區域水資源多目標集成體系

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1宏觀經濟水資源系統

1.1水資源系統的新含義

一般認為，水資源系統是由供水系統與用水系統組成的。但隨著生產和科技的發展，人們對水資源系統的認識不斷加深，并賦予其越來越豐富的內涵。從“供水”看，涉及供多少水(量)、供什么樣的水(質)、水從何處來(工程與投資)等問題;從“用水”看.涉及地區或行業間的水分配及用水管理措施(節水)等問題。若將供水與用水聯系起來，最理想的狀況是供需平衡，但實際上，供水與用水是對立統一的。用水過度必然打破供需平衡，但產生的經濟效益可使供水工程投資增加，供需平衡在新的水平上又得以恢復。總之，水作為國民經濟和人民生活必不可少的一種資源，涉及到社會經濟的各個方面，目前，水資源系統已擴展到了宏觀經濟的范疇。

1.2宏觀經濟水資源系統的結構

一個地區的宏觀經濟包括社會總產品、國民收入、積累與消費等主要內容，也包括與經濟活動密切聯系的人口、資源和環境等問題。在這個系統中，一方面水作為一種資源存在，其質的合格程度和量的有限性及對國民經濟各部門的發展、城鄉人民生活的改善以及環境的保護構成一種約束;另一方面，可利用的水資源兼有自然和社會經濟兩種特性，不可能獨立于宏觀經濟活動之外，其質和量均受到宏觀經濟活動的影響。例如，經濟發展可能加劇水環境污染，但經濟發展帶來更多的水處理工程投資，從而改善水質。水資源與經濟和環境構成了一個動態整體。圖1給出了基于宏觀經濟的區域水資源系統的結構。

1.3宏觀經濟水資源系統的多目標特點

在宏觀經濟范疇中，水的需求是多方面的。經濟部門需要生產用水;生產糧食需要灌溉用水;居民生活需要家庭和公共場所用水;改善環境需要清潔的河湖用水。總之，社會、經濟環境等各方面的目標，其實現都需要更多可利用的水資源，或者說，各個目標都在競爭可用水資源。因此有必要從全局出發，權衡各個目標間的得失，確定其滿足程度，得出一個令人滿意的水資源需求方案。為此我們要確定相應的水資源開發和管理方案，并且評價該方案對各目標的影響。

2基于宏觀經濟的水資源系統分析方法—集成系統的設想

許多年來，水資源系統分析方法停留在建立局部模型的階段，如建立研究作物灌溉用水過程的模擬模型，建立工業及生活需水預測模型，建立區域經濟目標優化模型等。然而，由于水資源利用的多目標特點，將水資源系統分割開來進行研究是不全面的。因此水資源工作者試圖在局部模型的基礎上尋找一種用于整體研究的集成模型。例如，建立模型間的交互技術，實現模型間的通訊。這種方法的難點在于建立模型間交互的控制過程。本文立足于宏觀經濟水資源系統整體，提出用于區域水資源系統分析的多目標集成系統。該系統的基礎是一些局部模型，包括宏觀經濟模型及其子模型、水文及水管理模型等。模型間的信息傳遞與反饋是系統集成的一個方面，但系統集成的主要方式是通過建立多目標分析模型來實現的。即將各基礎模型中的主要關系提煉出來，依照變量之間的相互聯系，將這些關系集于一體，構成多目標分析模型。通過對該模型的操作，能夠對宏觀經濟水資源系統內部的各種關系進行分析和協調，從而使多目標分析模型成為該系統的曾控模型。當然，多目標分析模型并不能代替系統中的基礎模型。前者是對系統進行協調和控制，以便尋求系統的總體最優狀態，后者則是對系統的局部狀態或過程進行較詳細的預測或仿真。所以，從功能上來說，多目標集成系統集預測、模擬及優化于一體，可對水資源系統進行全面的操作。

3集成系統的組成與結構

集成系統由下述模型及子模型組成。

3.1宏觀經濟模型及其它子模型

宏觀經濟模型及其它子模型是系統的基礎模型。在這些模型中需要建立現狀及預測狀態下的國民經濟產值、工農業生產總值、財政與投資、人口及需水量等因素間的相互關系。宏觀經濟模型的主體是投入產出模型(I一0模型)，該模型建立各經濟部門的產出方程、經濟結構方程、投資方程等，以下子模型則建立了宏觀經濟對水資源的需求關系。農業子模型:給出農業生產與產值之間的關系。農業生產因素包括耕地面積、作物結構、作物需水量(包括節水因素)及作物產量。生活需水子模型:預測生活需水量。考慮人口、城鄉分布、住房密度、公共事業、生活水平以及水質要求等因素。工業需水子模型:確定工業產值與需水量之間的關系，需要分部門進行研究，考慮工業布局、用水管理及技術進步等因素。環境子模型:建立水質與經濟發展、工農業生產、居民生活及水處理措施等因素間的關系。

3.2工程評價模型

該模型完成對備選方案(包括工程和非工程措施)的經濟評價、財務和環境評價。3.3多目標分析模型多目標分析模型從整體角度協調社會、經濟、環境各目標在水資源利用方面相互競爭的矛盾。通過模型求解與決策分析過程，決策者可以分析不同的工程和管理措施對各目標的影響，從而最終確定合適的方案。

4多目標分析模型的建立

4.1確定規劃目標

這是區域水資源規劃的開端。由于宏觀經濟水資源系統的多目標特點，通過與國家和地方的決策人員協商，提出經濟、社會及環境等方面的目標。決策者需要選擇表達某個目標的合適的指標。例如:maxGNP一一經濟目標，國民生產總值最大;minBOD—環境目標，BOD排放量最小;maxFOOD—社會目標，糧食產量最大等。有時候，選擇指標的變化作為目標指標化較合適，例如:max△GNP—凈增GNP最大;min(TFOOD一FOOD)—糧食產量與其目標期望值的偏差最小。這里，需要對目標指標進行評價，看它們能否全面地、靈敏地反映相應目標的特點。如指標變化對水資源開發的影響如何，是否體現出目標間相互依賴與競爭的關系，是否有足夠的數據支持等。此外，還要設定各個目標的期望水平。例如，對經濟目標，假定GNP的增長率不低于某一水平;對社會目標，假定人均糧食消費達到某一水準等。在多目標模型中，對各目標期望值的高低程度體現了決策者的偏好。

4.2約束條件的集成

從宏觀經濟模型、供水管理模型及工程評價模型中提煉出目標與目標間、目標與資源間的基本關系，依照其內部聯系集于一體，構成多目標分析模型的約束條件。這些關系既構成對單個目標的約束，又反映各個目標間相互制約的關系。因此，系統的集成在模型構成中得以實現。多目標分析模型中匯集的主要關系如下:工業生產:經濟結構(投入一產出方程)，投資來源，可供水量與水質要求，就業機會等;農業生產:可供水量與水質要求，作物結構，灌溉定額，耕地面積變化，糧食進出口政策，糧食消費需求等;水質及環境;工業生產排污(產值與排污水平)，生活排污(人口與生活排污水平)，農業生產排污，污水處理與水投資來源;需水預測:工業需水預測，生活需水預測，農業需水預測，水質標準.節水效率;可供水量:供水保證率，水源(本地水、跨流域調水、回用水)，地區或部門間的水量分配與協調;水工程與管理措施;開源與節流的合理配置，工程投資及其效益，工程的環境影響，各項工程和管理措施在時間和空間上相互依存的關系。在多目標分析模型中，采用線性方程來描述上述各種關系。應盡可能避免用數字來代替方程，因為這樣會割裂各種因素之間的有機聯系。

4.3選擇模型求解方法，建立決策分析過程。

為便于決策者參與決策過程，選擇交互式的求解方法比較合適。其中，切比雪夫方法(Teehbyeheffprogram，Steur，1986，1990)是至今最完善的一種多目標交互式求解方法。

5系統功能集成系統為區域水資源規劃、管理提供較全面的支持，其功能主要包括如下幾個方面。

5.1預測功能

預測的內容包括宏觀經濟發展趨勢、工農業生產、工農業及生活需水、水質變化、地表徑流、地下水位變化及可取水量。

5.2模擬功能

模擬的過程或狀態為:國民經濟發展過程，農業生產狀態及需水過程，區域水資源供需平衡過程，河流水質狀態等。

5.3優化功能

優化功能的對象為:國民經濟結構及發展過度、農業結構及作物種植結構、水資源工程開發規模和開發次序等。

5.4水管理功能

包括內容:地面、地下水聯合調度、地區及行業間的水分配及水環境管理等。

5.5決策分析是集成系統的主要功能，系統在給定目標的條件下通過決策分析為最終的決策結果提供支持。決策分析主要包括以下幾方面的內容:

(1)目標間的協調分析各目標間存在相互依賴和競爭的關系，它們之間的得失權衡是決策者對各目標進行協調的依據。京津唐水資源多目標分析模型的單目標求解結果。表中對角線上的數據是各目標的最優值，還可以表中數據約估各目標的最劣值，這樣可得出每個目標的變化范圍:GNP(52%一100寫)，EMP(50%一100%)，BOD(100%一405%)，FOOD(81腸一100%)。表中數據還為目標間的得失權衡提供依據。例如，當單方面追求GNP最大(100%)時，環境嚴重惡化，BOD排放量為310%;反之，當單方面追求環境最優(100%)時，國民經濟受到嚴重影響，GNP從100%降到52%。可見片面發展經濟會帶來一定程度的環境損失;同樣，片面追求環境優化也帶來一定程度的經濟損失。經濟和環境是兩個相互競爭的目標，需要進行協調。

(2)策略分析幫助決策者了解不同策略對目標產生的影響，從而找出影響決策結果的主要因素。策略分析包括以下各種情況:不同經濟、環境、社會發展水平對水資源開發管理的影響;經濟系統的不確定因素對水資源開發管理的影響;水文隨機性對宏觀經濟系統建成的風險;重大政策改變(如降低糧食自給率，提高環境標準，人口遷移)對水資源開發的影響;不同開源節流及污水處理回用工程規模及其組合對各目標的影響;大型骨干工程水分配對目標的影響;地區間投資分攤對水資源開發的影響等。

(3)靈敏度分析靈敏度分析的意義一方面是檢驗模型的適應性(對資源約束變化的響應)，另一方面是分析各種資源(包括勞動力、土地及水資源)的變化對目標產生的影響，找出各種資源允許變化的范圍，為資源的合理配置提供依據。此外，通過靈敏度分析還可以研究某種因素變化對目標的影響，如工業用水系數、灌溉定額等因素的變化對目標會產生什么影響，從而找出對目標影響較大的因素。上述各種功能并非彼此孤立，而是相互結合的，預測、模擬、管理及優化決策分析集于一體是本系統的又一特點。預測為系統模擬、優化提供基本數據，如工業萬元產值用水量，農業灌溉定額、工業排污系數的預測;優化技術以系統中的主要關系為基礎，通過對這些關系的綜合分析尋求系統的“最佳狀態”。考慮到求解的方便，大型優化模型一般采用線性模型，它無法描述系統的工程，也不易給出系統的詳細狀態;而模擬模型的原則是仿真，它描述系統的狀態及其過程，但它不具備使系統趨于最優的功能。預測、優化和模擬的有機結合，由優化模型給出系統的最佳狀態，然后，由模擬模型對給定的狀態進行仿真并模擬其發展過程。這樣，三者結合為決策分析提供了更有效的手段。