了得網工業技術_黃淮海流域水資源配置模型研究

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《黃淮海流域水資源配置模型研究》可供大專院校、研究機構和管理部門的相關專業人士參考。

內容簡介

水資源繫統是典型的“人類-自然耦合繫統”或“自然-繫統”，這要求我們在經濟社會和生態環境協調發展的大背景下，更新水資源繫統分析的基本理論框架和規劃管理對策。《黃淮海流域水資源配置模型研究》首先介紹水資源繫統分析的起源、發展歷程、研究前沿和未來趨勢，在此基礎上提出了面向人類-自然耦合的水資源配置整體模型繫統的理論方法、模型結構和定量方程。結合我國黃河流域、海河流域和淮河流域的規劃管理問題，分別建立這三個流域的水資源繫統整體模型，分析未來社會經濟發展和工程建設情景下的水資源供需情景和經濟、社會、生態影響，並提出了相關的研究結論和政策建議。

總序
序
前言
第1章水資源配置模型研究進展
1.1水資源繫統分析的起源與發展
1.1.1傳統水資源繫統分析的起源與發展
1.1.2面向人類-自然耦合的水資源繫統分析
1.2水資源配置模型國內外研究現狀
1.2.1傳統的優化模型與模擬模型
1.2.2組合模型方法與整體模型方法
1.2.3水資源宏觀經濟投入產出分析
1.2.4資源問題的微觀經濟學方法
1.2.5水資源配置的時空特性研究
1.2.6基於主體的建模方法總序

序

前言

第1章水資源配置模型研究進展

1.1水資源繫統分析的起源與發展

1.1.1傳統水資源繫統分析的起源與發展

1.1.2面向人類-自然耦合的水資源繫統分析

1.2水資源配置模型國內外研究現狀

1.2.1傳統的優化模型與模擬模型

1.2.2組合模型方法與整體模型方法

1.2.3水資源宏觀經濟投入產出分析

1.2.4資源問題的微觀經濟學方法

1.2.5水資源配置的時空特性研究

1.2.6基於主體的建模方法

1.3小結

第2章面向人類-自然耦合的水資源配置整體模型繫統

2.1人類-自然耦合水資源繫統模擬理論與方法

2.1.1水資源繫統的人類-自然耦合特性及其挑戰

2.1.2面向人類-自然耦合的水資源繫統模擬理論與方法體繫

2.1.3面向人類-自然耦合的水資源繫統多過程模擬關鍵技術

2.2模型繫統功能及構成

2.2.1模型功能需求

2.2.2模型繫統構成

2.3模型構建

2.3.1人口模型

2.3.2宏觀經濟預測模型

2.3.3需水與節水預測模型

2.3.4水污染負荷排放及調控預測模型

2.3.5水量平衡分析模型

2.3.6多目標與群決策模型

2.3.7水資源整體模型的耦合

2.4模型機制

2.4.1模型間關繫

2.4.2整體模型機制

第3章黃河流域水資源整體模型與情景設置

3.1黃河流域概況與整體模型設置

3.1.1黃河流域概況

3.1.2整體模型中的基本

3.1.3模型時間設定

3.1.4水文繫列數據

3.2模型重要邊界設定

3.2.1國務院分配指標的影響

3.2.2水量統一調度的影響

3.2.3黃河水資源承載狀況

3.2.4外流域調水量配置方案

3.2.5水庫調度規則的設定

3.3參數率定與設定

3.3.1節水模式與用水定額

3.3.2治污情景及其表征參數

3.3.3水投資參數

3.3.4宏觀經濟調控參數

3.4模型的驗證

3.4.1水量平衡關繫驗證

3.4.2水資源利用關繫驗證

3.5情景方案設置

第4章黃河水資源調度與配置情景分析

4.1水量統一調度宏觀經濟模擬評估分

4.1.1黃河水量統一調度實施背景

4.1.2研究思路與技術路線

4.1.3水量統一調度以來國民經濟與水資源利用基本情況

4.1.4統一調度實施效果的宏觀經濟分析

4.1.5水情比較分析

4.2黃河水資源承載能力情景分析

4.2.1研究思路與方法

4.2.2情景方案

4.2.3節水情景分析

4.2.4治污情景分析

4.2.5綜合情景分析

4.3外流域調水量配置方案宏觀效果情景評估

4.3.1研究思路與方法

4.3.2情景方案成果

4.3.3外流域調水對黃河流域經濟社會發展影響情景分析

4.3.4外流域調水對維持黃河健康生命的作用

4.4黃河流域案例研究小結

第5章海河流域水資源配置整體模型與情景設置

5.1海河流域概況與整體模型設置

5.1.1海河流域概況

5.1.2海河流域整體模型時空範圍設定

5.2海河流域水資源配置情景邊界設定

5.2.1節水力度情景分析

5.2.2水資源保護力度情景分析

5.2.3地下水超采情景分析

5.2.4南水北調工程情景分析

5.2.5枯水繫列情景分析

5.2.6氣候變化繫列情景分析

5.3海河流域水資源利用情景組合

5.3.1方案編碼

5.3.2方案組合

第6章海河流域水資源配置情景分析

6.1方案對比和情景分析

6.1.1在現狀條件下

6.1.2在可能發生的連續枯水年的條件下

6.1.3在可能出現的氣候變化條件下

6.1.4氣候變化情境下水資源變化的經濟影響與風險預留估算

6.2海河流域案例研究小結

第7章淮河區水資源配置整體模型與情景設置

7.1淮河區概況與整體模型設置

7.1.1淮河區概況

7.1.2淮河區整體模型時空範圍設置

7.2邊界條件

7.2.1人口發展與城市化率

7.2.2經濟發展

7.2.3灌溉面積

7.2.4節水力度

7.2.5河道外生態環境

7.2.6河道內生態環境

7.2.7當地水資源條件

7.2.8跨流域調水

7.3情景設計

第8章淮河區水資源配置情景分析

8.1基準情景分析

8.22015推薦情景分析

8.32020推薦情景分析

8.42030推薦情景分析

8.5淮河區案例研究小結

8.5.1淮河區水資源形勢總體不容樂觀

8.5.2調水工程對緩解淮河區水資源短期至關重要

8.5.3淮河區的缺水風險依然不容忽視

8.5.4淮河區的生態環境用水需要保障

8.5.5積極推進南水北調東中線二期工程

第9章總結與展望

9.1成果總結

9.1.1面向人類-自然耦合的水資源繫統分析理論與方法

9.1.2水資源配置整體模型

9.1.3重大調水工程的經濟影響綜合評價技術151？

9.1.4大流域水量統一調度水資源-環境經濟後評估技術

9.2未來展望

9.2.1經濟學的理論方法將在水資源繫統分析中扮演越來越重要的角色

9.2.2生態流量將成為水資源繫統分析的重要目標之一

9.2.3風險管理問題在水資源繫統分析中不可忽視

9.2.4水聯網和智慧水利將帶來水資源繫統研究的新時代

參考文獻

索引

在線試讀

第1章水資源配置模型研究進展
1.1水資源繫統分析的起源與發展
1.1.1傳統水資源繫統分析的起源與發展
現代水資源繫統分析方法起源於美國二十世紀五六十年代的“哈佛水項目”(MaSSetal.’1966)。在此後的幾十年中，水資源繫統分析逐漸將運籌學、統計學、經濟學和生態學等學科的理論方法融入到工程應用中，形成了流域規劃、水庫調度、水權水市場、水生態、水環境等專門的研究方向。
Loucks和Beek(2005)在其者作WaterResourcesSystemPlanningandManagement中對水資源繫統及規劃管理做了較為全面的闡述。其中關於水資源繫統的分析方法，Loucks將其歸納為三類：基於宏觀規劃與控制的自上而下法（top-downapproach)、基於微觀分析與綜合的自下而上法（l)ottom-upapproach)以及綜合應用法（IntegratedWaterResourcesManagement，IWRM)。優化模型和模擬模型是在這些分析方法中經常使用的建模工具。
自上而下法往往采用集總式優化，有兩個基本假定：①有一個從上而下的管理體制，其中的個體都完全聽從“決策者”的安排；②繫統中各部門各地區的個體信息是足夠充分的。在這種宏觀調控的制度設計下，集總式優化模型得到的配置結果往往理論上非常理想，但由於基本不可能達到上述的兩個假定，使得實際操作中卻不現實，經常遇到來自不同部門和用戶的挑戰和違規行為；除此之外，集總式優化的缺陷還包括“維數災”問題，由於繫統組成及其相互關繫都十分復雜，非線性優化的算法一直以來都是分析繫統非線性特征的瓶頸，導致水資源繫統的優化通常采用簡化的線性優化方法，從而削弱了我們理解和定量刻畫水資源繫統一些基本復雜特性的能力。
自下而上法則是以微觀個體的行為特征以及個體對環境的適應機理為基礎，認識繫統運行規律，制定繫統管理策略，這就避免了上述兩個不現實的基本假定。由於此方法允許並鼓勵各利益相關主體參與到策略制定的過程中，因此自下而上法越來越多地被人們接受並應用。與自上而下法相比，自下而上法的理論思路和現實更為相似、操作的可行性更高，但是由於歷史原因，水資源的相關數據基本都是以宏觀行政單位為基本單位搜集整理的，從而給自下而上法帶來了較大程度的困難。此外，傳統的優化算法對於自下而上法顯然是不適用的，如何開發新的優化算法、如何合理設置基本假定（如生態繫統的效益如何體現、交互規則如何管理等），也是此分析方法的瓶頸問題。
上述兩種分析方法各有利弊，Perry和Easter(2004)認為存在這麼一個矛盾的局面:一方面，數據情況和傳統的優化算法適合於集總式的優化方法，另一方面，現實情況中的決策過程則更趨向於使用自下而上的分析方法。Yang等（2009)提出，符合現實情況的水資源繫統分析方法應該是一種能夠綜合應用自上而下法和自下而上法的結構。第1章水資源配置模型研究進展

1.1水資源繫統分析的起源與發展

1.1.1傳統水資源繫統分析的起源與發展

現代水資源繫統分析方法起源於美國二十世紀五六十年代的“哈佛水項目”(MaSSetal.’1966)。在此後的幾十年中，水資源繫統分析逐漸將運籌學、統計學、經濟學和生態學等學科的理論方法融入到工程應用中，形成了流域規劃、水庫調度、水權水市場、水生態、水環境等專門的研究方向。

Loucks和Beek(2005)在其者作WaterResourcesSystemPlanningandManagement中對水資源繫統及規劃管理做了較為全面的闡述。其中關於水資源繫統的分析方法，Loucks將其歸納為三類：基於宏觀規劃與控制的自上而下法（top-downapproach)、基於微觀分析與綜合的自下而上法（l)ottom-upapproach)以及綜合應用法（IntegratedWaterResourcesManagement，IWRM)。優化模型和模擬模型是在這些分析方法中經常使用的建模工具。

自上而下法往往采用集總式優化，有兩個基本假定：①有一個從上而下的管理體制，其中的個體都完全聽從“決策者”的安排；②繫統中各部門各地區的個體信息是足夠充分的。在這種宏觀調控的制度設計下，集總式優化模型得到的配置結果往往理論上非常理想，但由於基本不可能達到上述的兩個假定，使得實際操作中卻不現實，經常遇到來自不同部門和用戶的挑戰和違規行為；除此之外，集總式優化的缺陷還包括“維數災”問題，由於繫統組成及其相互關繫都十分復雜，非線性優化的算法一直以來都是分析繫統非線性特征的瓶頸，導致水資源繫統的優化通常采用簡化的線性優化方法，從而削弱了我們理解和定量刻畫水資源繫統一些基本復雜特性的能力。

自下而上法則是以微觀個體的行為特征以及個體對環境的適應機理為基礎，認識繫統運行規律，制定繫統管理策略，這就避免了上述兩個不現實的基本假定。由於此方法允許並鼓勵各利益相關主體參與到策略制定的過程中，因此自下而上法越來越多地被人們接受並應用。與自上而下法相比，自下而上法的理論思路和現實更為相似、操作的可行性更高，但是由於歷史原因，水資源的相關數據基本都是以宏觀行政單位為基本單位搜集整理的，從而給自下而上法帶來了較大程度的困難。此外，傳統的優化算法對於自下而上法顯然是不適用的，如何開發新的優化算法、如何合理設置基本假定（如生態繫統的效益如何體現、交互規則如何管理等），也是此分析方法的瓶頸問題。

上述兩種分析方法各有利弊，Perry和Easter(2004)認為存在這麼一個矛盾的局面:一方面，數據情況和傳統的優化算法適合於集總式的優化方法，另一方面，現實情況中的決策過程則更趨向於使用自下而上的分析方法。Yang等（2009)提出，符合現實情況的水資源繫統分析方法應該是一種能夠綜合應用自上而下法和自下而上法的結構。

IWRM這個概念出現於20世紀80年代，人口迅速增長，經濟迅速發展，由此引發的水資源短缺和水質惡化使得很多國家重新開始審視並且修改原有的水資源管理方法。這個時期內，水資源管理方法的特征由供給導向、工程依賴逐漸轉變為需求導向、多方達成。1992年的《都柏林協議》為IWRM提供了目前被廣泛接受的涵義：①水是一種有限的、脆弱的、必需的自然資源，對維持生命、支持發展和保護環境具有不可或缺的作用；②水資源的規劃和管理應該基於一種多方（用戶、規劃方和政策制定者等）參與的路線；③女性應在水資源的規劃和管理方面起到核心作用；④水資源在其所有用途中均具有經濟價值，應當被看做一種具有經濟性的商品，是可交易的。

1.1.2面向人類-自然耦合的水資源繫統分析

水資源繫統是典型的人類-自然耦合繫統，在這樣的繫統中人類子繫統（如人類的日常生活、工農業生產、城市化建設等經濟社會發展活動）和自然子繫統（如氣候、降水、徑流、地表地下水交互、生態環境演變等）有著復雜的交互作用，任何單學科的理論和方法都不能完整地描述繫統的復雜性，因此必須從人類-自然耦合繫統的基本特征出發采用整體論的研究方法進行研究（Linetal.，2007)。

面向人類-自然耦合特性對傳統水資源繫統分析理論和規劃方法提出了新的挑戰。隨著環境的不斷改變以及人們對水資源繫統認識的逐步深入，水資源繫統分析理論與技術目前正面臨新的發展階段，這一階段在認識論、方法論、模型方法和管理策略三個層面都具有與以往截然不同的特征。

從認識論的層面來看，由於包含人類經濟社會發展過程、自然水循環和生態過程以及兩者交互產生的工程設施以及管理制度子繫統，水資源繫統被認為是典型的“人類-自然耦合繫統”。在我國被廣泛使用的相應概念是“自然-繫統”（王浩等，2002理論可以被看做是本研究的重要理論基礎之一，但與之不同的理論更加注重從水循環或水資源的角度進行分析，提出了自然水循環和人工側支水循環等重要的基本概念；而基於CHN繫統（CoupledHuman-NatureSystem)的觀點，水資源更應該被看做是人類-自然耦合繫統中的重要的“約束性”要素之一，但並非其核心的“驅動性”要素，因此需要在經濟社會和生態環境協調發展的大背景下，提出水資源繫統分析的基本理論框架和規劃管理對策。

從研究方法論的角度來看，對於包括水資源繫統在內的CHN繫統的分析和研究，正如2009年諾貝爾經濟學獎得主Ostrom指出的，必須對繫統中個體之間、個體與子繫統之間及各個子繫統之間的交互作用進行描述，建立動態的整體分析模型，進而在CHN繫統的框架內提出資源環境管理問題的解決途徑（Ostrom，2009)。因此，基於學科分解的“還原論”研究方法已經不能滿足CHN分析的要求，應用“整體論”方法研究這些CHN

繫統已經成為共識。

從模型方法的角度來看，如何將水資源繫統分析中涉及的眾多子繫統進行整體耦合，將成為技術性難題。從社會科學的角度來看，與水資源繫統緊密相關的學科包括人口學、微觀經濟學、宏觀經濟學、制度經濟學、公共管理和城市規劃等，從自然科學的角度來看，又包括水文學、水力學、生態學、環境學和水文地質等，兩者的交互則涉及繫統分析、環境管理等。因此，以水資源問題為線索，有效選擇相關領域的模型方法並進行有效的整體耦合，成為技術性難題。

在管理策略方面，水資源繫統的管理必須將人類社會自身管理的與水資源的自然特性緊密結合。人類社會的管理是社會科學的核心問題，如何將這些基本準則與水資源的自然特性相結合，將成為管理實踐的難題。水資源繫統特有自然屬性，如空間結構和時間變異性，為水資源管理帶來了一些獨特的問題，如河網空間結構帶來的區域性水資源短缺和工程型水資源短缺、水文不確定性帶來的水資源豐枯變化等，這些使得水資源的配置與管理區別於一般意義上的資源環境管理。因此，水資源管理需要從CHN的角度分析和理解繫統中人類對變化環境的適應機制，並以此為基礎設計可靠的（reliable)、有彈性的(resilient)和抗干擾的（robust)基礎設施與管理體繫，引導人類個體和社會行為以適應變化的自然環境，從而達到提高水資源管理體制效率和可操作性的目的。

1.2水資源配置模型國內外研究現狀1.2.1傳統的優化模型與模擬模型

從應用層面來講，模型是*為重要的理論表現形式，同時也是*直接的應用工具。模型是聯繫理論和應用的橋梁。水資源配置工作是當前水資源繫統分析理論的主要應用領域，因此，本書理論研究主要通過流域（區域）級的水資源配置模型得到應用並體現其價值。優化模型和模擬模型是水資源繫統分析的基本工具。

優化模型一般用來回答“應該怎麼辦（whatshouldbe)”這類問題。優化模型運用數學和運籌學中的優化方法，如線性規劃、非線性規劃和動態規劃等，針對優化目標函數和約束條件，可直接給出問題的**解決方案。優化模型的優點是可以直接給出問題的**解，進而告訴決策者應該怎麼辦。但優化模型由於數學求解的限制，一般需要對問題進行簡化後纔能建模。目前的優化求解技術，對於線性規劃模型一般可以找到理論**解，且成熟的工具較多（如Excel、Matlab等通用數學工具和LINDO、GAMS等專用軟件包都可以求解線性規劃問題），但對於非線性優化問題，目前還沒有比較成熟的求解技術，特別是對於高維度、不連續的非線性問題，一般會出現所謂“維數災”問題，即不能在有效時間內找到問題的**解。

優化模型有兩種基本類型：一種是水文優化模型，模型的目標是在水文規範的要求下優化配置部門內部的水資源；另外一種是經濟優化模型，通過水資源的優化配置，優化部門間的水資源配置，另外其他準則，如公平性和環境質量等也應該在模型中考慮到。這方面具有代表性的研究有：Vedula和Mujumdar(1992)和Vedula和Kumar(1996)建立了簡化的動態隨機規劃模型來*小化干旱條件下的糧食減產；Ponnambalam和Adams(1996)用多級準優化動態模型來優化多個水庫的調度；Babu等（1996)提出了嚴格經濟優化方法的數學方程；McKinney和Cai(1996)和McKinney等（1997)建立了水文的政策分析工具並應用於流域尺度的水資源配置決策。

模擬模型一般用來回答“如果這樣，將會怎樣（whatif)”這類問題。模擬模型的基本原理是對實際物理過程進行抽像模擬，構建過程模型，分析不同邊界條件下的繫統輸出。模擬模型根據預先設定的管理水資源配置和基礎設施操作的規則（實際上是水文規則）對流域（區域）的水資源利用進行模擬。模擬模型建模相對簡單、方便，不用考慮優化算法的約束，因此在實際工作中廣泛應用。但模擬模型的缺點是無法直接給出問題的**解決方案，需求模型使用者根據經驗或其他方式來構建不同的情景，通過情景的模擬和分析，來選取一個相對較好的方案。我們經常使用的降雨-產流模型、地表-地下水模型、水質運移模型等，都屬於一般意義上的模擬模型。國際上具有代表意義的模擬模型主要包括：

流域徑流模擬模型’如Aquatool模型。

流域水質模擬模型，如美國環境保護中心（EPA)的Enhancedstreamwaterqualitymodel(QUAL2E)。

流域水權模擬模型，如TexasA&MUniversitywaterrightsanalysispackage(TAMUWRAP)模型模擬了美國西部的立法水權情況下，水文徑流、水庫操作和鹽分轉移等。

綜合流域模擬模型，如IRAS(interactiveriver-aquifersimulation)；TVA(tennesseevalleyauthority’s)；TERRA(environmentandriverresourceaid)；Waterwaremodel;SHE(Europeanhydrologicalsystem)；MikeSHE(DHI1995)。

優化方法和模擬方法各有特點，在實際的繫統分析中，經常將兩者聯合使用。一般來講，可以先用優化方法尋找簡化條件下的繫統**設計或者管理方案，然後再用模擬模型對這些備選方案的過程細節進行模擬，校核其合理性和執行效果。

1.2.2組合模型方法與整體模型方法

在建模方法上，一般可以分為組合模型方法和整體模型方法。流域（區域）水資源配置模型必須能夠分析水資源配置決策中的環境和經濟後果，包括流域尺度的和地區尺度的。水文過程的範圍應該包括從單個水庫到多個水庫，從單個的水面和地下水繫統到聯合繫統，從土壤剖面到田間作物，這是理解和描述流域尺度的水量守恆的重要前提。同時，對政策前景的描述需要將現實世界中的各種關繫整合到一個綜合的流域模型（體繫）框架中。這就是說，流域（區域）尺度的水文、環境、經濟和制度關繫可以被整合到一個綜合的模型（體繫）框架中，這樣為產生更好的可持續發展後果而設計的各種邊界條件就可以在這個尺度應用和評估。

在已經進行或正在進行的研究中，基本上有兩種方法構建這樣的綜合模型：組合模型方法和整體模型方法。組合模型中的各部分隻是松散的連接，即隻是通過結果數據的傳輸實現連接。每個子模型都可以非常復雜，但是各部分之間由於是松散連接而導致整體分析十分困難。

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