（水文学及水资源专业论文）区域水资源安全评价与预警方法研究.pdf

摘要 摘要 水资源短缺、水污染、水生态环境恶化等问题日益突出，水资源安全成为全 球关注的热点问题。结合“十五”国家重大技术装备研制计划( z z 0 2 0 3 0 5 0 1 0 2 ) ， 开展了面向不确定性的水资源安全研究。 首先，将传统的水资源系统概念进行拓展，提出水资源复杂巨系统的概念， 分析了其系统组成、水网架构、和谐层次及和谐性原理，初步建立了水资源复杂 巨系统理论框架。对复杂巨系统视角下的水资源安全内涵和外延进行了阐述，指 出不确定性增加下的水资源安全研究应采用综合集成方法进行。 其次，阐述了区域水资源安全评价的思路和过程；为降低水资源安全评价结 果的不确定性，提出了水资源安全的组合评价技术，即对水资源安全从多种角度、 分多种类型、利用多种方法进行评价，并对评价结果进行比选和综合。结合缺水 地区水资源安全问题的特点，构建了区域水资源安全多层次综合评价指标体系； 将定额类指标作为适中型指标处理，统筹考虑缺水地区的社会福利与用水效益。 第三，针对目前评价指标赋权方法的不足，提出了基于水资源管理科层结构 的群组赋权方法。利用k e n d a l l 一致性系数对群组各成员赋权结果进行一致性检 验，根据s p e a r m a n 秩相关系数对比关系按照代表性原则确定合成权重。该赋权 方法能够考虑多个评价区域对象之间的博弈关系，降低指标赋权的不确定性。 第四，采用模糊数学方法和物元可拓方法进行区域水资源安全组合评价。在 模糊优选模型的隶属度计算中，通过引入基点值将相对隶属度转化为绝对隶属 度，从而使该模型在给出优选排序结果的同时也能够衡量各评价对象的安全等级 水平。在可拓方法的关联函数计算中，利用基点值对居中型指标进行预处理，解 决了可拓评价方法不能处理居中型指标的问题。 第五，将水资源短缺影响图概念模型中的水量因子表达为盲数形式，建立了 水资源供需分析盲数模型，利用盲数模型分析不同缺水准则下发生“水资源短缺” 事件的可信度，以及未来缺水程度优于或劣于给定缺水情景的可信度。将缺水率 盲数作为水资源短缺预警的综合指标，为预警决策提供量化依据。 最后，选择山东半岛城市群对上述理论方法进行实证研究，对不同发展情景 下的水资源安全演化趋势进行了预测，结果表明2 0 2 0 年山东半岛水资源安全等 级为临界安全，总体形势严峻；对2 0 0 6 2 0 0 7 年枯水期水资源短缺状况进行了 不确定性分析和预警模拟；进而提出了保障山东半岛水资源安全的对策措施。 关键词：水资源安全水资源复杂巨系统不确定性组合评价实时预警盲数 a b s t r a c t s o m ew a t e rr e l a t e dp r o b l e m sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t , s u c ha sw a t e r s h o r t a g e , w a t e rp o l l u t i o na n de c o s y s t e md e t e r i o r a t i o n , e t c ，a n dw a t e rl 它s o u r c a s s e c u r i t yh a sb e c o m eah o ti s s u eo fg l o b a le o n e e r l la sap a r to ft h en a t i o n a , lv i t a l t e c h n o l o g ym i de q u i p m e n td e v e l o p m e n tp r o g r a m 向rt h e1 0 4f i v e - y e a rp l a n , u n c e r t a i n t y - o r i e n t e dr e s e a r c h0 1 1w a t e rr e s o u r t ：e ss e c u r i t y i sc a r r i e do u ti nt h i s d i s s e r t a t i 吡 f i r s t l y , t h et r a d i t i o n a ls c o p eo fw a t e rr e s o u l c e $ s y s t e mi se x p a n d e d , a n dt h ec o n c e p t o fw a t e rr e s o u r c e sc o m p l c 】【g i a n ts y s t e m ( w r c g s ) i sa d v a n c e d t h ec o m p o n e n t a n ds u u c t u r eo f w r c g sa r ea n a l y z e d , t h e nt h eh a r m o n ya n di t sp r i n c i p l ei sd i s c u s s e d o i ld i f f e r e n tl e v e l t h et h r e t i c a lf r a m e w o r ko fw r c g si sp r e l i m i n a r ye s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so fw r c g s t h ec o n n o t a t i o na n de x t e n s i o no fw a t e rr e s o u r c e ss e c u r i t y a l e 骸p a 矗a t e d ，a n dam e t a s y n t h e s i sm e t h o ds h o i l l db et a k e nf o r t h er e s e a r c ho fw a t e r f e s o u i v , e ss e c u r i t yu n d e rt h ei n c r e a s i n gu n c e r t a i n t y s e c o n d l y , t h em o t i v a t i o na n dp r o c e d m eo f t h ea s s c s s m e n to f w a t e r n 嚣o u r c e ss e c u r i t y i se x p a t i a t e d t or e d u c et h eu n c e r t a i n t yo ft h ea s s e s s m e n t , at e c h n i q u eo fc o m b i n e d a s s e s s m e n tf o rw a t e rf e s o u r c a 。ss e c u r i t y , w h i c hm e a n st h a tt h ea s s e s s m e n to fw a t e r r i 胬o u r c 器s e c u r i t y3 h o l l l db ec a r r i e do u tf i - o mm u l t i p l ea n g l eo fv i e w , i nd i f f e r e n t k i n d s , a n db yv a r i o u sm e t h o d s i na d d i t i o n , t h ev a r i o u sr e s u l t so ft h ea s s 器s m e n t s h o u l db ec o m p a r e d , o p t i m i z e da n ds y n t h e s i z e d ai n d i c a t o rs y s t e mw i t hm u l t i l a y e r s 1 3 - u e t u 啷ei sa d v a n c e df o rt h ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n to fw a t e rr i 葛o i l r c e ss e c u r i t y , s m o n gw h i c h $ o u l eq u o t ar e l a t e di n d i c a t o r sa g e 仃e a t e d 鹪t h em o d e r a t et y p e , g i v i l l g c o m i d e r a t i o nt ob o t ht h ew e l f a r ea n de f f i c i e n c yo f w a t e ru t i l i z a t i o n 1 1 l i f d l xag r o u pw e i g h i n gm e t h o db a s e do nt h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fw a t e r r c s o u r o 韶m a n a g e m e n ti sp r o p o s e d , a m i n ga tt h ed e f i c i e n c yo ft h ec u r r e n tw e i g h i n g m e t h o d s k e n d a l lc o n s i s t e n c yc o e f f i c i e n ti si n t r o d u c e dt ov 耐匆t h ec o n s i s t e n c yo f t h e w e i g h t sf r o ma l lm e m b e r s , a n dt h e ns p e a r m a nc o e f f i c i e n ti su s e dt od e t e r m i n eh o w t o s y n t h e s i z et h ew r i g h t s b yt h ew d g h i n gm e t h o d ，t h ec o m p e t i t i v e 叫a 虹o n s i l i pa m o n g t h es t a k e h o l d e r sw h i c hr e p r e s e n t i n gt h ec o r r e s p o n d i n g 他沓sc a nb er e f l e c t e da n d b a l a n c e d , t h u st h eu n c e r t a i n t yi ni n d i c a t i o rw e i g h i n gc a nb er e d u c e d f o u r t h l y , f u z z ya n de x t e n i em e t h o d s 躺a d o p t e di nt h ec o m b i n e da s s e s s m e n to f w a t e r r l 匿u “髑s e c u r i t y b yi n t r o d u c i n gas e to fb a s ep o i n t sf o rt h ei n d i c a t o r si nf u z z y o p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h ea b s o l u t em e m b e r s h i pd e g r e ec a n b ec a l c u l a t e d , a c c o r 击n g l y b o t ht h es o r t i n gr e s u l ta n dc l a s s i f y i n gr e s u l tc a nb eo b t a i n t e db yt h ea s s e s s m e n tm o d a l i nt h ee x t e n i cm e t h o d ，i n d i c a t o r so f m o d e r a t et y p ea r ep r e t r e a t e d0 1 1t h eb a s i so f b a s e p o i n t si nt h ec a l c u l a t i o no f d 印e n d e n tf u n c t i o n , t h r o u g hw h i c ht h ee x t e n i cm e t h o dc a n d e a lw i t hv a r i o u sk i n d so f i n d i c a t o r s f i f t h l y , b l i n dd a t ai si n t r o d u c e dt od e s c r i b et h eu n c e r t a i nv a r i a b l e si nt h ec o n c 印t i l a l m o d e lo f t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f w m e rs h o r t a g e n eb l i n dm o d e li se s t a b l i s h e df o r t h ea n a l y s i so fw a t e rs u p p l ya n dd e m a n d , t h r o u g hw h i c ht h er e l i a b i l i t yo fw a t e r s h o r t a g eu n d e rd i f f e r e n tg u l d d i n e sa n dp r i n c i p l e sc a nb eo b t a i n e d , t o g h e t h e rw i t ht h e r e l i a b i l i t yt h a tt h ef u t u r ed e g r e eo fw a t e rs h o r t a g ei sb e t t e ro rw o r s et h a nt h eg i v e n s e c e n a r i o t h ew a t e rs h o r t a g er a t i oe x p r e s s e di nt h ef o r mo f b l a n dd a t ai st a k e na st h e c o m p r e h e n s i v ei n d e x a n di tc a ns u p p l yt h ee a r l yw a n t i n go f w a t e rs h o r t a g ew i t hm o r e u n c e r t a i ni n f o r m a t i o na n dm a k et h er e l a t e dd e c i s i o n - m a k i n gm o r es c i e n t i f i c f i n a l l y , i tt a k e ss h a n d o n gp e n i n s u l aa sac a s es t u d yo ft h ea b o v et h e o r i e sa n d m e t h o d s n ee v o l u t i o no fw a t e rr e s o u r c e ss e c u r i t yu n d e rd i f f e r e n td e v e l o p m e n t s c e n a r i o si ss t u d i e d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h es t a t u so fw a t e rr e s o l l r c c ss e c u r i t yi s c r i t i c a li n2 0 2 0 t h e 瑚c e r t a i n t yo fw a t e rs h o r t a g ei nj i n a nd u r i n gt h el o ww a t e r p 甜o df r o m2 0 0 6t o2 0 0 7i sa n a l y z e d , a n dt h ee a r l yw a r n i n go fw a t e rs h o r t a g ei s s i m u l a t e d o nt h eb a s i so ft h ea s s e s s m e n ta n de a r l yw a r n i n gr e s u l t s , s o n l c o u n t e r m e a s u r e sa r ep r o p o s e dt oe n s u r ct h ew a t e rr e s o u r c e ss e c u r i t yi ns h a n d o n g p e n i n s u l a k e y w o r d s ：w a t e rr e s o u r c e ss e c u r i t y , w a t e rr e s o u r c e sc o m p l e xg i a n ts y s t e m , u n c e r t a i n t y , c o m b i n e da s s e s s m e n t , r e a l t i m ee a r l y - w a r n i n g , b l i n dd a t a 前言 刖吾 水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态环境的控制性要 素。进入2 l 世纪以来，全球多数国家和地区都面临着水资源短缺、水污染、水 生态环境恶化等问题，水资源安全已经成为各国政府、学者及公众普遍关注的热 点。加强区域水资源安全理论、评价、预警研究，提出相应的水资源安全保障和 调控措旅，对于促进区域水资源可持续利用、保障社会经济可持续发展、构建和 谐社会都具有重要的理论意义和实用价值。 当前国内外在水资源安全领域已经开展了一些研究工作，主要集中在水资源 安全概念理念、评价方法、保障体系等方面，尚未形成完整的理论和方法论体系。 另外，受气候变化和人类活动影响，水资源开发利用和管理面临的不确定性逐渐 增加；特别是跨流域调水下的水资源评价、水资源模拟预测中的不确定性要素、 不确定性信息的综合处理、不确定性信息下的风险决策等问题，给水资源安全研 究带来了新的挑战。这些问题促成了本文以不确定性信息分析处理为主导，在区 域水资源安全评价、预警理论及方法方面作进一步研究和探索。 论文分为七章。第一章对水资源安全研究进展进行综述，提出了本文的研究 内容和技术路线。第二章建立了水资源复杂巨系统的理论框架，对复杂巨系统视 角下的水资源安全概念、安全管理体系进行了阐述，提出了水资源安全研究的综 合集成方法。第三章探讨了水资源安全评价的思路和过程，提出了水资源安全组 合评价技术，针对性地构建了水资源安全多层次综合评价指标体系。第四章提出 基于水资源管理科层结构的群组赋权方法，引入统计学方法对群组成员的赋权结 果进行判别和合成，降低了指标赋权的主观性；然后采用模糊数学方法和物元可 拓方法进行水资源安全组合评价，在隶属度和关联函数计算中引入指标基点值， 增强了模型适用性。第五章将水资源短缺影响因子表达为盲数形式，建立了水资 源供需分析盲数模型并对缺水率盲数进行不确定性分析，在此基础上发布预警信 息。第六章以山东半岛城市群为例进行实证研究，对不同发展情景下的水资源安 全演化趋势进行了评价，对济南市2 0 0 6 2 0 0 7 年度枯水期水资源短缺前景进行 了预测和预警模拟，在此基础上提出了保障山东半岛水资源安全的体系框架和政 策建议第七章为全文总结和展望。本论文研究成果对于山东半岛水资源综合规 划、水资源调配、跨流域调水工程运行管理等具有一定的指导意义 区域水资源安全评价和预警研究涉及面非常宽广，是一个复杂的系统工程。 本文针对区域水资源安全评价、预警中的不确定性，做了一些探索性的研究工作， 由于作者水平有限，所述观点可能有不当之处，恳请各位专家批评指正 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 2 。徉，2 ，月，l 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 - 论文作者( 签名) ：土铀7 年，2 - 月ii ，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 当前水资源安全形势 事件回放( - - ) ：1 9 9 9 2 0 0 1 年，山东半岛遭遇大面积持续干旱。特别是2 0 0 0 年，降水量比常年偏少4 0 ，农田受旱面积3 4 9 1 万亩，7 0 0 多万亩夏播作物因 早未能播种；4 6 0 7 个村庄3 0 0 多万人出现饮水困难，烟台、威海、济南、淄博、 潍坊等城市约4 0 0 万人出现供水危机，居民生活用水被迫实行定时限量供水；一 大批工矿企业也被迫关停。缺水最为严重的烟台、威海两市，8 9 月曾被迫限 量每人每月用水l m 3 ，超计划部分执行4 0 元m 3 的水价。仅2 0 0 0 年，山东半岛 因干旱缺水造成直接经济损失超过5 0 亿元 。 事件回放( 二) ：民勤位于河西走廊石羊河流域下游，具有重要的生态和经 济地位。近2 0 年来，中游大规模开发利用使石羊河下游来水逐年减少，而民勤 社会经济发展使需水量不断增加，2 0 0 0 年缺水量达5 亿m 3 。由于地下水严重超 采，地下水位以年均o 4 l m 速度下降，盆地内已形成总面积1 0 0 0 k a n 2 的大型 漏斗，地下水矿化度不断升耐”。水资源短缺和过度开发利用引发了一系列生态 环境问题，植被大面积枯死，荒漠边缘以每年3 - - 4 m 的速度向绿洲推进，目前仅 有一条狭长的绿色通道和武威相连，窄处仅约1 0 0 0 m ，民勤几乎变成沙溪孤岛。 事件回放( 三) ：2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，位于吉林省吉林市的吉林石化公司双 苯厂苯胺车间发生爆炸事故，近百吨苯类物质泄漏并随扑救所用的5 0 0 0 吨消防 用水流入松花江，造成重大水污染事件。污染带沿江下移，在哈尔滨区段形成了 长约1 3 5 k i n 的污染带，硝基苯超标5 倍以上的重度污染带达8 0 k i n ，最大浓度 超标3 3 2 倍。由于饮用水水源地受到严重污染，哈尔滨市被迫关闭松花江取水 口，全城停水四天，4 0 0 万市民的正常生活秩序受到影响【2 】。 随着我国经济社会的快速发展和人口数量的不断增加，水资源需求在不断增 长，加之不合理的水资源开发利用，我国水问题越来越突出，发生的特点逐步从 局部性、自然性、偶然性事件向大范围、高强度、持续性的水资源灾害和危机方 向发展。同样，世界其它国家也面临着不同程度的水资源短缺，水污染、生态环 境恶化等问题e 3 1 。根据2 0 0 6 年3 月联合国发布的世界水资源开发报告，全球 5 0 0 条主要河流中至少有一半严重枯竭或被污染，水资源变得稀缺只是个时间问 题；全球有l i 亿人缺水，2 6 亿人无法保证用水卫生；2 0 的淡水鱼类已灭绝或 。引自山东省胶东地区引黄调水工程可行性研究报告 河海大学博士学位论文 濒临灭绝，生态系统多样性正在迅速衰退【4 】。联合国世界资源协会在2 0 0 1 年度 报告中曾发出警示：“水，不久将成为更深刻的社会危机”；更有人士指出：“未 来的战争就是争夺水资源的战争”，“地球上的最后一滴水就是人类的眼泪”。这 些警示并非危言耸听，而即将成为严峻的事实。 1 1 2 全球对水资源安全的关注 随着人口的不断增长和经济规模的迅速扩大，水资源已经成为世界多数国家 和地区可持续发展的严重制约因素甚至是瓶颈因素。作为国家生存和发展的基本 保障条件，水资源安全成为政府、学者及公众普遍关注的热点问题。 1 9 9 3 年联合国确定“世晃水日”以来，多届“世界水日”的主题都直接与 水资源安全有关，其中，1 9 9 6 年主题为“为干渴的城市供水”，1 9 9 7 年为“水的 短缺”，1 9 9 8 年“地下水正在不知不觉衰减的资源”，2 0 0 0 年“卫生用水”， 2 0 0 4 年“水与灾害”，2 0 0 5 年“生命之水”，2 0 0 7 年“应对水短缺”，其它年份 主题也与可持续水资源管理和水资源安全保障有关。 2 0 0 0 年3 月，第二届世界水论坛及部长级会议通过的海牙宣言中指出， 全球水资源形势和不同地区对水的需求存在着巨大差异，但与会各国政府代表的 目标是一致的，即在2 1 世纪确保世界水资源安全【5 】 2 0 0 0 年8 月，第十届斯德哥尔摩国际水问题研讨会围绕“2 1 世纪的水安全” 这一主题进行了研讨，指出水资源不仅仅是一个环境或经济问题，同时也是社会 和政治问题：鉴于全球水资源紧缺日益加剧，如果各国不通力合作共同解决水危 机，2 l 世纪人类的安全将受到严重威胁嘲。 2 0 0 6 年3 月第四届世界水论坛在墨西哥城召开，论坛主旨为“采取地方行 动、应对全球挑战”，来自世界各地的近2 万名政府及相关机构代表对卫生设施、 粮食安全、水资源综合管理等问题展开了讨论，并重申迫切需要继续努力，实现 在2 0 1 5 年前使全球得不到安全饮用水的人数减半的目标f 7 t 。 中国的水资源安全问题同样受到了广泛的关注。上个世纪末，莱斯特布朗 撰文指出，城市用水挤占农业用水、地下水枯竭、水资源污染等任何一个威胁中 国粮食自给的重要因素都很可能推动世界粮食市场价格的上扬，从而导致一些第 三世界国家社会和政治上的不稳，关于中国水资源短缺的一些新信息进一步确认 了发生上述混乱的可能性。美国国家情报委员会甚至开始以当年关注前苏联军备 情况的态度来监测中国水资源的短缺状况【刖。 2 0 0 7 年1 0 月第三届黄河国际论坛发布的中国流域综合管理现状与战略研 究报告警告说，水污染、水资源短缺、饮用水安全、水生态破坏、水旱灾害等 都已经成为中国必须面对的重大课题；更加雪上加霜的是，全球变暖的趋势加剧 了上述问题，增加了未来的不确定性和风险。在业内人士看来，中国现行流域管 2 第一章绪论 理体制根本无力应对如此复杂的局面。 国家科技部于2 0 0 1 年8 月将水安全保障技术研究列为“十五”国家科技攻 关计划，并在批复文件中指出：我国是一个水资源严重短缺的国家，进行水安全 相关领域的技术攻关和工程示范，初步形成我国水安全保障技术体系，对于改善 我国水环境质量、缓解水资源短缺，促进国民经济的持续快速发展具有重要意义 网。由此看出，水资源安全在我国已被上升为国家战略。 2 0 0 4 年，首届“中国水安全问题论坛”在北京举行，会议主题为“水自然 科学与水社会科学面i 晦的问题与对策”，议题涵盖了中国水安全的内涵及影响因 素、水安全保障宏观战略等。这次会议对水安全问题应进行多学科交叉和综合研 究达成了共识，有力推动了我国水资源安全研究的深入开展。 1 。1 3 本研究的目的与意义 论文选题最初源于“十五”国家重大技术装备研制计划南水北调工程( 山 东段) 水资源优化配置研究课题，项目预定目标是“结合南水北调东线工程山东 段建设，建立一个智能化的水资源合理配置和优化调度系统，在满足生态环境等、 基本需水的前提下，对当地水、黄河水、长江水进行联合优化调度，实现水资源 效益最大化”。因此，具有多水源、多用户、多目标特性的水资源配置方案的拟 定和优选成为促进南水北调工程实施并保障其效益充分发挥的关键。 全国水资源综合规划技术细则指出，水资源规划应在完成多方案水资源 供需分析的基础上，对拟定的方案集进行方案评价和比选，提出推荐方案；方案 评价要从水资源所具有的自然、社会、经济和生态等属性出发，采用完善的指标 体系，全面衡量方案实施后对区域经济社会系统、生态环境系统和水资源调配系 统的影响；对于所推荐的方案，应进行实旌效果评价，其中包括规划实施后对供 水安全和水环境安全保障能力以及对特殊干旱年和连续干旱年抵御能力的提高 效果，并针对影响规划实施效果的主要因素提出相应的对策。因此，从区域水资 源安全战略和复杂巨系统角度出发，开展水资源安全评价、预警和保障方面的研 究，是水资源综合规划( 水资源合理配置) 的现实需求。水资源安全研究与水资 源综合规划是互相关联、互为反馈、目标一致的关系，水资源安全可作为水资源 综合规划的同步研究，为确定区域水资源开发利用总体布局、实现区域可持续发 展提供决策支持。 在水资源安全问题日益严峻的背景下，国内外在水资源安全领域的研究已经 逐步展开，目前主要集中在水资源安全概念理念、评价方法、保障机制等方面， 尚未形成完整的理论和方法论体系。另外，受气候变化和人类活动影响，水资源 开发利用和管理面临的复杂性和不确定性逐渐增加【埘，给水资源安全研究带来 了新的挑战。其中，跨流域调水下的水资源安全评价、水文水资源模拟预测中的 河海大学博士学位论文 不确定性以及不确定性信息的综合处理和科学决策等问题对水资源安全研究来 说至关重要，这些问题促成了本文以不确定性信息分析处理为主导，在区域水资 源安全评价、预警和保障等方面作进步研究和探索。 1 2 国内外研究进展 11 2 1 水资源配置研究进展 ( 1 ) 水资源配置理论研究 国外对水资源优化配置的研究始于2 0 世纪6 0 年代初期，最初源于m a s s e 提出的水库优化调度问题。此后伴随着数学规划和模拟技术的发展及其在水资源 领域的应用，水资源优化配置的研究成果不断增多。在国内，河海大学叶秉如教 授于2 0 世纪6 0 年代初期就把多目标规划引入到水库调度之中。早期水资源配置 以供水量最大化为目标，只进行水资源的时空调配和各需水要素的水量组合，而 很少考虑水资源开发利用的阑值，是一种粗放式的水资源配置方式。随着经济社 会的不断发展，从2 0 世纪7 0 年代开始，水资源配置开始着重追求经济效益的最 大化，配置的范围也从水利工程单元和区域进一步扩大到流域以及跨流斟1 1 】。8 0 年代，n 伯拉斯所著水资源科学分配系统地总结并研究了水资源分配理论与 方法。翁文斌等将宏观经济理论、系统分析方法与区域水资源规划实践相结合， 提出了多层次、多目标、群决策方法，形成了基于宏观经济的水资源优化配置理 论【1 2 1 。国家“八五”科技攻关项目专题“华北地区水资源优化配置研究”系统 提出了基于宏观经济的水资源优化配置理论与方法，在水资源优化配置的概念、 目标、平衡关系、需求管理、经济机制及模型的数学描述等方面，均取得了创新 性进尉1 3 1 。在以经济效益最大化为目标的合理配置中，也开始逐步考虑防洪、 航运、压咸等其它目标，但这些目标多以约束条件的形式来反映。 9 0 年代以来，由于水污染和水危机的加剧，传统的以供水量和经济效益最 大为耳标的水资源配置模式已不能满足需要，国内外开始在水资源优化配置中注 重水质约束、水资源环境效益以及水资源可持续利用研究【1 4 1 ”】。水资源可持续 利用是区别传统水资源利用的一种新模式，它强调在维持水资源持续性和生态系 统整体性的条件下，高效利用、合理配置水资源，使水资源与经济、社会和生态 环境协调发展。a f z a lj a v a i d 等针对巴基斯坦某个地区的灌溉系统建立了线性规 划模型，对不同水质的水量使用问题进行优化，在某种程度上体现了水量水质联 合配置的思想l l ”。在我国“九五”攻关项目“西北地区水资源合理开发利用及 生态环境保护研究”中，水资源配置的范畴也进一步拓展到社会经济一水资源一 生态环境系统，水量配置的对象发展到同时配置国民经济用水和生态环境用水 1 7 1 。王济干基于水资源对社会、经济、生态的促进和保护作用的研究，提出了 水资源配置系统的和谐度的概念，建立了区域水资源多目标区间优化分配模型和 4 第一章绪论 水资源配置系统和谐性评判区间分析模型1 1 8 】。王好芳提出了评价水资源可持续 开发的新概念一一开发度，并在此基础上建立了基于量与质的考虑经济发展和生 态环境保护的多目标水资源合理配置模型1 9 3 。基于水资源可持续利用与可持续 水资源管理理念的水资源合理配置已成为当前水资源规划与管理领域的一项研 究热点。 ( 2 ) 水资源合理配置方法研究 水资源配置方法多以系统分析为手段，通常要经历五个阶段：目标的鉴别与 表述；将目标转换成设计准则并建立目标函数；系统模型的构造和可能方案的设 计；各种方案效果的评价；最优方案的选择。水资源合理配置常采用的方法和技 术可归纳为三类：最优化方法、模拟技术和混合模型技术 2 0 l 。 最优化方法的实质是数学规划和搜索技术，即使用一个包括目标函数和约束 方程的简化的数学模型，直接求解最优决策。水资源规划与管理常采用的最优化 方法有线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划、多目标规划等。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 决了渥太华流域及五大湖系统的水资源规划和调度问题。动态规划在是解决多阶 段决策过程最优化问题的一种有效数学方法，在水资源配置中应用最为广泛，但 该方法存在多状态决策的“维数灾”问题。近年来针对一般动态规划的维数灾问 题，学者们相继提出了一些改进方法，如逐次优化算法( p o a ) 、微分动态规划 法、增量动态规划法随机动态规划法等。实质上，水资源规划与管理是一个涉及 众多部门和地区、半结构化的多目标多层次问题，因此更适合采用大系统、多目 标的建模方法进行研究。董增川研究了大系统优化的递阶优化、分散控制和主从 方法等策略，以及分解协调方法，并将大系统优化理论应用于水资源规划与管理 中1 2 1 1 。此外，贺北方( 1 9 9 5 年) 、向丽等( 1 9 9 9 年) 和解建仓等( 2 0 0 1 ) 对多 库多目标最优控制运用的模型与方法、大型灌区水资源优化分配模型、多水源引 水灌区水资源调配模型及应用进行了研究。陈晓宏等以大系统分解协调理论作为 技术支持，运用逐步宽容约束法和递阶分析法，建立了东江流域水资源优化调配 的实用模型和方法阻】。m i n g - y e n t u 等利用混合基因算法进行了具有高度非线性 特征的水资源优化配置研究，其中在水量配置中考虑了水质要素，以满足下游用 水户对水质的需求幽j 。 模拟技术是在高性能电子计算机上模拟系统的特征，对已拟定的一些比较方 案进行模拟计算，得到各方案的各种评价指标值，然后通过比较进行方案优选， 为决策过程提供必要的信息。由于水资源系统的复杂性以及存在包括政治、社会、 决策人偏好等各种非技术性因素，所以简单使用某些优化技术并不能取得预期的 效果，而模拟模型技术可更加详细地描述水资源系统内部的复杂关系，并通过有 效的分析计算获得满意的结果，从而为水资源宏观规划及实际调度运行提供充分 河海大学博士学位论文 的科学依据。最早的水资源模拟模型，是美国陆军工程师兵团( u s a c e ) 于1 9 5 3 年为了研究解决美国密苏里河流域6 座水库的运行调度问题而设计的。2 0 世纪 6 0 年代以后，随着系统分析理论和优化技术的引入以及计算机技术的发展，水 资源系统模拟模型技术得以迅速研究和应用。1 9 7 5 年，yy h a i m 船应用多层次 管理技术对地表水库、地下含水层的联合调度进行了研究，使模拟模型技术向前 迈进了一步。，i 叙勰水系统开发的s i mi 和s i mi i 模拟模型，是流域规划模拟模 型比较成功的典范。近年来，随着概率统计与随机理论的广泛应用，流域水资源 系统模拟朝着随机模拟与动态模拟的方向发展。 对于跨流域调水这样的大规模复杂水资源系统，其系统结构和影响因素间的 相互制约关系较区域和流域更为复杂，仅用数学规划技术难以描述系统的特征， 因此，系统模拟与仿真、多目标规划、风险决策等多种技术相结合成为跨流域水 资源优化配置的一种重要研究方向。近年来出现的趋势是在模拟中引入优化的思 想，在决策中考虑风险因素的作用，即出现了自优化模拟模型以及风险决策模型 等混合模型技术。美国麻省理工学院( m r r ) 于1 9 7 9 年完成的阿根廷河r i o c o b r a d o 流域的水资源开发规划中，提出了水资源多目标规划的数学模型方法， 并以模拟模型技术对流域水量的利用进行了研究。1 9 8 3 年，d p s h e e r 经过长时 间的努力，利用优化和模拟相结合的技术在华盛顿特区建立了城市配水系统。清 华大学在2 0 世纪8 0 年代末引进了美国麻省理工学院开发的m i t s i m 模型，在 此基础上针对不同问题建立了各种各样的优化模型和模拟模型，并应用于松辽流 域的“北水南调工程”【2 4 】。刘国纬进行了南水北调东线工程年优化调度研究， 在应用模拟模型的基础上，开发了模拟模型自优化技术，从而克服了模拟模型只 能产生方案、不能自动优选的缺陷，使模拟模型具有了自优化功能【2 5 1 。吴泽宁 等以跨流域水资源系统的供水量最大为目标，将模拟技术和数学规划方法相结 合，建立了具有自优化功能的流域水资源系统模拟规划模型，并在大通河和湟水 流域进行了实际应用【z 6 】。 ( 3 ) 水资源配置研究发展趋势 近几年来来，可持续发展战略的实施对水资源合理配置的要求越来越高，水 资源合理配置不断面临新的挑战【2 2 8 1 。对于目前水资源合理配置研究中存在的 问题，王浩等指出，其一是水资源合理配置研究系统性和整体性较差，其二是作 为水资源合理配置科学基础的水循环模式尚未确立，其三是尚未建立起系统的水 资源配置合理性评价体裂1 7 】。吴泽宁等概括了水资源优化配置中的不完善之处， 即重视水量的优化配置，对水量水质联合配置研究不够；重视确定条件下的水资 源优化配置，对不确定性对水资源配置的影响研究不够；重视工程措施，对非工 程措施在水资源优化配置中的作用研究不够；重视水资源配置的经济效益研究， 对水资源的生态环境效果研究不够【2 9 j 。综合前述研究成果，水资源合理配置尚 6 第一章绪论 需要在以下几个方面加强研究。进一步研究符合流域水循环过程的认知模式， 从机理上揭示流域水资源演变过程中的有效性、可控性及其可再生性机制。开 展以流域水循环为基础的配置模式研究，合理确立与区域水资源条件和社会发展 水平相适应的生态环境目标，并将降水、土壤水等纳入水资源配置范畴。从水 资源安全角度出发，研究水资源配置合理性的评价理论、模型和方法，选择符合 区域实际的水资源配置方案，使水资源配置研究成果能正确指导或应用于区域水 资源管理中。从区域发展层次和水资源管理层次上确立具有统一基础的水资源 调控准则，对水资源需求侧与供给侧同时调控，通过水资源统一管理保证水资源 配置方案的落实。将遗传算法、混沌优化等新的数学方法以及计算机网络、3 s 等现代技术应用于水资源配置研究中，水资源优化配置模型与众多高新技术集成 的水资源优化配置专家决策支持系统有着良好的研究与应用前景。 1 2 2 水资源安全理论研究进展 水资源安全问题是伴随着洪涝灾害、水资源短缺、水污染等问题的出现而产 生的，其概念在理论界和治永实践中都具有不同的认识。 2 0 0 0 年3 月，第二届世界永论坛及部长级会议通过的海牙宣言中提出 要确保2 1 世纪水安全，使每一个人都获得安全饮用水和足够的水资源：利用单 位水量生产更多的食物；同时，保护人类和所有生物赖以生存的水生态和水环境 系统【蚓这一观点将水安全从单纯的饮水卫生延伸到粮食成产和水生态环境领 域。 前联合国秘书长安南在2 0 0 1 年世界水日献辞中指出，水安全是人类的基本 需求和基本权利，而污染过的水损害了人体健康和社会健康，并进一步承诺：为 所有的人提供清洁、安全和有益健康的水。安南献辞强调了水安全的重要性，把 “水的平等分配”和“水卫生”视为水安全口”。 洪阳认为，水安全是指由于人类不可持续的社会经济活动使得水体弱化或丧 失正常功能。不能维持其社会与经济价值，进而危及人类对水的基本需求。该学 者将当今世界面临的水安全问题概括为水资源匮乏、水污染及水环境恶化三个方 面，并进一步阐述了由水引发的粮食安全以及国家安全问题，其观点主要是突出 了水资源对经济社会的支撑和保障作用口。 陈绍金将水安全定义为。一个地区( 或国家) 涉水灾害的可承受和水的可持 续利用能够确保社会、经济、生态的可持续发展”，并描述了水安全要求、原则 及其与社会生产、人口、永资源乖j 用效率等的逻辑关系。该定义将干旱、洪灾、 水污染等全部涉水灾害纳入水安全体系，丰富了水安全的内涵p ”。 另有部分水利工作者从资源角度探讨水资源安全阿蹶。郑通汉将水资源安全 分为广义与狭义之分，其中，广义水资源安全是指国家利益不因洪涝灾害、干旱 河海大学博士学位论文 缺水、水质污染、水环境破坏等造成严重损失，水资源的自然循环过程和系统不 受破坏或严重威胁，水资源能够满足国民经济和社会可持续发展需要的状态，因 此它是一种可持续发展理念的安全观；狭义的水资源安全是指在不超出水资源承 载能力和水环境承载能力的条件下，水资源的供给能够在保证质和量的基础上满 足人类生存、社会进步与经济发展，维系良好生态环境的需求，因此它体现的是 供水安全前提下的人与自然和谐相处【3 4 l 。 学术界对于水安全和水资源安全的不同理解和定义，反映了两者理念和