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1、60中国科学E辑技术科学2004,34(增刊Ⅰ):60~73*水资源系统整体模型研究赵建世王忠静翁文斌(清华大学水利水电工程系,北京100084)摘要基于新近发展起来的复杂适应系统理论,建立了流域级的水资源系统整体模型,用于分析研究流域的水资源管理和配置.通过一个整体的模型框架,将水资源系统中水文、生产、生活、生态环境和管理制度等子系统的相互作用通过内生变量进行联接,从而取代以往组合模型仅仅通过计算结果的传递来描述子系统间作用的方式.结合整体模型框架的特点,提出了用于求解这个高纬度的非线性模型的
2、嵌套遗传算法,并应用于黄河流域,分析了南水北调西线工程的合理调水量及其边际效益.关键词水资源整体模型复杂适应系统遗传算法由于水资源系统固有的复杂性,对流域进行水资源合理配置和可持续发展决策分析需要高效的综合分析工具.通过建立包含水文、生产、生活、生态环境和制度在内的整体模型,来研究需水部门间的用水竞争关系,为制定宏观决策提供必要的分析和支持,是近几年经济和水文领域研究的重点之一.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
3、散的连接,即只是通过结果数据的传输实现连[1]接.在典型的组合模型方法中,Noel等人发表了一个整合经济模型和复杂的水文模型的研究成果,建立了一个一体化的二次经济福利方程和多流域联结模型,[2]包括一些辅助的经济和水文模型.Lefkoff等人用一个模型,通过一定的数学形式传递经济模型和水文模型之间的信息,他们组合了地面地下水交互的分布式参数、水盐分的变化和经验的农业生产函数到一个长系列的优化模型中,决定年度的地下水抽取量、地表水使用量和灌溉面积.模型在工厂级应用了微观经济理[3]论,以及和田间作
4、物生产函数.Lefkoff等人扩展了一个水交易市场模拟农场间2004-01-15收稿,2004-05-08收修改稿*国家重点基础研究发展规划项目(G1999043607)资助SCIENCEINCHINASer.ETechnologicalSciences增刊Ⅰ赵建世等:水资源系统整体模型研究61[4]的年度水交易.Lee等人运用非线性区域生产模型和水文模型,分析科罗拉多河流域的农业灌溉的经济表现.在中国,陈志恺、翁文斌和王浩等将宏观经济投入产出模型引入水资源系统,构架出宏观经济水资源系统,并在此
5、基础上建立水资[5]1)源配置多目标分析模型体系.王忠静在此基础上引入水资源承载能力的概念,用来分析和评价水资源与区域经济的关系,对水资源与社会经济系统的关系进行了更加深入的分析.水资源整体模型方法的研究已经成为一个重要的方向.在整体研究方法中,所有的部分被紧密的整合到一个单一的模型中,提供了一个整体的分析框架.[6]Harding等人用科罗拉多河网络模型(CRM)研究流域的一个严重干旱的水文影[7][8]响.Booker等人扩展了Booker等人的模型,建立了一个整体的水文-经济-制度[9]优
6、化模型CRIM—科罗拉多河流域制度模型.Henderson等人建立了博弈模型,[10]用于模拟内在的集体行为过程.Cai提出了一个流域水文-农业-经济整体模型,用于分析流域的长期和短期的用水效率,并且在非线性解法问题上提出了新的方法,模型应用于SyrDarya流域,对该流域的可持续发展情景进行了分析.组合模型更加容易应用,但是从长期的研究来看,需要一个适当的动态连接,通过内在的交互方法求解经济和水文部分.整体模型的关键问题在于建立各部分的本质连接,从而使得水资源配置得多目标分析能够在主要的物理系
7、统的基础上实现.要建立更加科学、有效的整体综合模型,当前存在的主要困难可以归纳为以下几点:(1)研究并确定对高度复杂的水资源系统的演化和运行机理进行科学分析的基础理论体系和建模方法.(2)整体模型是高维度的非线性优化模型,其解法仍然是个难题.(3)局部问题还存在权威的分析方法也是一个影响整体模型实用性的一个重要因素.特别是对于工业、生活和环境等其他方面的用水与效益的研究是远远不够的.本文正是希望从对基础理论和模型解法的研究入手,对建立整体模型的框架进行尝试.1复杂适应系统原理与建模方法在建立水资
8、源系统整体模型的基础理论研究方面,本文引入了复杂适应系[11]统基本理论(Complexadaptivesystem,简称CAS)和建模方法.Holland1994年正式提出复杂适应系统理论,对其中的关键环节—受限生成过程(Constrainedgeneratingprocedures,CGP)的和建模方法进行了深入的论述,并初步形成了普适[12]性理论.CAS理论在自组织和协同论等理论的基础上,将系统的成员看作是具有自1)王忠静.干旱内陆河区水资源承载能力与可持续利用研究.清华大学博士学位论文
