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| 編輯推薦： |
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《黄淮海流域水资源配置模型研究》可供大专院校、研究机构和管理部门的相关专业人士参考。
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| 內容簡介： |
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水资源系统是典型的“人类-自然耦合系统”或“自然-人工二元系统”，这要求我们在经济社会和生态环境协调发展的大背景下，更新水资源系统分析的基本理论框架和规划管理对策。《黄淮海流域水资源配置模型研究》首先介绍水资源系统分析的起源、发展历程、研究前沿和未来趋势，在此基础上提出了面向人类-自然耦合的水资源配置整体模型系统的理论方法、模型结构和定量方程。结合我国黄河流域、海河流域和淮河流域的规划管理问题，分别建立这三个流域的水资源系统整体模型，分析未来社会经济发展和工程建设情景下的水资源供需情景和经济、社会、生态影响，并提出了相关的研究结论和政策建议。
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| 目錄：
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目录
总序
序
前言
第1章水资源配置模型研究进展1
1.1水资源系统分析的起源与发展1
1.1.1传统水资源系统分析的起源与发展1
1.1.2面向人类-自然耦合的水资源系统分析2
1.2水资源配置模型国内外研究现状3
1.2.1传统的优化模型与模拟模型3
1.2.2组合模型方法与整体模型方法4
1.2.3水资源宏观经济投入产出分析6
1.2.4资源问题的微观经济学方法7
1.2.5水资源配置的时空特性研究7
1.2.6基于主体的建模方法8
1.3小结9
第2章面向人类-自然耦合的水资源配置整体模型系统10
2.1人类-自然耦合水资源系统模拟理论与方法10
2.1.1水资源系统的人类-自然耦合特性及其挑战10
2.1.2面向人类-自然耦合的水资源系统模拟理论与方法体系10
2.1.3面向人类-自然耦合的水资源系统多过程模拟关键技术11
2.2模型系统功能及构成13
2.2.1模型功能需求13
2.2.2模型系统构成15
2.3模型构建16
2.3.1人口模型16
2.3.2宏观经济预测模型18
2.3.3需水与节水预测模型22
2.3.4水污染负荷排放及调控预测模型24
2.3.5水量平衡分析模型25
2.3.6多目标与群决策模型26
2.3.7水资源整体模型的耦合28
2.4模型机制29
2.4.1模型间关系29
2.4.2整体模型机制29
第3章黄河流域水资源整体模型与情景设置32
3.1黄河流域概况与整体模型设置32
3.1.1黄河流域概况32
3.1.2整体模型中的基本空间单元35
3.1.3模型时间设定39
3.1.4水文系列数据39
3.2模型重要边界设定39
3.2.1国务院分配指标的影响39
3.2.2水量统一调度的影响40
3.2.3黄河水资源承载状况40
3.2.4外流域调水量配置方案41
3.2.5水库调度规则的设定42
3.3参数率定与设定43
3.3.1节水模式与用水定额43
3.3.2治污情景及其表征参数48
3.3.3水投资参数48
3.3.4宏观经济调控参数51
3.4模型的验证52
3.4.1水量平衡关系验证53
3.4.2水资源利用关系验证53
3.5情景方案设置54
第4章黄河水资源调度与配置情景分析55
4.1水量统一调度宏观经济模拟评估分
4.1.1黄河水量统一调度实施背景55
4.1.2研究思路与技术路线57
4.1.3水量统一调度以来国民经济与水资源利用基本情况58
4.1.4统一调度实施效果的宏观经济分析66
4.1.5水情比较分析74
4.2黄河水资源承载能力情景分析74
4.2.1研究思路与方法75
4.2.2情景方案75
4.2.3节水情景分析77
4.2.4治污情景分析77
4.2.5综合情景分析78
4.3外流域调水量配置方案宏观效果情景评估81
4.3.1研究思路与方法81
4.3.2情景方案成果81
4.3.3外流域调水对黄河流域经济社会发展影响情景分析83
4.3.4外流域调水对维持黄河健康生命的作用85
4.4黄河流域案例研究小结86
第5章海河流域水资源配置整体模型与情景设置89
5.1海河流域概况与整体模型设置89
5.1.1海河流域概况89
5.1.2海河流域整体模型时空范围设定92
5.2海河流域水资源配置情景边界设定94
5.2.1节水力度情景分析94
5.2.2水资源保护力度情景分析95
5.2.3地下水超采情景分析96
5.2.4南水北调工程情景分析97
5.2.5枯水系列情景分析98
5.2.6气候变化系列情景分析98
5.3海河流域水资源利用情景组合99
5.3.1方案编码99
5.3.2方案组合100
第6章海河流域水资源配置情景分析102
6.1方案对比和情景分析102
6.1.1在现状条件下102
6.1.2在可能发生的连续枯水年的条件下117
6.1.3在可能出现的气候变化条件下120
6.1.4气候变化情境下水资源变化的经济影响与风险预留估算125
6.2海河流域案例研究小结127
第7章淮河区水资源配置整体模型与情景设置128
7.1淮河区概况与整体模型设置128
7.1.1淮河区概况128
7.1.2淮河区整体模型时空范围设置131
7.2边界条件133
7.2.1人口发展与城市化率133
7.2.2经济发展134
7.2.3灌溉面积134
7.2.4节水力度135
7.2.5河道外生态环境136
7.2.6河道内生态环境136
7.2.7当地水资源条件137
7.2.8跨流域调水138
7.3情景设计139
第8章淮河区水资源配置情景分析140
8.1基准情景分析140
8.22015推荐情景分析141
8.32020推荐情景分析143
8.42030推荐情景分析144
8.5淮河区案例研究小结149
8.5.1淮河区水资源形势总体不容乐观149
8.5.2调水工程对缓解淮河区水资源短期至关重要149
8.5.3淮河区的缺水风险依然不容忽视149
8.5.4淮河区的生态环境用水需要保障150
8.5.5积极推进南水北调东中线二期工程150
第9章总结与展望151
9.1成果总结151
9.1.1面向人类-自然耦合的水资源系统分析理论与方法151
9.1.2水资源配置整体模型151
9.1.3重大调水工程的经济影响综合评价技术151？
9.1.4大流域水量统一调度水资源-环境经济后评估技术152
9.2未来展望152
9.2.1经济学的理论方法将在水资源系统分析中扮演越来越重要的角色 152
9.2.2生态流量将成为水资源系统分析的重要目标之一153
9.2.3风险管理问题在水资源系统分析中不可忽视153
9.2.4水联网和智慧水利将带来水资源系统研究的新时代154
参考文献155
索引160
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第1章水资源配置模型研究进展
1.1水资源系统分析的起源与发展
1.1.1传统水资源系统分析的起源与发展
现代水资源系统分析方法起源于美国二十世纪五六十年代的“哈佛水项目”MaSSetal.’1966。在此后的几十年中，水资源系统分析逐渐将运筹学、统计学、经济学和生态学等学科的理论方法融入到工程应用中，形成了流域规划、水库调度、水权水市场、水生态、水环境等专门的研究方向。
Loucks和Beek2005在其者作WaterResourcesSystemPlanningandManagement中对水资源系统及规划管理做了较为全面的阐述。其中关于水资源系统的分析方法，Loucks将其归纳为三类：基于宏观规划与控制的自上而下法（top-downapproach、基于微观分析与综合的自下而上法（lottom-upapproach以及综合应用法（IntegratedWaterResourcesManagement，IWRM。优化模型和模拟模型是在这些分析方法中经常使用的建模工具。
自上而下法往往采用集总式优化，有两个基本假定：①有一个从上而下的管理体制，其中的个体都完全听从“决策者”的安排；②系统中各部门各地区的个体信息是足够充分的。在这种宏观调控的制度设计下，集总式优化模型得到的配置结果往往理论上非常理想，但由于基本不可能达到上述的两个假定，使得实际操作中却不现实，经常遇到来自不同部门和用户的挑战和违规行为；除此之外，集总式优化的缺陷还包括“维数灾”问题，由于系统组成及其相互关系都十分复杂，非线性优化的算法一直以来都是分析系统非线性特征的瓶颈，导致水资源系统的优化通常采用简化的线性优化方法，从而削弱了我们理解和定量刻画水资源系统一些基本复杂特性的能力。
自下而上法则是以微观个体的行为特征以及个体对环境的适应机理为基础，认识系统运行规律，制定系统管理策略，这就避免了上述两个不现实的基本假定。由于此方法允许并鼓励各利益相关主体参与到策略制定的过程中，因此自下而上法越来越多地被人们接受并应用。与自上而下法相比，自下而上法的理论思路和现实更为相似、操作的可行性更高，但是由于历史原因，水资源的相关数据基本都是以宏观行政单位为基本单位搜集整理的，从而给自下而上法带来了较大程度的困难。此外，传统的优化算法对于自下而上法显然是不适用的，如何开发新的优化算法、如何合理设置基本假定（如生态系统的效益如何体现、交互规则如何管理等），也是此分析方法的瓶颈问题。
上述两种分析方法各有利弊，Perry和Easter2004认为存在这么一个矛盾的局面:一方面，数据情况和传统的优化算法适合于集总式的优化方法，另一方面，现实情况中的决策过程则更趋向于使用自下而上的分析方法。Yang等（2009提出，符合现实情况的水资源系统分析方法应该是一种能够综合应用自上而下法和自下而上法的结构。
IWRM这个概念出现于20世纪80年代，人口迅速增长，经济迅速发展，由此引发的水资源短缺和水质恶化使得很多国家重新开始审视并且修改原有的水资源管理方法。这个时期内，水资源管理方法的特征由供给导向、工程依赖逐渐转变为需求导向、多方达成。1992年的《都柏林协议》为IWRM提供了目前被广泛接受的涵义：①水是一种有限的、脆弱的、必需的自然资源，对维持生命、支持发展和保护环境具有不可或缺的作用；②水资源的规划和管理应该基于一种多方（用户、规划方和政策制定者等）参与的路线；③女性应在水资源的规划和管理方面起到核心作用；④水资源在其所有用途中均具有经济价值，应当被看做一种具有经济性的商品，是可交易的。
1.1.2面向人类-自然耦合的水资源系统分析
水资源系统是典型的人类-自然耦合系统，在这样的系统中人类子系统（如人类的日常生活、工农业生产、城市化建设等经济社会发展活动）和自然子系统（如气候、降水、径流、地表地下水交互、生态环境演变等）有着复杂的交互作用，任何单学科的理论和方法都不能完整地描述系统的复杂性，因此必须从人类-自然耦合系统的基本特征出发采用整体论的研究方法进行研究（Linetal.，2007。
面向人类-自然耦合特性对传统水资源系统分析理论和规划方法提出了新的挑战。随着环境的不断改变以及人们对水资源系统认识的逐步深入，水资源系统分析理论与技术目前正面临新的发展阶段，这一阶段在认识论、方法论、模型方法和管理策略三个层面都具有与以往截然不同的特征。
从认识论的层面来看，由于包含人类经济社会发展过程、自然水循环和生态过程以及两者交互产生的工程设施以及管理制度子系统，水资源系统被认为是典型的“人类-自然耦合系统”。在我国被广泛使用的相应概念是“自然-人工二元系统”（王浩等，2002。二元理论可以被看做是本研究的重要理论基础之一，但与之不同的是：二元理论更加注重从水循环或水资源的角度进行分析，提出了自然水循环和人工侧支水循环等重要的基本概念；而基于CHN系统（CoupledHuman-NatureSystem的观点，水资源更应该被看做是人类-自然耦合系统中的重要的“约束性”要素之一，但并非其核心的“驱动性”要素，因此需要在经济社会和生态环境协调发展的大背景下，提出水资源系统分析的基本理论框架和规划管理对策。
从研究方法论的角度来看，对于包括水资源系统在内的CHN系统的分析和研究，正如2009年诺贝尔经济学奖得主Ostrom指出的，必须对系统中个体之间、个体与子系统之间及各个子系统之间的交互作用进行描述，建立动态的整体分析模型，进而在CHN系统的框架内提出资源环境管理问题的解决途径（Ostrom，2009。因此，基于学科分解的“还原论”研究方法已经不能满足CHN分析的要求，应用“整体论”方法研究这些CHN
系统已经成为共识。
从模型方法的角度来看，如何将水资源系统分析中涉及的众多子系统进行整体耦合，将成为技术性难题。从社会科学的角度来看，与水资源系统紧密相关的学科包括人口学、微观经济学、宏观经济学、制度经济学、公共管理和城市规划等，从自然科学的角度来看，又包括水文学、水力学、生态学、环境学和水文地质等，两者的交互则涉及系统分析、环境管理等。因此，以水资源问题为线索，有效选择相关领域的模型方法并进行有效的整体耦合，成为技术性难题。
在管理策略方面，水资源系统的管理必须将人类社会自身管理的与水资源的自然特性紧密结合。人类社会的管理是社会科学的核心问题，如何将这些基本准则与水资源的自然特性相结合，将成为管理实践的难题。水资源系统特有自然属性，如空间结构和时间变异性，为水资源管理带来了一些独特的问题，如河网空间结构带来的区域性水资源短缺和工程型水资源短缺、水文不确定性带来的水资源丰枯变化等，这些使得水资源的配置与管理区别于一般意义上的资源环境管理。因此，水资源管理需要从CHN的角度分析和理解系统中人类对变化环境的适应机制，并以此为基础设计可靠的（reliable、有弹性的resilient和抗干扰的（robust基础设施与管理体系，引导人类个体和社会行为以适应变化的自然环境，从而达到提高水资源管理体制效率和可操作性的目的。
1.2水资源配置模型国内外研究现状1.2.1传统的优化模型与模拟模型
从应用层面来讲，模型是*为重要的理论表现形式，同时也是*直接的应用工具。模型是联系理论和应用的桥梁。水资源配置工作是当前水资源系统分析理论的主要应用领域，因此，本书理论研究主要通过流域（区域）级的水资源配置模型得到应用并体现其价值。优化模型和模拟模型是水资源系统分析的基本工具。
优化模型一般用来回答“应该怎么办（whatshouldbe”这类问题。优化模型运用数学和运筹学中的优化方法，如线性规划、非线性规划和动态规划等，针对优化目标函数和约束条件，可直接给出问题的**解决方案。优化模型的优点是可以直接给出问题的**解，进而告诉决策者应该怎么办。但优化模型由于数学求解的限制，一般需要对问题进行简化后才能建模。目前的优化求解技术，对于线性规划模型一般可以找到理论**解，且成熟的工具较多（如Excel、Matlab等通用数学工具和LINDO、GAMS等专用软件包都可以求解线性规划问题），但对于非线性优化问题，目前还没有比较成熟的求解技术，特别是对于高维度、不连续的非线性问题，一般会出现所谓“维数灾”问题，即不能在有效时间内找到问题的**解。
优化模型有两种基本类型：一种是水文优化模型，模型的目标是在水文规范的要求下优化配置部门内部的水资源；另外一种是经济优化模型，通过水资源的优化配置，优化部门间的水资源配置，另外其他准则，如公平性和环境质量等也应该在模型中考虑到。这方面具有代表性的研究有：Vedula和Mujumdar1992和Vedula和Kumar1996建立了简化的动态随机规划模型来*小化干旱条件下的粮食减产；Ponnambalam和Adams1996用多级准优化动态模型来优化多个水库的调度；Babu等（1996提出了严格经济优化方法的数学方程；McKinney和Cai1996和McKinney等（1997建立了水文的政策分析工具并应用于流域尺度的水资源配置决策。
模拟模型一般用来回答“如果这样，将会怎样（whatif”这类问题。模拟模型的基本原理是对实际物理过程进行抽象模拟，构建过程模型，分析不同边界条件下的系统输出。模拟模型根据预先设定的管理水资源配置和基础设施操作的规则（实际上是水文规则）对流域（区域）的水资源利用进行模拟。模拟模型建模相对简单、方便，不用考虑优化算法的约束，因此在实际工作中广泛应用。但模拟模型的缺点是无法直接给出问题的**解决方案，需求模型使用者根据经验或其他方式来构建不同的情景，通过情景的模拟和分析，来选取一个相对较好的方案。我们经常使用的降雨-产流模型、地表-地下水模型、水质运移模型等，都属于一般意义上的模拟模型。国际上具有代表意义的模拟模型主要包括：
流域径流模拟模型’如Aquatool模型。
流域水质模拟模型，如美国环境保护中心（EPA的EnhancedstreamwaterqualitymodelQUAL2E。
流域水权模拟模型，如TexasA&MUniversitywaterrightsanalysispackageTAMUWRAP模型模拟了美国西部的立法水权情况下，水文径流、水库操作和盐分转移等。
综合流域模拟模型，如IRASinteractiveriver-aquifersimulation；TVAtennesseevalleyauthority’s；TERRAenvironmentandriverresourceaid；Waterwaremodel;SHEEuropeanhydrologicalsystem；MikeSHEDHI1995。
优化方法和模拟方法各有特点，在实际的系统分析中，经常将两者联合使用。一般来讲，可以先用优化方法寻找简化条件下的系统**设计或者管理方案，然后再用模拟模型对这些备选方案的过程细节进行模拟，校核其合理性和执行效果。
1.2.2组合模型方法与整体模型方法
在建模方法上，一般可以分为组合模型方法和整体模型方法。流域（区域）水资源配置模型必须能够分析水资源配置决策中的环境和经济后果，包括流域尺度的和地区尺度的。水文过程的范围应该包括从单个水库到多个水库，从单个的水面和地下水系统到联合系统，从土壤剖面到田间作物，这是理解和描述流域尺度的水量守恒的重要前提。同时，对政策前景的描述需要将现实世界中的各种关系整合到一个综合的流域模型（体系）框架中。这就是说，流域（区域）尺度的水文、环境、经济和制度关系可以被整合到一个综合的模型（体系）框架中，这样为产生更好的可持续发展后果而设计的各种边界条件就可以在这个尺度应用和评估。
在已经进行或正在进行的研究中，基本上有两种方法构建这样的综合模型：组合模型方法和整体模型方法。组合模型中的各部分只是松散的连接，即只是通过结果数据的传输实现连接。每个子模型都可以非常复杂，但是各部分之间由于是松散连接而导致整体分析十分困难。
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