水资源调配研究：有效利用和保护水资源

1.国外研究综述

国外对水资源配置最早的研究开始于20世纪40年代,Mass从单个水库库存水量的优化调度角度研究水资源配置。进入20世纪50年代以后,随着运筹学和计算机科学的发展,水资源系统模拟技术开始出现,其中比较著名的应用有美国陆军工程师兵团(USACE)设计的密苏里河流域的多个水库调度模拟模型和Emergy和Meek(1960)提出的尼罗河流域水库群调度模拟模型。随着水资源模拟技术的发展,其应用领域进一步扩大,从单纯的水库调度模拟向整个流域或者地区的水资源系统模拟发展。Haimes(1975)应用模拟模型技术对地表水库以及地下含水层的联合调度进行了研究,同年J.A.Dracup和A.D.Fudmar用系统模拟的方法对南斯拉夫Morana流域的水资源规划进行了研究。除了美国的这些研究之外,苏联、加拿大、英国、法国等,也都先后开始用系统模拟和系统分析方法研究水资源配置问题。

由于系统工程的原理和方法的引入,20世纪80年代以后的许多水资源规划目标,都由以前的单一强调经济发展,逐步过渡到更广泛的社会需求方面,即多目标规划,尤其是1982年美国召开的“水资源多目标分析”会议,推动了水资源管理多目标决策技术的研究和应用。荷兰的水资源配置专家E Romijn.M Taminga在考虑了水的多功能性和多种利益关系的基础上,强调决策者和决策分析者之间的合作,建立了Gelderlandt Doenthe的水资源量分配问题的层次模型,体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点。1985年G.Yeh对当时的水资源配置方法进行了系统的总结,将水资源配置的方法归纳为线性规划、动态规划、非线性规划和模拟技术等几类。

随着工业化的发展,水资源配置不仅仅是水资源短缺问题,水污染问题也逐渐引起了人们的关注,因此从20世纪90年代开始,国外的水资源配置从单纯的水量配置转向水量与水质的并重,从水资源可持续利用的角度对配置问题进行研究。Watkins和David W Jr(1995)在一种伴随风险和不确定性的可持续水资源规划模型框架的基础上建立了有代表性的水资源联合调度模型。该研究通过建立一个两阶段的扩展模型来解决水资源的配置问题,在第一阶段得到投资决策变量后将其代入第二阶段后可以得到运行决策变量,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。Bana(1990),El-Swaify(1998)以及Beinat等(1998)分别利用多准则分析评估的方法来解决水资源配置中的环境问题,通过不同的数学运算法则来支持水资源配置的复杂决策。另外,还有部分学者从经济学的角度通过成本-收益分析法来进行水资源配置中的环境评估,在环境经济学的基础上进行资源配置的最优化决策。

20世纪90年代中期以后,流域水资源配置模型出现了另外一个新趋势:一方面,基因算法和灰色模拟等计算技术不断引入模型中,出现了一些基于新的算法和对原有算法进行改进的水资源配置模型；另一方面,则表现为水资源管理模型与地理信息系统、水文模型和经济模型的耦合。Minsker等(2000)应用遗传算法(Genetic Algorithms)建立了不确定性条件下的水资源配置多目标分析模型,通过遗传计算模拟自然进化过程来搜索水资源配置多目标的最优解,但从本质上看,这种算法的思路并没有跳出多目标规划寻优的范畴；Rosegrant等(2000)为评价改善水资源配置和利用的效益,将经济模型与水文模型进行耦合,并把模型应用于智利的Maipo流域；Xu等(2001)将分布式水文模型与地理信息系统有机结合,解决了传统方法不能解决的大量水资源配置方案的检验问题,同时,能形象展示决策者由于条件变化对流域水资源管理的改变,为开发流域水资源管理空间决策支持系统(SDSS)奠定了基础。

除了采用水资源配置模型进行配置之外,国外也有一些国家开展了以水权市场交易为基础的配置。智利的宪法规定个人或者企业在通过法律获取水权后,不仅有使用水的权利,并且还有处置水权的权利,水权可以脱离土地作为抵押品、附属担保品进行市场经济活动。Chales W.Howe等曾以美国的科罗拉多河为例,研究了通过水权市场进行水资源配置的优缺点。美国加州地区由于长期缺水,也开展了以水银行为核心的水权交易试点,取得了一定的实际效果。另外,澳大利亚从1994年开始也引入了水权市场交易理论进行水资源配置的改革,将水权从地权中分离出来,允许水权独立运作和流转。

2.国内研究综述(www.xing528.com)

我国在水资源科学配置方面的研究起步比欧美的研究要迟,最早是20世纪60年代以水库优化调度为先导的流域水资源配置的系列研究,这些方法发展至80年代形成了基于水库调度图的常规调度方法和以运筹学为基础的线性规划方法、非线性规划以及动态规划方法,基于寻优为目的的神经网络方法、遗传算法及其改进的一些算法(如蚁群算法)等,水资源多目标决策方法,水文模拟技术与控制方法,考虑水文随机性因素的优化方法、水资源系统模糊优化算法以及衍生的一些其他方法等。张勇传等(1982)提出在水库优化调度中将变向探索法引入动态规划来解决调度问题；马光文等(1987)提出采用关联平衡法来进行水电站群补偿调节的递阶控制,以水电站群保证出力最大为准则、供水期出力相等作为关联条件,通过上、下级反复协调迭代来求水库群调度问题的最优解,解决了库群数目的增加带来的“维数灾”问题；董子敖等(1989)考虑了随机径流的自相关关系和互相关关系,提出了一种求解串并混联水电站水库群补偿调节和调度的多目标多层次优化法。

20世纪90年代以来,我国基于系统工程理论为科学基础的水资源开发、配置与管理的理论及方法研究方面随着系统工程学科的发展,经历了从按照物理系统运动形式和规律来研究复杂系统的还原论方法,向复杂性科学与复杂系统的整体论和还原论结合的方法发展。冯尚友(1991)提出水资源大系统递阶控制理论,而后(2000)又提出水资源生态经济复合系统理论；刘国纬(1995,2000)首次把水资源系统的运行调度由以往视为结构化问题推进到视为半结构化问题的新阶段；王慧敏等(2000)提出流域复合系统理论以及流域可持续发展系统综合集成研讨体系；赵建世、王忠静(2002)提出水资源复杂适应系统配置模型；王浩、秦大庸等(2003)提出面向全属性功能的水资源配置理念；王慧敏等(2005)提出基于供应链的跨流域调水运营管理理论,基于复杂适应系统范式的水资源管理及建模等。随着计算机信息技术的飞速进步,特别是将分布式水文模型与地理信息系统有机结合,开发出流域水资源管理决策支持系统(DSS)。如金水工程东方世纪科技公司的洪水预报调度及水资源管理SRFFA系统,南瑞集团公司的WRMS流域水资源监控调度管理系统等。

进入21世纪以后,面对当今更为复杂的“人—水”关系、“人—人”关系,国内已有一些零散的从制度、政策等角度研究水资源协商管理的研究。秦大庸(2005)在初始水权分配的原则中提到在尊重历史基础上协商调整原则；王浩(2006)则进一步指出:用水现状是水权初始分配的重要参考依据,通过科学论证和民主协商确定,使其具有可操作性；徐邦斌(2006)建立了淮河流域初始水权分配协商机制,提出由水利部淮河水利委员会负责组织召开由各方代表参加的淮河流域初始水权分配协商联席会议方案；李向阳(2007)结合鄂豫丹江荆紫关水事纠纷、同民河水事纠纷、浙闽边界大岩坑水电站跨流域引水水事纠纷等8个地区水事纠纷案例,从定性分析的角度对跨界水资源管理协商的经验作了总结。从2004年开始,水利部松辽水利委员会为了减少该流域范围内水资源利用过程中的矛盾,率先开展了流域初始水权分配方面的研究和试点工作。陈丽芳等(2009)对松辽流域水资源管理制度建设进行了初步探索,在水资源管理体制、用水管理制度、水权制度、水价机制、流域水资源统一调度方面提出了建议；粟晓玲(2009)根据石羊河流域的情况,从供水、节水、结构调整、虚拟水等措施假设不同的水资源模拟配置情景,通过计算单元优化配置模型和水资源转化模拟模型的耦合模型得到各方案的配置结果,由多目标评价函数评价各方案的优劣,提出了该流域水资源合理配置的方案。

总之,在已有的以水利工程科学为基础的水资源配置研究中,流域水资源配置从最初小规模、单目标的水库优化调度,发展到较大规模、多目标、全局优化算法的流域水资源合理配置,并且随着研究的深入,由于常规数学规划方法的局限性已不能满足规划者的要求,因此各种方法的联合运用以及人工智能等计算机模拟技术的应用不断出现。

随着经济规模的不断扩大和人口的增长,人类对水资源的需求也越来越大,水资源的缺口不断增大,因此要在流域水资源的管理中局部引入市场化的模式来进行水资源的优化配置。在可持续发展和市场环境的大背景下,不同类型主体的利益取向不同,如何对这些不同的利益主体之间的利益关系进行协调以达到利益均衡,从而最终形成各方都比较满意的方案成了流域水资源配置新的目标和任务。