水资源配置模型有哪些
A. 求水资源供需模型 越多越好
水资源实时监控三维管理系统
1、水资源实时监控三维管理系统的特点及技术要求
水资源实时监控三维管理系统”是以信息技术为基础，利用DOM/DEM构建一个真实环境的三维地理信息平台。运用各种高新科技手段，对流域或地区的水资源及相关的大量信息进行实时采集、传输及管理；以现代水资源管理理论为基础，以计算机技术为依托对流域或地区的水资源进行实时、优化配置和调度；以远程控制及自动化技术为依托对流域或地区的工程设施进行控制操作，同时以VR虚拟现实技术为核心，建立真实三维环境的模拟，使实时监控所得的数据能够运行在模拟的真实外野环境，在此基础上进行分析和指挥调度。这种系统的主要特点是：
①、对水资源进行实时监测。 只有掌握瞬时变化的水量信息，才能科学、准确地进行资源配置及调度；只有掌握瞬时变化的水质信息，才能对环境质量进行动态评价和有效监督，也才有可能应对水污染突发事件，保证供水安全。
②、这种系统以三维地理信息系统( VR GIS)为框架 除了采集水资源信息外，还广泛采集流域或地区内的气象、墒情等自然信息，水利工程等基础设施信息，经济与社会发展的基本信息以及需水部门的需水信息,利用VR虚拟现实技术，生动再现实际场景。
③、它不同于以往的水资源监测系统，仅仅具有监测功能。 这种系统更重要的功能是进行实时配置调度。它是在监测的基础上，以大量的综合信息为基础，采用现代水资源管理数学模型，实时三维可视化管理，为水资源的实时配置、调度提供直观的决策支持。
④、这种系统应是高新技术的集成。 系统的设置包括监测技术、通信、网络、数字化技术、遥感（RS）、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、虚拟现实（VR）、人工智能、远程控制等先进技术。
⑤、它的设置应是因地制宜的。 针对不同流域、不同地区不同的经济发展水平及基础设施状况，水资源管理中不同的重点问题，水资源实时监控管理系统的设置也应具有不同的特点。系统的设置还应与防洪调度指挥系统的建设相结合。
这种系统的技术要求是：
①、以现代电子、信息、网络技术为基础，实现监测数据的自动采集、实时传输和在线分析，有效地提高监测数据的实时性和准确率，确保监测信息的有效性。
②、充分掌握所在地区水资源供需状况，建立相应的资料库和水量、水质模型、供需水模型及生态环境分析模型。供水方面包括：地表水、地下水、土壤水，主水、客水、污水回用等等，需水方面包括：生活用水、工业用水、农业用水、生态环境用水等。
③、充分运用现代计算机、VR虚拟现实、人工智能等技术进行高度技术集成，快速、高效、准确、客观地分析处理大量监测数据信息，并根据已建立的供需水模型和水环境分析模型等，动态生成水资源优化配置、调配计划等辅助决策方案。
④、以综合分析和辅助决策为基础，实现对水资源的优化配置、远程控制和科学管理等，即实现水资源调控的现代化。
⑤、系统应具有很强的实用性和动态可扩展性，以满足不同用户的需求。
2、水资源实时监控管理系统的基本结构
水资源实时监控三维管理系统应具备水资源实时测、水资源实时预报、水资源实时调度和水资源实时管理等功能。系统的总体结构又可分解为以下主要部分：
①、三维数据库(包含图形库、图像库/3D模型库和CIS系统)；
②、数学模型库(包括方法库)；
③、知识库；
④、在线数据采集子系统；
⑤、综合信息三维管理子系统
⑥、综合分析与决策支持三维子系统；
⑦、实时控制三维管理子系统
B. 水资源合理配置模型主要包括哪些模块
水资源规划的类型：线性规划、动态规划、非线性规划与多目标规划 建设各类型规划的任务和内容：1.水资源：是指能被利用或可能被利用的，有一定数量和质量，能满足某一地区某种需求的水源。他的特点是，1，流动性2，多用途性 3，公用型
C. 水资源配置有哪些方法 分别是谁提出
浪费，意味着对水资源短缺的冷漠
从事水利工程研究的兰州交通大学土木工程学院研究人员贡力介绍，西北地区是我国的缺水地区，2000年的人均水资源量仅为全国人均占有量的76.87%。根据中国工程院"西北水资源"项目组于2003年公布的西北水资源的情况，西北地区人均多年平均水资源量1781立方米，其中在黄河流域为838立方米，内陆河流域3906立方米。
由于经济发展和人口分布的相对集中，西北地区人均水资源量的地区分布极不平衡，缺水严重的是以下地区：宁夏黄河流域，人均多年平均水资源量217立方米；陕西渭河流域，326立方米；青海黄河支流湟水河流域，618立方米；甘肃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，均大大低于全区平均水平；西北地区的平均土地占有水资源量为每公顷24000立方米，为全国平均占有量的80.09%。
西北地区一方面是水资源紧缺，而另一方面水资源的浪费又十分惊人，存在着人均用水量高、农田灌溉用水定额高、单位GDP用水量高等水资源低水平利用的问题。第一用水大户的农田灌溉，多数自流灌区的灌溉水利用系数仅在0. 5左右，而发达国家在0.8左右，相比可见西北地区水利用效率之低。西北地区农田灌溉定额达到每公顷9255立方米，比全国平均值高出40%；万元GDP用水1736立方米，比全国平均值高处1.85倍。这就使本来就严重的水资源缺乏问题雪上加霜。根据相关资料统计，我国农业用水比例已由1949年的97%下降到1999年的69. 2%,但根据已有资料，2000年西北地区总用水量817亿立方米，其中农业用水占83.9%，工业、城市生活用水仅占16.1%，与全国相比仍相差很大。
同时，西北地区还存在着工业生产工艺落后的问题，导致工业万元产值用水量高达103立方米，是发达国家的10到20倍；水的重复利用率为40%左右，而发达国家为75%到85%，差距相当大。
污染，让可利用水资源进一步短缺
水环境的污染又进一步加剧了水资源短缺与利用之间的尴尬。根据2002年的统计资料，西北地区水环境受严重污染和中度污染的地区，其人口已经占该区总人口的79. 1%。内陆河流域没有排污入海的出路，水环境污染十分严重；黄河的排污不仅危害本地区，而且危害到黄河中下游的水环境安全。其中特别是西北城镇工矿地区的生态环境危机，主要是水环境污染，其严重程度完全可用"触目惊心"来形容。
根据中国工程院"西北水资源"项目组的报告表明，西北地区严重污染的地区包括黄河干流、渭河干流、石羊河流域、疏勒河流域以及伊犁河流域21个城市（地区）所在的主要河段，水质已属于Ⅴ类或劣于Ⅴ类，不能满足农业灌溉用水的标准，有的已成为黑臭河段。其中，渭河流域已成为全国污染最严重区域之一。污染严重河段的流域面积虽然仅占西北地区总面积的13％，但这些地区是城镇工矿集中、人口稠密区域，也是今后城镇发展的主要区域，目前受影响人口已达西北地区总人口的55．2％。这些地区的主要污染因子是COD（有机污染物）、BOD（生物污染物）和氨氮，局部河段如黄河干流甘肃、内蒙古段还发现 重金属超标现象。
中度污染地区主要有新疆的乌鲁木齐市、甘肃的白银市以及陕西的铜川市等14个城市（地区），主要河流水质多属于Ⅳ类，污染河流的流域面积约占西北地区总面积的27．2％，受影响人口约占西北地区总人口的23．9％。其水质目前尚可满足工农业生产要求，但已不能作为饮用水源，而且基本已无环境容量，若不能控制排污，很快将成为严重污染区。
尚未明显污染的地区有27个地市，其主要河流水质基本保持在Ⅱ～Ⅲ类，尚未受到明显污染。虽然这些水质良好区域的面积占西北地区总面积的59．8％，但大部分处于荒漠地带，其人口只占总人口的20．9％。
今年6月26日黄河干流内蒙古三湖河口段发生污染，河段水体发黑且伴有死鱼飘浮，原因就在于上游的排污。黄河水利委员会宁蒙水文水资源局接到污染事故报告后，前往乌拉特前旗调查并进行现场取样。据初步分析，本次污染的主要原因是乌拉特前旗塞外星、北晨、华章3家造纸厂及林海化工厂排放的工业废污水及乌梁素海农灌退水所致。
透支，另一种"杀鸡取卵"
当前有限水资源的可持续利用问题也是困扰西北地区的另一大难题。西北地区水资源可持续利用的问题可归结为干旱、洪涝和污染，并可具体表述为水资源紧缺、水利工程老化失修、生态环境恶化三个危机和旱洪涝威胁、投入不足、机制过死、生态环境脆弱和行业贫困五大难题。在西部地区，特别是黄土高原地区水土流失面广量大。一方面干旱缺水，另一方面由于降雨集中，多暴雨、洪水，加之植被稀少、沟深坡陡，造成了严重的水土流失。汇入河道的径流含沙量大，最大可达每立方米1000到1200千克。根据全国第二次水土流失遥感调查的数据，与第一次遥感调查的数据相比，西部水土流失面积已经由104万平方公里增加到107万平方公里。
根据中国工程院"西北水资源"项目组的统计数据，西北地区的水资源开发利用率（供水量与水资源总量的比值）也处在一个很高的水平。以2000年为例，全国水资源的开发利用率为20%，而西北地区却高达53 .3%，其中黄河流域为55%。内陆河利于为52. 5%。西北各地的水资源开发利用率也极不平衡，甘肃河西走廊水资源开发利用率高达92%，而由于水资源的重复利用和超采地下水，其中石羊河竟然达到154%，黑河达到112%；在新疆，塔里木河和准噶尔盆地的水资源开发利用率也分别高达79%和80%。
西北地区已经尝到了水资源短缺和低水平利用尴尬带来的后果，其中最显着的就是土地沙漠化。西北地区的生态环境由于人类不合理的经济活动，主要是水、土资源利用不合理，使原有耕地、林地和草地退化。内陆干旱区，如甘肃民勤，由于河流上中游用水过多，造成下游河湖干涸，荒漠扩大；沙漠边缘地区，由于超采地下水，致使沙生植被枯萎、死亡，造成土地沙漠化。据统计由于过度利用沙区水资源，当地地下水位下降了0.5到1米。地下水位的下降直接影响了地表植被的生长，现有的9000公顷人工沙枣林全部枯死，23300公顷白刺红柳林也面临枯死的境地，2万公顷的土地荒芜，面临着二次沙漠化的威胁。
此间，有关专家呼吁，要通过各种措施来提高西北地区水资源的保有量。在当前西北地区经济欠发达、财政能力无法负担高昂的生态保护的费用下，应该建立一个流域间的上下游的补偿机制，流域的上游地区停止对水资源的过量开采，着重进行生态环境的保护；下游地区是上游生态环境保护工作的受益者，应从财政上对上游地区进行适当的补偿。这样，既可以在不牺牲上游利益的前提下让环境得到保护，又可以使水资源向能产生更高效益的相对发达的下游地区
D. 奎屯河流域水资源优化配置
一、水资源与开发利用现状概况
奎屯河流域地处位于新疆天山北坡经济带西缘的“金三角”地带，流域内年平均地表水资源量为16.21×108 m3，地下水天然补给量1.62×108 m3，水资源总量为17.83×108 m3。平原区地下水总补给量8.41×108 m3，其中转化资源量6.79×108 m3，占总补给量的81%。地下水可开采量为6.25×108 m3，2003年实际开采量3.39×108 m3。
2003年奎屯河流域总用水量为14.65×108 m3，其中生活用水量为0.34×108 m3，占总用水量的2%；生产用水量11.28×108 m3，占总用水量的77%，而其中的农业用水量为10.54×108 m3，占总用水量的72%；人工生态用水1.8×108 m3，占总用水量的12%。
奎屯河流域总用水量为水资源总量的82%，地表水资源利用率70%，几条主要河流奎屯河、四棵树河、古尔图河的引水率均超过了80%，水资源利用程度明显偏高，造成国民经济用水挤占生态用水，致使本区生态状况呈恶化趋势。因此，必须调整用水结构，强化节水，充分考虑生态用水的基本需求，促使奎屯河流域社会、经济与生态的协调发展。
二、水资源利用效率分析
在奎屯河流域，农业用水占全部用水量的70%以上，用水量水消耗系数为7.87 m3/kg，远远超过了全国平均水平（1.102 m3/kg），农业水资源利用效率系数仅为0.13kg/m3。工业用水的重复利用率为40%左右，流域除独山子区工业万元产值用水量24 m3，其他地区万元产值耗水量平均165 m3，比全国平均水平高60%以上。
以单位用水量产出的GDP衡量用水效率，2003年奎屯河流域平均用水效率为5.6元/m3，仅为2000年全国平均水平的34%，水资源有效利用率仅为54%。
三、水资源开发利用中存在的问题
随着流域人口增加和经济、社会的发展，奎屯河流域水资源开发利用程度不断提高，流域出现了典型的资源性缺水现象，致使进入下游水量急剧减少，导致河流下游断流。从而，一方面造成流域灌区内部地下水位升高，土壤盐渍化，作物减产，土地弃耕；对于非耕地亦造成草木生长稀疏，林木退化；流域下游区域地下水位下降，甘家湖天然林保护区及艾比湖流域生态环境恶化河流中下游断流，地下水位持续下降。流域下游地区环境恶化。
四、奎屯河流域水资源优化配置的指导思想
为遏止奎屯河流域生态环境恶化的趋势，要以生态建设为根本，以水资源的科学管理、优化配置、高效利用和有效保护为核心，上、中、下游统筹规划，工程措施和非工程措施相结合，生态效益与经济效益兼顾，协调生活、生产和生态用水，充分运用法律、行政、经济、科技、宣传、教育手段，进行综合治理的指导思想。从全局利益的高度着眼，以水资源的可持续利用促进当地经济社会可持续发展为目标，系统全面考虑流域较长时期的发展需求，调整产业结构和用水结构，进一步协调生活、生产和生态用水，逐步形成符合奎屯河流域特点的、完善的水资源统一管理和生态环境保护体系，实现流域人口、资源、环境与经济社会的协调发展。
五、奎屯河流域水资源优化配置目标
此确定奎屯河流域水资源优化配置的总目标为：通过合理调度地表水，优化开采地下水，在保证人民生活用水的前提下，维持艾比湖、甘家湖天然林保护区现状的基础上，合理分配工业、农业用水比例，逐步恢复古尔图河、四棵树河下游末端林地。其次是恢复奎屯河在保护区范围内的衰败林项，保障其需水量，使水资源开发获得最佳的经济、环境、社会效益，使区域经济向良性循环方向发展。
六、奎屯河流域水资源优化配置方案生成
根据奎屯河流域水资源优化配置目标、原则及具体问题，结合奎屯河流域规划、新疆“十一五”跨流域调水工程规划，主要从开源和节流角度拟定奎屯河流域水资源配置可行的方案集，如表9-26。
表9-26 奎屯河流域水资源配置可行方案设置表
在现状供水条件下，将各种可能的配置措施投入组合成其他的配置方案。其中挖潜，指对流域现有蓄、引、排工程挖潜改造；节水，包括工农业节水。通过工农业节水技术的实施，不同规划水平年高、中、低三种需水方案比现状条件下需水可减少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，指城镇生活及工业用水排放量，给下游天然生态供水，规划不同水平年污水回用水量分别为：2010年0.63×108m3、2020年1.2×108m3、2030年1.88×108m3。地下水开采工程，按流域规划，统一开采地下水；山区调蓄工程，即流域规划奎屯河上的特门水库、将军庙水库、红山水库和四棵树河上的吉尔格勒水库，总库容1.95×108 m3；跨流域调水工程，从国际河流伊犁喀什河向奎屯河流域调水5.0×108m3。
七、奎屯河流域供需水分析
（一）奎屯河流域现状2003年供需平衡分析
奎屯河流域现状2003年需水量18.21×108 m3，其中生活、生产、生态需水分别为0.34×108 m3、13.48×108 m3、4.39×108 m3，各占总需水量的1.8%、74.1%、24.1%，而生产需水中，农业需水为12.74×108 m3，占总需水量的70%。依据统计资料，奎屯河流域2003年供水量为15.42×108 m3，其中地表水供水量为11.32×108 m3，地下水供水量为3.39×108 m3，侧向排入艾比湖0.42×108 m3，排入奎屯河下游排碱渠0.29×108 m3，缺水2.84×108 m3。详见表9-27。
表9-27 2003年供需平衡分析表（单位：108 m3）
由表中可以看出，现状条件下，奎屯河流域缺水2.79×108 m3，其中农业缺水0.91×108 m3，天然生态缺水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.现状可供水量分析
可供水量是指在不同水平年、不同来水保证率的情况下，通过各类水利工程设施可以为各行政区、各部门提供的水量。可供水量的大小与水资源的总量、水利工程的供水能力及用水水平有关，同时也受国家、地方或各用水户之间的分水方案制约，在用水水平、水资源总量一定的情况下，可供水量主要取决于水源工程的类别、数量、设计规模和运行方式等。
现状水利工程、用水水平、分水方案条件下，奎屯河流域不同来水保证率情况下的可供水量详见表9-28。
表9-28 奎屯河流域不同来水保证率时的可供水量表（单位：108 m3）
由表中可以看出，在来水保证率50%（平水年）时，可供水量为14.95×108 m3，其中地表水可供水量10.89×108 m3，地下水开采量3.39×108 m3，地下水侧向排入艾比湖0.40×108 m3，排入下游排碱渠0.27×108 m3。
2.现状条件下，不同规划水平年，来水保证率50%时供需分析
奎屯河流域2003年地下水开采量为3.39×108 m3，地下水可开采量为6.25×108 m3。由于现状地下水开采没有统一规划，在奎屯市、乌苏市、八十四户乡、甘河子乡等地开采较集中，开采量大，已成为超采区。奎屯河流域规划按地貌单元、水文地质条件，将奎屯河流域平原区分为控制开采区、调蓄开采区、禁止开采区（指自然生态单元）等地下水开发利用分区。规划到2010，地下水开采量为3.47×108 m3；到2020年，地下水开采量为4.41×108 m3；2030年，地下水开采量为6.25×108 m3。据此，不同规划水平年多年平均2010年、2020年、2030年可供水量分别为15.03×108 m3、15.97×108 m3、17.81×108 m3。
3.来水保证率50%、中等需水情况下，不同配置方案供需分析
由表9-29中可以看出，来水保证率50%时，不同规划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，缺水占总需水量比例均大于20%。偏旱年、干旱年缺水会更明显。
表9-29 不同规划水平年来水保证率50%年供需分析表
由表9-30中可以看出，中等需水情况下，各种配置方案除外流域调水方案6外均缺水。方案1现状配置条件下，2030年缺水达总需水量的48%，将严重影响国民经济发展和人民生活水平的提高。方案2在挖潜改造和工农业节水情况下，一方面可供水量增加；另一方面，需水量相对减少。此方案配置条件下，到2030年缺水仍达37%，比方案1缺水量占总需水量的比例减少11%。配置方案3污水回用后缺水减少，但缺水也达到需水量的26%～30%。配置方案4实行地下水开采工程，缺水有逐步减少的趋势，到规划水平年2030年仅缺水18%。配置方案5修建山区调蓄水库后，可有效地缓解缺水情况。只有在配置方案6外流域调水情况下，可供水量大于流域内需水量，可向艾比湖供水0.14×108～1.55×108 m3，有利于改善该区的生态环境现状。由此，随着人口增加和经济的快速发展，奎屯河流域缺水将日渐严重。为实现奎屯河流域生态、社会和经济的可持续发展，必须采取工程和非工程措施，对有限的水资源进行优化配置。
八、奎屯河流域水资源优化配置模型建立及求解
（一）模型规划
1.管理区的划分
根据奎屯河流域的地理特征、水资源条件、灌区分布、生态环境现状、行政区划及发展规划，可将流域划分为若干子区（图9-2）。子区划分遵循以下原则：
1）尽量按照流域地形、地貌条件划分，以便计算可利用水资源量；
2）尽可能与行政分区一致，以方便资料收集整理，增加实施的可能性；
3）分区要与水资源调查评价中的分区相协调，以便采用水资源评价的成果。
依据以上原则可将奎屯河流域划分为Q个子区，某个子区用l表示，l=1，2，…，Q，Q=12。在每个子区内结合地下水位埋深进一步划分次级单元，次级单元不同埋深用不同的编码表示。
2.水源类型
根据奎屯河流域的实际情况，其供水水源有当地地表水、地下水、回用水、跨流域调水四种类型。
3.用水部门
区域用水一般可分为生活用水、生产用水和生态用水三大类。根据奎屯河流域实际，每一类用水可分为若干具体的用水部门。如生活用水分城镇居民、农村居民（包括牲畜用水）生活用水；生产用水包括工业用水、农业用水；生态用水包括人工生态用水、天然生态用水等。
表9-30 不同配置方案平水年可供水量表（单位：108 m3）
（二）多目标优化配置模型构建
1.决策变量
通过操纵可控变量，对水资源系统进行调控，并使系统的目标最终达到最优，该可控变量即为决策变量。根据奎屯河流域实际情况，水资源优化配置模型的决策变量是不同水源分配给不同用水部门的水量。分别用下式表示，即
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
式中：为i水源供给l子区j部门的水量。
图9-2 奎屯河流域水资源优化配置分区图
依据奎屯河流域实际，考虑到各用水部门的季节性及水源类型的差异，作如下说明：①生活用水考虑到用水的便利性、清洁性及用水习惯，全部使用地下水；②工业用水考虑到集中供水及处理方便等因素，全部使用地下水；③农业用水由地表水和地下水共同提供；④生态用水只考虑用地表水灌溉的植被面积，而对地下水维系的生态系统通过约束地下水位调控。
2.目标函数
奎屯河流域水资源优化配置的目标是在维持水资源可持续利用的条件下，实现区域经济、社会和生态环境综合效益最大。其中涉及经济目标、社会目标、生态目标等，而反应经济、社会、生态效益的指标非常多，且部分社会效益和生态效益指标不易量化，所以建立水资源优化配置模型时尽量选择能定量、有代表性的效益指标构造优化模型的目标函数。
（1）经济效益目标选择
在经济学中反应效益的目标众多，如产值、利润、国民经济总产值和国内生产总值等。本次计算选用工农业产值最大作为经济目标。
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
式中：为l子区j部门的工业、农业用水量；为l子区j部门单位水量产值系数；对工业用水部门可用万元产值用水定额推求，干旱区没有灌溉就没有农业，对农业用水部门用灌溉定额、灌溉面积和农业产值推求；为i水源分配给l子区j用水部门的水量。
工农业生产总值最大，反映了同等水量在不同用水部门间优化配置后取得的经济效益，但是，一方面，同一部门的水量来自不同的水源时，由于单位供水成本存在差异，从不同水源获得同等量供水的费用不同；另一方面，为满足经济社会对水资源需求，实现水资源可持续利用和经济社会协调发展，在工农业产值最大的情况下，要求水量消耗最少，且水资源配置系统的总投入费用最小作为经济效益目标。依据奎屯河流域实际情况，不同水源间以优先使用当地地表水、地下水、回用水，最后使用外调水。
水资源消耗量最小目标：
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
式中：W为流域消耗的总水量，108 m3；为i水源分配给l子区j用水部门的水量，108 m3。
（2）社会目标选择
社会目标极其广泛，包括社会稳定、生活质量、就业率、文化教育等。建模时，首先保证城市和农村的生活用水，作为保障生活质量的间接反映，并作为约束条件处理。另一方面，从社会发展的角度讲，粮食供应是社会稳定的主要影响因素之一，可选择粮食产量作为社会目标的表征指标。据此，根据规划水平年的人口发展，确定粮食种植面积，保证自给自足。
（3）生态目标选择
水资源优化配置的生态目标是维持现有生态系统平衡、恢复或改善生态系统等。从水资源利用的角度讲，生态供水量是生态平衡状态的间接度量。据此，选择在基本保证生态需水的前提下，水量的分配。
3.约束条件
（1）资源约束
1）地表水约束。各子区不同用水部门引用地表水量之和应小于可供地表水量。
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
2）地下水约束。考虑到地下水维系天然植被的功能，各子区不同用水部门引用的地下水量应小于允许开采量。
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
3）目标约束。最大程度地满足人民生活及各种经济活动对水资源的需求。
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
式中：需水量（min）=α×需水量（max），α为基本用水系数，α=1，表示生活用水及天然生态需水必须保证；0.5＜α＜1.0，表示生产（工业、农业）用水可适量减少；0.6＜α＜1.0，表示人工生态用水应尽量保证。
（2）地下水位约束
为防止由于地下水位过高或地下水位过低，导致土壤盐渍化和沙漠化，必须将灌区地下水位调控在一定的范围内。鉴于奎屯河流域下游平原区地下水以垂向交换为主，因此，在忽略单元之间水平方向水量交换的前提下，第l单元地下水位约束可用如下不等式表示：
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
（3）非负约束
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
（三）多目标优化配置模型求解
1.计算方法概述
本次采用MATLAB 遗传算法优化工具箱对上述模型进行求解。
2.遗传算法基本原理
生物的进化是一个奇妙的优化过程，它通过选择淘汰，突然变异，基因遗传等规律产生适应环境变化的优良物种。遗传算法是根据生物进化思想而启发得出的一种全局优化算法。
遗传算法的概念最早是由Bagley J D在1967年提出的；而开始遗传算法的理论和方法的系统性研究的是1975年，这一开创性工作是由Michigan大学的J.H.Holland所实行。当时，其主要目的是说明自然和人工系统的自适应过程。
3.遗传算法的求解步骤
遗传算法提供了一种求解复杂系统优化问题的通用框架，它不依赖于问题的领域和种类。对一个需要进行优化计算的实际应用问题，一般可按下述步骤来进行遗传算法求解。
图9-3 遗传算法的基本流程
1）确定决策变量及其各种约束条件，即确定出个体的表现型和问题的解空间。
2）建立优化模型，确定出目标函数的类型，是求目标函数的最大值还是求最小值，并确定目标函数的数学描述形式或量化方法。
3）确定表示可行的染色体编码方法，也即确定出个体的基因型及遗传算法的搜索空间。
4）确定解码方法，即确定出由个体基因型到个体表现型的对应关系或转换方法。
5）确定个体适应度的量化评价方法，即确定出由目标函数值到个体适应度的转换规则。
6）设计遗传算子，即确定出选择运算、交叉运算、变异运算等遗传算子的具体操作方法。
7）确定遗传算法的有关运行参数，即确定出遗传算法的群体规模、最大迭代代数、选择算子、交叉算子、变异算子等参数。具体详见图9-3。
4.参数选择
（1）各目标权重系数
通过对各个目标进行加权，并不断调整各目标的权重值以达到一个较理想的规划方案，最终确定多目标模型中水资源节约目标的权重系数为0.6，工农业经济目标权重系数各为0.2。生态环境方面由于目标难以定量化，所以把它考虑在生态环境需水量和地下水位约束条件中。
（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。不同的来水频率和配置方案，可供水量不同。通过水利工程挖潜改造，工农业节水，污水回用及地下水开采工程的实施，可有效缓解奎屯河流域缺水，但缺水仍达20%以上。修建山区调蓄水库和外流域调水是从根本上解决奎屯河流域缺水的必要措施，因此本次主要计算在来水50%（多年平均）保证率、中等需水情况下，充分利用当地水资源即配置方案5的水量分配。
（3）需水量
不同水平年需水量、农业用水定额、工业万元产值用水量，在需水预测计算时已详述。
（4）地下水位约束
奎屯河流域存在的生态环境问题与地下水位密切相关，因此，确定合理的地下水位，对于奎屯河流域生态环境保护至关重要，而地下水位的高低直接受控于地下水资源的开发利用模式。因此，为遏止奎屯河流域生态环境恶化，必须采用合理的地下水开发利用模式，协调生活、生产和生态用水，实现流域人口、资源、环境与经济社会的协调发展。
1）山前洪积砾质倾斜平原区。该区地下水位要有利于地下水水库调蓄，获得最大的地下水水库库容，从而发挥地下水含水层的最大调蓄能力。
2）冲积平原灌区。自溢出带至一二六团，该区是奎屯河流域的农业灌溉区。该区地下水位主要研究如何控制地下水位，使得灌溉期前，有利于灌溉水入渗补给地下水，灌溉期后又不造成土壤盐渍化。根据观测资料，对灌区地下水生态水位在灌溉期前控制在4～6 m，灌溉期后，控制在3～5 m，以形成最大的地下库容，且土壤不产生盐渍化。
3）冲湖积平原甘家湖天然林保护区。根据调查研究，天然植被的生长状态与地下水埋深关系详见表9-31。
表9-31 准噶尔盆地南缘主要植被生长状态与地下水埋深关系表
根据调查研究成果，该区地下水位控制在1.5～7 m，天然植被生长较好。为此，在维持现状的基础上，应考虑逐步改善该区的生态环境现状，规划各水平年2010年、2020年、2030年进入甘家湖地区的水量分别为1.92×108 m3、3.13×108 m3、3.54×108 m3。
九、水资源优化配置模型求解结果及分析
（一）计算结果
采用MATLAB 遗传算法优化工具箱对上述模型进行求解，其结果详见表9-32～表9-35。
（二）结果分析
1.现状水平的水资源优化配置成果及分析
现状水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量18.21×108 m3，其中生活需水量0.34×108 m3，工业需水量0.74×108 m3，农业需水量12.74×108 m3，人工生态需水1.80×108 m3，天然生态需水2.59×108 m3。生活用水占总用水量2%，工业用水占5%，农业用水占的77%，生态用水占16%。
按乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-32，流域平均总供水量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，总缺水量2.84×108 m3，缺水率15.6%。缺水分布为：中游农田灌溉缺水0.91×108 m3，下游天然生态缺水1.88×108 m3，无地表径流进入甘家湖区。
地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在20%～30%，盐渍化严重；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在15%～25%。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。
2.2010年水平水资源优化配置成果及分析
2010年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量22.44×108 m3，其中生活需水量0.71×108 m3，工业需水量1.18×108 m3，农业需水量10.6×108 m3，人工生态需水7.36×108 m3，天然生态需水2.59×108 m3。生活用水占总用水量3%，工业用水占5%，农业用水占的47%，生态用水占45%。
按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-33，流域平均总供水量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，总缺水量4.7×108 m3，缺水率22%。缺水分布为：中游农田灌溉缺水2.71×108 m3，人工生态缺水2.21×108 m3，有1.92×108 m3地表径流进入甘家湖区。
表9-32 2003年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）
表9-33 2010年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）
地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在16%～30%之间；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在13%～20%之间，详见图9-4。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。
3.2020年水平水资源优化配置成果及分析
2020年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量24.11×108 m3，其中生活需水量0.95×108 m3，工业需水量2.42×108 m3，农业需水量9.39×108 m3，人工生态需水7.55×108 m3，天然生态需水3.80×108 m3。生活用水占总用水量4%，工业用水占10%，农业用水占的39%，生态用水占47%。
按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-34，流域平均总供水量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，总缺水量4.94×108 m3，缺水率21%。缺水分布为：工业缺水0.62×108 m3，中游农田灌溉缺水2.39×108 m3，人工生态缺水1.93×108 m3，有3.13×108 m3地表径流进入甘家湖区。
图9-4 奎屯河流域灌区地下水开采所占比例等值线图
地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在20%～35%；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在16%～25%，农业开采地下水比例增加。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。
4.2030年水平水资源优化配置成果及分析
2030年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量25.27×108 m3，其中生活需水量1.18×108 m3，工业需水量4.15×108 m3，农业需水量8.32×108 m3，人工生态需水7.41×108 m3，天然生态需水4.21×108 m3。生活用水占总用水量5%，工业用水占16%，农业用水占的33%，生态用水占46%。
表9-34 2020年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）
按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-35，流域平均总供水量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，总缺水量4.06×108 m3，缺水率16%。缺水分布为：工业缺水1.18×108 m3，中游农田灌溉缺水1.52×108 m3，人工生态缺水1.36×108 m3，有3.54×108 m3地表径流进入甘家湖区。
表9-35 2030年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）
地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在25%～41%；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在20%～30%，农业开采地下水比例增加。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。
各水平年优化结果中生活、生产、生态用水比例，详见表9-36。由表中可以看出，生活用水比例不断增加，由现状的2%，增加到2030年的6%；生产用水比例不断减少，由现状的82%，减少到2030年的50%，而其中的农业用水比例减少，工业用水比例增加；生态用水比例由现状的16%，增加到44%。由现状无地表径流进入甘家湖区，到2030年有3.5×108 m3地表径流进入甘家湖区，将逐渐改善该区及艾比湖的生态环境现状。
表9-36 奎屯河流域不同水平年各用水部门用水比例优化结果表
5.流域内不同水平年地表水与地下水利用量优化结果
2003年地下水用水量占总用水量的27%，地表水占73%；2010年地下水用水量占总用水量的32%，地表水占68%；2020年地下水用水量占总用水量的23%，地表水占67%；2030年地下水用水量占总用水量的32%，地表水占68%，见表9-37。这表明流域内以引用地表水为主，开采地下水为辅；各规划水平年地下水用水比例保持在32%左右，对现状灌区盐渍化有明显的改善。
表9-37 奎屯河流域不同水平年用水优化结果中地表水、地下水用水量表
总之，优化结果基本体现了生态保护与国民经济发展，人民生活水平提高与节约水资源相协调的原则。
E. 南四湖流域优化配置模型构建
2.3.1.1 流域水资源系统概化
鉴于水资源系统的复杂性，水资源配置需要根据其目的与需要，对水资源系统的特性和演变规律做适当的概化。概化是指将真实的水资源系统转化为计算机所能识别的网络系统。概化的原则是指要能够比较真实地反映出水资源计算分区的水量传递，并且有利于揭示供需矛盾;同时，也要适应基础资料与数据源的准确程度，并且便于分析计算。
根据南四湖流域情况及水资源计算分区，将南四湖流域水资源系统概化为由节点和有向线段组合的网络，构成了水资源系统网络图(图2.4)。图中节点包括重要计算单元、河渠道等，各种水源的供水都是在各计算单元的基础上进行的，有向线段代表天然河道或人工输水渠道，它们反映节点之间的水流传输关系。
图2.4 南四湖流域水资源系统网络示意图
2.3.1.2 水资源优化配置模型描述
(1)配置方法
水资源优化配置需要用水资源系统分析的方法来解决。在水资源系统分析中，数学模型起着十分重要的作用，水资源优化配置问题可通过建立数学模型来解决。水资源系统的数学模型一般包括目标函数和约束条件两部分。对于不同的系统和不同的水资源问题，数学模型是不同的。数学模型通常是根据系统的实际需要来设计目标函数，使目标函数值达到最大或者最小，即系统达到最佳状态时得到的水资源优化配置方案。
水资源优化配置的目的是为了支撑全流域社会、经济、环境的全面协调和持续发展。水资源利用是多目标的，水资源优化配置就是多目标优化问题，其目标不是追求某一方面或对象的效益最好，而应追求整体效益最好。因此，水资源优化配置问题实际上是一种复杂的多目标决策问题。
根据南四湖流域自然地理与人文地理特点，采用多目标规划模型对流域的水资源进行合理配置。水资源优化配置多目标问题一般表达式如下:
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:x为决策变量;fp(x)为p个独立的目标函数向量;gi(x)为约束条件组;bi为右端常数项向量。
(2)目标函数
目标函数表征模型系统的目标要求。针对研究的问题不同，要求目标函数实现最大化或最小化。根据水资源优化配置的科学内涵，水资源优化配置是通过科学合理分配有限的水资源，以解决水资源的短缺和用水竞争问题，更好地满足生活、工农业生产及生态环境的需求。
对于南四湖流域来说，水资源配置的主要目的是着重研究如何联合运用多种水源(包括当地水源和外调水源)，以缓解水资源短缺而引起的争水问题，结合本流域“十一五”规划要求，最终设定了以下2个目标函数。
1)经济效益目标。以区域供水带来的直接经济效益最大来表示。函数表达形式为
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
2)社会效益目标。由于社会效益不容易度量，而区域缺水量的大小或缺水程度会直接影响到社会的发展和稳定，故采用区域供水系统总缺水量最小来间接反映社会效益。函数表达形式为
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
(3)约束条件
约束条件表征目标函数的限制条件。推求目标函数达到最优时的决策变量，应是在约束条件下求得的。在水资源优化配置中，产水量、供水量、输水建筑物的过水能力等都可能成为约束条件。
1)供水量约束。根据资源节约和有效利用的原则，不同水源供给计算分区各用水户的总水量不应多于其可供水量，如下式
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
2)供水能力约束。各分区的输水河道及泵站都有各自的输水能力。因此，在水资源配置计算时，供水水源对计算分区各用水户的供水量不应大于其最大输水能力，如下式:
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:Qmax，ik、Qmax，ck分别为规划水平年内独立水源i及公共水源c对第k水资源分区输水能力。
3)部门用水量约束。各水源提供给各分区各用水户的水量不低于该部门的最低用水量，如下式:
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
4)变量非负约束。各个分区的任何用水户的用水量都不为负，所能提供的水量能满足每个用水户的需要，如下式:
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
2.3.1.3 模型的建立
将上述目标函数及各种约束条件组合在一起，即构成南四湖流域水资源优化配置的总体模型
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:各符号的意义同式(2.10)至式(2.17)。
该水资源优化分配模型充分考虑了流域水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展，以满足流域供水经济效益最大及水资源系统总缺水量最小为目标，并在流域划分水资源计算分区中，考虑各用水户及各供水水源之间的相互协调作用，使得相应的水资源分配最优。
2.3.1.4 模型参数确定
南四湖流域供水水源有4个，包括本地地表水、地下水和跨流域调水。其中，跨流域调水包括引黄河水和南水北调工程引长江水。据流域水资源计算分区划分(图2.3)，计算分区为4个。其中，引长江水供给所有分区，为全区公共水源;引黄河水分别供给济宁及湖区和湖西菏泽区，为两分区公共水源;各分区的当地地表水和地下水为单分区水源。
考虑流域内各计算分区的实际情况，将用水部门具体划分为生活用水、工业用水、农业用水和生态环境用水等4个用水部门。
在水资源优化配置模型中，以k个计算分区内i水源提供给j用水户的供水量
(1)用水部门公平系数
确定用水优先权是模型分析计算的前提。根据流域用水部门的性质和重要程度，按照“先生活，后生产”的原则，在同一计算分区中把用水部门划分为不同的级别。
据《山东省水利发展和改革“十一五”规划》(2006年)、《江苏省水利发展“十一五”规划》(〔2006〕147号文)和《山东省经济发展“十一五”规划》(2006年)，流域内经济发展以工业为主，兼顾农业发展，优先保障生活用水，然后保障工业用水，最后安排农业用水，使其供水保证率分别达到98%以上、75%～90%、50%～75%。目前南四湖流域水污染较为严重[5，27]，生态系统遭到破坏，在保障生活用水的同时，还要充分考虑生态环境用水。
由此，将南四湖流域各用水部门划分为如下四个等级:第一级为生活用水，第二级为生态环境用水，第三级为工业用水，第四级为农业用水。当发生缺水时，级别低的用水部门先缩减供水，以确保级别高的用水户正常供水。
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
经计算，各用水户的用水公平系数
(2)供水次序系数
供水次序系数
根据以上原则，确定南四湖流域各水源的供水次序为:①地表水;②地下水;③引黄河水;④引长江水。供水次序系数
对于济宁及湖区、湖西菏泽区两水资源计算分区，
对于湖东枣庄区和湖西徐州区两水资源计算分区，
(3)供水效益系数及费用系数
1)效益系数。水资源优化配置数学模型，涉及各类水源的供水经济效益，是分析水资源优化配置的主要依据条件。水资源优化配置过程中，在满足生活用水、生态环境用水及各类生产部门用水最小需水量的前提下，将水资源量尽可能分配到经济效益较大的用水部门中去，最大限度的发挥水资源的经济效益;同时，要使整个研究区的缺水量最小。
南四湖流域农业生产用水的经济效益近年来有所增长，据统计，随着节水灌溉方式的普及，农业生产用水的经济效益显着提高。目前，南四湖流域农业生产用水的效益系数在15～20元/m3之间，至规划水平年(2015年)，农业生产用水的效益将成倍增长。工业用水经济效益较大，根据经济发展水平，工业用水效益多在150～250元/m3之间。
在计算过程中，农业用水、工业用水的经济效益系数采用山东省和江苏省统计部门提供的数据进行计算;生活、环境的效益是间接而复杂的，不仅有经济方面的因素，还有社会效益存在，其效益系数较难确定。根据生活、生态环境用水优先满足的配置原则，在计算中赋以较大的权值，用以表示其效益系数。由此，得出南四湖流域规划水平年(2015年)各用水部门的用水效益系数，见表2.17。
表2.17 南四湖流域2015年各用水部门效益系数单位:元/m3
2)费用系数[57，62，63]。不同水源供水给各用水部门费用系数，参考水费征收标准确定。对有资料水源工程，根据资料计算确定;缺乏资料时，参考邻近地区同类水源工程选取。
a.从水厂取水的用户以水价作为其费用系数。
b.从自备井取水的用户以水资源费、污水处理费与提水成本之和作为其费用系数。
c.从水利工程取水的用户以水资源费、污水费与输水成本之和作为其费用系数。
d.农业用户的费用系数参考水费征收标准确定。
据以上原则，并结合南四湖流域南水北调东线工程调水费用进行分析，得出流域规划水平年(2015年)供水费用系数，见表2.18。
表2.18 南四湖流域2015年供水费用系数单位:元/m3
(4)需水量上下限
记k子区j用户的需水量上、下限分别为
其确定方法如下:
1)生活需水量上下限。根据生活用水特性，其上、下限均取为生活需水量，即
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
2)环境需水量上下限。考虑到人们对环境用水的重视，环境用水的上下限也均取为环境需水量，即
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
3)工业需水量上下限。考虑工业用水的特征，工业需水量的上下限按下式取
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
4)农业需水量上下限。农业灌溉需水量的上下限需要根据有效灌溉面积、保证灌溉面积和综合灌溉定额来确定，即
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:
表2.19 南四湖流域各计算分区不同部门需水量上下限单位:万m3
(5)权重系数
目标权重系数λp表示p个目标对其他目标而言的重要性程度;子区权重系数βk表示k子区对整个区域而言的重要性程度。本节利用层次分析法确定权重系数βk和λp。
1)层次分析法求解的基本思路。层次分析法是美国运筹学家T.L.Saaty于20世纪70年代提出的一种多目标决策分析方法，属于定性与定量分析相结合的方法，是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、定量化的过程。应用层次分析法，决策者可以把复杂的问题分解为若干层次，每个层次包含若干因素;在各层次、因素间进行比较和计算，可以得到表示方案重要性程度的权重，为最优方案的选择提供依据。层次分析法适用于多目标、多层次的非结构化、半结构化决策问题，在系统评价、方案比较等方面得到了广泛的应用。在流域水资源规划方案、工程设计方案、工程施工方案等的比较与优选中，均可以考虑采用层次分析法[56，64]。
本节将应用层次分析法确定经济效益和社会效益两个子目标的权重系数λp及四个水资源计算分区在整个流域中的权重系数βk。确定因子权重的具体步骤如下[66～68]:
a.建立层次结构模型，如图2.5所示。
图2.5 南四湖流域多目标优化递阶层次结构图
b.构造判断矩阵。对于建立的层次结构模型，需要逐层计算相关因素间的重要性，并予以量化，构成判断矩阵，作为进一步分析的基础。对各因素因子间两两进行比较，用bij表示针对上一层次的某因素而言，本层次与之有关因素之间的相对重要性，引用Saaty提出的9级标度法进行量化，见表2.20。
表2.20 Saaty标度法及其含义
c.层次单排序及一致性检验。
(a)计算各指标权重值。
第一步，计算判断矩阵中每行元素的几何平均值
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
第二步，将
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
可得到近似特征向量ω=[ω1，ω2，…，ωn]T
第三步，计算判断矩阵的最大特征值λmax
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
式中:(AW)i为向量BW的第i个元素
(b)判断矩阵偏差一致性检验。由于判断矩阵的构造是由决策人员的定性分析转入定量描述的，因而无法保证完全一致性，需进行检验，目的是使差异不致过大。
由判断矩阵的偏差一致性指标CI的表达式
CI=(λmax-n)/(n-1) (2.26)
引入判断矩阵的随机一致性比率CR=CI/RI，判断矩阵是否具有满意的一致性，其中RI为平均随机一致性指标，其值可从表2.21查得。若CR＜0.1，则认为判断矩阵具有满意的一致性;否则，需要对判断矩阵进行适当调整直到具有满意的一致性为止。
表2.21 平均随机一致性指标RI
d.层次总排序及一致性检验。从层次结构模型的第二层开始，逐层计算各层相对于最高层相对重要性的排序权值，称为层次总排序。
由上述步骤得到每一个要素相对于上一层次对应要素的权重值后，通过层次总排序计算出每一个评价指标相对于总目标整个研究区水资源开发利用评价的权重值。最后，计算各层次所有元素对总目标相对重要性的排序权值。
层次总排序后同样要进行一致性检验，假设第K层层次总排序权值为αi(i=1，2，…， n)，一致性指标为CIi，相应的平均随机一致性指标是RIi，则总排序的一致性指标
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
总排序的平均随机一致性指标
变环境条件下的水资源保护与可持续利用研究
当CR=CI/RI＜0.1时，认为层次总排序的一致性满意，否则，重新调整判断矩阵，直到满意。
2)权重求解计算。按照以上层次分析法的求解步骤，对南四湖流域优化配置中的各权重值进行求解。
a.目标权重系数λp确定。
(a)如图2.5所示的南四湖流域水资源系统规划的层次结构模型，按照各因素的类别及支配关系，分为目标层、准则层、措施层。目标层为流域水资源规划的总体目标，即南四湖流域水资源的优化配置;准则层是为衡量总体目标能否实现的标准，模型确定了经济效益和社会效益两准则;措施层是根据流域具体情况及发展规划等所设置的若干个技术经济可行的规划方案，模型为经济效益和社会效益两准则分别设立了9个措施。
(b)对经济效益子目标(B1)和社会效益子目标(B2)在影响水资源优化配置综合评价结果的重要程度方面进行两两比较，其结果见表2.22。
其中，λmax=2，CI=0，判断矩阵具有完全一致性。对于二阶矩阵而言，总是一致的，不必检验。
表2.22 水资源优化配置综合评价下判断矩阵A-B
对措施层中的9个措施(C1～C4)、(C5～C9)在影响水资源优化配置综合评价结果的重要程度方面进行两两比较，其结果见表2.23、表2.24。
表2.23 水资源优化配置综合评价下判断矩阵B1-C
其中，λmax=4.1755，CI=0.0585，CR=0.0650＜0.1，具有满意一致性。
表2.24 水资源优化配置综合评价下判断矩阵B2-C
其中，λmax=5.3522，CI=0.0881，CR=0.0786＜0.1，具有满意一致性。
将所有判断矩阵进行一致性检验，由上述分析可知，判断矩阵A-B、判断矩阵B1-C和判断矩阵B2-C这三个判断矩阵均具有满意一致性。
(c)在得到每一个要素相对于上一层次对应要素的权重后，通过层次总排序，计算出每一个措施相对于总目标南四湖流域水资源优化配置综合评价权重值。计算各层次所有元素对总目标相对重要性的排序权重，总排序的结果见表2.25。
表2.25 水资源优化配置层次总排序分析结果表
续表
在层次总排序之后，利用CR=CI/RI进行整个层次的一致性检验，总排序随机一致性比率为
故在水资源优化配置总目标下，经济效益和社会效益两个子目标的排序权重系数λp分别为0.1667、0.8333。
在决策过程中，权重还可以与决策者交互调整，不同的权重值可得出原多目标规划问题的一个非劣解，为决策者提供更多的有关目标权衡比较的信息，以便选择最佳权衡解[56]。
b.子区权重系数βk确定。针对南四湖流域四个水资源计算分区(济宁及湖区、湖东枣庄区、湖西菏泽区及湖西徐州区)，同样采用层次分析法确定其权重系数βk。针对该流域的具体情况，经过层次分析法分析计算后，分别拟定为β1=0.1299，β2=0.5567，β3=0.2556，β4=0.0577。
以2015年为规划水平年，将前述分析计算的各相关参数代入模型中，进行水资源优化配置多目标规划模型求解。
F. 干流水资源合理配置
水资源合理配置是指在特定流域或区域范围内，在系统、有效、公平和可持续利用等原则的指导下，遵循自然规律和经济规律，对有限的、不同形式的水资源，通过工程与非工程措施，在生活、生产和生态用水之间进行科学分配。
7. 6. 1 中游干流区水资源合理配置
中游干流区水资源合理配置，采用 0－1 多目标非线性混合规划模型优化完成，它主要研究各灌区用水量、正义峡下泄水量及其对灌溉需水和干流分水控制目标的满足程度，为黑河干流水资源规划和调配的宏观决策提供依据或参考。
水资源规划模型以 “绿洲 ( 灌区) 面积最大”和 “正义峡下泄水量最大”为目标，以 “灌区水量平衡方程、水量和面积限定方程”与 “河泉节点水量平衡方程、正义峡下泄水量限定方程”为约束，在水资源规划模型数据与参数检验和调试的基础上，以及优先满足生活与工业需水和正义峡下泄分配水量及采取有效节水措施情况下，对 2010 年不同来水条件以及各阶段 ( 现状年→规划年) 多年平均来水条件的灌区用水量 ( 引水量与开采量) 、正义峡下泄量及河道水量交换与径流等进行了优化，分析中游生产、生态需水与下游生态需水的满足程度。
中游干流区水资源合理配置的主要结论: 满足中游生活与工业需水的同时，采取灌区与干渠改造节水和高新技术节水等措施，在有效降低灌溉定额的前提条件下，充分利用地下水库的调蓄功能，对莺落峡不同来水条件，均基本可以满足 2010 年灌区规划农林灌溉面积和需水量及正义峡分配水量 ( 表 7. 29、表 7. 30) 。
表 7. 29 黑河干流中游灌区 2010 年规划方案成果表
表 7. 30 黑河干流中游河道 2010 年规划方案成果表
7.6.2下游额济纳绿洲水资源合理配置
额济纳绿洲水资源的高效利用、合理配置，是有效遏制生态环境退化的主要途径之一。
水资源配置方案的论证，应全面考虑生活、工业、农业与生态用水，由于现状生活与工业需水量不大，可优先给予满足，农业应考虑退耕还林还草，在限制发展工农业生产的前提下，水资源的配置主要应考虑绿洲分布和需水要求。水资源的配置优先满足沿河分布绿洲的需水，以不影响沿河绿洲的生态环境为前提;提高水资源的利用效率，重点保证昂茨河闸下游绿洲区的生态用水。
在上述确定的原则基础上，为解决目前河道输水与绿洲需水存在的问题和矛盾，沿东河左岸修建纳林河分水闸—昂茨河分水闸之间的防渗渠道———东干渠，可将水快速送达绿洲腹地，从而有效地遏止绿洲的退化。结合额济纳绿洲现状河道补给地下水的分析成果，在保证河道现状渗漏补给量的情况下，可以保证沿河植被的需水要求，不会对沿河绿洲的生态环境带来影响。据此分析，满足西河沿河生态环境年用水量1.88×108m3，东河纳林河口—布都格斯河段沿河生态环境年用水量0.24×108m3，纳林河沿河生态环境年用水量0.06×108m3。考虑狼心山—纳林河口的河道渗漏补给地下水量0.14×108m3，扣除蒸发损失量0.37×108m3后，可供东干渠输送的水量为2.61×108m3。2010年规划水资源配置结果见表7.31。
表 7. 31 额济纳绿洲水资源配置表
注: 数据来源于黑河下游额济纳绿洲抢救与生态保护水利工程可行性研究报告 ( 内部资料) 。
按照上述的配置方案，通过渠道输水2.61×108m3，可以减少东河60km空流段的水量损失，提高输水效率及昂茨河闸下游绿洲区的供水量和供水保证程度;同时为了保证西河绿洲的生态需水，可以结合现状河道输水流量越大，水量损失越小的特点，在渠道建成运行时，根据来水情况适时地结合洪水，向西河分水，可以提高西河水资源的利用效率。
7.6.3不同保证率水平年干流水资源合理配置
依据中游水资源规划的不同保证率水平年正义峡的下泄量，以及国务院分水方案配置鼎新片、东风场区的水资源量和额济纳绿洲水资源配置原则，确定的黑河干流水资源合理配置方案见图7.36～图7.41。
保证率90%水平年莺落峡来水量12.85×108m3/a，正义峡下泄水量7.88×108m3/a，哨马营、狼心山下泄水量分别为5.72×108m33/a、3.53×108m3/a，其中中游区引水9.72×108m3/a，下游引水3.74×108m3/a，枯水年主要保证中、下游生产、生活、生态用水，无多余的水下泄入湖;多年平均莺落峡来水量15.89×108m3/a，正义峡下泄水量11.11×108m3/a，哨马营、狼心山下泄水量分别为8.56×108m3/a、5.63×108m3/a，其中中游区引水9.56×108m3/a，下游引水5.26×108m3/a，平水年主要保证中、下游生产、生活、生态用水，也无水下泄入湖;保证率10%水平年莺落峡来水量18.96×108m3/a，正义峡下泄水量14.23×108m3/a，哨马营、狼心山下泄水量分别为11.19×108m3/a、7.58×108m3/a，其中中游区引水9.57×108m3/a，下游引水5.26×108m3/a，丰水年在基本满足中下游生产、生活、生态用水的基础上，安排1.41×108m3/a的水量下泄入湖。
图7.36 黑河干流2010年规划水资源图（保证率90%-水平年）
图7.37 黑河干流2010年规划水资源图（多年平均-水平年）
图7.38 黑河干流2010年规划水资源图（保证率10%-水平年）
图 7. 39 黑河干流 2010 年规划水资源图 ( 保证率 90%－水平年)
图 7. 40 黑河干流 2010 年规划水资源图 ( 多年平均－水平年)
图 7. 41 黑河干流 2010 年规划水资源图 ( 保证率 10%－水平年)
黑河干流水资源配置以国务院分水方案为原则，中游水资源配置要满足正义峡下泄水量的要求。下游鼎新片、东风场区按分水指标配水; 额济纳要用好狼心山可贵的下泄水量，优先满足沿河分布绿洲的需水，提高水资源的利用效率，重点保证昂茨河闸下游绿洲区的生态用水。在枯水年无水入湖; 在平枯水年不建议放水入湖，如有多余水量建议下渗补给地下水，待枯水年缺水期开采利用; 在丰水年可考虑放水入湖，但要做好水资源和水环境与社会、生态效益关系的综合论证，使有限的水资源得以最合理的利用。
G. 优化配置结果及其分析
2.3.3.1 优化配置结果
南四湖流域水资源优化配置模型以经济和社会的综合效益最大为目标，分别表示南四湖流域供水净效益最大和总缺水量最小。模型设定了部门需水量上下限，在保证部门最低用水量时，同时不能超过最大量，尽量把水资源分配到效益最大的部门中去。其优化成果是权衡经济和社会两目标的有效解(非劣解)。本书以2006年为计算现状年，调用MATLAB优化工具箱，利用程序对南四湖流域规划水平年(2015年)的水资源优化配置目标进行求解分析，得出优化配置结果，见表2.26～表2.28。
表2.26 南四湖流域2015年50%保证率水资源优化配置成果表
表2.27 南四湖流域2015年75%保证率水资源优化配置成果表
续表
表2.28 南四湖流域2015年95%保证率水资源优化配置成果表
2.3.3.2 成果分析
(1)各部门配水情况分析
由表2.26可知，2015年50%保证率，南四湖全流域总供水量为767164.3万m3;其中，生活总供水量为127854.1万m3，生态环境总供水量为44563.2万m3，工业总供水量为200955万m3，农业总供水量为393792万m3。各用水部门供水量比例如图2.7所示;其中，生活供水量约占总供水量的17%，生态环境供水量约占总供水量的6%，工业供水量约占总供水量的26%，农业供水量约占总供水量的51%。
图2.7 2015年50%保证率各用水部门供水比
由表2.27可知，2015年75%保证率，南四湖全流域总供水量为708652.4万m3;其中，生活总供水量为127854.1万m3，生态环境总供水量为39823.3万m3，工业总供水量为176155万m3，农业总供水量为364820万m3。各用水部门供水量比例如图2.8所示;其中，生活供水量约占总供水量的18%，生态环境供水量约占总供水量的6%，工业供水量约占总供水量的25%，农业供水量约占总供水量的51%。
图2.8 2015年75%保证率各用水部门供水比
由表2.28可知，2015年95%保证率，南四湖全流域总供水量为681644.3万m3;其中，生活总供水量为127854.1万m3，生态环境总供水量为35713.2万m3，工业总供水量为167703万m3，农业总供水量为351374万m3。各用水部门供水量比例如图2.9所示;其中，生活供水量约占总供水量的19%，生态环境供水量约占总供水量的5%，工业供水量约占总供水量的24%，农业供水量约占总供水量的52%。
图2.9 2015年95%保证率各用水部门供水比
(2)各部门缺水程度分析
因模型根据不同用水部门的优先满足程度确定的公平性系数和供水上下限约束条件，规划水平年(2015年)不同保证率下的生活用水和生态环境用水优先得到满足，其他用水部门则会有不同程度的缺水。
分析表2.26～表2.28中数据可知:
1)2015年50%保证率，南四湖流域各用水部门缺水总量为46134.4万m3，缺水率为5.7%。其中，生活和生态环境需水基本满足供需平衡，缺水部门主要是工业和农业部门，缺水量分别为6197.6万m3和39936.8万m3，缺水率分别为3.0%和9.2%。
2)2015年75%保证率，南四湖流域缺水量为169511.1万m3，缺水率是19.3%。其中，生活用水基本满足需求，生态环境、工业和农业用水都存在一定缺口，生态环境缺水量为4739.9万m3，缺水率是10.6%，工业缺水量为30997.6万m3，缺水率是15.0%，农业缺水量为133773.6万m3，缺水率是26.8%。
3)2015年95%保证率，南四湖流域缺水量为245034万m3，缺水率是26.4%。其中，生活用水基本满足需求，生态环境、工业和农业用水都存在一定缺口，生态环境缺水量为8850万m3，缺水率19.9%，工业缺水量为40449.6万m3，缺水率19.5%，农业缺水量为195734.6万m3，缺水率是35.8%。
(3)各计算分区缺水程度分析
表2.26～表2.28反映了规划水平年(2015年)50%、75%、95%不同保证率下各计算分区的供需水平衡状况和缺水程度。图2.10～图2.12则更加直观地反映出各计算分区的缺水程度。从各分区缺水情况来看:
图2.10 2015年50%保证率各分区缺水程度
图2.11 2015年75%保证率各分区缺水程度
图2.12 2015年95%保证率各分区缺水程度
1)2015年50%保证率，各分区缺水率基本相同，均在3%～7%之间基本平衡;湖东枣庄区缺水量最少，缺水量为3008.5万m3，缺水率是3.2%。工业缺水以湖东菏泽区最大，为2081万m3，缺水率是6.0%;济宁及湖区农业缺水量最大，缺水量为20354.2万m3，缺水率是9.8%。
2)2015年75%保证率，湖东枣庄区、湖西徐州区缺水率都达到全流域最大，缺水量分别为20318.7万m3、27293.9万m3，缺水率分别是20.2%、20.0%，属中度缺水，其他各计算分区均在15%～20%之间，属轻度缺水。生态环境缺水率各分区基本维持在10%左右，以湖东枣庄区缺水率最大，为12.5%，济宁及湖区缺水率最小，为8.9%，缺水量分别为1054.8万m3、1535.8万m3;湖东枣庄区工业缺水量最大，缺水量为10473.6万m3，缺水率是12.1%;农业缺水以济宁及湖区最大，缺水量为64419.2万m3，缺水率是27.3%。
3)2015年95%保证率，各分区缺水率均在25%左右，属中度缺水，以济宁及湖区为最大，缺水率达27.9%，缺水量为114445.6万m3。济宁及湖区生态环境和工业缺水量同时达到最大，缺水量分别为3730.8万m3、17299.6万m3，缺水率分别是21.7%、19.9%;农业缺水以湖东枣庄区缺水最大，缺水量为21007.4万m3，缺水率是38.9%。
综上所述，南四湖流域规划水平年(2015年)50%保证率下的供水基本能满足需求， 75%保证率下即开始较大范围缺水。75%和95%保证率下，各分区缺水率大部分都在20%以上。其中，济宁及湖区、湖东枣庄区两计算分区缺水量最大，主要因为南四湖流域河网水质污染较为严重，造成水质型缺水，济宁及湖区则通过引用黄河水加大供水量。
缺水最严重的是农业部门，其次是工业部门，而生活用水则基本能够满足用水需求，这体现了在配置过程中生活用水优先考虑的原则。另不同计算分区各用水部门的缺水程度不同，也正是模型中设置用水部门公平系数和子区权重系数的一种体现。
(4)目标值分析
南四湖流域水资源优化配置模型是多目标规划配置模型，以经济和社会的综合效益最大为目标，其优化成果是权衡经济和社会两目标的协调解。函数f1(x)反映了区域优化配置后，水资源供水系统能取得的净效益;函数f2(x)反映了优化配置后的供需水平衡情况。
模型求解过程中输出的目标值如表2.29所示，50%～95%不同保证率下流域供水净效益f1(x)减少，流域缺水量f2(x)增加，说明了某一目标的变化(供水效益减少)会引起其他目标的变化(缺水量增加)，体现了这两目标之间是相互影响的。
表2.29 南四湖流域2015年水资源优化配置目标值
(5)模型适用性分析
综上所述，本节通过建立南四湖流域水资源优化配置模型以及对其进行求解，得到了规划水平年(2015年)在50%、75%、95%保证率下的水资源优化配置方案。若资料信息等条件变化，可通过适当修改、运行已编制的计算机程序，可求得相应的流域水资源优化配置成果。因此，此模型及其求解方法具有一定的适用性和可操作性，所得配置结果是合理的，可为南四湖流域水资源规划和管理提供依据。
2.3.3.3 对策与建议
南四湖流域是淮河流域水资源短缺地区之一，水资源供需矛盾常引发水事纠纷。所以，科学配置南四湖流域的水资源，对于地区稳定和区域经济社会的持续发展十分重要。因流域水资源系统是包括自然系统、社会经济系统、生态环境系统等的巨系统，致使系统自身结构极为复杂，各子系统相互依赖，相互影响，相互制约，流域的社会经济活动对流域水资源系统产生很大的影响，该过程是一个增熵的过程，流域水资源系统具有典型的耗散结构。
因此，流域水资源分配不仅是一个技术问题，而且主要是社会问题。南四湖流域水资源分配必须通过不同利益相关者之间的沟通协调，来达成一致的分水决策。通过分析研究，本节从不同层面提出主要建议如下:
1)流域管理部门和地方政府尽快研究南四湖流域水资源分配的管理办法，包括管理体制、分水计划的编制、分水的监督管理、分水的实施、水权转让及其补偿机制、应急水量调度方法等，从而确定南四湖流域的水资源分配方案。同时尽可能在引提水口建设必要的水资源控制工程，或水量水质监测和计量设施，为合理分水和分水监督管理提供依据。
2)尽早研制适用于水资源分配与调度的、满足于不同利益相关者沟通协调的、能对不同情景进行模拟计算的、灵活高效的南四湖流域水资源模拟模型，以满足实时水资源分配与调度的需要。
3)针对流域实际情况，加快水利基础设施维修与建设进度，增加供水配套设施，提高现有水利工程的利用程度，以增强水资源优化配置能力。
4)农业是用水大户，但缺水程度较严重，主要原因是农村水利发展水平较低，中小型水利工程和塘坝蓄水保水能力差，灌溉供水保证率低。因此，农业要进行以节水为中心的灌区改造，改善种植结构，采用优良低耗水作物，实施节水灌溉，提高水的利用效率，实现农业灌溉在节水中求发展;工业要调整产业结构，鼓励低耗水高附加值产品的开发，降低万元产值取水量，建立节水型工业。
5)加强节水改造和污水治理的力度，大力发展废污水深度处理和回用工程，严禁超标排放和超量排放，支持和促使工业企业提高水的重复利用率。先处理，先回用，后排放，少排放，处理回用于农业灌溉，既可有效地保护水资源和水环境，又可为工业与生活换取大量的优质水源。这是解决北方地区缺水问题的简单而有效地措施。
H. 水资源分配优化管理的数学模型
在郑州矿区北部矿区现有芦沟矿、裴沟矿、米村矿和王庄矿4个排水水源，新密市和矿务局两个供水水源。经排供结合优化管理计算，六水源可提供水量分别为31000m3/d、44000m3/d、33000m3/d、10000m3/d、60000m3/d和19000m3/d。在新密市主要用水户为芦沟矿、裴沟矿、米村矿、新密市、矿务局和新密电厂。以上各单位用水量预计为芦沟矿18000m3/d、裴沟矿25000m3/d、米村矿20000m3/d、新密市70000m3/d、矿务局10000m3/d和新密电厂90000m3/d。
设芦沟矿排水向芦沟矿、裴沟矿、米村矿、新密市、矿务局和新密电厂的供水量分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，相应的效益系数为C1、C2、C3、C4、C5和C6；裴沟矿排水向芦沟矿、裴沟矿、米村矿、新密市、矿务局和新密电厂的供水量分别为Q7、Q8、Q9、Q10、Q11和Q12，相应的效益系数为C7、C8、C9、C10、C11和C12；米村矿排水向芦沟矿、裴沟矿、米村矿、新密市、矿务局和新密电厂的供水量分别为Q13、Q14、Q15、Q16、Q17和Q18，相应的效益系数为C13、C14、C15、C16、C17和C18；新密市水源向芦沟矿、裴沟矿、米村矿、新密市、矿务局和新密电厂的供水量分别为Q19、Q20、Q21、Q22、Q23和Q24，相应的效益系数为C19、C20、C21、C22、C23和C24；矿务局水源向芦沟矿、裴沟矿、米村矿、新密市、矿务局和新密电厂的供水量分别为Q25、Q26、Q27、Q28、Q29和Q30，相应的效益系数为C25、C26、C27、C28、C29和C30；王庄矿排水向芦沟矿、裴沟矿、米村矿、新密市、矿务局和新密电厂的供水量分别为Q31、Q32、Q33、Q34、Q35和Q36，相应的效益系数为C31、C32、C33、C34、C35和C36。其目标函数为水资源利用获得的效益最大，表达式如下：
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约束条件有：
（1）水源的供水量不能超过各水源所能提供的最大水量，约束条件有6个。
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（2）供给各用户的水量和应不小于各用户的用水量。约束条件有5个，供给新密市电厂的水量尽可能多，不受约束。
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（3）各水源供给各用户的水量不得超过各用户的用水量。约束条件30个，Q6、Q12、Q18、Q24、Q30和Q36为供给新密市电厂的水量，无上限约束。
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（4）各变量的非负约束。
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综上，水资源分配优化管理的数学模型为：
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st
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