流域水资源优化配置

第六章　水资源优化配置

水资源优化配置是水资源可持续利用的重要内容，一直是提高水资源高效利用所需要讨论的议题，近几年来随我国北方部分城市严重缺水以及洪、涝、旱等灾害的不断出现，使得这一研究课题越来越受到社会各界的普遍关注。如何使水资源充分发挥作用，使之有利于人类社会发展成为了众多学者为之努力的方向。同时，合理开发利用水资源、实现水资源优化配置也是我国实施可持续发展战略的根本保障，有着重要的现实意义。不同学者也从不同的角度诠释了水资源配置的概念。

根据《全国水资源综合规划技术大纲》，水资源优化配置的定义是指在流域或特定的区域范围内，遵循高效、公平和可持续原则，通过各种工程与非工程措施，积极考虑市场经济规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种可利用的水资源在区域间和各用水部门间进行的调配。

左其亭等(2008)认为，水资源配置是指在流域或特定的区域内，遵循高效、公平与可持续利用的原则，通过各种工程与非工程措施，改变水资源的天然时空分布；遵循市场经济规律与资源配置准则，利用系统科学方法、决策理论与计算机模拟技术，通过合理抑制需求、有效增加供水与积极保护环境等手段和措施，对可利用的水资源在区域间与各用水部门间进行时空调控和合理配置，不断提高区域水资源的利用效益和效率。

董增川认为，水资源配置有广义和狭义之分。从广义上讲，水资源优化配置是在水资源开发利用过程中，对洪涝灾害、干旱缺水、水生态环境恶化等问题解决的统筹安排，实现除害兴利结合、防洪抗旱并举、开源节流并重，协调上下游、左右岸、干支流、城市与乡村、流域与区域、开发与保护、建设与管理、近期与远期各方面的关系。从狭义上讲，水资源优化配置主要是指水资源供给与需求之间关系的处理。

同时，水资源优化配置还具有整体性和水资源系统性两方面的含义。一方面，整体是系统的全部组分集合。系统整体性原理表明，整体性功能不同于或大于系统各组分功能之和。水资源系统是与生态环境、社会经济相耦合的水资源生态经济复合系统，是自然资源与人工系统相结合的复合系统。水资源是人类生产、生活及生命中不可代替的自然资源和环境资源，影响国民经济的发展，在一定的经济技术条件下，能够为社会直接利用或待利用。水资源持续利用系统应以流域或区域整体为单元，统筹单元内的水资源、生态环境、经济社会发展三者间关系和相互影响，使水资源为整体的持续发展服务。另一方面，水资源系统与人类社会和生态系统有密切关系，其中一个系统的变化，将会同时影响另外两个系统朝正负两个方向产生相应的变化。

第一节　水资源优化配置的目标及原则

一、水资源优化配置的目标

水资源优化配置要实现的效益最大化，是从社会、经济、生态三个方面来衡量的，是综合效益的最大化。从社会方面来说，要实现社会和谐，保障人民安居乐业，促使社会不断进步；从经济方面来说，要实现区域经济可持续发展，不断提高人民群众的生活水平；从生态方面来说，要实现生态系统的良性循环，保障良好的人居生存环境；总体上达到既能促进社会经济不断发展，又能维护良好生态环境的目标。水资源优化配置的最终目标就是实现水资源的可持续利用，保证社会经济、资源、生态环境的协调发展。

水资源优化配置的目标是协调水资源供需矛盾、保护生态环境、促进区域社会经济可持续发展，故水资源优化配置需要从以下三个方面来实现。

1)有效增加供水

通过工程措施，改变水资源的天然时空分布来适应生产力的布局。通过管理措施，提高水的分配效率特别是循环利用率和重复利用率，协调各项竞争性用水。通过其他措施，加强水利工程调度管理，提高水资源尤其是洪水资源的利用率。

2)合理抑制需求

提高水的利用效率，通过调整产业结构，采取节水型生产工艺、节水型一切设备，建设节水型经济和节水型社会等途径，抑制经济社会发展对水资源需求的增长，实现水资源需求的零增长或负增长。同时，用水效率反映了技术进步的程度、节水水平和节水潜力，它受到用水技术和管理水平的制约。

3)积极保护生态环境

为保持水资源和生态环境的可再生维持功能，在经济社会发展和生态环境保护之间应确定一个协调平衡点。这个平衡点需要满足两个条件：一是经济社会发展需求水资源产生的生态影响，以及由此导致的整体生态状况应当不低于现状水平(现状生态环境状况较差需要修复的除外)；二是生态与环境用水量必须满足天然生态和环境保护的基本要求，以维护生态系统结构的稳定。

二、水资源优化配置的原则

水资源配置是一个复杂的系统工程，涉及不同层次、不同用户、不同决策者、不同目标的不确定性问题，水资源配置的基本原则应基于这一特征。根据水资源配置的目标，水资源配置应当遵循资源高效性、可持续性和公平性的原则。

1)高效性原则

水是珍贵的有限资源，资源高效性原则是指水资源的高效利用，取得环境、经济和社会协调发展的最佳综合效益。水资源的高效利用不单纯是指经济上的高效性，它同时包括社会效益和环境效益，是针对能够使经济、社会与环境协调发展的综合利用效益而言的。

2)公平性原则

在我国，水资源所有权属于国家所有，即人人都是水资源的主人，在水资源使用权的分配上人人都有使用水的权利。水资源配置的公平性原则，还体现在社会各阶层间和区域间对水资源的合理分配利用上，并且水资源配置的目标也体现了公平性的原则。它要求不同区域(上下游、左右岸)之间协调发展，以及发展效益或资源利用效益在同一区域内社会各阶层中公平分配。例如家庭生活用水的公平分配是对所有家庭而言的，无论其是否有购水能力，都有使用水的基本权利；也可以依据收入水平采用不同的水价结构进行分水。

3)可持续性原则

水资源可持续发展是指为了能使水资源永续地利用下去，可持续性原则也可以理解为代际间水资源分配的公平性原则。对它的开发利用要有一定限度，必须保持在它的承受能力之内，以维持自然生态系统的更新能力和可持续地利用。它是以研究一定时期内全社会消耗的资源总量与后代能获得的资源量相比的合理性，反映水资源在度过其开发利用阶段、保护管理阶段和管理阶段后，步入的可持续利用阶段中最基本的原则。水资源优化配置作为水资源可持续理论在水资源领域的具体体现，应该重视人口、资源、生态环境以及社会经济的协调发展，以实现资源的充分、合理的利用，保证生态环境的良性循环，促进社会的持续健康发展。

第二节　水资源优化配置类型

水资源优化配置是保障水资源可持续利用的重要内容，根据问题的特点，水资源优化配置范围、对象和规模的不同，可将水资源优化配置划分为灌区、区域、流域和跨流域、城市水资源优化配置几种类型。

一、灌区水资源优化配置

利用系统理论与方法，以灌区经济效益最大或供水量之和最大为目标函数，以作物种植面积或各用水量为决策变量，建立多水源联合优化调配模型。由于灌区主要向农业供水，水源和用水结构相对简单，影响和制约因素相对较少，如何实现灌区有限水资源量的最大效益，成为广大学者较早涉足的研究领域之一。1990年，曾赛星、李寿声在对内蒙古河套灌区地表水地下水联合优化调度中，采用动态规划方法确定各种作物的灌水定额及灌水次数。同年，郑梧森等用模拟方法计算灌区灌水和排水过程。1998年，翁文斌等以安阳市地面水和地下水联合调度为例，在其水资源循环过程中建立了农业灌溉、城市需水、农业需水、配水等七大物理模拟模块。1990年，曾赛星、李寿声针对江苏徐州地区欢口灌区的实际情况建立了一个既考虑灌溉排水、降低地下水位的要求，又考虑多种水资源联合调度、联合管理的非线性规划模型，已确定农作物最优种植模式及各种水源的供水比例。1991年，黄冠华针对灌区若干模糊化问题，提出模糊线性规划在灌区规划和管理中的应用。1992年，唐德善以黄河中游某灌区为例，运用递阶动态规划法，确定水资源量在工业和农业之间的分配比例。1995年，贺北方、黄振平等学者对多水库多目标最优控制运用的模型与方法、灌区渠系优化配水、大型灌区水资源优化分配模型、多水源引水灌区水资源调配模型及应用进行了研究。这些成果使水利工程单元的水量优化配置模型和方法不断丰富和完善，促进了以有限水资源量实现最大效益的思想在水利工程管理中的应用。2001年，邱林、陈守煌等在指出单一目标作物非充分灌溉制度不足的基础上，建立考虑作物种植风险指标时作物非充分灌溉制度的多目标优化模型，并提出多目标模糊优选动态规划理论和多维动态规划相结合的方法，又进一步将该法用于作物灌溉制度的模拟优化设计。

二、区域水资源优化配置

区域水资源优化配置是以行政区或经济区为研究对象。区域是经济社会活动中相对独立的基本管理单位，其经济社会发展具有明显的区域特征。随着经济社会的快速发展，以及多目标和大系统优化管理的日渐成熟，自80年代中期以来，区域水资源优化配置研究成为水资源学科研究的热点之一。由于区域水资源系统结构复杂，影响因素众多，各部门的用水矛盾突出，研究成果多以目标和大系统优化技术为主要研究手段，在可供水量和需水量确定的条件下，建立区域有限的水资源量在各分区和用水部门间的优化配置模型，求解模型得到水量优化配置方案。1988年、1989年，贺北方提出区域水资源优化分配问题，建立了大系统序列优化模型，采用大系统分解协调技术求解，以河南豫西地区为背景建立了区域可供水资源年优化分配的大系统逐级优化模型。1989年，吴泽宁、蒋水心等人以经济区社会经济效果最大为目标，建立了经济区水资源优化分配的大系统多目标模型及其二阶分解协调模型，并用层次分析法间接考虑水资源配置的生态环境效果，以三门峡市为例对模型和方法进行了验证，得到了不同水平不同保证率情况下的水资源量优化分配方案。1995年，翁文斌、蔡喜明等人将宏观经济、系统方法与区域水资源规划实践相结合，形成了基于宏观经济的水资源优化配置理论，并在这一理论指导下，提出了区域水资源配置的多目标宏观决策分析方法，采用模拟优化技术建模，在优化目标中考虑了环境目标(BOD排放量最小)，实现了水资源配置与区域经济系统的有机结合，体现了水质水量统一配置的思想，也是水资源优化配置研究思路上的一个突破。卢华友等(1997年)、黄强等(1999年)、聂相田等(1999年)和辛玉琛等(2000年)等分别以义乌市、西安市、宁陵市和长春市水资源系统为对象，建立多水源、多目标水资源配置方案。2000年，吴险峰、王丽萍探讨了北方缺水城市——枣庄在水库、地下水、回用水、外调水等复杂水源下的优化供水模型，从社会、经济、生态综合效益考虑，建立了水资源量优化配置模型。2002年中国水利水电科学研究院等单位联合完成的“九五”国家重点科技攻关项目“西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究”，建立了干旱区生态环境需水量计算方法，提出了与区域发展模式及生态环境保护准则相适用的生态环境需水量，在此基础上，提出了针对西北地区生态脆弱地区的水资源配置方案。

三、流域水资源优化配置

流域是具有层次结构和整体功能的复合系统，由社会经济系统、生态环境系统、水资源系统构成，是最能体现水资源综合特性和功能的独立单元。流域水资源优化配置是针对某一特定流域范围内的多种水源优化分配问题。流域是具有层次结构和整体功能的复合系统，由社会经济系统、生态环境系统、水资源系统构成，流域系统是最能体现水资源综合特性和功能的独立单元。国内在流域水资源优化配置方面也取得了可喜的成果，与区域水资源优化配置研究具有近似的特征。1994年，唐德善应用多目标优化的思想，建立了黄河流域水资源多目标分析模型，提出了大系统多目标优化的求解方法。1996年由黄委会勘测规划设计研究院主持的“黄河流域水资源合理分配和优化调度研究”成果中，开发由数据库、模拟模型、优化模型等组成的决策支持系统，并初步研究了黄河干流多库水量联合调度模型。同年，王成丽等针对近年来黄河下游连年缺水、断流等现象，研究了黄河下游水资源量的优化分配问题。2000年，徐慧等为使大型水库群在大范围暴雨洪水期间综合效益达到最优，采用动态规划模型求解淮河流域大型水库群的水量联合优化调度问题。2002年，陈晓宏等以大系统分解协调理论作为技术支持，运用逐步宽容约束法及递阶分析法，建立了东江流域水资源优化调配的实用模型和方法，并对该流域特枯年水资源量进行优化配置和供需平衡分析。

四、跨流域水资源优化配置

跨流域水资源优化配置是以两个以上的流域为研究对象，其系统结构和影响因素间的相互制约关系较区域和流域更为复杂，仅用数学规划技术难以描述系统的特征。因此，仿真性能强的模拟技术和多种技术结合成为跨流域水资源量优化配置研究的主要技术手段。1990年，陈守煌、赵瑛琪对跨流域系统补偿特性与提高供水能力进行了研究；同年，方淑秀、王孟华对滦河的跨流域引水工程多水库联合供水优化调度提出了确定型动态规划聚集解集技术。1994年，邵东国针对南水北调东线这一多目标、多用途、多用户、多供水优先次序、串并混联的大型跨流域调水工程的水量优化调配，以系统弃水量最小为目标，建立了自优化模拟决策模型，采用动态规划法进行求解。1997年，吴泽宁等以跨流域水资源系统的供水量最大为目标，将模拟技术和数学规划方法相结合，建立了具有自优化功能的流域水资源系统模拟规划模型，并以大通河和湟水流域为例对模型进行了验证，提出了跨流域调水工程的规模。同年，卢华友等以跨流域水资源系统中各子系统的供水量和蓄水量最大、污水量和弃水量最小为目标，建立了基于多维动态规划和模拟技术相结合的大系统分解协调实时调度模型，采用动态规划法进行求解，并以南水北调中线工程为背景进行了实例验算。该成果考虑了污水量最小目标，是水资源优化配置研究的一大进步。

五、城市水资源优化配置

针对某一个具体城市，建立多水源多目标优化模型。1997年，卢华友等以义乌市水资源系统为对象，建立大系统分解协调模型，提出了递阶模拟择优的方法。1999年，黄强等以西安市市区供水水源优化调度为实例，建立了多水源联合调度的多目标优化模型，提出了多目标模型求解思路和方法。2000年，辛玉琛等应用现代的系统分析理论，建立长春市多水源联合供水的优化管理模型。同年，吴险峰等探讨了北方缺水城市——枣庄，在水库、地下水、回用水、外调水等复杂水源下的优化供水模型，从社会、经济、生态综合效益考虑，建立了水资源优化配置模型。

第三节　水资源优化配置技术方法

20世纪80年代，由华士乾教授为首的课题组对北京地区的水资源利用系统工程方法进行了研究，并在“七五”国家重点科技攻关项目中加以提高和应用。该项研究成果考虑了水量的区域分配、水资源利用效率、水利工程建设次序以及水资源开发利用对国民经济发展的作用，成为我国水资源配置研究的雏形。“水资源优化配置”一词，在我国正式提出是1991年，当时，为了借鉴国外水资源管理的先进理论、方法和技术，在国家科委和水利部的领导下，中国水利水电科学研究院陈志恺和王浩等在1991—1993年期间承担了联合国开发计划署的技术援助项目“华北水资源管理(UNDP CPR/88/068)”，首次在我国开发出华北宏观经济水资源优化配置模型，研制了京、津、唐地区宏观经济水规划决策支持系统，它包括由宏观经济模型、多目标分析模型和水资源模拟模型等7个模型组成的模型库，由Oracle软件及ARC/INFO软件支持的数据库和多级菜单驱动的人-机界面等，实现了各个模型之间的连接与信息交换。

流域水资源优化配置是以江河流域为对象的优化配置。1994年，罗其友、陶陶、宫连英等围绕水资源最优利用问题，对黄河流域水资源配置原则，农业水资源在地区之间、作物之间以及作物不同发育阶段之间的合理配置进行了分析、探讨。唐德善应用多目标规划的思想，建立了黄河流域水资源多目标分析模型，提出了大系统多目标规划的求解方法。1997年，黄强、晏毅、范荣生等对黄河干流水库联合调度建立了模拟优化模型，考虑到模型特点及求解困难，文中提出了基于等出力试算，考虑库群补偿调节的人机对话算法，以实现对复杂水库群系统的模拟仿真，寻求水库联合调度的“满意策略”。吴泽宁等以跨流域水资源系统的供水量最大为目标，将模拟技术和数学规划方法相结合，建立了具有自优化功能的流域水资源系统模拟规划模型，并以大通河和湟水流域为例对模型进行了应用研究。2002年，阎战友通过采用综合开发治理措施，在时间和空间上合理配置水资源，进行海河流域生态环境改善和恢复研究。2004年，冯黎、宋臻概述了黄河水资源的特点、用水现状及水资源利用中的主要矛盾，剖析了黄河上游龙羊峡、刘家峡水库构成的水量调解体系，并结合西线南水北调，系统分析了这一水量调节体系对水资源调节配置的能力及协调水资源利用与水资源配置关系的能力。赵惠、武宝志以宏观经济发展为出发点，在水资源短缺的情况下，进行辽河流域水资源的优化配置研究，为制定合理的开发利用计划、优化产业结构调整、保证生态平衡及水资源的可持续利用提供了依据。2005年，王雁林、王文科、杨泽元等立足于流域社会经济与生态环境协调发展，以实现流域水资源永续利用为目标，分析了陕西省渭河流域面向生态的水资源合理配置与调控模式的内涵，提出了其基本原则，并从流域生态环境现状及未来需求出发，探讨了陕西省渭河流域面向生态流域水资源合理配置与调控模式的基本内容，分析了陕西省渭河流域2000年、2010年、2020年水资源合理配置与调控方案。

水资源优化配置是涉及社会经济、生态环境以及水资源本身等诸多方面的复杂系统工程，并随着可持续发展战略的开展及水资源的严重短缺，研究者对水资源优化配置研究趋于成熟，并不断地引入新的水资源优化配置理论方法。到目前为止，水资源优化配置模型构建中较为成熟的主要方法有系统动力学方法、多目标规划与决策技术、大系统分解协调理论和投入产出模型等。

一、系统动力学方法

系统动力学方法是把研究的对象看做具有复杂结构的、随时间变化的动态系统，通过系统分析绘制出表示系统结构和动态特征的系统流图，然后把变量之间的关系定量化，建立系统的结构方程式以便进行模拟试验。水资源系统设计的变量很多，各变量之间关系复杂，并且模拟的过程是个动态过程，系统动力学恰恰具备了处理非线性、多变量、信息反馈、时变动态性的能力，基于系统动力学建立的水资源优化配置模型，可以明确地体现水资源系统内部变量间的相互关系，因此系统动力学方法也被许多学者用于水资源优化配置分析。例如，方创琳将参与柴达木盆地水资源优化配置的总系统分析成人口、水资源、农业、工业及第三产业、环境污染和GDP共六大子系统，按照系统动力学建模的基本原理形成了柴达木盆地的水资源优化配置基准方案。高彦春等运用系统动力学模型对汉中盆地平坝区水资源系统进行仿真预测分析，并以系统动力学模型为基础，建立了汉中盆地平坝区水资源系统开发的多个方案。张梁采用系统动力学仿真模拟等方法，对甘肃省石羊河流域水资源与环境经济进行了综合规划，提出了解决流域水资源危机的基本途径。系统动力学方法的优点在于能定量地分析各类复杂系统的结构和功能的内在关系，能定量分析系统的各种特性，擅长处理高阶、非线性问题，比较适应宏观的动态趋势研究。其缺点是系统动力学模型的建立受建模者对系统行为动态水平认识的影响，由于参数不好掌握，易导致不合格的结论。

二、多目标规划与决策技术

水资源优化配置涉及社会经济、人口、资源、生态环境等多个方面，是典型的多目标优化决策问题。水资源优化配置过程中，任何目标都不可偏否，必须强调目标间的协调发展，于是，多目标优化方法应运而生。多目标优化包括两个方面的内容，其一是目标间的协调处理；其二是多目标优化算法的设计。关于从多目标优化角度进行水资源优化配置的成果也不少。比如，贺学海和邵景力(1998)考虑水资源与社会、经济和环境的关系，构建了包头市地下水—地表水联合调度多目标管理模型，并运用管理模型实现了该市地下水和地表水资源优化调度，解决了包头市水资源短缺问题。方红远等(2001)针对多目标水资源系统优化运行问题提出了多目标决策遗传算法，并成功应用于苏北平原湖区的水资源开发利用中。邵东国(1998)应用系统工程理论与方法，结合南水北调中线工程，建立了复杂水资源系统的大系统多目标实时优化调度模型。孙永堂等(1996)通过对公主岭地下水资源开发利用中存在的主要问题的分析，确定了水资源管理的目标，建立了水质水量联合优化管理等多目标线性规划模型等。多目标决策的优点在于它可以同时考虑多个目标，避免为实现某单一目标而忽视其他目标，但是，由于多目标决策涉及决策者偏好问题，不同的利益团体追求不同的目标效果，往往还是相差很大，因而难以得到一个单一的绝对的最优解。

由于水资源优化配置受复杂的社会、经济、环境及技术因素的影响，在水资源配置过程中就必然会反映决策者个人的价值观和主观愿望。水资源配置多目标决策问题一般不存在绝对最优解，其结果与决策者的主观愿望紧密相连。交互式决策方法能够实现决策者与系统信息的反复交换并充分体现决策者的主观愿望，在多目标决策中得到广泛应用。王忠静等(1998)根据可持续发展理论，对干旱内陆河区水资源可持续利用的规划思想和方法进行了研究，总结和延伸了水资源规划的多目标发展、相互作用、动态与风险性、公众接受和滚动规划的规划原则，强调规划中水资源系统的不确定性和规划本身的动态发展特性；提出了交互式宏观多目标优化与方案模拟相结合的决策支持规划思想和操作方法，并对甘肃西部的河西走廊东段的石羊河流域进行了分析。

三、大系统分解协调理论

大系统理论的分解协调法是解决工程大系统全局优化问题的基本方法。根据协调方式的不同，又可分为目标协调法和模型协调法，目标协调法是在协调过程中通过修正子问题的目标函数来获得最优解，模型协调法则是通过修正子问题的最优模型(约束条件)来获得最优解。大系统分解协调理论在水资源优化配置中也得到了广泛应用。沈佩君等(1994)以枣庄市水资源系统为实例，根据该地区及水资源系统的供水特点，建立了包含分区管理调度及统一管理调度模型在内的大系统分解协调模型，成功研究了地表水、地下水及客水等多种水资源的联合优化调度问题。沈佩君等还以鉴江流域供水系统为研究对象，根据大系统分解协调的原理，建立具有仿真性好、信息量大、灵活通用等特点的多层次长系列模拟模型。研究成果表明，整个模型系统简明合理，很好地解决了鉴江流域复杂水资源系统的供需平衡优化决策问题。贺北方等(2002)基于可持续发展理论，以社会、经济、环境的综合效益最大为目标，建立区域水资源优化配置模型，并利用大系统分解协调技术，将模型分解为二级递阶结构成功求解。陈晓宏等建立了以东江流域水资源合理利用为目标，考虑防洪、洪水、航运、压咸等约束，采用大系统分解协调原理，运用逐步宽容约束法及递阶分析法，运用大系统分解协调原理与博弈理论构建了跨边界区域水资源冲突与协调模型体系。黄牧涛等以云南曲靖灌区为例采用大系统分解协调技术对大型灌区水库群系统水资源优化配置问题进行了分析和研究，构建了水资源系统递阶分析协调模型。可见，大系统分解协调理论在水资源优化配置中得到了广泛应用，也取得了不少研究成果。

第四节　水资源优化配置案例分析

区域水资源是一个区域生活、生产、生态价值实现的基础自然资源。王浩教授在题为“面向生态的水资源合理配置与科学调控”的主体综述报告中强调生态问题的提出对原来水资源合理配置的理论方法形成了新的挑战，主要表现在：考虑问题的系统要从水资源与社会经济两个子系统扩展为水资源、社会经济和生态环境三个子系统构成的复合系统，必须从流域水循环的角度考虑生态环境需水量，并将其纳入水资源配置的考虑范围；在配置水资源时，衡量水资源的生态价值，并且要与经济价值进行权衡。

根据区域的具体情况划分为n个区域(其中第n个区统称为全区域生态环境用水区)，各子区域配水量{W1, W2, …, Wn}T，每个子区域(第n子区除外)包括生活、工业、农业三类用水部门，第i(i=1, 2, …, n-1)自取用水量分别为{Xi1, Xi2, Xi3}T(Xi1为生活用水量，Xi2为工业用水量，Xi3为农业用水量)，对于生态环境用水区n，令Xn1=Xn2=0， Xn3=Wn，则建立如下目标函数：

(6-1闻)

约束条件为

(6-2闻)

式中：Z——目标函数值；

n——分区总数；

Cij——i子区j部门用水效率系(i=1, 2, …, n； j=1, 2, 3)：对经济效益而言为与水价有关的效率系数，对社会和环境而言表示与就业机会、粮食产量、BOD排放量、水环境质量、水面面积等有关的系数；

t——时间，当仅考虑有效性和公平性时，t=0，当考虑持续性时，t>0，即要求不同时期或时代人类利用水资源的权利和效益应维持不减；R为各子区用水公平系数，对于收入越高或越富裕的用水对象，R越小，0≤Rij≤1；f为效益函数，反映水资源利用对社会、经济和生态环境等效益的贡献；i1为t时期i子区人均生活用水量了；i2为t时期i子区工业万元产值用水量；i3为t时期i子区单位粮食产量用水量；Q()各用水部门排污函数；T()为水体自净函数；P()为洪灾函数；B(t)为t时期水环境容量；W(t)为t时期水资源可利用量。

以上模型研究区域水资源优化配置还需要考虑区域水源状况，进行区域水源分析，区域水源层次结构如图6-1闻所示。

一般情况下，不同的用水部门对水质的要求也不同，区域内各用水部门按照用水类别从高到低，依次为生活、工业、农业和生态环境等用水部门，水资源配置遵循劣水劣用、优水先优用的分质供水原则，即低类别的水不能供给高级用水部门，而高类别的水首先满足高级别的用水部门，在富裕的情况下也可向低级用水部门供水。

图6-1　闻区域水源层次结构图
资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源配置研究[D].南京：河海大学，2005.

河海大学姚荣的博士论文“基于可持续发展的区域水资源配置研究”，以浙江省临海市为例,应用区域水资源配置理论模型，对不同规划水平年(2020年和2030年)在p=75%降雨频率下水资源配置进行研究。此案例较为典型，可作为教学参考。现简要介绍如下：

一、自然概况及研究分区目的

临海市地处浙江东中部沿海，位于东经120°49′～121°41′，北纬28°40′～29°04′之间。东濒东海，南邻黄岩、椒江，西连仙居，北与天台、三门接壤。东西长85 km，南北宽44 km，大陆海岸线长74 km，岛岸线长153 km。市域国土总面积2 203 km2，其中山地丘陵面积1 507 km2、平原面积553 km2、水域面积143 km2，分别占总面积的68.4%、25.1%和6.5%。另有近海岛屿74个，裙礁3个，明礁18个，干出礁、暗礁60个，总面积19.37 km2，其中有常住人口的岛屿4个，计15.06 km2。

将临海市划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个子区，见表6-1闻。

表6-1　闻各子区行政区划表

资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.

区域水资源合理配置涉及社会经济生态环境等各部门，分区是水资源量计算和供需平衡分析的地域单元。由于水资源的开发利用和水环境的保护和治理受自然地理条件、社会经济状况、工农业布局、市镇发展、水资源特点以及水利工程设施等诸多因素的制约，为了因地制宜、合理开发利用水资源、保护和治理水环境，既反映各地区的特点，又探索共同的规律，展望同类型地区的开发前景，需要对水资源的开发利用进行合理的分区。

二、区域可供水量

可供水量是指不同水平年、不同保证率(或不同降雨频率)下，综合考虑来水情况、需水需要，工程设施可提供给各类用水部门(生活、工业、农业、生态环境)的水量。在只考虑现状供水条件下的可供水量，临海市独立水源可供水量如表6-2闻和公用水源可供水量如表6-3闻所示。

表6-2　2010闻年p=75%降雨频率独立水源可供水量(单位：万m3)

资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.

表6-3　2010闻年p=75%降雨频率公用水源可供水量(单位：万m3)

注：溪口水库供台州电厂A类水1 200万m3/年。

资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.

三、区域水资源合理配置

1)临海市水源分析

遵循优水先优用，劣水劣用的分质供水原则(优质水先向高级用水部门配水，在富余情况下再向低级别用水部门供水；低类别水不可向高级用水部门供水)，其供水关系如图6-2闻所示。

图6-2　闻区域水源水质水量供给关系图
资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.

可求得区域水源配水条件下，临海市各类用水部门(生活、工业、农业、生态环境)缺水量见表6-4闻。临海市区域水源配水，工业、农业、生态环境用水部门缺水。

表6-4　闻临海市各类用水部门缺水量　(单位：万m3)

资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.

2)优化配置分析

(1)水资源合理配置数学模型

根据水资源多目标配置特点，采用线性加权法将各目标归一化，将多目标问题转化为单目标问题求解：

(6-3闻)

其中，F1， F2， F3分别为对应的但目标最优值(即不考虑其他两个目标时，各目标的最优值)；λ1、λ2、λ3分别为各目标的权重系数，0≤λ1,λ2,λ3≤1，且λ1+λ2+λ3=1。可根据供需水情况、目标政策倾斜程度、用水优先指数、区域发展协调性、用水效率以及用水公平性等准则采用AHP法确定。

(2)约束条件参数

① 独立水源供水水质水量约束如表6-5闻所示：

表6-5　闻临海市独立水源供水水质水量约束表　(单位：万m3)

资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.

② 公用水源水质水量约束如表6-6闻所示：

表6-6　闻临海市公用水源供水水质水量约束表　(单位：万m3)

注：溪口水库供台州电厂A类水1 200万m3/年。

资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.

③ 用户需水能力约束。根据各类用水部门的最小、最大需水定额，以及临海市社会、经济、生态环境发展目标，预测2010年p=75%降雨频率各类用水部门最小、最大需水量，见表6-7闻。

表6-7　2010闻年p=75%降雨频率各类用水部门最小、最大需水量(单位：万m3)

资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.

(3)配置方案

根据基于遗传算法的水资源合理配置二级递阶多目标优化求解方法，可生成如下四个非劣配置方案(方案一～方案四)，见表6-8闻。

表6-8　闻临海市水资源优化配置方案

资料来源：姚荣.基于可持续发展的区域水资源合理配置研究[D].南京：河海大学，2005.