水利工程論文-面向可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃量化研究綜述.doc

水利工程論文-面向可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃量化研究綜述摘要：水資源規(guī)劃需要“可持續(xù)發(fā)展”作為基本指導(dǎo)思想，這已被廣泛理解和接受。新形勢(shì)下水資源規(guī)劃工作也開(kāi)始在可持續(xù)發(fā)展思想指導(dǎo)下開(kāi)展工作。但是，如何來(lái)量化研究面向可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃問(wèn)題？這還是個(gè)亟待解決的問(wèn)題，也是本文主要討論的內(nèi)容。主要包括：量化研究關(guān)鍵問(wèn)題、量化研究方法、新的水資源規(guī)劃思路與步驟以及應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：可持續(xù)發(fā)展水資源規(guī)劃量化研究研究綜述一、概述全國(guó)新一輪的水資源綜合規(guī)劃編制工作已于2002年全面啟動(dòng)，計(jì)劃用3年的時(shí)間完成。這次水資源綜合規(guī)劃編制工作是針對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的迫切需要，進(jìn)一步查清水資源數(shù)量、質(zhì)量及其時(shí)空分布，著力解決水資源的開(kāi)發(fā)、利用、配置、節(jié)約、保護(hù)和治理等重大問(wèn)題而開(kāi)展的。自20世紀(jì)80年代開(kāi)展全國(guó)第一次水資源評(píng)價(jià)和水資源利用規(guī)劃工作以來(lái)，我國(guó)水資源的外部環(huán)境和內(nèi)部條件發(fā)生了很大變化，水資源短缺和水環(huán)境惡化問(wèn)題嚴(yán)重制約著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。近些年來(lái)，我國(guó)北方地區(qū)持續(xù)干旱，華北、西北、東北等地區(qū)嚴(yán)重缺水，南方的一些地區(qū)也存在著資源性缺水、水質(zhì)性缺水或工程性缺水等問(wèn)題。生態(tài)環(huán)境的惡化和水體的污染進(jìn)一步加劇了水資源緊缺狀況，嚴(yán)重影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)開(kāi)展這次規(guī)劃工作，將對(duì)我國(guó)水資源的狀況重新做出評(píng)價(jià)，科學(xué)預(yù)測(cè)近期和遠(yuǎn)期需水趨勢(shì)，在節(jié)水和水資源保護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)水資源進(jìn)行優(yōu)化配置，統(tǒng)籌安排水資源全面節(jié)約、有效保護(hù)、優(yōu)化配置、合理開(kāi)發(fā)、高效利用、綜合治理和科學(xué)管理的布局和方案。這次水資源綜合規(guī)劃的突出特點(diǎn)是，強(qiáng)調(diào)水資源量的評(píng)價(jià)、水資源有效保護(hù)、水資源優(yōu)化配置以及水資源的可持續(xù)利用。如何在新一輪的水資源規(guī)劃中體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展思想，是值得探討的問(wèn)題。特別是，如何定量化體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展思想？亦即，如何在定量上來(lái)尋找以可持續(xù)發(fā)展為指導(dǎo)的水資源規(guī)劃方案？本文從量化研究的角度，提出量化研究關(guān)鍵問(wèn)題、量化研究方法，建立以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的水資源規(guī)劃模型，給出在可持續(xù)發(fā)展思路指導(dǎo)下的水資源規(guī)劃研究步驟。二、量化研究需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題2.1準(zhǔn)則問(wèn)題就現(xiàn)行水資源規(guī)劃準(zhǔn)則而言，主要考慮的是：經(jīng)濟(jì)效益(economicbenefit)；技術(shù)效率(technicalefficiency)和實(shí)施的可靠性(performancereliability)。盡管它們?nèi)匀槐粦?yīng)用，但是，就現(xiàn)狀而言已經(jīng)不能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。從21世紀(jì)議程要求的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)的高度，已迫切需要逐步轉(zhuǎn)變到新的行為準(zhǔn)則。實(shí)際上，“可持續(xù)發(fā)展”就是水資源規(guī)劃非?；镜膶?dǎo)則。然而，僅談“可持續(xù)發(fā)展準(zhǔn)則”有點(diǎn)太籠統(tǒng)、太空洞，不便于操作。因此，從量化研究的角度，急需要形成新的準(zhǔn)則。本文作者在文1、3、4中從量化研究的角度，提出可持續(xù)發(fā)展的三個(gè)準(zhǔn)則：可承載：可持續(xù)發(fā)展首先要求不允許破壞地球上生命支撐系統(tǒng)（如空氣，水，土壤等），即處在可承載的最大限度之內(nèi)，以保證人類福利水平至少處在可生存狀態(tài)。有效益：可持續(xù)發(fā)展鼓勵(lì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。當(dāng)然，它與傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)學(xué)觀點(diǎn)有質(zhì)的區(qū)別。它不僅重視增長(zhǎng)數(shù)量，更追求改善質(zhì)量。它是以保護(hù)自然環(huán)境為基礎(chǔ)，以改善和提高生活質(zhì)量為目標(biāo)，與資源、環(huán)境的承載能力相協(xié)調(diào)?？沙掷m(xù)：可持續(xù)發(fā)展不僅考慮到當(dāng)代人，而且顧及到后代人。不僅要保證現(xiàn)代的發(fā)展，而且要保證未來(lái)的發(fā)展，使發(fā)展處在不斷增加的趨勢(shì)。2.2指標(biāo)體系問(wèn)題在可持續(xù)發(fā)展量化研究中由于具體區(qū)域（或流域）的實(shí)情千差萬(wàn)別，水資源規(guī)劃方案也多種多樣。如果沒(méi)有一套明確、清晰的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系作為衡量標(biāo)準(zhǔn)的話，則很難將可持續(xù)發(fā)展對(duì)水資源規(guī)劃的指導(dǎo)方案變?yōu)橐环N可操作的管理模式，用于指導(dǎo)實(shí)際工作。研究水資源規(guī)劃的指標(biāo)體系，應(yīng)該是一個(gè)多層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系。至少應(yīng)該包括四大類，即社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、水資源指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和綜合性指標(biāo)。每大類又有多個(gè)子類、子子類。社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，主要由描述和表征人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、科技等發(fā)展的指標(biāo)集組成。通過(guò)這些指標(biāo)能夠反映出水資源在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的配置狀況，水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)作用，以及社會(huì)福利的增長(zhǎng)情況。水資源指標(biāo)，主要由反映水文循環(huán)狀況和水資源開(kāi)發(fā)利用情況的指標(biāo)集組成，包括水質(zhì)和水量?jī)蓚€(gè)方面。生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，是用于表征區(qū)域（或流域）內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因子，包括河湖質(zhì)量指標(biāo)、植被質(zhì)量指標(biāo)、土地質(zhì)量指標(biāo)、總體質(zhì)量指標(biāo)、生態(tài)需用水指標(biāo)等。綜合性指標(biāo)，主要從宏觀層次上選擇那些反映復(fù)合系統(tǒng)發(fā)展特性的指標(biāo)和反映子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)程度的指標(biāo)。2.3基礎(chǔ)模型問(wèn)題面向可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃的目標(biāo)，是為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供源源不斷的水資源。實(shí)現(xiàn)水資源在當(dāng)代人之間、當(dāng)代人與后代人之間、以及人類社會(huì)與生態(tài)環(huán)境之間公平合理的分配。因此，水資源規(guī)劃量化研究的對(duì)象系統(tǒng)應(yīng)該界定在社會(huì)經(jīng)濟(jì)水資源生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)上。在這個(gè)復(fù)合系統(tǒng)中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源、生態(tài)環(huán)境三大子系統(tǒng)相互作用與影響，構(gòu)成了有機(jī)的整體。那么，量化研究就需要建立這個(gè)復(fù)合系統(tǒng)的耦合模型（簡(jiǎn)記作SubMod(S,E,R,E)）。這是建立面向可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃量化研究體系的基礎(chǔ)，具有重要的地位，也是量化研究的特色之一。2.4量化方法問(wèn)題剩下的問(wèn)題就是量化方法問(wèn)題。也就是，如何利用“量化指標(biāo)”來(lái)定量評(píng)價(jià)或判斷某地區(qū)是否遵循可持續(xù)發(fā)展準(zhǔn)則？又怎樣“做”才能符合可持續(xù)發(fā)展準(zhǔn)則？本文介紹兩種可持續(xù)發(fā)展量化研究方法。一種是基于“社會(huì)凈福利函數(shù)”的量化方法；一種是基于“發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度（DD）”的量化方法。前一種方法，是用經(jīng)濟(jì)學(xué)手段，量化可持續(xù)發(fā)展中的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益。由于技術(shù)難度較大、資料一般不易得到，實(shí)際應(yīng)用上受到限制。第二種方法，是采用模糊隸屬度定量描述方法和多準(zhǔn)則集成技術(shù)，來(lái)量化水資源規(guī)劃中的可承載能力、經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)性以及它們的集成等問(wèn)題。三、量化研究方法綜述3.1基于“社會(huì)凈福利函數(shù)”的量化方法社會(huì)凈福利函數(shù)，是對(duì)國(guó)民收入（GDP）的一種“綠化”，是從GDP中扣除恢復(fù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)所需的支出后，得到的一個(gè)新指標(biāo)，也稱為凈經(jīng)濟(jì)福利。計(jì)算公式如下：式中：第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的凈福利；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的GDP；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)恢復(fù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)所需的支出，其值包括生態(tài)環(huán)境破壞所造成的經(jīng)濟(jì)損失值和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境所需的各種費(fèi)用。根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的概念和基本目標(biāo)，可持續(xù)發(fā)展應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：效益最大化、可生存、可承載和可持續(xù)。它們的量化模型如下：目標(biāo)函數(shù)：（效益最大化）約束條件：；（可生存）；（可承載）；（可持續(xù)）式中：表示第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的凈福利；T從現(xiàn)在到未來(lái)的一個(gè)時(shí)段，其取值為1,2,N；N系統(tǒng)可有效預(yù)測(cè)的最大時(shí)段個(gè)數(shù)；k第T個(gè)時(shí)段的決策變量，即方案的選擇變量；r第T個(gè)時(shí)段的貼現(xiàn)率；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的人均GDP；當(dāng)前人們滿足最低生活標(biāo)準(zhǔn)所需的人均經(jīng)濟(jì)收入；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的生活總需水量；滿足人們生理與生活所需的最小用水量；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；滿足人們生活、生產(chǎn)及享樂(lè)需求的最低生態(tài)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；總需水量；最大可供水量；污水的總排放量；水環(huán)境的容量；對(duì)應(yīng)生態(tài)環(huán)境承載力閥值的凈福利，用貨幣單位表示；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的人口總數(shù)；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)系統(tǒng)總用水量；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)系統(tǒng)總供水量；總用水量和總供水量?jī)烧咂ヅ湔{(diào)節(jié)值；第T個(gè)時(shí)段選擇第k個(gè)方案時(shí)所對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。3.2基于“發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度（DD）”的量化方法（1）“可承載”的度量?？紤]“可承載”、“可持續(xù)”實(shí)際度量上存在的模糊性，本文作者曾提出用模糊數(shù)學(xué)中隸屬度進(jìn)行度量的方法。對(duì)任一指標(biāo)，先進(jìn)行無(wú)量綱化處理：選定“可承載”限度，當(dāng)越大，可承載程度也越大時(shí)（如人均糧食產(chǎn)量），定義；當(dāng)e越大，可承載程度越小時(shí)（如水體礦化度C），定義。再通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)描述任一指標(biāo)對(duì)應(yīng)的隸屬度，設(shè)為。對(duì)多指標(biāo)組成的整個(gè)系統(tǒng)可承載隸屬程度為：。式中：n1表示整個(gè)系統(tǒng)有n1個(gè)“可承載”指標(biāo)；LI(T)表示整個(gè)系統(tǒng)在T時(shí)段可承載隸屬度；表示第因子的指數(shù)權(quán)重。（2）“有效益”的度量。取經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)（如國(guó)民生產(chǎn)總值等）為SP，設(shè)初始年SP值為基準(zhǔn)值SP0。為了使數(shù)據(jù)無(wú)量綱化，令。再用下面的隸屬函數(shù)（也可據(jù)具體情況另選）來(lái)量化：。式中，為待定系數(shù)?？梢葬槍?duì)不同地區(qū)，只要選定某一對(duì)應(yīng)的SP(T)值，就可以反求出。（3）發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度DD(T)。把“可承載”（隸屬度LI(T)）與“有效益”（隸屬度EG(T)）綜合起來(lái)，來(lái)表征系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。這就是本文作者曾提出的“發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度”：式中，分別是給定EG(T)、LI(T)的一個(gè)指數(shù)權(quán)重。DD(T)是系統(tǒng)在T時(shí)段“發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度”。DD(T)0，1。DD(T)作為衡量T時(shí)段“發(fā)展”的一個(gè)“尺度”。（4）“可持續(xù)”度量。令（如果T=1，約定）。如下式：定義全時(shí)段發(fā)展相對(duì)可持續(xù)性的隸屬度（簡(jiǎn)稱“可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)隸屬度”）為：SDDT式中，N為整個(gè)時(shí)段個(gè)數(shù)；N0是選定的常數(shù)（如5，10，N）。四、面向可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃模型在水資源規(guī)劃量化研究中，需要建立以可持續(xù)發(fā)展為指導(dǎo)思想的優(yōu)化模型。這是尋找水資源規(guī)劃方案的基礎(chǔ)。這里，僅介紹基于“發(fā)展綜合指標(biāo)測(cè)度（DD）”的優(yōu)化模型。（1）目標(biāo)函數(shù)。以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，要求“發(fā)展”的目標(biāo)函數(shù)BTI值達(dá)最大。即，在某一特定時(shí)段，在滿足一定條件下，使其總效益達(dá)到最大。(BTI)=（2）約束條件。欲保證整個(gè)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，必然要求系統(tǒng)可承載、可持續(xù)（即發(fā)展態(tài)勢(shì)）達(dá)到某一最低水平（分別設(shè)為L(zhǎng)I0、SDDT0）。于是，有可承載、可持續(xù)條件方程式：LI(T)LI0,TT1SDDTSDDT0此外，需要把“社會(huì)經(jīng)濟(jì)水資源生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)耦合模型SubMod(S,E,R,E)嵌入到優(yōu)化模型中，作為其一個(gè)約束條件。還可以針對(duì)具體情況增加一些其它約束條件。于是，得到水資源規(guī)劃模型：目標(biāo)函數(shù)：約束條件：LI(T)LI0,TT1SDDTSDDT0SubMod(S,E,R,E)其它約束條件它是一個(gè)涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境三大方面、且在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)中運(yùn)行、滿足一定約束條件、要求總體效益最大的優(yōu)化模型。一般，該模型是一個(gè)十分復(fù)雜的多階段非線性優(yōu)化模型，其求解比較困難。對(duì)此，作者提出采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的方法，求得模型的近似最優(yōu)解。這樣可以大大減少計(jì)算工作量。五、面向可持續(xù)發(fā)展的水資源規(guī)劃一般步驟綜述基本的研究思路和過(guò)程介紹如下（技術(shù)路線如圖1所示）：（1）根據(jù)研究區(qū)的具體實(shí)際，制定水資源規(guī)劃的依據(jù)、具體任務(wù)、目標(biāo)和指導(dǎo)思想。重點(diǎn)要體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的思想；（2）了解社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)