（水利工程专业论文）山东省海河流域水资源优化配置研究.pdf

山东省海河流域水资源优化配置研究 摘要 水资源短缺，已成为严重制约我国经济发展的重要因素。如何使有限的水资 源发挥最大效益，是当前迫切需要解决的问题。要解决这一问题，一个很重要的 途径就是进行水资源优化配置。 本文分析了目前各种水资源优化配置方法，进一步研究了水资源优化配置基 础理论、计算机模拟模型及水资源优化配置模拟模型的设计方法。在此基础上， 通过调查分析山东省海河流域水资源及水资源开发利用的状况，本着水资源高效 可持续利用的原则，利用水资源优化配置基础理论和计算机模拟模型两大工具， 剥浚流域的水资源优化配置进行研究探索，提出水资源高效利用模式一开源工程 模式、节水工程模式和水资源优化调度工程模式，为该流域水资源的总体规划、 水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展提供了科学决策依据。 关键词：水资源优化配置模拟模型高效利用 r e s e a r c hf o r o p t i m i z i n g a l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s a b o u t s h a n d o n gp r o v i n c i a lo f t h eh a i h e v a i l e y a b s t r a c t s h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e sh a sb e c o m eah e a v yc o n s t r a i n to n s o c i a la n de c o n o m i c d e v e l o p m e n t i no u r c o u n t r y h o wt oo b t a i nt h eg r e a t e s t b e n e 丘t sb yu s i n gl i m i t e dw a t e r r e s o u r c e s ? i ti sa nu r g e n tp r o b l e mn e e d e dt os o l v e a ne 丘b c t i v ea p p r o a c hi sw a t e r r c s o u r c e so p t i m u ma i i o c a t i o n ”“sl e s s o na n a l y z e dt h ec u r r e n te v e r yk i n do fm e t h o da b o u to p 廿m u ma l l o c a t i o n o fw a t e rr e s o u r c e s ，t a k ea nu l t e r i o rs t e pt os t u d yt h ef o u n d a t i o nt h e o r i e so fo p t i m u m a 1 1 0 c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ，t h ec a l c u l a t o ri m i t a t i n gm o d e la 1 1 dt h ed e s i g nm e t h o do f o p t i m i z i n ga l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s o nt h i sc o n d i t i o n ，d o i n gr e s e a r c ho nt h e u s i n gs t a m so fw a t e rr e s o u r c e sa b o u ts h a l l d o n gp r o v i n c i a lo f t h eh a i h ev a l l e y ，b e i n g j nt h cl i g h to ft ok e e po n p r i n c i p l eo fi n c r e a s i n gw a t e ru s ee 伍c i e n c ya 1 1 ds u s t a i n a b l e u t i l i z a t i o no f 、v a t e rr e s o u r c e s ，u s i n gt w ot o o l s t l l et h e o r i e so fo p t i m i z 访ga i l o c a t i o n o fw a t e rr e s o u r c e sa n dt h ec a l c u l a t o ri m i t a t i n gm o d e l ，、wr e s e a r c hi n t ot h ea l l o c a t i o n o fw a t e rr e s o u r c e sa n dp u tf o n v a r dt h em o d eo fw a t e rr e s o u r c e st om a k eh i g h l e v e l u t i l i z a t i o na b o u tt h ev a l l e y t h ee n g i n e e r i n gm o d eo f d e v e l o p i n gn e w w a t e rs o u r c e s ， s a v i n 卫w a t e ra n do p t i m u ma l l o c a t i o no f 、v a t e rr e s o u r c e s t h er e s e a r c ho f f c r e d a s c i e n t i n cd e c i s i o n a l 2 i s t f o rt h e v a l i e y t o i m p r o v e w a t e rr e s o u r c e so ft o t a l p r o g r a m m i n g ， t o p m m o t e s u s t a i n a b l es o c j a ja 1 1 de c o n o m i c d e v e i o p m e n t w i t h s l l s t a i n a b l eu t i l j z a t i o no f w a t e rr e s o u r c e s k e yw o r d ：w a t e rr e s o u r c e so p t i m u ma l l o c a t i o n s i m u l a t em o d e l h i 曲- 1 e v e l u t i l i z a t i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：z 么毯目 委员： 缈丝 刍凇钍 ，人“ 歹肜圯久 刷瓢叼前 薤 图 图 斟 剀 图 图 图56 插图清单 水资源优化配置方案应用流程图3 5 山东省海河流域地理位置图3 7 鲁北地区水资源系统概化图4 3 鲁北地区丌源工程模式6 4 2 0 0 0 年鲁北地区地下水埋深等值线图6 7 鲁北地区水资源高效开发利用工程模式概化图6 9 鲁北地区节水工程模式7 0 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表59 表5 1 0 表5 一“ 表51 2 表51 3 表5 一j 表5 一1 5 表5 16 表5 一】7 表5 一1 8 表5 一1 9 表5 2 0 表5 2 l 表5 2 2 表5 2 3 表5 2 4 表格清单 山东省海河流域年降水量计算分析成果表3 9 山东省海河流域年径流量分析计算成果表3 9 山东省海河流域多年平均地下水资源量成果表3 9 山东省海河流域水资源总量( 淡水) 表4 0 山东省海河流域部分年份引黄水量表4 0 鲁北地区水资源模拟基本分区表4 2 鲁北地区平原水库及拦河闸库容统计表4 4 1 9 7 0 2 0 0 0 年鲁北地区多年平均水资源量表一4 5 2 0 0 0 及2 叭o 水平年鲁北地区相关工业用水量和污水回用量表4 6 鲁北地区各市2 0 0 0 年作物种植结构情况表4 7 鲁北地区2 0 0 0 及2 0 1 0 水平年工业、生活需水量表4 8 鲁北地区不同水平年总需水量预测表4 8 模拟计算方案表4 9 鲁北地区2 0 0 0 水平年方案历年供需平衡成果表5 0 鲁北地区2 0 0 0 水平年各供水区不同保证率下供需平衡成果表5 2 鲁北地区2 0 0 0 水平年方案多年平均供需平衡成果表5 4 鲁北地区2 0 0 0 水平年方案不同保证率下弃水状况表5 5 鲁北地区2 0 1 0 水平年方案历年供需平衡成果表5 6 鲁北地区2 0 1 0 水平年各供水区不同保证率下供需平衡成果表5 8 鲁北地区2 0 l o 水平年方案多年平均供需平衡成果表6 0 鲁北地区2 0 1 0 水平年不同保证率下弃水状况表6 1 鲁北地区各市不同水平年多年平均缺水状况对照表6 2 鲁北地区浅层成、淡水区不同水平年缺水率一览表6 2 鲁北地区不同水平年下多年平均供需平衡对照表6 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究上作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得金魍王些叁堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与孜同下作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示访f 意。 学位论文作者签字：布矽“曩签字目期：y 讨年；月对日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王业走堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向【吲家有关部fj 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权台 目ee 厶堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲商格怛 签字日期：，“ 年j 月才日 导师签名 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：】) 车| 盾留酒管订向 通讯地址：i 钎、旬年讹( 习置 巧牵7 专 嗍 年月日 电话：以；，一g 知口，? 邮编：jj i p 致谢 在本课题的研究过程中，我得到了导师叶少有老师的悉心指导。叶老师在科 研、教学等任务繁重的情况下，尽心帮助我设计课题的每一环节，从我论文的选 题、课题的研究到论文的成稿，都倾注了叶老师的心血。我不仅从叶老师身上学 到很多知识，而且感受到他严谨求实、积极进取的学者态度及诲人不倦、催人奋 迸的眨者风范这使我受益非浅、终生难忘。正是在叶老师的鼓励和帮助下，才 使我能够在时问紧、工作压力大的情况下完成此文。在此向叶老师表示衷心感谢。 感谢合肥工业大学老师们的关心和帮助。 感谢单位领导和同事们给予我的大力支持。 感谢家人的支持和理解。 感谫 所有关心、帮助我的人! 作者：蒋殿顺 2 0 0 5 年3 月 第一章项目研究概述 1 1 研究现状综述 1 1 1 水资源状况 当人类社会进入了2 1 世纪，历史和现实都在向我们发出一个十分重要的 警示：水资源短缺“1 及水环境污染时刻威胁着人类社会的发展及其赖以生存的 环境。地球上只有j 的淡水可供人类使用，而人类对水资源的需求正以惊人 的速度增长，同时，环境污染使得水资源紧张的状况进一步加剧。据世界水理 事会研究报告预测：2 0 2 5 年，将有4 0 多个国家占全球3 0 的人口受到水资源 短缺的影响；2 0 5 0 年，将有6 5 个国家约占全球人口6 0 的人类面临淡水危机。 缺水导致河流和湿地萎缩，而过量的淡水开采又使许多自然水源枯竭，导致地 面沉降，海水入侵等，进步加剧了生态的破坏，形成恶性循环。更为严重的 是仅凭目前水资源的解决办法和技术水平，水资源的数量难以增长。 我国水资源总量为2 8 万亿m 3 ，但实际可用水资源量仅为1 1 万亿m 3 ， 人均占有水资源量为2 2 3 l m 3 ，人均占有水资源量仅相当于世界人均水平的 l 4 ，已被联合国列为1 3 个贫水国家之一。而且水资源分布不均匀，全国8 0 的水资源分布在占国土总面积3 6 的南方地区：全国农田灌溉供水不足，仅灌 区每年缺水就达3 0 0 多亿m 3 ：全国6 9 9 个城市，有4 0 0 多个缺水，其中1 1 0 个严重缺水，影响人口约4 0 0 0 万人。与此同时，因水污染造成水质性缺水也 日益严重。全国年排污量达6 0 0 亿吨，其中8 0 未经处理直接排入水域。在全 国7 0 0 多条重要江河中有近5 0 的河段、9 0 以上城市的沿河水域受到污染。 山东省水资源量仅占全国的1 2 ，人均水资源占有量仅为3 0 0 m 3 ，是全国 人均量的1 3 3 ，每公顷耕地水资源占有量是全国的1 7 3 。且降雨量年内分 布很不均匀7 0 8 0 集中于汛期。全省7 0 以上的县市水资源短缺，日缺水 量达1 0 0 多万m 3 。地下水大量开采，漏斗面积已达1 3 5 万k m 2 ，海水入侵面 积达1 0 0 0 多k m 2 。近年来，随着黄河来水连续偏枯，地下水超采，缺水成为 制约山东社会经济发展的最大瓶颈。鉴于此，以水源建设为中心，以引黄工程 为基础，以南水北调东线工程及胶东输水干线工程为契机，全省全面启动了现 代化水网建设工程，积极寻求水资源优化配置、高效利用的新思路。 山东省海河流域是山东省现代化水网建设的重要组成部分。该流域内多 年平均径流深47 1 m m ，为全省最小降雨区，地表水资源量14 1 亿m 3 ， 地下水资源量( 矿化度小于2 9 l ) 2 7 9 亿m 3 ，多年平均水资源总量 为3 9 8 亿m 3 ，可利用量为2 7 1 l 亿m 3 。人均水资源量占全省人均的6 1 ， 按国际划分标准，该流域水资源属于严重危机区，属资源性缺水。同时流域内 存在河道断流、有水皆污( 全流域污水排放量约5 亿t a ，使得流域内的徒骇 河、马颊河、德惠新河3 条干流大部分河段的承质超v 类标准) 、地下水过量 开采、水土流失仍未得到有效遏制及湿地萎缩、咸水入侵、沙化、盐渍化等水 生态环境问题，水资源短缺和生态恶化已经成为经济社会可持续发展的瓶颈。 综上所述，水作为人类赖以生存的重要资源“，严重短缺已对人类生存和 社会发展构成严峻的挑战。如何使现有的有限的水资源实现优化配置。1 ，以水 资源的可持续利用“1 支撑经济和社会的可持续发展，已成为一个重大课题摆到 了人类的面前。 1 1 2 水资源优化配置方法概述 1 1 2 1 优化模型 1 静态规划线性模型 线性规划“1 模型是指在一组线性等式和不等式的约束下，寻求线性目标函 数极值的数学方法。其数学模型可表示如下： 目标函数：最优化f ( x 。，x 。，x 。)式卜2 1 约束条件；g 。( x ，x 。，x 。) o i = 1 ，2 ，m ，式卜2 2 x j oj = l ，2 ，n 线性规划足用来求解水土资源、人力、机械等在有限条件下，通过各种不 同组合及配合的分配，从中寻求效益最大或费用最小的优化方案的方法。通用 解法是单纯形法和改进单纯形法。 1 9 6 1 年c a s t l l 和i m d e b o r y 首次把线性规划方法运用到水资源分配中， 成功的解决了两个农业用户之间的水量分配。1 9 6 3 年d a n t z j g ”对线性规划模 型在多目标问题中的应用进行了研究。六十年代，d r a u p 针对以地下含水层为 主的水资源系统，应用参数线性规划法确定满足农业用水要求的流域水资源开 发计划。1 9 7 1 年j o e r e s ”1 将线性规划用于b a l t i m o r e 的多水源供水方面。同 年，d r o b n y 对系统工程和线性规划作了有益的讨论。1 9 7 3 年，s m “h “3 将随 机线性规划应用于灌溉规划中。1 9 7 4 年m e j i a “”等在研究加拿大m o n t r e a l 附 近的北部河流运用规则时，应用了确定性线性规划模型。 1 9 8 4 年，郭元裕3 等在湖北江汉平原的四湖地区建立了除涝排水系统的 规划模型，利用线性规划模型对全系统总除涝水量进行最优分配。】9 8 5 年沈 佩君“”等在宝鸡峡建立了灌区扩建改建的线性优化模型，不仅确定了扩建改 建工程的最优布局，还同时确定了最优灌溉面积及最优调配水量。1 9 8 9 年， 沈佩君等“”在宁波市供水区建立了包含多种优化技术和多种调节性能的混合 模型，其中采用线性规划模型进行片内用水部门的水量优化分配。1 9 9 1 年黄 冠华1 针对灌区若干模糊化问题，提出模糊线性规划在灌区规划和管理中的 应用。 2 2 静态规划非线性模型 当最优化问题的目标函数( 1 ) 或约束方程( 2 ) 中有一个或多个非线性函数 时，这种问题的最优化称为非线性规划。非线性规划问题没有通用解法，只能 针对不同的问题采用不同的解法。 1 9 6 2 年美国哈佛大学a m a a s s 教授研制了单目标非线性静态规划模型， 目标函数为流域水资源开发治理总净效益最大。1 9 7 1 年m u l v i h i 11 和d r a c u p 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。 1 9 8 6 年刘肇秫”5 等针对我国山丘区较为普遍的长藤结瓜式灌溉系统，建 立了多目标的非线性优化模型。同年，李寿声“”等针对江苏徐州地区欢口灌 区的实际情况，建立了一个非线性规划模型，既考虑灌溉排水又考虑多种水源 联合调度，用以确定农作物最优种植模式及各种水源的供水比例。1 9 8 8 年沈 佩君等在江苏某灌区建立了以寻求灌溉工程年净效益最大为目标的非线性模 型。 3 动态规划模型 动态规划“”是求解多阶段决策问题的最优策略。所谓多阶段决策问题就 是根据问题的时间或空间特性，把全过程分成若干个相互连接而又不重复、循 环的阶段，对每个阶段都需要做出一定的决策，这个决策不能仅孤立地考虑本 阶段的结果，而要把全过程的各阶段联系起来考虑，务使整个过程取得最优结 果。应用动态规划最优性原理，可把具有n 个阶段的多阶段决策问题化为n 个单阶段决策问题，对每个阶段做出最优决策，实际上是较简单的线性或非线 性规划问题。 1 9 7 3 年d u d l e y 和b u r t 把动态规划应用于灌溉水库的管理上，利用马尔 科夫链的转移概率对递推动念方程加权。同年m e r e d i t h 等人给出了关于灌溉 配水系统的两个初步而有启发性的动态规划的例子。1 9 7 4 年m a w e r 和t h o r “ 将数值迭代逆序循环的动态规划应用于包括海水淡化厂和抽水蓄能水库在内 的水资源系统。1 9 9 3 年，n a t h a n 和b u r a s 在6 个流域、2 个水库和一条河流 组成的复杂水资源系统中，应用了地表水系统动念分配的优化控制模型。 1 9 8 4 年张超等在永定河引水供水工程中，利用动态规划模型对l o 个用户 进行水量优化分配，目标函数为总产值最大。1 9 8 6 年张玉新“”、冯尚友在丹 江口水库建立了多目标动态规划模型，针对水库的发电与供水进行了研究。 1 9 8 9 年，曾树星等在内蒙古河套地区水资源优化调度中，采用动态规划方法 确定各种作物的灌水定额及灌水次数。1 9 9 0 年袁宏源“”等以黑龙港地区为背 景，利用临西实验站的灌溉试验资料，建立了一个两维状态及两维决策变量的 多维动态规划模型，进行农业灌溉制度的研究。1 9 9 2 年，唐德善等以黄河中 游某灌区为例，运用递阶动态规划法，确定水资源在工业和农业之间的比例分 配。1 9 9 3 年张展羽“”、李寿声利用模糊动态规划的方法确定作物的非充分灌 溉制度。 1 i 2 2 计算机模拟技术 1 计算机模拟技术 计算机模拟技术是采用计算机语言编制程序，建立现实状态的概化模型， 并通过调整相关参数达到逼真的效果，进而模拟并考察人为作用对现实状态可 能的影响。水资源优化配置模拟模型就是利用计算机技术，建立区域水资源系 统的概化模型，通过模拟，分析不同水资源分配方案的效果。 2 国内外研究现状及典型事例 最早的水资源模拟模型”“”为美国陆军工程师兵团( u s a c e ) 于1 9 5 3 年在 美国密苏里河流域6 水库的调度问题( h a u 和d r a c u p ，1 9 7 0 ) 。其后在尼罗河流 域中为解决水库的规模及其运行调度问题( e m e r g y 和m e e k ，1 9 6 0 ) 也构造了专门 的模拟模型。m a a s s 等人在1 9 6 2 年提出了模拟技术在评价流域开发经济指标中 的应用实例。d i m a r k s 于1 9 7 1 年提出了水资源系统线性决策规则后，采用 数学模型的方法描述水资源系统问题更为普遍。随着系统分析理论的发展，优 化技术的引入以及计算机技术的发展，水资源系统模拟模型和优化模型的建 立、求解和运行的研究与应用工作不断得到提高。例如1 9 7 5 年y y h a i m e s 对地表水库、地下含水层的联合调度的多层次管理技术进行了研究，使模拟模 型技术向前迈进了一步。同年j a d r a c u p 和a d f u d m a r 对南斯拉夫m o r a u a 流域的水资源规划管理用系统方法进行了研究。1 9 8 2 年，加拿大内陆水中心 ( c a n a d ac e n t e ro fi n l a n dw a t e r ) 利用线性规划网络流算法解决o t t a w a 流域 及g r e a tl a k e s 系统的水资源规划与调度问题。1 9 8 3 年，d p s h e e r 经过长时 间的努力，利用优化与模拟相结合的技术在华盛顿特区建立了城市配水系统。 美国麻省理工学院( m i t ) 于1 9 7 9 年完成的对阿根廷r i oc 0 1 0 r a d o 流域的水资源 开发规划是最成功和最有影响的例子。其中应用模拟模型技术对流域水量的利 用进行了研究，提出了多目标规划理论、水资源规划的数学模型方法，并加以 应用。水资源模拟系统商用软件以美国应用陆军工程师兵团水工程中心推出的 h e c 一3 和h e c 一5 为代表，两个软件主要是解决防洪规划与调度问题，但对水资 源系统复杂程度却描述不足。 国内水资源大系统”的研究起步较迟，但发展很快。水资源模拟模型在 北京及海河北部地区进行了应用。1 9 8 3 年戴国瑞”“、冯尚友等翻译 美 n 伯 拉斯著的水资源科学分配，该书对概率法、线性规划、动态规划、模拟法 在水资源系统工程中的应用作了重点而又全面的介绍，并附有实例说明。1 9 8 7 年马文正“”、袁宏源编写了水资源系统模拟技术，叙述了水资源系统模 拟技术的一般概念及其与数学规划方法的对比，然后介绍了水资源系统模拟的 主要内容和方法等。由姚汝祥”1 、翁文斌等翻译的水资源系统规划与分析， 4 介绍了美国e 世纪8 0 年代运用系统分析的方法指导水资源工程的规划、设计 和运用管理的理论和实践。1 9 8 4 年，张超等在永定河引水供水系统中，对水 源、输水和用水各子系统采用模拟模型。1 9 8 6 年，李寿声等在江苏徐州欢口 灌区的非线性规划模型中，采用模拟技术以确定农作物最优种植模式及各种水 源的供水比例。同年郑梧森o ”等用模拟方法计算灌区灌水和排水过程。1 9 8 7 年茹履绥“”等在石津地区建立了按时间和地域重迭分解的大系统模型，该数 学模型运用了模拟技术和大系统分析两种方法。1 9 8 8 年翁文斌”等以安阳市 地面水和地下水联合调度为例，在其水资源循环过程中建立了农业灌溉、城市 需水、农业需水、配水等七大物理模拟模块。同年刘肇秫o 、袁宏源运用模 拟实验技术，论证长江中游右岸的水资源系统修建节制闸的必要性，其目的是 为了满足系统内水量最优调配要求。1 9 8 9 年沈佩君等在宁波市供水区中，采 用模拟模型进行整个系统分片间的供水协调。进入9 0 年代，计算机特别是微 机的发展，使长系列月时段的模拟计算得到普遍应用。1 9 9 0 年程吉林”“采用 模拟技术和正交设计对灌区进行优化规划，利用层次分析法扩大了优化范围。 陈守煜、赵瑛琪( 1 9 9 0 年) 对跨流域系统补偿特性与提高供水能力进行了研究； 方淑秀、黄守信( 1 9 9 0 年) 剥滦河的跨流域引水工程多水库联合供水优化调度 提出了确定型动态规划聚集解集技术；翁文斌、惠士博( 1 9 9 2 年) 利用动态模 拟方法对区域水资源规划的供水可靠性进行了分析研究。1 9 9 3 年张超等在山 西长冶市建立动态模拟和优化控制模型来确定水资源量的合理利用。中国科学 技术出版社出版。”的水资源大系统优化规划及优化调度经验汇编( 1 9 9 5 年) 充分展示了近几年水资源大系统研究领域的发展，其中中国水利水电科学研究 院水资源所做出了卓有成效的贡献。袁宏源“”、邵东国、郭宗楼编著的水 资源系统分析理论与应用在阐述水资源系统分析基本原理的基础上，着重引 入了一些新的理论与方法，如随机方法、模糊决策、人工神经网络及可靠性分 析等。在此过程中，中国水利水电科学研究院水资源所、黄河水利委员会规划 院、长江水利委员会、武汉水利电力大学，也结合科研和实际，分别研制出各 种水资源系统模型，并应用于生产实践，取得了较好的效果。“七五”攻关项 目华北地区水资源供需现状、发展趋势和战略研究项目、世界银行黄河流域经 济模型、亚行海南项目、u n d p 华北水资源管理项目、河北省水资源宏观经济 规划项目、“八五”攻关项目黄河治理与水资源开发利用以及海水入侵防治试 验研究等工作分别研制出各种水资源系统模型。 近年来，我国科技界建立了各类水资源模拟模型，以下是几个成功的例 子。 ( 1 ) 黄河流域多目标优化配水模型 河海大学唐德善等早于上世纪9 0 年代初期应用多目标规划的思想，建立 了黄河流域水资源多目标分析模型，提出了大系统递阶动态规划的求解方法。 该模型根据黄河流域的特点，将该水资源供需系统划分为7 个子区，首先以经 济目标最大效益为原则建立子区干流优化配水模型，将它们组合成整体，即得 黄河流域水资源经济目标优化分配数学模型。 ( 2 ) 黄河水资源( 利用) 决策系统 2 0 世纪末，水利部黄委会勘测规划设计研究院建立了黄河水资源( 利用) 决策系统。该系统内嵌预测、模拟、优化和评价模型四个子模型。预测模型又 分为农业和工业需水预测模块，用于预测系列年农业和工业的需水过程；模拟 模型对给定的水资源规划方案进行详细的模拟计算，对不同的运行规则或分水 政策进行模拟试验；优化模型主要用于寻求一定条件下的流域最优运行规则和 进行方案筛选；评价模型针对选定的评价指标，对众多的水资源规划方案进行 评价排序，然后用图形显示系统对评价结果进行比较显示，为决策者提供有效 的决策支持。 ( 3 ) 湖区水资源综合开发多目标分解一聚合模型 武汉水利电力大学白宪台、吴华等于2 0 世纪8 0 年代末期，以湖北省四 胡地区为背景，应用分解一聚合技术建立了一个大系统多目标决策模型。整个 系统按优化目标分解为若干个子系统，构成递阶结构的第1 层，用标量技术求 解：聚合模型为第2 层，仅有两个决策变量和很少约束的多目标动态规划模型， 便于用向量优化技术求解。 ( 4 ) 华北地区水资源优化配置决策支持系统 中国水利水电科学研究院建立了华北地区水资源优化配置决策支持系 统。该系统由人机交互系统、数据库系统和模型库系统三部分组成。其中人机 交互系统由输入、显示、对话、输出和帮助等部分组成；数据库系统包括基础 数据库、模型数据库、结果数据库和空间数据库；模型库由在一定逻辑关系下 按特定的决策内容连接起来的众多模型组成。 另外，还有中国水利水电科学研究院水资源研究所谢新民”等于2 0 世纪 9 0 年代初期建立的水电站水库群与地下水资源系统联合运行多目标管理模型 等。 1 2 研究内容 1 2 1 研究内容 水资源优化配景o ”是针对水资源短缺和用水竞争性而提出的。本次研究 在调查分析山东省海河流域水资源、水资源开发利用状况的基础上，主要研究 以下内容： 1 根据经济发展过程中速度和结构的变化，预测其对水资源需求，以便 为合理安排城市生活、工业供水、灌溉用水等提供依据； 2 通过地表水、地下水、回用水和外调水的统一调配，为确定区域水资源 6 承载能力提供科学依据； 3 研究水资源开发利用的不同方式对区域经济、环境、社会诸方面的不同 影响，并在此基础上对区域水资源规划的总体目标进行识别； 4 研究各类水工程的可能开发方案，包括各项规划工程的合理规模及建设 次序； 5 通过在不同的水工程开发模式下进行水资源供需平衡分析，确定各水利 工程技术方案供水范围、可供水水量，以及各用水单位的供水量、供水保证率、 供水水源构成、缺水量等情况； 6 利用多目标群决策方法，产生符合区域可持续发展目标的水资源优化配 置的备选综合方案，供各地区决策者进行挑选，以选出能够共同接受的总体配 置方案。 1 2 2 研究的目的及意义 水资源优化配置”就是依据可持续发展的需要，通过工程和非工程措施， 调节水资源的天然时空分布和用水结构；丌源与节流并举，开发与保护并重， 眼前利益和长远利益兼顾，利用系统理论、决策理论和计算机技术，统一地调 配当地地表水、地下水、回用水、外调水及非常规水；注重兴利与除弊的结合， 协调好各地区及各用水部门间的利益矛盾。尽可能地提高区域整体的用水效 率，促进水资源的可持续利用和区域的可持续发展。 如前所述，全球面临着水资源日益短缺的问题。水资源短缺是由水资源供 和求两方面因素引起的。所以缓解水资源短缺的策略有两种：一是增加开发新 水源而增加供水：二是通过各种途径促使用户节约用水，抑制不合理需求。前 一种措施，工程耗资大，涉及面广，水资源运行成本高，对区域水资源开发利 用率已经很高或不具备跨流域调水的区域是不现实的；而后一种措旅比较现实 可行，尤其适用于由于管理不善，水资源利用不合理，水资源利用率较低的国 家和区域。 通过进行流域内水资源优化配置研究，建立完善的水资源网络工程体系， 实现水资源跨流域跨地区的优化调度，为水资源时空调节创造更有利的环境： 其次，努力挖掘开源潜力，特别是对雨洪水的拦蓄利用。在污水处理、回水利 用等方面也应有所作为；再次，就是加大节水力度。更新节水观念，改造节水 工程模式，实现资源型节水和效率型节水，从而达到合理有效地利用水资源， 缓解水资源供需矛盾，这对促进整个流域、我省及我国经济社会的可持续科学 发展具有深远的意义。 1 3 技术路线 1 综述水资源优化配置方法的研究进展情况，了解该领域的最新动态，归 7 纳总结各种方法的特点，通过分析，指出计算机模拟模型在水资源优化配置中 的研究任务和重要作用。 2 对流域内涉水现状进行详细的调查，包括水源的种类和数量、水利工程 数量及运行状况、工农业生产布局、人口布局、各行业用水结构及数量、社会 发展总体规划、区域经济发展速度及需水增长状况、各行业各部门用水效益等 等，通过进一步的分析基本上可以确定区域现状及未来若干年内水资源供需状 况； 3 以水资源优化配置基础理论为指导，按照“高效、公平、可持续”等原 则确定水资源优化配置初步可行性方案，包括区域及用水部门间分水比例、大 中型水库等蓄水工程的调度原则、其他分水协议等等； 4 建立水资源优化配置计算机模拟模型，对初步可行性方案加以模拟分析， 进一步改进和完善，选择不同的目标函数，对方案进行优化并形成可行性方案： 5 对优化方案进行合理性分析，通过反复的调查、分析、模拟和优化，最 终确定水资源优化配置实施方案，并作为未来一段时间内区域水资源调度、管 理的依据。 1 4 发展趋势 1 4 1 有关的理论和技术问题 水资源规划0 8 3 在理论和技术方面存在许多问题。 1 水资源优化配置是一个复杂的课题“”，它涉及环境、生态、社会、政 治、经济、法律、科技等许多与水资源有关的综合性的规划问题，它需要发展 新的理论和方法来适应这个问题的解决。 2 多目标、多用途水资源系统规划理论中，如何确定规划的目标和评价标 准、如何权衡和量化不可公度目标、如何最有效地进行求解，在理论上和技术 上都有待于进一步完善。 3 水资源规划所需的水文、经济等方面的数据的搜集、观测、预测和处理 的方法和技术，有待研究和改进。 4 决策对规划有重要影响，应当把决策也包含在规划过程中。 1 4 2 发展趋势 近年来呈现出一些新的规划理论和方法，这也是水资源系统优化配置发展 的方向： 1 多层次多目标m 1 分解协调理论的研究。由于水资源系统具有多层次结 构，包含了不同层次的规划决策问题。着想用一个模型来概括整个系统的复杂 的变化，当然得不到准确答案。近年来发展的大系统分解协调理论，能够适应 系统规划的多层次性质。利用这一理论所研制的计算机联机系统能够综合多级 控制问题，解决复杂流域各种层次的模拟和优化问题，以及分级管理问题。 2 系统动力学理论的研究。系统动力学是研究复杂系统的计算机模拟技 术。它认为系统由一系列信息反馈环构成，具有复杂的反馈动态结构。它能够 预测系统未来的发展，不是用统计的趋势外推法，而是从研究系统的结构入手， 建立反映系统全貌的各种因果链和反馈环，追踪系统结构所决定的动态信息， 迓时段地展现系统的动态变化。 3 交互式规划、管理决策支持系统研究。由于人造卫星图像处理技术的进 步，人们获取规划原始数据的数量和质量不断提高。在自动监视数据库、信息 库的基础上建立起来的规划模型和决策支持系统，可以直接把决策者、规划者 的意图传给系统，又把系统的信息反馈回来，这样的交互式人一机规划系统可 以更有效的把系统分析方法应用到水资源规划与管理中，它具有广阔的发展前 景。 9 第二章水资源优化配置理论及模拟模型简介 2 1 水资源合理配置的含义 水资源合理配置可以定义为：在一个特定流域或区域内，以有效、公平和 可持续的原则，对有跟的、不同形式的水资源，通过工程与非工程措葳在各用 水户之间进行的科学分配。 实际上，水资源合理配置从广义的概念上讲就是研究如何利用好水资源， 包括对水资源的开发、利用、保护与管理。水资源的合理配置是由工程措施和 非工程措施组成的综合体系实现的。其基本功能涵盖两个方面：在需求方面通 过调整产业结构、建设节水型社会并调整生产力布局，抑制需水增长势头，以 适应较为不利的水资源条件；在供给方面则协调各项竞争性用水，加强管理， 并通过工程措施改变水资源的天然时空分布来适应生产力布局。两个方面相辅 相成，以促进区域的可持续发展。 合理配置中的台理是反映在水资源分配中解决水资源供需矛盾、各类用水 竞争、上下游左右岸协调、不同水利工程投资关系、经济与生态环境用水效益、 当代社会与未来社会用水、各种水源相互转化等一系列复杂关系中相对公平 的、可接受的水资源分配方案。合理配置是人们在对稀缺资源进行分配时的目 标和愿望。一般而言，合理配置的结果对某一个体的效益或利益并不是最高最 好的，但对整个资源分配体系来说，其总体效益或利益是最高最好的。而优化 配置则是人们在寻找合理配置方案中所利用的方法和手段。 2 2 水资源优化配置理论简介 2 2 1 水资源优化配置理论的来源 水资源优化配置理论o ，源于水资源短缺和用水竞争。 水是一切生命生存与发展的源泉，水资源是人类生产与生活活动的重要物 质基础。随着社会的不断进步和生活水平的不断提高，人们对水的质量和数量 的要求越来越高。但是，自然界所能提供的可用水资源量终究是有一定限度的， 需求与供给间的矛盾将日趋尖锐。最直接的表现就是一个时期内区域性水资源 短缺。造成水资源短缺的直接原因可概括为三个：第一是水资源量本身不足； 第二是由于水环境污染所导致的有效水资源量的减少；第三是由于供水及污水 处理工程建设滞后造成的水量及水质不能满足需求。 另方面，在水资源短缺的情况下，各用水部门间的用水竞争性显得日益 突出。用水竞争性是由于水量不足、水质达不到用水标准或工程调蓄能力限制 等原因，所导致的在用水目的上、时间上和地域上的冲突。 在用水目的上的竞争性主要表现在防洪与兴利诸目标间的用水矛盾。用水 o 竞争性在时问上的冲突主要体现在发电与灌溉、城市供水与灌溉、航运与发电 的用水矛盾上。在地域上的冲突主要体现在上下游、左右岸的可用水量及水质 上。正是由于区域性水资源短缺以及区域供水在目的上、时间上和地域上客观 存在的竞争性，人们提出了各种各样的解决方案，归根结底，都是要通过水资 源区域空间或时间上的重新调配来缓解水资源供需矛盾”3 。这样，水资源优化 配置理论逐渐形成了。 2 2 2 水资源优化配置理论的概念 水资源优化配置理论的含义就是：依据可持续发展的需要，通过工程和非 工程措施，调节水资源的天然时空分布和用水结构；开源与节流并举，开发与 保护并重，眼前利益和长远利益兼顾，利用系统理论、决策理论和计算机技术， 统一地调配当地地表水、地下水、回用水、外调水及非常规水；注重兴利与除 弊的结合，协调好各地区及各用水部门阃的利益矛盾，尽可能地提高区域整体 的用水效率，促进水资源的可持续利用和区域的可持续发展。 水资源优化配置理论就是结合社会发展需求研究水资源优化配置功能、原 则的理论由此指导各种类型区域水资源优化配置方案。 2 2 3 水资源优化配置理论的研究内容 水资源合理配置是针对水资源短缺和用水竞争提出的，其实施通过水资源 配置系统来实现。由于水本身的资源、环境、社会和经济属性，决定了水资源 优化配置所涉及的内容相当广泛，而对其研究的主要内容则包括： 社会经济发展：探索适合本地区或流域现实可行的社会经济发展规模和发 展方向，推求合理的工农业生产布局1 ，及社会对经济产品的可能需求。 水资源需求：研究现状条件下的各类用水结构、水的利用效率，提高用水 效率的主要技术和措施，分析预测未来居民生活水平提高、国民经济各部门发 展以及生态环境保护不同条件下的水资源需求。 水环境污染：评价现状水环境质量，研究工农业生产所造成的水环境污染 程度，制定合理的水环境保护和治理标准，分析各经济部门在生产过程中各类 污染物的排放率及排放总量，预测河流水体中各主要污染物的浓度和环境容 量。 水价：研究水资源短缺地区由于缺水造成的国民经济损失，水的影子价格， 水利工程经济评价，水价制定依据，分析水价对社会经济发展的影响、水价对 水需求的抑制作用。 水资源开发利用方式与工程布局：现状水资源开发利用评价，供水结构分 析，水资源可利用量分析，规划工程可行性研究，各种水源的联合调配，各类 规划水利工程的合理规模及建设次序。 供水效益：分析各种水源开发利用所需的投资及运行费，根据水源的特点 分析各种水源的供水效益，包括工业效益、农业灌溉效益、生态环境效益，分 析水工程的防洪、发电、供水三方面的综合效益。 生态环境质量：生态环境质量评价，生态保护准则研究，生态耗水机理与 生态耗水量研究，分析生态环境保护与水资源开发利用的关系。 供需平衡分析：在不同的水工程开发模式和区域经济发展模式下的水资源 供需平衡分析，确定水工程的供水范围和可供水量，以及各用水单位的供水量、 供水保证率、供水水源构成、缺水量、缺水过程及缺水破坏深度分布等情况。 水资源管理：研究与水资源合理配置相适应的水资源科学管理体系，包括 建立科学的管理机制和管理手段，制定有效的政策法规，确定合理的水资源费、 水费计收标准和实施办法，培养合格的水资源科学管理人才等。 技术与方法研究：水资源合理配置分析模型开发研究，如评价模型、模拟 模型、优化模型的建模机制及建模方法，决策支持系统、管理信息系统的开发， g i s 高新技术的应用。 水资源合理配置工作涉及江河流域规划中主要基本资料的收集整编、社会 经济发展预测、江河流域总体规划、水资源供需预测与评价、灌溉规划、城乡 生活及工业供水规划、水力发电规划、航运规划、水污染防治规划、水资源保 护规划、控制性枢纽的主要工程参数及建设次序的选择、环境影响评价、经济 评价与综合分析。此外，还涉及水资源管理中的取水许可制度，水费及水资源 费制度，水管理模式与机构设置，水权市场，水资源配最系统的优化调度，控 制性枢纽的多目标综合利用，水管理信息系统建设( 包括防汛、水量与水质监 测) 等内容。因此，水资源合理配置贯穿了区域水资源规划与管理的主要环节， 是一个复杂的决策问题。 2 2 4 水资源优化配置的目标 水资源的优化配置是由各类工程措施和非工程措施组成的综合体系来实 现的，其基本目标包括两个方面：在需求方面通过调整产业结构、建设节水型 经济并调整生产力布局，抑制需水增长势头，以适应较为不利的水资源条件； 在供给方面则协调各项竞争性用水，并通过工程措施改变水资源的天然时空分 布来适应生产力布局。两个方面相辅相成，以促进区域社会经济的可持续发展。 2 2 5 水资源优化配置的基本原则 根据稀缺资源分配的经济学原理，水资源台理配置应遵循有效性与公平性 的原则，但在水资源利用的高级阶段，还必须遵循水资源可持续利用的原则。 因此，有效性、公平性和可持续性应是水资源合理配置的最基本原则。 有效性原则是基于水资源作为社会经济行为中的商品属性确定的。从纯经 济学观点看，由于水利工程投资，对水资源在经济各部门的分配应解释为：水 是有限的资源或资本，经济部门对其使用并应产生回报。经济上有效的资源分 配，是资源利用的边际效益在用水各部门中都相等，以获取最大的社会效