（水文学及水资源专业论文）区域水资源合理配置仿真模拟系统研究.pdf

摘 要 摘要 区域水资源合理配置是实现水资源可持续利用的有效调控措施之一，按照 自然规律和经济规律，对区域水资源和影响区域水资源的自然和社会因素进行 整体调控。区域水资源合理配置的目标是兼顾水资源开发利用当前与长远利益， 兼顾不同地区与部门间的利益，兼顾水资源开发利用的社会、经济和环境利益 的公平分配。 本文分析了水资源以及水资源系统的特点，对世界范围内的水资源问题进 行了分析；对现阶段国内外水资源开发利用、水资源合理配置研究进行了全面 回顾；阐述了区域水资源合理配置的涵义、内容、目标、原则、模式和技术方 法。 区域水资源合理配置属于多层次、多目标、多水源、多用户、多功能的半 结构化决策问题，不可能通过单的模型进行解决，只能通过多方面参与，特 别是用水户和决策者的共同参与才能解决区域水资源合理配置。本文对交互式 决策支持系统进行了探讨和研究，根据水资源合理配置的多层次、多用户的特 点，建立了面向决策者的交互式区域水资源合理配置仿真模拟系统。 本文根据前人研究成果探讨了建立区域水资源合理配置评价指标体系的指 导思想和原则；本着评价指标体系操作性强、计算方便等特点，建立了涵盖生 态环境系统、社会经济系统和水资源系统三方面的评价指标体系。 本文基于区域水资源合理配置评价指标和评价等级间的非线性关系，应用 人工神经网络模型，建立了区域水资源合理配置人工神经网络模型。该模型不 需要构造评价指标与评价等级之间的函数关系和计算权重值，具有可操作性、 实用性。 本文针对江苏省常熟市实际情况，开发了面向决策者的交互式区域水资源 合理配置仿真模拟系统：建立了针对常熟市实际情况的水资源合理配置评价指 标体系；建立了常熟市水资源合理配置人工神经网络评价模型，对设定的1 2 套水资源配置方案进行了评价，选出了较优的方案。 关键词：水资源合理配置仿真模拟系统评价指标人工神经网络 目录 a b s t r a c t r e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e sm t i o n a la i l o c a t i o ni s o n eo ft h ee 丘 e c t i v ea d j u s t m e t h o d sf o rw a t e rr e s o u r c e ss u s t a i n a b l eu s i n g i ta d j u s t st h er e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e s a n dt h en a t u r a la n dt h es o c i e t yf a c t o rw h i c be f ! i i e c tt h ew a t e rr e s o u r c e sb yu s i n gt h e i n t e g r a t e dm u l t i d i m e n s i o n a l m e t h o d s t h et a r g e to ft h er e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e s a l l o c a t i o ni sj u s t j c ew h i c hm u s tc o n s i d e rt h ec u r r e n ta n dl o n g t e r mb e n e f i t ，d i f f e r e n t r e g i o n sa n dd i f f e r e n td e p a n m e n t s ，w a t e rr e s o u r c e se x p l o i t a t i o nb e t w e e ns o c i e t y e c o n o m ya n de n v i r o n m e n t t h ep a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rr e s o u r c e sa n dw a t e rr e s o u r c e s s y s t e m ，a n dt h ew a t e rr e s o u r c e s c r i s i si nt h ew o r l dw i d e i ta l s or e v i e w st h es t u d yo n w a t e rr e s o u r c e se x p l o i t a t i o na n dw a t e rr e s o u r c e sr a t j o n a la u o c a t i o no no v e r s e a sa n d d o m e s t i c t h ep a p e re x p o u n d st h em e a n i n g s ，t h ec o n t e n t s ，t h et a r g e t s ，t h ep r i n c i p l e s ， t h em o d e sa n dt h em e t h o d so ft h er e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e sr a t i o n a la l l o c a t j o n r e g i o n a l w a t e rr e s o u r c e sr a t i o n a la l l o c a t i o nj sas e m i s t r i | c t u r a l d e c i s i o n m a k i n gi s s u e ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i l a y e r ，m u l t i d b j e c t ， m u l t i s o u r c e ，m u l t i u s e ra n dm u l t i f u n c t i o n ，t h a tc a n n o tb es o l v e db yas i n g l em o d e 】， w h i c hc a no n l yb es o l v e db ya l l r o u n dj o j n i n g ，e s p c c i a n yt h ew a l e ru s e f sa n dt h e d e c i s i o n m a k e r s n l ep a p e rg i v e sd e t a i ld i s c u s s i o no nm u l t i - u s e ri n t e r a c t i v e d e c i s i o n m a k i n gs u p p o n i n gs y s t e m ，a n de s t a b l i s h e saw a t e rr e s o u r c e sa 1 1 0 c a t i o n s i m u l a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rr e s o u r c e s t h ep a p e rd i s c u s s e st h eg u i d a n c ei d e a sa n dp r i n c i p l e so fe s t a b l i s h i n gt h e e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo nw a t e rr e s o u r c e sr a t i o n a la 1 1 0 c a t j o n ，a n de s t a b l i s h e st h e e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mi n c l u d j n gt h ee n v i r o n m e n t a ls y s t e mi n d e x ，s o c j a la n d e c o n o m i cs y s t e mi n d e xa n dw a t e e s o u r c e ss y s t e mi n d e x b e c a u s eo ft h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne v a l u a t i o ni n d e xa n de v a l u a t i o n r a n k s ，t h ep a p e ra p p l i e st h e a n i f j c i a l n e u r a ln e t w o r k sm e t h o dt ot h ew a t e r r e s o u r c e sa l l o c a t j o na n de s t a b l i s h e st h ee v a l u a t i o nm o d e lo fa n i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k sf o rr e g i o n a lw a t e rr c s o u r c e sr a t i o n a la l l o c a t i o n t h em o d e 】d o e sn o tc r e a t e 2 a b s t r a c t f u n c t l o nb e t w e e ne v a l u a t j o ni n d e xa f l de v a i u a t l o nr a n k s w h l c hm a k e st h em o d e l m o r em a n e u v e r a b l ea n dm o r e p r a c t i c a b l e t h ep a p e ra p p l i e st h ee s t a b l i s h e dm u l t i u s e ri n t e r a c t i v ew a t e rr e s o u r c e sa l i o c a t i o n s i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma n dt h ee v a l u a t i o nm o d e l t oc h a n g s h u c o u n t y ，j i 卸g s up r 0 v j n c e i td e s j g n s1 2c a s e sf o rr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e sr a t i o n a l a 1 1 0 c a t i o n a n ds e l e c t st h eb e s to n ea st h ef i n a lw a t e rr e s o u r c e sr a t j o n a la 1 1 0 c a t i o nc a s e b yt h es j m u l a t i o ns y s t e m ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma n dt h ee v a l u a t i o nm o d e l k e yw o r d s ：w a t e rr e s o u r c e s ；r a t j o n a la l l o c a t i o n ；s h a r e d v j s i o nm o d e l ；s y s t e m ； e v a l u a t ei n d e x ：a n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 3 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) ： 芝塑复跏f 年，月日 ( 注：手写亲笔签名) 7 学位论文使用授权说明 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。 q ， 论文作者( 签名) ： 篁型加年厂月形日 ( 注：手写亲笔签名) 第一章绪论 第一章绪论 水资源是人类生存，以及生活、社会可持续发展必不可少的自然资源，同时， 也是保障生态环境良性循环的重要因素。区域能否可持续发展，很大程度上取决 于区域资源环境的可持续利用。随着我国社会和经济的高速发展，水资源短缺的 状况进一步加剧，水资源短缺已经成为制约我国社会经济发展的关键问题。近年 来，水资源合理配置以及相关领域的研究得到了空前重视，各种新方法和新技术 应用于水资源合理配置极其相关领域的研究中，涌现了一大批科研成果，推动了 我国水资源合理配置的研究。 1 1 水资源与水资源系统 1 1 1 水资源特点 水资源是除土地以外的一切资源中与人类的生产生活关系最为密切的自然 资源。不仅指可以被人们开发利用的那部分水，还有供生态环境使用的，以及暂 时无法利用，但具有潜在使用价值的那部分水。 水资源概括起来，主要有以下特点： 1 、水资源经济上的双重性。经济上的双重性是由于降水和径流的地区分布 以及分配不均匀造成的。自然界的水在环境中的作用对于人类的生存条件而言， 水资源一方面为人类提供修养生息的条件，是人类的生存和发展不可或缺的；另 一方面，水灾害( 如洪、涝等) 给人类带来了困扰i ”。 2 、水资源的不可替代性。水对人类的生存和发展具有不可替代性。没有水 就不会有生命的存在，是维持一切生命活动不可替代的物质。经济和生活的进步 也离不开水资源【”。 3 、水资源的有限可再生性。水资源不像矿藏等资源有固定的储量，水资源 是由于自然界的水文循环周而复始地形成水资源。水资源的开发可以从大气降水 的补给中得到恢复。但是，这种水文循环带来的水资源数量是有限的，不是无限 制的。循环过程的无限性和补给水量的有限性，又决定了水资源在一定数量限度 内是取之不尽、用之不竭的【2 3 1 。 4 、水资源的不均匀性。水资源的分布情况和变化特点常常因地区自然条件 不同而不同，年际、年内变化很大。为了满足各个地区不同用水部门不同时段的 1 河海大学工学硕士学位论文 用水需求，必须修建各种蓄水、引水、提水、调水工程，对天然水资源进行时空 再分配【1 _ 3 1 。 5 、水资源开发的整体性和综合利用性。一个流域内，地表水、地下水之间 相互转化决定了水资源的开发必须采用整体开发的方式，统筹兼顾各个用水部门 的需要，做到一水多用，综合利用i 3 1 。 1 1 2 水资源系统组成与功能 水资源系统可以包含自然系统和人工系统两个子系统。自然系统是指由区域 自然地理特征形成的系统：人工系统是指为了利用水资源建立的工程以及管理系 统。 1 、自然系统 水资源的自然系统包含以下特点： ( 1 ) 有限性 对某一区域而言，年降水量系列总是处于变化中的，但是变化总是有一个限 度的，这就决定了区域的水资源的有限性。水资源的超量开发消耗，或动用区域 地表水、地下水的静态储量，必然造成超量部分难以恢复，甚至不可恢复，从而 破坏自然生态环境的平衡。就多年均衡意义来讲，水资源的平均年耗用量不得超 过区域的多年平均资源量【5 “】。 ( 2 ) 可恢复性 地球上存在着极其复杂的周期性水循环，当年水资源的耗用，可为来年的大 气降水所补给，形成了资源消耗和补给的循环性，使得水资源具有了可恢复性， 这种自然资源便具有再生性1 5 _ 6 1 。 ( 3 ) 时空的不均匀性 水资源时间变化上的不均匀性，表现为水资源量年际、年内变化幅度很大。 区域年降水量因水汽条件、气闭运行等多种因素影响，呈随机性变换，使得丰、 枯年水资源量相差悬殊，丰、枯年交替出现，或连旱、连涝持续出现都是可能的。 水资源的年内变化也很不均匀，汛期水量集中，不便利用，枯季水量锐减，又满 足不了需水要求，而且各年年内变化的情况也各不相同。水资源量的时程变化与 需水量的时程变化的不一致性，是另一种意义上的时间变化不均匀性阻6 1 。 2 第一章绪论 水资源空间变化不均匀性，表现为水资源量地区分布上的不均匀性。水资源 的补给来源于大气降水，多年平均年降水量的地带性变化，基本上规定了水资源 量在地区分布上的不均匀性。水资源地区分布的不均匀，使得各地区在水资源开 发利用条件上存在巨大差别。水资源的地区分布与人口、土地资源的地区分布的 不相一致，是又一种意义上的空间变化不均匀性。 水资源时空变化的不均匀性，使得水资源利用要采用各种工程的和非工程的 措施，或跨地区调水，或调节水量的时程分配，或抬高天然水位，或制定调度方 案以满足人类生活、生产的需求。 ( 4 ) 多功能性和利害两重性 水资源是被人类在生产和生活中广泛利用的资源，不仅广泛应用于农业、工 业和生活，还用于发电、水运、水产、旅游和环境改造等。在各种不同的用途中， 有的是消耗性用水，有的则是非消耗性或是消耗很小的用水，而且对水质的要求 各不相同。这是使水资源一水多用、充分发挥水资源综合效益的有利条件。 水量过多容易造成洪水泛滥，内涝渍水；水量过少容易形成干旱等自然灾害。 正是由于水资源的这种双重性质，在水资源的开发利用过程中，尤其应强调合理 利用、有序开发，以达到兴利除害的目的。例如：合理开采地下水可以为国民经 济各部门的生产和生活提供水量，满足社会经济发展的需要；过度开采地下水， 会引起地下水位下降，水量减少、地面沉降等情况，影响社会经济的良性发展， 甚至危及人类生存1 5 “】。 2 、人工系统 水资源工系统中的人工系统，主要包括工农业生产、水力发电、江河航运、 淡水养殖、建造优美环境和娱乐场所等与人类息息相关的领域。人类社会在发展 的过程中，与水的斗争从来没有停止过。原始社会中，人类由于科学知识的缺乏， 始终处于被动的地位。随着科技的发展，人类掌握的知识逐渐增多，对水资源的 认识也在提高，对水资源的开发利用程度也越来越大，逐步占据了支配水的地位。 这反映了水资源系统中人工系统与自然系统相互影响、相互制约的特点f 5 “】。 1 2 水资源合理配置研究背景 水是人类赖以生存和发展的重要资源，关系重大。缺水问题已经成为2 1 世 3 河海大学工学硕士学位论文 纪人类继全球变暖之后的第二大问题。由于我国水资源存在时空分布不合理、供 需矛盾突出、利用效率低等问题，水资源短缺日益成为严重阻碍经济社会发展的 关键性问题。水资源合理配置是人类可持续开发和利用水资源的有效调控措施之 一，制定出合理的与水资源相协调的区域发展战略，越发显得重要。区域水资源 合理配置研究具有十分重要的意义。 1 2 1 世界水问题 地球是由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈组成的。水圈中现有约1 3 8 6 亿k m 3 水，主要以液态、固态和气态形式分布于海洋、陆地、大气和生物机体中，海洋 总储水量约为1 3 3 8k m 3 ，占全球总水量的9 6 5 4 ；南极、北极和高山地区冰川 融雪的储水量约0 2 4k m 3 ，占1 7 4 ；全球地下水约o 2 3k m 3 ，占1 6 9 ，存在 于陆地河流、湖泊、沼泽等地表水体中的水约5 0 6 万k m 3 ，占0 0 3 7 。能为人 类使用的淡水资源仅占总水量的2 5 3 ，如果考虑经济、技术能力，扣除目前暂 时无法开发使用的冰川积雪及深层地下水，理论上可供开发利用的淡水资源不到 地球总水量的1 。由此可见，可被人类利用的淡水资源是十分有限的【”。 尽管全球水资源十分有限，但是从1 9 4 0 到1 9 9 0 年的5 0 年内，世界人口翻 了一番，人均用水量也翻了一番，人口和人均用水量的增长，直接导致了全球总 用水量在同期增加了4 倍。世界多个国家和地区出现了用水紧张的局面。1 9 7 7 年联合国在阿根廷马德普拉塔召开的联合国水事大会上，向全世界发出了警告： 水不久将成为严重的社会危机，继石油危机之后，下一个危机就是水危机【7 】。 1 2 2 中国水资源危机 我国水资源在时空上分布很不均匀，水资源的供需矛盾十分突出。我国多年 平均降水量约为6 4 8 m m ，降水总量为6 1 9 0 0 亿m 3 。降水中约有5 6 消耗于路面 蒸发，4 4 转化为地表和地下水资源。根据水利部1 9 8 6 年完成的全国水资源调 查评价成果，我国多年平均年径流总量为2 7 1 1 5 亿m 3 年均地下水资源量为8 2 8 8 亿m 3 ，扣除重复利用量，我国多年平均水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 【1 】o 随着人口的增加和工农业的发展，人类活动对自然界的影响越来越大。特别 是1 9 8 0 年后，工业和城市生活用水的持续增长与有限供水之间的矛盾，造成了 水资源供需失衡，主要表现为：城市和工业用水挤占了农业用水；国民经济用水 挤占了生态环境用水，造成了农业供水的困难，加剧了生态环境的恶化。 4 第一章绪论 目前，我国北方地区水资源开发程度已经很高，7 0 年代以来频频出现河道 断流和湖泊洼淀萎缩等生态环境问题；南方水网地区，污水随意排放，水体污染 及富营养化现象严重；西北干旱半干旱地区，经济用水大量挤占生态用水，使荒 漠化趋势蔓延；西南山区，由于地形原因，水资源开发利用困难，水土保持工作 艰巨。归纳起来，我国水资源问题主要有以下几点：干旱缺水，水资源供需矛盾 尖锐；洪涝灾害频繁；水环境问题严重，水质性缺水突出；生态环境恶化；水资 源利用效率低下【7 l 。 1 3 国内外水资源合理配置研究进展 1 3 1 国外水资源合理配置研究进展 国外对水资源配置的研究始于6 0 年代初期，大多以流域水资源合理配置为 研究对象。1 9 6 0 年科罗拉多的几所大学对计划需水量的估算及满足未来需水量 的途径进行了研讨，体现了水资源优化配置的思想。伴随数学规划、模拟技术以 及系统分析方法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。s h a f e rj m 等( 1 9 7 8 ) 提出在水资源系统模拟框架下的水资源配置和管 理，并建立了流域管理模型。p e a r s o n 等( 1 9 8 2 ) 利用多个水库的控制曲线，以 产值最大为目标，输水能力和预测的需求值作为约束条件，用二次规划方法对英 国n a w w a 区域的用水量优化分配问题进行了研究。g y e h ( 1 9 8 5 ) 对系统分析方 法在水库调度和管理中的研究和应用曾作了全面综述，他把系统分析在水资源领 域的应用分为线性规划、动态规划、非线性规划和模拟技术等。w i l l i s ( 1 9 8 7 ) 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。由于水资源短缺的普遍性，世界银行( 1 9 9 5 ) 在 总结各种水资源配置方法不同地区应用的基础上，提出了以经济目标为导向，在 深入分析用水户和各方利益相关者的边际成本和效益下配置水资源的机制。 m c n n e v 等( 2 0 0 2 ) 提出基于g i s 的g i s 系统( o o g i s ) 的水资源模拟系统 框架，作了流域水资源配置研究的尝试【8 9 1 1 0 1 。 9 0 年代以来，水资源系统规划管理软件得到了长足发展，为水资源配置提 供了更多的工具。相对而言，国外在水资源模拟的软件产品上处于领先优势，开 5 河海大学工学硕士学位论文 发的模型具有较高的应用价值，充分利用计算机技术完成系统化集成。 m 1 1 ( e b a s i n 是由丹麦水利与环境研究所( d h i ) 开发的集成式流域水资源规划 管理决策支持软件。w m s 是美国b r i 曲a my b u n g 大学与陆军工程兵团共同开发 的可用于流域模拟的软件，属于e m s 软件系统的一个组成部分。w j t e n v a r e 是奥 地利环境软件与服务公司开发的流域综合管理软件，其功能包括流域的水资源规 划管理、水资源配置、污染控制以及水资源开发利用的环境影响评价。a q u a r i u s 是由美国农业部( u s d a ) 为主开发的流域水资源模拟模型。i c m s ( i n t e r a c t i v e c o m p o n e n tm o d e l i n gs y s t e m ) 是澳大利亚研制的水资源系统管理模型【8 “1 讲。 1 3 2 国内水资源合理配置研究进展 国内学者在2 0 世纪6 0 年代就开始了以水库优化调度为手段的水资源分配研 究。我国学者对水资源合理配置的研究主要从以下几方面进行：水利工程控制单 元的水资源优化配置、区域水资源优化配置、流域水资源优化配置、跨流域水资 源优化配置【8 - 9 10 1 。 水利工程是水资源配置的基本单元，由于其结构相对简单，影响和制约因素 相对较少，如何实现水利工程控制的有限水资源量的最大效益，成为广大学者较 早涉足的研究领域。曾赛星、李寿声( 1 9 8 6 ) 在对内蒙古河套灌区地表水地下水 联合优化调度中，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 8 9 年研究人员在江苏省徐州市欢口灌区建立了一个考虑灌溉排水、地下水位以及多 种水资源联合调度、联合管理的非线性规划模型，以确定农作物最优种植模式及 各种水源的供水量比例。唐德善( 1 9 9 2 ) 以黄河中游某灌区为例，运用递阶动态 规划法，确定水资源量在工业和农业之间的分配比例。贺北方等( 1 9 9 5 ) 、黄振 平等( 1 9 9 5 ) 、向丽等( 1 9 9 9 ) 和马斌等( 2 0 0 1 ) 对多库多目标最优控制运用的 模型与方法、灌区渠系优化配水、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。这些成果使水利工程单元的水量优化配置 理论和方法不断得到丰富和完善，促进了水资源优化配置理论和方法在水资源工 程管理中的应用，为水资源优化配置的决策提供了有力的支持【8 9 1 0 1 。 区域是社会经济活动中相对独立的基本管理单位，其社会经济发展具有明显 的区域特征。随着社会经济的快速发展以及多目标和大系统优化理论的深入研 究，2 0 世纪8 0 年代以来，区域水资源优化配置研究成为水资源学科研究的热点 6 第一章绪论 之一。由于区域水资源系统结构复杂，影响因素众多，各部门的用水矛盾突出， 研究成果多以多目标和大系统优化技术为主要研究手段，在可供水量和需水量确 定的条件下，建立区域水资源量在各分区和用水部门间的优化配置模型，通过模 型求解确定水量优化配置方案。南京水文水资源研究所采用系统工程方法对北京 地区水资源系统进行了研究，建立了地下水和地表水联合优化调度的系统仿真模 型，并在国家“七五”攻关项目中进一步完善并应用。贺北方( 1 9 8 8 ) 提出了区 域水资源优化分配问题，建立了大系统优化模型，采用大系统分解协调技术，在 河南豫西地区建立了区域可供水资源量年优化配置的大系统逐级优化模型。刘健 民等( 1 9 9 3 ) 采用大系统递阶分析方法建立了模拟和优化相结合的三层递阶水资 源供水模拟模型，将模型应用于京津唐地区的供水规划和优化调度。翁文斌等 ( 1 9 9 5 ) 将宏观经济、系统方法与区域水资源规划实践相结合，形成了基于宏观 经济的水资源优化配置理论，并在这一理论指导下提出了多层次、多目标、群决 策方法，实现了水资源配置与区域经济系统的有机结合，是水资源优化配置研究 思路上的一个突破。中国水利水电科学研究院等单位( 1 9 9 7 ) 系统地总结了以往 工作经验，将宏观经济、系统方法与区域水资源规划实践相结合，提出了基于宏 观经济的多层次、多目标、群决策方法的水资源优化配置理论，开发出了华北宏 观经济水资源优化配置模型，为大系统水资源配置研究开辟了新道路。2 0 0 2 年 中国水利水电科学研究院联合其他单位完成了“九五”国家重点科技攻关项目西 北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究，建立了干旱地区生态环境需 水量计算模型，计算出与区域发展模式及生态环境保护准则相适用的生态环境需 水量，在此基础上，提出了西北生态脆弱地区的水资源配置方案，该研究确立了 在水资源配置方案设置的基础上，生成水资源配置结果的研究思路，使水资源配 置结果更符合区域社会经济以及生态环境的实际情况【89 1 1 叭。 流域是具有层次结构和整体功能的复合系统，由社会经济系统、生态环境系 统、水资源系统构成，流域系统是最能体现水资源综合特性和功能的独立单元。 国内在流域水资源优化配置方面也取得了可喜的成果，成果与区域水资源优化配 置研究具有近似的特征。唐德善( 1 9 9 4 ) 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，提出了大系统多目标规划的求解方法。黄河水利委员 会( 1 9 9 8 ) 进行了“黄河流域水资源合理分配及优化调度研究”，综合分析区域 经济发展、生态环境保护与水资源条件，开发了由数据库、模拟模型、优化模型 河海大学工学硕士学位论文 等组成的决策支持系统，并初步研究了黄河干流多库水量联合调度模型，是我国 第一个对全流域进行水资源配置研究，对构建模型软件实施大流域水资源配置起 到了典范作用。陈晓宏等( 2 0 0 2 ) 以大系统分解协调理论作为技术支持，运用逐 步宽容约束法及递阶分析法，建立东江流域水资源优化调配的实用模型和方法， 并对该流域特被枯水年水资源量进行优化配置和供需平衡分析。王浩等( 2 0 0 2 ) 提出了水资源合理配置“三次平衡”以及水资源可持续利用的思想，系统阐述了 基于流域的水资源系统分析方法，提出了协调国民经济用水和生态用水矛盾下的 水资源配置理论【8 10 1 。 跨流域水资源优化配置是以二个以上的流域为研究对象，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，仿真性能强的模拟技术和多种技术结合成为跨流域水资源量优化 配置研究的主要技术手段。邵东国( 1 9 9 4 ) 针对南水北调东线这一多目标、多用 途、多用户、多供水优先次序、串并混联的大型跨流域调水工程的水量优化调配， 以系统弃水量最小为目标，建立了自优化模拟决策模型，采用动态规划法进行求 解。吴泽宁等( 1 9 9 7 ) 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， 并以大通河和湟水流域为例对模型进行验证，提出了跨流域调水工程的规模。卢 华友等( 1 9 9 7 ) 以跨流域水资源系统中各子系统的供水量和蓄水量最大、污水量 和弃水量最小为目标，建立了基于多维动态规划和模拟技术。甘泓、杨小柳等 ( 2 0 0 0 ) 给出了水资源配置的目标量度和分配机制，提出了水资源配置动态模拟 模型，开发了相应的决策支持系统，研制出可适用于巨型水资源系统的智能型模 拟模型。尹明万等( 2 0 0 4 ) 在探讨水资源系统及水资源配置模型概念的基础上， 介绍了全面考虑生活用水、生产用水和生态环境用水要求的、系统反映各种水源 及工程供水特点的水资源配置模型的建模思路和技巧，给出了可以应用于大型复 杂水资源系统的水资源配置系统模型实例1 8 一1 0 】。 目前，我国水资源配置科学理论体系、法律法规制度和社会宣传教育机制尚 不健全，开展水资源合理配置的科学基础、法律保障和社会响应体系亟待建立与 完善：水资源监管水平总体偏低，监测体制不完善，监测网络不健全，用水计量 不到位，存在着较严重的用水浪费、分配不公、观念落后等不利因素，使水资源 合理配置的理论、方法和观念推广和应用难度较大；部分地区水利工程基础设施 r 第一章绪论 建设薄弱，缺少开展水资源有效利用和科学分配的工程基础条件【1 3 l 。 总体而言，我国水资源严重短缺、水生态环境问题日益严重，国内学者对水 资源配置理论和应用研究以及相应决策分析作了较多工作。但由于研究范围和投 入力量的限制，各类研究通常以具体问题为导向，应用范围有限。对模型以及软 件开发尚缺少必要的投入，与国外研究和应用水平尚有一定差距。 1 4 论文主要内容和技术路线 1 4 1 论文主要内容 本论文立足于区域经济和社会发展实际，根据水资源合理配置理论和计算机 技术，研究了以下主要内容： 1 、分析了水资源以及水资源系统的特点，对世界范围内的水资源问题进行 了分析；对现阶段国内外水资源开发利用、水资源合理配置研究进行了全面回顾： 对水资源合理配置的涵义、内容、目标、原则、目标、模式等基本理论和方法进 行阐述，为本文提供理论支持。 2 、区域水资源合理配置属于多层次、多目标、多水源、多用户、多功能的 半结构化决策问题；区域生态环境系统、社会经济系统、水资源系统相互影响， 具有极强的复杂性；区域水资源合理配置需要考虑用水的公平性、水资源利用的 效率以及区域社会经济的发展等因素，不可能通过单一的模型进行解决，只能通 过多方面参与，特别是用水户和决策者的共同参与才能解决区域水资源合理配 置；本文对交互式决策支持系统进行了探讨和研究，根据水资源合理配置的多层 次、多用户的特点，建立了针对研究区域的水资源合理配置模拟分析系统。 3 、本文根据前人研究成果结合研究区域实际情况探讨了建立区域水资源合 理配置评价指标体系的指导思想和原则：本着评价指标体系操作性强、计算方便 等特点，建立了涵盖生态环境系统、社会经济系统和水资源系统三方面的评价指 标体系。 4 、本文基于区域水资源合理配置评价指标和评价等级间的非线性关系，应 用人工神经网络模型，建立了区域水资源合理配置人工神经网络模型。该模型不 需要构造评价指标与评价等级之间的函数关系和计算权重值，具有可操作性、实 用性。 9 河海大学工学硕士学位论文 5 、结合江苏省常熟市社会经济发展以及水资源的实际情况，开发了面向决 策者的交互式区域水资源合理配置仿真模拟系统；运用区域水资源合理配置模拟 分析系统进行常熟市社会经济发展预测、需水预测、可供水量预测、水资源供需 平衡计算、节水方案的组合：建立了针对常熟市实际情况的水资源合理配置评价 指标体系；建立了常熟市水资源合理配置人工神经网络评价模型；设定了1 2 套 水资源配置方案进行了评价，运用人工神经网络对各种组合方案进行优选，确定 最佳配置方案。 1 4 _ 2 论文的技术路线 根据国内外在水资源合理配置方面的研究成果，分析影响水资源合理配置盼 主要因素，研究区域水资源供需计算方法；建立水资源合理配置评价指标体系； 通过计算机建立区域水资源合理配置模拟分析系统，模拟区域需水以及供水的趋 势，计算各种节水方案下的评价指标值：运用人工神经网络善于联想、概括、模 拟和推理的特点，对各方案进行评价，确定最优配置方案。 区域水资源台理配置理论 需水预测 供水预测卜一+ 区域水资源合理配置模拟分析系统 水资源供需平衡计算 人工神经网络综台评价方法 最优水资源合理配置方案 水资源配置评价指标体系 图1 1水资源合理配置技术路线图 1 0 第二章水资源合理配置理论 第二章水资源合理配置理论 2 1 水资源合理配置涵义 水资源合理配置不仅涉及水资源及水资源系统概念的界定，而且与社会经济 系统运行、生态环境系统变化以及社会可持续发展思想、科学技术水平等诸多因 素有关，思考问题的出发点不同，对水资源合理配置涵义的理解有所不同。以下 是目前国内对水资源合理配置涵义有代表性的几种解释： 1 、全国水资源综合规划技术大纲对水资源合理配置的定义：水资源配置 是指在流域或特定的区域范围内，遵循高效、公平和可持续的原则，通过各种工 程与非工程措施，考虑市场经济的规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、有 效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种可利用的水源在区域间和 各用水部门间进行的调配【1 4 l 。 2 、自然资源利用的合理配置是人与自然物质交换的重要环节，也是人类干 预和改造自然的过程。自然资源合理配置方式就是自然资源合理利用的具体体 现。作为自然资源的水资源，其开发、利用、保护、防治的活动过程正是资源组 合和再配置的过程，也是水资源能否持续利用下去的重要问题之一，水资源合理 配置方式是水资源持续利用的具体体现。 3 、依据可持续发展的需要，通过工程与非工程措施，调节水资源的天然时 空分布；开源与节流并重，开发利用与保护治理并重，兼顾当前利益与长远利益， 处理好经济发展、生态保护、环境治理和资源开发的相互关系；利用系统方法、 决策理论和计算机技术，统地调配地表水、地下水、处理后可回用的污水( 回 用水) 、从区域外调入的水( 外调水) 及微咸水：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【1 6 】。 4 、水资源配置是指在流域或特定的区域范围内，遵循高效、公平和可持续 的原则，通过各种工程与非工程措施，考虑市场经济的规律和资源配置准则， 通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种 可利用的水源在区域问和各用水部门间进行的调配1 1 3 】。 1 1 河海大学工学硕士学位论文 以上几种对水资源合理配置的解释可以看出，水资源合理配置的基本内涵的 定义应该依据有效性、公平性、系统性以及可持续性原则，运用法律手段、行政 手段以及经济和技术手段，对天然水资源在区域之间的分布与社会经济需求进行 配置。 根据上述内容本文将区域水资源合理配置的定义概括为：在遵循水文循环的 自然规律与人类活动的规律基础上，在区域可持续发展思想和区域水资源可持续 利用思想指导下，通过工程和非工程措施，统一调配区域地表水、地下水、以及 其它水源，满足区域生态环境以及社会经济的协调发展，充分发挥区域水资源的 生态环境功能和社会经济功能。区域水资源合理配置的关键就是把有限的水资源 在不同子区域、不同用户之间进行分配。 2 2 水资源合理配置的内容 水资源合理配置的主要研究内容包括： 1 、社会经济发展对水资源的需求。以宏观经济理论为基础，通过建立社会 经济各部门的投入产出关系，确立高效用水、节水的国民经济结构以及社会经济 的发展方向；对不同社会经济发展阶段的各产业部门的用水结构、用水效率的合 理性进行分析以及采取何种技术措施进行改进：分析未来各种经济发展模式下国 民经济发展对水资源的需求，探索切实可行的社会经济发展模式i “】。 2 、水资源开发暑4 用模式。通过对不同水资源开发利用模式和区域社会经济 发展模式下的水资源供需平衡分析，研究各种水利工程的布局以及供水范围，供 水水源的组成，多水源的联合调度；各用水部门的供水量、供水保证率、余缺水 量等；各规划方案的可行性分析及参数选择，规划的各类水利工程的合理规模及 先后建设顺序等；评价水资源开发利用模式的合理性，对社会经济以及生态环境 的影响性以及各种开发模式的效益1 1 6 。 3 、水环境污染问题。研究分析社会经济发展过程中工农业生产和生活所造 成的水环境污染程度，各类污染物的排放量：结合不同经济发展模式和各种水资 源保护治理措施下污水排放、处理以及回用之间的相互关系；合理确定水环境功 能区划，分析区域水环境容量，制定合理的水环境保护标准；以生态经济系统研 究为基础，对水环境保护、生态环境的恢复进行评价：对生态耗水机理以及生态 第二章水资源合理配置理论 耗水量进行分析，在生态环境系统和社会经济系统之间合理分配水资源，对水资 源开发利用模式和生态环境保护进行研列。 4 、水资源合理配置的基础理论和方法。研究区域水资源合理配置的理论( 原 则、目标、基础、步骤以及相关领域界定等) ，水资源合理配置的技术支持( 数 学建模技术、水文模型、水量水质模型、评价模型、模拟模型、优化模型等研究) ， 以及管理信息系统、决策支持系统、地理信息系统等高新技术在水资源合理配置 中的应用【。 5 、水资源管理。研究与水资源合理配置相应的水资源科学管理体系，包括： 制定有效的水资源政策法规，建立科学的水资源管理机制和管理手段；对水权制 度进行深入研究，建立合理的水权制度，确定合理的水价、水资源费、污水处理 费的征收标准和实施办法；运用经济学理论分析缺水地区由于缺水造成的损失以 及水的影子价格，分析水价对社会经济发展影响及对水需求的抑制作用，培养水 资源科学管理人才等i ”】。 2 3 水资源合理配置的目标 促进区域社会经济可持续发展和生态环境建设是水资源合理配置的主要目 标。水资源合理配置需要改变水资源的天然时空分布以适应生产力布局，协调各 项竞争性用水；在水资源余缺情况不同的流域或地区间，进行跨地区跨流域调水； 在不同的国民经济各用水部门问，按照各部门协调发展的投入产出关系实行计划 供水；在近期目标和长远目标之间，既要注重水资源的开发利用以满足当前需要， 也要积极进行水资源的保护与治理，以形成水资源开发利用的良性循环；在开源 与节流的关系上，扩大供水能力的同时，积极开展节水工作，增加对区域降水的 有效利用，增加水资源循环转化过程中的有效部分，采用高效节水措施，提高区 域水资源利用率，控制需水的过度增长；在水资源的开发利用模式上，不仅重视 原水的开发，更需注意废污水的处理与回用，控制污水排放，减少水污染，增加 有效水资源量，按质分级对不同用水要求的用户进行匹配供水，减小供需缺口； 在除害与兴利的关系上，要注重化害为利，将洪水、污废水转化为有用的水资源。 遵循市场机制和经济法则，按边际成本最小的原则安排各类水源工程的开发利用