区际调水时空优化配置理论模型探讨

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1、水　　利　　学　　报2001年4月SHUILIXUEBAO第4期文章编号:055929350(2001)0420007208区际调水时空优化配置理论模型探讨1112王劲峰,刘昌明,于静洁,陈红焱(11中国科学院地理科学与资源研究所,北京　100101;21北京大学城市与环境科学系,北京　100871)摘　要:我国水资源供需平衡在空间上的巨大差异造成了区际调水的需求.在决策中常遇到的问题是:是否确实需要调水、调多少水和如何分水.在扣除保障用水(生活、生态、维持生产)之后,这3个问题都决定于调水的经济效

2、益(利润和回报期).为此,本文提出了水资源在时间、部门和空间上的三维优化分配理论模型体系,包括含4类经济目标的目标集、7类变量组合的模型集和6种边际效益类型的边际效益集,由此可以组合成168种优化问题.实际问题可从中挑选对应者进行求解.作为例子,本文给出了若干分析解.关键词:调水;水资源配置;优化;经济效益;模型;分析解中图分类号:TV213文献标识码:A中国水资源和社会经济需水在时空分布上,各自存在巨大的不均匀性,两者之间存在巨大的差异,这就造成我国洪旱灾害经常在不同地点同时发生,自然引发了区际调

3、水的论证和工程问题.[1]区际调水的可行性论证涉及经济社会生态环境的众多因素,但在市场经济体制和以国家工程投资为主体的条件下,区域调水决策的主要影响因素为受水区需水量和被调水区可调水量,社会经济目[2]标也是重要影响因素.在这个基础上,调来水沿线的分水方案,主要应当由分水的经济社会目标,分水涉及区域水资源的供需平衡,以及水利用边际效益在不同时间、空间和部门之间的差异所决定.本文通过模型建立有关主要变量之间的相互关系,优化求解.1　决策的系统关系　　图1显示了区际调水决策过程中的主要关系.首先假设从调

4、水输出地S调出水总量为Q,去往N方向,并沿线分水.一方面,根据调水线路位置和调水规模可以预算工程总投资(见图1左):ΩTINV=INV(Q)dQ∫0其中INV(SPt)为调水的边际投资量,即每增加1t调水量,所需要增加的工程投资量,可以从规划调水量和工程造价预算之间的关系求差分得到.图1　区际调水宏观决策另一方面,对Q在地点(i)、时间收稿日期:2000203220基金项目:中国科学院批准号(KZ2Al2203204203和KZ95T203204203)作者简介:王劲峰(1965-),男,上海市人,

5、博士,研究员,主要从事地理信息系统和空间分析研究.—7—©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.(j)、用水部门(k)之间进行最优分配,即Q(i,j,k),以达到年效益TZ[Q(i,j,k),β(i,k,Q)]最大化的目标(见图1中部)QregyrKQTZ(S)=Z(Q)dQ=∑β(i,k,Q)dQ(i,j,k)djdi∫0∫i=0∫j=0k=1∫Q=0式中:β(i,k,Q)为总供水量SS的吨水边际效益,其前半部分

6、是当地水资源供给量S0(i,j,regKk)的函数,后半部分是调水输入量Q(i,j,k)的函数,Z(Q)=∑β(i,k,Q)di为整个受水∫i=0k=1区的吨水边际效益;reg表示全区域;yr表示全年;K为所有需水部门.根据总投资TINV和年收益TZ可以计算出回报期…n(见图1上部),它和年收益一起成为“是否调水?”和“年调水量?”问题的主要决策依据.调水的负效益主要体现在生态环境方面,可以通过价值化或罚函数或约束条件在决策中进行考虑.由于受水地区当地水资源是个逐年变化的时间序列,必然产生TZ的时间

7、序列,因此,应取其多年平均值TZ,即工程经济计算期收益的平均值.同理,设TINV为总投资平均值.本文假设决定实施调水,调水量为Q.沿线对Q在不同地区、不同时间和不同用水部门之间进行优化分配的根据主要是由分水所要达到的目标决定.2　目标集令Q(i,j,k)为水资源分配模式,β(i,k,Q)为相应的水资源利用边际效益,A为目标泛[3,4]函,则区际调水时空优化分配的决策过程就相当于寻找使A达到极大值的Q(i,j,k).分水方案是由分水目的所决定的.可以有不同的分水目的.目标1:使在某年,全区域水资源经济

8、效益产出量最大,即regyrKQA=max∑β(i,k,Q)dQ(i,j,k)djdiQ(i,j,k)∫i=0∫j=0k=1∫Q=0　　目标2:使在时段T内,全区域水资源经济效益产出累计量最大,即regTKQA=max∑β(i,k,Q)dQ(i,j,k)djdiQ(i,j,k)∫i=0∫j=0k=1∫Q=0　　目标3:对经济发展主要制约于水资源的地区,实施扶贫政策(较差的地方尽量好),即yrKQA=maxmin∑β(i,k,Q)dQ(i,j,k)di,PiQ(i,j,