許騰文， 傅勇迪

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

水資源是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)與重要物質(zhì)保障， 近年來(lái)經(jīng)濟(jì)化進(jìn)程的加快產(chǎn)生了人口聚集問(wèn)題， 導(dǎo)致人們對(duì)于水資源的需求量大大增加，水資源分布不均勻的現(xiàn)象也愈發(fā)顯著。 水資源合理配置的意義不僅在于解決當(dāng)前水資源的供需不平衡問(wèn)題， 還可以起到提高水資源利用效率、支撐區(qū)域持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展等重要作用[1]。

在與水資源配置相關(guān)的研究中， 多數(shù)學(xué)者僅考慮了水資源在供需量之間的平衡程度， 而配置好的水源能否在各主體之間順利連通也是需要進(jìn)一步確定的問(wèn)題。 基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置不僅能夠大幅度提升水資源的有效利用程度，同時(shí)能夠?qū)⑸鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等因素根據(jù)重要程度取最優(yōu)化協(xié)同發(fā)展， 對(duì)水資源的高效利用以及合理分配具有積極影響與意義。

本文基于水資源配置模式及內(nèi)容等相關(guān)論點(diǎn)，將河湖水系連通特征與優(yōu)勢(shì)聯(lián)系，對(duì)近年來(lái)水資源優(yōu)化配置方法及基本方向進(jìn)行總結(jié)， 提出基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置大體思路，以期能夠?yàn)楹雍B通應(yīng)用在水資源優(yōu)化配置領(lǐng)域提供思路，更大程度上使用水效率有所提高、生態(tài)環(huán)境得到改善。

1 基于河湖連通的水資源配置研究現(xiàn)狀

1.1 河湖水系連通研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

水系連通是進(jìn)行水資源配置的前提條件，同時(shí)也是水資源配置的基礎(chǔ)。 河湖水系是水資源的載體，也是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。 水利部曾提出 “河湖連通是提高水資源配置能力的重要途徑”以提升我國(guó)水資源的整體配置能力，同時(shí)改善我國(guó)河湖綜合能力[2]。

隨著有關(guān)河湖水系連通理論研究的不斷補(bǔ)充與完善，我國(guó)在水系連通概念、分類(lèi)、實(shí)踐應(yīng)用皆有一定進(jìn)展與相應(yīng)建樹(shù)。 河湖水系連通初始定義是以江河、湖泊等水源條件為基礎(chǔ)，通過(guò)人類(lèi)科學(xué)的干預(yù)等措施建立起河湖間的水力聯(lián)系。 現(xiàn)階段河湖連通是以江河、湖泊、水庫(kù)等為基礎(chǔ)，通過(guò)人為采用合理的疏導(dǎo)、連通、調(diào)度等工程和非工程的措施， 建立或者改變江河湖庫(kù)水體之間的水力聯(lián)系[3]；河湖水系連通的分類(lèi)從連通的性質(zhì)、功能、特征方面發(fā)展成可通過(guò)氣候分區(qū)、空間、功能作用等不同角度； 在實(shí)踐應(yīng)用中， 河湖水系連通是以軍事、航運(yùn)、抵御水旱災(zāi)害、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)為主的水系連通。

1.2 水資源配置研究進(jìn)展及現(xiàn)狀

水資源優(yōu)化配置是將水資源所具備的基本特征，針對(duì)水資源的持續(xù)利用合理概化，為滿(mǎn)足多主體、多目標(biāo)、多方向、多層次的不同供用水需求進(jìn)行供應(yīng)方法的探討方式。

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)分析理論和模擬技術(shù)等在水資源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 國(guó)人學(xué)者將我國(guó)的水資源從最初的范圍集中、可調(diào)取量小、目標(biāo)性強(qiáng)的水庫(kù)進(jìn)行合理調(diào)度， 逐步發(fā)展為以較為宏觀的角度和發(fā)展的眼光看待水資源合理配置。 基于前者的鋪墊， 現(xiàn)階段我國(guó)水資源配置發(fā)展能夠保證水質(zhì)水量達(dá)到相應(yīng)要求并正在向多目標(biāo)、更優(yōu)化、可持續(xù)發(fā)展的配置方向發(fā)展。

2 基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置整體思路

基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置整體思路應(yīng)至少包含以下4 個(gè)方面：對(duì)連通區(qū)域的考察、生態(tài)需水量的預(yù)測(cè)、 水資源供需平衡分析以及水資源優(yōu)化配置。 以下分別針對(duì)各方面結(jié)合近年來(lái)水資源配置研究資料進(jìn)行淺析歸納。

2.1 適用于河湖水系連通的水文地貌調(diào)查模式

基于河湖水系連通戰(zhàn)略， 河湖水系連通很大程度上都會(huì)相對(duì)依賴(lài)現(xiàn)實(shí)流域內(nèi)的水文地貌基本要求， 因此應(yīng)該按照河湖水系連通用于水資源配置的目的， 根據(jù)不同的尺度與范圍調(diào)查水文地貌的主要內(nèi)容[4]。 調(diào)查內(nèi)容具體可以分為水文-地貌基本調(diào)查、河流-湖泊連通性調(diào)查以及河湖水系連通動(dòng)態(tài)格局調(diào)查3 個(gè)方面。 水文地貌的基本調(diào)查可從地貌單元、 地貌附近河流的河漫灘系統(tǒng)和地貌動(dòng)態(tài)格局方面著手；河流-湖泊的連通性方面可通過(guò)對(duì)比歷史階段與現(xiàn)階段不同河流位置的連通性特征，分析河流處于常年連通或間歇性連通；對(duì)于河湖水系連通動(dòng)態(tài)格局方面調(diào)查應(yīng)重點(diǎn)圍繞湖泊、濕地等的水位以及面積變化率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 生態(tài)需水量預(yù)測(cè)

生態(tài)需水量大致可分為維持水生生物生存的需水量、水面蒸發(fā)需水量、河道滲漏需水量和湖泊需水量等[5]。 維持水生生物生存需水可使用Tennant 法（蒙大拿法），以年平均流量的百分比作為所求流量進(jìn)行計(jì)算。 河流水面蒸發(fā)需水量需要已知河流對(duì)應(yīng)的水面面積、 當(dāng)?shù)氐乃嬲舭l(fā)量以及當(dāng)?shù)匾欢螘r(shí)間內(nèi)的降水量，計(jì)算方式見(jiàn)公式1。 當(dāng)?shù)叵滤幌鄬?duì)較低時(shí)， 河流會(huì)在強(qiáng)大的水壓作用下向河底滲水，從而發(fā)生滲漏情況。 河流滲漏的需水量計(jì)算公式如公式2 所示。 湖泊的生態(tài)需水量通過(guò)湖泊的水位、水面面積進(jìn)行計(jì)算，三者之間存在的關(guān)系見(jiàn)公式3。

式中：We 為對(duì)應(yīng)河流的水面蒸發(fā)需水量 （萬(wàn)m3）；A 為河流水面面積（萬(wàn)m2）；E 為當(dāng)?shù)氐乃嬲舭l(fā)量（mm）；P 為當(dāng)?shù)仄骄邓浚╩m）。

式中：W河流為對(duì)應(yīng)河流的滲漏損失量（m3）；A為河流的年均水面面積（m2）；K1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

式中：W湖泊為湖泊滲漏損失量（m3）；N 為一年補(bǔ)水次數(shù)；S 為湖泊的水面面積（km2）；H 為湖泊平均水深（m）。

2.3 水資源供需平衡分析

2.3.1 需水預(yù)測(cè)

一般將用水類(lèi)別分為生活用水、 生產(chǎn)用水以及生態(tài)用水3 大類(lèi)，具體分類(lèi)方式見(jiàn)表15]。

表1 水資源配置需水單元等級(jí)分類(lèi)表

2.3.2 供水預(yù)測(cè)

供水預(yù)測(cè)是將城市當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀年供水系統(tǒng)分析與水利開(kāi)發(fā)的實(shí)際現(xiàn)狀相結(jié)合從而來(lái)對(duì)不同水平年供水量的預(yù)測(cè)。 對(duì)于可供水源需首先進(jìn)行區(qū)域劃分，其中包含城市地表水、地下水、中水回用等部分。 地表水可以分為配置城市當(dāng)?shù)氐牡乇硭约昂雍B通工程調(diào)取的水等。 對(duì)地表水的供應(yīng)按照典型年進(jìn)行計(jì)算， 其中典型年可分為不同的保證率：50%、75%和95%；地下水的可供水量以各水平年地下水不同設(shè)備的出水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。 最后對(duì)于中水回用可按照當(dāng)?shù)氐幕赜寐蔬M(jìn)行估算。 對(duì)各個(gè)分區(qū)的供水預(yù)測(cè)量應(yīng)以現(xiàn)狀年的供水比例來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的分區(qū)計(jì)算。

2.4 水資源配置

當(dāng)前期鋪墊工作皆計(jì)算完畢后即可對(duì)基于河湖連通的水資源優(yōu)化配置模型進(jìn)行構(gòu)建。水資源優(yōu)化配置模型是一個(gè)含有多個(gè)目標(biāo)、多個(gè)分區(qū)以及多個(gè)水源的數(shù)學(xué)模型， 其包括了至少3 個(gè)目標(biāo)函數(shù)，分別為：經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益以及生態(tài)效益[6]。

對(duì)于三者的目標(biāo)函數(shù)計(jì)算情況， 經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)可以從宏觀經(jīng)濟(jì)角度來(lái)對(duì)相應(yīng)的水資源配置效益進(jìn)行預(yù)測(cè)； 以各個(gè)水平年之中的主體缺少的用水量最少來(lái)作為社會(huì)效益最大化的目標(biāo)； 對(duì)于生態(tài)效益目標(biāo)可以選擇各個(gè)水平年中的環(huán)境缺水量趨于最小來(lái)作為生態(tài)效益達(dá)成最大化的對(duì)應(yīng)目標(biāo)。

3 現(xiàn)階段基于河湖連通的水資源優(yōu)化配置代表性技術(shù)方法

我國(guó)學(xué)者針對(duì)不同階段所面臨的問(wèn)題， 結(jié)合各自學(xué)科優(yōu)點(diǎn)及國(guó)家優(yōu)勢(shì)研究領(lǐng)域提出不同方向的對(duì)策， 現(xiàn)總結(jié)概括各方向河湖連通水資源優(yōu)化配置的代表性技術(shù)方法。

3.1 基于宏觀經(jīng)濟(jì)的水資源合理配置

為滿(mǎn)足水資源開(kāi)發(fā)利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密聯(lián)系的需要， 在水資源配置研究過(guò)程中采用多目標(biāo)遺傳算法結(jié)合水資源配置成本效益分析， 提出基于宏觀經(jīng)濟(jì)的水資源合理配置方法。

根據(jù)大系統(tǒng)理論的分解協(xié)調(diào)技術(shù)， 將配置模型轉(zhuǎn)化為二級(jí)的多目標(biāo)優(yōu)化模型， 求解方式可采用分解-協(xié)調(diào)技術(shù)中含有的模型協(xié)調(diào)法進(jìn)行，將已經(jīng)關(guān)聯(lián)約束的變量進(jìn)行預(yù)分， 進(jìn)而對(duì)預(yù)分的方案歸納整理使整體系統(tǒng)被拆解為多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，并多次進(jìn)行分配量的調(diào)配，從而使水資源配置系統(tǒng)的綜合效益達(dá)到最大[7]。

采用隨機(jī)模擬等技術(shù)探討基于宏觀經(jīng)濟(jì)的水資源合理配置問(wèn)題， 運(yùn)用多方案模擬辦法通過(guò)多個(gè)目標(biāo)情景來(lái)識(shí)別其風(fēng)險(xiǎn)值大小， 可通過(guò)Monte-Carlo（隨機(jī)模擬）技術(shù)來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因子的模擬，進(jìn)而保證水資源的合理調(diào)配并使宏觀經(jīng)濟(jì)達(dá)到最佳。

3.2 面向生態(tài)進(jìn)行合理配置

水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)帶來(lái)了許多無(wú)法解決的問(wèn)題，例如河道中水位驟減、地下水水位下降等，因此在配置過(guò)程中也應(yīng)適當(dāng)面向生態(tài)水量。

為提高水資源利用率， 可在水資源配置內(nèi)容中引入水資源凈效益思想。 該思想強(qiáng)調(diào)配置工作應(yīng)與生態(tài)保護(hù)任務(wù)相輔相成， 在此過(guò)程中來(lái)盡可能謀求水資源的凈效益最大化。

在進(jìn)行配置的過(guò)程中由于各個(gè)用水主體對(duì)個(gè)體具有影響， 博弈論的想法充分考慮了水資源配置過(guò)程中所有的人為影響， 在配置過(guò)程中不同主體所對(duì)應(yīng)的利益不均衡，應(yīng)進(jìn)行合理均配，參與人依據(jù)自身理性在相對(duì)應(yīng)的制度約束之下通過(guò)利于自身的行為使得利益保證最大化[8]。

3.3 對(duì)于廣義水資源進(jìn)行合理配置

廣義水資源意思是運(yùn)用純天然的水循環(huán)作用來(lái)保證自身水源不斷補(bǔ)充和更新， 對(duì)人工以及天然系統(tǒng)具有一定作用的一次性淡水資源。

傳統(tǒng)的ET 代表的是蒸發(fā)（evaporation）和蒸騰（traspiration）的合寫(xiě)。 針對(duì)于廣義水資源配置方式可通過(guò)基于廣義ET 的水資源規(guī)劃進(jìn)行解決，包括對(duì)于ET 的總量進(jìn)行控制，即在整體方向，把控已有部分的總ET 量， 從而使流域內(nèi)所含有的總體ET含量低于可以消耗的ET， 同時(shí)從流域的整體提高水分生產(chǎn)的水平來(lái)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)性的發(fā)展[9]。

3.4 對(duì)于跨流域大規(guī)模區(qū)域配置

當(dāng)水資源配置涉及到大規(guī)模的連通水系運(yùn)輸工程時(shí)，往往會(huì)面臨多個(gè)水源間、多個(gè)主體間、多個(gè)目標(biāo)和決策的分配問(wèn)題。

系統(tǒng)仿真通過(guò)建立和運(yùn)行處于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中的仿真模型， 來(lái)對(duì)現(xiàn)實(shí)狀況及其隨時(shí)間變化的特征規(guī)律進(jìn)行模擬與分析， 在這個(gè)過(guò)程中可以更直接反映并估算出實(shí)際系統(tǒng)的真正參數(shù)和它的多種性能10]。

對(duì)于區(qū)域水資源的優(yōu)化配置是大系統(tǒng)中多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題， 該方法將現(xiàn)有水資源的綜合效益達(dá)到最大作為配置的總目標(biāo)， 在保證流域環(huán)境需水量的基礎(chǔ)之上， 為各個(gè)行政區(qū)來(lái)提供盡可能高的平均利益比例[11]。

水資源的配置從開(kāi)始的單一簡(jiǎn)單逐步發(fā)展為現(xiàn)階段的多目標(biāo)、多角度、多尺度、多水源來(lái)構(gòu)建多層次的優(yōu)化配置模型。 在未來(lái)的水資源優(yōu)化配置研究領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中， 相信會(huì)有更多優(yōu)化簡(jiǎn)便方法為我國(guó)水資源的合理分配提供思路并發(fā)揮作用，從而進(jìn)一步達(dá)到人水和諧的理想局面，真正實(shí)現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”[12]。

4 基于河湖連通的水資源優(yōu)化配置特征

與傳統(tǒng)的水資源配置方法相比， 基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置將不同江河、湖泊、濕地等水源連接并結(jié)合利用， 統(tǒng)籌規(guī)劃更大范圍的水源內(nèi)容和更廣闊的區(qū)域。 因此基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置較傳統(tǒng)水資源配置具有以下特點(diǎn)：

（1）受水范圍較普通的水資源配置更為廣泛，受用群體范圍大。 由于河湖水系連通考慮到江河、湖泊、濕地等情況，遠(yuǎn)多于水資源配置使用的水庫(kù)等水資源， 同時(shí)由于將調(diào)水區(qū)與受水區(qū)通過(guò)工程進(jìn)行連接形成更大的區(qū)域， 所以在進(jìn)行基于河湖水系連通的水資源配置時(shí)應(yīng)充分考慮多方面的利益相關(guān)體，實(shí)現(xiàn)均衡發(fā)展[13]。

（2）配置網(wǎng)絡(luò)的存在形式更多變、水網(wǎng)形成難度增加。 由于河湖連通工程的產(chǎn)生，調(diào)水區(qū)和受水區(qū)連接的水源增加， 因此需要考慮的不同水源的水質(zhì)、水量等問(wèn)題也相應(yīng)增多，造成應(yīng)對(duì)不同水源調(diào)取現(xiàn)象所作出的假設(shè)判斷與模擬也隨之增加。

（3）配置方向趨于完善、目標(biāo)逐步清晰準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。 現(xiàn)階段我國(guó)水資源配置應(yīng)該以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)， 并以生態(tài)用水的角度進(jìn)行深度研究。 加入河湖水系連通組織后，生態(tài)環(huán)境中的水資源保證了一定的水量， 同時(shí)防止了相應(yīng)的污染， 使可供調(diào)配的水源中水質(zhì)水量皆達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了水資源配置滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等效益的同時(shí)也改善了生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

1.河湖水系連通戰(zhàn)略是我國(guó)提出的一種治水新思路。 相比于傳統(tǒng)水資源配置，本文結(jié)合了河湖水系連通特點(diǎn)， 系統(tǒng)性提出了基于河湖水系連通的水資源配置整體思路。

2.針對(duì)水資源配置的不同目標(biāo)， 結(jié)合研究現(xiàn)狀，分類(lèi)闡述各自代表性研究方法，為水資源優(yōu)化配置多方向發(fā)展提供理論依據(jù)。

3.基于河湖水系連通的水資源優(yōu)化配置具有多方向、多角度、多目標(biāo)、多層次等特點(diǎn)，是一個(gè)相對(duì)系統(tǒng)性、復(fù)雜性的問(wèn)題，本文綜合性的對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行整理總結(jié)， 為基于河湖水系連通的水資源配置深入研究奠定了理論基礎(chǔ)。 □