（农业水土工程专业论文）六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究.pdf

冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 中文摘要 随着我国社会经济的迅速发展，水资源短缺已成为制约区域经济发展的主要 因素之一。为缓解山丘区水资源供需矛盾，保证地方经济的可持续发展，加强山 丘区水资源配置理论及其应用研究，为山丘区水资源合理开发利用提供决策依据， 具有重要的理论和现实意义。本文结合江苏省六合区水资源综合规划的实例，运 用动态模拟模型对其山丘区水资源配置进行了分析研究。 论文针对六合山丘区水资源的实际情况及蓄、引、提“长藤结瓜”式供水系 统的特征，进行了水资源调查评价和水资源开发利用现状调查评价，结合水系特 征及补水方式，对六合山丘区水资源系统进行分区和概化：以2 0 0 5 年作为水资源 开发利用和经济发展预测的基准年，从生活、生产、生态环境三个方面对各分区 2 0 1 0 年、2 0 2 0 年两个规划水平年不同保证率( 7 5 、9 5 ) 的需水量进行预测；( 3 ) 论文重点阐述了六合山丘区水资源配置动态模拟模型的概念、分析思路，建立了 包括小型水库分片包干，中型水库分片包干、联合运行，河网水资源系统3 个模 块的水资源配置动态模拟模型。给出了模型的计算程序框图；( 4 ) 运用六合山丘 区水资源配置动态模拟模型，在不同来水频率、不同保证率、不同水平年和不同 作物种植布局情况下，进行水资源配置动态模拟，确定各分区合理的工程规模、 种植布局和水资源配置方案，并对红山窑枢纽补水泵站等骨干工程进行校核，为 山丘区水资源科学调度和合理配置提供决策依据。实例运用表明，所采用的动态 模拟模型是可行的与有效的，达到了预期目的，对山丘区水资源配置研究具有很 好的参考价值。 关键词：山丘区“长藤结瓜”水资源配置需水预测供需平衡分片包干、 联合运行动态模拟模型六合区 i i 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h er a p i de c o n o m yp r o g r e s so fh i l l ya r e a si no u rc o u n t r y ，w a t e rs h o r t a g eh a s b e c o m eo n eo ft h em a i nf a c t o r st h a tr e s t r a i nr e g i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t i no r d e r t o 印p e a s et h ew a t e rr e s o u r c e ss u p p l y a n d - d e m a n dc o n f l i c to fh i l l ya r e aa n dt oa s s u r e t h es u s t a j n a b l ed e v e l o p m e n t ，i th a sv i t a lt h e o r e t i ca n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o s t r e n 昏h e nw a t e rr e s o u r c ea l l o c a t i o nm e o r ya r l di t sa p p l i c a t i o ns t u d y i nc o m p a n yw i t h t l l e e x 锄p i eo fw a t e rr e s o u r c ec o m p r e h e n s i v ep r o g r 锄m i n go fl u h ed i s t r i c ti n n 枷i n gc i t y ，t h ep a p e rc a r r i e st m o u g ha n a l ”i c a ls t u d yo nw a t e rr e s o u r c ea l i o c a t i o no f i t sh i l l ya r e am a k i n gu s eo fd y n 锄i cs i m u 】a t i o nm o d e l b a s e do nt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fw a t e rr e s o u r c ei nl u h eh i l l ya r e aa j l dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fb a n k i n g ， l e a d i n ga n dl i r i n g “m e l o n s v i n e s m o d e 、v a t e n o r k s ； t h r o u g hw a t e rr e s o u r c ei n v e s t i g a t i o ne v a l u a t i o na n du t i l i z a t i o na c t u a l i t yi n v e s t i g a t i o n e v a l u a t i o n ；c o m b i n i n gw i t ht h ew a t e rs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sa n dw a t e rs u p p l ym o d e ， t h e s t u d y a r e ai s s e p a r a t e di n t ot w ow a t e r r e s o u r c es u b a r e a s t h r o u g hp r o p e r a b s t r a c t i o na i l dp o l y m e r i z a t i o ng e n e r a l i z a t i o n ，t h ew a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o nd y n a m i c s i m u l a t i o nm o d e l i ss e tu p ，w h i c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n g3p a r t s e a c hs m a l lr e s e r v o i r i sd i v i d e du pi n t op i e c e sa n da s s i g n e dr e s p o n s i b i l i t y ；4s e a tm i d - t y p er e s e r v o i r sn mi n c o n ju n c t i o nw i t hs m a l l 妙p er e s e r v o i r s ；d i a p h y s i sr i v e rn e t w o r ki sr e g a r d e da sav i r t u a l ”r e s e r v o i r t ，j o i n to p e r a t e dw i t hm i d - t y p er e s e r v o i r sb ym a k i n gu s eo ft h ee x i s t i n gw a t e r r e p l e n i s h i n gw a y b a s e do nl i f e ，i n d u s t r y ，a g r i c u l t u r ea n de c o l o g i c a le n v i r o 咖e n tw a t e r r e q u i r e m e n tp r e d i c t i o n o nt h ec o n d i t i o n so fd i 丘 e r e n t t y p i c a ly e a ra n dd i a e r e n t i n c o m i n gf l o wf r e q u e n c yo fe a c hs u b a r e 以t h es t a t eo fw a t e rs u p p l ya n dd e m a n d b a l a n c eo fe a c hs u b a r e ai so b t a i n e db yd u r a t i o nb yd u r a t i o nd y n 锄i cs i m u l a t i o na n d w a t e rb a l a n c ea n a l y s i s a c c o r d i n gt od i 艉r e n ti n c o m i n gn o wf r e q u e n c y ，d i 艉r e n t s c o p eo fp r i 。j e c ta n dd i f 凳r e n tc r o p sl a y o u t ，v a r i o u su ，a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya n dd e m a n d s c h e m e sa r ea s c e r t a i n e d t h e nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e li su s e dt oa s c e r t a i ns o u n d 冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 i i i s c o p eo fp f 甸e c t ，p l 锄i n gl a y o u ta n da l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c ei ne a c hs u b a f e a ，a n d c h e c kt h ep u m p i n gp o 、 ，e ro fh o n g s h a n y a op u m p i n gs t a t i o n ，w h i c hp r o v i d e sag o o d r e f e r e n c et 0w a t e rp r o g r a m m i n gi nh i l l ya r e a t h ea p p l i e a t i o ns h o w st h a tt h ea d o p t i v e d y n a m i cs i m u i a t i o nm o d e li sf e a s i b l ea n de f r e c t i v e ，a n dt h ee x p e c t a n to b j e c t i v ei s o b t a i n e d ，w h i c ho f 王- e r sa ne x c e l l e n tr e f e r e n c et 0w a t e rr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nh i l l ya r e a k e y w o r d ：h i l l ya r e a s ；“m e l o n s - v i n e s ”m o d e ；w a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o n ；w a t e rd e m a j l d p r e d i c t i o n ；s u p p l y d e m a n db a l a n c e ；d y n a m i cs i m u i a t i o nm o d e l ；l u h ed i s t r i c t 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导帅指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 冯炎扎 签字同期：御8 年6 月6r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 冯萸犯 导师签名： 多善孑形夺 签字同期：娜髻年6j 弓6 一签字闩期：如懒三石月6r 冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 1 绪论 1 1 研究的背景 1 1 1 全球水资源概况 在人类进入2 l 世纪之际，水资源紧缺已成为全球性的问题。根据联合国1 9 9 7 年出版的全面评估世界淡水资源，全球陆地可更新的淡水资源量约4 2 7 5 万亿 m 3 ，其中可供人类使用的淡水资源量约为1 2 5 1 4 5 万亿m 3 ，按1 9 9 5 年全球人口 5 7 3 5 亿来计算，全世界人均淡水资源量为7 4 5 0 m 3 ，其中，可开采利用的淡水资源 量人均约为2 1 8 0 2 4 4 0 m 3 ，显然，地球上的淡水资源是非常有限的。由于淡水资源 在时空分布上极不均匀，各国人口和经济的发展也很不平衡，用水的迅速增长使 世界上许多国家和地区面临水资源危机，出现了用水紧张的局面。 目前，世界上有1 2 亿人用水短缺，3 0 亿人缺乏用水卫生设施，每年有3 0 0 4 0 0 万人死于和水有关的疾病。据预计，到2 0 2 5 年，水危机将蔓延到4 8 个国家，3 5 亿人用水困难【卜之】。全球水资源的短缺不仅造成环境、生态系统恶化，也阻碍了世 界可持续发展，严重制约2 1 世纪全球经济与社会的发展，并可能导致国家及地区 间的冲突，研究新世纪水资源配置的国家战略及其相关的科学问题，是目前各国 政府的重点议题之一。 1 1 2 我国水资源的特点 我国水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，居世界第六位，但人均、亩均占有量少。按 1 9 9 7 年人口统计，人均占有水资源量约2 2 0 0m 3 ，仅为世界人均占有量的1 4 ，耕 地每公顷平均水量2 7 8 6 7m 3 ，约为世界的3 4 。目前，我国己被联合国列入世界1 3 个贫水国之一。据预测，到2 0 3 0 年我国人口达到峰值1 6 亿时，人均水资源量只 有1 7 6 0m 3 ，接近国际公认的1 7 0 0m 3 用水紧张的界限【3 5 j 。此外，我国的水资源还 具有时空分布不均，与土地资源和生产力格局不相匹配，江河泥沙含量高的特点。 在北方缺水地区，水资源开发利用程度已经很高，但缺水日趋严重，水的利用效 2 扬州大学硕士学位论文 率和管理水平都亟待提高。随着社会的发展进步和人民生活水平的提高，对水的 数量和质量的要求会越来越高，届时，缺水形势必将更为严重，供给与需求之间 的矛盾也将日益尖锐，未来水资源形势十分严峻。从长远利益和可持续发展的角 度考虑，对有限的水资源进行合理配置，实现高效利用是十分必要的，也是缓解 水资源短缺、供需矛盾的必要手段。 1 1 3 我国山丘区水资源存在的问题及解决途径 我国地形按地貌可分为山地、平原、高原、盆地和丘陵五种类型，其中山区、 丘陵地区( 简称山丘区，下同) 分布很广，面积约占全国总土地面积的8 0 左右， 耕地占全国总耕地面积近5 0 ，在我国历史和社会经济发展进程中一直占有重要 地位【6 】。由于受地形地貌、水文地质等自然条件的影响，我国山丘区水资源区域性、 季节性干旱缺水问题十分严重，长期成为制约当地经济可持续发展的直接因素。 1 1 3 1 山丘区水资源面临的问题 随着我国山丘区社会经济的迅速发展，在取得显著成就的同时，也存在着一 些不可忽视的、亟待改善的问题。水资源短缺、用水紧张、水资源供需失衡、水 质恶化、地下水超采、水土流失等严重影响到未来山丘区经济的可持续发展。 ( 1 ) 水资源短缺日趋严重 由于受气候、地形条件影响，我国水资源时空分布具有年内分布不均、年际 变化大以及区域分布不均匀的特点，特别是山丘区尤为突出。由于干旱半干旱山 丘区降雨量较少，即使有些地区降雨量相对充沛，也由于年内、年际分配不均， 加之雨水拦蓄设施有限，造成山区资源性、季节性缺水严重，给当地群众生活和 生产构成了严重威胁。如我国的一些地区由于缺水，粮食减产，学校停课，群众 成天找水、挑水，汽车拉水，拖拉机送水，可以说群众一年四季为水而忙，但仍 摆脱不了“忙在水上、穷在水上”的困境。水资源短缺，已成为制约山丘区经济 发展和老百姓脱贫致富奔小康的主要障碍。 ( 2 ) 水资源缺乏合理配置，供需矛盾加剧 由于大部分山丘区在一个特定流域或区域内，忽视了水资源合理配置，工程 冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 3 与非工程措施薄弱，对有限的不同形式的水资源没有进行科学合理的分配，不能 有效实现水资源的可持续利用，出现各部门和各行业( 包括环境和生态用水) 之间的 竞争用水问题，导致供需矛盾日益加剧，必然对保证当地社会经济、资源、生态 环境的协调发展构成了严重威胁。 ( 3 ) 缺乏区域规划，雨水集蓄率低 一般年降雨量的7 0 集中在6 9 月份，且大多以暴雨形式出现，极易形成超渗 产流，在地面落差较大的丘陵山区，可以利用自然坡面或稍作处理的人工集流面， 以较少的场次，即可获取较多的径流量，同时变水害为水利【7 1 。由于大部分山丘区 缺乏区域性统筹规划，雨水集蓄工程规模不足或布局不合理，导致山丘区雨水资 源只能白自流失，甚至产生山洪、水土流失等自然灾害。 ( 4 ) 水土流失严重，生态环境恶化 我国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失面积达3 6 7 万l ( i t l 2 ，占 国土总面积的3 8 。2 ，其中丘陵山区水土流失最为严重【8 1 。水土流失不但引起雨水 利用率降低，而且容易使坡面形成沟壑，表土流失，肥力降低，土壤理化性状破 坏，作物减产，甚至不能继续耕种，流失的泥沙又常覆盖良田，淤塞河道。水土 流失严重的地方甚至出现岩石裸露、光山秃岭的景象，土地条件非常恶劣，生态 环境日益恶化。 1 1 3 2 解决山丘区水资源供需矛盾的方法 解决山丘区水资源供需矛盾主要采取开源与节流并重，积极治污，进行水资 源合理配置等方法。 ( 1 ) 开源。在原有水源基础上，着重提高水资源利用效率，并可以通过加大 投资，兴修水利工程和设施，开发新的水源，增加水资源供应能力。 由于山丘区地形起伏，峡谷众多，有利于筑坝建库，以蓄水抗旱、滞洪，同 时地形坡度大，易于自流引水灌溉。因此，在发展农业生产的过程中，我国山丘 区兴建了许多引、蓄结合或引、蓄、提相结合的“长藤结瓜”灌溉系统。它是山 丘区较合理的形式，包括三个组成部分：一是渠首引水、蓄水或提水工程；二是 输水配水渠道系统；三是灌区内部小型水库和塘堰以及小型提水工程。由于渠道 4 扬州大学硕士学位论文 系统似藤，灌区内部蓄水设施似瓜，故名“长藤结瓜 灌溉系统。这类系统具有 以下特点： 1 ) 比较充分地利用了山丘区可能利用的水源。在非灌溉季节，利用渠道引取 河水灌塘，以便用水紧张季节河水、塘水同时灌田：另外，傍山渠道还可承接一 部分坡面径流，引入渠道或塘堰，进行灌溉或存蓄。 2 ) 引水上山，盘山开渠，扩大了山丘区的灌溉面积，而且也为旱地改水田提 供了有利条件。 3 ) 充分发挥了灌区内部塘堰的调蓄作用。由于塘堰有河流径流补给，从而提 高了塘堰的复蓄次数及抗旱能力。 4 ) 提高了渠道单位引水流量的灌溉能力。由于在渠系内部联结了许多山塘、 平塘及小型水库等蓄水设施，就能把非灌溉季节的渠道引水量( 即河流径流) 存 蓄起来，以供灌溉季节时使用。 5 ) 由于充分利用了灌区内部的塘库( 特别是小型水库) 调蓄河流径流，因此， 在河流上兴建大、中型水库时，可在相当程度上减少河流水库的季调节容积。 山丘区灌溉系统的型式很多，主要有以下两种：一种是一河取水、单一渠首 的灌溉系统，这是山丘区灌溉系统的基本形式，当依靠灌区内小型塘库调蓄当地 径流不能满足灌溉用水的要求，或者河流水源需要进行年调节或多年调节以满足 灌溉、发电、防洪等综合利用要求时，则必须在河流上修建较大的水库，形成大、 中、小蓄水工程联合运用的形式；另一种是多河取水、多渠首的灌溉系统，这种 水利系统不仅由小网发展成大网，而且也逐渐自一条河系发展到与几条河系相连， 以解决山丘区流域之间水资源不平衡的问题。 ( 2 ) 节流。我国山丘区农业灌溉用水效率较低，节约潜力很大，可以积极制 定促进节水的政策，加强管理，完善工程配套，大力发展节水农业，研究、推广 节水灌溉新技术和新方法，提高人们的节水意识、减少水资源的浪费。节水是缓 解供需水矛盾、实现水资源可持续利用的长久之策。 ( 3 ) 防治污染。严防污染的同时加大水污染治理力度，加强环保意识，兴建 污水处理厂和中水利用系统，变废水、污水为再生之水，有用之水。 冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 5 ( 4 ) 水资源合理配置。前面三类方法有一定条件限制，需要大量资金投入， 且效果的发挥还需一定时间。如果运用科学技术和方法，改变传统的管理模式和 理念，对有限水资源进行合理配置，可使水资源得到充分高效利用，使山丘区社 会经济与环境协调发展。 1 2 研究目的及意义 六合山丘区位于滁河以北六合区，西、北分别与安徽省来安县、天长市接壤， 东与江苏省仪征市交界，南以滁河为界，以丘陵岗地为主，总面积1 1 4 9 7k m 2 ，已 初步形成了蓄引提“长藤结瓜式供水系统，水资源供给体系初步形成，并适应 经济社会发展过程中的基本需求，但由于各地区、各项水利功能体系之间发展不 平衡，水资源条件、经济发展水平存在差异。目前，水资源紧缺与浪费并存，水 资源利用效率低，水资源供给无法保障六合区经济社会快的速发展要求；经济社 会发展与水环境承载能力关系不协调，水环境保护和治理任务依然十分繁重；非 工程性措施相对滞后，水资源管理体制机制不完全适应社会主义市场经济的要求。 根据六合区国民经济和社会发展“十一五 规划，其发展定位为环境友好 的全国重化工基地领先区、南京商贸物流发达区、江苏省知名的都市型高效农业 示范区、人与自然和谐的生态环境友好区和经济社会协调的和谐区。为保证六合 区国民经济和社会发展“十一五”规划的顺利实施，积极响应六合区的发展定位， 加强六合区，特别是山丘区的水资源配置研究势在必行，以解决水资源短缺和供 需矛盾问题，满足乡镇居民生活用水和生产用水的需求，增加自然生态系统留用 水量，改善河道外城镇生态环境、河道内生态环境需水，保障河道、水库维持一 定的生态水位。 因此，本文以六合山丘区为例，通过水资源供需状况平衡分析，揭示当前水 资源供需的矛盾所在，在此基础上采用仿真性与实用性较好的动态模拟模型，进 行山丘区水资源配置研究，为合理高效利用有限的水资源，制定干旱年、特别干 旱年的应急措施或推荐方案与建议，缓解水资源供需矛盾，并为确定山丘区水资 源合理开发利用方案提供依据，对促进六合山丘区水资源的可持续利用与当地社 6 扬州大学硕士学位论文 会、经济、环境的协调可持续发展具有重要的理论和实际意义。 1 3 国内外研究进展 水资源合理配置是指在流域或特定的区域范围内，遵循公平、高效和可持续 利用的原则，以水资源的可持续利用和经济社会可持续发展为目标，通过各种工 程与非工程措施，考虑市场经济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，对多种可利用水资源在区域间和各 用水部门间进行的合理调配，实现有限水资源的经济、社会和生态环境综合效益 最大，以及水质和水量的统一和协调一j 。 宏观而言，水资源优化配置是在水资源开发利用过程中，对洪涝灾害、干旱 缺水、水环境恶化、水土流失等问题的解决实行统筹规划、综合治理，实现除害 兴利结合，防洪抗旱并举，开源节流并重；协调上下游、左右岸、干支流、城市 与乡村、流域与区域、开发与保护、建设与管理、近期与远期等各方面的关系。 微观上讲，水资源优化配置包括取水方面的优化配置、用水方面的优化配置，以 及取水用水综合系统的水资源优化配置。取水方面是指地表水、地下水、污水等 多水源间的优化配置。用水方面是指生态用水、生活用水和生产用水间的优化配 置。各种水源、水源点和各地各类用水户形成了庞大复杂的取用水系统，加上时 间、空间的变化，水资源合理配置作用就更加明显。 水资源合理配置是一个极其复杂的系统工程，随着人们的认识水平提高和科 学技术的不断发展，以及水资源合理配置实践的不断深化，水资源合理配置的概 念逐步明确，其内涵日益丰富。在探索如何合理配置水资源的过程中，人们逐渐 认识到，水资源配置的客观基础，是“社会经济一资源一生态一环境 复杂巨系 统中宏观经济系统、水资源系统、生态系统以及环境在其发展运动过程中的相互 依存与相互制约的定量关系，这一关系集中体现在用水竞争性和投资竞争性上。 水资源配置的主要内容包括，在空间上，通过跨地区、跨流域调水来调剂水 资源的余缺：在时间上，通过水库等调节工程来解决年内和年际水资源分布不均 匀的问题；在不同的国民经济用水部门问，按照协调发展的投入产出关系实行计 冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 7 划供水：在近期目标和长远目标之间，既注重满足当前需要，也要积极进行水资 源的保护与治理以形成水资源开发的良性循环在开源与节流的关系上，坚持在节 约的基础上扩大供水能力，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，更要注重污废水的再生处理及回用；在除害与兴利的关系 上，要注重化害为利，将洪水转化为可用的水资源。 1 3 1 国外研究历史及现状 自从2 0 世纪4 0 年代m a s s e 提出山丘区水库优化调度问题以来，随着5 0 年 代系统分析理论和优化技术的引入以及6 0 年代计算机技术的发展，以水资源系统 分析为手段、水资源合理配置为目的各类研究工作得到迅速发展应用。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， 体现了水资源合理配置的思想，成为国外水资源优化配置研究的起点【l 们。 进入7 0 年代，数学规划和模拟技术的不断发展，使得水资源合理配置的成果 不断增多【1 1 13 1 。1 9 7 1 年，美国学者n o r i l l a j d u d l e y 将作物生成模型和具有二维状 态变量的随机规划相结合对季节性灌溉用水分配进行了研究【1 4 】；1 9 7 4 年，j l c o h o n 和对d h m a r k s 对水资源多目标问题进行了研究；1 9 8 2 年，p e a r s o n 等利用多个水 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 、棚，a 区域的用水量优化分配问题进行了研究。同年，英国 学者pwh e r b e r r t s o n 等，针对潮汐电站的特点，考虑多部门利益的相互矛盾，利用 模拟模型对潮汐海湾的新鲜水量分配进行了模拟计算，展现了模拟技术的优越性； 荷兰学者er o m i j n mt a m i n g a 考虑了水的多功能性和多种利益的关系，强调决策 者和决策分析者间的合作，建立了g e l d e r l a n d td o e n t h e 的水资源量分配问题的多层 次模型，体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点。1 9 8 5 年，gy e h 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。1 9 8 7 年，w i l l i s 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 8 扬州大学硕士学位论文 水库与地下水含水层的联合管理问题【1 5 l 。1 9 9 7 年，美国学者n o 肌a njd 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，对灌区的季节性灌溉 用水量分配进行了研究【i6 1 。 9 0 年代以来，水污染和水危机不断加剧，以往的以供水量和经济效益最大为 水资源合理配置目标的模式已不能满足需要，国外学者开始在水资源合理配置中 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 9 9 2 年，a f 五l ，j a v a i d 等人针对p a k i s 伽的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【17 1 。1 9 9 5 年，w a t k i n s ，d a v i d w j r 介绍了一种伴随风险和不确 定性的可持续水资源规划模型框架，建立了有代表性的水资源联合调度模型。此 模型是一个二阶段扩展模型，第一阶段可得到投资决策变量，第二阶段可得到运 行决策变量，运用大系统的分解聚合算法求解最终的非线性混合整数规划模型【1 8 】。 1 9 9 7 年，w b n g ，h u 曲s 等提出支持地表水、地下水联合运用的多目标多阶段优化 管理的原理和方法【1 引。 2 0 世纪末是科技飞速发展的时期，新的优化技术，如遗传算法等，开始在水 资源领域应用，这大大推动了水资源合理配置的研究。1 9 9 7 年，o l i v e i r a 等使用 遗传算法生成水库群系统的调度规则【2 0 1 。1 9 9 8 年，w a n g m 研究遗传算法( g a ) 和模拟退火( s a ) 在地下水资源优化管理中的应用，考虑地下水最优开采率随水 流状态而变化的特性，建立了地下水多阶段模拟优化混合模型。2 0 0 1 年， c h a n d r 锄o u l i 等利用动态规划和神经网络进行水库群建模研究f 2 l 】。t e e g a v a r a p u 等提出了基于模拟退火法的水库系统调度优化方法【2 2 1 。2 0 0 2 年，m c k i n l l e y 等提 出了基于g i s 系统( o o g i s ) 的水资源模拟系统框架，进行了流域水资源配置研究 的尝试【2 3 】。 1 3 2 国内研究历史及现状 我国水资源合理配置方面的研究开始于2 0 世纪6 0 年代，经过4 0 多年的发展， 水资源配置研究取得了长足的进展，阶段性成果如下： 2 0 世纪6 0 年代，开始了以水库优化调度为先导的水资源分配研究。 1 9 8 2 年开始的国家“六五 “七五”重点科技攻关项目华北水资源研究 冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 9 中，对华北地区水资源总量和“四水 转化规律进行了广泛的研究，提出了结合 该地区水资源问题的根本解决措施，形成了水资源合理配置概念【5 1 。 1 9 8 8 年，贺北方提出区域水资源合理分配问题，建立大系统序列优化模型， 采用大系统分解协调技术求解【2 4 】。 1 9 8 9 年，吴泽宁等以经济区社会经济效益最大为目标，建立经济区水资源优 化分配的大目标多系统模型及其二阶分解协调模型，采用多目标l p 技术求解，并 以三门峡为实例进行验证；曾赛星、李寿声根据江苏徐州地区欢口灌区的实际情 况，建立了一个既考虑灌溉排水、降低地下水位的要求，又考虑多种水资源联合 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。 2 0 世纪8 0 年代后期，学术界开始提出水资源配置及承载能力的研究课题， 并取得初步成果。 1 9 9 1 一1 9 9 3 年，陈志恺和王浩等在承担的联合国开发计划署技术援助项目“华 北水资源管理( u n d p c p 刚8 8 0 6 8 ) 中，首次在我国开发出了华北宏观经济水资源 优化配置模型。随后，许新宜、王浩和甘泓等在国家科委和水利部启动的“八五” 国家重点科技攻关专题“华北地区宏观经济水资源规划理论与方法 中，系统地 建立了基于宏观经济的水资源合理配置理论技术体系。 1 9 9 2 年，唐德善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。 1 9 9 4 年，唐德善应用多目标规划思想，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：蔡喜明等在基于宏观经济的区域水 资源多目标集成系统中，集预测、模拟、优化和决策等功能为一体，建立水资源 规划分析系统。 1 9 9 5 年，翁文斌等将宏观经济、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合理配置理论，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，成为水资 源合理配置研究思路上的一个新突破；黄振平【2 5 】等分别对多库多目标最优控制运 l o 扬州大学硕士学位论文 用的模型与方法、灌区渠系优化配水进行了研究： 1 9 9 6 年，由黄委会勘测规划设计研究院主持的“黄河流域水资源合理分配和 优化调度研究 成果中，开发了由数据库、模拟模型、优化模型等组成的决策支 持系统，并初步研究了黄河干流多库水量联合调度模型：高振宇【2 6 】建立了北京市 宏观经济水资源多目标分析系统实现了多目标群决策过程的计算机化。 1 9 9 7 年，卢华友等【”】以义乌市水资源系统为对象，建立大系统分解协调模型， 提出了递阶模拟择优的方法；王成丽等针对近年来黄河下游连年缺水、断流等现 象，研究了黄河下游水资源量的优化配置问题；许新宜、王浩等于同年编著了华 北地区宏观经济水资源规划理论与方法。 1 9 9 9 年，黄强【2 8 】以西安市市区供水水源优化调度为例，建立了多水源联合调 度的多水源模型，提出了多目标模型求解的思路和方法；向丽【2 9 】等对大型灌区水 资源合理分配模型进行了研究；同年，邱林建立了河南省宁陵县三层递阶大系统 优化配水模型，将该县水资源在各子区各作物间进行最优化分配。 2 0 0 0 年，徐慧等p o j 采用动态规划模型求解淮河流域大型水库群的联合优化调 度问题，使大型水库群在大范围暴雨洪水期间综合效益达到最优；王劲松【3 1 】提出 以时空运筹模型为核心的决策判断过程透明和分层交互的透明交互决策系统，该 系统包括区域社会经济发展目标、水资源供给和总量时空优化三大块相互关联的 模块。用户可以用这个决策系统寻求研究区社会经济发展与水资源协调的方案； 辛玉琛【3 2 】等应用现代系统分析理论，建立了长春市多水源联合供水的优化管理模 型：吴险峰等探讨了北方缺水城市枣庄在水库、地下水、回用水、外调水等复杂 水源条件下的优化供水模型，在结合考虑社会经济生态综合效益的基础上，建立 了水资源合理配置模型。 2 0 0 1 年，马斌等【3 3 】进行了多水源引水灌区水资源调配模型及应用的研究。 2 0 0 2 年，中国水利水电科学研究院等单位联合完成的“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”，建立了干旱区生 态环境需水量计算方法，提出了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，提出了针对西北生态脆弱地区的水资源配置方案【3 4 】； 冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 l l 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，并对该流域特枯年水资源 量进行优化配置和供需平衡分析：谢新民等于同年编著了宁夏水资源优化配 置与可持续利用战略研究。 2 0 0 3 年，冯耀龙等【36 】系统分析了面向可持续发展的区域水资源优化配置的内 涵与原则，建立了优化配置模型，给出了其实用可行的求解方法，并以天津市2 0 1 0 水平年的水资源配置为对象进行了应用研究；岳春芳针对珠海市水资源开发利用 面临的问题和水资源管理中出现的新情况，采用现代的规划技术手段，包括可持 续发展理论、系统论和模拟技术、优化技术等，建立了珠海市水资源配置模型； 王浩等于同年编著了黄淮海流域水资源合理配置、西北地区水资源合理配置 与承载能力研究。 2 0 0 4 年，黄牧涛等3 7 1 以云南曲靖灌区为例，采用大系统分解协调技术对大型灌 区水库群系统水资源优化配置问题进行了分析和研究，构建了水资源系统两级递 阶分解协调模型，并给出了模型优化决策算法的程序框图。 2 0 0 6 年，徐建新等【3 8 】构建了基于可持续发展的两级递阶分解协调优化配置模 型，并以河北省水资源配置为研究对象进行了应用研究：黄义德等【3 9 】进行了淠史 杭灌区实时水资源供需状况的模拟运行及运行方式变化对灌区水资源整体供需关 系的改变的研究。 上述阶段性成果表明，我国水资源合理配置方面的研究虽起步较晚，但发展 很快。特别近2 0 年的研究研究成果，标志着我国水资源合理配置理论和方法体系 框架的基本形成。 1 3 3 研究存在的问题及发展趋势 经过国内外专家、学者近5 0 年的努力，水资源合理配置研究工作在理论、方 法和实践、应用方面已经取得了显著的成就，也获取得了巨大的社会、经济效益。 水资源合理配置对象从最初的小规模、单目标的水库用水、灌溉用水优化，发展 到较大规模、多目标、全局优化算法的流域或区域水资源合理配置。水资源配置 方式经历了由经济增长型到社会发展协调型的历史演变。水资源配置模型研究经 1 2 扬州大学硕士学位论文 过长期的发展，无论广度和深度以及应用的计算技术和手段都有长足发展，主要 表现为问题涉及范围扩大、指导性功能提高、软件工程技术的引入和系统集成性 的加强、实用性和可操作性的提高等方面。当然，取得丰硕的成果固然是肯定的， 但是由于研究的时间尚短，水资源合理配置研究还存在着许多问题，尤其是随着 科学技术的进步和社会的发展，新的要求和问题还将不断涌现。 根据当前水资源合理配置研究存在的不足，分析未来社会经济发展对水资源 合理配置的要求，该领域在以下方向还需进一步探讨与完善【4 2 1 ： ( 1 ) 充分考虑水资源配置工作所具有的宏观性。水资源配置不能仅仅停留于 对一个区域范围内部的水量调配工作上，而应当从大流域整体角度出发，系统分 析流域中各个子区域自身水资源条件和水资源供需特点，对流域内各种可利用水 源对于各区域不同用水要求的用户在工程能力约束条件下进行配置，以合理的水 资源配置格局为区域发展总体布局提供参考。 ( 2 ) 重视生态环境方面的要求。当前水资源配置不能仅仅局限于满足水资源 数量上的供需平衡，而是应当追求区域发展与水相关的各类主要因素的平衡，包 括水质平衡、水土平衡和水生态平衡。当前的水资源开发需要满足生态环境需水 的要求，提出防止生态环境破坏的预防措施以及恢复和改善的措施。目前对于生 态需水的认识和计算已经有了一些理论上的突破，为水资源配置在这方面的深入 研究提供了基础。 ( 3 ) 突破单纯使用优化模型或模拟模型的思路，结合优化方法和模拟计算。 由于水资源配置的复杂性仅使用数学优化方法难以贴近于实际，完全采用模拟的 方法则又无法有效控制众多的参数、条件，以经验处理大量的组合因素必然忽略 许多可能的优解当前计算机的软硬件技术飞速发展，大规模复杂系统的优化技术 也有很多创新和提高，使得复杂模型能够得到求解。所以可以采用优化模拟评 价的总体思路得到水资源配置模型的决策方案结果，通过在简化目标和约束下寻 求优解，再利用模拟模型得到进一步的的结果便于方案选取评价。这样便于发挥 优化方法的搜索能力在庞大的可行空间中寻找到优或次优的配置方案集，同时发 挥模拟模型仿真性、可靠性强的优势。 冯英艳六合山丘区水资源配置动态模拟模型研究 1 3 ( 4 ) 提高决策方案的比选和配置效果的评价水平。配置方案的选择始终是一 个多目标决策问题，不能仅在水资源问题本身层次上完成方案的比较和评价，应 当以完善可行的指标体系对得到的方案集进行比较选择，在综合社会、经济和环 境各个方面影响的基础上分析各种可行方案的经济、社会和环境各方面的效益进 行取舍。由于涉及面宽，决策因素众多，各方面的效益指标在价值量度上也不统 一并且具有不确定性，所以必须引入合适的多目标决策方法。在得出合理可行的 推荐配置方案后，还应当对其实施后可能产生的效果作尽量全面的评估，并考虑 到所有能涉及的方面，组成全面的评价体系。 ( 5 ) 加强水资源配置模型软件化方面的投入。随着社会经济进一步发展，水 资源领域所需要考虑的问题必将会更多更复杂，而各类数据收集分析的水平也相 应逐步提高，使得专业问题分析考虑的尺度更细。而计算机软硬件技术的发展为 更大规模的研究提供了基础，也对开发人员从宏观系统框架和微观方法技术上提 出了更高要求。这两方面的发展必将共同推动水资源领域应用软件的综合性、系 统性和实用性。加强对水资源配置理论和方法的研究对提高水资源管理水平有重 要意义。通过对现有理论和技术的改进，注重对国际上同类软件的弓l 进和消化， 提高水资源配置的研究水平，为相关各项工作提供基础，同时增强决策部门对流 域的总体认识提高管理水平促进水利现代化。 1 4 本文研究主要内容和方法 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 六合山丘区计算单元划分及分区供用水系统概化：根据六合山丘区地形 地貌、工程布局和水系特征，分为补水困难区和河网补水区两大水资源分区，结 合分区实际情况将供用水系统适当概化以便于建模研究。 ( 2 ) 分区基准年水资源供需平衡计算与分析：以2 0 0 5 年为基准年，依据现 状条件下的供水工程规模、作物种植种类与种植面积、工业、生活及生态用水情 况，通过在不同来水频率条件下，对两个分区分别进行水资源供需平衡计算。分 1 4 扬州大学硕士学位论文 析各个分区总水量盈亏状况及缺水原因，为水资源合理配置提供依据。 ( 3 ) 分区水资源配置动态模拟模型的建立及编程运算：依据现状条件下的来 水过程，利用模拟技术建立各分区水资源供需平衡动态模拟模型。通过模拟模型， 对分区水资源配置进行模拟求解。 ( 4 ) 动态模拟模型在分区水资源配置中的应用：根据不同来水频率，分别在 不同工程规模和不同作物种植布局情况下，组合生成多种水资源供需方案，应用 已建模型进行模拟与计算，确定各分区