《论水资源承载能力与水资源优化配置》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论水资源承载能力与水资源优化配置（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、提交论文，请严格按照下面模板！注意字间距、行间距、页边距、字体提交论文时，此框需要删除！论水资源承载能力与水资源优化配置之间的关系左其亭郑州大学环境与水利学院 河南郑州450002摘要本文在简单介绍水资源承载能力和水资源优化配置概念的基础上，阐述了二者之间的 关系。二者既有区别又有联系，水资源优化配置是通过建立优化模型来选择水资源配置方案; 水资源承载能力是计算得到的水资源对社会经济最大支撑规模，也可以通过优化模型来计算;水资源承载能力可以作为水资源优化配置模型的约束条件。本文把水资源优化配置模型分为 三个层次，即不承载条件下的水资源优化配置模型、承载条件下的水资源优化配置模型、面 向可持续发
2、展的水资源优化配置模型；给出各层次模型表达式，并对其进行比较。最后以郑 州市为例，介绍各层次模型的应用意义。关键词 水资源承载能力，水资源优化配置，优化模型，可持续发展1引言水是人类不可缺少的一种宝贵资源，任何有生命的生物不可能离开水。然而，随着社会 经济的发展，人类对水的需求量不断增加，水资源问题日益突出，严重制约着人类社会和经 济的发展，迫使水资源学术界不得不思考：在特定区域，到底水资源能承受多大的社会经济 规模？有限的水资源如何科学合理地分配？回答这些问题涉及到水资源承载能力研究和水资 源优化配置研究两方面问题，对水资源规划、管理和保证水资源可持续利用有重要指导意义。水资源承载能力的概念
3、，最早源自于生态学中的“承载能力”一词，是自然资源承 载能力的一部分1。其研究的主体是资源与环境系统，客体是人类或更广泛的生物群体。近年 来，我国不少学者对水资源承载能力的概念及计算方法进行深入探讨234。尽管对水资源承 载能力的定义在表述上各有不同，但其表达的基本观点和思路并无本质差异，都强调了 “水 资源支撑能力”的含义。可以把“水资源承载能力”简单定义为：“一定区域、一定时段，维基金项目：水资源与水电工程科学国家重点实验室开放研究基金(2003B007 X河南省杰出青年科学基金 (512002500)第一作者简介：左其亭(1967-),男，河南固始人工学博士，教授，水文学及水资源专业。E
4、mail: zuoqt介 系生态系统良性循环，水资源系统支撑社会经济发展的最大规模”。因此，在实际应用时，求 解水资源承载能力可以通过建立优化模型来实现。对水资源优化配置的研究始于20世纪60年代初期，1960年科罗拉多几所大学对计划需 水量的估算及满足未来需水量的途径进行研讨，体现了水资源优化配置的思想5后来，随着 数学、运筹学和计算机技术的发展以及水资源供需矛盾日益突出，水资源优化配置理论及应 用研究得到迅速发展，国内外已有大量研究成果（如56789）。水资源优化配置实 际上就是“运用系统工程理论方法，建立水资源优化配置模型，以此制定水资源配置方案。国内外关于水资源优化配置和水资源承载能力
5、的研究已有大量文献，但是，在水资源承 载能力和水资源优化配置的联系方面论述还不多见，多数是在水资源优化配置模型中包含水 资源承载能力约束，或者在水资源承载能力计算时采用优化模型方法。在实际应用上，需要 弄清楚二者之间的联系，得出更加切合实际的水资源规划和管理决策。本文主要目标是，（1）阐述水资源承载能力和水资源优化配置之间的联系；（2）分别介 绍“不承载条件下”、“承载条件下”和“面向可持续发展”的水资源优化配置模型，给出各 层次模型表达式，并对各层次模型进行比较；（3）以郑州市为例，介绍各层次模型的应用情 况，并对郑州市水资源承载能力计算结果和水资源优化配置计算结果进行分析。2水资源优化配置
6、与水资源承载能力之间的关系水资源优化配置模型，实际上就是针对水资源配置问题，应用系统优化技术建立的优化 模型。仅从建立的模型来看，它只是一个优化模型。从建立的优化模型来分类，可以把水资 源优化配置分为多目标优化模型和单目标优化模型。但是，从模型反映的水资源配置思路可能会有很大差异。从传统水资源优化配置来说， 尽管还没有提到可持续发展的观念，但它同样用到水资源优化配置模型。这时建立的水资源 优化配置模型可能是低级的、考虑因素不全，不能全面反映综合效益最大的目标。虽然如此， 它建立的配置模型也是水资源优化配置模型。随着水资源承载能力概念的提出，如果在水资源优化配置模型中加入“水资源承载能力 条件”
7、约束方程，这时建立的水资源优化配置模型就是满足“水资源承载能力”条件的水资 源优化配置模型。比没有考虑“水资源承载能力”条件的传统水资源优化配置模型在观念上 更先进一步。由于“可承载”条件仅仅是可持续发展准则的一个方面，满足“可承载”条件还不能保 证满足可持续发展所有准则。因此，如果在水资源优化配置中体现可持续发展准则，就要建 立满足“可持续发展”条件的水资源优化配置模型。比仅考虑“水资源承载能力”条件的优 化配置模型在观念上又先进一步。从以上分析可以看出：（1）水资源优化配置模型仅仅是针对水资源配置问题建立的优化 模型，它会因反映问题的不同、所持观念的不同、考虑因素的不同，建立不同类型、不同
8、层 次的优化模型；（2）水资源优化配置模型可能是一个简单的一般优化模型，既不满足“水资 源承载能力条件”，也不满足“可持续发展”准则；也可能是满足“水资源承载能力条件”而 建立的“基于水资源承载能力的水资源优化配置模型”；也可能是满足“可持续发展准则”而 建立的“面向可持续发展的水资源优化配置模型”。因此，根据反映的水资源配置问题可以把水资源优化配置模型分为：“不承载条件下”、 “承载条件下”和“面向可持续发展”三个层次。在现实水资源研究中，这几种配置模型都 有可能会遇到。比如，对于许多城市现状水资源利用已经超越水资源承载能力的范围（如郑 州市），针对现状水平年建立的水资源优化配置模型只能是“
9、基于不承载条件的水资源优化配 置模型”。当然，对于某一规划水平年，由于条件的改善，要强迫满足水资源承载能力的要求， 这时建立的水资源优化配置模型是“基于承载条件的水资源优化配置模型”。如果把水资源可 持续利用纳入水资源研究中，这时建立的水资源优化配置模型是“面向可持续发展的水资源 优化配置模型”。3计算模型3.1优化模型在水资源承载能力和优化配置计算中的应用一般优化模型是由目标函数和约束条件组成，形式如下：Z = max尸（X）G（X） 0式中，X为决策向量；F（X）为综合效益函数；G（X）为约束条件集。在上述模型（式（1）中，如果含一个目标函数方程就是单目标优化模型，如果含多个 （两个或两个
10、以上）目标函数方程就是多目标优化模型。水资源优化配置需要建立类似式（1）的优化模型，通过优化模型的求解得到水资源配置 方案。关于这一内容的研究已有很多模型和应用成果（如67810）。在水资源承载能力定量计算方法中，目前大致有两大类方法：一类是，采用综合评价的 方法进行评价计算（如11）； 一类是，根据水资源承载能力概念建立优化模型，通过优化模 型求解得到（如4）。3.2基于不承载条件的水资源优化配模型也就是说，在水资源优化配置模型中，没有考虑水资源承载能力条件。它适用于“已经 不可能达到水资源承载能力范围的情况”。比如，对已经严重超出水资源承载能力范围的现状 年份，经过一定程度努力也不能满足水
11、资源承载能力条件的规划水平年份，在进行水资源优 化配置研究时，所建立的优化配置模型就是此类。这一模型就是针对水资源配置要求建立的一般优化模型，如上文介绍的式（1）形式。3.3基于承载条件的水资源优化配置模型也就是，在水资源优化配置模型中，考虑水资源承载能力条件，把水资源承载能力条件 方程作为约束方程，加入到优化模型中。它适用于“要求达到水资源承载能力范围的水资源 优化配置问题”，特别是研究现状水平年理想情况下或规划水平年满足水资源承载能力情况下 的水资源优化配置问题，需要建立此类模型。关于建立此类模型的方法，主要有两种途径：一是，把水资源承载能力模型作为优化配 置模型的子模型，直接纳入到优化模
12、型中；二是，把水资源承载能力计算结果作为边界条件， 再建立相关的约束方程，纳入到优化模型中。对于第一种途径，需要把建立的水资源承载能力模型方程放在一般水资源优化配置模型 （式（1）中。关于水资源承载能力计算模型已有多个文献做过介绍，作者曾提出一种“基 于模拟和优化的控制目标反推模型”方法（简称COIM模型方法），详见参考文献（412）。 COIM模型包括的主要方程如下（方程的详细介绍和说明此略）：（1 ）水资源循环转化关系方程（P+场+Q =E+匕+少地下水+少地表水+。出Q + QagainQW”+Wg+W +Ws+mWn/Wg +Wfe +4/ h+KWCons = Ei + Ea + E
13、l广 CRe t + QRe t（总水量平衡方程）（可利用水资源计算方程）（2）（可利用水资源分配方程）（水资源利用-消耗转化方程）（水资源利用后回归量计算方程）（水资源消耗量计算方程）地下潜水为地表式中，P为降水量；Q调为从区外调水总量；E为总蒸发量（包括降水、地表水体、 蒸发及植物蒸腾）；W为总消耗水量；AV地下水为地下水体蓄水量的变化量；AV地表水 水体蓄水量的变化量:飞入为区外流入本区的地水量；Q出为流出本区的水量；N为剩余的可 利用水资源量（剩余为正，不足为负）；Et为工业用水消耗水量；EA为农业用水消耗水量； El为生活用水消耗水量；WRet为总回归水量；QCan为可利用水资源量；
14、a为水资源可利用综 合系数；QSelf为水资源量；Q：为区外调水、来水总、可利用量；Qaan为污水资源化可利用水 资源量；Wnndu为工业用水量；WA,g为农业用水量；WL旅为生活用水量；W0thr为其它用水量; QRet为回归水中所含的水分；CR：为回归水中所含的污染物质。（2）污染物循环转化关系方程（以黑箱模型为例）Q C = QC + W - P （QC + W ）（3）式中，Q为控制断面径流量；C 控制J断面浓度；Q为排放的河流上游来水量；C为上游 断面来水浓度；W 为At时间内排放口排放的污染物总量；p为污染物综合消减率。1 WD（3 ）社会经济系统内部相互制约方程这一方程的建立有两
15、种途径：一是，以水资源作为纽带；二是，通过社会经济系统内部 需求作为纽带（左其亭等，2004）。统一简记作：SubMod （SESD）（4）（4 ）水资源承载程度指标约束方程(5)I = %CanI W 1 式中，W”,为总利用水资源量；I为水资源承载程度指标；其它符号同前。（5）生态系统良性循环控制目标方程Qm - C 5X C 0式中，W为污染物总量控制目标魅 C为控制断面浓度控制目标值；W为稀释或转化污染 物质C所需的水量；其它符号同前。CRe,对于第二种途径，是把水资源承载能力计算结果转化为约束条件，这就需要分析哪些是 需要约束才能保证满足水资源承载能力条件。主要可以考虑以下两方面：（1 ）社会经济规模的约束这是水资源承载能力计算结果直接表示的约束，要求配置区域的人口数、工业产值、农 业产值在可承载的范围之内，即小于等于最大承载能力指标。（2 ）主要控制目标方程有时为了进一步约束变量范围，可以根据实际情况，从水资源承载能力计算模型中选择 主要约束方程，加入到水资源优化配置模型中。比如，为了保证水环境质量在可接受的范围 之内，而建立的水环境约束方程。3.4面向可持续发展的水资源优化配模型是以可持续发展为目标建立的更高层次的优化配置模型。在该模型中要充分体现
