水資源合理配置方法分析

朱厚華，仇亞琴，吳彩麗

（1.水利部水資源管理中心，北京 100053；2.中國水利水電科學研究院，北京 100044）

水資源合理配置方法分析

朱厚華1，2，仇亞琴2，吳彩麗2

（1.水利部水資源管理中心，北京 100053；2.中國水利水電科學研究院，北京 100044）

水資源短缺和用水的競爭性問題的日益突出，全球性的水危機不斷涌現，使水資源合理配置逐步成為水資源領域的研究熱點。論述了水資源合理配置的全過程，闡述了水資源合理配置的內容、基礎和形式，水資源配置的核心是考慮各種相關因素下的水資源供需平衡分析、需要以社會經濟現狀和未來發展規劃資料、流域或區域的水資源調查評價及其開發利用評價為基礎，對水資源的質、量、空間和時間進行配置。還分析了水資源配置目標、配置方案及方案決策，把水資源相關因素表達為向量最優化形式，構建配置模型，為決策者提供協商對話的基礎，使決策更具有普遍性和公平合理性。

水資源；合理配置；生態環境；配置方法

水資源合理配置是一個龐大的系統工程，是滿足國民經濟和人類生存對水資源的需求，實現水資源的社會、經濟和生態綜合效益最大化的基礎工作。它不僅涉及自然科學領域的一些學科知識，如水資源、水文、環境生態、系統分析和計算機模擬技術等，更重要的是還需要社會科學知識，如經濟、法律、決策、行為等學科。水資源的合理配置須以水資源的可持續性、有效性、公平性、系統性等原則的指導下，不僅要滿足國民經濟和人類生存的需求，還要給人類生存生態環境提供支撐與保障，實現水資源的社會、經濟和生態綜合效益最大化，實現社會、經濟和生態環境的和諧發展［1－2］。

1 水資源合理配置內容

資源合理配置是對有限的資源進行科學有效的配置和使用。水資源合理配置的任務是根據特定地域水資源生態系統的自然和社會狀況，采用科學技術方法和合理的管理體制對水資源開發利用和水患防治系統進行改造、規劃、設計、組合和布局的安排與管理，以達到可持續發展的要求和水資源持續利用的目的［3］。它不是一項獨立的工作，脫離了作為其基礎的其他相關工作，即使有再好的配置方法和手段，其結果也是不可靠的。水資源配置的核心就是要完成考慮具體情況下各種相關因素下的水資源供需平衡分析，需要進行需水預測、供水及水資源開發利用潛力的分析、節約用水和水資源保護的分析［4］。

2 水資源配置基礎

綜合水資源系統中經濟、生態和水資源3個子系統的相互關系，水資源配置需要以社會經濟現狀和未來發展規劃資料、流域或區域的水資源調查評價及其開發利用評價為基礎［4］。認識水資源時空分布規律，特別是要對在人類活動影響下水資源演化規律做出評價，對未來條件下水資源的數量和質量的可能變化情形分析。

具體而言，就是利用流域或區域的水文、泥沙、氣象、水環境、生態等基礎資料，分析不同形式的水資源轉換演變規律以及人類活動對水資源的數量、質量的影響。在水資源開發利用調查評價方面要分析供水水資源狀況以及變化趨勢，供水總量、結構、分布及變化趨勢，還包括用水量、用水結構、用水水質、耗水量和耗水率以及用水效率，以及相應農業灌溉回歸水量和工業、生活廢污水排放量等指標［1］，盡可能分析水資源利用過程的各個環節。

3 水資源配置形式

以水資源利用為主體的生態經濟系統，像其他大系統一樣，也具有質和量的規定性。質的規定性把不同性質的系統區分開；量的規定性把同質的系統區分開若干子系統。水資源系統的運動離不開時間和空間，因此水資源系統的配置要素表現在質、量、空間和時間4種基本形式［3］。水資源配置需要完成水量、水質以及時間和空間上的配置。

3.1 量的配置

水量是水資源配置的基本形式，體現在水資源的供需平衡。水資源配置的水源包括地表水、地下水、再生水、微咸水、海水、外調水等，需要協調多種供水水源，提高供水總量和供水保證率。

3.2 質的配置

根據用水戶對水質的不同要求，按原生水、中水、再生水等分質配水。分質供水需在采用工程手段實現水資源合理配置的同時，輔之以法規政策、經濟、科技、行政等方面的非工程措施［4］。

3.3 時間的配置

水資源在年內、年際之間的變化是非均勻的，并有一定的隨機性。天然來水與用水過程上有時不同步，這就要水資源開發與水患防治相結合，通過攔蓄、存儲和調節、控制水等優化調度措施實現水資源在時間上的合理配置。

3.4 空間的配置

水資源的空間配置雖然主要決定與地域的天然條件和分布規律，但可以通過科學技術和工程措施改變自然之間的天然差別，創造新的條件，促進水資源地域轉移，形成新的布局。水資源的配置和大規模布局是在一定自然環境和經濟環境下實現的，它既可促進生態環境改善，也可破壞自然環境［3］，因此要根據國民經濟布局、供水水源和缺水狀況，合理確定供水范圍，使水資源在空間上提高水資源與經濟發展和生態保護之間的協調程度。

4 水資源配置目標

資源合理配置的目標有2種表達方式，一種是使有限的資源產生最大的效益；另一種是為取得預定的效益盡可能少地消耗資源。第一種方式要求在一定的資源條件下，通過對各種資源的合理安排、組合，以追求產出的效益最大化；第二種方式在既定的目標下，如何合理地組織、安排資源使用，使總的資源成本最小［5］。

水資源通過合理配置，協調各地區以及各用水部門間的利益矛盾，提高區域整體的用水效率和效益，實現水資源的社會、經濟和生態綜合效益最大是水資源合理配置的目標［2］。水資源合理配置的目標顯然不是一個單純的簡單優化問題，它涉及到社會、經濟和生態以及一些很難確切量化的問題，另外水資源系統經常受到隨機事件和隨機因素的影響。因此，傳統的基于單目標的水資源合理配置的分析方法已經不適合當今的要求［6］。從系統科學的觀點看，水資源持續利用的實現，就是水資源－生態環境－社會經濟復合系統持續發展功能的體現。馮尚友（1997）提出水資源生態經濟復合系統理論，給出了可持續框架下水資源利用系統的總體控制目標，其采用社會、經濟和環境效益的綜合效益最大來表示：

式中：x為n維向量的控制（決策）變量；E，S，R分別表示經濟效益、社會效益和環境效益；Z，t為系統占有的空間和時間，在具體區域和時間確定時，均為常數；G為對系統起制約作用的約束條件集，如水的承載力、環境容量和其它社會約束條件等；xj為控制向量的非負條件［3］。

隨著數學規劃理論和電子計算機的普及，多目標問題漸漸應用于水資源合理配置中，其主要目標包括：國家經濟發展目標，尋求通過投資來增加國家收入，以獲得最大的經濟效益；區域經濟發展目標，是以獲得地區性的經濟效益最大為目標；環境質量目標，是以提高環境質量水平為目標，它包括旅游資源、生態系統平衡的保護和改善，水土和空氣質量的提高等；社會福利目標，包括就業、人口控制、文化教育和安全等內容。這些目標往往相互矛盾和制約，因此目標必須反映短期、中期和長期各不同目標值，各用水部門的利害關系，生態系統平衡狀況和環境質量的變化，政策、體制、經濟、環境的約束和控制等［6］。這樣就可以把水資源問題表達為向量最優化形式，其模型結構為：

目標函數

約束條件

式中：X為決策向量，X＝［X1，X2，…，Xn］；Z（X）為p個獨立的目標Zp（X）組成的目標向量。向量最優化模型是表達多目標問題的簡潔方法［1，6］。

水資源配置的最終目的是實現水資源利用的可持續性發展，從供水效益角度分析以可持續發展原則下的供水效益最大為目標，可表示為

式中：t為時間或時代；R為考慮用水在地區間和不同收入者間的公平系數或公平性權重；f為用水效益函數；C為用水效益系數；X為用水量。這是對“可持續原則實際上是代際間水資源利用的公平性，其要求年代的水資源利用權利和效益不能衰減”的數學描述。即

由于目標的增加，特別是環境質量、社會福利等目標的增加，使多目標問題較傳統的單一目標規劃問題復雜得多，特別是環境質量、社會福利還沒有標準有效的方法可循［2，6］，難以確切合理量化，因此多目標規劃，目前還沒有廣泛應用到水資源合理配置中去。

5 水資源配置方案

水資源配置方案擬定目的是在可行條件下提出水資源合理配置方案集，從而得到解決問題的具體措施和綜合方案。在水資源及其開發利用調查評價成果的基礎上，分析未來水資源開發利用的可能潛力以及最小的生態環境需水要求，以各類合理抑制需求、有效增加供水、積極保護生態環境等措施的組合為分析方案，根據公平、高效和可持續的原則對各種分析方案的結果及其影響進行分析比較，提出水資源合理配置的推薦方案。水資源合理配置方案的擬定需要進行供水預測、水資源保護、需水預測、節水潛力分析和社會經濟發展目標分析等內容，在此基礎上通過各個部分的相互關聯和動態反饋，以不同方式的組合得到水資源配置方案集，通過多方案的分析比較和合理性評價得到水資源配置的技術推薦方案［7］。

在方案集可行域內，針對水資源供需矛盾等問題，結合現實可能的投資狀況，以方案集的下限為基礎，逐漸加大投入，逐次增加邊際成本最小的供水與節水措施，提出具有代表性、方向性的方案，形成水資源供需分析計算方案集。依據流域或區域的社會、經濟、生態、環境等方面的具體情況有針對性地選取增大供水、加強節水等各種措施組合設置方案，考慮各種可能獲得的不同投資水平，在每種投資水平下根據不同側重點的措施組合得到不同方案［6］。

6 水資源配置方案決策

水資源配置的決策涉及到中央、地方多個決策層次，部門、地區多個決策主體，近期、遠期多個決策時段，社會經濟、生態環境多個決策目標，還涉及水資源的自然、社會、經濟、生態等內在屬性，以及水文、工程、水量、水質、投資等多類約束條件，是一個高度復雜的多階段、多層次、多目標、多決策主體的風險決策問題，處理如此復雜的決策的理論方法尚不多見。合理配置的決策方法可以從簡化決策入手，把復雜問題逐級化簡，再將處理簡單問題的方法復合起來形成處理復雜問題的有效方法，即將多層次決策問題分解為單層次問題，將多決策者問題通過合理綜合歸納歸結為單決策者問題，將多目標決策問題轉化為單目標決策問題，這樣就把一個復雜問題逐步簡化為簡單決策問題［2］。

決策備選方案是水資源配置的多層次、多決策者和多目標決策過程中的關鍵。在完成方案水資源供需分析的基礎上，得出各方案的相應投入及預期效果，分析存在的主要問題，對擬定的方案集進行方案比選，提出推薦方案。對選擇的推薦方案再進行必要的修改完善和詳細模擬，確定多種水源在區域間和用水部門之間的調配，提出分區的水資源開發、利用、治理、節約和保護的重點、方向及其合理的組合等［6］。

水資源合理配置模型可以提供對各種方案的利弊關系以及區域間的相互關系及其影響進行定量分析、比較和評判的技術平臺，通過發展模式度量指標體系和方案度量體系，對不同層次之間發展指標的不協調性以及同一層次不同發展目標之間的不協調性進行量化評價，從而為多決策者提供了進行協商對話的基礎，使決策更具有普遍性和公平合理性。

7 結 論

水資源合理配置是一個龐大的系統工程，是滿足國民經濟和人類生存對水資源的需求，實現水資源的社會、經濟和生態綜合效益最大化的基礎工作。

水資源配置形式上是對水資源質、量、空間和時間的配置，配置基礎是水資源自然屬性現狀和經濟社會發展需求，配置核心是配置方案的設定和比選，配置技術方法是系統模擬和決策系統分析，配置工具是水資源配置模型。水資源配置模型可為水資源配置提供了決策技術平臺，通過模擬可充分反映水資源自然水循環和社會水循環的內在聯系，提供產生方案、比較方案和評價方案的功能，因此建立符合配置區域內實際、滿足配置目標要求的配置模型是實現水資源配置整個過程的關鍵所在。

［1］ 翁文斌，王忠靜，趙建世.現代水資源規劃——理論，方法和技術［M］.北京：清華大學出版社，2004.（WENGWen-bin，WANG Zhong-jing，ZHAO Jian-shi.Modern Water Resources Planning：Theory，Method and Technology［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004.（in Chinese））

［2］ 王 浩，王 林.水資源配置理論與方法探討［J］.水利規劃與設計，2004，（3）：50－56.（WANG Hao，WANG Lin.Research on the Theory and Method ofWater Resources Allocation［J］.Water Resources Planning and Design，2004，（3）：50－56.（in Chinese））

［3］ 馮尚友.水資源持續利用與管理導論［M］.北京：中國科學技術出版社，2004.（FENG Shang-you.Water Resource Sustainable Utilization and Management［M］.Beijing：China Science and Technology Press，2004.（in Chinese））

［4］ 游進軍.水資源系統模擬理論與實踐［D］.北京：中國水利水電科學研究院，2005.（YOU Jin-jun.Simulation of Water Resources System：Theory and Practice［D］.Beijing：China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2005.（in Chinese））

［5］ 甘 泓.水資源合理配置理論與實踐研究［D］.北京：中國水利水電科學研究院，2000.（GAN Hong.Theory and Practice ofWater Resources Rational Allocation［D］.Beijing：China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2000.（in Chinese））

［6］ 水利部水利水電規劃設計總院.全國水資源綜合規劃技術細則［R］.北京：水利部水利水電規劃設計總院，2002.（Water Resources and Hydropower Planning and Design Institute.The National Integrated Planning ofWater Resources Technical Regulation［R］.Beijing：Water Resources and Hydropower Planning and Design Institute，2002.（in Chinese））

［7］ 李原園，酈建強，秦福興.科學分析水資源規律合理制定水資源配置方案［J］.水利規劃與設計，2004，（3）：10－13.（LI Yuan-yuan，LI Jian-qiang，QIN Fu-xing.Water Resources Allocation Plan Based on Analysis of the Rules of Water Resources Reasonable Development［J］.Water Resources Planning and Design，2004，（3）：10－13.（in Chinese） ）

（編輯：趙衛兵）

Approaches of Reasonable Allocation of W ater Resources

ZHU Hou-hua1，2，QIU Ya-qin2，WU Cai-li2
（1.Water Resources Management Center，Ministry ofWater Resources，Beijing 100053，China；2.China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100044，China）

Reasonable allocation is becoming a research focus in the field of water resources.The authors discuss the whole course of reasonable allocation of water resources by expounding the content，foundation，and approaches.The key point ofwater resources reasonable allocation is to analyze the balance between supply and demand ofwater resources.In line with social economy and development plan，water resources are allocated from various aspects including quality，quantity，space，and time.We also analyze the target，scheme，and decision-making of water resources reasonable allocation，express related factors as optimized vectors，and establish an allocationmodel tomake a general and reasonable decision.

water resources；reasonable allocation；eco-environment；allocation approach

TV213.4

A

1001－5485（2012）09－0001－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.001

2011－06－21；

2011－09－22

國家自然科學基金重點項目（50939006）；國家自然科學基金創新研究群體基金項目（50721006）

朱厚華（1978－），男，山東聊城人，博士研究生，主要從事水文水資源方面的研究，（電話）010－63204472（電子信箱）zhh＠mwr.gov.cn。