水资源配置建模技术的优化方案

随着可持续发展战略的开展以及水资源的严重短缺，水资源优化配置的研究得到了很大的发展，研究者们不断的引入新的水资源优化配置理论方法，到目前为止用于水资源优化配置模型构件主要方法有系统动力学方法、大系统分解协调理论、宏观经济分析法、多目标规划与决策分析等，下面将分别予以介绍。

1.系统动力学方法

系统动力学是由Forrester于1956年创立的。它是一种以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段的研究复杂系统的定量方法。该方法是在总结运筹学的基础上，综合系统理论、控制论、信息反馈论、决策理论、系统动力学、仿真与计算机科学等基础上形成的崭新科学[32]。系统动力学模型作为一种因果机理性模型，最适合于分析复杂社会经济系统中的高阶数、多重反馈问题，适合对区域经济社会环境发展的长期趋势作出预测。

系统动力学方法是把研究的对象看作具有复杂结构的、随时间变化的动态系统。通过系统分析绘制出表示系统结构和动态特征的系统流图，然后把变量之间的关系定量化，建立系统的结构方程式以便进行模拟试验。

水资源系统涉及的变量很多，各变量之间关系复杂，并且模拟的过程是个动态过程，系统动力学恰恰具备了处理非线性、多变量、信息反馈、时变动态性的能力，基于系统动力学建立的水资源优化配置模型，可以明确地体现水资源系统内部变量间的相互关系，因此系统动力学方法也被许多学者用于水资源优化配置分析。例如，方创琳将参与柴达木盆地水资源优化配置的总系统分解成人口、水资源、农业、工业及第三产业、环境污染和GDP共六大子系统，按照系统动力学建模的基本原理形成了柴达木盆地的水资源优化配置基准方案[33]。高彦春等运用系统动力学模型对汉中盆地平坝区水资源系统进行仿真预测分析，并以系统动力学模型为基础，建立了汉中盆地平坝区水资源系统开发的多个方案[34]。张梁采用系统动力学仿真模拟等方法，对甘肃省石羊河流域水资源与环境经济进行了综合规划，提出了解决流域水资源危机的基本途径[35]。系统动力学方法的优点在于能定量的分析各类复杂系统的结构和功能的内在关系，能定量分析系统的各种特性，擅长处理高阶、非线性问题，比较适应宏观的动态趋势研究。其缺点是系统动力学模型的建立受建模者对系统行为动态水平认识的影响，由于参变量不好掌握，易导致不合理的结论[36]。

2.大系统分解协调理论

大系统理论的分解协调法是解决工程大系统全局优化问题的基本方法[37]。根据协调方式的不同，又可分为目标协调法和模型协调法，目标协调法是在协调过程中通过修正子问题的目标函数来获得最优解，模型协调法则是通过修正子问题的优化模型（约束条件）来获得最优解[38]。大系统分解协调理论在水资源优化配置中也得到了广泛应用[39]。沈佩君等以枣庄市水资源系统为实例，根据该地区及水资源系统的供水特点，建立了包含分区管理调度及统一管理调度模型在内的大系统分解协调模型，成功研究了地表水、地下水及客水等多种水资源的联合优化调度问题。沈佩君等还以鉴江流域供水系统为研究对象，根据大系统分解协调的原理，建立具有仿真性好、信息量大、灵活通用等特点的多层次长系列模拟模型。研究成果表明，整个模型系统简明合理，很好地解决了鉴江流域复杂水资源系统的供需平衡优化决策问题[40]。贺北方等基于可持续发展理论，以社会、经济、环境的综合效益最大为目标，建立区域水资源优化配置模型，并利用大系统分解协调技术，将模型分解为二级递阶结构成功求解[28]。陈晓宏等建立了以东江流域水资源合理利用为目标，考虑防洪、供水、航运、压咸等约束，采用大系统分解协调原理，运用逐步宽容约束法及递阶分析法，通过三大水库与河道、区间径流联合调度，实现了自流域至供水行业的多层次优化的水资源优化配置[41]。杨志峰等针对水量短缺和水质污染引起的跨边界区域水资源冲突，运用大系统分解协调原理和博弈理论构建了跨边界区域水资源冲突与协调模型体系[42]。黄牧涛等以云南曲靖灌区为例，采用大系统分解协调技术对大型灌区水库群系统水资源优化配置问题进行了分析和研究，构建了水资源系统两级递阶分解协调模型[43]。可见，大系统分解协调理论在水资源优化配置中得到了广泛应用，也取得了不少研究成果。(www.xing528.com)

3.多目标规划与决策技术

水资源优化配置涉及社会经济、人口、资源、生态环境等多个方面，是典型的多目标优化决策问题。水资源优化配置过程中，任何目标都不可偏否，必须强调目标间的协调发展，于是，多目标优化方法应运而生。多目标优化包括两方面的内容，其一是目标间的协调处理；其二是多目标优化算法的设计。关于从多目标优化角度进行水资源优化配置的成果也不少。比如，贺学海等[44]和邵景力等[45]考虑水资源与社会、经济和环境的关系，构建了包头市地下水—地表水联合调度多目标管理模型，并运用管理模型实现了该市地下水和地表水资源优化调度，解决包头市水资源短缺问题。方红远等针对多目标水资源系统优化运行问题提出了多目标决策遗传算法并成功应用于苏北平原湖区的水资源开发利用中[46]。邵东国应用系统工程理论与方法，结合南水北调中线工程，建立了复杂水资源系统的大系统多目标实时优化调度模型[47]。孙永堂等通过对公主岭市地下水资源开发利用中存在的主要问题的分析，确定了水资源管理的目标，建立了水质水量联合优化管理得多目标线性规划模型[48]等。多目标决策的优点在于它可以同时考虑多个目标，避免为实现某单一目标而忽视其他目标，但是，由于多目标决策涉及决策者偏好问题，不同的利益团体追求不同的目标效果，往往还是相差甚大，因而难以得到一个单一的绝对的最优解。

由于水资源优化配置受复杂的社会、经济、环境及技术因素的影响，在水资源配置过程中就必然会反映决策者个人的价值观和主观愿望。水资源配置多目标决策问题一般不存在绝对最优解，其结果与决策者的主观愿望紧密联系。交互式决策方法能够实现决策者与系统之间信息的反复交换并充分体现决策者的主观愿望，在多目标决策中得到广泛运用。王忠静等根据可持续发展理论，对干旱内陆河区水资源可持续利用的规划思想和方法进行了研究。总结和延伸了水资源规划的多目标发展、相互作用、动态与风险性、公众接受和滚动规划的规划原则，强调规划中水资源系统的不确定性和规划本身的动态发展特性。提出了交互式宏观多目标优化与方案动态模拟相结合的决策支持规划思想和操作方法，并对甘肃西部的河西走廊东端的石羊河流域进行了分析[49]。

4.投入产出分析

将水资源优化配置纳入国民经济宏观分析系统，通过投入产出分析，从区域经济结构和发展规模入手，实现区域经济和资源利用的协调发展。许新宜等将投入产出模型引入水资源系统，构架出宏观经济水资源系统，并在此基础上建立水资源配置多目标分析模型，对我国华北地区水资源的优化配置进行了系统研究[18]。但是，由于传统的投入产出模型中的平衡只是传统经济学范畴的市场交易平衡，忽视了资源自身的价值和生态环境保护，与可持续发展理论相违背，因此有待改进。目前已有学者正在进行传统宏观经济模型的修正研究工作，比如提出了绿色GDP等。随着宏观经济模型的进一步完善，在水资源优化配置中一定会得到广泛应用。