a basis for rethinking the traditional inter-plant water integration and design for robust water networks of industrial parks.

针对日益关注的工业园区水资源问题，本课题探索运用产业生态学和过程系统工程理论和方法，研究工业园区用水系统的生命周期建模、集成优化和节能减排问题。主要内容包括：（1）表征用水网络系统水质演化的时序分布规律，提出水供给、水利用、水转换和水消纳的生命周期四环节结构模型，分析其相互联结与制约关系；（2）研究用水系统生命周期的多属性问题与水-能耦联关系，提出三维投入产出分析方法；（3）识别用水网络系统的主要不确定因素，以新鲜水总量、再生水量、年均成本为目标建立不确定性规划模型，提出两层随机协调优化求解策略, 实现用水时序和空间布局的协同规划；（4）研究用水和用能协同优化问题，实现水资源高效利用与碳减排协同控制。通过典型工业园区案例研究，探讨各环节的水质与水量、用水时序与空间布局以及用水与用能的三个协同优化问题，本课题将基于系统理论重新审视和推进工业园区用水系统集成优化的基础理论研究。

随着工业化和城市化加速，水资源短缺成为全球面临的主要挑战之一。本项目从工业园区水网络系统角度，研究新的系统描述手段和系统分析方法，为制定工业园区用水改善规划和生态工业园区提供科学基础依据。主要研究结果如下。.（1）开展工业园区水网络系统的可持续性评估与系统分析研究。依据系统分解方法，以工业园区内各企业为单元，以水质分析和水平衡测试分析为基础，提出工业园区集成优化与分析评估框架。提出工业园区水网络系统的四环节结构模型；并将四环节结构模型划分为给水处理、水利用、循环利用、再生利用、废水处理和废水排放等六个涉水过程。梳理水网络系统中各单元内部及单元之间的水资源代谢关系。针对水资源时空分布不均匀，提出工业园区水系统水足迹可持续性分析模型。建立化工过程、企业、园区、区域多尺度的评估分析模型。并以氯碱化工园区为例开展案例分析。.（2）工业园区系统的经济-能源-环境关联模型研究。研究工业园区系统的经济-环境-能源耦合关系，提出工业园区可持续性的系统动力学模型，表征分析生态环境效应、成本效应与碳排放效应。针对不同尺度对园区水资源管理的影响问题，提出工业园区水资源水价两阶段优化模型和海水淡化水水价补贴模型。建立工业园区水网络系统的水质、费用与新鲜水模型。.（3）开展工业园区水网络系统的集成优化与不确定性研究。建立工业园区水网络系统涉水过程的水质和水量演化的数学模型。并将涉水过程表征为工业园区水网络关系的节点。建立混合整数非线性规划模型。针对园区水网络集成优化网络的稳定性问题，提出动态非操作性投入产出模型。以鲁棒性、适应性和恢复力为指标开发了工业园区水网络脆弱性评估方法。以某园区作为基础研究案例，对案例系统进行水资源代谢分析和生命周期分析；通过模拟不同的水网络结构情景，提出若干工业园区水资源高效利用的改进方案。