水资源合理配置方法分析

朱厚华，仇亚琴，吴彩丽

（1.水利部水资源管理中心，北京 100053；2.中国水利水电科学研究院，北京 100044）

水资源合理配置方法分析

朱厚华1，2，仇亚琴2，吴彩丽2

（1.水利部水资源管理中心，北京 100053；2.中国水利水电科学研究院，北京 100044）

水资源短缺和用水的竞争性问题的日益突出，全球性的水危机不断涌现，使水资源合理配置逐步成为水资源领域的研究热点。论述了水资源合理配置的全过程，阐述了水资源合理配置的内容、基础和形式，水资源配置的核心是考虑各种相关因素下的水资源供需平衡分析、需要以社会经济现状和未来发展规划资料、流域或区域的水资源调查评价及其开发利用评价为基础，对水资源的质、量、空间和时间进行配置。还分析了水资源配置目标、配置方案及方案决策，把水资源相关因素表达为向量最优化形式，构建配置模型，为决策者提供协商对话的基础，使决策更具有普遍性和公平合理性。

水资源；合理配置；生态环境；配置方法

水资源合理配置是一个庞大的系统工程，是满足国民经济和人类生存对水资源的需求，实现水资源的社会、经济和生态综合效益最大化的基础工作。它不仅涉及自然科学领域的一些学科知识，如水资源、水文、环境生态、系统分析和计算机模拟技术等，更重要的是还需要社会科学知识，如经济、法律、决策、行为等学科。水资源的合理配置须以水资源的可持续性、有效性、公平性、系统性等原则的指导下，不仅要满足国民经济和人类生存的需求，还要给人类生存生态环境提供支撑与保障，实现水资源的社会、经济和生态综合效益最大化，实现社会、经济和生态环境的和谐发展［1－2］。

1 水资源合理配置内容

资源合理配置是对有限的资源进行科学有效的配置和使用。水资源合理配置的任务是根据特定地域水资源生态系统的自然和社会状况，采用科学技术方法和合理的管理体制对水资源开发利用和水患防治系统进行改造、规划、设计、组合和布局的安排与管理，以达到可持续发展的要求和水资源持续利用的目的［3］。它不是一项独立的工作，脱离了作为其基础的其他相关工作，即使有再好的配置方法和手段，其结果也是不可靠的。水资源配置的核心就是要完成考虑具体情况下各种相关因素下的水资源供需平衡分析，需要进行需水预测、供水及水资源开发利用潜力的分析、节约用水和水资源保护的分析［4］。

2 水资源配置基础

综合水资源系统中经济、生态和水资源3个子系统的相互关系，水资源配置需要以社会经济现状和未来发展规划资料、流域或区域的水资源调查评价及其开发利用评价为基础［4］。认识水资源时空分布规律，特别是要对在人类活动影响下水资源演化规律做出评价，对未来条件下水资源的数量和质量的可能变化情形分析。

具体而言，就是利用流域或区域的水文、泥沙、气象、水环境、生态等基础资料，分析不同形式的水资源转换演变规律以及人类活动对水资源的数量、质量的影响。在水资源开发利用调查评价方面要分析供水水资源状况以及变化趋势，供水总量、结构、分布及变化趋势，还包括用水量、用水结构、用水水质、耗水量和耗水率以及用水效率，以及相应农业灌溉回归水量和工业、生活废污水排放量等指标［1］，尽可能分析水资源利用过程的各个环节。

3 水资源配置形式

以水资源利用为主体的生态经济系统，像其他大系统一样，也具有质和量的规定性。质的规定性把不同性质的系统区分开；量的规定性把同质的系统区分开若干子系统。水资源系统的运动离不开时间和空间，因此水资源系统的配置要素表现在质、量、空间和时间4种基本形式［3］。水资源配置需要完成水量、水质以及时间和空间上的配置。

3.1 量的配置

水量是水资源配置的基本形式，体现在水资源的供需平衡。水资源配置的水源包括地表水、地下水、再生水、微咸水、海水、外调水等，需要协调多种供水水源，提高供水总量和供水保证率。

3.2 质的配置

根据用水户对水质的不同要求，按原生水、中水、再生水等分质配水。分质供水需在采用工程手段实现水资源合理配置的同时，辅之以法规政策、经济、科技、行政等方面的非工程措施［4］。

3.3 时间的配置

水资源在年内、年际之间的变化是非均匀的，并有一定的随机性。天然来水与用水过程上有时不同步，这就要水资源开发与水患防治相结合，通过拦蓄、存储和调节、控制水等优化调度措施实现水资源在时间上的合理配置。

3.4 空间的配置

水资源的空间配置虽然主要决定与地域的天然条件和分布规律，但可以通过科学技术和工程措施改变自然之间的天然差别，创造新的条件，促进水资源地域转移，形成新的布局。水资源的配置和大规模布局是在一定自然环境和经济环境下实现的，它既可促进生态环境改善，也可破坏自然环境［3］，因此要根据国民经济布局、供水水源和缺水状况，合理确定供水范围，使水资源在空间上提高水资源与经济发展和生态保护之间的协调程度。

4 水资源配置目标

资源合理配置的目标有2种表达方式，一种是使有限的资源产生最大的效益；另一种是为取得预定的效益尽可能少地消耗资源。第一种方式要求在一定的资源条件下，通过对各种资源的合理安排、组合，以追求产出的效益最大化；第二种方式在既定的目标下，如何合理地组织、安排资源使用，使总的资源成本最小［5］。

水资源通过合理配置，协调各地区以及各用水部门间的利益矛盾，提高区域整体的用水效率和效益，实现水资源的社会、经济和生态综合效益最大是水资源合理配置的目标［2］。水资源合理配置的目标显然不是一个单纯的简单优化问题，它涉及到社会、经济和生态以及一些很难确切量化的问题，另外水资源系统经常受到随机事件和随机因素的影响。因此，传统的基于单目标的水资源合理配置的分析方法已经不适合当今的要求［6］。从系统科学的观点看，水资源持续利用的实现，就是水资源－生态环境－社会经济复合系统持续发展功能的体现。冯尚友（1997）提出水资源生态经济复合系统理论，给出了可持续框架下水资源利用系统的总体控制目标，其采用社会、经济和环境效益的综合效益最大来表示：

式中：x为n维向量的控制（决策）变量；E，S，R分别表示经济效益、社会效益和环境效益；Z，t为系统占有的空间和时间，在具体区域和时间确定时，均为常数；G为对系统起制约作用的约束条件集，如水的承载力、环境容量和其它社会约束条件等；xj为控制向量的非负条件［3］。

随着数学规划理论和电子计算机的普及，多目标问题渐渐应用于水资源合理配置中，其主要目标包括：国家经济发展目标，寻求通过投资来增加国家收入，以获得最大的经济效益；区域经济发展目标，是以获得地区性的经济效益最大为目标；环境质量目标，是以提高环境质量水平为目标，它包括旅游资源、生态系统平衡的保护和改善，水土和空气质量的提高等；社会福利目标，包括就业、人口控制、文化教育和安全等内容。这些目标往往相互矛盾和制约，因此目标必须反映短期、中期和长期各不同目标值，各用水部门的利害关系，生态系统平衡状况和环境质量的变化，政策、体制、经济、环境的约束和控制等［6］。这样就可以把水资源问题表达为向量最优化形式，其模型结构为：

目标函数

约束条件

式中：X为决策向量，X＝［X1，X2，…，Xn］；Z（X）为p个独立的目标Zp（X）组成的目标向量。向量最优化模型是表达多目标问题的简洁方法［1，6］。

水资源配置的最终目的是实现水资源利用的可持续性发展，从供水效益角度分析以可持续发展原则下的供水效益最大为目标，可表示为

式中：t为时间或时代；R为考虑用水在地区间和不同收入者间的公平系数或公平性权重；f为用水效益函数；C为用水效益系数；X为用水量。这是对“可持续原则实际上是代际间水资源利用的公平性，其要求年代的水资源利用权利和效益不能衰减”的数学描述。即

由于目标的增加，特别是环境质量、社会福利等目标的增加，使多目标问题较传统的单一目标规划问题复杂得多，特别是环境质量、社会福利还没有标准有效的方法可循［2，6］，难以确切合理量化，因此多目标规划，目前还没有广泛应用到水资源合理配置中去。

5 水资源配置方案

水资源配置方案拟定目的是在可行条件下提出水资源合理配置方案集，从而得到解决问题的具体措施和综合方案。在水资源及其开发利用调查评价成果的基础上，分析未来水资源开发利用的可能潜力以及最小的生态环境需水要求，以各类合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等措施的组合为分析方案，根据公平、高效和可持续的原则对各种分析方案的结果及其影响进行分析比较，提出水资源合理配置的推荐方案。水资源合理配置方案的拟定需要进行供水预测、水资源保护、需水预测、节水潜力分析和社会经济发展目标分析等内容，在此基础上通过各个部分的相互关联和动态反馈，以不同方式的组合得到水资源配置方案集，通过多方案的分析比较和合理性评价得到水资源配置的技术推荐方案［7］。

在方案集可行域内，针对水资源供需矛盾等问题，结合现实可能的投资状况，以方案集的下限为基础，逐渐加大投入，逐次增加边际成本最小的供水与节水措施，提出具有代表性、方向性的方案，形成水资源供需分析计算方案集。依据流域或区域的社会、经济、生态、环境等方面的具体情况有针对性地选取增大供水、加强节水等各种措施组合设置方案，考虑各种可能获得的不同投资水平，在每种投资水平下根据不同侧重点的措施组合得到不同方案［6］。

6 水资源配置方案决策

水资源配置的决策涉及到中央、地方多个决策层次，部门、地区多个决策主体，近期、远期多个决策时段，社会经济、生态环境多个决策目标，还涉及水资源的自然、社会、经济、生态等内在属性，以及水文、工程、水量、水质、投资等多类约束条件，是一个高度复杂的多阶段、多层次、多目标、多决策主体的风险决策问题，处理如此复杂的决策的理论方法尚不多见。合理配置的决策方法可以从简化决策入手，把复杂问题逐级化简，再将处理简单问题的方法复合起来形成处理复杂问题的有效方法，即将多层次决策问题分解为单层次问题，将多决策者问题通过合理综合归纳归结为单决策者问题，将多目标决策问题转化为单目标决策问题，这样就把一个复杂问题逐步简化为简单决策问题［2］。

决策备选方案是水资源配置的多层次、多决策者和多目标决策过程中的关键。在完成方案水资源供需分析的基础上，得出各方案的相应投入及预期效果，分析存在的主要问题，对拟定的方案集进行方案比选，提出推荐方案。对选择的推荐方案再进行必要的修改完善和详细模拟，确定多种水源在区域间和用水部门之间的调配，提出分区的水资源开发、利用、治理、节约和保护的重点、方向及其合理的组合等［6］。

水资源合理配置模型可以提供对各种方案的利弊关系以及区域间的相互关系及其影响进行定量分析、比较和评判的技术平台，通过发展模式度量指标体系和方案度量体系，对不同层次之间发展指标的不协调性以及同一层次不同发展目标之间的不协调性进行量化评价，从而为多决策者提供了进行协商对话的基础，使决策更具有普遍性和公平合理性。

7 结 论

水资源合理配置是一个庞大的系统工程，是满足国民经济和人类生存对水资源的需求，实现水资源的社会、经济和生态综合效益最大化的基础工作。

水资源配置形式上是对水资源质、量、空间和时间的配置，配置基础是水资源自然属性现状和经济社会发展需求，配置核心是配置方案的设定和比选，配置技术方法是系统模拟和决策系统分析，配置工具是水资源配置模型。水资源配置模型可为水资源配置提供了决策技术平台，通过模拟可充分反映水资源自然水循环和社会水循环的内在联系，提供产生方案、比较方案和评价方案的功能，因此建立符合配置区域内实际、满足配置目标要求的配置模型是实现水资源配置整个过程的关键所在。

［1］ 翁文斌，王忠静，赵建世.现代水资源规划——理论，方法和技术［M］.北京：清华大学出版社，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.水资源配置理论与方法探讨［J］.水利规划与设计，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］ 冯尚友.水资源持续利用与管理导论［M］.北京：中国科学技术出版社，2004.（FENG Shang-you.Water Resource Sustainable Utilization and Management［M］.Beijing：China Science and Technology Press，2004.（in Chinese））

［4］ 游进军.水资源系统模拟理论与实践［D］.北京：中国水利水电科学研究院，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.水资源合理配置理论与实践研究［D］.北京：中国水利水电科学研究院，2000.（GAN Hong.Theory and Practice ofWater Resources Rational Allocation［D］.Beijing：China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2000.（in Chinese））

［6］ 水利部水利水电规划设计总院.全国水资源综合规划技术细则［R］.北京：水利部水利水电规划设计总院，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］ 李原园，郦建强，秦福兴.科学分析水资源规律合理制定水资源配置方案［J］.水利规划与设计，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） ）

（编辑：赵卫兵）

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

国家自然科学基金重点项目（50939006）；国家自然科学基金创新研究群体基金项目（50721006）

朱厚华（1978－），男，山东聊城人，博士研究生，主要从事水文水资源方面的研究，（电话）010－63204472（电子信箱）zhh＠mwr.gov.cn。