（环境工程专业论文）区域水资源配置系统演化研究.pdf

区域水资源配置系统演化研究 s t u d y o ne v o l u t i o no fr e g i o n a ld i s t r i b u t i o n s y s t e mo fw a t e r r e s u o r c e s 一 一级学科 学科专业 作者姓名 指导教师 丕缝抖堂皇王程 丕缝工程 赵鸱 筮塞益熬撞 天津大学环境科学与工程学院 二o o 七年十二月 摘要 摘要 世界各地不断出现的水资源问题体现了区域水资源的客观状况与用水主体 不断变化的用水需求之间的矛盾，也正是二者之间的矛盾推动着区域水资源配置 系统的演化过程。研究区域水资源配置系统的演化规律，有助于实现水资源的科 学管理和可持续利用。本文综合应用了多种复杂系统理论，系统地研究了区域水 资源配置系统的演化过程，找到了系统演化的驱动力。在此基础上，基于“最大 流原理”和复杂适应系统理论，发现了区域水资源配置系统演化的自然选择机理。 然后，通过天津市的实例研究，证明了该理论的正确性。 首先，在研究天然水循环过程的基础上，重点研究了区域水资源配置系统与 天然水循环过程的二元耦合关系，分析出区域水资源配置系统的“水流”特征。 从多个角度系统地研究了区域水资源配置系统复杂适应演化主要过程，进而发现 了区域水资源配置系统演化过程的两个重要特征。 其次，对区域水资源配置系统进行系统分析，然后得出区域水资源配置系统 非平衡相变的实质，在此基础上绘制了以聚集体为中心的区域水资源配置系统流 图，并分析了系统的行为特征。基于系统主导结构分析找到了区域水资源配置系 统演化的驱动力，即水量驱动力和经济驱动力。 再次，以“最大流原理为基础，结合复杂自适应系统理论，构建区域水资 源配置系统演化的势函数，推导出了系统发生非平衡相变的条件。根据区域水资 源配置系统的实际，结合复杂适应系统理论，创造性地构建出新的系统演化序参 量，它能够明晰地表征系统的结构模式。进而，通过推导得出新的系统演化动力 学方程，并提出了计算其中系数矩阵的具体方法。然后，根据演化方程解释了区 域水资源配置系统演化的自然选择机理。 最后，全面且系统的总结了天津市水资源、水环境的综合状况，并分析天津 市用水聚集体的水质需求。在此基础上，根据l o g i s t i c 方程建立动力学行为特征 不同的三类用水聚集体的用水量动力学方程。然后，应用区域水资源配置系统演 化机理理论，系统地研究了天津市水资源配置系统的四次非平衡相变过程，通过 实例研究证明了该理论的正确性。 关键词：可持续发展；水资源；水资源配置；演化；复杂系统；最大流原理；复 杂适应系统理论；系统动力学 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t e m e r g i n gp r o b l e m so fg l o b a lw a t e rr e s o u r c e sr e f l e c tt h ec o n t r a d i c t i o n sb e t w e e n t h eo b je c t i v ec o n d i t i o n so fr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e sa n dl o c a le v e r - c h a n g i n gd e m a n d o fw a t e rw h i c hp r o m o t et h ee v o l u t i o no fr e g i o n a ld i s t r i b u t i o n s y s t e mo fw a t e r r e s o u r c e s o b v i o u s l y ，s t u d y i n gt h ee v o l u t i o n a ll a wi sh e l p f u lt os c i e n t i f i cm a n a g e m e n t a n ds u s t a i n a b l eu s eo fw a t e rr e s o u r c e s i nt h i sp a p e rs e v e r a lc o m p l e xs y s t e mt h e o r i e s w e r eu s e dt or e s e a r c ht h ee v o l u t i o n a lp r o c e s so fr e g i o n a lw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m a n dt h ed r i v i n gf o r c eo fs y s t e me v o l u t i o nw a sf o u n d t h e nb a s e do nm a x i m u mf l u x p r i n c i p l ea n dc o m p l e xa d a p t i v es y s t e mt h e o r yt h en a t u r a ls e l e c t i o nm e c h a n i s mw a s d i s c o v e r e d f i n a l l y ，t h em e c h a n i s mw a sp r o v e db yt h ec a s es t u d yo ft i a n j i n ， f i r s t l y ，o nt h eb a s i so fc l e a r i n go fn a t u r a lw a t e rc y c l ep r o c e s sb i n a r yc o u p l i n g r e l a t i o n sb e t w e e nr e g i o n a lw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ma n dn a t u r a lw a t e rc y c l ep r o c e s s w e r es t u d i e d t h e nt h ew a t e rf l u xc h a r a c t e r so ft h es y s t e mw e r e a n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h ec o m p l e xa d a p t i v ee v o l u t i o no fr e g i o n a lw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m w a sd i s c u s s e df r o md i f f e r e n ta n g l e sa n dt w oi m p o r t a n tc h a r a c t e r si ne v o l u t i o nw e r e f o u n d s e c o n d l y ，t h ee s s e n c eo fn o n e q u i l i b r i u mp h a s et r a n s i t i o n so fr e g i o n a lw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mw a so b t a i n e da f t e rs y s t e ma n a l y z i n go fi t t h e nt h es y s t e mf l u x c h a r ta tt h ec o r eo fa g g r e g a t e sw a sd r a w na n dt h es y s t e mb e h a v i o rc h a r a c t e r sw e r e d i s c u s s e d a f t e ra n a l y z i n gt h el e a d i n gs t r u c t u r eo fs y s t e mt h ed r i v h a gf o r c eo fs y s t e m e v o l u t i o nw a sf o u n d ，n a m e l y ，w a t e rd r i v i n gf o r c ea n de c o n o m i cd r i v i n gf o r c e t h i r d l y ，b a s e do nt h em a x i m u mf l u xp r i n c i p l ea n dc o m p l e xa d a p t i v es y s t e m t h e o r yt h ee v o l u t i o np o t e n t i a lf u n c t i o no fr e g i o n a ld i s t r i b u t i o ns y s t e mo fw a t e r r e s o u r c e sw a sc o n s t r u c t e d ，s ot h ep r e r e q u i s i t e so fn o n - e q u i l i b r i u mp h a s et r a n s i t i o n so f s y s t e mw e r ed e d u c e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n so fr e g i o n a lw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mt h en e ws e q u e n c ep a r a m e t e r so fs y s t e me v o l u t i o nw a sc o n s t r u c t e di na c r e a t i v ew a yb yu s i n gc o m p l e xa d a p t i v es y s t e mt h e o r yw h i c hc o u l dc h a r a c t e r i z et h e s y s t e ms t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，t h en e we v o l u t i o n a ld y n a m i cf u n c t i o nw a sd e d u c e d a n dt h es p e c i f i cm e t h o dt oc a l c u l a t et h ec o e f f i c i e n tm a t r i xw a sp u tf o r w a r d f i n a l l y ， t h en a t u r a ls e l e c t i o nm e c h a n i s mo fr e g i o n a lw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mw a se x p l a i n e d o nb a s i so ft h en e we v o l u t i o n a ld y n a m i cf u n c t i o n a b s t r a c t f i n a l l y ，a f t e rt h ec o m p r e h e n s i v es t a t u so ft i a n j i nw a t e rr e s o u r c e sa n dw a t e r e n v i r o n m e n tw e r es u m m e du pc o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i c a l l y ，t h ed e m a n do f w a t e rq u a l i t yi nt i a n j i nw a sd i s c u s s e d t h e nt h r e ed y n a m i ce q u a t i o n so fd i f f e r e n t a g g r e g a t e sw e r ep r e s e n t e d a p p l i e dt h en a t u r a ls e l e c t i o nm e c h a n i s m o fr e g i o n a lw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mt h ef o u rn o n - e q u i l i b r i u mp h a s et r a n s i t i o n so ft i a n j i nw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mw e r es t u d i e d ，b yt h ec a s et h em e c h a n i s mw a sp r o v e d k e y w o r d s ：s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，w a t e rr e s o u r c e s ，d i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ， e v o l u t i o n ，c o m p l e xs y s t e m ，m a x i m u mf l u xp r i n c i p l e ，c o m p l e xa d a p t i v e s y s t e m ，s y s t e md y n a m i c s 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工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料j 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期夕7 年及月2 移日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：一 签字日期a 硼产殷月及。日 导师虢死名徉 签字日期：a - o o 夕年，0 2 , 9 0 2 ，o 日 第一章绪论 1 1 课题的提出和研究意义 第一章绪论 水是人类赖以生存、不可替代的基础性自然资源，是生态环境系统中最活跃、 影响最广泛的控制性要素之一，也是人类生产和生活中不可替代的有限性自然资 源，近而成为社会发展和人类进步的重要物质基础。水对人类如此重要，但其重 要性是逐渐被人类认识到的。在今天人们知道地球上的水是在一定条件下循环再 生的，然而过去人们普遍认为水是取之不尽、用之不竭的。随着社会的发展，人 类的生产、生活活动对水的需求量越来越大，加上水环境污染导致水体自净能力 下降，人们逐渐意识到可用之水的匮乏。另一方面，人们在长期社会实践中逐渐 认识到地球上的水所特有的循环再生、运动变化规律，明白水是有限的。这样， 人们逐渐开始将水这一人类社会赖以生存的最基本要素、自然环境的重要因子当 作自然资源来看待。 “水资源 一词很久以前已经出现，并随着时代前进不断丰富和发展。1 8 9 4 年美国内务部地质调查局设立水资源处( w r d ) ，主要是测量和记录地表水与 地下水。1 9 7 2 年国际水资源协会( i w r a ) 成立，主要致力于解决水资源规划、 开发和管理等方面的科学技术问题。联合国教科文组织( u n e c s o ) 和世界气象 组织( w m o ) 共同制订的水资源评价活动国家评价手册中，定义水资 源为“可利用或可能被利用的水源，具有足够的数量和可用的质量，并能在某一 地点满足某种用途或可被利用”。根据上述定义，水资源概念通常有广义和狭义 之分。 狭义水资源指人类能够直接使用的淡水，也就是天然水循环过程中，大气降 水落到地面后形成的径流，流入江河、湖泊和沼泽等的地表水，以及渗入地下的 地下水。广义水资源是指人类能够直接和间接使用的各种水和水中的物质，能作 为生产资料和生活资料的天然水，在社会生产中具有使用价值和经济价值的水都 可称为水资源。具体说，是指地球上所有的淡水和咸水，既包括天然水，又包括 通过工程措施和生物措施取得的水。 本研究中所讨论的水资源是广义水资源，不仅包括天然淡水和咸水( 主要指 海水) ，还包括通过工程措施得到的生活、生产排放的污水。 第一章绪论 1 1 1 世界水资源现状及存在的问题 在全球水储量中，淡水储量只占全球水储量的2 5 3 ，其中绝大部分又是储 存在冰川、永久积雪和深层地下水中，占去淡水总量的9 8 7 ，而与人类关系最 密切的河流水储量只占淡水总储量的0 0 0 6 ，加上淡水湖泊中的淡水，总共不 过占淡水总量的0 2 6 6 。其中人类最容易利用的河流淡水积极参加全球水循环， 全球年径流量为4 7 万l ( m 3 。在这些径流量中，由于地域和径流的年内、年际变 化等因素的影响，适于人类经济活动地区的径流量目前只有总径流的4 0 。同时， 全球水资源的分布在各大洲十分不均匀，各洲人均水资源占有量相差很大，不同 国家径流占有量相差大晗1 。 随着人口增长和经济发展，社会对水资源的需求量不断增长。2 0 0 6 年3 月 在墨西哥城举行的第四届世界水资源论坛上发布的联合国世界水资源开发报 告指出：全球用水量在2 0 世纪增加了6 倍，其增长速度是人口增速的两倍。 全球用水量的持续增长，使许多地区出现了水源危机。2 0 0 7 年8 月在瑞典首都 斯德哥尔摩召开的世界水周会议上，参加会议的科学家警告说，由于全球人口的 爆炸性增长，因争夺水资源而导致战争的危险性在增加。总的来说，用水量的快 速增加使水资源的需求矛盾加剧，污水排放量随着用水量的增长也在快速增加， 从而造成水体污染、环境恶化。水渐渐成为人类的资源危机，具体表现为： 1 ) 人类用水行为引起生态环境变化和供需水矛盾加剧 人类的经济活动，如广泛开展的农业生产、兴修水库等水利工程和各个地区 进行的城市化和工业化等，直接影响着全球地表径流和地下径流的变化。例如， 前苏联有关部分研究表明，强烈的经济活动会使河川径流减少。从1 9 4 0 年到1 9 8 5 年，国民经济得到了快速发展，但同时伴随的是总径流量减少了1 7 8 0 亿m 3 ，这 种河川径流的变化在干旱、半干旱和内陆地区表现十分突出。 随着全球人口和农产品需求的增长，农业将消耗更多的淡水资源。农业用水 供需矛盾将更加紧张。到2 0 3 0 年，全球粮食需求将提高5 5 。这意味着需要更 多的灌溉用水，而这部分用水已经占到全球人类淡水消耗量的近7 0 。而且许多 地区在农业灌溉过程中因设备和技术落后而浪费掉大量淡水。 在河流上兴建大型水库等水利设施，可以改变流域内水量分配，使环境生态 系统发生改变，有的还引起国与国之间的矛盾随3 。如埃及在尼罗河上修筑纳塞尔 水库，1 9 7 1 年建成后为苏丹和埃及在灌溉、发电、航运、淡水养殖等方面均取 得了明显的效益。但是纳塞尔水库也带来了许多的不良后果：大坝使大量的营养 物质不能进入地中海，使该地区沙丁鱼的捕获量减少了9 5 ；大坝的修筑使用税 更加方便从而减少了净流入海量，形成海水倒灌，严重影响了海滨城市的安全。 第一章绪论 2 ) 地下水的枯竭和地面沉降 由于地下水具有水质好、温差小、容易提取、费用低等特点，人们饮用水量 增加，常常会超量开采，以致在很多地区开采量远远大于它的自然补给量。超量 开采地下水引起非常严重的后果。超量开采会使地下水水位下降，含水层枯竭， 进而造成地面沉降。首先，地面沉降会危害地上的建筑等设施，例如日本2 0 世 界7 0 年代地下水超采引起地面下沉，举国震惊，称之为“战后国民经济建设中 的一大沉痛教训 。全国有8 打地基下沉地区，1 1 大地面高程下沉到海平面以 下。累计沉降量以东京地区最大，1 9 4 8 - - 1 9 8 4 年功沉降4 5 6 m ，年平均沉降率为 0 1 3 m a 。其次，地下水水位下降会造成沿海地区海水倒灌。海水入侵使淡水与 咸水的分布界限发生变化，从而影响正常的淡水使用，并有可能在农业灌溉过程 中导致土壤的盐碱化。如美国东部沿海地区，因过度抽取地下水导致海水入侵， 曾出现过把咸水抽入饮用水系统的问题。 3 ) 淡水生态系统破坏严重h ，5 1 占据着少于1 地球表面的河流、湖泊和湿地的世界淡水生态系统，仅容纳 了地球上全部水量的o 0 1 ，它们却是人类水资源的主要来源。然而，近代工业 和农业的快速发展，在消耗掉越来越多淡水资源的同时，也在不断地破坏者地球 的淡水生态系统。在近代农业生产中，大规模使用化肥和农药以提高农业产量的 做法正使许多地区的可供水源受到污染。世界化肥施用量增长很快，自1 9 6 1 年 升始，平均每年增长6 ，发展中国家则平均每年增长1l 。农药使用量的增长 比化肥施用量的增长要高许多。含有高浓度的氮、磷营养物的灌溉弃水导致天然 淡水生态系统富营养化现象，降低了淡水生态系统的自净能力。二十世纪早期， 农业用水几乎占了全都用水总量的9 0 ，工业部门的用水份额在1 9 0 0 年仅为6 ，现在可能将超过2 4 。大规模工业用水给水质带来严重问题，在许多工业 化国家，水质已成为影响环境的主要问题之一。 从1 9 5 0 年但2 0 0 0 年，世界河流上的大型水坝( 超过1 5 m 高) 的数量增长 了7 倍多，从5 7 5 0 个增加到4 1 0 0 0 个。目前水库里所蓄的淡水占世界径流水量 的1 4 。人工筑坝对河道水流的减缓作用是显而易见的，水的分流和汲取已经在 全球范围内深深地影响了水的自然流动。几乎在每一块大陆上，主要河流的自然 流动都减弱了，以至于有的河流在干旱季节形成长距离的断流，水流不能自然入 海；科罗拉多河、黄河、恒河、尼罗河、锡尔河和阿姆河在干旱季节经常出现此 种现象。水库对水流及泥沙的蓄滞作用还会使水库底层水的含氧量将低，从而水 水质变差，而且这种含氧量低的水在流出水库后要经过很长的流程后，才能恢复 其原有的对有机污染物的净化能力。 湿地是淡水生态系统的关键组成部分，可以起到调洪、蓄积营养物质、存储 第一章绪论 碳元素、净化水环境等作用同时湿地还为人类提供许多种食物及矿产资源，如鱼、 贝类、木材、纤维等。但是，一直以来湿地常被改造成其他用途，如从1 7 8 卜 1 9 8 0 年全部湿地的5 3 已在美国的4 8 个州消失。湿地面积的减少已经在一定程 度上破坏了淡水生态系统。 4 ) 水资源管理不善导致水的浪费 人类只要能够在公平分享水源与确保自然生态系统的可持续性之间保持平 衡，就可以令淡水资源维持地球人的生存与发展，但许多地方目前尚未达到这种 平衡。在水资源管理中，至关重要的是决策，如决定谁有权用水及其用水利益、 谁分配水源、向谁供水，以及供水的时间、地点和方式。饮用水不卫生、供水不 能持续地进行，这些已经成为制约国家的经济发展的因素，并对人体健康和生活 环境造成负面影响，致使经济不发达的国家或地区“雪上加霜”。据统计，全世 界2 0 0 2 年大约3 1 0 万人死于腹泻和疟疾，其中近9 成的死者是不足5 岁的儿童。 每年约1 6 0 万人由于缺乏安全饮用水和卫生设施而死亡。 1 1 2 我国水资源现状及存在的问题 总的来说，我国水资源总量不少，居世界第6 位。水利部根据1 9 5 6 “1 9 7 9 年全国同步期系列资料进行分析，结果表明全国多年降水总量为6 1 8 8 9 亿m 3 ，平 均年将水深6 4 8 m m ，小于全世界陆地平均降水深7 9 8 m m ，也小于亚洲平均年降水 深7 4 1 m m 。多年河川年径流平均总量为2 7 1 1 5 亿m 3 ，平均年径流深2 8 4 m m ，多年 平均年地下水资源量8 2 8 8 亿m 3 ，扣除两者之间重复计算水量7 2 7 9 亿m 3 ，全国多 年平均年水资源量为2 8 1 2 4 亿m 3 。其全国水资源总量仅比河川径流总量多3 7 ， 因此，河川径流量的特征基本能反映出水资源的变化特征。虽然水资源总量比较 丰富，但我国人口众多，人均占有水量仅约为2 2 0 0 m 3 ，只有世界人均占有水量的 1 4 ，列世界第1 0 9 位。耕地平均分摊水量约为1 7 0 0 m 3 亩，也只有世界平均数的 3 4 。而且，我国水资源时空分布很不均衡，降水时空变化大，水资源分布与工 农业生产布局也极不协调阳1 。长江流域及其以南耕地占全国总耕地面积3 6 ，人 口占全国总人口的5 4 ，但水资源总量却占8 1 ，人均占有量为4 2 0 0 m 3 ，约为全 国人均水资源占有量的1 7 倍。而黄河、淮河、海河三大流域的日径流量只占全 国的6 2 ，耕地面积却占全国的近4 0 。北方人均水量约为南方的1 4 ，亩均水 量仅为南方的i i 0 左右。另一方面，我国水资源季节性变化很大，季风性气候 使得年降雨多集中在夏季和秋季，而冬春两季则常因降水不足而发生干旱：年际 间降水变化也很大，有时丰枯交替，有时也出现连枯、连丰的现象。北方地区年 降水变幅在4 0 - 6 0 0 m m ，而南方一般均在1 0 0 0 - 2 0 0 0 r n m 。这种水资源在时空上分 第一章绪论 布的不均匀，形成我国水资源量在地区上的南多北少，东南多西北少的格局，广 大的北方和沿海地区水资源严重不足，影响了我们对水资源的充分合理地利用 n 1 。现今我国的水资源利用存在以下问题： 1 ) 持续增长的用水需求加剧了对有限水资源的竞争 上世纪5 0 年代我国人口大约5 亿，粮食总产量约1 1 3 2 亿k g ，人均粮食占 有2 2 6 k g ，工业总产值约为2 0 0 多亿元。当时全国用水约1 0 3 1 亿m 3 ，其中农业 用水1 0 0 1 亿m 3 ，占全国总用水量9 7 。工业用水约2 4 亿m 3 ，其他用水很少。5 0 年前灌溉面积约1 5 3 3 3 万h m 2 ，灌溉定额约6 5 2 5 m 3 h f f ，单位粮食生产用水约 0 8 8 m 3 k g ，人均综合用水2 0 6 m 3 。2 0 0 0 年，全国人口约1 3 亿，粮食总产量4 6 2 1 5 亿k g ，人均粮食占有3 8 6 k g ，g d p 达到9 万亿元，万元g d p 用水6 1 0 m 3 ，最高的 内陆地区达到3 2 5 0 m 3 ，最低的天津为1 4 0 m 3 。全国农田灌溉面积约4 8 6 6 7 万h m 2 ， 灌溉定额约7 1 8 5 m 3 褂，单位粮食生产用水0 8 2 m 3 k g ，人均综合用水4 2 3 m 3 。过 去与现在比，全国用水增长4 4 倍，其中农业用水增长2 7 倍，工业用水增长 3 7 倍，人均综合用水增长约1 倍，由此可见5 0 年来我国需水量大幅度上升睛1 。 2 ) 用水浪费加剧了水资源的供需矛盾 目前，虽然全国范围存在着水资源短缺的危机，但人为因素造成的水资源浪 费现象依旧非常普遍，用水浪费现象无疑加剧了水资源的供需矛盾。例如，农业 是我国的用水大户，现状用水总量占全国总用水量的7 0 ，其中农用灌溉用水量 约占9 0 。农业用水中的浪费现象相当严重，首先是农田灌溉水的利用率低，年 均仅为0 4 5 ；其次是农田对自然水的利用率低，仅达到6 5 ；最后是农业用水效 率不高。其中农业灌溉水的利用效率仅有1 o k g m s 左右。早地农田仅有 0 6 0 0 7 5k g m 3 。根据中国工程院预测在不增加现有农田灌溉用水量的情况下， 2 0 3 0 年全国缺水高达1 3 0 0 亿- 2 6 0 0 亿m 3 ，其中农业缺水5 0 0 亿7 0 0 亿m 3 。若将 农田灌溉水的利用率由目前的0 4 5 提高到发达国家的水平0 7 0 ，可节水9 0 0 亿 一9 5 0 亿m 3 ，如果能够同时提高水的利用率，农业节水后不仅可满足7 亿吨左右 的粮食生产用水，还能节约4 0 0 亿- 5 0 0 亿3 的水量用于国民经济的其他重要行 业旧1 。在城市人口不断膨胀的形势下，城市用水量比以往也增加了许多除此之外， 由于水管破裂、检修不及时等因素造成的水资源浪费也是相当惊人的。根据研究 表明n 们，我国每年由于管网泄漏损失上百亿吨水；北京市每年水管和马桶漏水就 损失掉上亿吨水，相当于新建一个自来水厂。而广州一些年代久远的街区管道破 损造成的漏水损失每天竟达到4 0 多万立方米，相当于一个大型水厂一天的生产 量。 3 ) 水体污染加剧了水资源的紧张形势 在我国部分地区为了追求经济的高效增长，不合理地开发当地水资源，从而 第一章绪论 影响了正常的水文循环；以水脏、水少、洪涝灾害、湖泊富营养化和生态环境恶 化等为特征的水危机已严重制约着国民经济的进一步发展，尤为严峻的是人口还 在继续增长，生态环境总体形势仍在恶化，水资源利用前景堪为担忧n “1 引。根据 国家环保总局发布的2 0 0 6 年中国环境状况公报显示，国控网七大水系的1 9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i 类，、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为 4 6 、2 8 和2 6 ，见表1 - 1 。其中，珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河 为中度污染，辽河、海河为重度污染。主要污染指标为高锰酸盐指数、石油类和 氨氮。水污染给我国的水资源利用带来了巨大的危害n 钉： 表1 12 0 0 6 年全国七大水系水质类别比例 乞太乐系 i 1 l 龚( )弼鬓( )l v 炭( )v 粪f j劣、簧。b ， 长江5 8 l8 l 23 7 萎潭j83 22 502 5 淼汪s 82 4l503 松花江 32 l4 8 7 2 l 维珂 气 2 13 773 0 。 海嗣i 8ll10j7 乏用 2 78l7 ； 4 3f j 鬈缮2 7l92 3 52 6 加剧用水危机：在缺水地区日益严重的水污染，威胁城市供水设施的安全运 行，不少地方因此造成供水水源报废，形成“污染型”缺水。例如，官厅水库污 染严重，全库处于富营养化状态，被迫退出城市供水领域，造成北京水源紧张。 沧州市的京杭大运河两岸和南阳市由于地下水污染，导致大量供水设施报废，加 剧了当地的用水紧张形势。值得注意的是，近年来在一些水资源相对富裕的地区 也开始出现污染型缺水，如广东是在2 0 0 1 年对全省的1 6 个水源地的监测结果表 明，有4 个水源地水质超标，其中有一个还达到了劣v 类。 增加供水成本：由于供水水源污染日益严重，一些地区只能开辟新的水源地 或建设新的取水工程，从而造成供水工程重复建设和投资浪费。另外，为了克服 供水水源污染问题，一些供水厂只能改造净水工艺、更新净水设备和更换净水材 料。上述建( 构) 筑物和设备等工程设施建设投资的增加，提高了供水成本，进 而加大了水资源用户的经济负担。 降低供水水质：当今，大多数城市的供水厂所采用的净水工艺相对比较落后， 面对逐渐加剧的水源污染，很多供水厂对致病微生物、有机质、重金属等污染物 的个别成分无能为力，供水水质的安全性受到极大影响。 4 ) 水价制度存在诸多问题n 钔 我国水资源的核心问题之一是水费或水价问题，水依然是在很大程度上需要 补贴的一种资源。目前，我国尚处于由“福利型”水价制度向“经营型”和“节 第一章绪论 约型水价制度的过渡阶段，仍然是政府定价，水价标准及水费征收管理方面存 在着不少问题。具体如下： 水价形成机制不合理，水价标准依然偏低。首先，由于公共水管部门一般都 按财务核算成本对水资源定价，没有考虑水利固定资产的保值增值，导致供水工 程的持续发展难以为继；其次，在水价形成中，只考虑供水方面的成本，忽视了 水资源价值和废水排放及处理成本，使水价偏低，节水意识淡薄，“跑冒滴漏” 非常普遍。 水价体系不科学，调整机制不灵活。一方面，现行水价既不体现成本和水量 丰枯，也不体现用水量的差异，对水资源利用无法起到调节作用。另一方面，水 价未纳入价格管理轨道，缺乏弹性。水利工程无论规模大小和经营方式，统一实 行政策定价，不能体现国家对社会公益供水补偿的针对性。 水价管理体制不科学。第一，定价权限过于集中。按现行规定，地方水利工 程供水水价，统一由省、自治区、直辖市水行政主管部门会同物价、财政等有关 部门申报水价方案，省、自治区、直辖市人民政府负责审批。即使是县属水利工 程的水价也要由省级政府审批，水价调整程序繁杂，难以符合大多数水利工程的 实际情况。第二，供水企业制度未能完全实行企业化经营，经营性亏损与政策性 亏损不分。第三，价费合一，搭车收费情况普遍。农业供水管理层次和环节较多， 水费收取不规范，加之缺乏监管，普遍存在中间加价和搭车收费，加重了农民负 担；第四，水费使用管理不当，使用效益不高。在目前水价标准低、水费征收率 不高、水费收入难以维持现有水利工程的情况下，仍存在水费使用不当、违反水 费使用规定、改变水费用途的情况，对水价改革和水利工程的良性运行造成了不 利影响。 1 1 3 进行区域水资源配置系统演化研究的意义 根据上述内容不难发现，无论全世界还是我们国家在各个不同的区域水资源 配置系统中都存在这样或那样的问题。事实上，这些问题体现了区域水资源的客 观状况与用水主体不断变化的用水需求之间的矛盾，也正是二者之间的矛盾推动 着区域水资源配置系统随着时间的流逝而不断发展变化，这种配置结构上的变化 过程就是区域水资源配置系统的演化过程。区域水资源配置系统的演化史受多种 因素影响，有其内在规律性。研究区域水资源配置系统的演化规律具有重要意义， 体现在： 1 ) 进行水资源配置系统演化研究有助于水资源的科学管理 针对水资源系统的各种问题，很多学者进行了深入的研究。多数解决问题的 第一章绪论 方法着眼于静态，如水资源优化配置方法等。但是，区域水资源配置系统的演化 研究更多地关注演化的动态过程，例如区域水资源配置系统的自组织、突变、用 水主体的竞争与协作等。无疑，当水资源管理政策或手段进行调整时，演化研究 更能帮助预测未来整个水资源配置系统的演变过程和最终状态，这些无疑提高了 水资源管理的准确性和科学性。 2 ) 进行水资源配置系统演化研究是实现水资源可持续利用的需要 水资源可持续开发和永续利用是实现经济、社会和生态环境可持续、协调发 展得的前提条件之一，而合适的水资源配置模式又是实现水资源可持续利用的重 要因素。研究区域水资源配置系统的演化过程，弄清系统内部各因素相互作用的 机理，从而能够预见在某种特定的水资源配置模式下整个水资源系统演化的结 果。因此，研究区域水资源配置系统的演化规律有助于实现水资源的可持续利用。 1 2 区域水资源系统相关研究进展 为了解决在水资源利用方面出现的各种问题，最早开始的是水资源优化配置 理论的研究，其目的是在现有区域水资源的客观条件下，最大限度的满足使用者 的需要并尽可能地提高水资源的使用效率。在大量学者经过多年的研究后，区域 水资源优化配置理论取得了丰硕的成果，但随着全球范围内水资源需求的快速增 长和大量地区水环境恶化等问题的出现，水资源的可持续利用越来越受到世界各 国的重视，在上世纪末，关于水资源的可持续利用研究逐步展开并取得了可喜的 ：进展。 1 2 1 区域水资源优化配置研究理论研究进展 由于世界各区域都不同程度的出现了水资源问题，所以协调水资源的天然时空 分布与生产力布局不适应，缓解用水部门的供水矛盾，进行水资源科学分配已显得 极其重要。自二十世纪二十年代，国外经济发达国家的一些学者开始了水资源优化 配置理论方面的研究。经过几十年的不断努力，到目前为止，有关水资源优化配置 理论的研究成果非常丰富：在内容上涉及水库优化调度、流域水资源综合规划及管 理和区域水资源开发利用；研究方法包括数学规划法、数值模拟和最优化方法等； 分析方法涵盖了单目标和多目标等分析方法。 1 2 1 1 国外研究进展 i n # b 水资源优化配置理论研究起步比较早，大致分为以- f - - 个发展阶段：起步 8 第一章绪论 阶段、发展阶段和完善阶段。 1 ) 起步阶段：2 0 世纪2 0 年代至5 0 年代末，水资源优化配置起步阶段。1 9 2 2 年，美国的科罗拉多河流域内的7 个州签定了第一份水资源分配协议，以流域径流 量控制站立佛里为界，将科罗拉多河流域分为上下两个区，并以该站年径流量为基 准进行水量分配。2 0 世纪4 0 年代，m a s s e 提出水库优化调度问题n 引。1 9 5 0 年，美国 总统水资源政策委员会的报告综述了水资源开发、利用等问题，为水资源量调查研 究工作奠定了基础n 引。1 9 5 3 年，美国陆军工程师兵团为了解决密苏里河流域一座水 库的运行调度问题设计了密苏里河流域水库调度水资源模拟模型n 7 1 。 2 ) 发展阶段：2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代末，水资源优化配置研究进入迅速发展 阶段。6 0 年代以后，随着系统分析理论和优化技术的引入以及6 0 年代末计算机技术 的发展，以模拟技术、线性规划、非线性规划和动态规划方法为基础的水资源系统 分析理论得以迅速发展和广泛应用。1 9 6 5 年，联合国教科文组织( u n e s c o ) 成立了 国际水文十年( i h d ) ( 1 9 6 5 - 1 9 7 4 年) 机构，对水量平衡、洪涝灾旱、地下水、人类 活动对水循环的影响，特别是农业灌溉和都市化对水资源的影响等方面进行了大量 的研究，取得了显著成绩n 引。1 9 7 1 年j o e r o e s 将线性规划用于b a l t i m o r e 的多水源供 水方面n 训。同年，美国学者n o r m a n j d u d l e y 将作物生长模型和具有二维状态变量的 随机动态规划相结合，对季节性灌溉用水分配进行研究啪1 。1 9 7 2 年，n b u r a s 在其 所著的水资源科学分配中系统地研究了水资源分配理论和方法晗。1 9 7 3 年，s m i t h 在灌区用水优化配置中也采用线性规划模型并进行求解乜别。同年，d u d l e y 和b u r t 灌 溉水库水资源的管理上，应用动态规划方法，利用马尔科夫链的转移概率对递推动 态方程加权瞳引。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 态规划例子昭劓。1 9 7 4 年，l b e c k e r 和w w g y e h 进行了水资源多目标问题研究口5 1 。 1 9 7 5 年，y y h a i m e s 应用多层次管理技术进行地表水库、地下含水层的水资源量 联合调度研究瞳射。1 9 7 6 年，r g e r s 在对印度南部c a u v e r y 河进行规划时，以流域上游 地区农作物总净效益极大和灌溉面积极大为目标函数，建立了多目标优化模型对水 资源进行配置口7 1 。1 9 7 8 年，联合国成立的国际水文规划委员会( i h p ) 突出与水资源综 合利用、水资源保护等有关的生态、经济和社会各方面的研究，并强调水文学与水 资源规划和管理的联系，力求有助于解决世界水资源配置方面的问题n 引；美国完成 全国第二次水资源评价工作，着重分析可供水量及用水要求。对河道内用水现状进 行了分析，并展望未来用水，同时又专门研究一些关键性的问题( 如地表水供水不足、 地下水超采、水源污染、饮用水质量、洪涝灾害、侵蚀和泥沙、清淤和清淤物的堆 置、排水和洼地、河口沿岸水质) ，并对这些重要问题提出可能解决的途径瞳引。1 9 7 9 年，美国麻省理工学院( m i t ) 采用模拟优化技术完成了阿根廷科罗拉多河流域的水资 源开发规划n 引。经过7 0 年代的发展，到8 0 年代水资源优化配置理论的研究范围不 第一章绪论 段扩大，深度也进一步加深。1 9 8 1 年，d p l o u c k s ，j r s t e d i n g e r 和d a h a i t h 在 其水资源系统规划与分析专著中着重阐述了如何运用系统分析方法指导水资源 工程规划、设计和运行管理瞳引。1 9 8 2 年p e a r s o n 等用二次规划方法对英国的n a w w a 区域的用水分配问题进行了研究，他们利用多个水库的控制曲线，以最大产值、最 大输送能力和预测的需求值作为约束条件m 3 。荷兰学者e r o m i j n 和m t a m i n g a 建立 了水资源量分配多目标多层次模型。1 9 8 5 年，w w g y e h 全面回顾了二十世纪 6 0 年代以来已出现的各种水库运行及管理数学模型，分析了各类模型的特点、适用 条件和尚存在的缺陷恤1 。1 9 8 7 年，r w i l l i s 和w w g y e h 应用线性规划方法求解了 1 个地表水库与4 个地下水含水单元构成的地表水、地下水运行管理问题，地下水运 动用基本方程的有限差分式表达，目标为供水费用最小或当供水不足情况下缺水损 失最小，同时，用s u m t 法求解了1 个水库与地下水含水层的联合管理问题哺割。 3 ) 完善阶段：2 0 世纪9 0 年代至今，水资源优化配置逐步完善阶段。9 0 年代以 来，由于水污染和水危机的加剧，传统的以水量和经济效益最大为目标的水资源优 化模式已不能满足需要，国外开始在水资源优化配置中注重水质约束、环境效益约 束泓】。1 9 9 2 年，a f z a l 和j a v a i d 等针对p a k i s t a n 的某个地域的灌溉系统建立线性规划 模型，对不同水质的水的使用问题进行优化口5 1 。在劣质地下水和有限运河水可以使 用的情况下，模型能得到一定时期内作物耕种面积、地下水开采量等决策变量的值。 1 9 9 5 年，w j w a t k i n s 和m k d a