流域水资源系统调控的研究

杨 兰，谢 芳2*，白 夏，汪艳芳

(1.蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.专利审查协作河南中心 国家知识产权局专利局，河南 郑州 450000)

水是人类社会生存、发展密切相关的物质资源，也是基础性的自然资源和经济性的战略资源[1]。随着社会的发展，水安全问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，水资源问题引起了世界各国的共同关注[2-4]。中国水资源地域分布差异大，气候变化和人类活动剧烈地改变了水资源时空格局，导致区域用水关系发生显著变化，水资源安全问题日益凸显[3，5]。为缓解当前日益突出的水资源安全问题，贯彻“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的方针治水，实施基于“三条红线”控制目标的最严格水资源管理制度，对水资源进行严格控制，以实现对有限水资源最大程度的“开源节流”[6]。此外，由于水资源系统的复杂性，水资源开发利用必须突破传统的理论框架、引进先进的多学科交叉研究方法、建立科学的水资源优化配置理论和调控体系，解决水资源的分配问题，为水资源的高效可持续利用提供理论基础和决策支持[7，8]。为此，本文在基于上述认识的基础上，首先对当前流域复杂水资源系统调控研究的历程和现状进行了深入归纳与梳理，进一步明晰了当前流域水资源系统调控研究的难点和关键科学问题，最终基于控制论、界壳论、耗散结构理论及协同学理论的多种方法集成交叉研究途径，对流域复杂水资源智能调控理论的研究思路和内容进行了初步剖析和概述，为制定和实施流域水资源开发利用方案提供了科学合理的理论指导依据。

1 流域复杂水资源系统调控的科学内涵

水资源影响地方经济社会发展的重要因素，也是生态环境系统良性循环的控制性要素[9]，结合流域实际水循环特征及演变机理，提出水资源开发与利用的调节和控制措施，确保水资源系统能协调稳定、可持续发展，是解决当前区域水资源安全问题的主要途径[10]。自20世纪60年代开始，中国就出现水库优化调度的流域水资源分配问题研究，在流域水资源合理分配、调度、配置、控制等方面提出和建立了一系列的理论模型。水资源配置指在特定流域或区域范围内，通过各种工程与非工程措施，按照资源配置准则，对各种可利用的水资源在用水部门和区域之间进行的调配[11-13]。水资源调度或调配，是指为满足人类社会与自然环境对水资源的需求，采用工程和非工程措施，对不同区域的水资源进行调节的一种实践过程，旨在提高水资源利用效率与效益[14，15]。水资源系统是非结构化的非平衡体，水资源调控是一类由人类参与的复杂系统动态控制过程，人为因素会对系统的运行及演化方向起决定性作用[10]。在基于上述认识基础上，提出流域复杂水资源系统调控是指，以变化环境下的流域水循环系统演变规律及特征为基础，从流域复杂水资源系统全局角度出发，通过全方位、多角度、多层次地对流域水循环系统中的降雨、径流、调蓄及供给等过程中的一系列可控因子进行合理的优化、调节和控制，从而改善国民经济生活、生产、生态用水关系[16]。流域复杂水资源系统调控的总体目标，就是要充分发挥水资源的社会、经济及生态环境效益与效率，实现水资源系统向有序化方向演进，实现区域可持续发展。

2 流域复杂水资源系统调控研究进展

中国的流域水资源综合调控研究起步晚、发展快，起初水资源调控以水利工程兴利调度为主、较少从流域水资源综合利用角度考虑。2000年以后，我国的水资源调控更加重视河流自身的生态环境维护与协调，统筹兼顾、逐步开展了黄河流域的全河水量调度、颁发实施了我国第一个流域性的水量调度法规—《黄河水量调度条例》，建立了黄河流域水资源演变的多维临界调控模式，在调度原则、调度方法、调度技术等方面日趋成熟。

2.1 基于水利工程控制单元的水资源调控理论研究

水库优化调度是流域水资源调控初期研究的有效措施和工具，大系统分解协调理论、模糊数学规划理论和动态规划技术，是开展水库优化调度实践研究的主要理论工具[17]。2003年，钟平安等[18]分析了实施水库群联合调度的基本条件和影响水库群防洪实时调度的主要因素，提出了并联水库群防洪联合调度库容分配模型；2008年，胡和平等[19]以水电站年发电量最大为优化目标，以生态方案为约束，提出了基于生态流量过程线的水库优化调度模型；2010年，康玲等[20]针对河流生态需水量和模拟生态洪水，提出了水库生态调度模型并在丹江口水库上进行了应用研究；2014年，李文莉等[21]提出一种云变异人工蜂群算法，为梯级水库群的优化调度提出了一种新的思路；2016年，纪昌明等[22]提出了基于泛函分析思想的动态规划算法，并用于水库调度的研究；2018年，李荣波等[23]根据混沌技术，提出了改进的蛙跳算法用于水库优化调度。这些研究成果的不断发展和完善，使得水利工程的运行管理中水资源经济效益最大化思想的应用。

2.2 基于二元水循环模式的流域复杂水资源系统调控研究

流域水资源系统是由水资源子系统、生态环境子系统和社会经济子系统共同作用构成，基于水利工程控制单元的流域水资源调控模式过分强调水资源经济效益的发挥，忽略了水资源开发利用对区域生态环境的不利影响。基于二元水循环模式的流域复杂水资源系统调控研究采用复杂系统优化理论，旨在协调不同子系统之间的用水效率及效益[17]。根据复杂大系统协调性理论，通过分析各子系统两两之间的相互作用关系，从全局视角构建流域水资源复杂系统协调性评价指标体系，并针对不同子系统特征和相关关系提出相应的协调性调控措施，是当前基于流域全属性功能的水资源调控研究的基本思路。此外，2005年，彭少明，黄强等[24，25]将系统临界控制论、协同论、耗散结构理论引入流域复杂水资源系统调控理论研究，建立了黄河流域水资源多维临界调控仿真模型，提出了水资源多维临界调控的理论方法体系与实践技术体系；同时，李勋贵等针对黄河流域水资源多维临界调控产生的风险问题，采用泛系观控理论与信息熵集成的研究途径，分析研究了黄河流域水资源多维临界调控的风险(R)与比较收益(GBC)，为流域水资源多维临界调控风险分析提供了新的研究手段，对系统周界数学问题的最终解决也提供了有益的参考与借鉴；朱洁等[26]人对系统动力学方法在水资源系统中的研究进行了总结；杨明杰等[27]采用多维临界调控模型对新疆玛纳斯河流域水资源系统进行了调控。

2.3 基于“三条红线”最严格水资源管理制度的流域复杂水资源系统调控研究

针对当前水资源开发利用的负外部性和内部低效性所导致的经济社会缺水、水环境污染、水生态恶化、地下水超采、用水浪费且整体效率不高等一系列突出问题，中国政府于2011年颁布实施了《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》的水资源开发战略[28]。制定实施的最严格水资源管理制度核心是按照“三条红线”进行水资源严格管理，这对流域水资源调控提出了更高的要求，既要保障水资源经济发展目标、社会目标和生态目标，更要确保水资源的供给、利用和排污在流域可承载范围之内[29]。可见，流域水资源调控管理研究是一个逐渐发展、不断深入的过程，基于“三条红线”最严格水资源管理制度的流域水资源调控模式是对基于单一水利工程和二元水循环的水资源调控模式的进一步拓展和细化。2011年，王宗志等[30]建立了以初始水权为允许取水量总量控制目标、水量分配仿真模型与纳污能力计算模型相耦合的流域允许取水量与允许排污量统一分配模型，从供水管理视角提出了包括“初始分配”、“优化调控”和“实时调控”三项内容的流域水资源调控理论框架。2014年，左其亭等人[31]提出了基于人水和谐理念的最严格水资源管理制度的框架体系，为完善和落实最严格水资源管理制图提供了有力的支撑。

3 流域复杂水资源系统调控面临挑战和未来展望

综上作述，流域水资源系统调控研究的面临的关键科学问题有：

(1)自然水循环和人工侧支水循环耦合影响下的流域复杂水资源社会、经济、生态及环境系统演变特征分析与趋势研究。流域水循环过程由自然水循环和人工侧支水循环耦合而成，忽略人工作用力对水循环演变过程的影响会造成水循环演变规律认识上的错误[14,15]。所以应该从水循环驱动因素、结构参数、服务功能的二元化等方面入手，加强两种循环的耦合模拟研究。并在此基础上，进一步深入剖析水资源社会、经济、生态及环境子系统之间的作用机理与演变特征，选用能够综合反映系统运行综合状况的参量(如系统有序度熵)表证水资源系统的有序化演进方向，进而建立不同调控方案下的流域复杂水资源系统演化方向识别及预测模型，可为流域水资源系统调控的方案制定与政策实施提供理论和技术支撑。

(2)符合流域实际水循环演变特征与河流水文情势特征的“资源—经济—生态”耦合复杂水资源系统综合调控模型建立及不确定性分析。流域水资源系统是一个涉及社会、经济、政策、资源、人口、环境等多个子系统的复杂大系统，由于自然过程的随机性、区域信息的不完整性、人类认识的局限性和水利工程的脆弱性，流域水资源调控是一项蕴含丰富不确定性和风险性的系统工程。同时，由于气候变化和人类活动的交叉影响，河流水文情势和水资源开发利用条件发生了深刻变化，进一步加剧了流域水资源系统调控研究的不确定性。随着水资源问题研究范围的不断扩大和深入，跨学科和学科交叉的方法在水资源调控研究领域采用更多[15]，建立综合反映系统多目标、多阶段、多层次、多维风险及不确定性耦合特征的流域水资源综合调控模型，在统一框架下定量计算不同水资源调控策略导致的综合后效，是实施水资源综合调控战略的关键。

(3)“三条红线”最严格水资源管理制度约束下的流域高维、多目标、非线性复杂水资源系统综合调控模型求解方法研究。流域复杂水资源系统综合调控问题，实质上是以系统运行和谐度最大为目标函数、不同子系统可控因子为优化变量、不同子系统自然状态为约束条件的一类复杂非线性系统优化问题，也是以不同调控方案为评价对象的一类特殊的系统评价问题，水资源系统决策调控过程需要处理物理、事理和人理方面的许多不确定性问题。高维、多目标、非线性优化问题求解一直是流域复杂水资源系统调控与决策研究的重点和难点，“三条红线”最严格水资源管理制度更是从水质与水量的双重角度，对水资源的供给、利用和排污环节进行了严格约束，进一步加剧了水资源综合调控模型求解的复杂程度。为此，从复杂系统的运行、转化及协调机制出发，寻求一种求解复杂系统多目标、多阶段、多层次优化问题的高效算法，是实施流域水资源综合调控战略的根本保障。

(4)不同时空尺度下的流域水资源配置、调度及调控成果衔接以及适应性调控方案的制定与实施。流域复杂水资源调控是对水资源配置和调度成果的综合集成，在配置层面，需要分析水资源供需平衡在不同情况下不同规划水平年的结果，提出适宜的水资源开发利用策略；在调度层面，依据配置方案，权衡供需相互适应的灵活性和规划配置方案的原则性；在调控层面，重在鉴于系统当前运行状况，更多考虑人的主观控制因素，强调人为对系统运行的实时控制和反馈。可见，水资源规划配置、运行调度与实时调控的耦合环节存在复杂的尺度转换问题，如何对不同时空尺度(或步长)下的处于动态变化与变异状态的多种水资源供需参数及相应过程进行有效的尺度转换与对接、建立符合流域实际水情特征的适应性水资源调控策略、建立一体化的水资源综合调控框架体系，是实施流域水资源综合调控战略的最终落脚点。

4 小结

水少、水多和水脏已成为目前流域复杂水资源系统调控面临的三个主要问题，随着社会经济的不断发展，流域各部门、各行业之间的用水矛盾日益突出，如何在河流水文情势日益恶化的情况下，对流域水资源系统运行调度过程进行优化调控、以实现流域水资源合理配置和高效利用、从而保障区域社会经济可持续发展，已成为流域水资源行政主管部门亟待解决的一个首要问题。流域水资源调控以水资源宏观配置方案为总控条件，结合流域不同时段来水信息和不同用户用水需求，对水资源的分配、利用及排污等过程进行优化控制，并在控制过程中根据收集的各种实时水情信息和工程信息，对既定的水量分配方案进行反馈滚动修正，以纠正历史调度操作的偏差和累计误差，从而达到流域水资源系统最优调控。在当前“三条红线”最严格水资源管理制度的原则指导下，如何建立不同“红线”监测、评价和控制的指标体系、阐明受“自然—人工”二元水循环模式影响的流域复杂水资源系统演变特征和规律、建立满足流域用水总量控制和排污总量控制目标的复杂水资源系统协同演进模型、从而保障区域资源、社会、经济、粮食、人口及环境子系统的和谐发展，是制约和影响“三条红线”最严格水资源管理制度能否落到实处、从根本上解决我国水资源管理严峻形势的关键科学问题。

论文以上述内容为研究背景，在系统总结流域水资源配置、调度、调配及调控之间相关关系的基础上，从科学性、全面性和系统性的角度出发，阐述了流域复杂水资源系统调控的内涵，回顾了国内水资源调控管理研究走过的五十多年的发展历程，明晰了不同阶段采用的主要技术措施及取得的主要研究成果；其次，采用信息技术、系统科学、计算智能、管理科学与水利科学等多种方法综合集成的研究手段，论述了当前流域复杂水资源系统综合调控研究面临的关键科学问题，并对流域复杂水资源系统智能调控理论的方法和框架进行初步的探讨。论文成果进一步明晰了流域复杂水资源系统调控与管理工作当前的研究现状和未来的发展趋势，也进一步深入、丰富和发展了流域复杂水资源管理研究的理论与实践体系。