二、国内外水资源配置研究进展

人口的急剧增长、社会经济的不断发展以及水污染问题的日益凸显使水资源的开发利用比以往更受人类社会关注，水资源的优化配置也受到越来越多人的重视。

水资源配置是实现水资源在不同区域和用水户之间的有效公平分配，从而达到水资源可持续利用的重要手段。通过水资源配置可以实现对流域水循环及受其影响的自然与社会诸因素进行整体调控。水资源配置最初主要是针对水资源短缺地区的用水竞争性问题而提出，以后随着可持续发展观念的深入，其含义不仅仅针对水资源短缺地区，对于水资源丰富的地区也应该考虑水资源优化配置问题。从最初的水量分配到目前协调考虑流域和区域经济、环境和生态各方面需求进行有效的水量调控，水资源配置研究日益受到重视。目前，水资源开发利用和人类活动结合日趋紧密，影响因素逐渐增多，导致其结构更趋复杂，这就要求在水资源天然循环和供用耗排人工侧支循环的统一框架下完成水资源配置。对于水资源优化配置的含义，不同阶段有不同学者提出自己的解释。综合逐渐深入的认识，一般认为水资源配置是指在流域或特定的区域范围内，遵循有效性、公平性和可持续性的原则，利用各种工程与非工程措施，按照市场经济的规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和措施，对多种可利用水资源在区域间和各用水部门间进行的调配。因此可以看出当前的水资源配置问题，不是简单的用户间水量分配，而是从流域和区域整体出发，在分析区域水资源条件和水资源供需特点，综合统筹不同情况和需求，确定各类可利用的水资源在供水设施、运行管理等各类约束条件下对不同区域各类用水户的有效合理分配。水资源配置中必须考虑水量的需求与供给、水环境的污染与治理、水与生态这三重平衡关系。

（一）国外水资源配置研究进展

国外在水资源配置方面的研究起步较早。美国是最早将系统分析方法应用于水资源规划和管理中的国家，研究成果非常丰富。在内容上，从水库优化调度，到流域水资源综合规划及管理，旱涝灾害应对与防治、区域水资源开发利用设计、流域水环境管理等；在分析方法上，从简单水资源系统到复杂大规模水系统，从单目标、确定型问题到多目标、随机型和风险型问题；在技术手段上，从单纯借助于数学模型到计算机数字化管理、信息控制理论、人工智能技术与数学模型的结合运用，这些都为世界上其他国家的水资源开发利用提供了典范。

国外水资源规划配置模型的研究过程大致分为以下四个阶段：

1．模型理论探索阶段（20世纪40—60年代）

国外水资源优化配置的研究最早要追溯到20世纪40年代Masse提出的水库优化调度问题。到了20世纪50—60年代，一些学者针对水资源问题进行了一些研究。1960年，美国科罗拉多州的几所大学对计划需水量的估算及满足未来需水量的途径进行了研讨，体现了水资源优化配置的思想。

但这些研究基本停留在设想阶段，实际应用研究从20世纪60年代之后才开始。1961年，Mooer提出了在一定时间内最优水量分配问题。1963年，Buras针对包含一个地表水库、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、人工回灌工程的规模，各灌区的灌溉面积以及地表水库、地下水库的供水策略。1965年，UNESCO成立了国际水文十年（IHD）机构，对水量平衡、洪涝灾旱、地下水、人类活动对水循环的影响，特别是农业灌溉和都市化对水资源的影响等方面进行了大量的研究，并取得了成绩。1967年，Flinn等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。1968年，Hall和Butcher提出了一个包含两维状态变量的确定性动态规划模型，把可分配的水量和土壤含水水平作为状态变量，确定系统任意阶段的初始状态，模型采用相乘模型，结果表明相乘模型较相加模型计算更为方便。

2．模型理论发展及成熟阶段（20世纪70年代）

进入20世纪70年代，伴随着计算机技术、数学规划和模拟技术的发展及其在水资源领域的应用，对水资源管理系统模型及水资源优化配置的科研成果不断增多。Wattenbarger（1970）通过有限差分模拟，应用响应矩阵法建立了含水层—河流系统的管理模型，实现了对地下水和地表水的宏观调控；1972年美国N.Buras所著的《水资源科学分配》是最早系统地研究水资源分配理论和方法的著作；Maddock于1972年提出了响应函数概念，且在1974年利用响应矩阵法研究开发了一个河流—含水层系统的联合配置模型，使得地表水和地下水联合配置研究有了较大进展。

20世纪70年代早期建立的模型，主要考虑的是地下水含水层本身的特性以及与地表水的转换关系，很少考虑社会效益、经济效益和环境效益，规划模型的目标函数多是单目标，在此期间出现的模型中，有较典型的物理模型与数学模型相结合的网络模型；70年代后期，出现了多目标管理模型，较全面地考虑了水资源系统的特征和社会、经济、环境等因素的联合优化问题。例如1975年，Y.Y.Haimes等对大型复杂地下水资源的管理，就是采用大系统、多级、多目标的建模方法进行研究，这使水资源配置研究领域和模拟技术均得到了进一步发展；1979年，美国麻省理工学院运用多目标规划理论和水资源规划的数学模型，完成了阿根廷Río Colorado（科罗拉多河）流域的水资源开发规划，这是当时水资源开发利用最成功和最有影响的例子。

3．模型推广应用阶段（20世纪80年代）

到了20世纪80年代，水资源分配的研究范围不断扩大，深度不断加深。20世纪80年代初，Loucks等在其专著《水资源系统规划与分析》中着重阐述了如何运用系统分析方法指导水资源工程规划、设计和运行管理，并认为，人类对时空分布恰当、数量质量合适的水资源需求的不断增长，已促使水资源工程师和规划者们必须运用更为复杂的水资源系统规划方法解决水资源问题。1982年，Pearson等利用多个水库的控制线，以产值最大为目标，输送能力和预测的需求值作为约束条件，用二次规划方法对英国的Nawwa区域的用水分配问题进行了研究；同年，荷兰学者Romijn与Tamminga考虑了水的多功能性和多种效益的关系，强调决策者和科技人员间的合作，建立了Gelderland省与Drenthe省的水资源分配问题的多层次模型，体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点；Tamminga考虑了水的多功能性和多种利益的关系，强调决策者和决策分析者间的合作，建立了水资源量分配的多层次模型，体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点。1984年，Krzysztofowicz和Sage探讨了水资源多目标分析中的群决策问题。1985年，Yeh对系统分析方法在水库调度和管理中的研究和应用作了全面综述，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。1987年，Willis等使用线性规划方法求解了一个地表水库与四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。

4．模型实用性研究阶段（20世纪90年代以后）

进入20世纪90年代，由于水污染和水危机的加剧，传统的以供水量和经济效益最大为水资源优化配置目标的模式已不能满足需要，国外开始在水资源优化配置中注重水质约束、水资源环境效益以及水资源可持续利用研究，尤其是决策支持技术、模拟优化的模型技术和资源价值的定量方法等的应用，使得水资源量与质管理方法的研究产生了更大的活力。由联合国出版的《水与可持续发展准则：原理与政策方案》充分分析了水资源与经济社会发展的关系以及在亚太地区所取得的成功实例，确定了水资源开发在可持续发展中的基本准则和地位，明确指出：水资源与经济社会发展紧密相连，其多行业属性和多用途特性使在可持续发展过程中的水资源工程规划与实施变得极其复杂。

1992年，Afzal和Javaid等针对巴基斯坦某个地区的灌溉系统建立了线性规划模型，对不同水质的水量使用问题进行了优化。在劣质地下水和有限运河水可供使用的条件下，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成果，这在一定程度上体现了水质—水量联合优化配置的思想；Carios 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，模型中同时考虑了不同用水部门对水质的不同要求。1999年，Arun Kumar等建立了污水排放模糊优化模型，提出了流域水质管理的经济技术方面的可行方案；Braden 和 Ierland 同年综合考虑了区域供水、污水处理、农田灌溉以及流域管理等因素的影响，应用多判据分析以及多目标规划等方法构建了水资源优化配置模型。2001年，Tewei等建立了流域整体的水量水质网络模型。

这一期间，随机概念和不确定研究也被引入到水资源优化配置研究之中。如1995年，Watkins等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，建立了有代表性的联合调度模型。此模型是一个两阶段扩展模型，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，运用分解聚合法求解最终的非线性混合整数规划模型。美国学者Norman J.Dudley将作物生成模型和具有二维状态变量的随机动态规划相结合，对季节性灌溉用水分配进行了研究。Higgins 等为解决澳大利亚东南部的水资源问题，在Queensland地区建立了多目标多阶段的随机非线性模型。

这一阶段的水资源配置除了考虑水质要求外，为了更好地解决水资源系统的系统性、不确定性和复杂性问题，一些新的优化算法或技术也应用到水资源配置中，如遗传算法、模拟退火、粒子群法等。

进入21世纪以后，国外主要从水资源产权界定组织安排和经济机理对配置效益影响的角度出发，对水资源配置机制进行了研究，重视政府的宏观调控和行政管理与市场机制、法律手段相结合，认为纯粹的市场或纯粹的政府都难以满足优化配置的要求，制度和经济是医治市场和制度失灵的良方，有效的流域水资源管理政策和体制是解决配置冲突的根本途径。

（二）国内水资源配置研究进展

随着我国经济的发展与人口的增长，水资源问题不断加重，水资源优化配置受到高度重视。随着实践的深化，水资源优化配置的概念逐步明确，内涵日益丰富。“六五”、“七五”国家重点科技攻关项目以京、津、唐地区为研究对象，建立了相应的水资源优化配置模型和软件，对大系统水资源优化配置进行了有益的探索，开创了以区域为单元研究水资源优化配置的先河；在“八五”国家重点科技攻关项目“黄河治理与水资源开发利用”专题“华北地区宏观经济水资源规划管理的研究”中，该项目实现了宏观经济研究与水资源研究的系统结合，提出了基于宏观经济的水资源优化配置理论和多层次、多目标、群决策优化配置方法；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，生态用水被纳入到水资源优化配置体系中，水资源优化配置的范畴拓展到社会经济—水资源—生态环境的大系统中，配置对象同时考虑国民经济用水和生态环境用水，提出了面向生态的水资源生态经济系统优化配置方法，形成了目前国内水资源优化配置方法的最新成果，奠定了水资源优化配置理论和方法的基础。具体来说，根据水资源配置的范围、对象，水资源优化配置的研究和实践主要分为以下几种形式：

1．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，成为广大学者和专业人员较早涉足的研究领域，其目标主要是探讨如何配置水利工程控制的有限水资源量以达到最大效益。国内于1960年就开始了以水库优化调度为先导的水资源配置研究，中国水科院谭维炎和黄守信等首次将运筹学技术应用于四川狮子滩水库水电站的优化调度工作中。1982年，施熙灿等研究了考虑保证率约束的马氏决策规划并应用惩罚函数方法求解，以此解决了水电站水库优化调度中的应用问题。1983年，董子敖等提出水电站水库优化调度选优的改变约束法，以达到满足水电站群设计保证率要求和发电量最大，并进一步采用以国民经济效益最大为目标选择优化调度方案。1990年，董增川等采用空间分解方法研究水电站库群优化调度问题。1992年，万俊等采用隐随机优化法对小水电水库群系统进行了求解。1998年，李爱玲应用随机优化方法，以黄河上游梯级水电站群为例，对梯级水电站群的兴利优化调度问题进行了研究，有效地避免了“维数灾”问题。2004年，陈洋波等提出了一种研究确定水库最优供水量的多目标水库优化调度数学模型，此模型以供水量最大和发电量最大为目标函数，考虑水量平衡、防洪、发电、航运及水库综合利用要求约束条件，并提出了一种交互式的求解方法对模型进行解算。2006年，张庆华等针对大中型水库增加城市供水项目的实际情况，运用运筹学的理论与方法，以多水库年总供水效益最大为目标函数，建立了多水库联合运用情况下，系统供水优化调度的线性规划模型。近年来，一些先进的智能算法如遗传算法、免疫算法、粒子群法等也被引入到水库水电站的优化调度中，并取得较好的效果。

国内对于灌区的水资源配置的研究成果也较为丰富。1986年，曾赛星和李寿声在对内蒙古河套灌区地表水、地下水的联合优化调度中，采用动态规划方法确定了各种作物的灌水定额及灌水次数。1989年，曾赛星和李寿声又针对徐州地区欢口灌区的实际情况，建立了一个既考虑灌溉排水、降低地下水位的要求，又考虑多种水资源联合调度、联合管理的非线性规划模型，以确定农作物最优种植模式及各种水源的供水量比例。1992年，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。贺北方等、黄振平等、向丽等和马斌等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。2004年，赵丹等针对西北干旱半干旱地区日益严重的水资源短缺和生态环境问题，以系统分析的思想为基础，建立了面向生态和节水的灌区水资源优化配置序列模型系统，提出了综合考虑节水、水权、生态环境等因素的多目标多情景模拟计算方法，并以南阳渠灌区为例，得出了比较合理的水资源优化配置方案。2007年，赫明林、曹炳媛针对疏勒河流域农业开发集中的昌马、双塔、花海灌区水资源配置问题，对疏勒河流域水资源的合理利用提出了三套配置方案，而通过优化比较提出的最佳配置方案更是实现了地表水、地下水的联合开发，并在促进全流域经济可持续发展的同时也保护和改善了生态环境。2010年，姚斌等针对新疆玛纳斯河灌区水资源短缺问题，根据灌区的灌溉系统、供需水情况和农作物种类，建立了作物结构与水资源优化配置模型，解决了灌区内有限的灌溉水量在不同分灌区之间以及各个分灌区多种作物之间的水资源优化配置问题。

水库和灌区等水利工程的水资源优化配置成果的丰富和完善，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。

2．区域水资源优化配置

区域是社会经济活动中相对独立的基本管理单位，其经济社会发展具有明显的区域特征。自20世纪80年代中期以来，随着经济社会的快速发展，以及多目标和大系统优化理论的日渐成熟，区域水资源优化配置研究成为水资源学科研究的热点之一。1988年，贺北方提出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。1989年，吴泽宁等以经济区社会经济效果最大为目标，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，并用层次分析法间接考虑水资源配置的生态环境效果。1995年，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，是水资源优化配置研究思路上的一个突破。2000年，吴险峰等探讨了枣庄市在水库、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、生态综合效益考虑，建立了水资源优化配置模型。2003年，张文鸽以可持续发展理论为基础，以社会、经济、环境综合效益最大为目标，建立了区域水质—水量联合优化配置模型，模型中考虑了社会目标、经济目标、环境目标。2004年，侯卫东、陈晓宏等建立了一个以广州市水资源合理利用为目标，考虑主要水库和河道防洪、供水、航运、压咸等约束的广州市水资源优化配置多目标分析模型，采用大系统“分解协调”原理，并运用逐步宽容约束法及递阶分析法求解。2005年，谢新民等针对珠海市水资源开发利用面临的问题和水资源管理中出现的新情况，采用现代规划技术手段，包括可持续发展理论、系统论和模拟技术、优化技术等，根据国家新的治水方针，建立了珠海市水资源配置模型———基于原水—净化水耦合配置的多目标递阶控制模型。2009年，孙月峰等针对区域水资源优化配置中重水量轻水质、重国民经济需水轻生态环境需水的特点，基于大系统总体优化配置理论与方法，综合考虑了区域生态环境需水和水质因素，构建了基于混合遗传算法的区域大系统多目标水资源优化配置模型，并运用混合遗传模拟退火算法对模型进行求解，较好地解决了复杂水资源优化配置问题。

3．流域水资源优化配置

流域是具有层次结构和整体功能的复合系统，由社会经济系统、生态环境系统、水资源系统构成，流域系统是最能体现水资源综合特性和功能的独立单元。流域水资源配置经常要解决不同层次、不同目标、不同用户间的相互竞争、相互冲突的问题。我国在流域水资源配置研究方面也取得了一系列的成果。1994年，唐德善应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，克服了多维动态规划可能遇到的“维数灾”。1995年，张元禧等把石羊河流域划成4个子系统，采用不同的方法求解，探求在水资源多年均衡基础上，以全流域灌溉效益多年均值最高为目标的水资源大系统优化调配策略。1998年，黄河水利委员会进行了“黄河流域水资源合理分配及优化调度研究”，综合分析了区域经济发展、生态环境保护与水资源条件之间的关系，是我国第一个全流域水资源配置研究，对构建模型软件、实施大流域水资源配置起到了典范作用。王浩、秦大庸等在黄淮海流域水资源优化配置研究中首次提出水资源“三次平衡”的配置思想，其核心内容是在国民经济用水过程和流域水资源循环转化过程两个层面上分析水量亏缺问题，并在统一的用水竞争模式基础上研究了水资源配置问题。2002年，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，建立东江流域水资源优化调配的实用模型，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。2005年，唐德善等以太子河流域水资源优化配置为实例，用分层递阶分析的方法探讨了流域水资源优化配置模型的建立和求解思路，以追求经济效益、社会效益和环境效益为目标建立流域水资源优化配置供水模型，用大系统多目标递阶动态规划方法求解，以取得水资源优化配置的最佳方案。2009年，刘丙军等在分析水资源配置系统协同特征的基础上，根据协同学理论中的有序度概念和支配原理，分别对水资源配置系统中的社会、经济和生态环境子系统设置序参量，并结合信息熵原理，构建了一种基于协同学原理的流域水资源配置模型，一定程度上有效解决了水资源优化配置系统中多目标、多维数求解问题，并将此理论运用于东江流域水资源优化配置，从而得出了满意结果。

4．跨流域水资源优化配置

跨流域水资源优化配置是以两个以上的流域为研究对象，即本书第二章中将要研究的泛流域，其系统结构和影响因素间的相互制约关系较区域和流域更为复杂，一般以仿真性能强的模拟技术和多种技术相结合成为对此问题研究的主要技术手段。1994年，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进行水量最优调配，以系统弃水量最小为目标，建立了自优化模拟决策模型，采用动态规划法进行求解。1997年，吴泽宁等以跨流域水资源系统的供水量最大为目标，将模拟技术和数学规划方法相结合，建立了具有自优化功能的流域水资源系统模拟规划模型，并以大通河和湟水流域为例对模型进行验证，提出了跨流域调水工程的规模；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和模拟技术相结合的大系统分解协调实时调度模型，采用动态规划法进行求解，并以南水北调中线工程为背景进行了实例验算。该成果考虑了污水量最小目标，是水资源优化配置研究的一大进步。1998年，解建仓等针对跨流域水库群补偿调节问题，建立了多目标模型，并分析了求解方法和实用上的简化，通过大系统递阶协调方法和决策者交互方式的补充，来实现综合的决策支持（DSS）算法。2001年，王劲峰等针对我国水资源供需平衡在空间上的巨大差异造成的区际调水的需求，提出了水资源在时间、部门和空间上三维优化分配理论模型体系，该系统包括区域社会经济发展目标、水资源供给、总量时空优化等模块，用户可以使用此决策系统找到研究区域社会经济发展与水资源协调的方案。2003年，刘建林等以系统分析的思想为基础，对跨流域、多水源、多目标、多工程调水所涉及的水资源问题进行分析研究，建立了南水北调东线工程联合调水仿真模型，为实际应用提供了决策平台。2007年，杜芙蓉等针对南水北调沿线受水区东线山东段的特点，运用大系统分解协调原理，建立水资源优化调度模型，研究水资源供需平衡问题，并运用优化技术对模型进行求解，解决了多水源、多目标、多用户、多保证率的水资源配置问题。