CAS理論研究水資源規(guī)劃管理的復雜性,水利工程論文

CAS理論研究水資源規(guī)劃管理的復雜性,水利工程論文1994年美國桑塔費研究所霍蘭德教授總結自個多年對復雜系統(tǒng)的研究，提出了關于復雜適應系統(tǒng)〔ComplexAdaptiveSystem，簡稱CAS〕的比擬完好的理論。他把系統(tǒng)中的成員稱為具有適應性的主體，簡稱為主體。主體與主體之間或同環(huán)境溝通的經(jīng)過中學習、完善和改造本身，以致產(chǎn)生新的或聚合成更大的個體，產(chǎn)生新層次，最后導致發(fā)生整個系統(tǒng)的進化。

二、CAS理論研究水資源規(guī)劃管理的復雜性

1．水資源復雜適應系統(tǒng)模型的構造與層次劃分

簡化后的水資源復雜適應系統(tǒng)分為兩個層次，上層是流域級，行為是以福利最優(yōu)為原則來制定水量調(diào)度指標；下層是各個具有適應性的部門級主體，都具有各自的行為、規(guī)則和決策目的，決策目的皆為使各自的效益最大，互相之間的影響和信息溝通能夠用函數(shù)來描繪敘述。水資源適應復雜系統(tǒng)各主體規(guī)則變化的形式是，高一級的層次制定政策來改變下一層主體的規(guī)則，而低層次主體本身根據(jù)使自個效益最大的目的發(fā)生行為，并反應外界環(huán)境和規(guī)則變化。也就是講，第二層的主體行為會使社會經(jīng)濟和自然條件發(fā)生變化，而這些變化反應會讓第一層主體相應做出政策改變，最終使整個社會系統(tǒng)綜合福利到達最大。

2．數(shù)學模型建立的原則與思路

建立流域級的水利-國民經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展模型主要是要在不同的層面上對二者的協(xié)調(diào)發(fā)展進行研究，也就是通過分析水利和國民經(jīng)濟之間的定量關系來確定水利建設與經(jīng)濟發(fā)展政策的制定原理和協(xié)調(diào)方式方法。模型以水利投資對國民經(jīng)濟綠色〔G〕與綠色核算的社會總資產(chǎn)增加值〔GKP〕的綜合影響效果為研究主線，綜合分析水利投資對國民經(jīng)濟的直接效果與間接影響。

水利投資建設對國民經(jīng)濟的直接效果，主要具體表現(xiàn)出在興利和除害兩個方面。興利效益主要包括社會經(jīng)濟活動直接的供水效益、維持生態(tài)環(huán)境發(fā)展的效益上；除害效益則包括保障社會經(jīng)濟安全運營的防洪效益、改善環(huán)境減免損害的生態(tài)環(huán)境效益。水利投資對國民經(jīng)濟的間接影響效果主要表如今一定的規(guī)劃期內(nèi)，社會上用于建設的總投資是一定的，水利投資的增加，會導致社會其他部門的投資減少，引致產(chǎn)生一定的效益變化。

模型主要通過計算水利投資減免的因人類不合理的生產(chǎn)和消費方式對環(huán)境-經(jīng)濟系統(tǒng)所造成的毀壞與損失，分析水利建設對社會總資產(chǎn)的奉獻和積極作用，合理配置水資源份額，來追求水利綠色核算的社會總資產(chǎn)增加值〔GKP〕最優(yōu)。

該模型的主題思想是在某一規(guī)劃期內(nèi)，把水利部門從社會投資的各部門重分離出來，分析水利投資所產(chǎn)生的直接、間接社會效益，綜合反映出水利投資的社會經(jīng)濟成果，給社會投資的優(yōu)化配置做一個參考。本模型側重研究的是水利投資的社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境效益，突出水利投資的獨立作用，基于綠色核算原理，建立水利對綠色〔G〕核算及社會總資產(chǎn)增加值〔GKP〕的奉獻作用機制模型，用來提供將來社會可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃的投資決策方案的根據(jù)。社會總資產(chǎn)=經(jīng)濟資產(chǎn)+環(huán)境資產(chǎn)，社會總資產(chǎn)的增加值就是當期社會資產(chǎn)的增加值。經(jīng)環(huán)境調(diào)整的社會總資產(chǎn)增加值GKP=〔出口-進口〕+最終消費+凈投資-〔經(jīng)濟資產(chǎn)中非生產(chǎn)性資產(chǎn)的使用+經(jīng)濟使用的非水資源的生態(tài)環(huán)境資產(chǎn)〕+各類資產(chǎn)因價格等原因變化的資產(chǎn)值+非水資源事故或原因造成的經(jīng)濟生產(chǎn)資產(chǎn)與非生產(chǎn)性資產(chǎn)的價值變化-經(jīng)濟對水生態(tài)環(huán)境的使用與損害-洪災損失年期望值-缺水損失年期望值。

3．滇池流域水資源狀況的簡介及其復雜特性

滇池流域位于云貴高原的中部，地勢由北向南降低，處于紅河、長江和珠江三大水系的分水嶺地帶。滇池是中國第六大淡水湖泊，從屬長江流域金沙江水系，位于昆明市南的西山腳下，呈南北向分布，海拔1,887.5m，總面積311.338平方公里，湖長41.2km，最大寬度13.3km，平均寬度7．56m，最大水深11.3m，平均水深5.12m，容積15.931億m3。盤龍江、寶象河、洛龍河、大河、東大河、柴河、撈魚河、新河等呈向心狀流入滇池。

滇池流域水資源狀況特點主要是水資源缺乏、水年際變化大、年內(nèi)分配極不均勻和污染特別嚴重。對其進行配置與管理的復雜性，能夠看出滇池流域的水資源特征從層次性、適應性和開放性幾方面都符合水資源復雜系統(tǒng)的特點。

4．模型構建思路

〔1〕整個模型分為兩層，上層為層，主要工作是計算更宏觀經(jīng)濟指標和投資額度，優(yōu)化目的是GKP最大；下層是流域層，通過輸入各種投資，優(yōu)化模擬計算，合理分配各流域的各項投資，并反應該投資條件下的各項損失。

〔2〕以2018年為基準年，2021、2020、2025、2030為計算水平年。

〔3〕以滇池流域的動態(tài)水利投入占用產(chǎn)出模型描繪敘述宏觀經(jīng)濟系統(tǒng)的基本規(guī)律。

〔4〕以滇池流域水資源二級區(qū)為基本空間單元，考慮單元內(nèi)的水量平衡和各種物理約束，如調(diào)蓄能力、供水能力和污水處理能力等，分析不同投資水平條件下的與水相關的各項損失。

〔5〕由于水文的不確定性，在無法準確預測水文邊界的條件下，規(guī)劃中用于計算的是各個指標的期望值，利用的是典型年法。

〔6〕在不同投資條件下產(chǎn)生的各種損失由詳細的子模型進行計算，基本思路是：投資水利工程設施變化物理形式預期損失變化貨幣形式預期損失變化。

5．模型的總體構造

根據(jù)前文所述，本模型采取分層及模塊化設計思想分為兩層，上層為流域內(nèi)的動態(tài)投入占用產(chǎn)出模型，下層為流域優(yōu)化模擬模型。

上層的動態(tài)投入占用產(chǎn)出模型的主要約束方程包括：投入產(chǎn)出平衡方程，經(jīng)濟構造約束方程，社會積累與消費方程，進出口約束方程，各行業(yè)生產(chǎn)函數(shù)方程，投資方程等。

下層的流域模型運算的基礎是要知足流域分區(qū)水量平衡和水力聯(lián)絡關系，優(yōu)化投資分配，將流域的總損失降到最小。

首先建立流域概化圖，以二級流域為基本空間單位，用水節(jié)點分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務業(yè)、城市生活和農(nóng)村生活節(jié)點，水文節(jié)點則分為入流、匯流、水庫、地下水庫和引退水節(jié)點。

6．模型的求解方式方法

上文中所建立的水資源復雜適應系統(tǒng)模型是多目的的非線性規(guī)劃模型，具有局部優(yōu)化的特征，所以，在求解模型的經(jīng)過中，需要找到一個單目的的非線性優(yōu)化模型的求解方式方法和多目的分析方式方法。此處用到的模型求解方式方法是嵌套遺傳算法，多目的分析用的是切比雪夫方式方法，這兩種方式方法的結合構成模型的完好數(shù)學解法。

7．實例計算

〔1〕分析計算模型的目的

1〕找到水利投資的最優(yōu)比例和相應的國民經(jīng)濟發(fā)展指標。

2〕分析水利投資的效益。

3〕比照沒有水利投資和最佳比例投資情景。

4〕方案的敏感性分析，通過限定水利投資的范圍，求出不同水利總投資規(guī)模條件下，經(jīng)濟效益和社會效益變化情況。

〔2〕模型的計算與分析本模型建立的目的就是要求出水利投資占的最佳比例以及各投資分項占總投資的比例。

首先定義基本情景的方案為不限制水利投資的比例，設定目的為GKP最大，進行模型優(yōu)化求解，計算結果見表1。

〔3〕水利投資的最佳比例以及相應的水利發(fā)展指標對模型計算結果進行分析，得到結論為：

隨著時間推移，流域總不斷增長，水利總投資以及各項投資都在增長，自改革開放以來，我們國家特別重視防洪建設，當前在滇池流域已建成較強的防御洪水風險體系，防洪部門的工作重點也由工程建設逐步轉為洪水管理，但是固然其投資比例沒有明顯的逐年增加，但是仍然是水利投資的重點；隨著經(jīng)濟發(fā)展，人民生活水平不斷提高，水質(zhì)和水環(huán)境的要求逐步提高，治污量逐年增加，治污投資也將會逐年增長；根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的要求，近年來對生態(tài)環(huán)境的保衛(wèi)越來越遭到重視，將來幾十年水土保持的投資必會增加。

各項水利投資占總投資的比例是隨著社會上出現(xiàn)的各類水問題的嚴重程度而發(fā)生改變的，見表2。

從數(shù)據(jù)分析可知，將來20年內(nèi)，最佳的水利投資占百分比為2.20~2.35%之間，相對較穩(wěn)定，而各分項投資有不同變化。由于滇池流域的地理位置具有特殊性，干旱的氣候和較嚴重的水污染導致供水投資和治污投資占的比例逐年增加，而近年來國家較重視防洪工程建設和保衛(wèi)生態(tài)系統(tǒng)，防洪投資與水保投資的比例由小幅下降，但每年投資實際額是增加的。

由以上計算結果能夠得出模型的優(yōu)化符合基本規(guī)律，水利損失隨著水利投資的增加而減少，而調(diào)整后的GKP在最優(yōu)方案〔2.20~2.35%〕到達最大，這種情況是水利與國民經(jīng)濟到達最佳協(xié)調(diào)發(fā)展的情況，充分講明水利投資與國民經(jīng)濟具有一定的關系，適當?shù)乃顿Y比例的增加有利于經(jīng)濟發(fā)展。而在到達最佳的水利投資比例后，再追加水利投資，得到的綠色核算的社會總資產(chǎn)增加值〔GKP〕并沒有隨之增加，講明固然水利損失減少，但總體的社會效益并沒有增加，那么，后來增加的那部分投資是不合理的，所以，計算出來的水利投資的最佳比例區(qū)間，能夠為水利與國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供根據(jù)。

三、總結與瞻望

通過對滇池流域水利-經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展模型的詳細計算驗證了模型的可行性，將水利投資從社會總投資中分離出來，模擬出社會、經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)的關系，計算水利投資的經(jīng)濟效益，得出滇池流域對水利發(fā)展的投資占的最佳比例。本模型的計算基于大量的數(shù)據(jù)和參數(shù)，參數(shù)的選取來源是其他與滇池流域的氣候環(huán)境和經(jīng)濟構造有較大不同的流域，影響到了模型的計算精度，將來的研究經(jīng)過中，對數(shù)據(jù)整理和參數(shù)的選定是重要的一項前期工作。

水利建設、水資源、社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境每個都是復雜的大系統(tǒng)，而將幾個系統(tǒng)結合在一起組成一個水利-經(jīng)濟系統(tǒng)，不僅很難用數(shù)學經(jīng)過描繪敘述，其構建經(jīng)過中對各部分的簡化也會影響模型的精度，因而，在將來的研究經(jīng)過中，對模型內(nèi)各個主體之間的關系確定和描繪敘述需要愈加精到準確。

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