水资源优化配置系统的模型设计

图2-2　水资源系统分析模型结构

水资源优化配置系统模型是人口、水资源、生态环境和社会经济各个方面的综合体。归纳起来，水资源优化配置系统模型大体上可以由水资源模块、社会经济模块以及生态环境模块三部分构成（见图2-2），当然这并不是唯一的分类方法，根据不同的出发点还有别的分法，这里不一一列举。水资源模块主要从水质、水量分析入手，以供需平衡分析为基础，在供水方面尽量提高供水保证率以最大程度满足需水要求，在水资源可利用量分析方面以水资源可持续利用为原则，根据不同区域或流域特征，科学合理的确定区域水资源总量以及水资源可以开采利用量，以维持区域水资源的良性循环。在水质方面，准确计算河道、水体的环境容量，保证不同的取水水质要求，同时保证水体所要求的水质级别。社会经济模块则是体现区域水资源开发利用情况对区域社会经济的发展状况和规模的影响，以此建立水资源与区域经济发展的联动模型，确定产业结构、经济发展规模与水资源之间的定量模型关系。比如，计算不同人口规模和不同自然增长率情况下的居民需水量，计算不同工业产值下的工业需水量，计算不同粮食产量下的农业灌溉用水量等。生态环境模块主要是描述水资源开发与生态环境之间的关系，在水资源优化配置中，生态环境模块必须能够合理计算区域生态环境需水量，在水资源配置模型中必须优先保证各生态环境需水量的供应，区域发展必须是在保证区域生态环境不被破坏、实现区域生态环境的良性循环的前提下进行的可持续发展。

因此，水资源优化配置系统模型就是整合了区域水资源、经济、社会和生态系统关系的一个综合模型，在已经进行或正在进行的研究中，有两种方法可以构建这样的综合模型，即组合模型方法和整体模型方法[50]。

1.组合模型方法

在典型的组合模型方法中，Noel和Howitt发表了一个整合了经济模型和复杂水文模型的研究成果，建立了一体化的二次经济福利方程和多流域联结模型，包括一些辅助的经济和水文模型[51]。Lefkoff和Gorelick用一个与Noel和Howitt不同的数学形式传递经济模型和水文模型之间的信息。他们将地表水与地下水交互的分布式参数、水盐分的变化和经验的农业生产函数嵌入到一个长系列的优化模型中，计算年度的地下水抽取量、地表水使用量和灌溉面积。模型在工厂级应用了微观经济理论以及田间作物生产函数[52]。Lefkoff和Gorelick扩展了一个水交易市场，模拟农场间的年度水交易[53]。Lee和Howitt运用非线性区域生产模型和水文模型，分析科罗拉多河流域的农业灌溉的经济表现[54]。

陈志恺等将宏观经济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体系，包括经济优化模型、模拟模型和方案评价模型等。这种方法通过宏观经济多目标模型与流域模拟模型的组合，可以对流域的经济、水文、环境和政策等多种因素进行了分析，这种方法本身形成了严格的理论体系，并且应用于中国的多个流域，如淮河、海河、石羊河和疏勒河流域等。王忠静等在此基础上引入水资源承载能力的概念，用来分析和评价水资源与区域经济的关系，对水资源与社会经济系统的关系进行了更加深入的分析[49]。(www.xing528.com)

2.整体模型方法

整体模型方法的研究成果也是非常丰富的。Harding等用科罗拉多河网络模型（CRM）研究流域严重干旱的水文影响。这个网络径流模型用一个静态优化算法代表固定优先权条件下的每个时间段的流域水网络的水资源配置[55]。Booker[56]扩展了Booker和Young[57]的模型，建立了一个整体的水文—经济—制度优化模型CRIM—科罗拉多河流域制度模型。扩展部分包括了更实际的水文过程、更多的经济数据和更多的模型数据。模型用于评估干旱对经济和水文的影响，以及干旱对政策的反应。模型是一个优化问题，具有非线性的目标和方程。模型同时解决了在特定政策情境下的经济影响和水资源配置问题。模型用GAMS语言写成，并且用其中的MINOS非线性解法。Henderson和Lord[58]建立了博弈模型，用于模拟内在的集体行为过程，博弈者是流域状态和国家管理机构。基本的发现是博弈者在不同规则的游戏中的选择基本相似，而且同非消费性的用户（如发电、环境用水和盐分控制）以及娱乐相比，这种选择更加受到消费性水用户的欢迎。Faisal等研究了地下水流域的管理问题，包括非线性的二次方作物生产函数，用非线性优化算法的变化梯度方法求解[59]。

综合模型的基本要求是通过合适的方式组合短期运行和长期运行结果，这样短期运行的结果可以充分的从长期运行中得到反馈。Ximing提出了一个流域水文—农业—经济整体模型，用于分析流域的长期和短期的用水效率，并且在非线性解法问题上提出了新的方法，模型应用于Syr Darya流域，对该流域的可持续发展情景进行了分析[60]。

另外，包括世界粮食政策研究所（IFPRI）、得克萨斯大学的水资源研究中心和国际水管理研究所（IWMI）在内的研究团体于1999年构架了一个原型的综合水文—农业—经济—制度模型框架，基于定点的经验研究，模型应用于智利Maipo河流域的水管理政策分析。

在国内，赵建世等在宏观经济水资源多目标分析模型的基础上，将复杂适应系统理论及其建模方法引入到水资源配置模型中，提出了基于该理论的整体模型方法，构建了基于复杂适应系统理论的水资源配置整体模型，并得到了初步的应用[29]。