黄河流域水资源均衡调控与动态配置/黄河流域水量分配方案优化及综合调度关键技术丛书

第1章 研究目标、内容与技术路线 1.1 研究目标 本书针对“缺水流域水资源动态均衡配置理论”科学问题，创新水资源综合价值评估方法，提出流域水资源均衡调控策略，创建基于综合价值与均衡调控的流域水资源动态配置理论；建立流域水资源供需双侧联动分析方法，研发黄河流域水资源动态均衡配置模型；建立变化环境下缺水流域水资源动态均衡配置技术体系，提出适应环境变化的黄河流域水资源动态均衡配置方案和《黄河可供水量分配方案》（黄河“八七”分水方案）优化调整政策性建议，开展黄河水量动态优化配置的应用示范。 1.2 研究内容 按照理论研究—技术创建—模型开发—方案优化—示范应用总体思路，重点开展4个方面研究：一是流域水资源综合价值评估，二是基于综合价值与均衡调控的流域水资源动态配置理论，三是基于供需双侧联动的黄河流域水资源调控策略研究，四是黄河流域水资源动态均衡配置。 （1）流域水资源综合价值评估 针对黄河流域水资源的特点，研究水资源经济、社会与生态环境服务功能的表现形态，界定水资源的综合价值内涵及构成；提出水资源经济价值核算方法；研究水资源社会价值的体现形式和定量评估方法；研究水资源生态环境价值定量评估方法；研究水资源综合价值的统一度量方法，评估黄河流域水资源的综合价值。 （2）基于综合价值与均衡调控的流域水资源动态配置理论 研究基于综合价值驱动的水资源系统优化方法；分析省际、河段、部门之间用水的竞争性关系，统筹公平与效率，构建流域水资源均衡调控原理；解析资源、经济、社会、生态、环境等子系统的互馈机理和水资源系统的均衡机制，研究子系统协调度的表征方法；创建基于综合价值与均衡调控的流域水资源动态配置理论。 （3）基于供需双侧联动的黄河流域水资源调控策略研究 识别流域层面影响水资源供需的共同因子，建立流域水资源供需双侧联动的分析方法。从供给侧研究非常规水源利用、拦沙挖沙换水、输沙水量年际优化等调控措施；从需求侧研究高效节水、调整产业结构、优化产业布局等调控措施。研究共同因子作用下的流域水资源供需形势，构建流域水资源调控的方案集。 （4）黄河流域水资源动态均衡配置 耦合流域水资源综合价值和流域五个子系统协调度，研发黄河流域水资源动态均衡配置模型，并研究求解方法；构建黄河流域水资源系统网络图，考虑黄河流域水沙变化、经济社会发展、生态环境演变、工程调控措施等，优化提出适应未来环境变化的黄河流域水资源动态均衡配置方案。开展动态均衡配置方案综合评估，提出黄河“八七”分水方案优化调整建议。 1.3 技术路线 按照理论研究—技术创建—模型开发—方案优化—示范应用总体思路开展研究。 （1）理论研究 以生态学、社会学、环境学、经济学等基本理论为基础，界定水资源的综合价值内涵及构成，研究水资源经济价值定量核算与社会价值、生态价值评估方法，创建综合价值的概念和分析方法。结合多目标优化理论，研究基于综合价值驱动的水资源系统优化方法。建立流域资源、经济、社会、生态、环境五维协同的均衡度表征方法，统筹公平与效率，创建流域水资源均衡调控原理。以综合价值驱动为基础，集成均衡调控目标、手段、方法、方式，创建缺水流域水资源动态均衡配置理论。 （2）技术创建 采用计量经济学生产函数理论，研究水资源经济价值核算方法；采用社会学方法，计算水资源在社会保障与社会稳定等方面的社会价值；以生态学理论为基础，计算水资源生态价值；以能值理论为基础，提出基于能值理论的水资源综合价值统一度量方法。基于历史统计资料与统计模拟方法，考虑公平与效率、收益与风险等方面，分析资源、经济、社会、生态、环境等子系统均衡的一致性本质和矛盾性表现，采用系统动力学方法，解析子系统间的互馈机理和水资源系统的均衡机制。采用因子分析或相关分析的方法，识别流域层面影响水资源供需的共同因子；以系统动力学为基础，研究流域供水子系统与用水子系统的耦合机制。基于以上研究，创建基于综合价值与均衡调控的水资源动态均衡配置技术。 （3）模型开发 考虑资源再生、经济发展、社会公平、生态稳定、环境改善等多目标需求，分析影响系统均衡的变量和约束，研究流域水资源动态配置的目标函数和约束方程。以多目标均衡与优化、水资源综合价值评估、水资源供需联动模拟、交互式决策评价等为核心模块，研发适应环境变化具有时空分析、过程模拟、目标协调功能的黄河流域水资源动态均衡配置模型。考虑水资源配置群决策层次性，采用智能优化算法对模型进行求解。 （4）方案优化与示范应用 考虑黄河流域水沙变化、经济社会发展、生态环境演变、工程调控措施等，构建黄河流域水资源调控的方案集。构建黄河流域水资源系统网络图，应用流域水资源动态配置模型，研究各方案用水与经济、社会、生态环境的效应关系，利用协同学原理和交互式决策技术，研究优化提出适应环境变化的黄河流域水资源动态均衡配置方案。开展动态均衡配置方案综合评估，提出黄河“八七”分水方案优化调整建议，并开展示范应用。 1.4 研究框架 本书研究主要包括三部分：一是黄河“八七”分水方案制定与运用评价，二是流域水资源动态均衡配置原理方法与技术，三是变化环境下黄河分水方案优化研究，见图1-1。 图1-1 技术路线 黄河“八七”分水方案制定与运用评价，梳理了分水方案出台背景、发展完善过程、执行情况、基本条件变化，在此基础上提出变化环境下缺水流域水资源动态均衡配置理论的科学问题及分水方案优化的研究思路。 流域水资源动态均衡配置原理方法与技术，创建了基于水-沙-生态多因子的流域水资源动态配置机制，构建了统筹公平与效率的流域水资源均衡调控原理，提出了流域刚性-刚弹性-弹性三层需水分析方法、用水公平协调性分析方法、水资源综合价值评估方法，研发了流域水资源与动态均衡配置方法与模型系统。 变化环境下黄河分水方案优化研究，建立了流域供给侧及需求侧调控策略，提出了黄河流域经济社会和河流生态需水成果，分析了分水方案优化场景设置，开展了变化环境下分水方案多场景优化研究，建立了多场景下分水方案调整方案集，提出了分阶段的黄河“八七”分水方案优化调整建议。 第2章国内外相关研究进展第2章国内外相关研究进展 水资源合理配置是实现水资源公平、持续利用的有效调控措施之一，已成为当今世界关注的热点，水资源合理配置研究的发展，是与水资源的持续利用和人类社会协调发展密不可分的，随着人们的认识水平、科学技术和配置实践的不断深化，对于水资源合理配置的认识和理解也呈现出一个不断深化的过程（王浩和游进军，2008）。国内外水资源配置研究历程见图2-1。 图2-1 国内外水资源配置研究历程 2.1 国外研究进展 关于水资源配置的研究，国外*早始于20世纪40年代。国外学者以系统分析为手段针对水库优化问题展开研究工作，拉开了系统性研究水资源问题的序幕。真正意义上的水资源配置研究来自同一时期的美国学者，其研究内容包括估算未来用水需求等方面，体现出水资源配置理念的雏形（赵鸣雁等，2005）。系统分析理论与优化方法的引入为水资源系统研究工作创造了良好的理论环境，随后计算机技术的迅猛发展为大规模模拟水资源系统提供了强有力的硬件保障。 20世纪50～60年代，在理论方法与技术手段综合提升的有利条件下，对复杂的水资源系统进行更合理、更详细的描述成为可能，水资源配置技术得到迅速的发展。1950年，美国总统水资源政策委员会的报告，是*早综述水资源开发、利用和保护问题的报告之一，该报告的出台推动了行政管理部门进一步开展水资源方面的调查研究工作。1953年，美国陆军工程师兵团（United States Army Corps of Engineers，USACE）开发出*早的水资源模拟模型，用于解决六座运行调度的实际问题。Emery和Meek（1960）构建出解决尼罗河流域水库调度问题的模拟模型。Maass等（1962）出版的《水资源系统设计》深入探讨了利用计算机技术结合系统分析方法在水资源配置领域应用的可行性。该研究开启了水资源系统分析的新局面，随后在系统分析理论配置研究及实践中得到了推广与应用，对完善水资源合理优化配置理论体系起到了推动作用。Hufschmidt和Fiering（1966）利用模拟技术对利哈伊（Lehigh）河流系统进行规划。 20世纪70年代，伴随计算机技术、系统分析理论和模拟技术的发展及其在水资源领域的应用，关于水资源配置的研究成果逐渐增多。Joeres等（1971）利用线性规划理论编程进行了多水源供水方面的研究。伯拉斯1972年所著的《水资源科学分配》是*早比较系统地研究水资源分配理论与方法的专著，该专著较为全面地论述了水资源开发利用的合理方法，围绕水资源系统的设计和应用这个核心问题，着重介绍了运筹学数学方法和计算机技术在水资源工程中的应用（伯拉斯，1983）。Dudley和Burt（1973）采用动态规划方法研究了水库给灌区供水问题，并利用马尔可夫链对动态递推方程进行了加权。Mulvihill和Dracup（1974）在处理城市废污水与供水问题时采用了非线性方法，并在此基础上建立了联合规划模型。Haimes和Hall（1974）对多目标水资源系统的功能进行了探讨，并考虑地下水与地表水联合调度问题，从多目标多水源的角度推动了水资源配置模型技术的发展。Cohon和Marks（1975）采用三种标准建立了实用的评价多目标水资源规划的编程技术。Grigg和Bryson（1975）构建了基于系统动力学的水资源规划模型。Singh和Titli（1978）总结了前人的研究成果，并在此基础上分别探讨了优化控制理论和流域系统分解。