基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置模式概述

許騰文， 傅勇迪

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

水資源是人類社會發(fā)展與進(jìn)步的堅實基礎(chǔ)與重要物質(zhì)保障， 近年來經(jīng)濟化進(jìn)程的加快產(chǎn)生了人口聚集問題， 導(dǎo)致人們對于水資源的需求量大大增加，水資源分布不均勻的現(xiàn)象也愈發(fā)顯著。 水資源合理配置的意義不僅在于解決當(dāng)前水資源的供需不平衡問題， 還可以起到提高水資源利用效率、支撐區(qū)域持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展等重要作用[1]。

在與水資源配置相關(guān)的研究中， 多數(shù)學(xué)者僅考慮了水資源在供需量之間的平衡程度， 而配置好的水源能否在各主體之間順利連通也是需要進(jìn)一步確定的問題。 基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置不僅能夠大幅度提升水資源的有效利用程度，同時能夠?qū)⑸鐣?、?jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等因素根據(jù)重要程度取最優(yōu)化協(xié)同發(fā)展， 對水資源的高效利用以及合理分配具有積極影響與意義。

本文基于水資源配置模式及內(nèi)容等相關(guān)論點，將河湖水系連通特征與優(yōu)勢聯(lián)系，對近年來水資源優(yōu)化配置方法及基本方向進(jìn)行總結(jié)， 提出基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置大體思路，以期能夠為河湖連通應(yīng)用在水資源優(yōu)化配置領(lǐng)域提供思路，更大程度上使用水效率有所提高、生態(tài)環(huán)境得到改善。

1 基于河湖連通的水資源配置研究現(xiàn)狀

1.1 河湖水系連通研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

水系連通是進(jìn)行水資源配置的前提條件，同時也是水資源配置的基礎(chǔ)。 河湖水系是水資源的載體，也是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。 水利部曾提出 “河湖連通是提高水資源配置能力的重要途徑”以提升我國水資源的整體配置能力，同時改善我國河湖綜合能力[2]。

隨著有關(guān)河湖水系連通理論研究的不斷補充與完善，我國在水系連通概念、分類、實踐應(yīng)用皆有一定進(jìn)展與相應(yīng)建樹。 河湖水系連通初始定義是以江河、湖泊等水源條件為基礎(chǔ)，通過人類科學(xué)的干預(yù)等措施建立起河湖間的水力聯(lián)系。 現(xiàn)階段河湖連通是以江河、湖泊、水庫等為基礎(chǔ)，通過人為采用合理的疏導(dǎo)、連通、調(diào)度等工程和非工程的措施， 建立或者改變江河湖庫水體之間的水力聯(lián)系[3]；河湖水系連通的分類從連通的性質(zhì)、功能、特征方面發(fā)展成可通過氣候分區(qū)、空間、功能作用等不同角度； 在實踐應(yīng)用中， 河湖水系連通是以軍事、航運、抵御水旱災(zāi)害、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)為主的水系連通。

1.2 水資源配置研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

水資源優(yōu)化配置是將水資源所具備的基本特征，針對水資源的持續(xù)利用合理概化，為滿足多主體、多目標(biāo)、多方向、多層次的不同供用水需求進(jìn)行供應(yīng)方法的探討方式。

現(xiàn)階段，計算機技術(shù)、系統(tǒng)分析理論和模擬技術(shù)等在水資源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 國人學(xué)者將我國的水資源從最初的范圍集中、可調(diào)取量小、目標(biāo)性強的水庫進(jìn)行合理調(diào)度， 逐步發(fā)展為以較為宏觀的角度和發(fā)展的眼光看待水資源合理配置。 基于前者的鋪墊， 現(xiàn)階段我國水資源配置發(fā)展能夠保證水質(zhì)水量達(dá)到相應(yīng)要求并正在向多目標(biāo)、更優(yōu)化、可持續(xù)發(fā)展的配置方向發(fā)展。

2 基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置整體思路

基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置整體思路應(yīng)至少包含以下4 個方面：對連通區(qū)域的考察、生態(tài)需水量的預(yù)測、 水資源供需平衡分析以及水資源優(yōu)化配置。 以下分別針對各方面結(jié)合近年來水資源配置研究資料進(jìn)行淺析歸納。

2.1 適用于河湖水系連通的水文地貌調(diào)查模式

基于河湖水系連通戰(zhàn)略， 河湖水系連通很大程度上都會相對依賴現(xiàn)實流域內(nèi)的水文地貌基本要求， 因此應(yīng)該按照河湖水系連通用于水資源配置的目的， 根據(jù)不同的尺度與范圍調(diào)查水文地貌的主要內(nèi)容[4]。 調(diào)查內(nèi)容具體可以分為水文-地貌基本調(diào)查、河流-湖泊連通性調(diào)查以及河湖水系連通動態(tài)格局調(diào)查3 個方面。 水文地貌的基本調(diào)查可從地貌單元、 地貌附近河流的河漫灘系統(tǒng)和地貌動態(tài)格局方面著手；河流-湖泊的連通性方面可通過對比歷史階段與現(xiàn)階段不同河流位置的連通性特征，分析河流處于常年連通或間歇性連通；對于河湖水系連通動態(tài)格局方面調(diào)查應(yīng)重點圍繞湖泊、濕地等的水位以及面積變化率進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.2 生態(tài)需水量預(yù)測

生態(tài)需水量大致可分為維持水生生物生存的需水量、水面蒸發(fā)需水量、河道滲漏需水量和湖泊需水量等[5]。 維持水生生物生存需水可使用Tennant 法（蒙大拿法），以年平均流量的百分比作為所求流量進(jìn)行計算。 河流水面蒸發(fā)需水量需要已知河流對應(yīng)的水面面積、 當(dāng)?shù)氐乃嬲舭l(fā)量以及當(dāng)?shù)匾欢螘r間內(nèi)的降水量，計算方式見公式1。 當(dāng)?shù)叵滤幌鄬^低時， 河流會在強大的水壓作用下向河底滲水，從而發(fā)生滲漏情況。 河流滲漏的需水量計算公式如公式2 所示。 湖泊的生態(tài)需水量通過湖泊的水位、水面面積進(jìn)行計算，三者之間存在的關(guān)系見公式3。

式中：We 為對應(yīng)河流的水面蒸發(fā)需水量 （萬m3）；A 為河流水面面積（萬m2）；E 為當(dāng)?shù)氐乃嬲舭l(fā)量（mm）；P 為當(dāng)?shù)仄骄邓浚╩m）。

式中：W河流為對應(yīng)河流的滲漏損失量（m3）；A為河流的年均水面面積（m2）；K1為經(jīng)驗系數(shù)。

式中：W湖泊為湖泊滲漏損失量（m3）；N 為一年補水次數(shù)；S 為湖泊的水面面積（km2）；H 為湖泊平均水深（m）。

2.3 水資源供需平衡分析

2.3.1 需水預(yù)測

一般將用水類別分為生活用水、 生產(chǎn)用水以及生態(tài)用水3 大類，具體分類方式見表15]。

表1 水資源配置需水單元等級分類表

2.3.2 供水預(yù)測

供水預(yù)測是將城市當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀年供水系統(tǒng)分析與水利開發(fā)的實際現(xiàn)狀相結(jié)合從而來對不同水平年供水量的預(yù)測。 對于可供水源需首先進(jìn)行區(qū)域劃分，其中包含城市地表水、地下水、中水回用等部分。 地表水可以分為配置城市當(dāng)?shù)氐牡乇硭约昂雍B通工程調(diào)取的水等。 對地表水的供應(yīng)按照典型年進(jìn)行計算， 其中典型年可分為不同的保證率：50%、75%和95%；地下水的可供水量以各水平年地下水不同設(shè)備的出水量進(jìn)行預(yù)測。 最后對于中水回用可按照當(dāng)?shù)氐幕赜寐蔬M(jìn)行估算。 對各個分區(qū)的供水預(yù)測量應(yīng)以現(xiàn)狀年的供水比例來進(jìn)行相應(yīng)的分區(qū)計算。

2.4 水資源配置

當(dāng)前期鋪墊工作皆計算完畢后即可對基于河湖連通的水資源優(yōu)化配置模型進(jìn)行構(gòu)建。水資源優(yōu)化配置模型是一個含有多個目標(biāo)、多個分區(qū)以及多個水源的數(shù)學(xué)模型， 其包括了至少3 個目標(biāo)函數(shù)，分別為：經(jīng)濟效益、社會效益以及生態(tài)效益[6]。

對于三者的目標(biāo)函數(shù)計算情況， 經(jīng)濟效益目標(biāo)可以從宏觀經(jīng)濟角度來對相應(yīng)的水資源配置效益進(jìn)行預(yù)測； 以各個水平年之中的主體缺少的用水量最少來作為社會效益最大化的目標(biāo)； 對于生態(tài)效益目標(biāo)可以選擇各個水平年中的環(huán)境缺水量趨于最小來作為生態(tài)效益達(dá)成最大化的對應(yīng)目標(biāo)。

3 現(xiàn)階段基于河湖連通的水資源優(yōu)化配置代表性技術(shù)方法

我國學(xué)者針對不同階段所面臨的問題， 結(jié)合各自學(xué)科優(yōu)點及國家優(yōu)勢研究領(lǐng)域提出不同方向的對策， 現(xiàn)總結(jié)概括各方向河湖連通水資源優(yōu)化配置的代表性技術(shù)方法。

3.1 基于宏觀經(jīng)濟的水資源合理配置

為滿足水資源開發(fā)利用與社會經(jīng)濟發(fā)展緊密聯(lián)系的需要， 在水資源配置研究過程中采用多目標(biāo)遺傳算法結(jié)合水資源配置成本效益分析， 提出基于宏觀經(jīng)濟的水資源合理配置方法。

根據(jù)大系統(tǒng)理論的分解協(xié)調(diào)技術(shù)， 將配置模型轉(zhuǎn)化為二級的多目標(biāo)優(yōu)化模型， 求解方式可采用分解-協(xié)調(diào)技術(shù)中含有的模型協(xié)調(diào)法進(jìn)行，將已經(jīng)關(guān)聯(lián)約束的變量進(jìn)行預(yù)分， 進(jìn)而對預(yù)分的方案歸納整理使整體系統(tǒng)被拆解為多個獨立的子系統(tǒng)，并多次進(jìn)行分配量的調(diào)配，從而使水資源配置系統(tǒng)的綜合效益達(dá)到最大[7]。

采用隨機模擬等技術(shù)探討基于宏觀經(jīng)濟的水資源合理配置問題， 運用多方案模擬辦法通過多個目標(biāo)情景來識別其風(fēng)險值大小， 可通過Monte-Carlo（隨機模擬）技術(shù)來進(jìn)行風(fēng)險因子的模擬，進(jìn)而保證水資源的合理調(diào)配并使宏觀經(jīng)濟達(dá)到最佳。

3.2 面向生態(tài)進(jìn)行合理配置

水資源的過度開發(fā)帶來了許多無法解決的問題，例如河道中水位驟減、地下水水位下降等，因此在配置過程中也應(yīng)適當(dāng)面向生態(tài)水量。

為提高水資源利用率， 可在水資源配置內(nèi)容中引入水資源凈效益思想。 該思想強調(diào)配置工作應(yīng)與生態(tài)保護任務(wù)相輔相成， 在此過程中來盡可能謀求水資源的凈效益最大化。

在進(jìn)行配置的過程中由于各個用水主體對個體具有影響， 博弈論的想法充分考慮了水資源配置過程中所有的人為影響， 在配置過程中不同主體所對應(yīng)的利益不均衡，應(yīng)進(jìn)行合理均配，參與人依據(jù)自身理性在相對應(yīng)的制度約束之下通過利于自身的行為使得利益保證最大化[8]。

3.3 對于廣義水資源進(jìn)行合理配置

廣義水資源意思是運用純天然的水循環(huán)作用來保證自身水源不斷補充和更新， 對人工以及天然系統(tǒng)具有一定作用的一次性淡水資源。

傳統(tǒng)的ET 代表的是蒸發(fā)（evaporation）和蒸騰（traspiration）的合寫。 針對于廣義水資源配置方式可通過基于廣義ET 的水資源規(guī)劃進(jìn)行解決，包括對于ET 的總量進(jìn)行控制，即在整體方向，把控已有部分的總ET 量， 從而使流域內(nèi)所含有的總體ET含量低于可以消耗的ET， 同時從流域的整體提高水分生產(chǎn)的水平來促進(jìn)社會經(jīng)濟持續(xù)性的發(fā)展[9]。

3.4 對于跨流域大規(guī)模區(qū)域配置

當(dāng)水資源配置涉及到大規(guī)模的連通水系運輸工程時，往往會面臨多個水源間、多個主體間、多個目標(biāo)和決策的分配問題。

系統(tǒng)仿真通過建立和運行處于計算機系統(tǒng)之中的仿真模型， 來對現(xiàn)實狀況及其隨時間變化的特征規(guī)律進(jìn)行模擬與分析， 在這個過程中可以更直接反映并估算出實際系統(tǒng)的真正參數(shù)和它的多種性能10]。

對于區(qū)域水資源的優(yōu)化配置是大系統(tǒng)中多目標(biāo)優(yōu)化的問題， 該方法將現(xiàn)有水資源的綜合效益達(dá)到最大作為配置的總目標(biāo)， 在保證流域環(huán)境需水量的基礎(chǔ)之上， 為各個行政區(qū)來提供盡可能高的平均利益比例[11]。

水資源的配置從開始的單一簡單逐步發(fā)展為現(xiàn)階段的多目標(biāo)、多角度、多尺度、多水源來構(gòu)建多層次的優(yōu)化配置模型。 在未來的水資源優(yōu)化配置研究領(lǐng)域發(fā)展過程中， 相信會有更多優(yōu)化簡便方法為我國水資源的合理分配提供思路并發(fā)揮作用，從而進(jìn)一步達(dá)到人水和諧的理想局面，真正實現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”[12]。

4 基于河湖連通的水資源優(yōu)化配置特征

與傳統(tǒng)的水資源配置方法相比， 基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置將不同江河、湖泊、濕地等水源連接并結(jié)合利用， 統(tǒng)籌規(guī)劃更大范圍的水源內(nèi)容和更廣闊的區(qū)域。 因此基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置較傳統(tǒng)水資源配置具有以下特點：

（1）受水范圍較普通的水資源配置更為廣泛，受用群體范圍大。 由于河湖水系連通考慮到江河、湖泊、濕地等情況，遠(yuǎn)多于水資源配置使用的水庫等水資源， 同時由于將調(diào)水區(qū)與受水區(qū)通過工程進(jìn)行連接形成更大的區(qū)域， 所以在進(jìn)行基于河湖水系連通的水資源配置時應(yīng)充分考慮多方面的利益相關(guān)體，實現(xiàn)均衡發(fā)展[13]。

（2）配置網(wǎng)絡(luò)的存在形式更多變、水網(wǎng)形成難度增加。 由于河湖連通工程的產(chǎn)生，調(diào)水區(qū)和受水區(qū)連接的水源增加， 因此需要考慮的不同水源的水質(zhì)、水量等問題也相應(yīng)增多，造成應(yīng)對不同水源調(diào)取現(xiàn)象所作出的假設(shè)判斷與模擬也隨之增加。

（3）配置方向趨于完善、目標(biāo)逐步清晰準(zhǔn)確，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。 現(xiàn)階段我國水資源配置應(yīng)該以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)， 并以生態(tài)用水的角度進(jìn)行深度研究。 加入河湖水系連通組織后，生態(tài)環(huán)境中的水資源保證了一定的水量， 同時防止了相應(yīng)的污染， 使可供調(diào)配的水源中水質(zhì)水量皆達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了水資源配置滿足經(jīng)濟、社會等效益的同時也改善了生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)語

1.河湖水系連通戰(zhàn)略是我國提出的一種治水新思路。 相比于傳統(tǒng)水資源配置，本文結(jié)合了河湖水系連通特點， 系統(tǒng)性提出了基于河湖水系連通的水資源配置整體思路。

2.針對水資源配置的不同目標(biāo)， 結(jié)合研究現(xiàn)狀，分類闡述各自代表性研究方法，為水資源優(yōu)化配置多方向發(fā)展提供理論依據(jù)。

3.基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置具有多方向、多角度、多目標(biāo)、多層次等特點，是一個相對系統(tǒng)性、復(fù)雜性的問題，本文綜合性的對其特點進(jìn)行整理總結(jié)， 為基于河湖水系連通的水資源配置深入研究奠定了理論基礎(chǔ)。 □