区域水资源多目标集成体系

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1宏观经济水资源系统

1.1水资源系统的新含义

一般认为，水资源系统是由供水系统与用水系统组成的。但随着生产和科技的发展，人们对水资源系统的认识不断加深，并赋予其越来越丰富的内涵。从“供水”看，涉及供多少水(量)、供什么样的水(质)、水从何处来(工程与投资)等问题;从“用水”看.涉及地区或行业间的水分配及用水管理措施(节水)等问题。若将供水与用水联系起来，最理想的状况是供需平衡，但实际上，供水与用水是对立统一的。用水过度必然打破供需平衡，但产生的经济效益可使供水工程投资增加，供需平衡在新的水平上又得以恢复。总之，水作为国民经济和人民生活必不可少的一种资源，涉及到社会经济的各个方面，目前，水资源系统已扩展到了宏观经济的范畴。

1.2宏观经济水资源系统的结构

一个地区的宏观经济包括社会总产品、国民收入、积累与消费等主要内容，也包括与经济活动密切联系的人口、资源和环境等问题。在这个系统中，一方面水作为一种资源存在，其质的合格程度和量的有限性及对国民经济各部门的发展、城乡人民生活的改善以及环境的保护构成一种约束;另一方面，可利用的水资源兼有自然和社会经济两种特性，不可能独立于宏观经济活动之外，其质和量均受到宏观经济活动的影响。例如，经济发展可能加剧水环境污染，但经济发展带来更多的水处理工程投资，从而改善水质。水资源与经济和环境构成了一个动态整体。图1给出了基于宏观经济的区域水资源系统的结构。

1.3宏观经济水资源系统的多目标特点

在宏观经济范畴中，水的需求是多方面的。经济部门需要生产用水;生产粮食需要灌溉用水;居民生活需要家庭和公共场所用水;改善环境需要清洁的河湖用水。总之，社会、经济环境等各方面的目标，其实现都需要更多可利用的水资源，或者说，各个目标都在竞争可用水资源。因此有必要从全局出发，权衡各个目标间的得失，确定其满足程度，得出一个令人满意的水资源需求方案。为此我们要确定相应的水资源开发和管理方案，并且评价该方案对各目标的影响。

2基于宏观经济的水资源系统分析方法—集成系统的设想

许多年来，水资源系统分析方法停留在建立局部模型的阶段，如建立研究作物灌溉用水过程的模拟模型，建立工业及生活需水预测模型，建立区域经济目标优化模型等。然而，由于水资源利用的多目标特点，将水资源系统分割开来进行研究是不全面的。因此水资源工作者试图在局部模型的基础上寻找一种用于整体研究的集成模型。例如，建立模型间的交互技术，实现模型间的通讯。这种方法的难点在于建立模型间交互的控制过程。本文立足于宏观经济水资源系统整体，提出用于区域水资源系统分析的多目标集成系统。该系统的基础是一些局部模型，包括宏观经济模型及其子模型、水文及水管理模型等。模型间的信息传递与反馈是系统集成的一个方面，但系统集成的主要方式是通过建立多目标分析模型来实现的。即将各基础模型中的主要关系提炼出来，依照变量之间的相互联系，将这些关系集于一体，构成多目标分析模型。通过对该模型的操作，能够对宏观经济水资源系统内部的各种关系进行分析和协调，从而使多目标分析模型成为该系统的曾控模型。当然，多目标分析模型并不能代替系统中的基础模型。前者是对系统进行协调和控制，以便寻求系统的总体最优状态，后者则是对系统的局部状态或过程进行较详细的预测或仿真。所以，从功能上来说，多目标集成系统集预测、模拟及优化于一体，可对水资源系统进行全面的操作。

3集成系统的组成与结构

集成系统由下述模型及子模型组成。

3.1宏观经济模型及其它子模型

宏观经济模型及其它子模型是系统的基础模型。在这些模型中需要建立现状及预测状态下的国民经济产值、工农业生产总值、财政与投资、人口及需水量等因素间的相互关系。宏观经济模型的主体是投入产出模型(I一0模型)，该模型建立各经济部门的产出方程、经济结构方程、投资方程等，以下子模型则建立了宏观经济对水资源的需求关系。农业子模型:给出农业生产与产值之间的关系。农业生产因素包括耕地面积、作物结构、作物需水量(包括节水因素)及作物产量。生活需水子模型:预测生活需水量。考虑人口、城乡分布、住房密度、公共事业、生活水平以及水质要求等因素。工业需水子模型:确定工业产值与需水量之间的关系，需要分部门进行研究，考虑工业布局、用水管理及技术进步等因素。环境子模型:建立水质与经济发展、工农业生产、居民生活及水处理措施等因素间的关系。

3.2工程评价模型

该模型完成对备选方案(包括工程和非工程措施)的经济评价、财务和环境评价。3.3多目标分析模型多目标分析模型从整体角度协调社会、经济、环境各目标在水资源利用方面相互竞争的矛盾。通过模型求解与决策分析过程，决策者可以分析不同的工程和管理措施对各目标的影响，从而最终确定合适的方案。

4多目标分析模型的建立

4.1确定规划目标

这是区域水资源规划的开端。由于宏观经济水资源系统的多目标特点，通过与国家和地方的决策人员协商，提出经济、社会及环境等方面的目标。决策者需要选择表达某个目标的合适的指标。例如:maxGNP一一经济目标，国民生产总值最大;minBOD—环境目标，BOD排放量最小;maxFOOD—社会目标，粮食产量最大等。有时候，选择指标的变化作为目标指标化较合适，例如:max△GNP—净增GNP最大;min(TFOOD一FOOD)—粮食产量与其目标期望值的偏差最小。这里，需要对目标指标进行评价，看它们能否全面地、灵敏地反映相应目标的特点。如指标变化对水资源开发的影响如何，是否体现出目标间相互依赖与竞争的关系，是否有足够的数据支持等。此外，还要设定各个目标的期望水平。例如，对经济目标，假定GNP的增长率不低于某一水平;对社会目标，假定人均粮食消费达到某一水准等。在多目标模型中，对各目标期望值的高低程度体现了决策者的偏好。

4.2约束条件的集成

从宏观经济模型、供水管理模型及工程评价模型中提炼出目标与目标间、目标与资源间的基本关系，依照其内部联系集于一体，构成多目标分析模型的约束条件。这些关系既构成对单个目标的约束，又反映各个目标间相互制约的关系。因此，系统的集成在模型构成中得以实现。多目标分析模型中汇集的主要关系如下:工业生产:经济结构(投入一产出方程)，投资来源，可供水量与水质要求，就业机会等;农业生产:可供水量与水质要求，作物结构，灌溉定额，耕地面积变化，粮食进出口政策，粮食消费需求等;水质及环境;工业生产排污(产值与排污水平)，生活排污(人口与生活排污水平)，农业生产排污，污水处理与水投资来源;需水预测:工业需水预测，生活需水预测，农业需水预测，水质标准.节水效率;可供水量:供水保证率，水源(本地水、跨流域调水、回用水)，地区或部门间的水量分配与协调;水工程与管理措施;开源与节流的合理配置，工程投资及其效益，工程的环境影响，各项工程和管理措施在时间和空间上相互依存的关系。在多目标分析模型中，采用线性方程来描述上述各种关系。应尽可能避免用数字来代替方程，因为这样会割裂各种因素之间的有机联系。

4.3选择模型求解方法，建立决策分析过程。

为便于决策者参与决策过程，选择交互式的求解方法比较合适。其中，切比雪夫方法(Teehbyeheffprogram，Steur，1986，1990)是至今最完善的一种多目标交互式求解方法。

5系统功能集成系统为区域水资源规划、管理提供较全面的支持，其功能主要包括如下几个方面。

5.1预测功能

预测的内容包括宏观经济发展趋势、工农业生产、工农业及生活需水、水质变化、地表径流、地下水位变化及可取水量。

5.2模拟功能

模拟的过程或状态为:国民经济发展过程，农业生产状态及需水过程，区域水资源供需平衡过程，河流水质状态等。

5.3优化功能

优化功能的对象为:国民经济结构及发展过度、农业结构及作物种植结构、水资源工程开发规模和开发次序等。

5.4水管理功能

包括内容:地面、地下水联合调度、地区及行业间的水分配及水环境管理等。

5.5决策分析是集成系统的主要功能，系统在给定目标的条件下通过决策分析为最终的决策结果提供支持。决策分析主要包括以下几方面的内容:

(1)目标间的协调分析各目标间存在相互依赖和竞争的关系，它们之间的得失权衡是决策者对各目标进行协调的依据。京津唐水资源多目标分析模型的单目标求解结果。表中对角线上的数据是各目标的最优值，还可以表中数据约估各目标的最劣值，这样可得出每个目标的变化范围:GNP(52%一100写)，EMP(50%一100%)，BOD(100%一405%)，FOOD(81肠一100%)。表中数据还为目标间的得失权衡提供依据。例如，当单方面追求GNP最大(100%)时，环境严重恶化，BOD排放量为310%;反之，当单方面追求环境最优(100%)时，国民经济受到严重影响，GNP从100%降到52%。可见片面发展经济会带来一定程度的环境损失;同样，片面追求环境优化也带来一定程度的经济损失。经济和环境是两个相互竞争的目标，需要进行协调。

(2)策略分析帮助决策者了解不同策略对目标产生的影响，从而找出影响决策结果的主要因素。策略分析包括以下各种情况:不同经济、环境、社会发展水平对水资源开发管理的影响;经济系统的不确定因素对水资源开发管理的影响;水文随机性对宏观经济系统建成的风险;重大政策改变(如降低粮食自给率，提高环境标准，人口迁移)对水资源开发的影响;不同开源节流及污水处理回用工程规模及其组合对各目标的影响;大型骨干工程水分配对目标的影响;地区间投资分摊对水资源开发的影响等。

(3)灵敏度分析灵敏度分析的意义一方面是检验模型的适应性(对资源约束变化的响应)，另一方面是分析各种资源(包括劳动力、土地及水资源)的变化对目标产生的影响，找出各种资源允许变化的范围，为资源的合理配置提供依据。此外，通过灵敏度分析还可以研究某种因素变化对目标的影响，如工业用水系数、灌溉定额等因素的变化对目标会产生什么影响，从而找出对目标影响较大的因素。上述各种功能并非彼此孤立，而是相互结合的，预测、模拟、管理及优化决策分析集于一体是本系统的又一特点。预测为系统模拟、优化提供基本数据，如工业万元产值用水量，农业灌溉定额、工业排污系数的预测;优化技术以系统中的主要关系为基础，通过对这些关系的综合分析寻求系统的“最佳状态”。考虑到求解的方便，大型优化模型一般采用线性模型，它无法描述系统的工程，也不易给出系统的详细状态;而模拟模型的原则是仿真，它描述系统的状态及其过程，但它不具备使系统趋于最优的功能。预测、优化和模拟的有机结合，由优化模型给出系统的最佳状态，然后，由模拟模型对给定的状态进行仿真并模拟其发展过程。这样，三者结合为决策分析提供了更有效的手段。