（水文学及水资源专业论文）基于水资源可再生性评价的大连市水资源合理配置研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 水资源短缺在不同程度上阻滞了经济社会发展，破坏了生态系统稳定，甚至引起了 水事冲突。而解决这一系列问题的根本出路在于增加水资源的可再生量，并在遵循公平、 高效和可持续利用的原则下，合理配置有限水资源。本文以水资源供需矛盾突出的大连 市为研究对象，研究了水资源可再生性综合评价指标体系的构建及其评价方法、水资源 可再生性提高的措施研究( 包括社会水循环措施实施的可行性分析、作物种植结构优化 和水资源合理配置) 以及社会水循环措施实施后的效果评价。全文的主要研究内容和成 果如下： ( 1 ) 水资源可再生性综合评价的指标体系与方法研究。基于大连市水资源可再生 性的特点，从水资源自然可再生性和社会可再生性两方面出发，建立了水资源可再生性 综合评价的多层次多指标体系，并采用物理分析和数学计算相结合的方法分析了指标间 的相关性；根据所建指标体系的特点，应用了多层次多指标可变模糊模式识别模型进行 评价，采用组合权重法确定了指标权重：同时引入了投影寻踪模型进行评价，并对两种 模型的评价结果进行了比较分析；以大连市1 9 9 8 - 2 0 0 7 年水资源可再生性评价为例，分 别应用上述两种方法对其进行评价。结果表明，两种方法所得评价结果基本一致，投影 寻踪模型仅给出了各样本的排序结果；而可变模糊模式识别模型不仅能对评价样本进行 排序，而且其级别特征值能直接给出样本的评价等级，结果更为直观。 ( 2 ) 实施社会水循环措施的可行性分析。从定性描述和定量分析两方面概述了大 连市在节水方面所取得的成就、存在的问题以及节水潜力，在中水、海水等非传统水源 利用方面的现状及其供水潜力，以及跨流域调水工程的实施条件和供水潜力：并与在节 水、非传统水源和跨流域调水使用等方面处于领先水平的国内外城市进行了对比分析， 为下文的水资源可再生性提高途径研究提供了现实依据。 ( 3 ) 作物种植结构优化及其方案的合理性评价。以实现地区经济、社会和生态效益 三者综合效益最大为目标，建立多目标作物种植结构优化模型；并针对模型构建中的模 糊性，将交互式模糊优化算法应用于求解该模型；应用模糊数学理论、耗散结构和协同 学理论，建立了基于相对有序度熵的作物种植布局合理性评价模型，以评价种植结构优 化方案的合理性；以大连市规划水平年2 0 2 0 年和2 0 3 0 年作物种植结构优化为实例，验 证了优化与评价模型的可行性。另外，与已有作物种植结构优化模型相比，二者所得优 化结果基本一致，该模型适用于实时阶段的作物种植优化，而本文模型适用于规划设计 阶段。 基于水资源可再生性评价的大连市水资源合理配置研究 ( 4 ) 多目标模糊水资源合理配置研究。针对参数预测中的模糊性，以及水量分配中 的模糊相关性，用模糊数来描述参数的预测值；应用模糊相关机会多目标规划，以城镇 生活等6 类用水部门需水要求被满足的可能性最大以及总供水成本不超过期望值的可能 性最大为目标函数，建立多目标模糊水资源合理配置模型；应用基于模糊模拟的遗传算 法来获取满意的水资源配置方案；以规划水平年2 0 2 0 年和2 0 3 0 年水资源合理配置为实 例，验证了模型与求解算法的可行性。应用该模型，可通过设置不同的口值，直接获取 决策者偏好下的满意水资源配置方案，其可看做是优化模型与评价模型的有机结合体； 另外，与预测值为梯形模糊数以及正态模糊数相比，三种模糊数下所得最优解基本一致， 这说明不同隶属函数形式的模糊数对配置结果影响不大。 ( 5 ) 评价了社会水循环措施实施后的水资源可再生性强弱的变化。以第五章所获 得的满意水资源配置方案为基础，应用第二章所提出的评价模型与方法，进行了社会水 循环措施实施后的水资源社会可再生性评价。结果表明节水、非传统水源推广使用和跨 流域调水等社会水循环措施对于提高水资源社会可再生性是有效可行的；敏感性分析结 果表明，影响水资源社会可再生性的因素，依次为外调水利用、中水回用、城镇生活节 水、海水直接利用、海水淡化、农业节水、工业节水；在实际工作中，对于敏感性较强 的水循环措施，应加强其保障措施的研究，确保其能够顺利实施。 关键词：大连市；水资源可再生性；水资源合理配置；综合评价；可变模糊模式识 别模型；作物种植结构优化；多目标模糊优化；模糊数 大连理工大学博士学位论文 w a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o no fd a l i a nc i r yb a s e do n a s s e s s m e n to fw a t e rr e s o u r c e sr e n e w a l a b s t r a c t 1 1 1 ei s s u eo fw a t e rs h o r t a g el i m i t st h er a p i dd e v e l o p m e n to fae i t y b r i n g so nt h ed e t e r i o r a t i o no fe n v i r o n m e n ts y s t e m ，a n de v e nc a u s e sw a t e ra f f a i rc o n f l i c t s h o w e v e r ，o n eo ft h em o s t e 街c i e n tw a y so fh a n d l i n gs u c hi s s u ei st oi n c r e a s et h er e n e w a b l ev o l u m eo fw a t e rr e s o u r c e s a n dt oo p t i m a l l ya l l o c a t et h ew a t e rr e s o u r c e st ou s e r s t h ed i s s e r t a t i o nt a k e sd a l i a nc i t ya s s t u d yd o m a i n , s t u d i e st h ec o n s t r u c t i o no fi n t e g r a t e di n d e x e ss y s t e ma n da p p r o a c hf o r a s s e s s i n gw a t e rr e n e w a l ；t h em e a s u r e so fi m p r o v i n gw a t e rr e n e w a li n v o l v i n gt h ef e a s i b i l i t y o fp e r f o r m i n gs o c i a lw a t e rc y c l em e a s u r e s ，c r o pp a t t e r no p t i m i z a t i o na n dw a t e rr e s o u r c e s a l l o c a t i o n ；a n dt h ea s s e s s m e n to fa c t i o no ft h ec a r r i e dm e a s u r e s 乃em a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) i n t e g r a t e di n d e x e ss y s t e ma n da p p r o a c h e sf o ra s s e s s i n gw a t e rr e n e w a l f r o mt h e v i e w p o i n to ft h ec h a r a c t e r i s t i co fw a t e rr e n e w a lo fd a l i a nc i 锣a n dt h et h o u g h to f “n a t u r a l s o c i a l ”b i n a r yw a t e rc y c l e t h ei n t e g r a t e di n d e x e ss y s t e mi sd e v e l o p e d , a n ds u b j e c t i v e a sw e l l 嬲o b je c t i v ec o r r e l a t ea n a l y s i sa p p r o a c h e sa r eu s e dt og e tr i do ft h ec o r r e l a t i v e i n d e x e s t h e nt h ef u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o nm o d e li ss e l e c t e dt oa s c e r t a i nt h es t a t eo fw a t e r r e n e w a lb a s e do nt h ef u z z i n e s sa n di n t e r v a ln u m b e r se x i s t i n gi nt h ei n t e g r a t e di n d e x e ss y s t e m ， a n dt h ec o m b i n e da p p r o a c hi su s e dt od e t e r m i n ew e i g h t s f i n a l l yt h ei n d e x e ss y s t e ma n d a s s e s s m e n tm o d e la r ea p p l i e dt od a l i a nc i t yt og a i ni t ss t a t eo fw a t e rr e n e w a l ，n a t u r a lw a t e r r e n e w a la n ds o c i a lw a t e rr e n e w a lb e t w e e nt h ey e a r19 9 8a n d2 0 0 7 m o r e o v e r , t h ep r o j e c t i o n p e r s u i tm o d e li sa l s ou s e dt oa s s e s sw a t e rr e n e w a l a n di t sr e s u l ti si sc o n s i s t e n tw i t ht h a to f f u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o nm o d e l ；t h i sf i l r t h e rt e s t st h ee f f i c i e n c yo f t h et w om o d e l s ( 2 ) f e a s i b i l i t ya n a l y s i so ft h es o c i a lw a t e rc y c l em e a s u r e s t h ec h a p t e rt a k e sd a l i a nc i t y a s e x a m p l e ， a n dt h e na n a l y z e st h ea c h i e v e m e n t s ， e x i s t i n gp r o b l e m sa n dp o t e n t i a l i n w a t e r - s a v i n g ，t h ea c t u a l i t ya n dp o t e n t i a li nu s eo fr e c l a i m e dg r e yw a t e r ，s e a w a t e ra sw e l la s d e s a l t e ds e a w a t e r , a n dt h ep r e c o n d i t i o na n dp o t e n t i a lo ft h et r a n s b a s i nw a t e rw o r k s f u r t h e r m o r e ，t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd a l i a nc i t ya n do t h e rc i t i e sw h i c hg a i na c h i e v e m e n t si n w a t e r - s a v i n g ，u s eo fn o n - t r a d i t i o n a lw a t e rt y p ea n dt r a n s b a s i nw a t e rw o r k s ；t h i se x p e c t st o s u p p o r tp r a c t i c a lp r o o f st ot h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ( 3 ) c r o pp a t t e r no p t i m i z a t i o nu n d e rf u z z ye n v i r o n m e n ta n da s s e s s m e n tt oc r o pp a t t e r n s c h e m e s 1 1 1 ew a t e r - s a v i n gi r r i g a t i o nm o d ea n dc o r r e s p o n d i n gc r o pp a t t e r no p t i m i z a t i o na r e c r u c i a lt ot h ei m p r o v e m e n to fs o c i a lw a t e rr e n e w a l t h em u l t i o b j e c t i v ec r o pp a t t e r n o p t i m i z a t i o nm o d e li sd e v e l o p e d , w i t ht h r e eo b j e c t i v e so fm a x i m i z i n ge c o n o m i c ，s o c i a la s i i i 基于水资源可再生性评价的大连市水资源合理配置研究 w e l la se n v i r o n m e n t a lb e n e f i t a n dt h ei n t e r a c t i v ef u z z ym u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n a p p r o a c hi su s e dt og a i nt h es a t i s f a c t o r yc r o pp a t t e r ns c h e m e sa c c o r d i n gt od e c i s i o nm a k e r s p e r f e r e n c e s t h e na l la s s e s s m e n tm o d e lb yc o m b i n i n gf u z z ys e tt h e o r ya n de n t r o p yt h e o r yi s p r o p o s e dt og a i nt h eo p t i m a lc r o pp a t t e r ns c h e m e n l eo p t i m i z a t i o na n da s s e s s m e n tm o d e l s a r eb o t l lu s e dt od a l i a nc i t yf o ro b t a i ni t sc r o pp a r e ms c h e m ei nt h ep l a n n i n gy e a r s2 0 2 0a n d 2 0 3 0 f i n a l l yt h em o d e lp r o p o s e db yc h e ni sa l s ou s e d a n di t sr e s u l ti si sc o n s i s t e n tw i t ht h a t o fm ym o d e l ；t h i sf u r t h e rt e s t st h ee f 丘c i e n e yo ft h et w om o d e l s ( 4 ) w a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nu n d e rf u z z ye n v i r o n m e n t c o n s i d e r i n gt h e f u z z i n e s s e x i s t i n gi np a r a m e t e r sp r e d i c t i o n , a n dt h ef u z z yd e p e n d e n c ei na l l o c a t i n gw a t e rt od i f f e r e n t u s e r s f u z z yn u m b e r sa r eu s e dt or e p r e s e n tt h ep r e d i c t e dv a l u e s a n daf u z z ym u l t i o b j e c t i v e w a t e ra l l o c a t i o nm o d e li s p r o p o s e d b a s e do nt h em e t h o d o l o g yo ff u z z y d e p e n d e n t m u l t i - o b j e c t i v ep r o g r a m m i n g ，a n dt h e nt h eh y b r i da l g o r i t h mo fc o m b i n i n gf u z z ys i m u l a t i o n t e c h n o l o g ya sw e l la sg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt oo b t a i nt h es a t i s f a c t o r yw a t e ra l l o c a t i o n s c h e m e s f i n a l l yt h em o d e la n ds o l u t i o na l g o r i t h ma r ea p p l i e dt od a l i a nc i t yt oo b t a i n 也e s a t i s f a c t o r yw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o ns c h e m e si nt h ep l a n n i n gy e a r s2 0 2 0a n d2 0 3 0 b y u s i n gt h em o d e l ，t h e e c o n o m i c t y p e , s a f e t y p ea n d “a a d e - o f f t y p es c h e m e sc a nb e d i r e c t l yg a i n e dv i as e t t i n gd i f f e r e n tc u t t i n gl e v e l m o r e o v e r ，p r e d i c t e dv a l u e so ft r a p e z o i d a l f u z z yn u m b e ra n dn o r m a lf u z z yn u m b e rr e p r e s e n t a t i o na r ea l s ou s e d ，a n dt h er e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r ；t h i si l l u s t r a t e st h a tt h em e m b e r s h i pf u n c t i o no ff u z z yn u m b e rh a s l i t t l ei n f l u e n c eo nt h eo p t i m a ls o l u t i o n ( 5 ) a s s e s s m e n to fs o c i a lw a t e rc y c l em e a s u r e si m p l e m e n t t h ec h a p t e rt a k e sd a l i a na s e x a m p l e ，a n da n a l y z e st h ee f f e c to ft h o s es e r i e so fs o c i a lw a t e rc y c l em e a s u r e s t h e c o r r e s p o n d i n gi n d e x e sv a l u e sa r eo b t a i n e df r o mt h ew a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o ns c h e m e so f c h a p t e r5 ，a n dt h ei n d e x e ss y s t e ma n da s s e s s m e n ta p p r o a c ha r eu s e dt oa s s e s st h es l a t eo f s o c i a lw a t e rr e n e w a lo ft h ep l a n n i n gy e a r s2 0 2 0a n d2 0 3 0 t h er e s u l t si m p l yt h a tt h es o c i a l w a t e rc y c l em e a s u r e sa r ce 伍c i e n ta n de f f e c t i v ef o ri m p r o v i n gt h es t a t eo fs o c i a lw a t e r r e n e w a l ；a n ds e n s i t i v i t ya n a l y s i s r e s u l t si l l u s t r a t et h a tl r a n s - b a s i nw o r k s ，g r e yw a t e r r e c l a i m a t i o n , w a t e r s a v i n go fu r b a nl i v i n g ，d i r e c t u s eo fs e a w a t e r ，s e a w a t e r d e s a l t ， w a t e r - s a v i n go fa g r i c u l t u r e ，w a t e r - s a v i n go fi n d u s t ya r et h ef a c t o r si n f l u e n c i n gs o c i a lr e n e w a l i ns e q u e n c e k e yw o r d s ：d a l i a nc i t y ；w a t e rr e s o u r c e sr e n e w a l ；w a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o n ； a s s e s s m e n t ；v a r i b a l ef u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o nm o d e l ；c r o pp a t t e r no p t i m i z a t i o n ；f u z z y m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ；f u z z yn u m b e r s i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名 日期：琴年4 月日 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 完 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景和意义 水是人类生存的物质基础，是经济社会发展和生态系统维系的生命线。水资源问题 事关重大，它不仅是资源环境安全问题，更是关系到国家经济、社会可持续发展和长治 久安的战略问题。 大连市地处欧亚大陆东岸，位于辽东半岛最南端，西北濒临渤海，东南面向黄海， 与山东半岛隔海相对，共扼渤海湾，素有“京津门户”之称；北依东北三省和内蒙古自 治区东部，腹地辽阔，堪称“东北之窗”。土地面积1 2 5 7 3 8 5 k m 2 ，其中市内6 区为2 4 1 4 9 6 虹2 ，市辖3 市( 县级) 、1 县为1 0 1 5 8 8 9k m z 。其三面环海，海岸线长1 9 0 6 k m ，占辽 宁省海岸线总长度的7 3 ，是理想的欧亚大陆桥的中转站和国际货物集散地之一【l 】。 大连市利用短短的2 0 年时间成功地启动了现代化进程，经济建设和各项社会事业 都取得了巨大的成就。从1 9 9 2 年开始，国内生产总值连续每年保持两位数递增。2 0 0 5 年，完成国内生产总值2 1 5 0 亿元，全市入均生产总值为3 8 1 5 5 元。城乡居民储蓄存款 超过3 2 1 4 1 亿元，城镇人均可支配收入11 9 9 4 3 8 元。为贯彻十六大精神，推动区域经 济跨越式发展，大连市提出了“走新型工业化和城市化道路，高起点规划、高标准建设、 高强度投入和高效能管理”的经济社会发展构想。其主要内容是拓展城市发展空间，扩 大经济总体规模，提升城市综合功能，营造更好的城市环境。其发展目标是把大连建设 成为“国内外重要的经济中心城市”和“国际名城 【l 】。然而，经济社会的高速发展和 生态环境的改善任何时候都离不开水资源的支撑，这种跨越式的经济发展模式更是对该 地区水资源的安全保障提出了新的要求。 大连市水资源匮乏，且水资源分布与经济的分布极不协调，降水和径流的空间分布 呈现由东北向西南减少的趋势，而人口和经济的分布则呈现由东北向西南递增的趋势。 据第二次水资源评价结果知，境内水资源总量为3 2 8 3 亿m 3 ，人均占有量为5 7 5m 3 ，仅 为全国人均占有量的1 4 ，特别是经济发达的金州以南地区人均占有量仅有11 6r r l 3 ，远 低于联合国规定的人均1 0 0 0m ? 的生存最低标准f l 】。近些年来，由于社会经济发展对水 资源的需求与水资源的可供给量严重失调，该地区被迫以牺牲环境为代价来维持生活和 工农业发展对水的需求，甚至牺牲农业用水满足城市生活和工业用水，导致社会、资源、 环境系统处于失调的边缘。水资源短缺在不同程度上阻滞了经济社会发展，破坏了生态 环境稳定，甚至引起了水事冲突。而解决这一系列问题的根本出路在于增加水资源的可 再生量，并在遵循公平、高效和可持续利用的原则下，合理配置有限水资源。 基于水资源可再生性评价的大连市水资源合理配置研究 本文以大连市为研究对象，以增加水资源再生量缓解水资源供需矛盾，支撑经济社 会发展和生态环境改善为目的，首先分析大连市水资源可再生性的特点，并构建水资源 可再生性综合评价指标体系，利用综合评价技术对其水资源可再生性强弱进行评价；然 后就能够改善和提高大连市水资源可再生的途径展开研究，包括节水、非传统水源利用、 外调水源使用、水资源合理配置等；最后分析所采取的社会水循环措施对于提高该地区 水资源可再生性的效果，并进一步提出保障措施。 1 2 研究进展 1 2 1 水资源可再生性的基本理论及其研究进展 1 2 1 1 水资源可再生性的概念 天然状况下，人类主要依靠水文循环过程所产生的水资源量来不断满足社会发展对 水资源的需求和水生态环境的相对稳定，水文循环过程及各要素变化决定水资源可再生 量的大小。通常，水文循环维持着一个动态平衡，当外力介入水循环的某个环节打破这 种平衡状态，就会出现失衡状态。打破这种平衡的外力有两种：一是自然因素，如气候 变化、自然灾害等；二是人为因素，如过量开发利用水资源、破坏水环境平衡等。由于 自然因素是无法抗拒的，因此，合理开发利用水资源是维持水循环动态平衡、水资源量 可再生的关键。自然资源可持续利用法则指出：对可再生资源的利用，只要在数量上和 速度上不超过它们的再生性，则再生资源可持续永存。依据此法则来探讨人类开发利用 水资源与水资源可再生性之间的关系，显然，人类开发利用的水资源量不能超过其可再 生量【2 】。 但是，由于人类活动的影响，目前已不存在纯粹的天然水资源系统，水资源系统实 质已成为了一个开放、动态变化、人工自然复合的系统。对于水资源的可再生量， 不仅水文循环会对其产生影响，而且人类对水资源利用方式的差异亦会使得各种社会措 施对水资源的可再生量产生较大影响【3 j 。这些社会措施主要包括： ( 1 ) 节水方面的工程措施以及非工程措施。如生活用水方面的提高节水意识、推 广节水器具以及减少管网漏失率等措施；生产用水方面的调整产业结构、提高工业水重 复利用率、优化作物种植结构、推广农业节水灌溉技术等措施措施，这些措施能够节省 下大量的淡水资源，这在一定程度上也增强了水资源的可再生性。 ( 2 ) 污水资源化措施。城市污水是一种水量稳定、供给可靠的潜在水资源，通过 将其处理回用，并用于绿化、农业灌溉、工业冷却等方面，这不仅可以增加水资源的有 效供给量，缓解水资源短缺状况，而且还具有较高的生态环境效益。 一2 一 大连理工大学博士学位论文 ( 3 ) 海水的淡化利用以及直接利用措施。沿海地区海水资源丰富，将海水用于设 备冷却、原料洗涤、消烟除尘、生活饮用等方面，这部分水量替代大量的淡水资源量， 亦能提高水资源的可再生性。 ( 4 ) 跨流域调水工程。在对调出区水资源可供给量与当地社会经济、生态环境可 持续发展对水的需求进行充分分析论证后，将可供调出的水资源量调入受水区，这部分 水量能够增加受水区的水资源实际使用量，提高水资源的可再生性。 在国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目“黄河流域水资源演化规律与可再生性 维持机理 课题研究中，刘昌明院士等人对水资源可再生性的内涵、基本特征、概念模 型、理论框架等进行了深入细致的探讨。该研究将通过水文循环而产生的水资源再生量 称为水资源的自然再生量，并称这种可再生性为水资源的自然可再生性；将通过节水等 社会措施而得到的有效水资源供给量称为水资源的社会再生量，称这种可再生性为水资 源的社会可再生性；并指出水资源的自然再生量是再生水资源量的主体和基础，水资源 的社会再生量是是自然再生量的延伸。 由此可见，增加水资源再生量的途径主要有两种：一种是通过改善水文循环过程来 增加水资源的自然再生量；另一种是采取节水等社会水循环措施以增加水资源的有效供 给量。特别是，随着用水需求的日益增长，尤其是需水量超过水资源的自然可再生量时， 社会再生的水量作为自然再生水量的有效补充，将会发挥愈来愈重要的作用。 1 2 1 2 水资源可再生性的研究进展 目前，关于水资源可再生性的量化研究，主要集中在水资源自然可再生性的量化领 域，主要有以下几种理解或做法： ( 1 ) 用传统意义上的水资源可更新量作为水资源自然可再生性的表征值1 4 】。 ( 2 ) 用水体的更新周期( 或更新速率) 来表达自然水资源量的可再生速率睁一。 ( 3 ) 认为水资源可再生性与水文循环过程有关，受单元水体的输入与输出以及蓄 水量变化过程的影响；单元水体的水量在消耗后能够得到更新或恢复的能力是水资源量 可再生性的最直接体现，其计算公式为【7 , 8 1 疗一心= ! 兰兰丝 f1 1 、) 一 一 “7 式中，为水资源再生性指数，圪为任意时段内的单位水体的蓄水量，为 最大、最小蓄水量，为平均入水量。 ( 4 ) 认为水资源的自然可再生性可用降水和下垫面将降水转化成水资源的能力的 函数来表征，公式为 9 1 基于水资源可再生性评价的大连市水资源合理配置研究 r ，= f ( p ，u s ) ( 1 2 ) 式中，r ，为水资源的自然可再生性，p 为降水，埘为下垫面将降水转化为水资源 的能力。 总体上看，第1 种度量方法与径流量的概念是一致的；第2 种度量方法更大程度上 强调水资源量重现的周期性( 或重现性) ；第3 种度量方法是从水文循环的层次上来加 以揭示；第4 种度量法是从水资源演化动态过程的角度对水资源量的可再生性进行表征。 然而，水资源可再生性不仅受到天然水文循环过程的影响，节水、污水处理回用、 海水雨水等非传统水源使用等措施对可再生性的影响亦是不可忽视的。因此，对于水资 源可再生性的强弱，利用单个指标( 如可再生量、可再生速率等) 往往很难对其进行科 学评价，建立多指标评价体系，并发展相应的评价方法十分必要。2 0 0 5 年，在“国家重 点基础研究发展规划项目黄河流域水资源可再生性基本理论与评价 研究中 3 1 ，杨 志峰等人提出了黄河流域水资源可再生性的综合评价体系。随后，遗传投影寻踪法【l o 】、 多目标决策理想区间、法【1 1 1 、遗传加权物元法【1 2 】、逼近理想解【1 3 、基于粗糙集和群决策 特征根法的综合评价法【1 4 】、可变模糊模式识别法【”】等多种综合评价方法亦被应用到黄河 流域9 个省区水资源可再生性综合评价中。 由此可见，目前针对水资源自然可再生性量化的研究成果较多，但社会系统的水资 源可再在性局限在利用指标体系进行评价的范畴内，尚没有水资源社会可再生性量化的 研究成果。另外，黄河流域水资源可再生性的研究成果较多，而其余地区的研究成果较 少。特别是，用于水资源可再生性评价的方法有多种，而各种方法均有其自身的优缺点， 适用的对象也不一样。在具体的评价过程中应根据评价问题以及评价指标体系的具体特 点等因素来选择合适的评价方法。 1 2 1 3 水资源可再生性与水资源可持续利用的关系 维持和提高水资源的再生性是实现水资源可持续利用的基础条件，只有在水资源可 再生性阈值范围内开发和利用水资源才能实现水资源的可持续利用，若对水资源的开发 利用超过了其可再生性，水循环过程遭受破坏，水资源便不能够持续补给。另一方面， 水资源的持续利用是水资源可再生性研究的落脚点，为了使可再生的水资源能够实现可 持续利用，就必须改善和提高水资源的可再生性 1 s l 。 若将水资源可再生性划分为弱、强两级，则从保持水资源系统可再生的角度出发， 任何水资源系统都必须满足水资源弱可再生性条件；而相应于水资源的可持续利用，则 一4 一 大连理工大学博士学位论文 必须满足强可再生性条件；可以说弱可再生性是水资源开发利用所追求的最低目标，而 强可再生性条件则是所追求的最高目标。 1 2 1 4 水资源可再生性与水资源承载力的关系 目前水资源承载力应用较多的定义为：在某一历史发展阶段，以可预见的技术、经 济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，以维护生态环境良性发展为条件，在 水资源得到合理开发利用下，水资源总量能够支撑的人口增长与经济发展的最大容量。 水资源的可再生性和水资源的承载能力之间是一种互动的关系：合理的水资源可再生利 用模式可以提高水资源的承载能力，而水资源承载能力的提高、社会经济的进步又有助 于水资源可再生性的提高l l7 。 1 2 1 5 基于水资源可再生性的合理配置模式的研究内容 在考虑水资源可再生规律的前提下，水资源合理配置应该包括两方面基本内容1 18 】： ( 1 ) 提高水资源的利用效率，使有限的水资源能够实现经济效益、社会效益和生 态环境效益的最大化； ( 2 ) 维护和改善水资源可再生性途径，对水资源再生途径中的人类可以控制的环 节进行科学有效的管理，从而维护水资源再生过程的连续性并实现对水资源再生过程的 优化，寻求实现水资源可再生利用的合理配置模式。 1 2 2 作物种植结构优化的研究进展 农业灌溉是我国的第一用水大户，但是，农业发展中普遍存在灌溉水资源量浪费严 重( 大水漫灌的渠系渗漏等因素造成全国平均灌溉水利用效率仅为0 4 0 左右) 与短缺( 生 活、工业用水挤占农业用水) 并存的现象，以及作物水分生产率低下( 平均单方灌溉水 粮食产量仅为o 乱1 0 埏) 等问题【1 9 1 。这些问题进一步加剧了水资源短缺的严峻局面， 同时也非常不利于水资源可再生性的改善和提高。因此，在区域水土资源约束条件下， 进行种植结构优化调整，大力发展农业灌溉，这对于缓解水资源短缺状况，增强水资源 的可再生性，实现农业的可持续发展是非常迫切的。 1 2 2 1确定性作物种植结构优化模型的研究 优化作物种植布局，并优化配置与之相应的水土资源是农业水资源配置中的3 项主 要任务。7 0 年代以来，以经济效益最大为目标的优化模型在农业水资源配置领域得到了 广泛的应用【2 睨引。然而，以经济效益最大为日标的优化模型主要考虑经济效益目标的实 现，忽视社会目标( 如粮食总产量) 和生态环境目标( 如生态效益、化肥使用量) 等， 这会影响到地区农业的可持续发展。 基于水资源可再生性评价的大连市水资源合理配置研究 9 0 年代以来，以可持续发展思想为指导的多目标优化技术渐被运用到农业水资源优 化分配中。比如，p a u d y a l 和g u p t a 2 9 1 ，p a u l 等人【3 0 】分别应用多目标线性规划研究了灌 区作物种植结构及其灌溉水资源的优化分配问题；2 0 0 1 年m o h a m e d 和m o h a m e d 研究 了干旱地区水资源短缺状况下的作物种植结构优化问题p u ；2 0 0 2 年s e t h i 等人进行了印 度沿海地区的作物种植结构优化及地表水和地下水资源联合运用研究【3 2 】；l u 等人应用 目标规划，设置净经济效益最大、从事农业劳动人数最多、耕地面积最大、供水量最大、 土壤侵蚀面积最小、化肥使用量最小以及杀虫剂使用量最小等7 个目标，并利用交互式 算法获得了青石山流域满意的作物种植布局和水土资源利用方案【3 3 】；2 0 0 6 年v e d u l a 等 人应用多目标优化模型研究了灌溉水资源在多作物间的优化分配及其作物种植结构优 化问题p 4 j 。2 0 0 0 年我国学者汤瑞良等人应用熵权系数法的基本原理，将经济效益、社 会需求和生态效益系数转化为一个综合效益系数，提出了灌溉水资源优化调配多指标综 合评价模型”j 。2 0 0 5 年程智强等人分析北京市种植业结构调整的目标与资源的边际效 益间的关系后，运用目标规划，建立了作物种植结构优化调整模型，制定了北京市合理 的作物种植结构方案1 3 酬。 但是，农业系统是一个复杂的巨系统，运用数学规划来进行农业系统建模，是对实 际问题的抽象和概化，在数据处理、模型构建以及决策者偏好等方面存在大量的模糊性。 上述确定性模型未考虑到不确定性对农业水资源配置的影响，其在实际应用中具有一定 的局限性。 1 2 2 2 不确定性作物种植结构优化模型的研究 近些年来，模糊性对农业水土资源优化分配的影响是众多学者研究的热点。2 0 0 0 年g u p t a 等人应用多目标模糊线性规划，以净效益最大、能量生产最大、从事农业劳动 人数最多、投资最小、灌溉面积最大以及作物种植面积最大为目标，建立了作物种植结 构优化调整模型，并以纳尔默达河流域为实例研究，获得了决策者满意的作物种植规划 3 7 1 。2 0 0 5 年a n i m e s h 和b i j a y 应用模糊目标规划，以耕地面积最大、生产资源消耗量 最小、成本最小为目标函数建模，进行了印度孟加拉邦地区主要种植的黄麻等7 种作物 的种植结构优化研究【3 引。2 0 0 6 年s a h o o 等人为研究印度东部三角洲的土地资源、水资 源以及作物种植结构优化问题，以作物产量最大、净经济效益最大、劳动力投入最小为 目标，应用多目标模糊规划建模，取得了很好的效果 3 9 1 。2 0 0 3 年我国学者陈守煜教授， 针对作物种植方案决策优选中的模糊性，将多个目标效益的相对优属度转化为一个综合 效益系数，以此综合效益作为权系数构建模型【柏】；高明杰【4 1 】和高惠焉【4 2 1 分别运用该模 一6 一 大连理工大学博士学位论文 型进行了华北地区种植结构优化和华北井灌区农业水资源的优化利用及作物种植结构 调整的研究。 但是，这些模型在求解过程中，仅根据建模者的经验知识获取目标权重，存在经验 型较强的缺点。另外，多目标优化问题没有“绝对最优解，只能获取“满意解”，而 满意解的获取中，决策者的参与是必需的。s a k a w a 曾提出，获取多目标优化问题的一 个主要途径，是建模者与决策者之间进行交互协商，在决策者偏好的指导下来获取 4