干旱区水资源配置与调配技术

1　绪　论

1.1　问题的提出及研究意义

水是农业的命脉，也是整个国民经济和人类生活的命脉。水资源分布状况和利用水平已成为评价一个国家或一个地区的经济能否持续发展的重要指标。我国是一个水资源相对匮乏的国家，年均降水量为630mm，低于全球和亚洲的降水量；年平均淡水资源总量为2.8万亿m3，人均占有水量仅为2　300m3，相当于世界人均水平的1/4，居世界第109位，是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一［1］；耕地水资源占有量28　500m3/hm2，为世界平均数值的4/5。另外，我国水资源时空分布不平衡，降水东南多西北少，山区多平原少，雨量大致由东南向西北递减。81%的水资源集中分布在长江流域及以南地区，长江以北地区人口和耕地占我国的45.3%和64.1%，而水资源却仅占全国的19%，人均占有量约为517m3，相当于全国人均量的1/5和世界人均量的1/20［2］，区域水资源与生产发展不相适应的问题突出，土地沙漠化趋势日趋严重。

水资源是人类社会一切生产、生活的物质基础，没有水资源就没有人类［3］。随着社会的不断进步和生产的不断发展，人们对水的质量和数量的需求也越来越高。但自然界所能提供的可用水资源量却是有限的，而且水资源的时空分布与需水量的时空要求不协调，供需矛盾日趋尖锐，因此，从可持续发展观点看，世界上许多国家和地区都将面临水资源的优化配置问题，亦即对有限的水资源如何进行分配，使其满足社会经济发展和生态环境对水资源的需求。

众所周知，农业作为基础产业和战略产业，是任何国家和地区经济发展所依赖的基础。我国是一个农业大国，农业生产的发展对于确保社会经济长期持续发展更是具有决定性的意义。我国是一个占世界人口20%的大国，预计到2030年，我国人口将达到16亿，需要粮食6　400亿kg，届时将缺水1　300亿～2　600亿m3。水资源问题将长期成为我国政府面临的头等大事，水资源短缺已成为制约我国农业乃至整个国民经济可持续发展的核心。同时，中国是个受干旱影响严重的农业大国，据水利部统计，“十五”期间，全国农田受旱面积年均达3.85亿亩，平均每年因旱减产350亿kg，每年造成经济损失超过2　300亿元。同时，由于工农业经济的不合理快速发展，导致我国70%的内陆河流遭到污染，城镇建设快速发展，工农业用水竞争激烈。这些都成为中国经济发展和社会安定的隐患。

中国有一半的国土在西北干旱半干旱地区，周边有高山阻隔，远离海洋，气候干旱，降水稀少，基本是沙漠、戈壁、草原和贫瘠低产的农田。水是干旱内陆河流域最为宝贵的自然资源，是控制生态环境和经济可持续发展的关键因素，不仅是荒漠绿洲形成、发展和稳定的基础，也是环境的必要和有机组成部分。如何解决西北地区的干旱缺水问题，改变西北落后贫穷面貌，发展工农业生产，缩小东西部地区差别，以开发利用这些地区广袤的国土资源，将这些地区改造为农业生产后备区，发挥其农业生产潜力，将成为中国未来工农业和社会经济发展中面临的难题，应该及提早列到国家的议事日程。

塔河是我国最大的内陆河，流域位于新疆南部，总面积102万km2，流域内土地资源、光热资源和石油天然气资源十分丰富。塔河流域历史上形成的天然绿洲，是阻挡塔克拉玛干沙漠的风沙侵袭、保护人类生存环境的天然保障。塔河流域水资源开发利用和生态环境保护，不仅关系流域自身的生存和发展，也关系到西部大开发战略的顺利实施，战略地位十分重要。塔河木河流域深居内陆，气候干旱，降雨稀少，蒸发强烈，水资源相对贫乏，生态环境脆弱，但又是人口密度最高、经济社会发达、水资源开发利用程度最高的内陆河流域。水资源的开发利用支撑着区域经济的发展和人民生活水平的提高，但人口的增加、经济社会的发展、水资源的无序开发和低效利用，致使叶尔羌河、和田河等源流向干流输送的水量逐年减少，甚至断流，水质不断恶化，塔河下游近400km的河道断流，尾闾台特玛湖干涸，大片胡杨林死亡，生态环境日趋恶化，已成为制约流域经济社会和生态环境可持续发展的主要因素。与此同时，随着社会经济的发展，水资源的过度开发利用，进入下游绿洲的水量逐年锐减，致使下游地下水位下降，依赖地下水生长的天然植被衰退，绿洲萎缩，进而引起土地沙漠化、荒漠化、盐碱化扩展等一系列生态环境问题，威胁着流域的可持续发展，危及当地人们的生存。为解决不同干旱等级情况下的塔河流域的水资源短缺问题，探索塔河流域水资源的合理配置理论及关键技术，本书结合《塔河流域近期综合治理规划报告》，考虑我国内陆干旱区水资源极端匮乏、干旱频繁发生的实际情况，从研究区的供需现状和缺水形势着手，揭示不同等级的干旱致灾效应，揭示干旱等级对区域社会经济发展的影响。通过增加流域内的地下水开采、发展高效节水工程和渠系防渗工程等开源节流思路，构建在极端旱情下各种工程措施下的水资源调配方案并进行优选，以实现生态系统良性循环及经济可持续发展的目的，实现水资源优化调配，发挥水资源的经济、生态综合效能，为塔河流域的社会经济与生态环境可持续发展提供科技支撑，为当地的水资源优化配置提供科学依据。同时该流域的水资源优化配置模式的研究不仅可以有效地指导流域水资源调控实践，而且对于西北其他内陆河流域都有很好的借鉴意义。

1.2　水资源优化配置

水资源优化配置是指在一个特定流域或区域水资源分配过程中，充分考虑人类社会、经济、生态、环境等因素，合理利用水资源系统的时空变异特征，工程与非工程措施并举，优化水资源在地区之间、部门之间以及上下游、左右岸、经济、生态与环境等之间的分配，实现水资源的可持续利用，保证社会经济、资源、生态环境的协调发展。水资源优化配置是将有限的不同形式的水资源进行科学合理的分配［4］［5］，实质就是提高水资源的配置效率：一方面是提高水的分配效率，合理解决各部门和各行业之间的竞争用水问题；另一方面则是提高水的利用效率，促使各部门或各行业内部高效用水［6］。

水资源优化配置与水资源合理配置在概念上是有区别的，合理配置中的合理是水资源供需矛盾、各类用水竞争、上下游左右岸协调、不同水利工程投资关系、经济与生态环境用水效益、当代社会与未来社会用水、各种水源相互转化等一系列复杂关系中相对公平的、可接受的水资源分配方案。合理配置是人们在对稀缺资源进行分配时的目标和愿望。一般而言，合理配置的结果对某一个体的效益或利益并不是最高最好的，但对整个资源分配体系来说，其总体效益或利益是最高最好的。而优化配置则是人们在寻找合理配置方案中所利用的方法和手段。

1.2.1　国外研究进展

国外对水资源调配的研究是比较早的，源于20世纪40年代Mases提出的水库优化调度问题［7］，主要研究单一工程的优化调度，以后逐渐发展到流域水资源的优化配置，水资源合理配置的研究内容、配置目标及研究方法都得到了发展。1950年，美国总统水资源政策委员会的报告是最早综述水资源开发、利用和保护问题的报告之一，它推动了行政管理部门进一步开展水资源方面的调查研究工作。由于水资源系统的复杂性，以及存在的包括政治、社会、决策者偏好等各种非技术性因素，简单使用某些优化技术并不能取得预期的效果，而模拟模型技术可更加详细地描述水资源系统内部的复杂关系，并通过有效的分析计算获得满意的结果，从而为水资源宏观规划及实际调度运行提供充分的科学依据。最早的水资源模拟模型是1953年美国陆军工程师兵团（USACE）为了解决密苏里河流域6座水库的运行调度问题而设计的（Hall和Darucp，1970）。其后，为解决尼罗河流域水库的规模及其运行调度问题（Emergy和Meek，1960）也建立了专门的模拟模型。Masse等人在1962年提出了模拟技术在评价流域开发经济指标中的应用实例。

国外对水资源合理配置的研究始于20世纪60年代初期。1960年科罗拉多的几所大学对需水量的估算及满足未来需水量的途径进行了探讨，体现了水资源合理配置的思想。1961年，Moore提出了在一定时期内最优水量分配问题［8］。1961年，Buras等首次把DP法引入联合运用系统，用以解决地面水库和地下水库的蓄水分配问题［9］。1963年，Buras针对包含一个地表水库和地下水库和两个独立灌区的假定系统，建立了动态规划模型，以确定地下水库和人工回灌工程的规模、各灌区的灌溉面积以及地表水库和地下水库的供水策略［10］。1967年，Flinn和Musgrvae论证了动态规划方法应用于灌溉季节最优水量分配的可行性，并建立了相应的确定性动态规划模型，该模型含有一个描述系统任意阶段的状态变量，即在灌溉季节内的可分配水量［11］。同时，系统分析的其他方法如线性规划、非线性规划等在水资源优化配置中的应用也越来越广泛。

20世纪70年代以来，伴随计算机技术、系统分析理论和模拟技术的发展及其在水资源领域的应用，水资源合理配置研究得到了长足的进步，各种水资源管理系统模型应运而生。D.H.Marks于1971年提出水资源系统线性决策规则后，采用数学模型的方法来描述水资源系统问题更为普遍，随着系统分析理论、优化技术的引入及计算机技术的发展，水资源系统模拟模型和优化模型的建立、求解和运行的研究和应用工作水平不断得到提高；同年，美国学者Norma.J.Dudley将作物生成模型和具有二维状态变量的随机规划相结合，对季节性灌溉用水分配进行了研究。1974年，J.H.Cohon和D.H.Marks对水资源多目标问题进行了研究；1975年，Y.Y.Haimes应用多层次管理技术对地表水库、地下含水层的联合调度进行了研究，使模拟模型技术向前迈进了一步。同年，J.A.Drac和A.D.Fudmar用系统方法对南斯拉夫Moruaa流域的水资源规划管理进行了研究。1978年，J.M.Shaefr 和J.w.Lbadaie提出了流域管理模型。美国麻省理工学院（MIT）于1979年完成的阿根廷河Riocoloardo流域的水资源开发规划［12］，是当时最成功、最有影响的例子。1982年，加拿大内陆水中心利用线性规划网络流算法解决了渥太华流域及五大湖系统的水资源规划和调度问题。同年，Pearosn等利用多座水库的控制曲线，以最大产值、输送能力和预测的需水量为约束条件，用二次规划方法对英国Nawwa区域的用水分配问题进行了研究；英国学者P.W.Herbertson等，针对潮汐电站的特点，考虑多部门利益的相互矛盾，利用模拟模型对潮汐海湾的新鲜水量分配进行了模拟计算，展现了模拟技术的优越性；荷兰学者在考虑了水的多功能性和多种利益关系时，强调决策者与学者的合作，并建立了相应的水资源分配问题的多层次模型，注重水质约束、环境效益与水资源可持续利用研究，体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点。1983年，D.P.Sheer经过长时间的努力，利用优化和模拟相结合的技术在华盛顿特区建立了城市配水系统。1985年，G.Yhe对系统分析方法在水库调度和管理中的研究及应用作了全面综述，他把系统分析在水资源领域的应用分为线性规划、动态规划、非线性规划和模拟技术等，以模拟模型技术对流域水量的利用进行了研究，提出了多目标规划理论、水资源规划的数学模型方法，并加以应用。1987年，Willis应用线性规划方法求解了由1座地表水库与4个地下水含水单元构成的地表水、地下水运行管理问题，地下水运动用基本方程的有限差分式表达，目标为供水费用最小或当供水不足情况下缺水损失最小；同时，用SUMT法求解了一个水库与地下水含水层的联合管理问题［13］。

自20世纪90年代开始，水污染和水资源危机加剧，传统的以水量和经济效益最大的水资源分配已经不能满足需要，国外开始从单纯的水量配置研究发展到水量水质统一配置研究；从追求流域经济效益最优为目标发展到追求流域整体效益最优为目标，更加重视生态环境与社会经济的协调发展。1992年，Afzal、Javaaid等以某个地区的灌溉系统为例，建立了线性规划模型，对不同水质水的使用问题进行了优化［14］，模型能得到一定时期内最优的作物耕种面积和地下水开采量等结果。1995年，Watkins，David　W.Jr介绍了一种伴随风险和不确定性的可持续水资源规划模型框架，建立了有代表性的水资源联合调度模型。此模型是一个二阶段扩展模型，第一阶段可得到投资决策变量，第二阶段可得到运行决策变量，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［15］。R.A.Fleming和R.M.Admas建立的地下水水质水量管理模型，以经济效益最大为目标，考虑了水质运移的滞后作用，并采用水力梯度作为约束来控制污染扩散。U.Pmnau.Lall等建立了地表水、地下水联合运用系统的多目标管理模型，模型中将地表水地下水的处理费用纳入管理目标。1997年，Wong　Hugh　S等人提出支持地表水、地下水联合利用的多目标多阶段优化管理的原理与方法，在需水预测中要求地下水、地表水、外调水等多水源联合运用，还考虑了地下水的恶化防治措施［16］；美国学者Norman　J　Dudley将作物生长模型和具有二维状态变量的随机动态规划相结合，对灌区的季节性灌溉用水量分配进行了研究［17］；Carlos和Gideon以经济效益最大为目标，建立了以色列南部Eilat地区的污水、地表水、地下水等多种水源的管理模型，模型中考虑了不同用水部门对水质的不同要求。1998年，Wang　M研究了遗传算法（GA）和模拟退火（SA）在地下水资源优化管理中的应用，考虑了地下水随水流状态变化而变化的特性，建立了地下水模拟优化混合模型［18］。通过GA和SA的求解结果与线性规划、非线性规划、动态规划结果的比较，评价各类方法优缺点。三个实例研究中，GA和SA的优化结果优于或接近于各类优化方法的结果。Tewei在2001年建立了流域整体的水量水质网络模型。2002年，Ringler和Claudia在湄公河流域建立了水资源优化配置模型，该模型以流域为单元来确定湄公河水资源分配；Morshed等回顾了GA在非线性、线凸、非连续问题中的应用，对改进遗传算法的可能方面进行了研究与探索［19］，以一个具有固定和变化的非线性地下水优化问题为实例，将改进遗传算法得到的最优解和非线性规划得到的最优解进行比较，并研究这些改进方法对GA各种参数的敏感性［20］；McKinney等提出了基于GIS系统的水资源模拟系统框架，进行了流域水资源配置研究的尝试［21］。在2003年，Zhong　P.A和Wang　H.R等建立了大系统多目标的水资源优化调度分解模型。Ma　W.F和Zhao　X.H等（2005）建立了以重复利用为基础的多目标水资源优化配置模型，该模型的决策变量是种植面积，目的是最大限度地扩大作物产量和农民收入，依据优化配置提供科学决策，缓解农业水灌溉危机。在2006年，Subhankar　Karmakar和P.P.Mujumder建立了基于灰色系统理论的不确定性模型。Ma　Weifang和Wen　Junl（2008）研究实施再生水回用措施来解决我国水资源短缺问题。该系统中所有部门都被视为“以满意度为目标”的独立人士。水的分配满足了水的质量和数量的需求，在一定程度上三种水资源的模糊优化的满意度最低优化模型。2009年，Cai　Xinmin建立了各种水源的以最大经济利润的目标的数学规划模型，这种模型可以用来解决经济、环境相结合的问题。

1.2.2　国内研究进展

在我国，水资源优化配置研究是随着系统工程理论的发展、应用和社会经济发展对水资源需求特点变化而展开的，虽然研究起步较迟，但发展很快。20世纪60年代我国开始了以水库优化调度为先导的水资源分配研究，并在国家“七五”攻关项目中得到提高和应用，形成了水量合理配置的雏形［22］［23］。“八五”期间，黄河水利委员会开展了“黄河流域水资源合理分配及优化调度”研究，对流域管理和水资源合理配置起到了较好的示范作用。水资源优化配置方法的系统提出是在国家“八五”科技攻关项目专题“华北地区水资源优化配置研究”中，该成果提出的基于宏观经济的水资源优化配置理论与方法，在水资源优化配置的概念、目标、平衡关系、需求管理、经济机制及模型的数学描述等方面，均有创新性进展，并在华北、新疆北部及其所属部分省、市得到广泛应用［24］［26］。在“九五”攻关项目“西北地区水资源合理开发利用及生态环境保护研究”中，水资源优化配置的范畴进一步拓展到社会经济—水资源—生态环境系统，优化配置也发展到同时考虑国民经济用水和生态环境用水［27］。随着我国社会经济发展和用水量不断攀升，水问题的核心变为社会经济用水和生态用水之间的不平衡，使得流域水资源调配格局不当，引起经济、生态问题。针对上述问题，“十五”科技攻关项目“水安全保障技术研究”提出面向全属性功能的流域水资源配置概念。“十一五”主要进行了基于ET的水资源整体配置。实现基于ET的分配是解决水资源配置问题的一个重要进步，它将水量配置从取用水量配置推进到耗水量配置，将配置与真实节水相关联，对实现流域水循环调控目标具有重要意义。

在我国对水资源优化配置的研究，概括起来有以下几种：

水利工程控制单元的水资源优化配置。水利工程是水资源配置的基本单元，由于其结构相对简单，影响和制约因素相对较少，因此如何实现水利工程控制的有限水资源量的最大效益，成为广大学者较早涉足的研究领域。唐德善以黄河中游某灌区为例，运用递阶动态规划法，确定水资源量在工业和农业之间的分配比例。贺北方、黄振平、向丽、马斌对多库多目标最优控制运用的模型与方法、灌区渠系优化配水、大型灌区水资源优化分配模型、多水源引水灌区水资源调配模型及应用进行了研究。这些成果促进了以有限水资源量实现最大效益的思想在水利工程管理中的应用。

城市水资源优化配置。针对某一个具体的城市，建立多水源多目标优化模型。卢华友（1997）等以义乌市水资源系统为对象，建立大系统分解协调模型，并提出了递阶模拟择优的方法。黄强等（1999）以西安市市区供水水源优化调度为实例，建立了多水源联合调度的多目标优化模型，提出了多目标模型求解思路和方法。辛玉深等（2000）应用现代系统分析理论，建立了长春市多水源联合供水的优化管理模型。吴险峰等探讨了北方缺水城市——枣庄，在水库、地下水、回用水、外调水等复杂水源下的优化供水模型，从社会、经济、生态等综合效益考虑，建立了水资源优化配置模型。

区域水资源优化配置。由于区域水资源系统结构复杂，影响因素众多，各部门的用水矛盾突出，研究多以多目标和大系统优化技术为主要研究手段，在可供水量和需水量确定的条件下，建立区域有限的水资源量在各分区和用水部门间的优化配置模型，求解模型得到水量优化配置方案。贺北方提出了区域水资源优化分配问题，建立了大系统序列优化模型，采用大系统分解协调技术求解，在河南豫西地区建立了区域可供水资源年优化分配的大系统逐级优化模型，该成果的特点是考虑了产业结构调整对水资源量配置的影响。吴泽宁等以经济区社会经济效益最大为目标，建立了经济区水资源优化分配的大系统多目标模型及其二阶分解协调模型，并用层次分析法（AHP）简洁考虑了水资源配置的生态环境效果。翁文斌等将宏观经济、系统方法与区域水资源规划实践相结合，形成了基于宏观经济的水资源优化配置理论，并在这一理论指导下提出了多层次、多目标、群决策方法，实现了水资源配置与区域经济系统的有机结合。“九五”攻关项目“西北地区水资源合理开发利用及生态环境保护研究”，建立了干旱区生态环境需水量计算方法，提出了与区域发展模式及生态环境保护准则相适用的生态环境需水量，在此基础上，提出了针对西北生态脆弱地区的水资源配置方案。冯耀龙等（2003）系统分析了面向可持续发展的区域水资源优化配置的内涵与原则，建立了优化配置模型，给出了其实用可行的求解方法。

流域水资源优化配置。唐德善运用多目标规划的思想，建立了黄河流域水资源多目标分析模型，提出了大系统多目标规划的求解方法。1996年由黄委会勘测规划设计研究院主持的“黄河流域水资源合理分配和优化调度研究”，开发了由数据库、模拟模型、优化模型等组成的决策支持系统，并初步研究了黄河干流多库水利联合调度模型。陈晓宏等以大系统分解协调理论作为技术支持，运用逐步宽容约束法及递阶分析法，建立了东江流域水资源优化调配的使用模型，并对该流域特枯年水资源量进行了优化配置和供需平衡分析。邵东国针对南水北调东线这一多目标、多用途、多用户、多供水优先次序、串并混联的大型跨流域调水工程的水利优化调配，以系统弃水量最小为目标，建立了自优化模拟决策模型，并采用动态规划法求解。卢华友等以跨流域水资源系统中各子系统的供水量和蓄水量最大、污水量和弃水量最小为目标，建立了基于多维动态规划、与模拟技术相结合的大系统分解协调实时调度模型，是水资源优化配置研究的一大进步。

1.2.3　水资源配置的发展模式

我国水资源配置的研究经历了3个阶段：一是水量配置阶段（20世纪60年代～80年代初）；二是经济效益优先阶段（80年代中期～90年代初）；三是可持续发展和生态保护优先阶段（90年代中期以后）。相应的水资源配置的理论经历了从需水管理到供水管理，再到基于宏观的经济管理的转变，分别形成了“以需定供”、“以供定需”、基于宏观经济和可持续发展的水资源配置理论。

1）“以需定供”的水资源配置

“以需定供”的水资源配置强调供水管理，根据过去或目前的国民经济结构和发展速度资料预测未来的经济规模，通过该经济规模预测相应的需水量，并以此得到需求水量，进行供水工程规划，注重协调各单位竞争性用水，加强管理，并通过工程措施改变水资源天然时空分布与生产力布局不相适应的被动局面。这种思想强调需水要求，通过修建水利水电工程的方法从大自然无节制或者说掠夺式地索取水资源。其结果必然带来不利影响，诸如河道断流、土地荒漠化甚至沙漠化、地面沉降、海水倒灌、土地盐碱化等等。另一方面，由于以需定供，没有体现出水资源的价值，毫无节水意识，也不利于节水高效技术的应用和推广，必然造成社会性的水资源浪费。因此，这种牺牲资源、破坏环境的经济发展，会付出沉重的代价，只能使水资源的供需矛盾更加突出。

2）“以供定需”的水资源配置

“以供定需”的水资源配置，是以水资源的供给可能性进行生产力布局，强调资源的合理开发利用，以资源背景布置产业结构，它是“以需定供”的进步，有利于保护水资源。但是，水资源的开发利用水平与区域经济发展阶段和发展模式密切相关，因此，水资源可供水量是随经济发展相依托的一个动态变化量，“以供定需”在可供水量分析时与地区经济发展相分离，没有实现资源开发与经济发展的动态协调，可供水量的确定显得依据不足，并可能由于过低估计区域发展的规模，使区域经济不能得到充分发展，这种配置理论也不适应经济发展的需要。

3）基于宏观经济的水资源配置

无论是“以需定供”还是“以供定需”，都将水资源的需求和供给分离开来考虑，要么强调需求，要么强调供给，并忽视了与区域经济发展的动态协调。基于宏观经济的水资源优化配置理论是结合区域经济发展水平，同时考虑供需动态平衡的配置理论。某一区域的全部经济活动就构成了一个宏观经济系统，基于宏观经济的水资源优化配置，通过投入产出分析，从区域经济结构和发展规模分析入手，将水资源优化配置纳入宏观经济系统，以实现区域经济和资源利用的协调发展。当区域经济发展对需水量要求增大时，必然要求供水量快速增长，这势必要求增大相应的投资而减少其他方面的投入，从而使经济发展的速度、结构、节水水平以及污水处理回用水平等发生变化，以适应水资源开发利用的程度和难度，从而实现基于宏观经济的水资源优化配置［28］。水资源系统和宏观经济系统之间具有内在的相互依存和相互制约的关系。另一方面，投入产出表中所选择的各种变量虽经过市场而最终达到一种平衡，但这种平衡只是传统经济学范畴的市场交易平衡，忽视了资源自身价值和生态环境的保护。因此，传统的基于宏观经济的水资源优化配置与环境产业的内涵及可持续发展观念不相吻合，环保并未作为一种产业考虑到投入产出的流通平衡中，水环境的改善和治理投资也未进入投入产出表中进行分析，必然会造成环境污染或使生态遭受潜在的破坏。因此，传统的宏观经济理论体系有待革新。

4）可持续发展的水资源配置

可持续发展的水资源优化配置是对宏观经济的水资源配置的进一步升华，它遵循人口、资源、环境和经济协调发展的战略原则，在保护生态环境的同时，促进经济增长和社会繁荣。目前我国关于可持续发展的研究主要集中在区域水资源可持续发展的指标体系构筑和依据已有统计资料对水资源开发利用的可持续性判别上；对于水资源可持续利用，主要侧重于“时间序列”上的认识，对于“空间分布”上的认识还很不够，理想的可持续发展模型应是“时间和空间有机耦合”［29］［30］。因此，可持续发展的水资源优化配置在模型结构及模型建立上与实际应用都还有相当的差距，但它必然是水资源优化配置研究的发展方向［31］［33］，是一种理想的水资源优化配置模式。

1.2.4　水资源优化配置存在的问题

纵观国内外水资源优化配置研究进展，水资源优化配置的研究历史不过40多年，但在世界各国水利专家学者的共同努力下，其理论和方法研究已取得了长足的进展，获得了很多有价值的成果。在研究对象上，由最初的灌区、水库等工程控制单元水量的研究，扩展到不同规模的区域、流域和跨流域水量优化配置研究；在研究方法上，由单一的数学规划模型发展为数学规划与模拟技术、向量优化理论等几种方法组合的模型；对问题的描述由单目标发展为多目标，特别是大系统优化理论、计算机技术和新的优化算法的应用，使复杂多水源、多部门的水资源优化配置问题变得较为简单，求解也方便化。由于水资源系统涉及经济、社会、技术和生态环境的各方面，是复杂的系统，特别是随着可持续发展战略的实施，对水资源配置的要求越来越高，水资源优化配置也不断面临新的挑战。用可持续发展思想审视现有的研究成果，尚有不完善之处，概括起来有以下方面：

1）重视水资源配置的经济效益研究，而忽视整体的可持续发展

目前研究的热点是基于宏观经济的水资源优化配置，它不仅结合了区域经济发展水平，而且考虑了供需动态平衡，通过对投入产出的分析，将水资源优化调控纳入宏观经济系统，实现了区域经济和水资源合理利用的协调发展。在模型中，目标多为经济效益最大、供水量最大、缺水量最小等，分析思路与目前国家统计部门统计相一致，相关资料便于获取，具有可操作实用性。但传统的投入产出分析只反映了传统经济运行状况，片面的追求经济效益，而忽视了社会、经济、环境之间的相互协调及可持续发展的要求，忽视了水资源自身价值和生态环境的保护，其结果必然会造成环境的恶化和资源的短缺，会对生态环境造成潜在的威胁。因此在对水资源进行分配时，考虑到合理的生态需水量，保护生态环境，是我们目前亟待研究的课题（邓建绵等，2004）。

2）重视水量的优化配置，轻视水质的配置

我国已有的水资源优化配置研究成果多是在分析水资源配置系统特点的基础上，对需水量的估算及对满足未来需水量的途径的考虑，借助优化理论建模并求解，得到有限的水资源量在各子区和用水部门间的合理分配方案，很少考虑水质方面。但是随着水危机和水污染的日益加剧，以及用水部门对水质要求的不尽相同，单纯以水量为对象的水资源优化配置研究已经不能满足经济快速发展的要求，可以说在我国未来的发展中，必将是水质导致的水资源危机大于水量危机。因此，只有充分重视水质问题，将其与环境生态问题联系起来，实现水质与水量的优化调控，才有利于水环境与生态环境的改善和保护，最终实现水资源开发利用的良性循环。

3）缺乏系统的效果评价

目前国内对于水资源优化配置效果评价的研究十分薄弱，缺乏相应的评价机制，迄今仍没有建立起较为完整的评价体系和评价标准。水资源优化配置作为一个典型的半结构化、多层次、多目标的群决策问题，决策和操作上的复杂性使得效果评价研究日益成为重要组成部分。但是，由于我国现有的水循环监测系统不尽完善，缺乏独立的检测部门，给信息收集带来很大困难，也使得水资源优化配置的效果评价依赖于生态、环境、社会和水循环系统的外在效应的阶段积累，存在时序上的滞后性，且伴有后果的不可恢复性。同时对于水资源优化配置效果的评估往往缺乏系统性，多纳入社会公平评价、效率评价及生态环境评价等综合评价当中，缺乏专项综合评价。另外在我国水资源优化配置实践过程中，也尚未建立起系统的配置后处理体系，没有形成合理的协调反馈体制。

4）新的优化方法应用不多

目前灌区水资源优化配置模型求解方法多采用线性规划、非线性规划、动态规划等传统方法，这些方法应用于复杂的大系统时受到一定的限制。而新近发展起来的智能优化方法，如遗传算法（GA）、人工神经网络（ANN）和混沌优化等，对于离散、非线性等大规模优化问题充分显示出了优越性。若在水资源优化配置中应用这些新的优化方法，不仅能促进这些算法的实际应用，同时也是对大系统规划理论与方法的有益探讨。

5）配置模式未引入市场机制(www.xing528.com)

目前我国对水资源的所有权和使用权在《水法》中已经有了明确的规定，但是对于水资源的调控和经营权的划分还不是很清晰。我国现行的水资源配置模式还是以行政指令配置为主，对于省份和地区间的水资源配置，由于各地区人口、经济结构、用水现状等差异，往往很难把握公平性和效率性等，加剧了对公共河流水资源的激烈争夺。同时供水价格严重背离其本身的价值，还存在着国家养水、福利供水等的情况，导致已有水利工程日常维护和新建工程由于缺乏资金而不能正常运转。因此，应当引入以经济为手段的市场调控，加快水价制度的改革。

1.2.5　水资源优化配置的发展趋势

综合国内外的研究成果，水资源优化配置的发展趋势将体现在以下几个方面：

1）基于可持续发展的水资源配置理论

根据国家新时期的治水方针、我国水资源开发利用和管理中出现的新问题与新情况，研究和指导水资源开发利用的理论、观点正逐步向着基于可持续发展的方向发展。社会经济的不断发展，使得对水资源的需求量不断增加，而对水资源的盲目、掠夺式开发和利用则会危及人类赖以生存的生态环境；而生态环境的破坏，会反过来阻碍社会经济的发展，最终危及人类的生存与发展。因此，只有实现水资源合理开发和高效利用，积极恢复和修复被破坏的生态环境，人类才能保障自己生存和可持续发展。

2）生态环境需水计算理论研究

水是生态环境的控制性要素，水资源的不合理开发利用和管理导致了严重的生态环境问题。生态环境需水量既是水资源开发利用的基本依据，也是实现水资源合理规划与配置的技术支持。

正确计算生态环境需水量是水资源可持续利用的根本保障，也是实施水资源优化配置的前提，所以，积极开展生态环境需水量计算的相关研究，对合理量化生态需水总量、优化配置水资源具有重要意义。目前关于生态环境需水量计算的理论尚不成熟，并无统一的计算标准和方法，因此，必须提出一套便于实际操作的、可行的、科学的生态环境需水量计算理论和方法。生态需水基本原理主要包括：水文学原理和生态系统学原理，即水文循环与水量平衡、水热平衡、水盐平衡、水沙平衡等原理。目前，该领域的研究主要集中在河道、湿地及地下水等方面，关于生态环境需水计算的理论和方法急需完善和深入。

3）水质水量联合优化配置

可持续发展要求以水资源可持续利用支撑和保障经济社会的可持续发展，这要求在水资源配置研究中，充分考虑代际间发展和用户之间分配的公平性，以及经济发展与水资源、环境之间的相互协调。因此，如何从理论和技术上体现水资源配置的公平性和水资源配置与经济、环境、人口的协调，是水资源配置研究必须解决的问题之一。

水质和水量密切相关，离开水质谈水量没有实际意义。在我国未来的发展中，水质导致的水资源危机大于水量危机，必须引起高度重视。一方面，随着经济社会发展，水资源开发程度的加剧，各行业用水量大幅度增加，相应的污水排放量也急剧增加；另一方面，根据水功能区划的要求，一定区域范围内的水体纳污能力是有限的。这就客观要求将反映水质特征的水环境容量视为一种资源，与水资源量统一协调地进行配置。可见，水体的水环境容量、污水与用水之间的关系、污水排放和水体纳污量间的关系，以及水质水量联合优化配置的理论、模型和方法，是水资源优化配置的重要研究课题。

1.3　水资源配置的原则

水资源配置是一个多层次、多目标、多阶段的群决策问题，在空间上涉及国家与地方、地区与部门等多个决策主体层次，在时间上涉及近期、中期、远期等多个规划阶段，还要统筹生活、农业、工业、生态环境等多个用水目标。水资源配置就是通过工程与非工程措施（法律、行政、经济以及技术等），对各类形式的水源进行分配、协调，处理水资源与社会、经济、生态环境之间关系，实现区域水资源的可持续利用和社会、经济、生态环境的可持续发展。针对这样的一个复杂问题，在具体的配置过程中应遵循有效性、公平性和可持续性等基本原则［34］［35］。

1.3.1　有效性原则

有效性原则以保证社会、经济、生态环境等用水部门水资源综合利用效益最高为目标，是水资源配置的基础。从纯经济学的观点可解释为：水是有限的自然资源，经济部门对其使用，追求水资源利用边际效益相等，以获得最大效益。而此处所谓有效性不是单纯追求经济意义上的有效性，而是同时追求对环境的负面影响小的环境效益，以及能够提高社会人均收益的社会效益，涉及社会、经济、生态环境等目标，是能够保证经济、环境和社会协调发展的综合利用效益的。合理配置就是要协调各目标之间的利益及冲突，实现真正意义上的有效性原则。

1.3.2　公平性原则

公平性原则以满足不同区域间和社会各阶层间的各方利益进行资源的合理分配为目标，是人们对经济以外不可度量的分配形式所采取的理智行为。它要求不同区域（上下游、左右岸）之间的协调发展，以及发展效益或资源利用效益在同一区域内社会各阶层中的公平分配。公平性原则以满足所有用水部门对水资源及其利用效益合理分配为目标，是水资源合理配置的根本保证。它是在遵循有效性原则基础上体现一种权利和义务。在我国，水资源属于公共资源，人人都有使用水资源的权利，尤其在基本生活、工业用水方面，原则上应人人平等；同时，人人都有保护水资源的义务。其实，社会、经济、生态环境各目标的协调发展既是公平性的体现，在某种意义上也是公平性与有效性的有机统一［36］［40］。

1.3.3　可持续性原则

可持续原则可以理解为代际间的资源分配公平性原则，它要求近期与远期之间、当代与后代之间对水资源的利用上有一个协调发展、公平利用的原则，而不是掠夺性地开采和利用，甚至破坏。为实现水资源的可持续利用，区域发展模式要适应当地水资源条件，保持水资源循环转化过程的可再生能力。对于地表水，当代人若不及时利用，就会“付之东流”，但坚决不能提前支用下一代人的水资源，不能破坏其正常的水文循环；对于地下水，尤其深层地下水，其资源量大体是一个常数，对其开发利用必须保持在承载能力范围内，否则，不仅影响子孙后代的利用，还会引起一系列生态环境问题［41］［42］。依据可持续性原则，当代人的主要任务是保证区域社会经济活动不超过水资源的承载能力，保护好水资源的再生能力，实现区域水资源的可持续利用。

1.3.4　统一协调性原则

这是以流域、区域的水量平衡为基础，进行国民经济用水的供需平衡，统筹考虑有效降水和径流的有效利用，当地水、过境水和外调水的联合利用，地表水和地下水的补偿利用，干支流、上下游、一次水和再生水的利用。在水资源配置时要考虑发达地区与相对落后地区的协调发展，社会、经济、生态三个系统之间的协调稳定、共同发展和各用水部门之间的协调用水。

1.3.5　可接受性原则

可接受性是指在水资源优化调控的过程中，不仅优化调控的理论方法可行，而且分配方案应该为社会各需水部门所接受。

1.4　研究内容、方法和技术路线

1.4.1　研究内容

（1）根据塔河干流流域、阿克苏河流域和叶尔羌河流域主要代表水文站的多年河道来水量的SRI计算值，对比皮尔逊（P－Ⅲ）型曲线，划分流域不同干旱等级对应的来水频率。

（2）根据研究区各流域的水系分布情况，综合考虑上下游关系、灌区分布、现状灌溉制度及灌溉经验等因素，将塔河干流区划分为1个计算分区3个需求点；将阿克苏河流域分成9个计算分区21个计算需求点；将叶尔羌河流域划分为7个计算分区57个需求点。

（3）以2005年为现状年，依据现状条件下的供水工程规模、作物种植种类、种植面积、社会经济概况，对不同干旱等级情况下的研究区进行水资源供需平衡计算与分析，从而为水资源合理配置提供依据。

（4）采用WEAP模型构建塔河干流流域、阿克苏河流域和叶尔羌河流域水资源优化配置模型；通过系统网络描述使水资源系统中的各种水源、水量在各处的调蓄情况得到了客观、清晰的表述。模型可对不同灌溉水利用系数、不同地下水量的开发、不同工农业用水比例下的各种方案进行模拟与调算，得到各方案各计算单元的水资源调配结果。

1.4.2　研究方法

本书采用资料查阅、定性分析与模拟计算相结合的研究方法。

（1）收集资料：通过收集有关水文、气象、水利工程、水土资源开发利用、地下水，生态环境等方面的基础资料，为研究提供基础数据资料。

（2）根据流域水资源系统的具体特点和水利工程布置情况，划分水资源供需和配置的计算分区，通过抽象和概化，确定水资源的配置单元。

（3）采用WEAP模型建立流域水资源配置模型，通过设置不同方案进行决策，确定流域水资源合理配置方案，为流域今后的规划及发展提供强有力的技术支持。

1.4.3　技术路线

在大量查阅总结国内外相关文献研究现状的基础上，分别对水资源合理配置的相关理论研究进行阐述，明确拟采用的相关理论与方法；其次，对塔河干流区、阿克苏河流域和叶尔羌河流域进行水资源系统概化；然后对现状条件下的研究区水资源利用进行分析，并在此基础上制定多个水资源合理配置方案；最后对各种水资源配置方案进行比较，从中选择出最适合研究区的最优的水资源应急调配方案。研究采用的技术路线如图所示。

图　研究技术路线图

1.5　本章小结

（1）从理论与实践两方面阐述了塔河流域水资源应急调配研究的重大意义。对发生干旱情况下水资源应急调配的研究，对于实现水资源优化调配，发挥水资源的经济、生态综合效能，为流域社会经济与生态环境可持续发展具有重要的理论与现实意义。

（2）综述了水资源优化配置相关内容的国内外研究进展和发展趋势，水资源优化配置的原则，从理论、方法、应用三方面剖析了现有水资源配置研究中存在的问题。

（3）采用实际调查与资料查阅相结合、定性分析与模拟计算相结合的研究方法，确定了研究采用的技术路线。