中國(guó)水資源優(yōu)化配置研究進(jìn)展

李 巍，陳俊旭，于 磊，張士峰，朱新軍

（1.水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170；2.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津 300181；3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101）

水資源是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是不可替代的重要自然資源[1]。水涵蓋人類生活的方方面面，從飲用水、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)用水到農(nóng)作物用水，水資源的變化會(huì)給人類帶來(lái)重大的影響。水資源不僅包括自然條件下直接提供給人類利用的潔凈水資源，也包括參與生態(tài)循環(huán)、蘊(yùn)藏于人類食物中及保障生境的生態(tài)水資源。我國(guó)水資源南北差異顯著，地區(qū)不均衡現(xiàn)象普遍存在。隨著我國(guó)人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，需水量會(huì)增加。在過(guò)去的20年中，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工業(yè)用水總體增長(zhǎng)迅速[2-3]，這使水務(wù)管理問(wèn)題突出、用水競(jìng)爭(zhēng)加劇，極大地限制我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定的發(fā)展，同時(shí)不利于社會(huì)的和諧穩(wěn)定。水污染的加劇是水資源變化的又一個(gè)重要的影響因素。據(jù)《中國(guó)水資源公報(bào)》記載，2008年全國(guó)污水排放量達(dá)758億t，在參測(cè)的278座水庫(kù)中未達(dá)Ⅲ類水質(zhì)的比例約19.8%；監(jiān)測(cè)的河段中近40%水質(zhì)在Ⅲ類及以下；湖泊中Ⅳ、Ⅴ類水占32.5%，而劣Ⅴ類高達(dá)23.3%。水污染加重又影響了水資源的利用，加劇了水資源短缺。水資源量處于動(dòng)態(tài)變化中，對(duì)水資源的利用競(jìng)爭(zhēng)在加劇，水資源社會(huì)、生態(tài)效益面臨考驗(yàn)。如何實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，統(tǒng)籌考慮水量、水質(zhì)聯(lián)合作用下用水格局，協(xié)調(diào)水資源的高效利用來(lái)應(yīng)對(duì)水資源短缺、保障水功能實(shí)現(xiàn)是水資源研究的重點(diǎn)。

1 中國(guó)水資源優(yōu)化配置涵義

水資源優(yōu)化配置理念開始于20世紀(jì)五六十年代，隨著相關(guān)研究的進(jìn)展，水資源優(yōu)化配置理念逐漸趨于統(tǒng)一。綜合來(lái)看，水資源優(yōu)化配置是指為了保障經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，利用工程和非工程措施對(duì)一定時(shí)空領(lǐng)域內(nèi)的水資源進(jìn)行資源整合、技術(shù)優(yōu)化、可持續(xù)開發(fā)與管理的配置理論及方式。

水資源優(yōu)化配置建立在水資源分配的基礎(chǔ)上，需要依據(jù)區(qū)域/城市水資源情勢(shì)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況、水質(zhì)要求、相關(guān)費(fèi)用等方面進(jìn)行。關(guān)業(yè)祥[4]認(rèn)為水資源宏觀配置分兩步：將流域的可利用水資源量分配到各個(gè)區(qū)域，各省市再根據(jù)所得配額進(jìn)行省內(nèi)的配置。水資源的配置往往被分為規(guī)劃階段的水資源配置和管理方面的水資源配置，這體現(xiàn)了水資源屬性鑒定以及公眾參與的屬性要求。水資源優(yōu)化配置從水資源屬性出發(fā)，不但要考慮到供、需水、排水及水質(zhì)，還要協(xié)調(diào)好區(qū)域、地區(qū)以及競(jìng)爭(zhēng)實(shí)體的關(guān)系；不但要考慮水務(wù)費(fèi)用，還要考慮權(quán)責(zé)；不但要考慮水的傳輸效益，還要考慮水資源多功能利用。水資源優(yōu)化配置的研究要不斷地從理論、實(shí)際模型、工程、法律等各方面來(lái)完善，才能有效指導(dǎo)高效、協(xié)調(diào)的水資源優(yōu)化配置。

2 中國(guó)水資源優(yōu)化配置研究現(xiàn)狀

2.1 配置理論研究

2.1.1 基于“供、需”單方面限制的優(yōu)化配置理論

“供、需”單方面的限制是指配置過(guò)程中簡(jiǎn)單地強(qiáng)調(diào)供給或需求而進(jìn)行水資源配置的理論，這方面的理論研究以“以需定供”和“以供定需”的配置理論為代表。“以需定供”方式一般用在水資源充足且水力設(shè)施能保障供水的地區(qū)，這些地區(qū)水資源能滿足人們的生產(chǎn)、生活和環(huán)境需求，但忽略了水資源的資產(chǎn)屬性以及區(qū)域協(xié)調(diào)的要求，忽略了水資源的可持續(xù)利用能力，從而造成了水資源的極度浪費(fèi)?！耙怨┒ㄐ琛眲t是在水資源短缺或水力設(shè)施不足情勢(shì)下的配置方式，是以有效的水資源供給來(lái)進(jìn)行水資源的配置，需求被限制于可供應(yīng)的水資源量，從而造成需求的壓抑，社會(huì)、工業(yè)等活動(dòng)發(fā)展受限。鄧建綿等[5]認(rèn)為，水資源可供水量是與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相依托的一個(gè)動(dòng)態(tài)變化量，“以供定需”在可供水量分析時(shí)與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相分離，沒有實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，可供水量的確定顯得依據(jù)不足，并可能由于過(guò)低估計(jì)區(qū)域發(fā)展的規(guī)模，使區(qū)域經(jīng)濟(jì)不能得到充分發(fā)展。

2.1.2 基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、效率最高的優(yōu)化配置理論

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要水資源的持續(xù)供給，包括生活保障、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)用水等，水資源已成為經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)必不可少的投入成分。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與水資源密切的關(guān)系，導(dǎo)致水資源配置出現(xiàn)了對(duì)經(jīng)濟(jì)效率、社會(huì)發(fā)展效益保障的配置偏向。這種理論充分地將經(jīng)濟(jì)學(xué)的投入產(chǎn)出分析及模型應(yīng)用于水資源的優(yōu)化配置，強(qiáng)調(diào)了水資源優(yōu)化配置過(guò)程中的成本與收入的關(guān)系，從水資源利用的多維角度來(lái)思考水資源配置在不同領(lǐng)域的投入與產(chǎn)出，且將水資源配置所產(chǎn)生的行業(yè)結(jié)構(gòu)變化、經(jīng)濟(jì)差異的影響聯(lián)系起來(lái)，綜合考慮了水資源不同配置所產(chǎn)生的效益差異，是保障經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的高效的配置理論?！鞍宋濉庇?jì)劃重要課題 《華北地區(qū)宏觀經(jīng)濟(jì)水資源規(guī)劃理論與方法》[6]在宏觀經(jīng)濟(jì)水資源配置、規(guī)劃方面取得了眾多成果，促進(jìn)了我國(guó)水資源優(yōu)化配置的發(fā)展。

2.1.3 基于資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌考慮的協(xié)調(diào)優(yōu)化配置理論

水資源優(yōu)化配置不能僅從單方面進(jìn)行考慮，需要綜合區(qū)域資源稟賦、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況及生態(tài)環(huán)境承載能力各方面的因素。水資源可持續(xù)發(fā)展理論對(duì)水資源優(yōu)化配置具有重要指導(dǎo)意義，其注重水資源利用的可持續(xù)性即在滿足當(dāng)前水資源利用需求的前提下、不損害后代人或后續(xù)利用的可持續(xù)性的原則是協(xié)調(diào)優(yōu)化配置的基本指導(dǎo)原則。協(xié)調(diào)優(yōu)化配置充分考慮當(dāng)前發(fā)展的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，遵循人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)原則，在保護(hù)水環(huán)境的同時(shí)合理地開發(fā)利用，既滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的效率與效益需求下的水資源供給，又保障了可供持續(xù)利用的水環(huán)境，是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展，生態(tài)、水環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的理想的優(yōu)化配置理論。但是，由于理想的模式往往缺乏現(xiàn)實(shí)的推動(dòng)力，該理論的研究還局限于特定的區(qū)域和理論探討，未能形成被廣泛接受的理論體系。而且，該類型優(yōu)化配置的研究主要側(cè)重于 “時(shí)間序列”（如當(dāng)代與后代、人類未來(lái)等）上的認(rèn)識(shí)，對(duì)于“空間分布”上的認(rèn)識(shí)（如區(qū)域資源的隨機(jī)分布、環(huán)境格局的不平衡、發(fā)達(dá)地區(qū)和落后地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的差異等）基本上沒有涉及[18]?？沙掷m(xù)水資源利用的研究，難以達(dá)到理想的可持續(xù)的境界，但是在摒棄片面追求每一項(xiàng)最優(yōu)的情況下在人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)間可以找到次優(yōu)或總體目標(biāo)最優(yōu)的均衡點(diǎn)，則是協(xié)調(diào)優(yōu)化配置理論一直的研究重點(diǎn)。

2.2 水資源優(yōu)化配置模型研究

水資源優(yōu)化配置理論指導(dǎo)具體優(yōu)化配置實(shí)踐，但僅僅依靠理論難以適應(yīng)復(fù)雜條件及多目標(biāo)下的水資源優(yōu)化配置的要求，將水資源優(yōu)化配置的理論落實(shí)到實(shí)際工作中，需要一定的技術(shù)方法。水資源優(yōu)化配置的實(shí)現(xiàn)技術(shù)及方法以及相關(guān)的模型研究一直以來(lái)都受到了廣泛的重視，從上世紀(jì)50年代以來(lái)仿真、模擬、規(guī)劃優(yōu)化、“3S”及一體化等模型技術(shù)不斷地被引進(jìn)水資源優(yōu)化配置的領(lǐng)域中，豐富了水資源優(yōu)化配置技術(shù)及方法。

2.2.1 基于水循環(huán)過(guò)程模擬的水資源配置仿真、模擬的模型研究

仿真、模擬是針對(duì)水資源配置的主體——水的循環(huán)、來(lái)源、供給、排泄、利用等過(guò)程進(jìn)行的模擬，從而獲得水資源配置的優(yōu)化方針。M Kinney等[19]提出基于GIS的水資源模擬系統(tǒng)框架，作了流域水資源配置研究的嘗試。分布式水文模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、退火模擬等是仿真模擬的代表。分布式水文模型的建立正是基于降水、地表水、土壤水、地下水及其相互關(guān)系的物理規(guī)律，其理論基礎(chǔ)使其具有很好的應(yīng)用擴(kuò)展性[7]。分布式水文模型通過(guò)與土壤—植物—大氣系統(tǒng)的耦合，揭示流域水文循環(huán)中生態(tài)過(guò)程的變化規(guī)律；其網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)便于其與大氣環(huán)流模式的耦合，能夠進(jìn)行全球氣候變化的水文水資源效應(yīng)的模擬與預(yù)測(cè)。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)模型將水資源配置過(guò)程的水利用空間過(guò)程通過(guò)“點(diǎn)—線—面”的模式串聯(lián)起來(lái)，便于對(duì)水資源配置的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督管理，并能快速地反饋。

“3S”的發(fā)展及其在流域水資源管理中的廣泛應(yīng)用，為流域水資源配置模型提供了強(qiáng)有力的工具與豐富詳實(shí)的數(shù)據(jù)[8]。GPS主要獲得單點(diǎn)空間數(shù)據(jù)；RS主要獲得區(qū)域大面積的圖像數(shù)據(jù)，作為GIS的數(shù)據(jù)源為GIS提供必要的空間決策分析數(shù)據(jù)；GIS作為一個(gè)處理這些空間數(shù)據(jù)的平臺(tái)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析、查詢、顯示等操作，并可以輔助決策者進(jìn)行決策。郭變青等[9]利用GIS技術(shù)開發(fā)了“新鄉(xiāng)市水資源優(yōu)化管理信息系統(tǒng)”。高春平等[10]以現(xiàn)代監(jiān)控理論和水資源管理科學(xué)為基礎(chǔ)，建立了由信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與信息管理系統(tǒng)、水資源管理調(diào)度系統(tǒng)組成的 “遼寧中部地區(qū)水資源優(yōu)化配置調(diào)度系統(tǒng)”。

2.2.2 體現(xiàn)層次性、整體復(fù)合性的規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)研究

規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃以及多目標(biāo)交互式規(guī)劃技術(shù)等。規(guī)劃技術(shù)在水資源優(yōu)化調(diào)度中最早在國(guó)外被用于灌溉調(diào)水和供水調(diào)度。如，20世紀(jì)40年代Masse提出了水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題；Watkins等[20]介紹了一種伴隨風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的可持續(xù)水資源規(guī)劃模型框架，建立了有代表性的水資源聯(lián)合調(diào)度模型；Jha M.K.等[21]考慮了水的多功能性和多種利益的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)決策者和決策分析者間的合作，建立了Guilderland Dolente的水資源量分配問(wèn)題的多層次模型，體現(xiàn)了水資源配置問(wèn)題的多目標(biāo)和層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；Zsgona A.等[22]基于大系統(tǒng)理論，建立了多水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模型。國(guó)內(nèi)學(xué)者在20世紀(jì)60年代開始以水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度為手段的水資源分配研究，起步雖晚，但發(fā)展迅速[11]。水資源優(yōu)化配置研究在不斷的發(fā)展中，目標(biāo)函數(shù)、約束條件越來(lái)越復(fù)雜，研究方法不斷改進(jìn)，線性、非線性規(guī)劃與其他方法綜合應(yīng)用較多。典型的應(yīng)用是賀北方[12]構(gòu)建了區(qū)域水資源優(yōu)化分配大系統(tǒng)優(yōu)化模型；吳澤寧等[13]建立了多目標(biāo)模型及其二階分解協(xié)調(diào)模型；姚進(jìn)忠等[14]運(yùn)用水資源系統(tǒng)分析理論，采用線性規(guī)劃方法，建立了引大入秦工程水資源優(yōu)化配置模型。另外，水資源的分配調(diào)度可概化為多階段的決策過(guò)程，可用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解，如陳守煜、邱林等[15]建立了多目標(biāo)模糊優(yōu)選隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。

3 中國(guó)水資源優(yōu)化配置展望

我國(guó)水資源優(yōu)化配置理論及技術(shù)仍不完善，面對(duì)復(fù)雜的水資源配置主體和對(duì)象往往難以全面、高效地完成任務(wù)，特別是對(duì)于配置對(duì)象復(fù)雜、權(quán)責(zé)模糊、經(jīng)濟(jì)條件差且生態(tài)環(huán)境破環(huán)嚴(yán)重等情況更顯得困難?？傮w來(lái)看，水資源優(yōu)化配置主要面臨以下問(wèn)題：①面向不同的用戶，水資源優(yōu)化配置要考慮供給水源要求，重點(diǎn)考慮地表水、地下水、外調(diào)水、入境水及中水等的優(yōu)先度和可用量；②區(qū)分自然水循環(huán)及社會(huì)水循環(huán)過(guò)程，針對(duì)不同循環(huán)過(guò)程按照各異的指導(dǎo)理論進(jìn)行水資源優(yōu)化配置；③針對(duì)供水水質(zhì)要求及用水行業(yè)限制，區(qū)別不同來(lái)水區(qū)水質(zhì)狀況進(jìn)行配水；④弄清水資源時(shí)空格局及其變化，優(yōu)選供用水配置模型及先進(jìn)技術(shù)；⑤綜合考慮資源、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益，重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)。水資源優(yōu)化配置面臨較多的問(wèn)題，我國(guó)水資源優(yōu)化配置理論及其技術(shù)仍有待發(fā)展，以下的幾個(gè)方向或?qū)⑹窃擃I(lǐng)域未來(lái)的研究重點(diǎn)。

3.1 弄清供需水結(jié)構(gòu)，區(qū)分自然及社會(huì)水循環(huán)過(guò)程，樹立天然—人工二元水資源系統(tǒng)協(xié)調(diào)的新優(yōu)化配置思路

水資源優(yōu)化配置要弄清楚水資源量、質(zhì)、來(lái)源、利用領(lǐng)域，這是水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)。水資源配置一方面要顧及天然水資源的分配，又要廣泛提倡用水節(jié)約理念，實(shí)現(xiàn)水資源的實(shí)際和觀念上的雙向優(yōu)化。水資源配置不但要對(duì)天然的水資源實(shí)行配置，還要對(duì)潛在水資源實(shí)現(xiàn)配置。潛在的水資源包括中生水、回用水、微咸水以及資源化污水，這些水構(gòu)成人工水。人類活動(dòng)從循環(huán)路徑、循環(huán)特性和循環(huán)動(dòng)力機(jī)制等方面明顯地改變了流域水循環(huán)過(guò)程[16]，形成了由開發(fā)利用、消耗、排泄等環(huán)節(jié)構(gòu)成的人工側(cè)支水循環(huán)[17]。要深入研究“天然—人工”二元水循環(huán)模式，定量研究人類活動(dòng)影響下流域水文特性的改變與同期下墊面改變的關(guān)系以及與相應(yīng)水生態(tài)過(guò)程的變化之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人工水與天然水協(xié)同配置，并在此二元模式下廣泛采取開源節(jié)流并舉措施，從而減弱水資源配置壓力，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置。

3.2 規(guī)劃優(yōu)化與仿真模擬共同發(fā)展，智能優(yōu)化配置理論將發(fā)揮更大作用

規(guī)劃優(yōu)化與仿真模擬一直是水資源優(yōu)化配置的重要技術(shù)手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，智能優(yōu)化配置將發(fā)揮更大的作用。水資源優(yōu)化配置目標(biāo)多樣、對(duì)象繁雜，單一的模型需要不斷向多目標(biāo)模型發(fā)展，且需要協(xié)同配置才能適應(yīng)水資源優(yōu)化配置的需求。協(xié)同配置有利于比較不同方案的不同解，實(shí)現(xiàn)模擬與優(yōu)化模型的耦合，較快得出易于各方接受的滿意解。另外，隨著隨機(jī)性及不確定性理論的引進(jìn)，原來(lái)的假定水資源量穩(wěn)定、水來(lái)源確定的靜態(tài)的水資源配置轉(zhuǎn)向不確定性和模糊優(yōu)化的水資源優(yōu)化配置，水資源優(yōu)化配置理論將獲得快速發(fā)展。

3.3 水資源優(yōu)化配置將綜合考慮“經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—資源—環(huán)境”這一復(fù)合系統(tǒng)，資源開發(fā)利用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)將受到重視

水資源優(yōu)化配置要考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源、環(huán)境等方面的影響，并要兼顧經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—資源—環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。由于以往在水資源優(yōu)化配置中忽略了水資源的生態(tài)、環(huán)境效益，對(duì)生態(tài)、環(huán)境需水需求滿足不足，嚴(yán)重地影響了復(fù)合系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定。在水資源短缺的北方干旱地區(qū)，生態(tài)需水與經(jīng)濟(jì)需水相互競(jìng)爭(zhēng)，僅考慮水資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，不考慮水資源的生態(tài)價(jià)值，必然導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)需水?dāng)D占生態(tài)需水[17]。將資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌考慮的協(xié)調(diào)優(yōu)化配置除了兼顧社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益外，資源開發(fā)利用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)將受到重視，水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的承載能力將提高。

3.4 “3S”與分布式水文模型的時(shí)空一體化研究將成新的熱點(diǎn)

水資源的時(shí)空變異研究為水資源的優(yōu)化配置奠定基礎(chǔ)，而“3S”與分布式水文模型的時(shí)空一體化研究為水資源的時(shí)空變異研究提供了便利的技術(shù)平臺(tái)?！?S”技術(shù)在系統(tǒng)概化、配置網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、節(jié)點(diǎn)劃分及模擬上具有顯著的優(yōu)勢(shì)，特別是水利信息化技術(shù)的發(fā)展為這一理論奠定了基礎(chǔ)。在未來(lái)發(fā)展中，“3S”與分布式水文模型的時(shí)空一體化研究將成為新的熱點(diǎn)。

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