水資源優(yōu)化配置研究進(jìn)展

2015年秋季學(xué)期《能源動(dòng)力工程進(jìn)展》結(jié)課論文論文題目：水資源優(yōu)化配置探討進(jìn)展姓名：肖大太學(xué)號(hào)：1專業(yè)：水利水電工程學(xué)院：能源與動(dòng)力工程學(xué)院日期：2016年1月8日水資源優(yōu)化配置探討進(jìn)展摘要:結(jié)合我國水資源問題闡述了水資源優(yōu)化配置的作用，對(duì)國內(nèi)外水資源優(yōu)化配置的探討進(jìn)展做了評(píng)述，從可持續(xù)發(fā)展的角度，對(duì)水資源優(yōu)化配置探討成果的特點(diǎn)進(jìn)行歸納。在此基礎(chǔ)上，指出水質(zhì)水量聯(lián)合優(yōu)化配置和水資源優(yōu)化配置效果評(píng)價(jià)的理論、模型和方法，以及3S技術(shù)和新優(yōu)化算法在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用，是水資源優(yōu)化探討的重要領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：水資源；優(yōu)化配置；水質(zhì)；水量1我國的水資源問題與水資源優(yōu)化配置1.1水資源問題水資源是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是不行替代的重要自然資源。人口劇增，澆灌農(nóng)業(yè)擴(kuò)大，工業(yè)化和城市化發(fā)展，城鄉(xiāng)居民生活水平提高，人類社會(huì)對(duì)水的需求急劇增長(zhǎng)。同時(shí)由于城鄉(xiāng)污水大量排放，地表水和地下水源不斷受到污染，可供人類利用的水源日益短缺。部分地區(qū)河道斷流，湖泊干枯，地下含水層接近疏干，地面下沉，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。我國水資源面臨著洪澇災(zāi)難，水資源短缺和水污染加劇3大問題。因此，水資源的問題已引起全世界的普遍關(guān)注。洪澇災(zāi)難、干旱缺水、水污染和生態(tài)環(huán)境惡化，成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要制約因素[1]。1.2水資源優(yōu)化配置概念和作用水資源優(yōu)化配置是指在流域或特定的區(qū)域范圍內(nèi)，遵循公允、高效和可持續(xù)利用的原則，以水資源的可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，通過各種工程與非工程措施，考慮市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律和資源配置準(zhǔn)則，通過合理抑制需求、有效增加供水、主動(dòng)愛護(hù)生態(tài)環(huán)境等手段和措施，對(duì)多種可利用水資源在區(qū)域間和各用水部門間進(jìn)行的合理調(diào)配，實(shí)現(xiàn)有限水資源的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境綜合效益最大，以及水質(zhì)和水量的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)。從宏觀上講，水資源優(yōu)化配置是在水資源開發(fā)利用過程中，對(duì)洪澇災(zāi)難、干旱缺水、水環(huán)境惡化、水土流失等問題的解決實(shí)行統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合治理、實(shí)現(xiàn)除害興利結(jié)合，防洪抗旱并舉，開源節(jié)流并重，協(xié)調(diào)上下游、左右岸、干支流、城市與鄉(xiāng)村、流域與區(qū)域、開發(fā)與愛護(hù)、建設(shè)與管理、近期與遠(yuǎn)期等各方面的關(guān)系。從微觀上講，水資源優(yōu)化配置包括取水方面的優(yōu)化配置，用水方面的優(yōu)化配置，以及取水用水綜合系統(tǒng)的水資源優(yōu)化配置。取水方面是指地表水、地下水、污水等多水源間的優(yōu)化配置。用水方面是指生態(tài)用水、生活用水和生產(chǎn)用水間的優(yōu)化配置。各種水源、水源點(diǎn)和各地各類用水戶形成了浩大困難的取用水系統(tǒng)，加上時(shí)間、空間的改變，水資源優(yōu)化配置作用就更加明顯。水資源短缺和洪澇災(zāi)難要求水量在時(shí)間和空間上合理調(diào)配，水環(huán)境污染要求水量水質(zhì)之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。水資源優(yōu)化配置探討可為水量和水質(zhì)在時(shí)間和空間上的合理調(diào)配和運(yùn)用供應(yīng)科學(xué)依據(jù)和對(duì)策措施。因此，水資源優(yōu)化配置探討在解決我國水資源問題，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用等方面均占有重要的地位，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論和實(shí)際意義。2國外水資源優(yōu)化配置探討進(jìn)展2.1以水量配置為主的水資源優(yōu)化配置探討國外對(duì)水資源優(yōu)化配置的探討始于60年頭初期，1960年科羅拉多的幾所高校對(duì)安排需水量的估算及滿意將來需水量的途徑進(jìn)行了研討，體現(xiàn)了水資源優(yōu)化配置的思想。70年頭以來，伴隨數(shù)學(xué)規(guī)劃和模擬技術(shù)的發(fā)展及其在水資源領(lǐng)域的應(yīng)用水資源優(yōu)化配置的探討成果不斷增多。GYeh(1985)對(duì)系統(tǒng)分析方法在水庫調(diào)度和管理中的探討和應(yīng)用曾作了全面綜述，他把系統(tǒng)分析在水資源領(lǐng)域的應(yīng)用分為線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、非線性規(guī)劃和模擬技術(shù)等。Pearson等(1982)利用多個(gè)水庫的限制曲線，以產(chǎn)值最大為目標(biāo)，輸水實(shí)力和預(yù)料的需求值作為約束條件，用二次規(guī)劃方法對(duì)英國Nawwa區(qū)域的用水量?jī)?yōu)化安排問題進(jìn)行了探討。同年，英國學(xué)者PWHerbertson等，針對(duì)潮汐電站的特點(diǎn)，考慮多部門利益的相互沖突，利用模擬模型對(duì)潮汐海灣的簇新水量安排進(jìn)行了模擬計(jì)算，呈現(xiàn)了模擬技術(shù)的優(yōu)越性；荷蘭學(xué)者ERomijn.MTaminga考慮了水的多功能性和多種利益的關(guān)系強(qiáng)調(diào)決策者和決策分析者間的合作，建立了GelderlandtDoenthe的水資源量安排問題的多層次模型，體現(xiàn)了水資源配置問題的多目標(biāo)和層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。Willis(1987)應(yīng)用線性規(guī)劃方法求解了1個(gè)地表水庫與4個(gè)地下水含水單元構(gòu)成的地表水、地下水運(yùn)行管理問題，地下水運(yùn)動(dòng)用基本方程的有限差分式表達(dá)，目標(biāo)為供水費(fèi)用最小或當(dāng)供水不足狀況下缺水損失最小，同時(shí)，用SUMT法求解了1個(gè)水庫與地下水含水層的聯(lián)合管理問題。美國學(xué)者NormanJDudley(1997)將作物生長(zhǎng)模型和具有二維狀態(tài)變量的隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃相結(jié)合對(duì)灌區(qū)的季節(jié)性澆灌用水量安排進(jìn)行了探討。2.2考慮水質(zhì)因素的水資源優(yōu)化配置探討90年頭以來，由于水污染和水危機(jī)的加劇，傳統(tǒng)的以供水量和經(jīng)濟(jì)效益最大為水資源優(yōu)化配置目標(biāo)的模式已不能滿意須要，國外起先在水資源優(yōu)化配置中注意水質(zhì)約束、水資源環(huán)境效益以及水資源可持續(xù)利用探討。進(jìn)入80年頭后期隨著水資源探討中新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和水資源量與質(zhì)統(tǒng)一管理理論探討的不斷深化，水資源量與質(zhì)統(tǒng)一管理方法的探討也有了較大發(fā)展。尤其是決策支持技術(shù)、模擬優(yōu)化的模型技術(shù)和資源價(jià)值的定量方法等的應(yīng)用使得水資源量與質(zhì)管理方法的探討產(chǎn)生了更大的活力[2,3]。AfzalJavaid等(1992)針對(duì)Pakistan的某個(gè)地區(qū)的澆灌系統(tǒng)建立了線性規(guī)劃模型，對(duì)不同水質(zhì)的水量運(yùn)用問題進(jìn)行優(yōu)化。在劣質(zhì)地下水和有限運(yùn)輸河水可供運(yùn)用的條件下，模型能得到肯定時(shí)期內(nèi)最優(yōu)的作物耕種面積和地下水開采量等成果，在肯定程度上體現(xiàn)了水質(zhì)、水量聯(lián)合優(yōu)化配置的思想[4]。WatkinsDavidWJr(1995)介紹了一種伴隨風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的可持續(xù)水資源規(guī)劃模型框架，建立了有代表性的水資源聯(lián)合調(diào)度模型[5]。此模型是一個(gè)二階段擴(kuò)展模型，第一階段可得到投資決策變量，其次階段可得到運(yùn)行決策變量，運(yùn)用大系統(tǒng)的分解聚合算法求解最終的非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型；RAFleming和RMAdams(1995)建立的地下水水質(zhì)水量管理模型，建模以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，考慮了水質(zhì)運(yùn)移的滯后作用，并采納水力梯度作為約束來限制污染擴(kuò)散；UPmanulall等(1995)建立的地表水地下水聯(lián)合運(yùn)用系統(tǒng)的多目標(biāo)管理模型，模型中將地表水地下水的處理費(fèi)用納入管理目標(biāo)；WongHughS等(1997)提出支持地表水、地下水聯(lián)合運(yùn)用的多目標(biāo)多階段優(yōu)化管理的原理和方法，在需水預(yù)料中考慮了當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水、外調(diào)水等多種水源的聯(lián)合運(yùn)用，并考慮了地下水惡化的防治措施，體現(xiàn)了水資源利用和水資源愛護(hù)之間關(guān)系[6]。CarlosPercia和GideonOron(1997)以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，建立了以色列南部Eilat地區(qū)的污水、地表水、地下水等多種水源的管理模型，模型中考慮了不同用水部門對(duì)水質(zhì)的不同要求。3國內(nèi)水資源優(yōu)化配置探討進(jìn)展3.1水利工程限制單元的水資源優(yōu)化配置水利工程是水資源配置的基本單元，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)潔，影響和制約因素相對(duì)較少，如何實(shí)現(xiàn)水利工程限制的有限水資源量的最大效益，成為廣高校者較早涉足的探討領(lǐng)域。曾賽星、李壽聲(1986)在對(duì)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地表水地下水聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度中，采納動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法確定各種作物的灌水定額及灌水次數(shù)；1989針對(duì)江蘇徐州地區(qū)歡口灌區(qū)的實(shí)際狀況，建立了一個(gè)既考慮澆灌排水、降低地下水位的要求，又考慮多種水資源聯(lián)合調(diào)度、聯(lián)合管理的非線性規(guī)劃模型，以確定農(nóng)作物最優(yōu)種植模式及各種水源的供水量比例。唐德善(1992)以黃河中游某灌區(qū)為例，運(yùn)用遞階動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，確定水資源量在工業(yè)和農(nóng)業(yè)之間的安排比例。此外，賀北方等(1995)、黃振同等(1995)、向麗等(1999)和馬斌等(2001)對(duì)多庫多目標(biāo)最優(yōu)限制運(yùn)用的模型與方法、灌區(qū)渠系優(yōu)化配水、大型灌區(qū)水資源優(yōu)化安排模型、多水源引水灌區(qū)水資源調(diào)配模型及應(yīng)用進(jìn)行了探討[7]。這些成果使水利工程單元的水量?jī)?yōu)化配置模型和方法不斷豐富和完善，促進(jìn)了以有限水資源量實(shí)現(xiàn)最大效益的思想在水利工程管理中的應(yīng)用。3.2區(qū)域水資源優(yōu)化配置區(qū)域是社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中相對(duì)獨(dú)立的基本管理單位，其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有明顯的區(qū)域特征。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，以及多目標(biāo)和大系統(tǒng)優(yōu)化理論的日漸成熟，自80年頭中期以來，區(qū)域水資源優(yōu)化配置探討成為水資源學(xué)科探討的熱點(diǎn)之一。賀北方(1988、1989)提出區(qū)域水資源優(yōu)化安排問題，建立了大系統(tǒng)序列優(yōu)化模型，采納大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)求解。在河南豫西地區(qū)建立了區(qū)域可供水資源年優(yōu)化安排的大系統(tǒng)逐級(jí)優(yōu)化模型。該成果的特點(diǎn)是考慮了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水資源量配置的影響。吳澤寧等(1989)以經(jīng)濟(jì)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效果最大為目標(biāo)，建立了經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源優(yōu)化安排的大系統(tǒng)多目標(biāo)模型及其二階分解協(xié)調(diào)模型，并用層次分析法間接考慮水資源配置的生態(tài)環(huán)境效果。翁文斌等(1995)將宏觀經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)方法與區(qū)域水資源規(guī)劃實(shí)踐相結(jié)合，形成了基于宏觀經(jīng)濟(jì)的水資源優(yōu)化配置理論[8]，并在這一理論指導(dǎo)下提出了多層次、多目標(biāo)、群決策方法，實(shí)現(xiàn)了水資源配置與區(qū)域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，也是水資源優(yōu)化配置探討思路上的一個(gè)突破。吳險(xiǎn)峰等(1997)探討了北方缺水城市，棗莊在水庫、地下水、回用水、外調(diào)水等困難水源下的優(yōu)化供水模型，從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)綜合效益考慮，建立了水資源量?jī)?yōu)化配置模型。2002年中國水利水電科學(xué)探討院等單位聯(lián)合完成的“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“西北地區(qū)水資源合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境愛護(hù)探討”，建立了干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法，提出了與區(qū)域發(fā)展模式及生態(tài)環(huán)境愛護(hù)準(zhǔn)則相適用的生態(tài)環(huán)境需水量，在此基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)西北生態(tài)脆弱地區(qū)的水資源配置方案[9]。采納了在水資源配置方案設(shè)置的基礎(chǔ)上，生成水資源配置結(jié)果的探討思路，使水資源配置結(jié)果更符合區(qū)域的實(shí)際。3.3流域水資源優(yōu)化配置流域是具有層次結(jié)構(gòu)和整體功能的復(fù)合系統(tǒng)，由社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)構(gòu)成，流域系統(tǒng)是最能體現(xiàn)水資源綜合特性和功能的獨(dú)立單元。國內(nèi)在流域水資源優(yōu)化配置方面也取得了可喜的成果，成果與區(qū)域水資源優(yōu)化配置探討具有近似的特征。唐德善(1994)應(yīng)用多目標(biāo)規(guī)劃的思想，建立了黃河流域水資源多目標(biāo)分析模型，提出了大系統(tǒng)多目標(biāo)規(guī)劃的求解方法。1996年由黃委會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)探討院主持的“黃河流域水資源合理安排和優(yōu)化調(diào)度探討”成果中，開發(fā)了由數(shù)據(jù)庫、模擬模型、優(yōu)化模型等組成的決策支持系統(tǒng)，并初步探討了黃河干流多庫水量聯(lián)合調(diào)度模型。王成麗等(1997)針對(duì)近年來黃河下游連年缺水、斷流等現(xiàn)象，探討了黃河下游水資源量的優(yōu)化配置問題。陳曉宏等(2002)以大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論作為技術(shù)支持，運(yùn)用逐步寬容約束法及遞階分析法，建立東江流域水資源優(yōu)化調(diào)配的好用模型和方法，并對(duì)該流域特枯年水資源量進(jìn)行優(yōu)化配置和供需平衡分析。3.4跨流域水資源優(yōu)化配置跨流域水資源優(yōu)化配置是以二個(gè)以上的流域?yàn)樘接憣?duì)象，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和影響因素間的相互制約關(guān)系較區(qū)域和流域更為困難，僅用數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)難以描述系統(tǒng)的特征。因此，仿真性能強(qiáng)的模擬技術(shù)和多種技術(shù)結(jié)合成為跨流域水資源量?jī)?yōu)化配置探討的主要技術(shù)手段。邵東國(1994)針對(duì)南水北調(diào)東線這一多目標(biāo)、多用途、多用戶、多供水優(yōu)先次序、串并混聯(lián)的大型跨流域調(diào)水工程的水量?jī)?yōu)化調(diào)配以系統(tǒng)棄水量最小為目標(biāo)，建立了自優(yōu)化模擬決策模型，采納動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行求解。吳澤寧等(1997)以跨流域水資源系統(tǒng)的供水量最大為目標(biāo)，將模擬技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法相結(jié)合，建立了具有自優(yōu)化功能的流域水資源系統(tǒng)模擬規(guī)劃模型[10]，并以大通河和湟水流域?yàn)槔龑?duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，提出了跨流域調(diào)水工程的規(guī)模。解建倉等針對(duì)跨流域水庫群補(bǔ)償調(diào)整問題，建立了多目標(biāo)模型，并分析了求解方法和好用上的簡(jiǎn)化，通過大系統(tǒng)遞階協(xié)調(diào)方法和決策者交互方式的補(bǔ)充，來實(shí)現(xiàn)綜合的決策支持（DSS)算法。4結(jié)論4.1水資源優(yōu)化配置探討存在的問題由于水資源系統(tǒng)涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)和生態(tài)環(huán)境的各方面，是困難的巨系統(tǒng)，特殊是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施，對(duì)水資源配置的要求越來越高，水資源優(yōu)化配置也不斷面臨新的挑戰(zhàn)。用可持續(xù)發(fā)展思想諦視已有探討成果，尚有不完善之處，概括起來有以下方面,①重視水量的優(yōu)化配置，對(duì)水質(zhì)水量統(tǒng)一優(yōu)化配置探討不夠;②重視確定條件下水資源的優(yōu)化配置，對(duì)不確定性對(duì)水資源配置的影響探討不夠；重視工程措施，對(duì)非工程措施在水資源優(yōu)化配置中的作用探討不夠；③重視水資源配置的經(jīng)濟(jì)效益探討，對(duì)水資源的生態(tài)環(huán)境效果探討不夠。4.2水資源優(yōu)化配置探討的發(fā)展趨勢(shì)（1）水質(zhì)水量聯(lián)合優(yōu)化配置探討可持續(xù)發(fā)展要求以水資源可持續(xù)利用支撐和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，這要求在水資源配置探討中，充分考慮代際間發(fā)展和用戶之間安排的公允性，以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源、環(huán)境之間的相互協(xié)調(diào)。因此，如何從理論和技術(shù)上體現(xiàn)水資源配置的公允性和水資源配置與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人口的協(xié)調(diào)，是水資源配置探討必需解決的問題之一。（2）水資源優(yōu)化配置效果評(píng)價(jià)探討為提高水資源優(yōu)化配置探討成果的好用價(jià)值，水資源優(yōu)化配置方案的效果評(píng)價(jià)也是探討的重點(diǎn)課題之一。區(qū)域水資源配置系統(tǒng)的各因素相互影響和相互制約機(jī)制極其困難，效果的表現(xiàn)形式各種各樣，在建立水資源優(yōu)化配置的模型時(shí)，無論從理論上還是技術(shù)上都難以完整體現(xiàn)，難免要作一些簡(jiǎn)化。同時(shí)，在模型中充分反映眾多不確定因素影響也很困難。此外，優(yōu)化配置模型不便干脆反映決策者的偏好。因此，探討優(yōu)化配置方案效果評(píng)價(jià)的理論、模型和方法，有助于選擇符合區(qū)域?qū)嶋H的水資源配置方案，使水資源配置探討成果能指導(dǎo)或應(yīng)用于區(qū)域水資源管理中。（3）3S技術(shù)和新優(yōu)化方法在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用探討新的優(yōu)化方法和3S（GIS，GPS，RS)技術(shù)的應(yīng)用將豐富水資源優(yōu)化配置的探討領(lǐng)域和手段。目前，水資源優(yōu)化配置模型多采納線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、模擬技術(shù)及它們之間的有機(jī)結(jié)合，這些方法應(yīng)用于困難大系統(tǒng)時(shí)會(huì)受到肯定的限制。新近發(fā)展起來的智能優(yōu)化方法，如遺傳算法（GA)、模擬退火算法（SA)、禁忌搜尋（TABU)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)和混沌優(yōu)化等,對(duì)于離散、非線性、非凸等大規(guī)模優(yōu)化問題充分顯示出其優(yōu)越性，必將被越來越廣泛地應(yīng)用。在信息化社會(huì)，3S技術(shù)在水資源領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)顯示出強(qiáng)大的功能，3S技術(shù)與水資源優(yōu)化配置的理論、模型和方法結(jié)合的水資源優(yōu)化配置專家支持系統(tǒng)是特別有前途的探討方向。參考文獻(xiàn)：[1]劉昌明陳志愷.中國水資源現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和供需發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