綜評水資源優(yōu)化配置研究進(jìn)展

李 強(qiáng)

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧 朝陽122000)

0 引 言

水資源是人類生存和發(fā)展的重要自然資源。隨著各國人口數(shù)目的增長，工業(yè)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人類的用水量連年增長。加之部分地區(qū)環(huán)保意識的缺失，大量的生活、生產(chǎn)污水排入江河湖海，地表水和地下水受到了嚴(yán)重污染。

人們承受著水資源消耗量增加和總量減少的兩方面影響，人類可以利用的水源越來越少。湖泊面積減小或干涸、河道斷流、由地下水干涸導(dǎo)致地層下陷都不再是新聞。水資源短缺的問題已影響了人類的生存和發(fā)展，引起了全世界范圍內(nèi)的普遍關(guān)注［1－2］。

1 水資源優(yōu)化配置的作用和意義

對水資源優(yōu)化配置的研究，始于20 世紀(jì)60年代。經(jīng)過多年的探索，隨著周邊學(xué)科研究的進(jìn)展，水資源優(yōu)化配置理念在近些年逐漸地趨于統(tǒng)一?？偟膩碚f，水資源優(yōu)化配置指的是運(yùn)用系統(tǒng)的分析理論和優(yōu)化技術(shù)，通過工程或非工程的措施，在特定流域或特定的區(qū)域范圍內(nèi)，公平、高效地調(diào)配各用水部門對水資源的使用，使有限的水資源在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中取得最大的效益，同時做到保護(hù)生態(tài)環(huán)境，遵循可持續(xù)利用原則。其實(shí)質(zhì)在于提高水資源的使用效率［3］。

2 中國水資源優(yōu)化配置研究進(jìn)展

2.1 水資源優(yōu)化配置理論研究

水資源優(yōu)化配置理論研究主要包括3個方面:從“供需”方面限制用水量的優(yōu)化配置理論、以經(jīng)濟(jì)為重心、以高效為主的優(yōu)化配置理論和基于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)統(tǒng)籌考慮的優(yōu)化配置理論。

2.1.1 從“供需”方面限制用水量的優(yōu)化配置理論

從“供需”方面限制用水量的優(yōu)化配置理論，是優(yōu)化配置理論研究早期的產(chǎn)物，這方面理論的代表是“以需定供”和“以供定需”。

“以需定供”主要被用于水資源比較充足的地區(qū)，這類地區(qū)的水資源和水利設(shè)施可以滿足當(dāng)?shù)厝藗兩钌a(chǎn)的需要，這種理論單純的按照表面的需求決定供應(yīng)，卻忽視了水資源的可持續(xù)利用能力，造成了水資源不同程度的浪費(fèi)［4］。

“以供定需”則多用于水資源總量相對不足或水利設(shè)施較差的地區(qū)，因?yàn)樗Y源總量的限制，這種配置理論通常過分壓抑用水部門的需求，過低的估計區(qū)域發(fā)展的規(guī)模，使社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展被限制。

從“供需”方面限制用水量，其著眼點(diǎn)主要在水資源上，卻忽視了用水單位需求與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動態(tài)變化，因此往往無法做出科學(xué)的配置，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源保護(hù)的需要［5］。

2.1.2 以經(jīng)濟(jì)為重心、以高效為主的優(yōu)化配置理論

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開水的使用，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源的依賴，導(dǎo)致了水資源配置的偏向?qū)⒅苯佑绊懙降貐^(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。

以經(jīng)濟(jì)為重心，以高效為主的優(yōu)化配置理論，同時兼顧了經(jīng)濟(jì)發(fā)展效率、社會發(fā)展效益和水資源保護(hù)等各方面，用經(jīng)濟(jì)學(xué)理論來衡量水資源利用的投入產(chǎn)出，能做到將水資源配置與經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向結(jié)合起來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢和變化調(diào)整水資源的配置，用有限的水資源取得最大化的經(jīng)濟(jì)利益和社會效益，是保障經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的配置理論。該理論在我國水資源優(yōu)化配置工作中發(fā)揮了巨大作用，促進(jìn)了我國水資源優(yōu)化配置的發(fā)展［6－7］。

2.1.3 基于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)統(tǒng)籌考慮的優(yōu)化配置理論

隨著用水量的增大、水資源枯竭速度的加快，急需尋找到更科學(xué)的優(yōu)化配置理論，這就要求我們不能只從經(jīng)濟(jì)發(fā)展一個方向來思考問題，而是要兼顧社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，統(tǒng)籌的進(jìn)行水資源優(yōu)化配置［8］。

可持續(xù)發(fā)展理論對水資源優(yōu)化配置理論的發(fā)展有著重大的指導(dǎo)意義，在水資源優(yōu)化配置上的體現(xiàn)就是在滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水需求的同時，對水資源進(jìn)行合理開發(fā)和保護(hù)，不損害后代利益。

這種優(yōu)化配置理論要求我們準(zhǔn)確估量當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模，綜合經(jīng)濟(jì)、資源、人口、環(huán)境等種種因素，保護(hù)性的開發(fā)利用水資源。這樣既滿足了當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活對水資源的需求，又保障了水資源的可持續(xù)利用，是符合可持續(xù)發(fā)展思路，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的優(yōu)化配置理論［9］。

然而，由于目前在這方面的研究還未完善，該理論還停留在理論研究和小范圍實(shí)驗(yàn)的層次，未能推廣到全國實(shí)行，成為被廣泛接受的優(yōu)化配置理論。

同時，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式日趨復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生存和環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系也不斷變化，如何能在三者之間找到整體效益最優(yōu)的“黃金點(diǎn)”，是該理論一直以來的研究重點(diǎn)。

2.2 水資源優(yōu)化配置模型研究

要在實(shí)際的生產(chǎn)生活中進(jìn)行水資源的優(yōu)化配置，僅僅有理論，是難以滿足復(fù)雜多變的水資源配置要求的。

想要將水資源優(yōu)化配置理論落實(shí)到區(qū)域?qū)嶋H工作中，還需要中間的“落地”研究，這就是水資源優(yōu)化配置模型研究［10］。

2.2.1 仿真模擬模型研究

仿真模擬模型是通過對水資源的來源、供給、使用、循環(huán)等過程進(jìn)行模擬，反復(fù)試驗(yàn)得出水資源配置方案的方法。

仿真模擬模型研究在全球水資源優(yōu)化配置工作中起到了突出的作用，其中比較有代表性的有:立足于降水、地表水、土壤水、地下水等水文系統(tǒng)之間相互關(guān)系的物理規(guī)律建立起的分布式水文模型。

由于該系統(tǒng)涵蓋的元素復(fù)雜全面，所以有著極好的應(yīng)用擴(kuò)展性，適用于不同地區(qū)不同環(huán)境下的水資源優(yōu)化配置;而將水資源配置過程中的供水過程通過“點(diǎn)—線—面”串聯(lián)起來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，則可以對水資源配置進(jìn)行細(xì)致的監(jiān)督，并及時根據(jù)變化加以調(diào)整;仿真模擬模型的代表還有遺傳算法、退火模擬等［11］。

“3S”技術(shù)的發(fā)展為仿真模擬模型的開發(fā)提供了有力的數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支持?！?S”技術(shù)指的是可獲得單點(diǎn)空間數(shù)據(jù)的GPS、可獲得區(qū)域大面積數(shù)據(jù)的RS 和可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的GIS。

“3S”技術(shù)在國內(nèi)水資源優(yōu)化配置的研究中有著廣泛的應(yīng)用，研究成果比較突出的有:姚鶴嶺對GIS在水資源開發(fā)中應(yīng)用的詳細(xì)介紹;郭變青等利用GIS技術(shù)，以Arc—View3.3 為平臺，開發(fā)的“新鄉(xiāng)市水資源優(yōu)化管理信息系統(tǒng)”;高春平等以現(xiàn)代監(jiān)控理論和水資源管理科學(xué)為基礎(chǔ)，所建立的由信息采集系統(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)”等等。

2.2.2 規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)研究

規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)不僅僅用于水資源優(yōu)化配置研究，它是包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃級及多目標(biāo)交互式規(guī)劃技術(shù)等的綜合技術(shù)。

我國研究者運(yùn)用此項技術(shù)的起步較晚，但是進(jìn)展很大，發(fā)展迅速。典型的應(yīng)用有賀北方構(gòu)建的區(qū)域水資源優(yōu)化分配大系統(tǒng)優(yōu)化模型:吳澤寧等建立的多目標(biāo)模型及其二階分解協(xié)調(diào)模型:姚進(jìn)忠等運(yùn)用水資源系統(tǒng)分析理論，采用線性規(guī)劃方法所建立的引大入秦工程水資源優(yōu)化配置模型。

由于這項技術(shù)可利用函數(shù)來進(jìn)行多層次多目標(biāo)的構(gòu)建，因此有較大的靈活性，也可以滿足日益復(fù)雜的水資源優(yōu)化配置研究的需要，如陳守煜、邱林等建立的多目標(biāo)模糊優(yōu)選隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃模型。

3 水資源優(yōu)化配置研究的展望

目前，我國的水資源優(yōu)化配置研究還不夠完善，面對復(fù)雜的實(shí)際情況，往往難以兼顧到保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境兩方面，不能全面、高效地完成水資源配置任務(wù)。

特別是在水資源匱乏、經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后、地區(qū)情況復(fù)雜的區(qū)域，要做到有效地配置管理就更加困難?？偟膩碚f，我國水資源優(yōu)化配置主要有以下幾點(diǎn)問題:

1)水資源優(yōu)化配置應(yīng)根據(jù)面對用戶的不同，考慮各類水資源供給的額度和優(yōu)先度。

2)根據(jù)水資源不同用途的循環(huán)過程，進(jìn)行水資源優(yōu)化配置。

3)根據(jù)水資源不同用途對水質(zhì)的要求，根據(jù)地表水、地下水、外調(diào)水等不同水源的水質(zhì)狀況進(jìn)行配置。

4)時刻關(guān)注世界上水資源優(yōu)化配置研究的最新成果，選擇最適合本地區(qū)的水資源配置模型和先進(jìn)技術(shù)。

5)在保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水的同時，綜合考慮資源、環(huán)境效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

為了解決以上問題，以下幾個方向也許將是水資源優(yōu)化配置未來的研究重點(diǎn)。

3.1 摸清用水部門的用水要求，建立“天然—人工”二元水資源配置系統(tǒng)，將人工水引入配置

為了真正實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展，水資源的再利用不可忽視，在重視污水凈化、污水再生工作的同時，應(yīng)根據(jù)不同用水部門對水質(zhì)的要求，適量配給“人工水”，即中生水、回用水等，實(shí)現(xiàn)“天然——人工”二元水循環(huán)，天然水和人工水協(xié)同配置這樣將大大減少對水資源的浪費(fèi)，緩解水資源的配置壓力。

3.2 發(fā)展以仿真模擬和規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的智能優(yōu)化配置理論

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水資源配置的仿真模擬模型也進(jìn)入了高速發(fā)展期，由早期的單目標(biāo)、單層次向多目標(biāo)、多層次的多元化模型發(fā)展。配合規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)，可以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下水資源優(yōu)化配置的需求，滿足瞬息萬變的現(xiàn)實(shí)需要。因此，發(fā)展以仿真模擬和規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的智能優(yōu)化配置理論是十分必要的。

3.3 綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境，重視生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

由于早期對保護(hù)生態(tài)的認(rèn)識不足，在生態(tài)環(huán)境遭到破壞，水資源嚴(yán)重短缺的如今，水資源優(yōu)化配置工作面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

在這個時候，我們應(yīng)更多地考慮水資源的生態(tài)價值，通過水資源優(yōu)化配置研究，尋找經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)的“黃金平衡點(diǎn)”，做到既滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水，又不損上下左右岸利益以及影響到生態(tài)環(huán)境。

4 “3S”技術(shù)依舊是水資源優(yōu)化配置研究熱點(diǎn)

“3S”技術(shù)有豐富性、多變性的特點(diǎn)，在水資源優(yōu)化配置模型研究和水資源優(yōu)化配置網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上具有顯著的優(yōu)勢，能夠適應(yīng)日趨復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)情況。在未來的研究中，“3S”技術(shù)定能在多元化多層次的水資源配置方案中起到重要作用。

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