中國水資源優化配置研究進展

李 巍，陳俊旭，于 磊，張士峰，朱新軍

（1.水利部海河水利委員會，天津 300170；2.天津市龍網科技發展有限公司，天津 300181；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101）

水資源是人類生存和經濟社會發展的物質基礎，是不可替代的重要自然資源[1]。水涵蓋人類生活的方方面面，從飲用水、經濟活動用水到農作物用水，水資源的變化會給人類帶來重大的影響。水資源不僅包括自然條件下直接提供給人類利用的潔凈水資源，也包括參與生態循環、蘊藏于人類食物中及保障生境的生態水資源。我國水資源南北差異顯著，地區不均衡現象普遍存在。隨著我國人口的增長和經濟進一步發展，需水量會增加。在過去的20年中，中國的經濟發展迅速，工業用水總體增長迅速[2-3]，這使水務管理問題突出、用水競爭加劇，極大地限制我國國民經濟健康穩定的發展，同時不利于社會的和諧穩定。水污染的加劇是水資源變化的又一個重要的影響因素。據《中國水資源公報》記載，2008年全國污水排放量達758億t，在參測的278座水庫中未達Ⅲ類水質的比例約19.8%；監測的河段中近40%水質在Ⅲ類及以下；湖泊中Ⅳ、Ⅴ類水占32.5%，而劣Ⅴ類高達23.3%。水污染加重又影響了水資源的利用，加劇了水資源短缺。水資源量處于動態變化中，對水資源的利用競爭在加劇，水資源社會、生態效益面臨考驗。如何實現水資源優化配置，統籌考慮水量、水質聯合作用下用水格局，協調水資源的高效利用來應對水資源短缺、保障水功能實現是水資源研究的重點。

1 中國水資源優化配置涵義

水資源優化配置理念開始于20世紀五六十年代，隨著相關研究的進展，水資源優化配置理念逐漸趨于統一。綜合來看，水資源優化配置是指為了保障經濟、社會、資源、環境的協調發展，利用工程和非工程措施對一定時空領域內的水資源進行資源整合、技術優化、可持續開發與管理的配置理論及方式。

水資源優化配置建立在水資源分配的基礎上，需要依據區域/城市水資源情勢、社會經濟狀況、水質要求、相關費用等方面進行。關業祥[4]認為水資源宏觀配置分兩步：將流域的可利用水資源量分配到各個區域，各省市再根據所得配額進行省內的配置。水資源的配置往往被分為規劃階段的水資源配置和管理方面的水資源配置，這體現了水資源屬性鑒定以及公眾參與的屬性要求。水資源優化配置從水資源屬性出發，不但要考慮到供、需水、排水及水質，還要協調好區域、地區以及競爭實體的關系；不但要考慮水務費用，還要考慮權責；不但要考慮水的傳輸效益，還要考慮水資源多功能利用。水資源優化配置的研究要不斷地從理論、實際模型、工程、法律等各方面來完善，才能有效指導高效、協調的水資源優化配置。

2 中國水資源優化配置研究現狀

2.1 配置理論研究

2.1.1 基于“供、需”單方面限制的優化配置理論

“供、需”單方面的限制是指配置過程中簡單地強調供給或需求而進行水資源配置的理論，這方面的理論研究以“以需定供”和“以供定需”的配置理論為代表。“以需定供”方式一般用在水資源充足且水力設施能保障供水的地區，這些地區水資源能滿足人們的生產、生活和環境需求，但忽略了水資源的資產屬性以及區域協調的要求，忽略了水資源的可持續利用能力，從而造成了水資源的極度浪費。“以供定需”則是在水資源短缺或水力設施不足情勢下的配置方式，是以有效的水資源供給來進行水資源的配置，需求被限制于可供應的水資源量，從而造成需求的壓抑，社會、工業等活動發展受限。鄧建綿等[5]認為，水資源可供水量是與經濟發展相依托的一個動態變化量，“以供定需”在可供水量分析時與地區經濟發展相分離，沒有實現資源開發與經濟發展的動態協調，可供水量的確定顯得依據不足，并可能由于過低估計區域發展的規模，使區域經濟不能得到充分發展。

2.1.2 基于經濟最優、效率最高的優化配置理論

社會經濟的發展需要水資源的持續供給，包括生活保障、工農業生產、服務用水等，水資源已成為經濟生產必不可少的投入成分。經濟的發展與水資源密切的關系，導致水資源配置出現了對經濟效率、社會發展效益保障的配置偏向。這種理論充分地將經濟學的投入產出分析及模型應用于水資源的優化配置，強調了水資源優化配置過程中的成本與收入的關系，從水資源利用的多維角度來思考水資源配置在不同領域的投入與產出，且將水資源配置所產生的行業結構變化、經濟差異的影響聯系起來，綜合考慮了水資源不同配置所產生的效益差異，是保障經濟迅猛發展的高效的配置理論。“八五”計劃重要課題 《華北地區宏觀經濟水資源規劃理論與方法》[6]在宏觀經濟水資源配置、規劃方面取得了眾多成果，促進了我國水資源優化配置的發展。

2.1.3 基于資源、社會經濟、生態環境統籌考慮的協調優化配置理論

水資源優化配置不能僅從單方面進行考慮，需要綜合區域資源稟賦、社會經濟狀況及生態環境承載能力各方面的因素。水資源可持續發展理論對水資源優化配置具有重要指導意義，其注重水資源利用的可持續性即在滿足當前水資源利用需求的前提下、不損害后代人或后續利用的可持續性的原則是協調優化配置的基本指導原則。協調優化配置充分考慮當前發展的經濟形勢，遵循人口、資源、環境、經濟的協調原則，在保護水環境的同時合理地開發利用，既滿足經濟發展的效率與效益需求下的水資源供給，又保障了可供持續利用的水環境，是促進國民經濟健康穩定發展，生態、水環境協調發展的理想的優化配置理論。但是，由于理想的模式往往缺乏現實的推動力，該理論的研究還局限于特定的區域和理論探討，未能形成被廣泛接受的理論體系。而且，該類型優化配置的研究主要側重于 “時間序列”（如當代與后代、人類未來等）上的認識，對于“空間分布”上的認識（如區域資源的隨機分布、環境格局的不平衡、發達地區和落后地區社會經濟狀況的差異等）基本上沒有涉及[18]。可持續水資源利用的研究，難以達到理想的可持續的境界，但是在摒棄片面追求每一項最優的情況下在人口、資源、環境與經濟間可以找到次優或總體目標最優的均衡點，則是協調優化配置理論一直的研究重點。

2.2 水資源優化配置模型研究

水資源優化配置理論指導具體優化配置實踐，但僅僅依靠理論難以適應復雜條件及多目標下的水資源優化配置的要求，將水資源優化配置的理論落實到實際工作中，需要一定的技術方法。水資源優化配置的實現技術及方法以及相關的模型研究一直以來都受到了廣泛的重視，從上世紀50年代以來仿真、模擬、規劃優化、“3S”及一體化等模型技術不斷地被引進水資源優化配置的領域中，豐富了水資源優化配置技術及方法。

2.2.1 基于水循環過程模擬的水資源配置仿真、模擬的模型研究

仿真、模擬是針對水資源配置的主體——水的循環、來源、供給、排泄、利用等過程進行的模擬，從而獲得水資源配置的優化方針。M Kinney等[19]提出基于GIS的水資源模擬系統框架，作了流域水資源配置研究的嘗試。分布式水文模型、神經網絡、遺傳算法、退火模擬等是仿真模擬的代表。分布式水文模型的建立正是基于降水、地表水、土壤水、地下水及其相互關系的物理規律，其理論基礎使其具有很好的應用擴展性[7]。分布式水文模型通過與土壤—植物—大氣系統的耦合，揭示流域水文循環中生態過程的變化規律；其網格化結構便于其與大氣環流模式的耦合，能夠進行全球氣候變化的水文水資源效應的模擬與預測。而神經網絡等網絡模型將水資源配置過程的水利用空間過程通過“點—線—面”的模式串聯起來，便于對水資源配置的過程進行監督管理，并能快速地反饋。

“3S”的發展及其在流域水資源管理中的廣泛應用，為流域水資源配置模型提供了強有力的工具與豐富詳實的數據[8]。GPS主要獲得單點空間數據；RS主要獲得區域大面積的圖像數據，作為GIS的數據源為GIS提供必要的空間決策分析數據；GIS作為一個處理這些空間數據的平臺，對這些數據進行轉換、分析、查詢、顯示等操作，并可以輔助決策者進行決策。郭變青等[9]利用GIS技術開發了“新鄉市水資源優化管理信息系統”。高春平等[10]以現代監控理論和水資源管理科學為基礎，建立了由信息采集系統、信息傳輸系統、數據處理與信息管理系統、水資源管理調度系統組成的 “遼寧中部地區水資源優化配置調度系統”。

2.2.2 體現層次性、整體復合性的規劃優化技術研究

規劃優化技術包括線性規劃、非線性規劃、動態規劃以及多目標交互式規劃技術等。規劃技術在水資源優化調度中最早在國外被用于灌溉調水和供水調度。如，20世紀40年代Masse提出了水庫優化調度問題；Watkins等[20]介紹了一種伴隨風險和不確定性的可持續水資源規劃模型框架，建立了有代表性的水資源聯合調度模型；Jha M.K.等[21]考慮了水的多功能性和多種利益的關系，強調決策者和決策分析者間的合作，建立了Guilderland Dolente的水資源量分配問題的多層次模型，體現了水資源配置問題的多目標和層次結構的特點；Zsgona A.等[22]基于大系統理論，建立了多水庫聯合調度模型。國內學者在20世紀60年代開始以水庫優化調度為手段的水資源分配研究，起步雖晚，但發展迅速[11]。水資源優化配置研究在不斷的發展中，目標函數、約束條件越來越復雜，研究方法不斷改進，線性、非線性規劃與其他方法綜合應用較多。典型的應用是賀北方[12]構建了區域水資源優化分配大系統優化模型；吳澤寧等[13]建立了多目標模型及其二階分解協調模型；姚進忠等[14]運用水資源系統分析理論，采用線性規劃方法，建立了引大入秦工程水資源優化配置模型。另外，水資源的分配調度可概化為多階段的決策過程，可用動態規劃求解，如陳守煜、邱林等[15]建立了多目標模糊優選隨機動態規劃模型。

3 中國水資源優化配置展望

我國水資源優化配置理論及技術仍不完善，面對復雜的水資源配置主體和對象往往難以全面、高效地完成任務，特別是對于配置對象復雜、權責模糊、經濟條件差且生態環境破環嚴重等情況更顯得困難。總體來看，水資源優化配置主要面臨以下問題：①面向不同的用戶，水資源優化配置要考慮供給水源要求，重點考慮地表水、地下水、外調水、入境水及中水等的優先度和可用量；②區分自然水循環及社會水循環過程，針對不同循環過程按照各異的指導理論進行水資源優化配置；③針對供水水質要求及用水行業限制，區別不同來水區水質狀況進行配水；④弄清水資源時空格局及其變化，優選供用水配置模型及先進技術；⑤綜合考慮資源、經濟及環境效益，重點關注環境影響，實現資源開發與環境保護的協調。水資源優化配置面臨較多的問題，我國水資源優化配置理論及其技術仍有待發展，以下的幾個方向或將是該領域未來的研究重點。

3.1 弄清供需水結構，區分自然及社會水循環過程，樹立天然—人工二元水資源系統協調的新優化配置思路

水資源優化配置要弄清楚水資源量、質、來源、利用領域，這是水資源優化配置的基礎。水資源配置一方面要顧及天然水資源的分配，又要廣泛提倡用水節約理念，實現水資源的實際和觀念上的雙向優化。水資源配置不但要對天然的水資源實行配置，還要對潛在水資源實現配置。潛在的水資源包括中生水、回用水、微咸水以及資源化污水，這些水構成人工水。人類活動從循環路徑、循環特性和循環動力機制等方面明顯地改變了流域水循環過程[16]，形成了由開發利用、消耗、排泄等環節構成的人工側支水循環[17]。要深入研究“天然—人工”二元水循環模式，定量研究人類活動影響下流域水文特性的改變與同期下墊面改變的關系以及與相應水生態過程的變化之間的關系，實現人工水與天然水協同配置，并在此二元模式下廣泛采取開源節流并舉措施，從而減弱水資源配置壓力，實現水資源優化配置。

3.2 規劃優化與仿真模擬共同發展，智能優化配置理論將發揮更大作用

規劃優化與仿真模擬一直是水資源優化配置的重要技術手段。隨著計算機的發展，智能優化配置將發揮更大的作用。水資源優化配置目標多樣、對象繁雜，單一的模型需要不斷向多目標模型發展，且需要協同配置才能適應水資源優化配置的需求。協同配置有利于比較不同方案的不同解，實現模擬與優化模型的耦合，較快得出易于各方接受的滿意解。另外，隨著隨機性及不確定性理論的引進，原來的假定水資源量穩定、水來源確定的靜態的水資源配置轉向不確定性和模糊優化的水資源優化配置，水資源優化配置理論將獲得快速發展。

3.3 水資源優化配置將綜合考慮“經濟—社會—資源—環境”這一復合系統，資源開發利用的生態環境效應將受到重視

水資源優化配置要考慮經濟、社會、資源、環境等方面的影響，并要兼顧經濟—社會—資源—環境復合系統的協調。由于以往在水資源優化配置中忽略了水資源的生態、環境效益，對生態、環境需水需求滿足不足，嚴重地影響了復合系統的平衡穩定。在水資源短缺的北方干旱地區，生態需水與經濟需水相互競爭，僅考慮水資源的經濟價值，不考慮水資源的生態價值，必然導致經濟需水擠占生態需水[17]。將資源、社會經濟、生態環境統籌考慮的協調優化配置除了兼顧社會經濟效益外，資源開發利用的生態環境效應將受到重視，水資源對社會經濟的承載能力將提高。

3.4 “3S”與分布式水文模型的時空一體化研究將成新的熱點

水資源的時空變異研究為水資源的優化配置奠定基礎，而“3S”與分布式水文模型的時空一體化研究為水資源的時空變異研究提供了便利的技術平臺。“3S”技術在系統概化、配置網絡構建、節點劃分及模擬上具有顯著的優勢，特別是水利信息化技術的發展為這一理論奠定了基礎。在未來發展中，“3S”與分布式水文模型的時空一體化研究將成為新的熱點。

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