水资源规划及利用(18)

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1、水资源规划及利用,沈阳农业大学 水资源规划及利用课程组,Integrated water resources planning,第十八讲,本讲主要内容：,第九章 水资源评价及规划概述,第五节 水资源规划的技术方法,水资源本质上具有多种功能和多种用途。随着社会经济的发展和人们认识的深入，水资源规划的目标、任务逐渐由单一性向多样化和系统性转变。,相应地，对规划技术方法也提出了更高的要求，客观上促进了系统科学在水资源研究领域的应用；而水资源系统分析的发展和完善，又反过来推动了水资源多目标规划的发展，为其提供了良好的技术支持。因此，这一节将主要介绍水资源系统分析的基础理论、模型及在水资源规划中的应用。

2、,一、水资源系统分析的基础理论 水资源系统是一个涉及多发展目标、多构成和影响因素、多约束条件的复杂巨系统。从系统结构上看，水资源系统是由多种要素、多层次子系统构成的。组成水资源系统的子系统既有自然系统又有人工系统，因此水资源系统同时具有自然和社会的双重属性。,一、水资源系统分析的基础理论流域或区域水资源系统通常都包含了许多更小的流域（或区域）水资源子系统，在更大的范围内又是国民经济大系统中资源系统的一个分系统。,水资源是这个系统中最主要的组成要素，水资源内部可以分为地表水、地下水、大气水等不同形式，存在水量与水质两大问题。水资源系统的功能也呈现出多样性，可以概括为兴利和除害两大功能.,兴利功能

3、包括供水、灌溉、发电、旅游、航运、养殖等多种形式；除害功能也包括防洪、除涝、改良盐碱地、改善环境、保护生态等多种形式。水资源规划管理正是通过调整、改变水资源系统的结构，使系统整体功能得以优化。,二、水资源系统分析的数学模型数学模型的建立和求解是水资源系统分析中最重要的技术环节，属于系统科学体系中技术科学层次的运筹学范畴，是采用数学语言来抽象描述真实的水资源系统，以便对系统的目标、结构、功能等特征量进行定量分析。,按照不同的分类标准，数学模型可以分为多种类型。 如按所用的方法可分为模拟模型和最优化模型； 按时间因素是否作为变量考虑可分为静态模型和动态模型； 按未来水文情况是已知或作为未知随机因素

4、可分为确定性模型和随机模型等。 最常用的还是分为模拟模型和优化模型两大类。,模拟模型就是模仿系统的真实情况而建立的模型。在水资源系统分析研究中可以仿造水资源系统的实际情况，利用计算机模型（或称模拟程序）模仿水资源系统的各种活动，如水文循环过程、洪水过程、水资源分配、利用途径等，为决策提供依据。 最优化模型常用于对于给定规划目标，寻找实现目标的最优途径的水资源规划管理。在水资源规划管理中，最优化模型可以帮助人们定量选择或确定水资源系统开发方案、管理策略。,（一）模拟模型和最优化模型,水资源规划中常用的最优化模型有线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型、多目标划模型等。这里将对这几种模型做简单

5、介绍，至于详细的建模方法和计算方法可查阅有关“运筹学”书籍。,（二）常用最优化模型简介,1.线性规划模型 线性规划模型包括目标函数和约束条件两大部分，作用是在满足给定的约束条件下使决策目标达到最优。其一般形式为： 目标函数： max（min）Z = 约束条件： 0 ;,线性规划模型最重要的特点就是目标函数和约束条件的方程必须是线性的，如果其中任何一个方程不是线性的，则该模型就不是线性规划模型，而属于运筹学的另一分支，即非线性规划。,线性规划的理论已十分成熟，具有统一且简单的求解方法，即单纯形法，使线性规划模型易于推广和使用。但线性规划模型的目标函数是单一的，只能解决简单的单目标问题，如果实际问

6、题过于复杂，存在多目标甚至目标间相互矛盾，则运用线性规划模型存在一定的局限。,非线性规划模型也是由目标函数和约束条件两大部分组成，但其目标函数和（或）约束条件的方程中含有非线性函数。,2.非线性规划模型,与线性规划相比，非线性规划模型的优势在于能够更准确地反映真实系统的性质和特点。水资源系统是多要素、多层次的复杂巨系统，要素间、层次间的关系通常都不是简单的线性关系，而是非线性的，甚至模糊的、不确定的。因此，非线性规划模型在水资源系统分析中得到了越来越广泛的应用。但非线性规划模型比线性规划模型要复杂得多，既没有统一的数学形式，也没有通用的求解方法。,动态规划模型是解决多阶段决策过程最优化问题的一

7、种方法。其基本思路是将一个复杂的系统分析问题分解为一个多阶段的决策过程，并按一定顺序或时序从第一阶段开始，逐次求出每阶段的最优决策，经历各阶段而求得整个系统的最优策略。,3.动态规划模型,动态规划模型的基本原理是R.Bellman于20世纪50年代提出的最优化原理。作为整个过程的最优策略具有这样的性质：不管该最优策略上某状态以前的状态和决策如何，对该状态而言，余下的诸决策必定构成最优子策略。即最优策略的任一后部子策略都是最优的。,3.动态规划模型,动态规划模型对目标函数和约束条件的函数形式限制较宽，并且能够通过分级处理使一个多变量复杂的高维问题化为求解多个单变量问题或较简单的低维问题，因而在水

8、资源系统分析中应用十分广泛。,但动态规划模型也存在一定的局限性，它只是解决问题的一种方法，不像线性规划那样有一套标准的算法，对于不同的问题，需要建立不同的递推方程和算法，在使用中带来了很多不便。,随着水资源规划尤其是流域综合规划内容的不断丰富，规划目标逐渐多样化，形成了一个涉及经济目标、社会目标和生态环境目标三方面、多层次、多指标的目标体系。,4.多目标规划模型,在技术方法上，多目标规划模型应运而生。多目标规划模型也由决策变量、目标函数和约束条件构成，最大的特点是其目标函数包含两个或两个以上相互独立的目标。,4.多目标规划模型,多目标规划模型的一般数学形式为： 目标函数： maxZ（X）Z1（

9、X），Z2（X），Zp（X） 约束条件： gi（X）Gi i1，2，mXj 0 j1，2，n,在水资源规划中，不同的规划目标可能不可共存，或有的目标难以量化，甚至目标间可能存在矛盾，因此，多目标规划模型不能得到传统模型中的明确的最优解，而只能求得若干“非劣解”，组成非劣解集。所谓非劣解是指没有一个目标能够变得更好，除非使其他目标已达到的水平降低。,多目标规划模型的求解方法可以归纳为三大类：第一类是TC曲线（转换曲线）生成技术，包括权重法、约束法、多准则（或多目标）单纯形法及理论生成法、自适应寻查法、协调规划法；第二类是依赖于事先排定优先顺序的方法，包括目标规划、效用函数估价和最优权重法、消转法

10、、替换价值交换法；第三类是优先性逐步排定的方法，有分步法、序贯多目标问题解法及其他各种对话式方法。,水资源优化配置方案，是在分析规划流域（或区域）水资源条件、了解经济发展现状、预测未来发展趋势的基础上，通过建立水资源优化配置模型而制定的。,三、多目标规划法在水资源优化配置中的应用,水资源优化配置具有多种目标和多个约束条件，因此可以采用多目标规划法来建立模型。 （一）划分区域、确定水源和用水部门 （二）建立目标函数 （三）建立约束条件,三、多目标规划法在水资源优化配置中的应用,以上目标函数和约束条件构成了一个基本的水资源优化配置多目标模型，求解方法有权重法、约束法、目标规划法等多种，更详细的介绍

11、可参阅运筹学的相关书籍。,第六节 水资源规划工作的流程及要求,一、水资源规划工作流程与主要内容水资源规划的步骤，也因研究区域的不同、水资源功能侧重点的不同、所属行业的不同以及规划目标的高低不同，有所差异。但基本程序类似，概括如下:,二、规划成果要求 水资源规划是一项复杂的工作，涉及面比较广。特别是，面向可持续发展的水资源规划要密切联系社会经济发展、生态环境问题等内容，需要把它们结合在一起来研究。一方面，增加了研究工作的难度；另一方面，增加了研究工作的内容，并对水资源规划成果提出了更高的要求。 本节以可持续发展的思想为指导，依据现有的水资源规划条例和经验，对水资源规划的工作内容及成果要求加以介绍

12、。,（一）区划工作 区域划分，又常称为“区划工作”，是水资源规划的前期准备工作，也是十分重要的一项工作，同时也是水资源规划的成果之一。 区划工作的目的，是将繁杂的规划问题化整为零，逐块研究，避免由于规划区过大而掩盖水资源分布不均、利用程度差异的矛盾，影响规划成果。（二）水资源评价（三）水资源开发利用现状分析（四）水资源供需分析（五）水资源优化配置研究（六）水资源规划实施对策,第七节 流域水资源综合利用规划及专项规划,流域是水资源自然形成的基本单元，在流域范围内对水资源实行统一规划和管理已成为目前国际公认的科学原则；多目标的综合规划几乎涉及水资源开发、利用、治理、配置、节约、保护等各个方面，能够

13、比较全面、系统地反映水资源规划管理所面对的问题和所包含的内容，具有较强的代表性。,一、制定规划目标阶段 制定规划目标是水资源规划管理的两大核心任务之一，是展开后续工作的基础和依据。这一阶段还包括搜集整理资料和水资源区划等前期工作。 （一）搜集整理资料 （二）水资源区划 （三）制定规划目标,二、分析差距、找出问题阶段本阶段的主要任务和内容是评价规划流域的水资源条件、水资源开发利用现状，预测流域未来的水资源供需状况，对无规划状态下系统发展变化的趋势与规划希望达到的目标之间进行比较，找出差距和需要解决的主要问题，进而分析目标的可行性，看是否需要进行修改，并为下一步制定规划方案奠定基础。,1水资源评价

14、 2水资源开发利用现状分析 3水资源供求预测和评价 4水资源承载力研究,水资源承载力是指在一定区域或流域范围内，在一定的发展模式和生产条件下，当地水资源在满足既定生态环境目标的前提下，能够持续供养的具有一定生活质量的人口数量，或能够支持的社会经济发展规模。 水资源承载力的主体是水资源，客体是人口数量和社会经济发展规模，同时维持生态系统良性循环是基本前提。 因此，水资源承载力是联系水资源系统、生态环境系统和社会经济系统的一个重要概念，对流域水资源承载力进行计算和评估是流域水资源综合规划中必要的基础性工作。,三、制定和选择规划方案阶段 制定和选择规划方案是水资源规划的又一核心任务，是寻找解决问题的

15、具体措施以实现目标的关键环节，具体包括方案制定、方案综合评价和最终方案选择等工作。 1方案制定 规划方案就是在既定条件下能够解决问题、实现规划目标的一系列措施的组合。在流域水资源规划中常常需要制定多个可能的规划方案，但规划方案并不是越多越好，方案数量取决于规划性质、要求和掌握的资料等因素。,2方案综合评价 对已制定的不同方案，要采用一定的技术方法进行计算和综合评价，全面衡量各方案的利弊，为选择最终方案提供参考。评价内容主要包括以下各项（翁文斌等，2003）。 目标满足程度 效益指标评价 合理性检验,3确定最终方案 经过综合分析和评价，在充分比较各待选方案利弊的基础上确定最终规划方案。由于流域综

16、合规划的多目标性，各方案之间的优劣不能简单判别，比如A方案在满足经济目标方面优于其他方案，但在满足社会目标或生态环境目标方面可能劣于其他某些方案，这就使得该方案的取舍十分困难。,因此，确定最终方案的过程是一个带有一定主观性的综合决策过程，定量化计算评价的结果只能作为筛选方案的依据之一，决策者的价值取向、对问题的特定看法、政治上的权衡等都会对结果产生很大的影响。 值得一提的是，在水资源日益紧缺、生态环境受到的干扰日益加大的形势下，选择一个对生态环境不利影响最小的方案是明智的,四、成果审查与实施阶段 这是水资源规划管理的最后一个阶段，直接关系到整个规划管理工作的实际成效，包括规划成果审查、安排详细的实施计划、提供保障条件以及跟踪检验等工作。 编制完成的规划，应按照一定的程序递交管理部门进行审查。经过审查批准的规划才具备法律效力，能够真正指导实际工作；如果审查中发现了问题，提出了意见，就要做进一步的修改。,规划的顺利实施需要一定的外部保障条件，包括健全相关的法规和配套规章制度、加强政府的组织指导和协调工作、明晰各部门的责任、保证资金投入、加强宣传教育、鼓励公众参与等。,