水資源配置模型有哪些
A. 求水資源供需模型 越多越好
水資源實時監控三維管理系統
1、水資源實時監控三維管理系統的特點及技術要求
水資源實時監控三維管理系統」是以信息技術為基礎，利用DOM/DEM構建一個真實環境的三維地理信息平台。運用各種高新科技手段，對流域或地區的水資源及相關的大量信息進行實時採集、傳輸及管理；以現代水資源管理理論為基礎，以計算機技術為依託對流域或地區的水資源進行實時、優化配置和調度；以遠程式控制制及自動化技術為依託對流域或地區的工程設施進行控制操作，同時以VR虛擬現實技術為核心，建立真實三維環境的模擬，使實時監控所得的數據能夠運行在模擬的真實外野環境，在此基礎上進行分析和指揮調度。這種系統的主要特點是：
①、對水資源進行實時監測。 只有掌握瞬時變化的水量信息，才能科學、准確地進行資源配置及調度；只有掌握瞬時變化的水質信息，才能對環境質量進行動態評價和有效監督，也才有可能應對水污染突發事件，保證供水安全。
②、這種系統以三維地理信息系統( VR GIS)為框架 除了採集水資源信息外，還廣泛採集流域或地區內的氣象、墒情等自然信息，水利工程等基礎設施信息，經濟與社會發展的基本信息以及需水部門的需水信息,利用VR虛擬現實技術，生動再現實際場景。
③、它不同於以往的水資源監測系統，僅僅具有監測功能。 這種系統更重要的功能是進行實時配置調度。它是在監測的基礎上，以大量的綜合信息為基礎，採用現代水資源管理數學模型，實時三維可視化管理，為水資源的實時配置、調度提供直觀的決策支持。
④、這種系統應是高新技術的集成。 系統的設置包括監測技術、通信、網路、數字化技術、遙感（RS）、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、虛擬現實（VR）、人工智慧、遠程式控制制等先進技術。
⑤、它的設置應是因地制宜的。 針對不同流域、不同地區不同的經濟發展水平及基礎設施狀況，水資源管理中不同的重點問題，水資源實時監控管理系統的設置也應具有不同的特點。系統的設置還應與防洪調度指揮系統的建設相結合。
這種系統的技術要求是：
①、以現代電子、信息、網路技術為基礎，實現監測數據的自動採集、實時傳輸和在線分析，有效地提高監測數據的實時性和准確率，確保監測信息的有效性。
②、充分掌握所在地區水資源供需狀況，建立相應的資料庫和水量、水質模型、供需水模型及生態環境分析模型。供水方麵包括：地表水、地下水、土壤水，主水、客水、污水回用等等，需水方麵包括：生活用水、工業用水、農業用水、生態環境用水等。
③、充分運用現代計算機、VR虛擬現實、人工智慧等技術進行高度技術集成，快速、高效、准確、客觀地分析處理大量監測數據信息，並根據已建立的供需水模型和水環境分析模型等，動態生成水資源優化配置、調配計劃等輔助決策方案。
④、以綜合分析和輔助決策為基礎，實現對水資源的優化配置、遠程式控制制和科學管理等，即實現水資源調控的現代化。
⑤、系統應具有很強的實用性和動態可擴展性，以滿足不同用戶的需求。
2、水資源實時監控管理系統的基本結構
水資源實時監控三維管理系統應具備水資源實時測、水資源實時預報、水資源實時調度和水資源實時管理等功能。系統的總體結構又可分解為以下主要部分：
①、三維資料庫(包含圖形庫、圖像庫/3D模型庫和CIS系統)；
②、數學模型庫(包括方法庫)；
③、知識庫；
④、在線數據採集子系統；
⑤、綜合信息三維管理子系統
⑥、綜合分析與決策支持三維子系統；
⑦、實時控制三維管理子系統
B. 水資源合理配置模型主要包括哪些模塊
水資源規劃的類型：線性規劃、動態規劃、非線性規劃與多目標規劃 建設各類型規劃的任務和內容：1.水資源：是指能被利用或可能被利用的，有一定數量和質量，能滿足某一地區某種需求的水源。他的特點是，1，流動性2，多用途性 3，公用型
C. 水資源配置有哪些方法 分別是誰提出
浪費，意味著對水資源短缺的冷漠
從事水利工程研究的蘭州交通大學土木工程學院研究人員貢力介紹，西北地區是我國的缺水地區，2000年的人均水資源量僅為全國人均佔有量的76.87%。根據中國工程院"西北水資源"項目組於2003年公布的西北水資源的情況，西北地區人均多年平均水資源量1781立方米，其中在黃河流域為838立方米，內陸河流域3906立方米。
由於經濟發展和人口分布的相對集中，西北地區人均水資源量的地區分布極不平衡，缺水嚴重的是以下地區：寧夏黃河流域，人均多年平均水資源量217立方米；陝西渭河流域，326立方米；青海黃河支流湟水河流域，618立方米；甘肅河西走廊石羊河流域，761立方米；新疆天山北坡水系，2850立方米，均大大低於全區平均水平；西北地區的平均土地佔有水資源量為每公頃24000立方米，為全國平均佔有量的80.09%。
西北地區一方面是水資源緊缺，而另一方面水資源的浪費又十分驚人，存在著人均用水量高、農田灌溉用水定額高、單位GDP用水量高等水資源低水平利用的問題。第一用水大戶的農田灌溉，多數自流灌區的灌溉水利用系數僅在0. 5左右，而發達國家在0.8左右，相比可見西北地區水利用效率之低。西北地區農田灌溉定額達到每公頃9255立方米，比全國平均值高出40%；萬元GDP用水1736立方米，比全國平均值高處1.85倍。這就使本來就嚴重的水資源缺乏問題雪上加霜。根據相關資料統計，我國農業用水比例已由1949年的97%下降到1999年的69. 2%,但根據已有資料，2000年西北地區總用水量817億立方米，其中農業用水佔83.9%，工業、城市生活用水僅佔16.1%，與全國相比仍相差很大。
同時，西北地區還存在著工業生產工藝落後的問題，導致工業萬元產值用水量高達103立方米，是發達國家的10到20倍；水的重復利用率為40%左右，而發達國家為75%到85%，差距相當大。
污染，讓可利用水資源進一步短缺
水環境的污染又進一步加劇了水資源短缺與利用之間的尷尬。根據2002年的統計資料，西北地區水環境受嚴重污染和中度污染的地區，其人口已經占該區總人口的79. 1%。內陸河流域沒有排污入海的出路，水環境污染十分嚴重；黃河的排污不僅危害本地區，而且危害到黃河中下游的水環境安全。其中特別是西北城鎮工礦地區的生態環境危機，主要是水環境污染，其嚴重程度完全可用"觸目驚心"來形容。
根據中國工程院"西北水資源"項目組的報告表明，西北地區嚴重污染的地區包括黃河幹流、渭河幹流、石羊河流域、疏勒河流域以及伊犁河流域21個城市（地區）所在的主要河段，水質已屬於Ⅴ類或劣於Ⅴ類，不能滿足農業灌溉用水的標准，有的已成為黑臭河段。其中，渭河流域已成為全國污染最嚴重區域之一。污染嚴重河段的流域面積雖然僅佔西北地區總面積的13％，但這些地區是城鎮工礦集中、人口稠密區域，也是今後城鎮發展的主要區域，目前受影響人口已達西北地區總人口的55．2％。這些地區的主要污染因子是COD（有機污染物）、BOD（生物污染物）和氨氮，局部河段如黃河幹流甘肅、內蒙古段還發現 重金屬超標現象。
中度污染地區主要有新疆的烏魯木齊市、甘肅的白銀市以及陝西的銅川市等14個城市（地區），主要河流水質多屬於Ⅳ類，污染河流的流域面積約佔西北地區總面積的27．2％，受影響人口約佔西北地區總人口的23．9％。其水質目前尚可滿足工農業生產要求，但已不能作為飲用水源，而且基本已無環境容量，若不能控制排污，很快將成為嚴重污染區。
尚未明顯污染的地區有27個地市，其主要河流水質基本保持在Ⅱ～Ⅲ類，尚未受到明顯污染。雖然這些水質良好區域的面積佔西北地區總面積的59．8％，但大部分處於荒漠地帶，其人口只佔總人口的20．9％。
今年6月26日黃河幹流內蒙古三湖河口段發生污染，河段水體發黑且伴有死魚飄浮，原因就在於上游的排污。黃河水利委員會寧蒙水文水資源局接到污染事故報告後，前往烏拉特前旗調查並進行現場取樣。據初步分析，本次污染的主要原因是烏拉特前旗塞外星、北晨、華章3家造紙廠及林海化工廠排放的工業廢污水及烏梁素海農灌退水所致。
透支，另一種"殺雞取卵"
當前有限水資源的可持續利用問題也是困擾西北地區的另一大難題。西北地區水資源可持續利用的問題可歸結為乾旱、洪澇和污染，並可具體表述為水資源緊缺、水利工程老化失修、生態環境惡化三個危機和旱洪澇威脅、投入不足、機制過死、生態環境脆弱和行業貧困五大難題。在西部地區，特別是黃土高原地區水土流失面廣量大。一方面乾旱缺水，另一方面由於降雨集中，多暴雨、洪水，加之植被稀少、溝深坡陡，造成了嚴重的水土流失。匯入河道的徑流含沙量大，最大可達每立方米1000到1200千克。根據全國第二次水土流失遙感調查的數據，與第一次遙感調查的數據相比，西部水土流失面積已經由104萬平方公里增加到107萬平方公里。
根據中國工程院"西北水資源"項目組的統計數據，西北地區的水資源開發利用率（供水量與水資源總量的比值）也處在一個很高的水平。以2000年為例，全國水資源的開發利用率為20%，而西北地區卻高達53 .3%，其中黃河流域為55%。內陸河利於為52. 5%。西北各地的水資源開發利用率也極不平衡，甘肅河西走廊水資源開發利用率高達92%，而由於水資源的重復利用和超采地下水，其中石羊河竟然達到154%，黑河達到112%；在新疆，塔里木河和准噶爾盆地的水資源開發利用率也分別高達79%和80%。
西北地區已經嘗到了水資源短缺和低水平利用尷尬帶來的後果，其中最顯著的就是土地沙漠化。西北地區的生態環境由於人類不合理的經濟活動，主要是水、土資源利用不合理，使原有耕地、林地和草地退化。內陸乾旱區，如甘肅民勤，由於河流上中游用水過多，造成下遊河湖乾涸，荒漠擴大；沙漠邊緣地區，由於超采地下水，致使沙生植被枯萎、死亡，造成土地沙漠化。據統計由於過度利用沙區水資源，當地地下水位下降了0.5到1米。地下水位的下降直接影響了地表植被的生長，現有的9000公頃人工沙棗林全部枯死，23300公頃白刺紅柳林也面臨枯死的境地，2萬公頃的土地荒蕪，面臨著二次沙漠化的威脅。
此間，有關專家呼籲，要通過各種措施來提高西北地區水資源的保有量。在當前西北地區經濟欠發達、財政能力無法負擔高昂的生態保護的費用下，應該建立一個流域間的上下游的補償機制，流域的上游地區停止對水資源的過量開采，著重進行生態環境的保護；下游地區是上游生態環境保護工作的受益者，應從財政上對上游地區進行適當的補償。這樣，既可以在不犧牲上游利益的前提下讓環境得到保護，又可以使水資源向能產生更高效益的相對發達的下游地區
D. 奎屯河流域水資源優化配置
一、水資源與開發利用現狀概況
奎屯河流域地處位於新疆天山北坡經濟帶西緣的「金三角」地帶，流域內年平均地表水資源量為16.21×108 m3，地下水天然補給量1.62×108 m3，水資源總量為17.83×108 m3。平原區地下水總補給量8.41×108 m3，其中轉化資源量6.79×108 m3，占總補給量的81%。地下水可開采量為6.25×108 m3，2003年實際開采量3.39×108 m3。
2003年奎屯河流域總用水量為14.65×108 m3，其中生活用水量為0.34×108 m3，占總用水量的2%；生產用水量11.28×108 m3，占總用水量的77%，而其中的農業用水量為10.54×108 m3，占總用水量的72%；人工生態用水1.8×108 m3，占總用水量的12%。
奎屯河流域總用水量為水資源總量的82%，地表水資源利用率70%，幾條主要河流奎屯河、四棵樹河、古爾圖河的引水率均超過了80%，水資源利用程度明顯偏高，造成國民經濟用水擠占生態用水，致使本區生態狀況呈惡化趨勢。因此，必須調整用水結構，強化節水，充分考慮生態用水的基本需求，促使奎屯河流域社會、經濟與生態的協調發展。
二、水資源利用效率分析
在奎屯河流域，農業用水佔全部用水量的70%以上，用水量水消耗系數為7.87 m3/kg，遠遠超過了全國平均水平（1.102 m3/kg），農業水資源利用效率系數僅為0.13kg/m3。工業用水的重復利用率為40%左右，流域除獨山子區工業萬元產值用水量24 m3，其他地區萬元產值耗水量平均165 m3，比全國平均水平高60%以上。
以單位用水量產出的GDP衡量用水效率，2003年奎屯河流域平均用水效率為5.6元/m3，僅為2000年全國平均水平的34%，水資源有效利用率僅為54%。
三、水資源開發利用中存在的問題
隨著流域人口增加和經濟、社會的發展，奎屯河流域水資源開發利用程度不斷提高，流域出現了典型的資源性缺水現象，致使進入下游水量急劇減少，導致河流下游斷流。從而，一方面造成流域灌區內部地下水位升高，土壤鹽漬化，作物減產，土地棄耕；對於非耕地亦造成草木生長稀疏，林木退化；流域下游區域地下水位下降，甘家湖天然林保護區及艾比湖流域生態環境惡化河流中下游斷流，地下水位持續下降。流域下游地區環境惡化。
四、奎屯河流域水資源優化配置的指導思想
為遏止奎屯河流域生態環境惡化的趨勢，要以生態建設為根本，以水資源的科學管理、優化配置、高效利用和有效保護為核心，上、中、下游統籌規劃，工程措施和非工程措施相結合，生態效益與經濟效益兼顧，協調生活、生產和生態用水，充分運用法律、行政、經濟、科技、宣傳、教育手段，進行綜合治理的指導思想。從全局利益的高度著眼，以水資源的可持續利用促進當地經濟社會可持續發展為目標，系統全面考慮流域較長時期的發展需求，調整產業結構和用水結構，進一步協調生活、生產和生態用水，逐步形成符合奎屯河流域特點的、完善的水資源統一管理和生態環境保護體系，實現流域人口、資源、環境與經濟社會的協調發展。
五、奎屯河流域水資源優化配置目標
此確定奎屯河流域水資源優化配置的總目標為：通過合理調度地表水，優化開采地下水，在保證人民生活用水的前提下，維持艾比湖、甘家湖天然林保護區現狀的基礎上，合理分配工業、農業用水比例，逐步恢復古爾圖河、四棵樹河下游末端林地。其次是恢復奎屯河在保護區范圍內的衰敗林項，保障其需水量，使水資源開發獲得最佳的經濟、環境、社會效益，使區域經濟向良性循環方向發展。
六、奎屯河流域水資源優化配置方案生成
根據奎屯河流域水資源優化配置目標、原則及具體問題，結合奎屯河流域規劃、新疆「十一五」跨流域調水工程規劃，主要從開源和節流角度擬定奎屯河流域水資源配置可行的方案集，如表9-26。
表9-26 奎屯河流域水資源配置可行方案設置表
在現狀供水條件下，將各種可能的配置措施投入組合成其他的配置方案。其中挖潛，指對流域現有蓄、引、排工程挖潛改造；節水，包括工農業節水。通過工農業節水技術的實施，不同規劃水平年高、中、低三種需水方案比現狀條件下需水可減少2010年0.45×108～1.17×108m3、2020年1.53×108～2.85×108m3、2030年2.03×108～4.42×108 m3。污水回用，指城鎮生活及工業用水排放量，給下游天然生態供水，規劃不同水平年污水回用水量分別為：2010年0.63×108m3、2020年1.2×108m3、2030年1.88×108m3。地下水開采工程，按流域規劃，統一開采地下水；山區調蓄工程，即流域規劃奎屯河上的特門水庫、將軍廟水庫、紅山水庫和四棵樹河上的吉爾格勒水庫，總庫容1.95×108 m3；跨流域調水工程，從國際河流伊犁喀什河向奎屯河流域調水5.0×108m3。
七、奎屯河流域供需水分析
（一）奎屯河流域現狀2003年供需平衡分析
奎屯河流域現狀2003年需水量18.21×108 m3，其中生活、生產、生態需水分別為0.34×108 m3、13.48×108 m3、4.39×108 m3，各占總需水量的1.8%、74.1%、24.1%，而生產需水中，農業需水為12.74×108 m3，占總需水量的70%。依據統計資料，奎屯河流域2003年供水量為15.42×108 m3，其中地表水供水量為11.32×108 m3，地下水供水量為3.39×108 m3，側向排入艾比湖0.42×108 m3，排入奎屯河下游排鹼渠0.29×108 m3，缺水2.84×108 m3。詳見表9-27。
表9-27 2003年供需平衡分析表（單位：108 m3）
由表中可以看出，現狀條件下，奎屯河流域缺水2.79×108 m3，其中農業缺水0.91×108 m3，天然生態缺水1.88×108 m3。
（二）奎屯河流域不同水平年不同配置方案供需分析
1.現狀可供水量分析
可供水量是指在不同水平年、不同來水保證率的情況下，通過各類水利工程設施可以為各行政區、各部門提供的水量。可供水量的大小與水資源的總量、水利工程的供水能力及用水水平有關，同時也受國家、地方或各用水戶之間的分水方案制約，在用水水平、水資源總量一定的情況下，可供水量主要取決於水源工程的類別、數量、設計規模和運行方式等。
現狀水利工程、用水水平、分水方案條件下，奎屯河流域不同來水保證率情況下的可供水量詳見表9-28。
表9-28 奎屯河流域不同來水保證率時的可供水量表（單位：108 m3）
由表中可以看出，在來水保證率50%（平水年）時，可供水量為14.95×108 m3，其中地表水可供水量10.89×108 m3，地下水開采量3.39×108 m3，地下水側向排入艾比湖0.40×108 m3，排入下游排鹼渠0.27×108 m3。
2.現狀條件下，不同規劃水平年，來水保證率50%時供需分析
奎屯河流域2003年地下水開采量為3.39×108 m3，地下水可開采量為6.25×108 m3。由於現狀地下水開采沒有統一規劃，在奎屯市、烏蘇市、八十四戶鄉、甘河子鄉等地開采較集中，開采量大，已成為超采區。奎屯河流域規劃按地貌單元、水文地質條件，將奎屯河流域平原區分為控制開采區、調蓄開采區、禁止開采區（指自然生態單元）等地下水開發利用分區。規劃到2010，地下水開采量為3.47×108 m3；到2020年，地下水開采量為4.41×108 m3；2030年，地下水開采量為6.25×108 m3。據此，不同規劃水平年多年平均2010年、2020年、2030年可供水量分別為15.03×108 m3、15.97×108 m3、17.81×108 m3。
3.來水保證率50%、中等需水情況下，不同配置方案供需分析
由表9-29中可以看出，來水保證率50%時，不同規劃水平年不同需水方案，均缺水。2010水平年缺水5.12×108～8.08×108 m3，2020水平年缺水5.99×108～11.1×108 m3，2030水平年缺水4.8×108～11.61×108 m3，缺水占總需水量比例均大於20%。偏旱年、乾旱年缺水會更明顯。
表9-29 不同規劃水平年來水保證率50%年供需分析表
由表9-30中可以看出，中等需水情況下，各種配置方案除外流域調水方案6外均缺水。方案1現狀配置條件下，2030年缺水達總需水量的48%，將嚴重影響國民經濟發展和人民生活水平的提高。方案2在挖潛改造和工農業節水情況下，一方面可供水量增加；另一方面，需水量相對減少。此方案配置條件下，到2030年缺水仍達37%，比方案1缺水量占總需水量的比例減少11%。配置方案3污水回用後缺水減少，但缺水也達到需水量的26%～30%。配置方案4實行地下水開采工程，缺水有逐步減少的趨勢，到規劃水平年2030年僅缺水18%。配置方案5修建山區調蓄水庫後，可有效地緩解缺水情況。只有在配置方案6外流域調水情況下，可供水量大於流域內需水量，可向艾比湖供水0.14×108～1.55×108 m3，有利於改善該區的生態環境現狀。由此，隨著人口增加和經濟的快速發展，奎屯河流域缺水將日漸嚴重。為實現奎屯河流域生態、社會和經濟的可持續發展，必須採取工程和非工程措施，對有限的水資源進行優化配置。
八、奎屯河流域水資源優化配置模型建立及求解
（一）模型規劃
1.管理區的劃分
根據奎屯河流域的地理特徵、水資源條件、灌區分布、生態環境現狀、行政區劃及發展規劃，可將流域劃分為若乾子區（圖9-2）。子區劃分遵循以下原則：
1）盡量按照流域地形、地貌條件劃分，以便計算可利用水資源量；
2）盡可能與行政分區一致，以方便資料收集整理，增加實施的可能性；
3）分區要與水資源調查評價中的分區相協調，以便採用水資源評價的成果。
依據以上原則可將奎屯河流域劃分為Q個子區，某個子區用l表示，l=1，2，…，Q，Q=12。在每個子區內結合地下水位埋深進一步劃分次級單元，次級單元不同埋深用不同的編碼表示。
2.水源類型
根據奎屯河流域的實際情況，其供水水源有當地地表水、地下水、回用水、跨流域調水四種類型。
3.用水部門
區域用水一般可分為生活用水、生產用水和生態用水三大類。根據奎屯河流域實際，每一類用水可分為若干具體的用水部門。如生活用水分城鎮居民、農村居民（包括牲畜用水）生活用水；生產用水包括工業用水、農業用水；生態用水包括人工生態用水、天然生態用水等。
表9-30 不同配置方案平水年可供水量表（單位：108 m3）
（二）多目標優化配置模型構建
1.決策變數
通過操縱可控變數，對水資源系統進行調控，並使系統的目標最終達到最優，該可控變數即為決策變數。根據奎屯河流域實際情況，水資源優化配置模型的決策變數是不同水源分配給不同用水部門的水量。分別用下式表示，即
准噶爾盆地地下水資源及其環境問題調查評價
式中：為i水源供給l子區j部門的水量。
圖9-2 奎屯河流域水資源優化配置分區圖
依據奎屯河流域實際，考慮到各用水部門的季節性及水源類型的差異，作如下說明：①生活用水考慮到用水的便利性、清潔性及用水習慣，全部使用地下水；②工業用水考慮到集中供水及處理方便等因素，全部使用地下水；③農業用水由地表水和地下水共同提供；④生態用水只考慮用地表水灌溉的植被面積，而對地下水維系的生態系統通過約束地下水位調控。
2.目標函數
奎屯河流域水資源優化配置的目標是在維持水資源可持續利用的條件下，實現區域經濟、社會和生態環境綜合效益最大。其中涉及經濟目標、社會目標、生態目標等，而反應經濟、社會、生態效益的指標非常多，且部分社會效益和生態效益指標不易量化，所以建立水資源優化配置模型時盡量選擇能定量、有代表性的效益指標構造優化模型的目標函數。
（1）經濟效益目標選擇
在經濟學中反應效益的目標眾多，如產值、利潤、國民經濟總產值和國內生產總值等。本次計算選用工農業產值最大作為經濟目標。
准噶爾盆地地下水資源及其環境問題調查評價
式中：為l子區j部門的工業、農業用水量；為l子區j部門單位水量產值系數；對工業用水部門可用萬元產值用水定額推求，乾旱區沒有灌溉就沒有農業，對農業用水部門用灌溉定額、灌溉面積和農業產值推求；為i水源分配給l子區j用水部門的水量。
工農業生產總值最大，反映了同等水量在不同用水部門間優化配置後取得的經濟效益，但是，一方面，同一部門的水量來自不同的水源時，由於單位供水成本存在差異，從不同水源獲得同等量供水的費用不同；另一方面，為滿足經濟社會對水資源需求，實現水資源可持續利用和經濟社會協調發展，在工農業產值最大的情況下，要求水量消耗最少，且水資源配置系統的總投入費用最小作為經濟效益目標。依據奎屯河流域實際情況，不同水源間以優先使用當地地表水、地下水、回用水，最後使用外調水。
水資源消耗量最小目標：
准噶爾盆地地下水資源及其環境問題調查評價
式中：W為流域消耗的總水量，108 m3；為i水源分配給l子區j用水部門的水量，108 m3。
（2）社會目標選擇
社會目標極其廣泛，包括社會穩定、生活質量、就業率、文化教育等。建模時，首先保證城市和農村的生活用水，作為保障生活質量的間接反映，並作為約束條件處理。另一方面，從社會發展的角度講，糧食供應是社會穩定的主要影響因素之一，可選擇糧食產量作為社會目標的表徵指標。據此，根據規劃水平年的人口發展，確定糧食種植面積，保證自給自足。
（3）生態目標選擇
水資源優化配置的生態目標是維持現有生態系統平衡、恢復或改善生態系統等。從水資源利用的角度講，生態供水量是生態平衡狀態的間接度量。據此，選擇在基本保證生態需水的前提下，水量的分配。
3.約束條件
（1）資源約束
1）地表水約束。各子區不同用水部門引用地表水量之和應小於可供地表水量。
准噶爾盆地地下水資源及其環境問題調查評價
2）地下水約束。考慮到地下水維系天然植被的功能，各子區不同用水部門引用的地下水量應小於允許開采量。
准噶爾盆地地下水資源及其環境問題調查評價
3）目標約束。最大程度地滿足人民生活及各種經濟活動對水資源的需求。
准噶爾盆地地下水資源及其環境問題調查評價
式中：需水量（min）=α×需水量（max），α為基本用水系數，α=1，表示生活用水及天然生態需水必須保證；0.5＜α＜1.0，表示生產（工業、農業）用水可適量減少；0.6＜α＜1.0，表示人工生態用水應盡量保證。
（2）地下水位約束
為防止由於地下水位過高或地下水位過低，導致土壤鹽漬化和沙漠化，必須將灌區地下水位調控在一定的范圍內。鑒於奎屯河流域下游平原區地下水以垂向交換為主，因此，在忽略單元之間水平方向水量交換的前提下，第l單元地下水位約束可用如下不等式表示：
准噶爾盆地地下水資源及其環境問題調查評價
（3）非負約束
准噶爾盆地地下水資源及其環境問題調查評價
（三）多目標優化配置模型求解
1.計算方法概述
本次採用MATLAB 遺傳演算法優化工具箱對上述模型進行求解。
2.遺傳演算法基本原理
生物的進化是一個奇妙的優化過程，它通過選擇淘汰，突然變異，基因遺傳等規律產生適應環境變化的優良物種。遺傳演算法是根據生物進化思想而啟發得出的一種全局優化演算法。
遺傳演算法的概念最早是由Bagley J D在1967年提出的；而開始遺傳演算法的理論和方法的系統性研究的是1975年，這一開創性工作是由Michigan大學的J.H.Holland所實行。當時，其主要目的是說明自然和人工系統的自適應過程。
3.遺傳演算法的求解步驟
遺傳演算法提供了一種求解復雜系統優化問題的通用框架，它不依賴於問題的領域和種類。對一個需要進行優化計算的實際應用問題，一般可按下述步驟來進行遺傳演算法求解。
圖9-3 遺傳演算法的基本流程
1）確定決策變數及其各種約束條件，即確定出個體的表現型和問題的解空間。
2）建立優化模型，確定出目標函數的類型，是求目標函數的最大值還是求最小值，並確定目標函數的數學描述形式或量化方法。
3）確定表示可行的染色體編碼方法，也即確定出個體的基因型及遺傳演算法的搜索空間。
4）確定解碼方法，即確定出由個體基因型到個體表現型的對應關系或轉換方法。
5）確定個體適應度的量化評價方法，即確定出由目標函數值到個體適應度的轉換規則。
6）設計遺傳運算元，即確定出選擇運算、交叉運算、變異運算等遺傳運算元的具體操作方法。
7）確定遺傳演算法的有關運行參數，即確定出遺傳演算法的群體規模、最大迭代代數、選擇運算元、交叉運算元、變異運算元等參數。具體詳見圖9-3。
4.參數選擇
（1）各目標權重系數
通過對各個目標進行加權，並不斷調整各目標的權重值以達到一個較理想的規劃方案，最終確定多目標模型中水資源節約目標的權重系數為0.6，工農業經濟目標權重系數各為0.2。生態環境方面由於目標難以定量化，所以把它考慮在生態環境需水量和地下水位約束條件中。
（2）可供水量
可供水量包括地表水可供水量和地下水可供水量。不同的來水頻率和配置方案，可供水量不同。通過水利工程挖潛改造，工農業節水，污水回用及地下水開采工程的實施，可有效緩解奎屯河流域缺水，但缺水仍達20%以上。修建山區調蓄水庫和外流域調水是從根本上解決奎屯河流域缺水的必要措施，因此本次主要計算在來水50%（多年平均）保證率、中等需水情況下，充分利用當地水資源即配置方案5的水量分配。
（3）需水量
不同水平年需水量、農業用水定額、工業萬元產值用水量，在需水預測計算時已詳述。
（4）地下水位約束
奎屯河流域存在的生態環境問題與地下水位密切相關，因此，確定合理的地下水位，對於奎屯河流域生態環境保護至關重要，而地下水位的高低直接受控於地下水資源的開發利用模式。因此，為遏止奎屯河流域生態環境惡化，必須採用合理的地下水開發利用模式，協調生活、生產和生態用水，實現流域人口、資源、環境與經濟社會的協調發展。
1）山前洪積礫質傾斜平原區。該區地下水位要有利於地下水水庫調蓄，獲得最大的地下水水庫庫容，從而發揮地下水含水層的最大調蓄能力。
2）沖積平原灌區。自溢出帶至一二六團，該區是奎屯河流域的農業灌溉區。該區地下水位主要研究如何控制地下水位，使得灌溉期前，有利於灌溉水入滲補給地下水，灌溉期後又不造成土壤鹽漬化。根據觀測資料，對灌區地下水生態水位在灌溉期前控制在4～6 m，灌溉期後，控制在3～5 m，以形成最大的地下庫容，且土壤不產生鹽漬化。
3）沖湖積平原甘家湖天然林保護區。根據調查研究，天然植被的生長狀態與地下水埋深關系詳見表9-31。
表9-31 准噶爾盆地南緣主要植被生長狀態與地下水埋深關系表
根據調查研究成果，該區地下水位控制在1.5～7 m，天然植被生長較好。為此，在維持現狀的基礎上，應考慮逐步改善該區的生態環境現狀，規劃各水平年2010年、2020年、2030年進入甘家湖地區的水量分別為1.92×108 m3、3.13×108 m3、3.54×108 m3。
九、水資源優化配置模型求解結果及分析
（一）計算結果
採用MATLAB 遺傳演算法優化工具箱對上述模型進行求解，其結果詳見表9-32～表9-35。
（二）結果分析
1.現狀水平的水資源優化配置成果及分析
現狀水平，奎屯河流域水資源總量為17.83×108 m3，其中地表水資源16.21×108 m3，山前側向補給資源1.11×108 m3，降水補給0.51×108 m3。奎屯河流域總需水量18.21×108 m3，其中生活需水量0.34×108 m3，工業需水量0.74×108 m3，農業需水量12.74×108 m3，人工生態需水1.80×108 m3，天然生態需水2.59×108 m3。生活用水占總用水量2%，工業用水佔5%，農業用水占的77%，生態用水佔16%。
按烏蘇市與農七師分水協議，採用水資源優化配置模型進行現狀水平水資源優化配置計算，見表9-32，流域平均總供水量15.37×108 m3，其中地表水供水量11.27×108 m3，地下水供水量4.1×108 m3，總缺水量2.84×108 m3，缺水率15.6%。缺水分布為：中游農田灌溉缺水0.91×108 m3，下游天然生態缺水1.88×108 m3，無地表徑流進入甘家湖區。
地下水開采比例在細土平原區地下水埋深1～5 m區，農業開采地下水比例在20%～30%，鹽漬化嚴重；在水位埋深5～10 m區農業開采地下水比例在15%～25%。在山前傾斜礫質平原水位埋深大於50 m區，農業未開采地下水。
2.2010年水平水資源優化配置成果及分析
2010年水平，奎屯河流域水資源總量為17.83×108 m3，其中地表水資源16.21×108 m3，山前側向補給資源1.11×108 m3，降水補給0.51×108 m3。奎屯河流域總需水量22.44×108 m3，其中生活需水量0.71×108 m3，工業需水量1.18×108 m3，農業需水量10.6×108 m3，人工生態需水7.36×108 m3，天然生態需水2.59×108 m3。生活用水占總用水量3%，工業用水佔5%，農業用水占的47%，生態用水佔45%。
按配置方案5及烏蘇市與農七師分水協議，採用水資源優化配置模型進行現狀水平水資源優化配置計算，見表9-33，流域平均總供水量17.52×108 m3，其中地表水供水量13.38×108 m3，地下水供水量4.14×108 m3，總缺水量4.7×108 m3，缺水率22%。缺水分布為：中游農田灌溉缺水2.71×108 m3，人工生態缺水2.21×108 m3，有1.92×108 m3地表徑流進入甘家湖區。
表9-32 2003年奎屯河流域水資源優化結果表（單位：104 m3）
表9-33 2010年奎屯河流域水資源優化結果表（單位：104 m3）
地下水開采比例在細土平原區地下水埋深1～5 m區，農業開采地下水比例在16%～30%之間；在水位埋深5～10 m區農業開采地下水比例在13%～20%之間，詳見圖9-4。在山前傾斜礫質平原水位埋深大於50 m區，農業未開采地下水。
3.2020年水平水資源優化配置成果及分析
2020年水平，奎屯河流域水資源總量為17.83×108 m3，其中地表水資源16.21×108 m3，山前側向補給資源1.11×108 m3，降水補給0.51×108 m3。奎屯河流域總需水量24.11×108 m3，其中生活需水量0.95×108 m3，工業需水量2.42×108 m3，農業需水量9.39×108 m3，人工生態需水7.55×108 m3，天然生態需水3.80×108 m3。生活用水占總用水量4%，工業用水佔10%，農業用水占的39%，生態用水佔47%。
按配置方案5及烏蘇市與農七師分水協議，採用水資源優化配置模型進行現狀水平水資源優化配置計算，見表9-34，流域平均總供水量19.17×108 m3，其中地表水供水量14.09×108 m3，地下水供水量5.08×108 m3，總缺水量4.94×108 m3，缺水率21%。缺水分布為：工業缺水0.62×108 m3，中游農田灌溉缺水2.39×108 m3，人工生態缺水1.93×108 m3，有3.13×108 m3地表徑流進入甘家湖區。
圖9-4 奎屯河流域灌區地下水開采所佔比例等值線圖
地下水開采比例在細土平原區地下水埋深1～5 m區，農業開采地下水比例在20%～35%；在水位埋深5～10 m區農業開采地下水比例在16%～25%，農業開采地下水比例增加。在山前傾斜礫質平原水位埋深大於50 m區，農業未開采地下水。
4.2030年水平水資源優化配置成果及分析
2030年水平，奎屯河流域水資源總量為17.83×108 m3，其中地表水資源16.21×108 m3，山前側向補給資源1.11×108 m3，降水補給0.51×108 m3。奎屯河流域總需水量25.27×108 m3，其中生活需水量1.18×108 m3，工業需水量4.15×108 m3，農業需水量8.32×108 m3，人工生態需水7.41×108 m3，天然生態需水4.21×108 m3。生活用水占總用水量5%，工業用水佔16%，農業用水占的33%，生態用水佔46%。
表9-34 2020年奎屯河流域水資源優化結果表（單位：104 m3）
按配置方案5及烏蘇市與農七師分水協議，採用水資源優化配置模型進行現狀水平水資源優化配置計算，見表9-35，流域平均總供水量21.21×108 m3，其中地表水供水量14.28×108 m3，地下水供水量6.93×108 m3，總缺水量4.06×108 m3，缺水率16%。缺水分布為：工業缺水1.18×108 m3，中游農田灌溉缺水1.52×108 m3，人工生態缺水1.36×108 m3，有3.54×108 m3地表徑流進入甘家湖區。
表9-35 2030年奎屯河流域水資源優化結果表（單位：104 m3）
地下水開采比例在細土平原區地下水埋深1～5 m區，農業開采地下水比例在25%～41%；在水位埋深5～10 m區農業開采地下水比例在20%～30%，農業開采地下水比例增加。在山前傾斜礫質平原水位埋深大於50 m區，農業未開采地下水。
各水平年優化結果中生活、生產、生態用水比例，詳見表9-36。由表中可以看出，生活用水比例不斷增加，由現狀的2%，增加到2030年的6%；生產用水比例不斷減少，由現狀的82%，減少到2030年的50%，而其中的農業用水比例減少，工業用水比例增加；生態用水比例由現狀的16%，增加到44%。由現狀無地表徑流進入甘家湖區，到2030年有3.5×108 m3地表徑流進入甘家湖區，將逐漸改善該區及艾比湖的生態環境現狀。
表9-36 奎屯河流域不同水平年各用水部門用水比例優化結果表
5.流域內不同水平年地表水與地下水利用量優化結果
2003年地下水用水量占總用水量的27%，地表水佔73%；2010年地下水用水量占總用水量的32%，地表水佔68%；2020年地下水用水量占總用水量的23%，地表水佔67%；2030年地下水用水量占總用水量的32%，地表水佔68%，見表9-37。這表明流域內以引用地表水為主，開采地下水為輔；各規劃水平年地下水用水比例保持在32%左右，對現狀灌區鹽漬化有明顯的改善。
表9-37 奎屯河流域不同水平年用水優化結果中地表水、地下水用水量表
總之，優化結果基本體現了生態保護與國民經濟發展，人民生活水平提高與節約水資源相協調的原則。
E. 南四湖流域優化配置模型構建
2.3.1.1 流域水資源系統概化
鑒於水資源系統的復雜性，水資源配置需要根據其目的與需要，對水資源系統的特性和演變規律做適當的概化。概化是指將真實的水資源系統轉化為計算機所能識別的網路系統。概化的原則是指要能夠比較真實地反映出水資源計算分區的水量傳遞，並且有利於揭示供需矛盾;同時，也要適應基礎資料與數據源的准確程度，並且便於分析計算。
根據南四湖流域情況及水資源計算分區，將南四湖流域水資源系統概化為由節點和有向線段組合的網路，構成了水資源系統網路圖(圖2.4)。圖中節點包括重要計算單元、河渠道等，各種水源的供水都是在各計算單元的基礎上進行的，有向線段代表天然河道或人工輸水渠道，它們反映節點之間的水流傳輸關系。
圖2.4 南四湖流域水資源系統網路示意圖
2.3.1.2 水資源優化配置模型描述
(1)配置方法
水資源優化配置需要用水資源系統分析的方法來解決。在水資源系統分析中，數學模型起著十分重要的作用，水資源優化配置問題可通過建立數學模型來解決。水資源系統的數學模型一般包括目標函數和約束條件兩部分。對於不同的系統和不同的水資源問題，數學模型是不同的。數學模型通常是根據系統的實際需要來設計目標函數，使目標函數值達到最大或者最小，即系統達到最佳狀態時得到的水資源優化配置方案。
水資源優化配置的目的是為了支撐全流域社會、經濟、環境的全面協調和持續發展。水資源利用是多目標的，水資源優化配置就是多目標優化問題，其目標不是追求某一方面或對象的效益最好，而應追求整體效益最好。因此，水資源優化配置問題實際上是一種復雜的多目標決策問題。
根據南四湖流域自然地理與人文地理特點，採用多目標規劃模型對流域的水資源進行合理配置。水資源優化配置多目標問題一般表達式如下:
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:x為決策變數;fp(x)為p個獨立的目標函數向量;gi(x)為約束條件組;bi為右端常數項向量。
(2)目標函數
目標函數表徵模型系統的目標要求。針對研究的問題不同，要求目標函數實現最大化或最小化。根據水資源優化配置的科學內涵，水資源優化配置是通過科學合理分配有限的水資源，以解決水資源的短缺和用水競爭問題，更好地滿足生活、工農業生產及生態環境的需求。
對於南四湖流域來說，水資源配置的主要目的是著重研究如何聯合運用多種水源(包括當地水源和外調水源)，以緩解水資源短缺而引起的爭水問題，結合本流域「十一五」規劃要求，最終設定了以下2個目標函數。
1)經濟效益目標。以區域供水帶來的直接經濟效益最大來表示。函數表達形式為
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
2)社會效益目標。由於社會效益不容易度量，而區域缺水量的大小或缺水程度會直接影響到社會的發展和穩定，故採用區域供水系統總缺水量最小來間接反映社會效益。函數表達形式為
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
(3)約束條件
約束條件表徵目標函數的限制條件。推求目標函數達到最優時的決策變數，應是在約束條件下求得的。在水資源優化配置中，產水量、供水量、輸水建築物的過水能力等都可能成為約束條件。
1)供水量約束。根據資源節約和有效利用的原則，不同水源供給計算分區各用水戶的總水量不應多於其可供水量，如下式
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
2)供水能力約束。各分區的輸水河道及泵站都有各自的輸水能力。因此，在水資源配置計算時，供水水源對計算分區各用水戶的供水量不應大於其最大輸水能力，如下式:
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:Qmax，ik、Qmax，ck分別為規劃水平年內獨立水源i及公共水源c對第k水資源分區輸水能力。
3)部門用水量約束。各水源提供給各分區各用水戶的水量不低於該部門的最低用水量，如下式:
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
4)變數非負約束。各個分區的任何用水戶的用水量都不為負，所能提供的水量能滿足每個用水戶的需要，如下式:
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
2.3.1.3 模型的建立
將上述目標函數及各種約束條件組合在一起，即構成南四湖流域水資源優化配置的總體模型
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:各符號的意義同式(2.10)至式(2.17)。
該水資源優化分配模型充分考慮了流域水資源的可持續利用和經濟社會的可持續發展，以滿足流域供水經濟效益最大及水資源系統總缺水量最小為目標，並在流域劃分水資源計算分區中，考慮各用水戶及各供水水源之間的相互協調作用，使得相應的水資源分配最優。
2.3.1.4 模型參數確定
南四湖流域供水水源有4個，包括本地地表水、地下水和跨流域調水。其中，跨流域調水包括引黃河水和南水北調工程引長江水。據流域水資源計算分區劃分(圖2.3)，計算分區為4個。其中，引長江水供給所有分區，為全區公共水源;引黃河水分別供給濟寧及湖區和湖西菏澤區，為兩分區公共水源;各分區的當地地表水和地下水為單分區水源。
考慮流域內各計算分區的實際情況，將用水部門具體劃分為生活用水、工業用水、農業用水和生態環境用水等4個用水部門。
在水資源優化配置模型中，以k個計算分區內i水源提供給j用水戶的供水量
(1)用水部門公平系數
確定用水優先權是模型分析計算的前提。根據流域用水部門的性質和重要程度，按照「先生活，後生產」的原則，在同一計算分區中把用水部門劃分為不同的級別。
據《山東省水利發展和改革「十一五」規劃》(2006年)、《江蘇省水利發展「十一五」規劃》(〔2006〕147號文)和《山東省經濟發展「十一五」規劃》(2006年)，流域內經濟發展以工業為主，兼顧農業發展，優先保障生活用水，然後保障工業用水，最後安排農業用水，使其供水保證率分別達到98%以上、75%～90%、50%～75%。目前南四湖流域水污染較為嚴重[5，27]，生態系統遭到破壞，在保障生活用水的同時，還要充分考慮生態環境用水。
由此，將南四湖流域各用水部門劃分為如下四個等級:第一級為生活用水，第二級為生態環境用水，第三級為工業用水，第四級為農業用水。當發生缺水時，級別低的用水部門先縮減供水，以確保級別高的用水戶正常供水。
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
經計算，各用水戶的用水公平系數
(2)供水次序系數
供水次序系數
根據以上原則，確定南四湖流域各水源的供水次序為:①地表水;②地下水;③引黃河水;④引長江水。供水次序系數
對於濟寧及湖區、湖西菏澤區兩水資源計算分區，
對於湖東棗庄區和湖西徐州區兩水資源計算分區，
(3)供水效益系數及費用系數
1)效益系數。水資源優化配置數學模型，涉及各類水源的供水經濟效益，是分析水資源優化配置的主要依據條件。水資源優化配置過程中，在滿足生活用水、生態環境用水及各類生產部門用水最小需水量的前提下，將水資源量盡可能分配到經濟效益較大的用水部門中去，最大限度的發揮水資源的經濟效益;同時，要使整個研究區的缺水量最小。
南四湖流域農業生產用水的經濟效益近年來有所增長，據統計，隨著節水灌溉方式的普及，農業生產用水的經濟效益顯著提高。目前，南四湖流域農業生產用水的效益系數在15～20元/m3之間，至規劃水平年(2015年)，農業生產用水的效益將成倍增長。工業用水經濟效益較大，根據經濟發展水平，工業用水效益多在150～250元/m3之間。
在計算過程中，農業用水、工業用水的經濟效益系數採用山東省和江蘇省統計部門提供的數據進行計算;生活、環境的效益是間接而復雜的，不僅有經濟方面的因素，還有社會效益存在，其效益系數較難確定。根據生活、生態環境用水優先滿足的配置原則，在計算中賦以較大的權值，用以表示其效益系數。由此，得出南四湖流域規劃水平年(2015年)各用水部門的用水效益系數，見表2.17。
表2.17 南四湖流域2015年各用水部門效益系數單位:元/m3
2)費用系數[57，62，63]。不同水源供水給各用水部門費用系數，參考水費徵收標准確定。對有資料水源工程，根據資料計算確定;缺乏資料時，參考鄰近地區同類水源工程選取。
a.從水廠取水的用戶以水價作為其費用系數。
b.從自備井取水的用戶以水資源費、污水處理費與提水成本之和作為其費用系數。
c.從水利工程取水的用戶以水資源費、污水費與輸水成本之和作為其費用系數。
d.農業用戶的費用系數參考水費徵收標准確定。
據以上原則，並結合南四湖流域南水北調東線工程調水費用進行分析，得出流域規劃水平年(2015年)供水費用系數，見表2.18。
表2.18 南四湖流域2015年供水費用系數單位:元/m3
(4)需水量上下限
記k子區j用戶的需水量上、下限分別為
其確定方法如下:
1)生活需水量上下限。根據生活用水特性，其上、下限均取為生活需水量，即
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
2)環境需水量上下限。考慮到人們對環境用水的重視，環境用水的上下限也均取為環境需水量，即
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
3)工業需水量上下限。考慮工業用水的特徵，工業需水量的上下限按下式取
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
4)農業需水量上下限。農業灌溉需水量的上下限需要根據有效灌溉面積、保證灌溉面積和綜合灌溉定額來確定，即
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:
表2.19 南四湖流域各計算分區不同部門需水量上下限單位:萬m3
(5)權重系數
目標權重系數λp表示p個目標對其他目標而言的重要性程度;子區權重系數βk表示k子區對整個區域而言的重要性程度。本節利用層次分析法確定權重系數βk和λp。
1)層次分析法求解的基本思路。層次分析法是美國運籌學家T.L.Saaty於20世紀70年代提出的一種多目標決策分析方法，屬於定性與定量分析相結合的方法，是一種將決策者對復雜系統的決策思維過程模型化、定量化的過程。應用層次分析法，決策者可以把復雜的問題分解為若干層次，每個層次包含若干因素;在各層次、因素間進行比較和計算，可以得到表示方案重要性程度的權重，為最優方案的選擇提供依據。層次分析法適用於多目標、多層次的非結構化、半結構化決策問題，在系統評價、方案比較等方面得到了廣泛的應用。在流域水資源規劃方案、工程設計方案、工程施工方案等的比較與優選中，均可以考慮採用層次分析法[56，64]。
本節將應用層次分析法確定經濟效益和社會效益兩個子目標的權重系數λp及四個水資源計算分區在整個流域中的權重系數βk。確定因子權重的具體步驟如下[66～68]:
a.建立層次結構模型，如圖2.5所示。
圖2.5 南四湖流域多目標優化遞階層次結構圖
b.構造判斷矩陣。對於建立的層次結構模型，需要逐層計算相關因素間的重要性，並予以量化，構成判斷矩陣，作為進一步分析的基礎。對各因素因子間兩兩進行比較，用bij表示針對上一層次的某因素而言，本層次與之有關因素之間的相對重要性，引用Saaty提出的9級標度法進行量化，見表2.20。
表2.20 Saaty標度法及其含義
c.層次單排序及一致性檢驗。
(a)計算各指標權重值。
第一步，計算判斷矩陣中每行元素的幾何平均值
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
第二步，將
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
可得到近似特徵向量ω=[ω1，ω2，…，ωn]T
第三步，計算判斷矩陣的最大特徵值λmax
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
式中:(AW)i為向量BW的第i個元素
(b)判斷矩陣偏差一致性檢驗。由於判斷矩陣的構造是由決策人員的定性分析轉入定量描述的，因而無法保證完全一致性，需進行檢驗，目的是使差異不致過大。
由判斷矩陣的偏差一致性指標CI的表達式
CI=(λmax-n)/(n-1) (2.26)
引入判斷矩陣的隨機一致性比率CR=CI/RI，判斷矩陣是否具有滿意的一致性，其中RI為平均隨機一致性指標，其值可從表2.21查得。若CR＜0.1，則認為判斷矩陣具有滿意的一致性;否則，需要對判斷矩陣進行適當調整直到具有滿意的一致性為止。
表2.21 平均隨機一致性指標RI
d.層次總排序及一致性檢驗。從層次結構模型的第二層開始，逐層計算各層相對於最高層相對重要性的排序權值，稱為層次總排序。
由上述步驟得到每一個要素相對於上一層次對應要素的權重值後，通過層次總排序計算出每一個評價指標相對於總目標整個研究區水資源開發利用評價的權重值。最後，計算各層次所有元素對總目標相對重要性的排序權值。
層次總排序後同樣要進行一致性檢驗，假設第K層層次總排序權值為αi(i=1，2，…， n)，一致性指標為CIi，相應的平均隨機一致性指標是RIi，則總排序的一致性指標
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
總排序的平均隨機一致性指標
變環境條件下的水資源保護與可持續利用研究
當CR=CI/RI＜0.1時，認為層次總排序的一致性滿意，否則，重新調整判斷矩陣，直到滿意。
2)權重求解計算。按照以上層次分析法的求解步驟，對南四湖流域優化配置中的各權重值進行求解。
a.目標權重系數λp確定。
(a)如圖2.5所示的南四湖流域水資源系統規劃的層次結構模型，按照各因素的類別及支配關系，分為目標層、准則層、措施層。目標層為流域水資源規劃的總體目標，即南四湖流域水資源的優化配置;准則層是為衡量總體目標能否實現的標准，模型確定了經濟效益和社會效益兩准則;措施層是根據流域具體情況及發展規劃等所設置的若干個技術經濟可行的規劃方案，模型為經濟效益和社會效益兩准則分別設立了9個措施。
(b)對經濟效益子目標(B1)和社會效益子目標(B2)在影響水資源優化配置綜合評價結果的重要程度方面進行兩兩比較，其結果見表2.22。
其中，λmax=2，CI=0，判斷矩陣具有完全一致性。對於二階矩陣而言，總是一致的，不必檢驗。
表2.22 水資源優化配置綜合評價下判斷矩陣A-B
對措施層中的9個措施(C1～C4)、(C5～C9)在影響水資源優化配置綜合評價結果的重要程度方面進行兩兩比較，其結果見表2.23、表2.24。
表2.23 水資源優化配置綜合評價下判斷矩陣B1-C
其中，λmax=4.1755，CI=0.0585，CR=0.0650＜0.1，具有滿意一致性。
表2.24 水資源優化配置綜合評價下判斷矩陣B2-C
其中，λmax=5.3522，CI=0.0881，CR=0.0786＜0.1，具有滿意一致性。
將所有判斷矩陣進行一致性檢驗，由上述分析可知，判斷矩陣A-B、判斷矩陣B1-C和判斷矩陣B2-C這三個判斷矩陣均具有滿意一致性。
(c)在得到每一個要素相對於上一層次對應要素的權重後，通過層次總排序，計算出每一個措施相對於總目標南四湖流域水資源優化配置綜合評價權重值。計算各層次所有元素對總目標相對重要性的排序權重，總排序的結果見表2.25。
表2.25 水資源優化配置層次總排序分析結果表
續表
在層次總排序之後，利用CR=CI/RI進行整個層次的一致性檢驗，總排序隨機一致性比率為
故在水資源優化配置總目標下，經濟效益和社會效益兩個子目標的排序權重系數λp分別為0.1667、0.8333。
在決策過程中，權重還可以與決策者交互調整，不同的權重值可得出原多目標規劃問題的一個非劣解，為決策者提供更多的有關目標權衡比較的信息，以便選擇最佳權衡解[56]。
b.子區權重系數βk確定。針對南四湖流域四個水資源計算分區(濟寧及湖區、湖東棗庄區、湖西菏澤區及湖西徐州區)，同樣採用層次分析法確定其權重系數βk。針對該流域的具體情況，經過層次分析法分析計算後，分別擬定為β1=0.1299，β2=0.5567，β3=0.2556，β4=0.0577。
以2015年為規劃水平年，將前述分析計算的各相關參數代入模型中，進行水資源優化配置多目標規劃模型求解。
F. 幹流水資源合理配置
水資源合理配置是指在特定流域或區域范圍內，在系統、有效、公平和可持續利用等原則的指導下，遵循自然規律和經濟規律，對有限的、不同形式的水資源，通過工程與非工程措施，在生活、生產和生態用水之間進行科學分配。
7. 6. 1 中游幹流區水資源合理配置
中游幹流區水資源合理配置，採用 0－1 多目標非線性混合規劃模型優化完成，它主要研究各灌區用水量、正義峽下泄水量及其對灌溉需水和幹流分水控制目標的滿足程度，為黑河幹流水資源規劃和調配的宏觀決策提供依據或參考。
水資源規劃模型以 「綠洲 ( 灌區) 面積最大」和 「正義峽下泄水量最大」為目標，以 「灌區水量平衡方程、水量和面積限定方程」與 「河泉節點水量平衡方程、正義峽下泄水量限定方程」為約束，在水資源規劃模型數據與參數檢驗和調試的基礎上，以及優先滿足生活與工業需水和正義峽下泄分配水量及採取有效節水措施情況下，對 2010 年不同來水條件以及各階段 ( 現狀年→規劃年) 多年平均來水條件的灌區用水量 ( 引水量與開采量) 、正義峽下泄量及河道水量交換與徑流等進行了優化，分析中游生產、生態需水與下游生態需水的滿足程度。
中游幹流區水資源合理配置的主要結論: 滿足中游生活與工業需水的同時，採取灌區與乾渠改造節水和高新技術節水等措施，在有效降低灌溉定額的前提條件下，充分利用地下水庫的調蓄功能，對鶯落峽不同來水條件，均基本可以滿足 2010 年灌區規劃農林灌溉面積和需水量及正義峽分配水量 ( 表 7. 29、表 7. 30) 。
表 7. 29 黑河幹流中游灌區 2010 年規劃方案成果表
表 7. 30 黑河幹流中遊河道 2010 年規劃方案成果表
7.6.2下游額濟納綠洲水資源合理配置
額濟納綠洲水資源的高效利用、合理配置，是有效遏制生態環境退化的主要途徑之一。
水資源配置方案的論證，應全面考慮生活、工業、農業與生態用水，由於現狀生活與工業需水量不大，可優先給予滿足，農業應考慮退耕還林還草，在限制發展工農業生產的前提下，水資源的配置主要應考慮綠洲分布和需水要求。水資源的配置優先滿足沿河分布綠洲的需水，以不影響沿河綠洲的生態環境為前提;提高水資源的利用效率，重點保證昂茨河閘下游綠洲區的生態用水。
在上述確定的原則基礎上，為解決目前河道輸水與綠洲需水存在的問題和矛盾，沿東河左岸修建納林河分水閘—昂茨河分水閘之間的防滲渠道———東乾渠，可將水快速送達綠洲腹地，從而有效地遏止綠洲的退化。結合額濟納綠洲現狀河道補給地下水的分析成果，在保證河道現狀滲漏補給量的情況下，可以保證沿河植被的需水要求，不會對沿河綠洲的生態環境帶來影響。據此分析，滿足西河沿河生態環境年用水量1.88×108m3，東河納林河口—布都格斯河段沿河生態環境年用水量0.24×108m3，納林河沿河生態環境年用水量0.06×108m3。考慮狼心山—納林河口的河道滲漏補給地下水量0.14×108m3，扣除蒸發損失量0.37×108m3後，可供東乾渠輸送的水量為2.61×108m3。2010年規劃水資源配置結果見表7.31。
表 7. 31 額濟納綠洲水資源配置表
注: 數據來源於黑河下游額濟納綠洲搶救與生態保護水利工程可行性研究報告 ( 內部資料) 。
按照上述的配置方案，通過渠道輸水2.61×108m3，可以減少東河60km空流段的水量損失，提高輸水效率及昂茨河閘下游綠洲區的供水量和供水保證程度;同時為了保證西河綠洲的生態需水，可以結合現狀河道輸水流量越大，水量損失越小的特點，在渠道建成運行時，根據來水情況適時地結合洪水，向西河分水，可以提高西河水資源的利用效率。
7.6.3不同保證率水平年幹流水資源合理配置
依據中游水資源規劃的不同保證率水平年正義峽的下泄量，以及國務院分水方案配置鼎新片、東風場區的水資源量和額濟納綠洲水資源配置原則，確定的黑河幹流水資源合理配置方案見圖7.36～圖7.41。
保證率90%水平年鶯落峽來水量12.85×108m3/a，正義峽下泄水量7.88×108m3/a，哨馬營、狼心山下泄水量分別為5.72×108m33/a、3.53×108m3/a，其中中游區引水9.72×108m3/a，下游引水3.74×108m3/a，枯水年主要保證中、下游生產、生活、生態用水，無多餘的水下泄入湖;多年平均鶯落峽來水量15.89×108m3/a，正義峽下泄水量11.11×108m3/a，哨馬營、狼心山下泄水量分別為8.56×108m3/a、5.63×108m3/a，其中中游區引水9.56×108m3/a，下游引水5.26×108m3/a，平水年主要保證中、下游生產、生活、生態用水，也無水下泄入湖;保證率10%水平年鶯落峽來水量18.96×108m3/a，正義峽下泄水量14.23×108m3/a，哨馬營、狼心山下泄水量分別為11.19×108m3/a、7.58×108m3/a，其中中游區引水9.57×108m3/a，下游引水5.26×108m3/a，豐水年在基本滿足中下游生產、生活、生態用水的基礎上，安排1.41×108m3/a的水量下泄入湖。
圖7.36 黑河幹流2010年規劃水資源圖（保證率90%-水平年）
圖7.37 黑河幹流2010年規劃水資源圖（多年平均-水平年）
圖7.38 黑河幹流2010年規劃水資源圖（保證率10%-水平年）
圖 7. 39 黑河幹流 2010 年規劃水資源圖 ( 保證率 90%－水平年)
圖 7. 40 黑河幹流 2010 年規劃水資源圖 ( 多年平均－水平年)
圖 7. 41 黑河幹流 2010 年規劃水資源圖 ( 保證率 10%－水平年)
黑河幹流水資源配置以國務院分水方案為原則，中游水資源配置要滿足正義峽下泄水量的要求。下游鼎新片、東風場區按分水指標配水; 額濟納要用好狼心山可貴的下泄水量，優先滿足沿河分布綠洲的需水，提高水資源的利用效率，重點保證昂茨河閘下游綠洲區的生態用水。在枯水年無水入湖; 在平枯水年不建議放水入湖，如有多餘水量建議下滲補給地下水，待枯水年缺水期開采利用; 在豐水年可考慮放水入湖，但要做好水資源和水環境與社會、生態效益關系的綜合論證，使有限的水資源得以最合理的利用。
G. 優化配置結果及其分析
2.3.3.1 優化配置結果
南四湖流域水資源優化配置模型以經濟和社會的綜合效益最大為目標，分別表示南四湖流域供水凈效益最大和總缺水量最小。模型設定了部門需水量上下限，在保證部門最低用水量時，同時不能超過最大量，盡量把水資源分配到效益最大的部門中去。其優化成果是權衡經濟和社會兩目標的有效解(非劣解)。本書以2006年為計算現狀年，調用MATLAB優化工具箱，利用程序對南四湖流域規劃水平年(2015年)的水資源優化配置目標進行求解分析，得出優化配置結果，見表2.26～表2.28。
表2.26 南四湖流域2015年50%保證率水資源優化配置成果表
表2.27 南四湖流域2015年75%保證率水資源優化配置成果表
續表
表2.28 南四湖流域2015年95%保證率水資源優化配置成果表
2.3.3.2 成果分析
(1)各部門配水情況分析
由表2.26可知，2015年50%保證率，南四湖全流域總供水量為767164.3萬m3;其中，生活總供水量為127854.1萬m3，生態環境總供水量為44563.2萬m3，工業總供水量為200955萬m3，農業總供水量為393792萬m3。各用水部門供水量比例如圖2.7所示;其中，生活供水量約占總供水量的17%，生態環境供水量約占總供水量的6%，工業供水量約占總供水量的26%，農業供水量約占總供水量的51%。
圖2.7 2015年50%保證率各用水部門供水比
由表2.27可知，2015年75%保證率，南四湖全流域總供水量為708652.4萬m3;其中，生活總供水量為127854.1萬m3，生態環境總供水量為39823.3萬m3，工業總供水量為176155萬m3，農業總供水量為364820萬m3。各用水部門供水量比例如圖2.8所示;其中，生活供水量約占總供水量的18%，生態環境供水量約占總供水量的6%，工業供水量約占總供水量的25%，農業供水量約占總供水量的51%。
圖2.8 2015年75%保證率各用水部門供水比
由表2.28可知，2015年95%保證率，南四湖全流域總供水量為681644.3萬m3;其中，生活總供水量為127854.1萬m3，生態環境總供水量為35713.2萬m3，工業總供水量為167703萬m3，農業總供水量為351374萬m3。各用水部門供水量比例如圖2.9所示;其中，生活供水量約占總供水量的19%，生態環境供水量約占總供水量的5%，工業供水量約占總供水量的24%，農業供水量約占總供水量的52%。
圖2.9 2015年95%保證率各用水部門供水比
(2)各部門缺水程度分析
因模型根據不同用水部門的優先滿足程度確定的公平性系數和供水上下限約束條件，規劃水平年(2015年)不同保證率下的生活用水和生態環境用水優先得到滿足，其他用水部門則會有不同程度的缺水。
分析表2.26～表2.28中數據可知:
1)2015年50%保證率，南四湖流域各用水部門缺水總量為46134.4萬m3，缺水率為5.7%。其中，生活和生態環境需水基本滿足供需平衡，缺水部門主要是工業和農業部門，缺水量分別為6197.6萬m3和39936.8萬m3，缺水率分別為3.0%和9.2%。
2)2015年75%保證率，南四湖流域缺水量為169511.1萬m3，缺水率是19.3%。其中，生活用水基本滿足需求，生態環境、工業和農業用水都存在一定缺口，生態環境缺水量為4739.9萬m3，缺水率是10.6%，工業缺水量為30997.6萬m3，缺水率是15.0%，農業缺水量為133773.6萬m3，缺水率是26.8%。
3)2015年95%保證率，南四湖流域缺水量為245034萬m3，缺水率是26.4%。其中，生活用水基本滿足需求，生態環境、工業和農業用水都存在一定缺口，生態環境缺水量為8850萬m3，缺水率19.9%，工業缺水量為40449.6萬m3，缺水率19.5%，農業缺水量為195734.6萬m3，缺水率是35.8%。
(3)各計算分區缺水程度分析
表2.26～表2.28反映了規劃水平年(2015年)50%、75%、95%不同保證率下各計算分區的供需水平衡狀況和缺水程度。圖2.10～圖2.12則更加直觀地反映出各計算分區的缺水程度。從各分區缺水情況來看:
圖2.10 2015年50%保證率各分區缺水程度
圖2.11 2015年75%保證率各分區缺水程度
圖2.12 2015年95%保證率各分區缺水程度
1)2015年50%保證率，各分區缺水率基本相同，均在3%～7%之間基本平衡;湖東棗庄區缺水量最少，缺水量為3008.5萬m3，缺水率是3.2%。工業缺水以湖東菏澤區最大，為2081萬m3，缺水率是6.0%;濟寧及湖區農業缺水量最大，缺水量為20354.2萬m3，缺水率是9.8%。
2)2015年75%保證率，湖東棗庄區、湖西徐州區缺水率都達到全流域最大，缺水量分別為20318.7萬m3、27293.9萬m3，缺水率分別是20.2%、20.0%，屬中度缺水，其他各計算分區均在15%～20%之間，屬輕度缺水。生態環境缺水率各分區基本維持在10%左右，以湖東棗庄區缺水率最大，為12.5%，濟寧及湖區缺水率最小，為8.9%，缺水量分別為1054.8萬m3、1535.8萬m3;湖東棗庄區工業缺水量最大，缺水量為10473.6萬m3，缺水率是12.1%;農業缺水以濟寧及湖區最大，缺水量為64419.2萬m3，缺水率是27.3%。
3)2015年95%保證率，各分區缺水率均在25%左右，屬中度缺水，以濟寧及湖區為最大，缺水率達27.9%，缺水量為114445.6萬m3。濟寧及湖區生態環境和工業缺水量同時達到最大，缺水量分別為3730.8萬m3、17299.6萬m3，缺水率分別是21.7%、19.9%;農業缺水以湖東棗庄區缺水最大，缺水量為21007.4萬m3，缺水率是38.9%。
綜上所述，南四湖流域規劃水平年(2015年)50%保證率下的供水基本能滿足需求， 75%保證率下即開始較大范圍缺水。75%和95%保證率下，各分區缺水率大部分都在20%以上。其中，濟寧及湖區、湖東棗庄區兩計算分區缺水量最大，主要因為南四湖流域河網水質污染較為嚴重，造成水質型缺水，濟寧及湖區則通過引用黃河水加大供水量。
缺水最嚴重的是農業部門，其次是工業部門，而生活用水則基本能夠滿足用水需求，這體現了在配置過程中生活用水優先考慮的原則。另不同計算分區各用水部門的缺水程度不同，也正是模型中設置用水部門公平系數和子區權重系數的一種體現。
(4)目標值分析
南四湖流域水資源優化配置模型是多目標規劃配置模型，以經濟和社會的綜合效益最大為目標，其優化成果是權衡經濟和社會兩目標的協調解。函數f1(x)反映了區域優化配置後，水資源供水系統能取得的凈效益;函數f2(x)反映了優化配置後的供需水平衡情況。
模型求解過程中輸出的目標值如表2.29所示，50%～95%不同保證率下流域供水凈效益f1(x)減少，流域缺水量f2(x)增加，說明了某一目標的變化(供水效益減少)會引起其他目標的變化(缺水量增加)，體現了這兩目標之間是相互影響的。
表2.29 南四湖流域2015年水資源優化配置目標值
(5)模型適用性分析
綜上所述，本節通過建立南四湖流域水資源優化配置模型以及對其進行求解，得到了規劃水平年(2015年)在50%、75%、95%保證率下的水資源優化配置方案。若資料信息等條件變化，可通過適當修改、運行已編制的計算機程序，可求得相應的流域水資源優化配置成果。因此，此模型及其求解方法具有一定的適用性和可操作性，所得配置結果是合理的，可為南四湖流域水資源規劃和管理提供依據。
2.3.3.3 對策與建議
南四湖流域是淮河流域水資源短缺地區之一，水資源供需矛盾常引發水事糾紛。所以，科學配置南四湖流域的水資源，對於地區穩定和區域經濟社會的持續發展十分重要。因流域水資源系統是包括自然系統、社會經濟系統、生態環境系統等的巨系統，致使系統自身結構極為復雜，各子系統相互依賴，相互影響，相互制約，流域的社會經濟活動對流域水資源系統產生很大的影響，該過程是一個增熵的過程，流域水資源系統具有典型的耗散結構。
因此，流域水資源分配不僅是一個技術問題，而且主要是社會問題。南四湖流域水資源分配必須通過不同利益相關者之間的溝通協調，來達成一致的分水決策。通過分析研究，本節從不同層面提出主要建議如下:
1)流域管理部門和地方政府盡快研究南四湖流域水資源分配的管理辦法，包括管理體制、分水計劃的編制、分水的監督管理、分水的實施、水權轉讓及其補償機制、應急水量調度方法等，從而確定南四湖流域的水資源分配方案。同時盡可能在引提水口建設必要的水資源控制工程，或水量水質監測和計量設施，為合理分水和分水監督管理提供依據。
2)盡早研製適用於水資源分配與調度的、滿足於不同利益相關者溝通協調的、能對不同情景進行模擬計算的、靈活高效的南四湖流域水資源模擬模型，以滿足實時水資源分配與調度的需要。
3)針對流域實際情況，加快水利基礎設施維修與建設進度，增加供水配套設施，提高現有水利工程的利用程度，以增強水資源優化配置能力。
4)農業是用水大戶，但缺水程度較嚴重，主要原因是農村水利發展水平較低，中小型水利工程和塘壩蓄水保水能力差，灌溉供水保證率低。因此，農業要進行以節水為中心的灌區改造，改善種植結構，採用優良低耗水作物，實施節水灌溉，提高水的利用效率，實現農業灌溉在節水中求發展;工業要調整產業結構，鼓勵低耗水高附加值產品的開發，降低萬元產值取水量，建立節水型工業。
5)加強節水改造和污水治理的力度，大力發展廢污水深度處理和回用工程，嚴禁超標排放和超量排放，支持和促使工業企業提高水的重復利用率。先處理，先回用，後排放，少排放，處理回用於農業灌溉，既可有效地保護水資源和水環境，又可為工業與生活換取大量的優質水源。這是解決北方地區缺水問題的簡單而有效地措施。
H. 水資源分配優化管理的數學模型
在鄭州礦區北部礦區現有蘆溝礦、裴溝礦、米村礦和王莊礦4個排水水源，新密市和礦務局兩個供水水源。經排供結合優化管理計算，六水源可提供水量分別為31000m3/d、44000m3/d、33000m3/d、10000m3/d、60000m3/d和19000m3/d。在新密市主要用水戶為蘆溝礦、裴溝礦、米村礦、新密市、礦務局和新密電廠。以上各單位用水量預計為蘆溝礦18000m3/d、裴溝礦25000m3/d、米村礦20000m3/d、新密市70000m3/d、礦務局10000m3/d和新密電廠90000m3/d。
設蘆溝礦排水向蘆溝礦、裴溝礦、米村礦、新密市、礦務局和新密電廠的供水量分別為Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，相應的效益系數為C1、C2、C3、C4、C5和C6；裴溝礦排水向蘆溝礦、裴溝礦、米村礦、新密市、礦務局和新密電廠的供水量分別為Q7、Q8、Q9、Q10、Q11和Q12，相應的效益系數為C7、C8、C9、C10、C11和C12；米村礦排水向蘆溝礦、裴溝礦、米村礦、新密市、礦務局和新密電廠的供水量分別為Q13、Q14、Q15、Q16、Q17和Q18，相應的效益系數為C13、C14、C15、C16、C17和C18；新密市水源向蘆溝礦、裴溝礦、米村礦、新密市、礦務局和新密電廠的供水量分別為Q19、Q20、Q21、Q22、Q23和Q24，相應的效益系數為C19、C20、C21、C22、C23和C24；礦務局水源向蘆溝礦、裴溝礦、米村礦、新密市、礦務局和新密電廠的供水量分別為Q25、Q26、Q27、Q28、Q29和Q30，相應的效益系數為C25、C26、C27、C28、C29和C30；王莊礦排水向蘆溝礦、裴溝礦、米村礦、新密市、礦務局和新密電廠的供水量分別為Q31、Q32、Q33、Q34、Q35和Q36，相應的效益系數為C31、C32、C33、C34、C35和C36。其目標函數為水資源利用獲得的效益最大，表達式如下：
華北煤田排水供水環保結合優化管理
約束條件有：
（1）水源的供水量不能超過各水源所能提供的最大水量，約束條件有6個。
華北煤田排水供水環保結合優化管理
（2）供給各用戶的水量和應不小於各用戶的用水量。約束條件有5個，供給新密市電廠的水量盡可能多，不受約束。
華北煤田排水供水環保結合優化管理
（3）各水源供給各用戶的水量不得超過各用戶的用水量。約束條件30個，Q6、Q12、Q18、Q24、Q30和Q36為供給新密市電廠的水量，無上限約束。
華北煤田排水供水環保結合優化管理
（4）各變數的非負約束。
華北煤田排水供水環保結合優化管理
綜上，水資源分配優化管理的數學模型為：
華北煤田排水供水環保結合優化管理
st
華北煤田排水供水環保結合優化管理