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' 水资源规划及利用的国内外现状及未来的发展趋势 学校: 学院: 班级: 姓名: 学号:
目录 水资源规划及利用的国内外现状及未来发展趋势2 一、水资源概述3 1.1水资源概念3 1.2水资源的分布3 1.2.1中国水资源的分布现状3 1.2.2全球水资源分布4 1.3水资源的规划利用现状5 1.3.1中国水资源的开发利用状况5 1.3.2全球水资源的开发利用状况6 二、水资源的可持续利用7 2.1中国水资源可持续利用的总体战略7 三、水资源的规划与管理8 3.1水资源的规划8 3.1.1我国水资源规划现状8 3.2水资源的管理9 3.2.1我国水资源管理办法9 四、水资源规划的新模型——基于水资源优化配置的多目标决策模型探析10 4.1水资源优化配置10 4.1.1水资源优化配置的概念10 4.1.2水资源优化配置的内涵11 4.1.3水资源优化配置的原则及目标11 4.2基于水资源优化配置的多目标决策模型探析11 4.2.1多目标决策一般数学模型11 4.2.2选取决策目标12 4.2.3确定约束条件13 4.2.4多目标决策模型的建立13 4.2.5水资源优化配置多目标决策决策模型求解14 4.2.6水资源优化配置多目标决策方案选择15 五、结语16
水资源规划及利用的国内外现状及未来发展趋势 【摘要】:水是生命的源泉,淡水资源是基础性自然资源,系生态环境建设的控制因素之一,同时又是战略性经济资源,为综合国力的有机组成部分。随着人类的发展和社会的进步,水资源的供需矛盾日渐突出,水资源成为制约人类发展的最大因素。面对国内外水资源的现状,如何对水资源进行需求分析,如何优化配置水资源来对水资源进行综合管理成为人类面临的一大难题。本文通过对国内外水资源现状及存在的问题进行分析得出:可持续发展的战略是解决这一难题的有效措施,对水资源进行合理综合规划管理是人类未来发展的一个趋势,这时一些新技术新模型的引入将有助于水资源的可持续利用。本文采用基于水资源优化配置的多目标决策模型对水资源的规划管理进行了探析。 【关键词】:优化配置水资源现状可持续发展多目标决策模型规划管理 Abstract:Wateristheoriginoflife.Freshwaterresourceisthefoundationalnaturalresource,whichisalsooneofthefatalfactorsintheecologicalconstruction.Tosomeextent,freshwaterresourceisstrategiceconomicresourceandtheorganiccomponentofcomprehensivenationalpower.Withthedevelopmentofhumanandtheimprovementofoursociety,thecontradictionofsupplyanddemandinwaterresourcebecomesmoreandmoreobviousgradually.Waterresourcebecomethebiggestrestrictingfactorinthedevelopmentofhumanbeings.Facedwiththedomesticsituationofwaterresources,howtodothedemandanalysisandoptimalallocationtomanagethewaterresourceshavebecomeabigproblemthatfaceshumanbeings.Byanalyzingthedomesticsituationofwaterresources,wedrawthisconclusionthatthesustainabledevelopmentstrategyistheeffectivemeasurementinsolvingthisproblem.Thereasonableandintegratedmanagementandplanningofwaterresourcesisthedevelopmenttendencyofhumaninthefuture.Atthemeantime,thebringofsomenewskillsandmodelsishelpfultothesustainabledevelopmentofwaterresources.Thisarticleadoptsthe“Analysisofmulti-objectivedecision-makingmodelbasedon Optimalallocationofwaterresources”modeltoexplorethemanagementandplanningofwaterresources. Keywords:thedomesticsituationofwaterresourcesoptimalallocationsustainabledevelopmentmulti-objectivedecision-makingmodelmanagementandplanning
一、水资源概述 水资源是地球上目前和近期人类可直接或间接利用的水量,是自然资源一个重要组成部分,为人类生产和生活中不可缺少的资源,它与人类社会发展和生存环境结合成为一个有机的整体。它是具有有限性与无限性、时空分布的不均匀性、利用的广泛性、不可替代性、利害两重性的资源。 1.1水资源概念 广义的水资源,指地球上水的总体.自然界中的水以固态、液态和气态的形式,存在于地球表面和地球岩石圈、大气圈、生物圈之中。 狭义水资源,指逐年可以恢复和更新的淡水量,即大陆上由大气降水补给的各种地表、地下淡水的动态量,包括河流、湖泊、地下水、土壤水、微咸水。在水资源分析与评价中,常利用河川径流量和积极参与水循环的部分地下水作为水资源量。 1.2水资源的分布 1.2.1中国水资源的分布现状 一个国家或地区水资源条件的优劣主要取决于降水量的多少。根据我国第一次水资源评价成果,全国多年平均年降水总量为6.1889万亿m3,折合面平均年降水深为648mm,小于全球陆地平均年降水深800mm。 地表水资源:全国多年平均年径流总量为2.7115万亿m3,折合年径流深为284mm,小于全球陆地平均年径流深315mm。河川径流补给组成为:降水产流补给占71%,地下水排泄补给占27%,冰川融水补给占2%。 地下水资源:扣除地下水矿化度大于2g/L的成水面积和大型水城面积,全国地下水资源计算面积约880万km2,多年平均水资源量为0.8288万亿m3。其中,平原区计算面积为198万km2,多年平均资源量为0.1873万亿m3。中国华北、西北、东北地区,地表水资源相对贫乏,但有广大的平原分布,地下水资源量比较丰富且开采条件好,在城乡供水中地下水占有重要的地位。 一个区域的水资源总量指当地降水形成的地表、地下产水量。据分析计算,地下水资源与河川径流的重复计算量达0.7279万亿m3。扣除重复量后的全国多年平均水资源总量为2.8124万亿m3。
表1.3中国分区水资源量 1.2.2全球水资源分布 在地壳表层、表面和围绕地球的大气层中存在着各种形态的,包括液体、气态和固态的水,形成地球的水圈。 水圈内全部水体的总储量约为13.86亿km3,其中海洋储存13.38亿km3,占全球总储量的96.5%;其他各种水体储量只占3.5%,地表水和地下水各占1/2左右。地球水总量中,含盐量不超过lg/L的淡水仅占2.5%,即0.35亿km3,其余的97.5%均为咸水。这0.35亿km3淡水,有68.7%被固定在两极冰盖和高山冰川中,有30.9%蓄在地下含水层和永久冻土层中,而湖泊、河流、土坡中所容纳的淡水只占0.32%。
表1.1地球水储量及各种水所占比例 地球上陆地多年平均河川年径流量为44.5万亿m3,其中有1.0万亿m3排入内陆湖,其余的全部流入海洋。包括2.3万亿m3南极冰川径流在内,全世界年径流总量为46.8万亿m3。径流量在地区分布上很不均匀,有人居住和适合人类生活的地区,至多拥有全部径流的40%,约19万亿m3。各大洲的自然条件差别很大,因而水资源量也不相同。 大洋洲的一些大岛(新西兰、伊里安、塔斯马尼亚)的淡水最为丰富,年降水量几乎达到3000mm,年径流深超过1500mm。南美洲的水资源也较为丰富,平均年降水量为1600mm,年径流深为660mm,相当于全球陆地平均年径流深的两倍。澳洲是水资源量最少的大陆,平均年径流深只有40mm;有2/3的面积为无永久性河流的荒漠、半荒漠地区,年降水量不到300mm。非洲的河流径流资源也较贫乏,降水量虽然与欧洲、亚洲、北美洲地区相接近,但年径流深却只有150mm,这是因为非洲南北回归线附近有大面积的沙漠所致。南极洲的多年平均年降水量很少,只有165mm,没有一条永久性河流,然而却以冰的形态储存了地球淡水总量的62%。
表1.2世界水资源分布 1.3水资源的规划利用现状 1.3.1中国水资源的开发利用状况 (一)用水现状 1、供水能力 我国的供水能力从1949年的1000多亿m3增加到2000年的5531亿m3。其中地表水供水量约4440亿m3;地下水开采量1069亿m3。 2、用水现状 我国用水增长迅速,1949年估计约1031亿m3;1997年到达5546亿m3,人均用水450m3;2002年下降到5497亿m3,人均用水428m3。其中农业用水占68%,工业用水占21%,生活用水占11%。 3、用水效率 随着用水量的增加,用水效率逐年有所提高。但与经济发达的高收入国家相比,我国单方水的GDP产出量仍低于发达国家。它表明随着经济实力的增长,通过经济结构的调整,用水效率的提高,节水尚有较大潜力。 4、全球与其它大国用水现状 1995年全球人口57.35亿,用水36000亿m3,人均用水628m3,其中:农业人均用水437m3(占69.6%);工业131m3(占9.7%);生活60m3(相当164l/日,占2.1%)。我国的人均用水量低于世界水平,仅为美国用水量的24%。 (二)当前面临的主要水资源问题 1、北方干旱持续,缺水形势加剧。地下水严重超采,黄河冲沙水被挤占,断流加剧。水污染发展,生态环境恶化; 2、南方洪涝灾害频繁出现,水污染得不到控制,造成了污染型缺水; 3、西北内陆地区水土资源过量开发,荒漠化发展,生态环境恶化,出现了生态型缺水; 4、2001年全国废污水排放总量达626亿吨,全国评价河长中,Ⅳ
类以上污染河长占38.6%,大部份地区供水安全得不到保证。 以水资源紧张,水污染严重,洪涝灾害为特征的水危机,已成为我国可持续发展的重要制约因素。当我国经济发展到目前水平的时候,必须进一步从人口、资源、环境的宏观视野,总结经验,调整思路,制定新的水资源战略。 1.3.2全球水资源的开发利用状况 地球上水的储量很大,但淡水只占2.5%,其中易供人类使用的淡水不足1%。据专家最新估计,全球陆地上可更新的淡水资源约42.75万亿m3,其中易于使用的约12.5~14.5万亿m3。按1995年人口统计,全球人均淡水资源约7450m3,其中易于使用的淡水人均约2180~2440m3。可见,地球上的淡水资源是有限的。 水的需求随人口和经济发展而迅速增长。从1940-1990年,在50年时间内,全球总用水量增加了4倍。1995年全球用水总量已达36000亿m3,人均用水628m3,约占易用淡水资源量的27~30%。 水资源在地球上的分布是很不均匀的,有的地方多,有的地方少。据联合国调查,全球约有4.6亿人生活在用水高度紧张的国家或地区内,还有1/4人口即将面临严重用水紧张的局面。 自从1977年在阿根廷的马德普拉塔召开的第一次联合国水资源大会以来,水资源已成为世界性的热点问题。目前已有26个联合国机构参与与水有关的事务。近几年有数以百计的水问题国际会议召开。其中影响较大的会议有:1992年巴西里约热内卢联合国环境和发展峰会;1997年在摩洛哥马拉喀什第一次世界水论坛;1998年巴黎水与可持续发展国际会议;2000年海牙第二次世界水论坛等。联合国环境署在2002年发布的《全球环境展望》上指出,“目前全球一半的河流水量大幅减少或被严重污染,世界上80个国家或占全球40%的人口严重缺水。如果这一趋势得不到遏制今后30年内,全球55%以上的人口将面临水荒”。在2002年南非召开的可持续发展世界高峰会议上,全体代表一致通过将水危机列为未来十年人类面临的最严重挑战之一。 在国际会议和联合国有关机构的组织推动下,世界各国的水资源工作有了较大的进展。在全球范围内开展了水资源评价活动。对水资源的评价方法进行了理论探讨和实验研究。在水资源规划研究中,由于竞争性用水问题的突出,导致了投资竞争,水资源在地区间、部门间和多目标用水间的合理分配问题已成为缺水地区在发展进程中诸矛盾的焦点,因而各国开始致力于流域和区域的规划研究。 自80年代以来,水质与水环境恶化趋势加剧,已威胁到人群健康,水环境问题成为研究热点,各国制定了地表水和地下水的水质标准,建立了河流、湖泊与水库的各类水质模型,并试图将水质研究与水量研究联系起来,以实现水资源学科中水量与水质的统一数学描述。
1992年联合国环境与发展首脑会议后,可持续发展观念日益深入人心,为水资源学科的发展注入了新的活力。各国在可持续发展观念启发下,从发展模式的高度认识水资源开发利用和经济发展的相互关系,认识水资源利用与保护的相互关系,经济发展和生态环境保护的关系,管理在水资源开发、利用、保护中的作用,水资源管理中需水管理、供水管理、水质管理和水价管理的相互关系,以及水资源管理中的经济机制、法律机制和行政机制的作用。对上述关系的再认识和大讨论,导致了面向可持续发展的水资源价值观和方法论的提出与初步形成,标志着水资源学科开始步入其初步成熟阶段。 二、水资源的可持续利用 可持续发展,系指满足当前需要而又不削弱子孙后代满足其需要之能力的发展。可持续发展还意味着维护、合理使用并且提高自然资源基础,这种基础支撑着生态抗压力及经济的增长。可持续的发展还意味着在发展计划和政策中纳入对环境的关注与考虑,而不代表在援助或发展资助方面的一种新形式的附加条件。 2.1中国水资源可持续利用的总体战略 中国工程院重大咨询项目《中国可持续发展水资源战略研究》报告提出:针对面临的问题建议我国水资源总体战略为,以水资源的可持续利用支持我国社会经济可持续发展,要从以下八个方面实行战略性的转变: 1、人与洪水协调共处的防洪减灾战略 要从无序、无节制的与洪水斗争转变为有序、可持续的与洪水协调共处。要从以建立防洪工程体系为主的战略转变为在防洪工程体系的基础上,建立全面防洪减灾工作体系,达到人与洪水协调共处。 2、以建设节水高效的现代灌溉农业和现代旱地农业为目标的农业用水战略 要从传统粗放型灌溉农业和旱地雨养农业转变为建设节水高效的现代灌溉农业。通过建设节水高效的现代农业,我国可以基本立足于现有规模的耕地和灌溉用水量,满足今后16亿人口对农产品的需要。今后,农业水利建设的投资的主要方向,应从以开源工程和新建工程为主转到以建设节水高效农业为主,国家应将节水高效农业建设列为国民经济的重大基础建设项目。 3、节水优先,治污为本,多渠道开源的城市水资源可持续利用战略 1997年我国城市化水平为30%,城市人口3.7亿,预计2030年左右,城市化水平可能达到60%,城市人口将增加到9.6亿左右。因此,城市和工业节水是今后节水的重点。必须进一步调整产业结构和工业布局,大力开发和推广节水器具和节水的工业生产技术,创建节水型工业和节水型城市,力争将城市人均综合用水量控制在160m3/年以内。 同时,必须加大污染防治力度,力争2010和2030年城市污水的有效处理率达到50%和80%以上,使水环境有明显改善。 4、以源头控制为主的综合防治减灾战略 目前我国排放的污水量与美国、日本相近,而经济发展水平却不能与他们 我国为粗放型经济增长付出了巨大的环境代价。 长期以来,采用以末端治理达标排放为主的工业污染控制战略,已被国内外经验证明是耗资大、效果差、不符合可持续发展的战略。应大力推行以清洁生产为代表的污染预防战略,淘汰物耗能耗高、用水量大、技术落后的产品和工艺,在工业生产过程中提高资源利用率,消减污染排放量。清洁生产可同时获得环境效益和经济效益,对我国经济发展和环境保护有重要的战略意义。
5、保证生态环境用水的水资源配置战略 保护和改善生态环境是保障我国社会经济可持续发展所必须坚持的基本方针。在水资源配置中,要从不重视生态环境用水转变为保障生态环境用水的前提下合理规划和保障社会经济用水。保障生态环境需水,有助于流域水资源可再生性维持,是实现水资源可持续利用的主要基础。 6、以需水管理为基础的水资源供需平衡战略 对水资源的供需平衡,要从过去的以需定供,转变为在加强需水管理,提高用水效率的基础上的保证供水。目前,我国的用水效率还很低,节水还有很大潜力,节约用水和科学用水应成为水资源管理的首要任务。 根据预测,我国用水高峰将在2030年左右出现,农业用水总量与现在的规模相仿,为4200亿m3左右;工业用水从现在的1100多亿m3,增加到2000亿m3;城乡生活用水从现在的500多亿m3,增至1100亿m3左右;考虑到未来发展前景的不确定性,估计全国用水总量有可能达到7000~8000亿m3,较现在增加1300亿~2000亿m3,人均综合用水量400~500m3。 上述估计的需水量,已接近可合理利用水量的上限。因此,必须严格控制人口的增长,同时加强需水管理,做到人口达到零增长后,需水也可达到零增长。 7、解决北方水资源短缺的南水北调战略措施。 8、与生态环境建设相协调的西部地区水资源开发利用战略。 根据分析,当我国人口增至16亿时,人均水资源降到1760m3,已接近国际公认的水资源紧张标准,形势十分严峻。经研究后认为:在加强管理,加大投入、合理配置、高效利用和注重保护的前提下,我国有条件在人均用水量400~500m3的基础上,实现第三步战略目标和社会经济的可持续发展。 三、水资源的规划与管理 3.1水资源的规划 水资源规划即在掌握水资源的时空分布特征、地区条件、国民经济对水资源需求的基础上,协调各种矛盾,对水资源进行统筹安排,制定出最佳开发利用方案及相应的工程措施的规划。它是水资源管理的一个重要部分。 3.1.1我国水资源规划现状 (a)国家制定全国水资源战略规划 开发、利用、节约、保护水资源和防治水害,应当按照流域、区域统一制定规划。规划分为流域规划和区域规划。流域规划包括流域综合规划和流域专业规划;区域规划包括区域综合规划和区域专业规划。 前款所称综合规划,是指根据经济社会发展需要和水资源开发利用现状编制的开发、利用、节约、保护水资源和防治水害的总体部署。前款所称专业规划,是指防洪、治涝、灌溉、航运、供水、水力发电、竹木流放、渔业、水资源保护、水土保持、防沙治沙、节约用水等规划。 (b)流域范围内的区域规划应当服从流域规划,专业规划应当服从综合规划。
流域综合规划和区域综合规划以及与土地利用关系密切的专业规划,应当与国民经济和社会发展规划以及土地利用总体规划、城市总体规划和环境保护规划相协调,兼顾各地区、各行业的需要。 (c)制定规划,必须进行水资源综合科学考察和调查评价。 水资源综合科学考察和调查评价,由县级以上人民政府水行政主管部门会同同级有关部门组织进行。 县级以上人民政府应当加强水文、水资源信息系统建设。县级以上人民政府水行政主管部门和流域管理机构应当加强对水资源的动态监测。 基本水文资料应当按照国家有关规定予以公开。 (d)国家确定的重要江河、湖泊的流域综合规划,由国务院水行政主管部门会同国务院有关部门和有关省、自治区、直辖市人民政府编制,报国务院批准。 跨省、自治区、直辖市的其他江河、湖泊的流域综合规划和区域综合规划,由有关流域管理机构会同江河、湖泊所在地的省、自治区、直辖市人民政府水行政主管部门和有关部门编制,分别经有关省、自治区、直辖市人民政府审查提出意见后,报国务院水行政主管部门审核;国务院水行政主管部门征求国务院有关部门意见后,报国务院或者其授权的部门批准。 前款规定以外的其他江河、湖泊的流域综合规划和区域综合规划,由县级以上地方人民政府水行政主管部门会同同级有关部门和有关地方人民政府编制,报本级人民政府或者其授权的部门批准,并报上一级水行政主管部门备案。 专业规划由县级以上人民政府有关部门编制,征求同级其他有关部门意见后,报本级人民政府批准。其中,防洪规划、水土保持规划的编制、批准,依照防洪法、水土保持法的有关规定执行。 (e)规划一经批准,必须严格执行。 经批准的规划需要修改时,必须按照规划编制程序经原批准机关批准 3.2水资源的管理 运用行政、法律、经济、技术和教育等手段,组织各种社会力量开发水利和防治水害,协调社会经济发展与水资源开发利用之间的关系,处理各地区、各部门之间的用水矛盾,监督、限制不合理的开发水资源和危害水源的行为,制定供水系统和水库工程的优化调度方案。 3.2.1我国水资源管理办法 2012年5月7日至8日在京召开的全国水资源工作会议提出,国家将实行最严格水资源管理制度,保障经济社会平稳较快发展。 一是抓紧分解“三条红线”控制指标。尽快完成分省指标的确认,并逐级分解到市、县两级,确保年内建立起覆盖流域和省市县三级行政区域的红线控制指标体系。 二是着力强化水资源统一调度。按照兴利服从防洪、区域服从流域、电调服从水调的原则,抓紧制订完善主要江河水资源调度方案、应急调度预案和调度计划,全面实施水资源统一调度。 三是加强水资源开发利用管理。严格规划管理、建设项目水资源论证和取水许可审批。
四是全面加快节水防污型社会建设。强化用水定额和用水计划管理,实施重点用水监控。大力推行清洁生产,加快推进节水技术改造,把非常规水源开发利用纳入水资源统一配置。 五是加快江河湖库水系连通工程建设。 六是切实加强水资源保护和水生态修复。抓紧完善水功能区划和监督管理体系。深入开展重要饮用水水源地安全保障达标建设,强化饮用水水源地应急管理。切实加强重要生态保护区、水源涵养区、江河源头区和湿地的保护,加快推进生态脆弱河流和地区水生态修复。 七是大力推进水资源管理法制化进程。抓紧完成全国水中长期供求规划、水资源保护规划、地下水利用与保护规划、水生态系统保护与修复规划的编制和报批工作。着力抓好节约用水、地下水管理、水资源论证、水功能区监督管理等方面立法工作。 八是强化水资源监控能力和科技支撑。重点抓好国家水资源监控能力项目建设,加强省界等重要控制断面、水功能区和地下水的水质水量监测能力建设,逐步建立中央、流域和地方水资源监控管理平台。 九是不断创新水资源管理体制和机制。继续深化水务管理体制改革,完善流域管理与行政区域管理相结合的水资源管理体制。抓住国家深化资源性产品价格改革的机遇,完善水价形成机制,运用经济手段促进水资源节约与保护。 四、水资源规划的新模型——基于水资源优化配置的多目标决策模型探析 4.1水资源优化配置 4.1.1水资源优化配置的概念 水资源优化配置是指,在一个特定流域或区域范围内,遵循高效、公平和可持续的原则,通过工程与非工程措施,考虑市场经济规律和资源配置准则,通过合理抑制需求、有效增加供水积极保护生态环境等手段和措施,对有限的、不同形式的水资源,在区域间和各用水部门间进行时间和空间上的科学分配。 水资源优化配置的最终目的就是实现水资源的可持续利用,保证社会经济、资源、生态环境的协调发展。水资源优化配置的实质就是提高水资源的配置效率,一方面提高水资源的分配效率,合理解决各部门和各行业(包括生态环境用水)之间的竞争用水问题。另一方面则是提高水资源的利用效率。促使各部门或各行业内部节约高效用水。 4.1.2水资源优化配置的内涵 水资源优化配置作为保障水资源可持续利用的重要内容,它包括两方面的涵义:其一,对于水资源充足区域,水资源优化配置就体现在区域产业结构的优化,以充分提高水资源的利用效率;其二,对于水资源短缺区域,则应是指区域水资源在各需水单位间的合理分配和区域产业结构优化调整之间的相互耦合,以追求区域效益最高,保证区域协调健康发展。
水资源优化配置还具有整体性和水资源系统性两方面的涵义。一方面,整体是系统的全部组分集合。水资源系统是与生态环境、社会经济相耦合的水资源生态经济复合系统。水资源持续利用系统应以流域或区域整体为单元,统筹单元内的水资源—生态环境—经济社会发展关系和相互影响,使水资源为整体的持续发展服务。另一方面,水资源系统与人类会和生态系统有密切关系,其中一个系统的变化,将会同时影响另外两个系统朝正负两个方向产生相应的变化,水资源系统在社会经济系统和生态环境系统之间起着重要的纽带作用。 4.1.3水资源优化配置的原则及目标 水资源优化配置的目标是满足人口、资源、环境与经济协调发展对水资源在实时间上、空间上、用途和数量上的要求,使有限的水资源获得最大的利用效益,促进社会经济的发展,改善生态环境。因此水资源优化配置必须遵循如下主要原则:(1)可持续发展原则。其目的是为了能使水资源永续地利用下去,也可以理解为代际间水资源分配的公平性原则。(2)节约高效原则。从经济学的观点可以解释为:水是有限的自然资源,国民经济各部门对其使用并产生回报。经济上有效的水资源分配,是水资源利用的边际效益在各用水部门中都相等,以获得最大的效益。(3)公平性原则。以满足不同区域间和区域内社会各阶层间,以及个人间对水资源及其效益的合理分配利用为目标,它也遵循高效性原则。 4.2基于水资源优化配置的多目标决策模型探析 4.2.1多目标决策一般数学模型 多目标决策的数学模型其目标函数为多个,分别代表区域可持续发展过程中各方面的主要发展指标,用于衡量某个水资源优化配置方案的优劣;其决策变量是由经济系统和水资源系统在内的诸多约束条件组成。多目标优化决策问题的一般数学模型如下: max(min)[f1(x),f2(x),…,fn(x)]s.t.x∈X 其中:x=(x1,x2,…,xn)T,X={x∣gk(x)≤0,k=1,2,…,m} 本文针对某个区域选取经济效益、社会效益和环境效益作为整个区域系统的决策目标来研究,故模型简化为: max(min)[f1(x),f2(x),f3(x)]s.t.G(x)≤0x≥0 其中:x为决策变量;f1(x),f2(x),f3(x)分别为经济效益目标、社会效益目标和环境效益目标;G(x)为约束条件集。 4.2.2选取决策目标 (a)经济效益目标 区域可持续发展的基础是经济发展,在区域经济发展中的首要指标是国民生产总值GDP。采用区域内需水用户通过消耗水资源创造的GDP(供水量效益)作为经济发展的决策目标可以衡量一个地区在水资源总量一定情况下的发展水平,并体现积累与消费的总体规模,还方便与世界其他国家和地区进行横向比较。
式中:xijk为水资源i向k子区j用户的供水量(万m3);bijk为水资源i向k子区j用户的单位供水量效益系数(元/m3);cijk为水资源i向k子区j用户的单位供水量费用系数(元/m3);为k子区权重系数。 (b)社会效益目标 由于社会发展的效益目标包括诸多方面,比如当地人均收入水平、人口增长率、粮食产量等。总体社会效益难以度量,而区域缺水量的大小或缺水程度对社会各个方面的发展有不同程度的影响,因而采用区域总缺水量作为社会效益的决策目标是具有综合性代表意义的。 式中:DJK为k子区j用户需水量(万m3)。 (c)环境效益目标 在环境指标中,生化需氧量(BOD)不仅与生产有关,而且与生活有关,普遍适用于描述城市污水排放量与污水处理的关系以及河流的水质情况,并且BOD与化学耗氧量(COD)有较好的相关关系。因此采用BOD作为环境效益目标是合理的。 式中:djk为k子区j用户单位废水排放量中重要污染物BOD的含量(mg/L);pjk为k子区j用户污水排放系数。 4.2.3确定约束条件 为了确定最合理的各水源供水量,应使供水量尽量达到配置目标,即模型的目标函数值最大,则各水源的供水量必须符合一定的条件,这些条件便组成了模型的约束条件集合。多目标决策模型的约束条件,主要考虑区域供水系统的供水能力约束、用水系统的需水能力约束、水源的输水能力约束以及变量非负约束。 (1)水源供水能力约束。即i水源向其所有用户的供水量之和应小于其可供水量:
式中:Wik为k子区水源i的可供水量。 (1)用户需水能力约束。即用户从水源获得的水量应该介于该用户需水量的上限与下限之间: 式中:Dj.minkDJ.MAXK为k子区j用户的最小、最大需水量。 (3)水源输水能力约束。即i水源的输水能力限制在该区域总输水能力范围之内。 式中:QIK为k子区i水源的最大输水能力。 (2)变量非负约束 4.2.4多目标决策模型的建立 结合经济效益目标、社会效益目标和环境效益目标的决策目标函数和区域供水系统的供水能力用水系统的需水能力、水源的输水能力以及变量非负等约束条件建立多目标决策模型:
4.2.5水资源优化配置多目标决策决策模型求解 现实世界中的决策问题大多是多目标的,多目标决策实际上就是要在各种目标之间和各种限制条件之间寻求一个合理的妥协,即通常所说的寻求一个最优解。多目标决策模型的求解方法有很多种,为了便于求解,最普遍的方法就是采用合理的手段设法将多目标决策问题转化为单目标问题,基于这种思想,可以将各个单目标的目标函数通过线性加权组合得到一个单目标函数作为多目标决策问题的目标函数,然后进行求解。即 式中:wg是指g目标的目标函数fg(x)的权重,且满足0≤wg≤1,gg=1,其取值可根据具体区域具体问题中各个目标的重要程度确定。一般常用的确定权重的方法是层次分析法(AHP),它能够很好的把主观赋权与客观计算相结合。 考虑经济效益、社会效益、环境效益三个决策目标,上文中已经给出这三个单项目标的目标函数。如果再从某一角度给出这三个单项目标的权重w1,w2,w3,
则将这三个单项目标函数进行加权组合构造出新的单目标决策函数进行求解,即: 可以证明上述单目标决策问题的最优解即为原多目标决策问题的一个有效解。对于上述单目标决策问题,决策者可根据区域内经济、社会、环境和水资源的具体状况,从客观需求出发对权重w1,w2,w3不断进行适当调整,通过交互决策得到多组相应的有效解集。 4.2.6水资源优化配置多目标决策方案选择 在通过一系列步骤对多目标决策模型进行交互决策求解后,生成了多组决策方案,必须对每一个规划方案导出的各个目标值进行比较、评定,以选择决策者满意的规划方案。最常用的方法有:优势法、最小值筛选法和字典编辑法。本文主要介绍优势法的应用。 一个方案X完全优于其他方案的条件是,其所有目标值均等于或大于其他方案的目标值,即对被极大化的各个目标j来说,有 则称方案X0完全优胜于其他方案Xm。现实中一个方案的所有目标值均优于其他所有方案目标值的情况是不常见的。然而,一个方案的某一个或几个目标值优于其他方案却是经常发生的。例如,对存在的两个方案Xk与Xh,对决策目标a,有 即针对决策目标a,Xk方案优于Xh方案而对于决策目标b,有
即针对决策目标b,Xh方案优于Xk方案在这种情况下没有一个完全的优胜方案,就需要根据具体地区的具体情况结合目标值的比较优势进行方案的筛选了。比如,在西部生态脆弱地区水资源的环境效益目标相对于经济效益目标来说就可能成为决策者选择最终方案的首要考虑因素了。 五、结语 水是生命的源泉,淡水资源是基础性自然资源,系生态环境建设的控制因素之一,同时又是战略性经济资源,为综合国力的有机组成部分。然而由于人类用水的不合理导致了全球范围内的用水危机,我们不得不提高合理用水意识,积极采取措施防止这种局势恶化,我们可以通过优化用水结构、加快工程建设、促进节约用水、加强水资源保护、落实资金和政策保障措施来对水资源进行优化配置以缓解水资源的供需矛盾。 在我看来人类应该反省下自己给自然所带来的破坏,将来也许不止水资源是人类应面临的危机,发展固然是硬道理,但是和自然地和谐相处也至关重要,如果连我们赖以生存发的地球都不存在了发展又何从谈起,凡事高瞻远睹也是决策者应具备的素质。作为新一代的年轻人我们将好好学习,争取将来能为国家的建设添砖加瓦。 六、参考文献 【1】董增川主编.水资源规划与管理.北京:中国水利水电出版社,2010. 【2】N.Brus.ScientificAllocationofWaterResource.NewYork:AmericanElsevierPublishingCompany,1972 【3】水利部水利水电规划设计总院.全国水资源综合规划技术细则[S].2002. 【4】程晓霖,方天堃.中国农业水资源利用及管理现状分析[J].农业经济,2006(4):39-40. 【5】黄永基,陈晓军加强水资源需求管理,实施可持续发展水利部南京水文水资源研究所 【6】国务院批复《全国水资源综合规划》.2010. 【7】RodolfoSoncini-Sessa,EnricoWeber,AndreaCastellettiIntegratedandParticipatoryWaterResourcesManagement–TheoryDepartmentofElectronicsandInformation,MilanItaly.JUL-2007 【8】I.A.Shiklomanov.赵珂经译.全球水资源[J].国外技术情报 【9】BiswasAK.forsustainableDevelopmentinthe21century.WaterInternational,1991,16(4) 【10】王浩.我国水资源合理配置的现状和未来[J].水利水电技术,2006,37(2):7-14 .【11】2004年中国水资源公报[R].北京:中华人民共和国水利部.2004 【12】朱尔明主编.中国水利年鉴[M].中国水利水电出版社,2001 【13】吴泽宁,索丽生.水资源优化配置研究进展[J].灌溉排水学报,2004,23(2):1-5. 【14】王好芳,董增川.基于量与质的多目标水资源配置模型 【15】胡文云.水资源可持续利用规划多目标决策模型及其应用[J].武汉工业学院学报,2005,(1):68-71. 【16】张志军,黄宝莲基于水资源优化配置的多目标决策模型探析.石河子大学经贸学院.2010
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