1、2015年秋季學期能源動力工程進展結課論文論文題目：水資源優化配置研究進展姓名： 肖 大 太學號：1專業：水利水電工程學院：能源與動力工程學院日期：2016年1月8日水資源優化配置研究進展摘要: 結合我國水資源問題 闡述了水資源優化配置的作用，對國內外水資源優化配置的研究進展做了評述，從可持續發展的角度，對水資源優化配置研究成果的特點進行歸納。在此基礎上，指出水質水量聯合優化配置和水資源優化配置效果評價的理論、模型和方法，以及3S 技術和新優化算法在水資源優化配置中的應用 ，是水資源優化研究的重要領域。關鍵詞：水資源；優化配置；水質；水量1 我國的水資源問題與水資源優化配置1. 1水資源問題水

2、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。人口劇增，灌溉農業擴大，工業化和城市化發展，城鄉居民生活水平提高，人類社會對水的需求急劇增長。同時由于城鄉污水大量排放，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。部分地區河道斷流，湖泊干涸，地下含水層接近疏干，地面下沉，生態環境不斷惡化。我國水資源面臨著洪澇災害，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注。洪澇災害、干旱缺水、水污染和生態環境惡化，成為我國經濟社會持續發展的重要制約因素1。1. 2水資源優化配置概念和作用水資源優化配置是指在流域或特定的區域范圍內，遵循公平、高效和可持

3、續利用的原則，以水資源的可持續利用和經濟社會可持續發展為目標，通過各種工程與非工程措施，考慮市場經濟規律和資源配置準則，通過合理抑制需求、有效增加供水、積極保護生態環境等手段和措施，對多種可利用水資源在區域間和各用水部門間進行的合理調配，實現有限水資源的經濟、社會和生態環境綜合效益最大，以及水質和水量的統一和協調。從宏觀上講，水資源優化配置是在水資源開發利用過程中，對洪澇災害、干旱缺水、水環境惡化、水土流失等問題的解決實行統籌規劃、綜合治理、實現除害興利結合，防洪抗旱并舉，開源節流并重，協調上下游、左右岸、干支流、城市與鄉村、流域與區域、開發與保護、建設與管理、近期與遠期等各方面的關系。從微觀

4、上講，水資源優化配置包括取水方面的優化配置，用水方面的優化配置，以及取水用水綜合系統的水資源優化配置。取水方面是指地表水、地下水、污水等多水源間的優化配置。用水方面是指生態用水、生活用水和生產用水間的優化配置。各種水源、水源點和各地各類用水戶形成了龐大復雜的取用水系統，加上時間、空間的變化，水資源優化配置作用就更加明顯。水資源短缺和洪澇災害要求水量在時間和空間上合理調配，水環境污染要求水量水質之間的協調統一。水資源優化配置研究可為水量和水質在時間和空間上的合理調配和使用提供科學依據和對策措施。因此，水資源優化配置研究在解決我國水資源問題，實現水資源的可持續利用等方面均占有重要的地位，對促進經濟

5、社會的可持續發展具有重要理論和實際意義。2國外水資源優化配置研究進展2. 1以水量配置為主的水資源優化配置研究國外對水資源優化配置的研究始于60年代初期，1960年科羅拉多的幾所大學對計劃需水量的估算及滿足未來需水量的途徑進行了研討，體現了水資源優化配置的思想。70年代以來，伴隨數學規劃和模擬技術的發展及其在水資源領域的應用 水資源優化配置的研究成果不斷增多。G Yeh ( 1985)對系統分析方法在水庫調度和管理中的研究和應用曾作了全面綜述，他把系統分析在水資源領域的應用分為線性規劃、動態規劃、非線性規劃和模擬技術等。Pear son等( 1982)利用多個水庫的控制曲線，以產值最大為目標，

6、輸水能力和預測的需求值作為約束條件，用二次規劃方法對英國Nawwa區域的用水量優化分配問題進行了研究。同年，英國學者P W Herbertson等，針對潮汐電站的特點，考慮多部門利益的相互矛盾，利用模擬模型對潮汐海灣的新鮮水量分配進行了模擬計算，展現了模擬技術的優越性；荷蘭學者E Romijn. M Taminga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Gelderlandt Doenthe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。 Willis ( 1987)應用線性規劃方法求解了1個地表水庫與4個地下水含水單元構成的地表

7、水、地下水運行管理問題，地下水運動用基本方程的有限差分式表達，目標為供水費用最小或當供水不足情況下缺水損失最小，同時，用SUMT法求解了1個水庫與地下水含水層的聯合管理問題。美國學者Norman J Dudley ( 1997)將作物生長模型和具有二維狀態變量的隨機動態規劃相結合 對灌區的季節性灌溉用水量分配進行了研究。2. 2考慮水質因素的水資源優化配置研究90年代以來，由于水污染和水危機的加劇，傳統的以供水量和經濟效益最大為水資源優化配置目標的模式已不能滿足需要，國外開始在水資源優化配置中注重水質約束、水資源環境效益以及水資源可持續利用研究。進入80年代后期 隨著水資源研究中新技術的不斷出

8、現和水資源量與質統一管理理論研究的不斷深入，水資源量與質統一管理方法的研究也有了較大發展。尤其是決策支持技術、模擬優化的模型技術和資源價值的定量方法等的應用使得水資源量與質管理方法的研究產生了更大的活力2,3。Afzal Javaid等( 1992)針對Pakistan的某個地區的灌溉系統建立了線性規劃模型，對不同水質的水量使用問題進行優化。在劣質地下水和有限運河水可供使用的條件下，模型能得到一定時期內最優的作物耕種面積和地下水開采量等成果，在一定程度上體現了水質、水量聯合優化配置的思想4。Watkins David W Jr ( 1995)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

9、架，建立了有代表性的水資源聯合調度模型5。此模型是一個二階段擴展模型，第一階段可得到投資決策變量，第二階段可得到運行決策變量，運用大系統的分解聚合算法求解最終的非線性混合整數規劃模型；R A Fleming和R M Adams ( 1995)建立的地下水水質水量管理模型，建模以經濟效益最大為目標，考慮了水質運移的滯后作用，并采用水力梯度作為約束來控制污染擴散；U Pmanulall等( 1995)建立的地表水地下水聯合運用系統的多目標管理模型，模型中將地表水地下水的處理費用納入管理目標；Wong Hugh S等( 1997)提出支持地表水、地下水聯合運用的多目標多階段優化管理的原理和方法，在需

10、水預測中考慮了當地地表水、地下水、外調水等多種水源的聯合運用，并考慮了地下水惡化的防治措施，體現了水資源利用和水資源保護之間關系6。Carlos Percia和Gideon Oron ( 1997)以經濟效益最大為目標，建立了以色列南部Eilat地區的污水、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水質的不同要求。3國內水資源優化配置研究進展3. 1水利工程控制單元的水資源優化配置水利工程是水資源配置的基本單元，由于其結構相對簡單，影響和制約因素相對較少，如何實現水利工程控制的有限水資源量的最大效益，成為廣大學者較早涉足的研究領域。曾賽星、李壽聲( 1986)在對內蒙古河套

11、灌區地表水地下水聯合優化調度中，采用動態規劃方法確定各種作物的灌水定額及灌水次數；1989針對江蘇徐州地區歡口灌區的實際情況，建立了一個既考慮灌溉排水、降低地下水位的要求，又考慮多種水資源聯合調度、聯合管理的非線性規劃模型，以確定農作物最優種植模式及各種水源的供水量比例。唐德善( 1992)以黃河中游某灌區為例，運用遞階動態規劃法，確定水資源量在工業和農業之間的分配比例。此外， 賀北方等( 1995) 、黃振平等( 1995) 、向麗等( 1999)和馬斌等( 2001)對多庫多目標最優控制運用的模型與方法、灌區渠系優化配水、大型灌區水資源優化分配模型、多水源引水灌區水資源調配模型及應用進行了

12、研究7。這些成果使水利工程單元的水量優化配置模型和方法不斷豐富和完善，促進了以有限水資源量實現最大效益的思想在水利工程管理中的應用。3. 2區域水資源優化配置區域是社會經濟活動中相對獨立的基本管理單位，其經濟社會發展具有明顯的區域特征。隨著經濟社會的快速發展，以及多目標和大系統優化理論的日漸成熟，自80年代中期以來，區域水資源優化配置研究成為水資源學科研究的熱點之一。賀北方( 1988、1989)提出區域水資源優化分配問題，建立了大系統序列優化模型，采用大系統分解協調技術求解。在河南豫西地區建立了區域可供水資源年優化分配的大系統逐級優化模型。該成果的特點是考慮了產業結構調整對水資源量配置的影響

13、。吳澤寧等( 1989)以經濟區社會經濟效果最大為目標，建立了經濟區水資源優化分配的大系統多目標模型及其二階分解協調模型，并用層次分析法間接考慮水資源配置的生態環境效果。翁文斌等( 1995)將宏觀經濟、系統方法與區域水資源規劃實踐相結合，形成了基于宏觀經濟的水資源優化配置理論8，并在這一理論指導下提出了多層次、多目標、群決策方法，實現了水資源配置與區域經濟系統的有機結合，也是水資源優化配置研究思路上的一個突破。吳險峰等( 1997)探討了北方缺水城市，棗莊在水庫、地下水、回用水、外調水等復雜水源下的優化供水模型，從社會、經濟、生態綜合效益考慮，建立了水資源量優化配置模型。2002年中國水利水

14、電科學研究院等單位聯合完成的 “九五”國家重點科技攻關項目“西北地區水資源合理開發利用與生態環境保護研究”，建立了干旱區生態環境需水量計算方法，提出了與區域發展模式及生態環境保護準則相適用的生態環境需水量，在此基礎上，提出了針對西北生態脆弱地區的水資源配置方案9。采用了在水資源配置方案設置的基礎上，生成水資源配置結果的研究思路，使水資源配置結果更符合區域的實際。3. 3流域水資源優化配置流域是具有層次結構和整體功能的復合系統，由社會經濟系統、生態環境系統、水資源系統構成，流域系統是最能體現水資源綜合特性和功能的獨立單元。國內在流域水資源優化配置方面也取得了可喜的成果，成果與區域水資源優化配置研

15、究具有近似的特征。唐德善( 1994)應用多目標規劃的思想，建立了黃河流域水資源多目標分析模型，提出了大系統多目標規劃的求解方法。1996年由黃委會勘測規劃設計研究院主持的“黃河流域水資源合理分配和優化調度研究”成果中，開發了由數據庫、模擬模型、優化模型等組成的決策支持系統，并初步研究了黃河干流多庫水量聯合調度模型。王成麗等( 1997)針對近年來黃河下游連年缺水、斷流等現象，研究了黃河下游水資源量的優化配置問題。陳曉宏等( 2002)以大系統分解協調理論作為技術支持，運用逐步寬容約束法及遞階分析法，建立東江流域水資源優化調配的實用模型和方法，并對該流域特枯年水資源量進行優化配置和供需平衡分析

16、。3. 4跨流域水資源優化配置跨流域水資源優化配置是以二個以上的流域為研究對象，其系統結構和影響因素間的相互制約關系較區域和流域更為復雜，僅用數學規劃技術難以描述系統的特征。因此，仿真性能強的模擬技術和多種技術結合成為跨流域水資源量優化配置研究的主要技術手段。邵東國( 1994)針對南水北調東線這一多目標、多用途、多用戶、多供水優先次序、串并混聯的大型跨流域調水工程的水量優化調配 以系統棄水量最小為目標，建立了自優化模擬決策模型，采用動態規劃法進行求解。吳澤寧等( 1997)以跨流域水資源系統的供水量最大為目標，將模擬技術和數學規劃方法相結合，建立了具有自優化功能的流域水資源系統模擬規劃模型1

17、0，并以大通河和湟水流域為例對模型進行驗證，提出了跨流域調水工程的規模。解建倉等針對跨流域水庫群補償調節問題，建立了多目標模型，并分析了求解方法和實用上的簡化，通過大系統遞階協調方法和決策者交互方式的補充，來實現綜合的決策支持（DSS)算法。4結 論4.1 水資源優化配置研究存在的問題由于水資源系統涉及經濟、社會、技術和生態環境的各方面，是復雜的巨系統，特別是可持續發展戰略實施，對水資源配置的要求越來越高，水資源優化配置也不斷面臨新的挑戰。用可持續發展思想審視已有研究成果，尚有不完善之處，概括起來有以下方面, 重視水量的優化配置，對水質水量統一優化配置研究不夠;重視確定條件下水資源的優化配置，

18、對不確定性對水資源配置的影響研究不夠；重視工程措施，對非工程措施在水資源優化配置中的作用研究不夠；重視水資源配置的經濟效益研究，對水資源的生態環境效果研究不夠。4. 2水資源優化配置研究的發展趨勢（1）水質水量聯合優化配置研究可持續發展要求以水資源可持續利用支撐和保障經濟社會的可持續發展，這要求在水資源配置研究中，充分考慮代際間發展和用戶之間分配的公平性，以及經濟發展與水資源、環境之間的相互協調。因此，如何從理論和技術上體現水資源配置的公平性和水資源配置與經濟、環境、人口的協調，是水資源配置研究必須解決的問題之一。（2）水資源優化配置效果評價研究為提高水資源優化配置研究成果的實用價值，水資源優

19、化配置方案的效果評價也是研究的重點課題之一。區域水資源配置系統的各因素相互影響和相互制約機制極其復雜，效果的表現形式各種各樣，在建立水資源優化配置的模型時，無論從理論上還是技術上都難以完整體現，難免要作一些簡化。同時，在模型中充分反映眾多不確定因素影響也很困難。此外，優化配置模型不便直接反映決策者的偏好。因此，研究優化配置方案效果評價的理論、模型和方法，有助于選擇符合區域實際的水資源配置方案，使水資源配置研究成果能指導或應用于區域水資源管理中。（3）3S技術和新優化方法在水資源優化配置中的應用研究新的優化方法和3S（GIS，GPS，RS)技術的應用將豐富水資源優化配置的研究領域和手段。目前，水

20、資源優化配置模型多采用線性規劃、非線性規劃、動態規劃、模擬技術及它們之間的有機結合，這些方法應用于復雜大系統時會受到一定的限制。新近發展起來的智能優化方法，如遺傳算法（GA) 、模擬退火算法（SA) 、禁忌搜索（TABU ) 、人工神經網絡（ANN)和混沌優化等,對于離散、非線性、非凸等大規模優化問題充分顯示出其優越性，必將被越來越廣泛地應用。在信息化社會，3S技術在水資源領域的應用已經顯示出強大的功能，3 S技術與水資源優化配置的理論、模型和方法結合的水資源優化配置專家支持系統是非常有前途的研究方向。參考文獻：1劉昌明 陳志愷.中國水資源現狀評價和供需發展趨勢分析M.北京:中國水利水電出版社

21、 ,2001.2 Antle J M, S M Capallo. Physical and Economic Model Integration for Measurement of Environmental Impacts of Agriculture Chemical UseJ. J Agric Resour Econ, 1991, 20(3):62-68.3 Bayer M B. A Modeling Method for Evaluating Water uality Policies in Non-serial River System J. Water Resources Bulletin,1997，33(6):1141- 1151.4 Afzal Javaid Noble David H. Optimization model for alter native use of different guality irrigation Waters J. Journal of Irrigation and