【精品硕博论文-水利水电工程】过境洪水资源可利用量分配及效益量化方法研究(001)

硕士学位论文过境洪水资源可利用量分配及效益量化方法研究STUDYONTHEDISTRIBUTIONANDBENEFITQUANTIZATIONOFFLOODUTILIZATION摘要近年来，随着我国社会经济的快速发展，各个领域对水资源的需求程度全面提升，在不利的需水形势下，地表水、地下水等传统的水源开发利用已难以解决部分地区所面临的水资源短缺问题，开发新的淡水资源显得尤为重要。与此同时，我国洪涝灾害频发，在洪水泛滥时，为保障洪水过境时人民的生命财产安全及社会经济建设的正常秩序，需耗费大量人力物力保障洪水下泄入海。而洪水具备淡水资源属性，洪水资源的短缺与汛期洪水单纯下泄入海的矛盾，为缓解水资源短缺问题提供了机遇和挑战。因此，关于过境洪水资源的合理利用的研究逐渐成为水资源领域的一大热点。我国学者在洪水资源可利用量计算、水资源效益计算等方面取得了一定成果，为洪水资源利用提供了重要依据，但对洪水资源可利用量的合理分配及对其产生的效益进行量化方面尚缺乏系统研究。本论文在分析国内外洪水资源利用的基本理论、水资源配置及其效益量化的基础上，探讨了洪水资源可利用量在用水户间的分配及其效益的量化方法。本文的主要研究内容及成果主要包括以下四个方面（1）过境洪水资源利用的基础理论研究。在总结过境洪水资源利用的定义及内涵，过境洪水资源利用特点，其利用原则与利用方式和措施的基础上，阐述过境洪水可利用量、洪水资源效益的相关概念与含义，并分析探讨了洪水资源利用产生的四种效益的常用量化方法及其存在的优缺点。（2）过境洪水资源可利用量分配。根据过境洪水资源利用的特点，确定洪水资源可利用量的分配原则，分析对其进行合理分配的必要性，以此为基础构建以经济效益及社会效益为目标的洪水资源可利用量分配模型，并提出基于遗传算法的模型求解方法。（3）过境洪水资源利用效益量化。总结分析常用效益量化方法的优缺点，采用柯布道格拉斯生产函数法量化工业用水效益，将能值理论应用于农业用水效益、生活用水效益及生态环境用水效益的计算，详细阐述农业用水、生活用水及生态环境用水的效益量化方法。（4）实例研究。以江苏省连云港市为例进行研究，建立连云港市洪水资源可利用量分配模型，确定相应的模型参数，采用该模型对连云港市洪水资源可利用量在行政区及用水户间进行分配。在此基础上，采用相应的效益量化方法，对连云港市洪水资源在工业、农业、生活及生态环境用水方面的效益进行计算。关键词洪水资源利用；分配模型；效益；CD生产函数；能值理论ABSTRACTINRECENTYEARS,THERAPIDDEVELOPMENTOFCHINASSOCIALECONOMY,ISACCOMPANIEDBYACOMPREHENSIVEUPGRADINGOFWATERRESOURCESDEMANDINVARIOUSFIELDSANDTHECONTRADICTIONOFWATERRESOURCESSUPPLYANDDEMANDISVERYPROMINENTASTOTHEEXISTENCEOFDROUGHTANDWATERSHORTAGETRADITIONSDEVELOPMENTANDUTILIZATIONOFWATERRESOURCESHAVEBEENDIFFICULTTOSOLVETHEPROBLEMOFWATERSCARCITYINCHINAUNDERADVERSECIRCUMSTANCESATTHESAMETIME,ALARGENUMBEROFCROSSINGFLOODDISCHARGEDINTOTHESEAFORTHEFREQUENTFLOODDISASTERSINCHINA,WITHITSFRESHWATERRESOURCESATTRIBUTEISCONSIDEREDTOBEANIMPORTANTRESOURCETOALLEVIATETHESHORTAGEOFWATERRESOURCESWHENFLOODING,TOPROTECTTHEPEOPLESLIFEANDPROPERTYSAFETYWHILETHENORMALORDEROFTHECONSTRUCTIONOFTHESOCIALECONOMY,WENEEDTOSPENDALOTOFMANPOWERMATERIALRESOURCESTOENSURETHEFLOODDRAINAGEINTOTHESEA,THUSTHEUTILIZATIONOFCROSSINGFLOODRESOURCESHASBECOMEAHOTSPOTCHINESESCHOLARSHAVEOBTAINEDSOMEACHIEVEMENTSINAVAILABILITYANDWATEREFFICIENCYOFFLOODRESOURCE,PROVIDINGANIMPORTANTBASISFORTHEFLOODRESOURCESUTILIZATIONRESEARCHBUTFORFLOODRESOURCESAVAILABILITYINTHEHOUSEHOLDSOFTHEDISTRIBUTIONANDITSBENEFITISLACKOFSYSTEMATICRESEARCHBASEDONTHEBASICTHEORYOFDOMESTICANDINTERNATIONALFLOODRESOURCEUTILIZATION,WATERALLOCATIONANDQUANTIFIABLEBENEFITS,THEPAPEREXPLORESTHEMETHODTOQUANTIFYTHEAMOUNTOFTHEFLOODDISTRIBUTIONBETWEENWATERUSERSANDBENEFITSTHEMAINRESEARCHCONTENTSANDRESULTSOFTHISPAPERAREMAINLYDIVIDEDINTOFOURASPECTSLISTEDASFOLLOWS1BASICTHEORYRESEARCHONCROSSINGFLOODRESOURCESUTILIZATIONBASEDONCONNOTATION,CHARACTERISTICS,PRINCIPLESANDBASICMETHODSOFFLOODRESOURCEUTILIZATION,THEBASICTHEORYOFTRANSITAVAILABLEAMOUNTOFFLOODING,FLOODRESOURCEEFFICIENCYTHEORYANDQUANTITATIVEMETHODSWEREEXPLAINED2DISTRIBUTIONOFCROSSINGFLOODRESOURCESUTILIZATIONESTIMATIONMETHODSWEREDESCRIBEDTOESTIMATEAVAILABLEAMOUNTOFCROSSINGFLOODRESOURCESOFRESERVOIRSANDRIVERSDISTRIBUTIONMODELWASCONSTRUCTEDWITHTHEGOALOFECONOMICANDSOCIALBENEFITSBASEDONTHEFLOODVOLUMEALLOCATIONCRITERIA,COMBININGWITHGENETICALGORITHMSTOSOLVEITSDISTRIBUTIONMODELINITSADMINISTRATIVEREGIONANDTHEALLOCATIONRESULTSAMONGUSERS3EFFECTIVENESSOFCROSSINGFLOODRESOURCESCDPRODUCTIONFUNCTIONMETHODWASUSEDTODETERMINEINDUSTRIALWATERUSEEFFICIENCYANDVALUETHEORYWASAPPLIEDTOTHEBENEFITCALCULATIONOFAGRICULTURALWATER,LIVINGWATERANDECOLOGICALWATERUSEEFFICIENCY4CASESTUDIESLIANYUNGANGCITYINJIANGSUPROVINCEWASADOPTEDASANEXAMPLEANDTHEDISTRIBUTIONMODELFORTHEUTILIZABLEFLOODRESOURCESWASAPPLIEDTOASSIGNFLOODRESOURCESAMONGINDUSTRIAL,AGRICULTURAL,LIFEANDECOLOGICALWATERUSERSTHEBENEFITSWERECALCULATEDRESPECTIVELYKEYWORDSFLOODRESOURCESUTILIZATION,DISTRIBUTIONMODEL,BENEFIT,CDPRODUCTIONFUNCTION,VALUETHEORY目录摘要IABSTRACTII目录IV第一章绪论111研究背景和意义112国内外研究动态2121洪水资源利用国内外研究动态2122洪水资源分配国内外研究动态4123洪水资源利用效益国内外研究动态713论文主要研究内容及技术路线9131论文主要研究内容9132研究技术路线10第二章过境洪水资源利用基础理论1221过境洪水资源利用内涵和特点12211过境洪水资源利用定义和内涵12212过境洪水资源利用特点1322过境洪水资源的利用原则与利用方式13221过境洪水资源利用原则13222过境洪水资源利用方式1423过境洪水资源可利用量的概念及估算方法16231过境洪水资源可利用量的概念16232过境洪水资源可利用量的估算方法1624过境洪水资源利用效益常用量化方法17241过境洪水资源利用效益概念17242工业用水效益常用量化方法18243农业用水效益常用量化方法19244生活用水效益常用量化方法21245生态环境用水效益常用量化方法2125本章小结23第三章过境洪水资源可利用量分配模型2431过境洪水资源可利用量分配原则与必要性24311过境洪水资源可利用量分配原则24312过境洪水资源可利用量分配的必要性2532过境洪水资源可利用量分配模型26321目标函数26322约束条件2733基于遗传算法的分配模型求解27331遗传算法简介28332遗传算法执行过程29333基于遗传算法的分配模型求解步骤3134本章小结32第四章过境洪水资源利用效益量化方法3341基于CD生产函数的工业用水效益量化方法33411CD生产函数简介33412基于CD生产函数的工业用水效益计算3442基于能值分析的农业用水效益量化方法37421能值分析简介37422基于能值分析的分摊系数法计算农业用水效益3743基于能值理论的生活用水效益量化方法41431水价的能值计算思路41432城市供水系能值水价的计算公式42433生活用水效益计算4344基于能值理论的生态环境用水效益量化方法4445本章小结45第五章连云港市过境洪水资源利用实例研究4751连云港市概况47511自然地理概况47512水系概况48513社会经济概况49514连云港市水资源开发利用状况5152连云港市过境洪水资源利用的必要性和可行性54521连云港市过境洪水资源利用的必要性54522连云港市过境洪水资源利用的可行性5653连云港市过境洪水资源可利用量分配57531洪水资源可利用量估算57532连云港市洪水资源可利用量分配60533洪水资源分配成果及分析6354连云港市过境洪水资源利用效益估算66541连云港市工业用水效益计算66542连云港市农业用水效益计算68543连云港市生活用水效益计算70544连云港市生态环境用水效益计算72545成果分析7455本章小结75第六章总结与展望7761总结7762展望78参考文献79第一章绪论11研究背景和意义我国存在着严重的干旱缺水问题，同时也受到频繁的洪涝灾害困扰。在当前的水资源情势下，根据新时期治水思路，我国坚持防汛抗旱并举，合理开发利用洪水资源，对洪水资源进行合理配置，以求在确保防洪安全的基础上，尽可能提高水资源的有效供给及本地水资源利用率，保证供水质量并维系良好的生态环境。因此，如何合理的调配、利用洪水资源逐渐成为了一个重要课题。我国提出洪水资源利用，具有其历史必然性。我国干旱缺水现象严重，水资源时空分布极不均匀，水的供需矛盾十分突出，其特点表现在水资源的空间分布不均匀；水资源补给的年内与年际变化较大；人均水资源占有量偏少；水资源区域分布与生产力分布极不匹配。我国水资源总量丰富，全国多年平均水资源总量为28405亿M3，但单位国土面积水资源量为全球平均水平的83，人均水资源量约2100M3，不足世界人均水平的1/3。统计数据显示，我国正常年份缺水量约为500亿M3，全国660多个城市中有400个城市供水不足，114个城市严重缺水，2000多万农村人口存在饮水困难问题。干旱缺水对工业、农业生产造成不利后果的同时，也对城市、农村人民的生活带来不良影响，甚至会造成河道断流、湖泊干涸、地面沉降等恶劣后果，不仅使环境恶化，更给人类的生存带来极大威胁。伴随社会经济的快速发展带来的是各个领域对水资源的需求的全面提升，这不仅是要提高水资源的供给量，也对供水的保证率、均衡性以及水质的提出了更高的要求，更要求经济社会与生态环境协调发展。预计到2030年，我国的人口将达到16亿的峰值，人均水资源拥有量将下降到1750M3，用水总量将达70008000亿M3，而实际可能利用的水资源量约为50009500亿M3，两者已十分接近。人口的增长和经济的发展要求供水能力比现状增加13002300亿M3，可见我国水资源供需矛盾之突出，已接近国际公认的警戒线。当前地表水、地下水等水资源的开发利用程度已经很高，进一步开发已不能满足生产生活的需要，传统的思路、办法难以解决我国水资源短缺问题，非常规淡水资源的开发显得尤为重要。在干旱缺水的同时，我国洪涝灾害频发，有10的国土面积，5亿以上的人口、5亿亩耕地，100多座大中型城市，全国70的工农业总产值受到洪涝灾害的严重威胁。在2200多年中，据文献记载，我国共发生大洪灾1600多次，给人民生命财产和社会经济建设造成了巨大影响。在严峻的防洪形势下，我国每年在洪水泛滥时，为了保障人民群众的生命财产，保证社会经济发展的正常秩序，不得不耗费大量人力物力确保洪水过境下泄入海，据统计，全国江河平均每年入海水量约为16000亿M3，主要集中在汛期以洪水形式下泄入海，如1998年长江大通站最大30天洪水量2231亿M3全部流入东海。淡水资源短缺与带有淡水资源属性的洪水资源单纯入海的浪费的矛盾情况，正好为缓解当前的水资源短缺问题提供了机遇和挑战。我国自然和气候特点导致我国70以上天然径流集中在汛期，因此，如何对汛期洪水进行有效的调配利用，如何使汛期洪水在各领域发挥最大的效益，是一个值得引起关注和研究的课题。近年来的洪水资源利用研究与实践也表明，通过科学的采取工程措施和非工程措施，可以在不增加防洪风险的同时，提高洪水资源的利用率，取得显著的经济、生态环境和社会效益。开展过境洪水资源利用研究，估算过境洪水资源可利用量，并对其在生活、生产各领域进行合理的配置，对洪水资源利用产生的效益进行定量评估，可提升各行业对洪水资源的认识，为进一步开展洪水资源利用提供重要的理论依据，以确保其顺利实施。12国内外研究动态121洪水资源利用国内外研究动态1211国外研究情况国外洪水资源利用的提法较少，学者对洪水相关研究主要集中于洪水管理，即在利用工程措施防御洪水灾害的同时，积极采取洪泛区管理、洪水预警、洪水行政立法等非工程措施进行防洪减灾。国外洪水管理的经验，可为我国洪水管理和进一步的洪水资源利用提供参考。美国在工程措施完备的密西西比河流域1993年遭受极大损失后，经过不断的工程实践，意识到单纯依靠修建工程措施难以完全控制洪水，还需要增加更多新的防洪手段，进而逐渐建立了洪水资源管理理念1。洪水保险制度作为美国洪水管理的重要内容，得到了赵苑达2、程晓陶3等国内学者的关注，他们就该制度进行了详细分析。同样，在密西西比河大洪水后，各国都开展了洪水管理研究并付诸实施。日本自70年代后期起，转变了“安全确保”的治水方略，加强了防洪风险研究，更强调非工程措施的实施。YUTAKATAKAHASI等（2004）通过对日本河流管理政策的总结，认为日本已从注重经济效益转变为重视河流的综合管理4。荷兰由于奇特的地势原因，始终存在较大的洪水风险，20世纪末，荷兰已建成了高标准的防洪工程体系，并配备了完善的预警预报、堤防安全检查评估体系5。当前，荷兰倡导采用分滞洪策略和绿色河流策略等弹性管理策略进行洪水管理，通过局部控制洪水，在不加高堤防的前提下，提高总体安全标准6。印度结合自身国情，以面向公众服务为目标，共享信息资源并采用实用化技术，推进洪水管理信息系统发展。程晓陶7对印度MAHANADI流域及BIHAR洲洪水管理进行了分析，印度的洪水管理系统经验值得我国思考学习8。苏格兰学者WENDYKENYON9在现有的洪水管理流程的基础上，开发一种公众参与决策的多目标洪水风险评估方法，结果表明参与者更倾向于选择利用再生或种植原生林地进行洪水管理，而不愿优先选择建设堤坝来进行洪水防御。1212国内研究情况在我国近年来江河实测径流呈下降趋势，水资源供需矛盾逐年突出的情况下，国内许多学者在我国洪水资源利用方面做出了大量研究和实践。学者们在总结国内外洪水利用历史及分析我国洪水资源利用存在问题的基础上，在洪水资源化方式、水库洪水资源利用及河网洪水资源利用方面进行了深入研究。在水库洪水资源利用方面，水库汛期分期及分期汛限水位控制，是洪水资源利用的重要前提。汛期分期的方法有很多种，主要包括以下几种方法。成因分析法10通过整合大量的气象资料，从洪水的成因上分析汛期的变化规律，进而进行汛期分期，该方法分期结果较为合理，由于资料短缺、工作量大等确定仍基本勇于定性分析。模糊分析法陈守煜教授1112引入模糊理论，根据汛期的划分的模糊性，利用描述汛期模糊性的指标对汛期进行分期，该方法考虑了汛期时间的模糊性，但隶属度的计算等相对困难。分析分析法侯玉13等将分形理论引入到讯期分期中，该方法计算简便，但分形范畴较为困难；聚类分析法通过计算样品距离，逐步合并距离最小的类别直至将所有样品合并的方法，高波等14将系统聚类法应用于潘家口水库的汛期分期中，该方法对于有时序的样本进行聚类时，存在将非连续的样本化为一类的问题。变点分析法15该方法理论基础严密，但变点个数及阈值的选取带有一定主观性。另外随着研究的推进，学者们在常用方法的基础上，研究出了新的分期方法，如谢飞、王文圣16根据现有分期方法不便应用的情况，提出了基于集对原理的汛期分期方法；王宗志等17对模糊聚类方法进行了改进，在其基础上建立了基于模糊时序有效聚类的汛期分期方法。我国汛限水位的确定，由初期在常规调度的方式下，采用单一的汛限水位值，向基于洪水预报调度和基于汛期分期的方式转变。在静态动态水位控制的基础上，学者的目光逐渐集中于汛限水位的动态控制，通过综合实时的天气预报，即使调整水库下泄量，从而可提高洪水资源的利用率。水库汛限水位动态控制的常用方法包括以下三类频率分析法18、随机数学分析法19、层次分析法20等不考虑实时天气信息的方法；熵权模糊优选法21、灰色动态规划法22、遗传算法23等以短期降雨信息为基础，建立水库多目标优化调度模型的方法；预蓄预泄法、综合信息推理模式法24等在对短期降雨、洪水预报分析后进行汛限水位控制的方法。在洪水资源可利用量计算方面，丁涛，楼越平等25根据动态水位控制原理，建立了河网目标控制水位优化计算模型，用以实现洪水资源的高效利用。方红远等26从洪水本身的特性及其对经济社会的影响等方面出发，阐述了区域洪水资源可利用量的概念，提出了以扣除法计算河网洪水资源可利用量，并建立了以安全、有效利用为目标的区域洪水资源可利用量评价方法。胡庆芳，王银堂等27定义了洪水资源可利用量和洪水资源利用潜力，对相关概念进行了详细阐述，并分别建立了两者的评估方法，为流域洪水资源利用状况的评价以及洪水资源利用的后续计算提供了两个基本指标。总结国内外在洪水资源利用方面的不同经验，由于国情、自然条件及发展情况等差异，我国与国外关于洪水的研究内容存在着不同的侧重点。国外更注重洪水的风险防范，以及如何进行有效的洪水管理以降低洪水风险，洪水资源利用的提法较少。我国则更注重于将洪水资源转化为常规水资源，以补充水资源量，因而在洪水资源利用方面的理论研究较多，且在部分地区进行了有效尝试。122洪水资源分配国内外研究动态洪水资源利用的研究尚处起步阶段，对洪水资源分配的研究尚未开展，而水资源优化配置的相关理论已相对成熟，因此，洪水资源分配可参考水资源优化配置成果。1221国外水资源配置相关研究国外对水资源优化配置的研究开始于20世纪60年代。LOUCKS等28在专著水资源系统规划与分析中，详细介绍了系统分析的方法，并将其引入水资源规划中。自此开始，系统分析法逐渐成为了研究学者们求解水资源规划问题的主要方法。20世纪70年代，系统分析法得到了各国的广泛的研究应用，与此同时，多目标规划、线性规划及动态规划也逐步应用于水资源优化配置中，采用数学模型描述水资源系统的研究更为普遍。7090年代的水资源配置内容，主要集中在水量的优化分配上。1972年，NBURAS发表了水资源科学分配一书29，总结了水资源系统工程学，论述了水资源合理开发利用的方法，并着重介绍了运筹学及计算机技术在水资源系统运行调度中的应用。1974年，LBECKER30开始了对水资源多目标问题的研究。1976年，HAIMESYACOVY31将多目标优化应用于水资源系统中，并针对大系统的模拟和优化，提出了水资源系统的层次分析方法。1985年，WWGYEH总结了当时已出现的各种水库运行和管理数学模型，全面分析了各类模型的特点、适用条件及存在的不足32；WARDIAW33、JAMES34等结合了动态规划和线性规划两种方法，对各用水地区地表水的分配和地下水的开采量进行了优化管理。90年代以后，水资源优化配置由单纯的经济目标，进入到更重视水资源保护及其可持续性。与此同时，随着水资源系统的细化，各种小系统模型逐渐完善，遗传算法、混合遗传算法、混沌优化算法等优化算法和模拟技术成功的应用于水资源优化配置领域3536。1992年，AFZAL、JAVAID等针对不同水质的水的使用量问题，建立了区域灌溉系统线性规划模型，进行了优化分配37；1997年，WONG，HUGHS38等提出了地表水、地下水、外调水等多水源联合运用的多目标多阶段优化管理方法。NORMANJDDUDLEY39将作物生长模型与随机动态规划相结合，研究了灌区季节性灌溉用水量的优化配置问题。1999年，KUMAR，ARUN等40建立了污水排放优化模型，提出了经济、技术上均可行的流域水质管理方案。2000年，MOSRHED、JAHANAGIR等回顾总结了GA在非连续、非凸、非线性问题中的应用，并提出了遗传算法的改进方向4142。进入21世纪，可持续发展问题得到深入研究，水资源优化配置主要从水权、水市场、水资源经济效益评估、管理政策和体制等方面开展。此外，一些先进数学算法和软件工具也逐步应用到水资源优化配置的研究中来。1222国内水资源配置相关研究我国的水资源优化配置研究开始于80年代初，相较国外起步较晚，但由于得到了足够的重视，近20年来发展迅速。在发展的过程中，优化配置的目标逐渐从单一的经济效益最大，转化为综合考虑经济、社会及生态环境的协调发展。优化算法和计算机技术的进步，很大程度的促进了我国水资源配置理论和实践的发展。根据水资源优化配置范围和对象的不同，可分为以下几类43。（1）灌区水资源优化配置。以某一灌区为研究对象，通过建立多水源联合优化调度模型，优化调节不同工程组合，使灌区的缺水量达到最小，并取得较好的经济效益。黄振平（1995）等对山东陈垓引黄灌区优化配水进行了研究，以净效益增长最大为目标函数，建立了最优种植面积优化模型，确定了该灌区的最优作物布局及最优灌溉制度44。向丽（1999）等45，对渭干河灌区建立了水资源大系统分解协调模型，模型考虑了灌区各子系统的特点和联系，可针对其具体情况分别求解，模型具有一定灵活性和实用性。马斌（2001）等应用系统分析的方法，以供水量之和最大为目标，对宝鸡峡灌区建立了多水源饮水灌区优化模型46。赵丹（2004）等对南阳渠灌溉工程建立了灌区水资源优化配置序列模型，综合考虑了节水、水权和生态环境等因素47。高玉芳（2007）等采用混沌人工鱼群算法，对威海市节水灌溉示范区进行优化配水48。付银环（2014）等考虑了灌区水资源优化配置的不确定性，建立了两阶段随机规划方法，并在甘肃省武威市的三个灌区中应用49。（2）区域水资源优化配置。区域水资源的优化配置，是针对相对独立，且具有明显区域特色的行政区或经济区而展开的，大系统理论在区域水资源优化配置上得到了充分应用。吴泽宁等1989以获得最大社会经济效益为目标，建立了大系统多目标模型及其二阶分解协调模型，并用层次分析法评价了水资源配置的生态环境效益。卢华友（1999）等50针对义乌市水资源系统多水源、多用户、不同保证率的复杂性，建立了大系统分解模型。2000年以后，学者们根据各研究城市、区域的具体情况，建立了综合考虑经济、社会与环境的水资源优化配置模型，并将基于可持续发展理论51、基于水资源承载力52、基于遗传算法53及面向生态54的优化配置方法在不同区域进行了有益尝试。（3）流域水资源优化配置。流域是由社会经济系统、生态环境系统、水资源系统组成的，具有完整层次结构和整体功能的复合系统。流域水资源优化配置即在流域内，采取各种工程及非工程措施，将不同类型水源在区域和用水户间合理分配。唐德善（1994）55基于多目标规划的思想，建立了黄河流域水资源多目标分析模型，提出采用大系统递阶动态规划对模型进行求解。1996年，黄委设计院在“黄河流域水资源合理分配和优化调度研究”中，开发数据库、模拟模型、优化模型等决策支持系统，并初步黄河干流水库联合调度模型。陈晓宏（2002）等56采用大系统分解协调原理，运用逐步宽容约束及递阶分析法，研究了东江流域的水资源优化配置问题。刘德地（2011）等57从协同学原理出发构建了优化配置的目标函数，并采用基于混沌和声搜索算法求解，并将模型和算法应用于北三河流域。此外，基于模糊联盟合作博弈58、人工鱼群算法59等进化算法逐步被应用于水资源配置领域。（4）跨流域水资源优化配置邵东国（1994）60针对南水北调东线工程，以系统弃水量最小为目标，建立了自优化模拟决策模型。卢华友等（1997）以各子系统供水量及弃水量最大，污水量及弃水量最小为目标，建立了大系统分解协调实时调度模型。吴泽宁（2002）61对南水北调工程水资源优化配置的目标、研究内容和配置实施措施进行了初步探讨。王海云等（2007）62以综合效益最大为目标，结合层次分析法与线性规划法，建立了南水北调河北受水区的水资源优化配置模型。由此可见，我国水资源配置虽比国外起步稍晚，但近年来已取得了较多的成果。研究内容上，水资源配置从灌区和某一水利工程，向区域、流域和跨流域发展。目标函数看上，从单一的经济目标向经济、社会、生态和可持续发展的综合目标变化。在求解方法上，动态规划、多目标线性规划、遗传算法，改进遗传算法，多目标遗传算法及大系统理论等使日益复杂的配置问题变得简单。可见，水资源配置的基础理论已相对成熟，伴随着新的智能优化算法的应用，将能得到更为合理、精确的优化方案。123洪水资源利用效益国内外研究动态1231国外洪水资源利用效益研究从国外洪水管理的研究来看，国外更注重于洪水风险的防范，对洪水利用效益较少提及。2004年，ROYBROUWER等63对荷兰的洪水管理替代政策进行了综合生态、经济和社会方面的效益评估研究，对加高堤防和蓄滞洪区滞洪两种不同的洪水管理措施进行了深入的分析，采用CBA（COSTBENEFITANALYSIS）和MCA（MULTICRITERIAANALYSIS）两种方法对其产生的效益进行了计算和对比。此研究主要是对洪水管理政策产生的效益进行评估计算，而非洪水资源利用产生效益，此项差异主要是由于荷兰的更偏重与防洪减灾，与我国水资源短缺的国情不同。但其效益计算方法先进、合理，可给我国制定洪水管理政策，或计算效益提供参考。1232国内洪水资源利用效益研究近年来，国内学者在洪水效益分析的基础上，对洪水效益因子识别，定量评估，经济与社会效益评价方面做出了相关研究。于琪洋64（2004）对城市雨洪资源利用现状进行了分析，并提出了城市利用雨洪资源的措施和设想。殷峻逞、侯召成65针对大连市碧流河水库，建立洪水资源效益分析模型，定量的对该水库洪水资源利用效益做出了分析。邵东国、李玮6667（2005）认为可采用缺水损失法、分摊系数法用来计算工业供水效益，用水价法计算城市生活供水效益，并对平原地区洪水资源化地下水回灌效益因子进行了识别。陈洁、许长新68首次以经济学的视角，前瞻性的对洪水资源利用的成本进行了分析，得出了洪水资源利用的收益将远大于成本的结论。2007年，胥卫平等69通过分析雨洪资源的利用对国民经济的促进作用，建立了雨洪资源利用的经济效益评价的指标体系及其经济价值评价模型，并将其应用于西安市。冯峰等70（2010）通过构建多层次半结构性指标体系及动态连续评价模型，对吉林省白城市在20022007年间的洪水资源利用综合效益进行评价的，得到了洪水资源利用量与其产生的效益存在着正相关关系的结论。冯峰等71（2013）针对洪水利用的社会效益定量评价问题，构建了社会效益分度测评模型，将洪水资源利用产生的社会效益进行定量评价。根据国内外对洪水效益的研究情况，可得出以下几点结论（1）由于对洪水研究的侧重点不同，国外基本没有洪水利用效益的研究，但其对洪水管理政策效益的计算方法可提供一定的参考。（2）我国学者参考水资源经济效益的量化方法，在洪水资源效益量化方面取得了一定的成果，但缺乏针对洪水特点，完整的识别其效益因子，提出完整的洪水资源利用效益量化体系。（3）当前的研究中，对洪水资源的社会效益和生态效益近处于定性、定量评价阶段，缺乏直接的定量计算方法。13论文主要研究内容及技术路线131论文主要研究内容本文在广泛阅读和分析国内外相关领域研究资料和研究动态的基础上，围绕过境洪水资源可利用量分配及洪水资源利用效益量化方法进行具体的、系统的研究。首先对洪水资源利用、洪水资源可利用量及洪水资源利用效益的相关基础理论进行分析探讨。在此基础上，构建过境洪水资源可利用量分配模型，并研究洪水资源利用在工业、农业、生活及生态环境用水方面的效益量化方法。以连云港市为例，对其过境洪水可利用量进行分配，并对洪水资源利用产生的效益进行量化研究。本文主要研究内容包括以下几个方面（1）阐述论文的选题依据和研究意义，分析和梳理洪水资源利用、洪水资源分配及过境洪水资源利用效益三个方面的国内外研究动态，确定论文的研究重点、研究方向以及技术路线；（2）阐述过境洪水资源利用的定义及内涵，分析过境洪水资源利用的特点及其利用方式，分析探讨过境洪水可利用量的概念及其估算方法，总结梳理过境洪水资源利用效益的常用计算方法及其优缺点。（3）以水资源配置常用模型为基础，根据洪水资源利用特点，明确洪水资源分配原则及其必要性，构建以洪水资源利用经济效益及社会效益最大为目标的洪水资源可利用量分配模型，阐述基于遗传算法的分配模型求解步骤。（4）研究过境洪水资源利用产生的效益，结合常用的量化方法的优缺点，提出基于柯布道格拉斯（CD）生产函数工业用水效益计算方法，基于能值理论的农业用水效益、生活用水效益及生态环境用水效益的计算方法，并详细阐述方法的计算步骤。（5）以连云港市为例，建立连云港市洪水资源可利用量分配模型，确定模型相关参数，对洪水资源可利用量在各行政区及用水户间进行分配，采用第四章所阐述的方法对洪水资源利用产生的效益进行量化，得到连云港市洪水资源利用的工业、农业、生活及生态用水效益，并对其进行分析。（6）总结论文的主要研究内容和成果，对论文的不足之处进行分析展望，以期在以后的学习工作中进一步探讨和研究。132研究技术路线本论文涉及工程水文学、生态学、经济学、系统工程理论、计算机编程等多学科领域，拟采取以下研究方法和手段首先，广泛阅读并深入分析研究洪水资源可利用、水资源配置及洪水资源利用效益的相关资料，探讨研究洪水资源利用的基础理论，分析洪水资源可利用量概念及其估算方法，总结过境洪水资源利用效益常用计算方法；其次，借鉴已有的研究成果和经验，分析洪水资源可利用量分配的原则，建立过境洪水资源可利用量在行政区及用水户间的分配模型，并研究过境洪水资源利用效益量化方法；最后以连云港市为实例，进行算例分析。论文研究的技术路线如图11所示。阐述论文选题背景及意义研究洪水资源资源化及效益量化国内外动态洪水资源利用水资源配置洪水资源用水效益洪水资源利用概念、特点原则、基本方式洪水资源可利用量分配常用计算方法洪水资源配置理论洪水资源效益常用方法工业用水效益农业用水效益生活用水效益生态环境用水效益洪水资源可利用量分配模型分配模型原则目标函数约束条件洪水资源效益量化方法研究洪水资源效益工业用水农业用水生活用水生态环境用水基于CD生产函数的工业量化方法基于能值分析的分摊系数法基于能值分析的水价法基于能值理论的生态用水效益量化洪水资源可利用量估算及分配模型洪水资源利用基础理论研究论文研究动态实例研究连云港市过境洪水资源利用洪水资源分配的必要性和可行性基本情况洪水资源可利用量分配洪水资源效益计算总结与展望遗传算法执行过程求解步骤图11论文技术路线图第二章过境洪水资源利用基础理论洪水资源利用是基于其水资源属性而开展而来的，明确其基础理论是相关研究开展的前提。本章系统阐述了洪水资源利用的内涵、特点，利用原则及基本方式，明确洪水资源可利用量的概念，阐述其估算方法，并分析探讨了洪水资源利用在工业、农业、生活及生态用水方面进行效益量化的常用方法。21过境洪水资源利用内涵和特点211过境洪水资源利用定义和内涵要对洪水资源进行有效利用，首先应明确洪水的概念。洪水是指大量降水在较短的时间内汇入河槽，引起江河的水量迅猛增加，水位明显上升的特大水流。在一般的认识中，洪水往往等同于洪水灾害，诚然，洪水泛滥可能会对人类生活和生产活动带来不利影响，然而洪水本身具备灾害和资源的双重属性，在可能带来灾害的同时，若对其加以合理的资源化利用，洪水资源便可在水土资源保持、河流湿地保护及补充淡水资源方面起到重要的作用。洪水资源利用即是基于洪水利害双重性的特性而展开，其本质是将现状难以利用的灾害水向常规资源水和生态水转化。关于洪水资源利用的定义问题，国内外众多学者已有过广泛的研究讨论，综合起来可定义为在保障当前防洪安全的前提下，尽可能利用各种非工程措施，及水保工程、水库工程、拦河闸坝工程等工程措施主动拦蓄洪水，延长其在河道、湖泊和蓄滞洪区的停留时间，将洪水资源用于满足经济社会生产、生活需要，改善生态环境，回补地下水等方面。由洪水资源利用的定义得知其包含了几点内涵（1）在利用洪水资源时，应充分计算该利用方式所带来的洪水风险，并采用相应的措施消除其风险，以保证总体的防洪风险不会增加；（2）洪水资源利用需要尽可能蓄存洪水，与防洪策略中尽快使洪水过境相反，因而洪水资源利用应与防洪策略对应考虑；（3）洪水资源使用的目的不仅仅是为生产、生活提供用水保障，更要考虑洪水对生态环境的影响，保证生态用水，维护河湖生态健康。212过境洪水资源利用特点洪水资源具备的水资源属性是对其进行利用的前提，也因此可知洪水资源利用与水资源利用的本质大致相同，但由于洪水资源利用自身的特点，其与水资源利用又存在不同之处。基于洪水资源利用的定义，结合水资源利用的概念，洪水资源利用的特点如下（1）对象性。水资源与洪水资源利用的对象有所不同，又相互联系。水资源利用针对的是地表水资源、地下水资源及外调水及特殊水资源，而洪水资源利用针对的是城市的过境洪水。由于洪水时是地表水资源的特殊形式，洪水资源利用在一定程度上从属于水资源利用。（2）双重性。应明确洪水兼具灾害性与资源性的双重特征，通过科学的调度和合理的工程设施建设，在汛期将过量的洪水疏导入海，存蓄可调控范围内的洪水资源，可有效应对现存水资源短缺、水环境恶化的水资源形势。（3）风险性。在利用水资源时，鲜有对其风险的顾虑，而洪水则不然。洪水是水循环的一种表现形式，人为的利用是否会对水循环带来影响，影响的程度是否会超出自然的承受力，是利用洪水时应考虑的风险因素。而在为利用洪水资源而提高现有工程的调蓄能力的同时，也无疑增加了一定的风险。因此，针对其风险性，利用洪水资源时应充分考虑其风险，并采取一定的风险控制措施。（4）直接性。由于本地水资源总量的确定性，为充分利用水资源，往往采用节水的手段来减少水资源浪费，进而间接的增加水资源量。而洪水资源利用目的是将一部分现状难以利用的水源转化为常规可利用的水资源，即直接增加了水资源的数量。（5）制约性。与水资源利用相同，洪水资源利用同样受经济条件牵制，即洪水资源利用前应充分评估其风险及效益，保证其在技术、经济条件可行的情况下实施。22过境洪水资源的利用原则与利用方式221过境洪水资源利用原则过境洪水资源利用的指导思想是要按照统一规划、分步实施的原则，注重生态环境的可持续发展，以效益最大、风险最小为目标，工程措施与非工程措施并举，技术手段与行政、经济手段并重，确保将洪水变成资源，发挥其在社会经济发展中应有的作用。洪水资源利用是一个复杂的系统，涉及经济、社会、生态环境等，综合来看，主要有以下几点原则（1）经济、社会、生态环境综合效益最大原则洪水资源利用与径流污染控制，在技术措施上应尽可能采用生态化和自然化的措施，符合可持续发展的原则。在经济上应兼顾近期目标和长远目标，资金等条件有困难时可以分阶段实施。方案比选和决策时不应仅限于经济效益，还应考虑到环境效益、社会效益等方面。（2）工程措施和非工程措施相结合的原则由于洪水具有很强的随机性，所以仅靠工程措施不一定能解决洪水资源利用问题。应坚持工程措施与非工程措施并重的指导思想，防治结合，才能多层次、多渠道地进行控制。（3）因地制宜、合理开发的原则不同的区域有不同的径流水质、水量特征，应根据区域特点优先选用适合该区域的技术方法，包括自然环境条件、经济技术水准、公众意识等。（4）保障城市防洪排涝安全的原则洪水资源利用是以保障城市防洪排涝安全为前提的，否则，洪水资源利用就失去了意义。222过境洪水资源利用方式过境洪水资源的利用方法多种多样。广义范围来讲，水资源利用方式即为洪水资源的利用方式。从狭义的范围讲，洪水资源利用方式即为经过水利工程调蓄，改变天然流量形态的水资源利用方式。从综合的角度来看，洪水资源利用方式主要可分为以下两类（1）工程措施。通过利用水利工程和水保工程等工程措施，尽可能的拦蓄洪水，延长洪水在陆地停留的时间，使洪水资源更充分的被利用。过境洪水资源利用的工程措施具体包括大型水库工程、河道整治工程、拦河闸坝工程、蓄滞洪区建设工程、农田水利工程、水土保持工程等。（2）非工程措施。在现有工程的基础上，通过科学规划和合理调度，最大限度的拦蓄洪水资源。洪水资源利用的非工程措施主要包括水库分期洪水调度、洪水预测预报、水库预泄与河网联调、蓄滞洪区主动运用等调度与管理措施。洪水资源利用方式工程措施非工程措施补灌工程引蓄工程滞蓄工程规划调蓄水库优化调度蓄滞洪区的主动运用水库、河道整治、蓄滞洪区、拦河闸坝农田水利工程、水土保持工程河网联合调度梯级开发各河系分流调水引洪淤灌汛期分期抬高汛限水位土地利用规划用水规划保险系统、灾害救援水土保持政策洪水预报图21过境洪水资源利用方式经历了长时期的水利基础建设，我国目前已形成了较为完善的防洪抗旱及水资源利用的工程体系。在这种背景下，大规模的工程建设条件已基本利用完毕，通过大规模新增水利工程来提高洪水资源利用水平已不太实际，因此，现阶段的洪水资源利用措施是结合新时期的治水理念以及可持续发展思想而展开的，其主要措施包括（1）大中型水库科学调度挖掘大中型水库的防洪调度与兴利的潜力，是过境洪水资源利用的主要手段之一。具体措施包括如下三类水库大坝除险加固，以逐步抬高汛限水位。根据长系列的水文资料，复核大型水库设计洪水，校算各级设计水位；改一级控制的水库调度方式为多级控制，以提高汛限水位；实行分期汛限水位调度。通过科学分析提高汛限水位。利用卫星云图、雨水情遥测系统等现代化手段，实施预蓄预泄、预报调度、考虑天气预报延长预见期等水库调度方式，在保证安全的前提下多蓄水，通过及时地抓蓄后汛期洪水，增加水库蓄水量。运用科学手段，提高调度水平和洪水预见期。（2）河渠互济调蓄洪水资源在流域水系中，河渠是联系水库与蓄滞洪区的纽带，充分利用其自身的槽蓄能力，可实现各河系之间的洪水与地表径流的互济调节。把各个河系之间及主要灌溉、排水骨干渠道串联在一起，利用洪水特别是小洪水的不同步性，实施河网联合调度，把汛期多水河道的来水调往少水河渠及干早地区，实现防洪、排水的优化调度和除害、兴利的有机结合。（3）蓄滞洪区主动分洪恢复湿地蓄滞洪区在防洪体系中起着突出的作用，过去流域的蓄滞洪区仅在大洪水时启用，在洪水过后尽快退水，以减少洪灾损失。现阶段蓄滞洪区的作用已得到重新认识，在加强蓄滞洪区等分洪工程安全建设的同时，有计划地建设分泄、滞蓄洪水的河道工程。对于缺水及生态恶化较为严重的流域，对蓄滞洪区实施主动分洪，恢复地下水位及湿地。23过境洪水资源可利用量的概念及估算方法231过境洪水资源可利用量的概念总结国内外学者的相关研究成果，可将过境洪水资源可利用量定义为可预见时期内，在保障流域防洪安全的基础上，统筹考虑洪水期河道内必要的生态环境和生产需水量及汛期河道外需水量和部分非汛期需水量，通过经济合理技术可行的措施能够调控利用的最大洪水径流量。以上定义包含了以下几层含义（1）合理阈值的确定。通过对过境洪水资源可利用量的确定，限定了一定时期内，过境洪水资源可利用的最大流量，为利用的合理性提供了评判标准。若在评价时间段内，当流域汛期被消耗的洪水资源量超过了洪水资源可利用量，则可证明该流域的洪水资源利用情况不甚合理。（2）双重限制。过境洪水资源可利用量受工程技术条件及河道内必要需水量的双重限制，即过境洪水资源可利用量应在水利工程的调控范围内，且应保证洪水期内的河道内必要需水量。（3）动态变化。由于对洪水资源调控能力和河道内必要需水量在不同阶段存在一定的差异的，因而过境洪水资源可利用量与某一时期的技术经济水平及河流保护的标准相对应，也是动态变化的。232过境洪水资源可利用量的估算方法过境洪水资源可利用量主要来自区域现有的水库及河网对洪水的合理蓄存利用，本文分别介绍水库、河网的洪水资源可利用量的估算方法。2321水库洪水资源可利用量在常规的水库运行调度实践中，人们大多根据水库所在流域的水文气象条件、多年暴雨、洪水过程等资料，硬性地划分汛期的起止时间。在调度运行中，要求每个时刻都预留有满足设计标准的防洪库容，汛期过后，水库水位回落，再将汛末的防洪限制水位作为汛后的正常水位。这种调度方法保证了水库的防洪安全，但因为汛后来水量小，水库有时只有2030左右的蓄满几率，因而严重忽视了水库的兴利效益。因此，可以根据其防洪调度方式及判别条件，按照水库的具体情况正确考虑与水库调洪有关的各种因素，尝试将整个汛期进行分期，并对各个分期分别拟订分期汛限水位，通过对历史洪水调洪演算，在满