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1宏觀經(jīng)濟(jì)水資源系統(tǒng)

1.1水資源系統(tǒng)的新含義

一般認(rèn)為，水資源系統(tǒng)是由供水系統(tǒng)與用水系統(tǒng)組成的。但隨著生產(chǎn)和科技的發(fā)展，人們對(duì)水資源系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不斷加深，并賦予其越來(lái)越豐富的內(nèi)涵。從“供水”看，涉及供多少水(量)、供什么樣的水(質(zhì))、水從何處來(lái)(工程與投資)等問(wèn)題;從“用水”看.涉及地區(qū)或行業(yè)間的水分配及用水管理措施(節(jié)水)等問(wèn)題。若將供水與用水聯(lián)系起來(lái)，最理想的狀況是供需平衡，但實(shí)際上，供水與用水是對(duì)立統(tǒng)一的。用水過(guò)度必然打破供需平衡，但產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可使供水工程投資增加，供需平衡在新的水平上又得以恢復(fù)。總之，水作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活必不可少的一種資源，涉及到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，目前，水資源系統(tǒng)已擴(kuò)展到了宏觀經(jīng)濟(jì)的范疇。

1.2宏觀經(jīng)濟(jì)水資源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一個(gè)地區(qū)的宏觀經(jīng)濟(jì)包括社會(huì)總產(chǎn)品、國(guó)民收入、積累與消費(fèi)等主要內(nèi)容，也包括與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切聯(lián)系的人口、資源和環(huán)境等問(wèn)題。在這個(gè)系統(tǒng)中，一方面水作為一種資源存在，其質(zhì)的合格程度和量的有限性及對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的發(fā)展、城鄉(xiāng)人民生活的改善以及環(huán)境的保護(hù)構(gòu)成一種約束;另一方面，可利用的水資源兼有自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩種特性，不可能獨(dú)立于宏觀經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之外，其質(zhì)和量均受到宏觀經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響。例如，經(jīng)濟(jì)發(fā)展可能加劇水環(huán)境污染，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)更多的水處理工程投資，從而改善水質(zhì)。水資源與經(jīng)濟(jì)和環(huán)境構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)態(tài)整體。圖1給出了基于宏觀經(jīng)濟(jì)的區(qū)域水資源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1.3宏觀經(jīng)濟(jì)水資源系統(tǒng)的多目標(biāo)特點(diǎn)

在宏觀經(jīng)濟(jì)范疇中，水的需求是多方面的。經(jīng)濟(jì)部門需要生產(chǎn)用水;生產(chǎn)糧食需要灌溉用水;居民生活需要家庭和公共場(chǎng)所用水;改善環(huán)境需要清潔的河湖用水。總之，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境等各方面的目標(biāo)，其實(shí)現(xiàn)都需要更多可利用的水資源，或者說(shuō)，各個(gè)目標(biāo)都在競(jìng)爭(zhēng)可用水資源。因此有必要從全局出發(fā)，權(quán)衡各個(gè)目標(biāo)間的得失，確定其滿足程度，得出一個(gè)令人滿意的水資源需求方案。為此我們要確定相應(yīng)的水資源開發(fā)和管理方案，并且評(píng)價(jià)該方案對(duì)各目標(biāo)的影響。

2基于宏觀經(jīng)濟(jì)的水資源系統(tǒng)分析方法—集成系統(tǒng)的設(shè)想

許多年來(lái)，水資源系統(tǒng)分析方法停留在建立局部模型的階段，如建立研究作物灌溉用水過(guò)程的模擬模型，建立工業(yè)及生活需水預(yù)測(cè)模型，建立區(qū)域經(jīng)濟(jì)目標(biāo)優(yōu)化模型等。然而，由于水資源利用的多目標(biāo)特點(diǎn)，將水資源系統(tǒng)分割開來(lái)進(jìn)行研究是不全面的。因此水資源工作者試圖在局部模型的基礎(chǔ)上尋找一種用于整體研究的集成模型。例如，建立模型間的交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型間的通訊。這種方法的難點(diǎn)在于建立模型間交互的控制過(guò)程。本文立足于宏觀經(jīng)濟(jì)水資源系統(tǒng)整體，提出用于區(qū)域水資源系統(tǒng)分析的多目標(biāo)集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是一些局部模型，包括宏觀經(jīng)濟(jì)模型及其子模型、水文及水管理模型等。模型間的信息傳遞與反饋是系統(tǒng)集成的一個(gè)方面，但系統(tǒng)集成的主要方式是通過(guò)建立多目標(biāo)分析模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。即將各基礎(chǔ)模型中的主要關(guān)系提煉出來(lái)，依照變量之間的相互聯(lián)系，將這些關(guān)系集于一體，構(gòu)成多目標(biāo)分析模型。通過(guò)對(duì)該模型的操作，能夠?qū)暧^經(jīng)濟(jì)水資源系統(tǒng)內(nèi)部的各種關(guān)系進(jìn)行分析和協(xié)調(diào)，從而使多目標(biāo)分析模型成為該系統(tǒng)的曾控模型。當(dāng)然，多目標(biāo)分析模型并不能代替系統(tǒng)中的基礎(chǔ)模型。前者是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，以便尋求系統(tǒng)的總體最優(yōu)狀態(tài)，后者則是對(duì)系統(tǒng)的局部狀態(tài)或過(guò)程進(jìn)行較詳細(xì)的預(yù)測(cè)或仿真。所以，從功能上來(lái)說(shuō)，多目標(biāo)集成系統(tǒng)集預(yù)測(cè)、模擬及優(yōu)化于一體，可對(duì)水資源系統(tǒng)進(jìn)行全面的操作。

3集成系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

集成系統(tǒng)由下述模型及子模型組成。

3.1宏觀經(jīng)濟(jì)模型及其它子模型

宏觀經(jīng)濟(jì)模型及其它子模型是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型。在這些模型中需要建立現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)狀態(tài)下的國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、財(cái)政與投資、人口及需水量等因素間的相互關(guān)系。宏觀經(jīng)濟(jì)模型的主體是投入產(chǎn)出模型(I一0模型)，該模型建立各經(jīng)濟(jì)部門的產(chǎn)出方程、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)方程、投資方程等，以下子模型則建立了宏觀經(jīng)濟(jì)對(duì)水資源的需求關(guān)系。農(nóng)業(yè)子模型:給出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與產(chǎn)值之間的關(guān)系。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因素包括耕地面積、作物結(jié)構(gòu)、作物需水量(包括節(jié)水因素)及作物產(chǎn)量。生活需水子模型:預(yù)測(cè)生活需水量?？紤]人口、城鄉(xiāng)分布、住房密度、公共事業(yè)、生活水平以及水質(zhì)要求等因素。工業(yè)需水子模型:確定工業(yè)產(chǎn)值與需水量之間的關(guān)系，需要分部門進(jìn)行研究，考慮工業(yè)布局、用水管理及技術(shù)進(jìn)步等因素。環(huán)境子模型:建立水質(zhì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活及水處理措施等因素間的關(guān)系。

3.2工程評(píng)價(jià)模型

該模型完成對(duì)備選方案(包括工程和非工程措施)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、財(cái)務(wù)和環(huán)境評(píng)價(jià)。3.3多目標(biāo)分析模型多目標(biāo)分析模型從整體角度協(xié)調(diào)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境各目標(biāo)在水資源利用方面相互競(jìng)爭(zhēng)的矛盾。通過(guò)模型求解與決策分析過(guò)程，決策者可以分析不同的工程和管理措施對(duì)各目標(biāo)的影響，從而最終確定合適的方案。

4多目標(biāo)分析模型的建立

4.1確定規(guī)劃目標(biāo)

這是區(qū)域水資源規(guī)劃的開端。由于宏觀經(jīng)濟(jì)水資源系統(tǒng)的多目標(biāo)特點(diǎn)，通過(guò)與國(guó)家和地方的決策人員協(xié)商，提出經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境等方面的目標(biāo)。決策者需要選擇表達(dá)某個(gè)目標(biāo)的合適的指標(biāo)。例如:maxGNP一一經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，國(guó)民生產(chǎn)總值最大;minBOD—環(huán)境目標(biāo)，BOD排放量最小;maxFOOD—社會(huì)目標(biāo)，糧食產(chǎn)量最大等。有時(shí)候，選擇指標(biāo)的變化作為目標(biāo)指標(biāo)化較合適，例如:max△GNP—凈增GNP最大;min(TFOOD一FOOD)—糧食產(chǎn)量與其目標(biāo)期望值的偏差最小。這里，需要對(duì)目標(biāo)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，看它們能否全面地、靈敏地反映相應(yīng)目標(biāo)的特點(diǎn)。如指標(biāo)變化對(duì)水資源開發(fā)的影響如何，是否體現(xiàn)出目標(biāo)間相互依賴與競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，是否有足夠的數(shù)據(jù)支持等。此外，還要設(shè)定各個(gè)目標(biāo)的期望水平。例如，對(duì)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，假定GNP的增長(zhǎng)率不低于某一水平;對(duì)社會(huì)目標(biāo)，假定人均糧食消費(fèi)達(dá)到某一水準(zhǔn)等。在多目標(biāo)模型中，對(duì)各目標(biāo)期望值的高低程度體現(xiàn)了決策者的偏好。

4.2約束條件的集成

從宏觀經(jīng)濟(jì)模型、供水管理模型及工程評(píng)價(jià)模型中提煉出目標(biāo)與目標(biāo)間、目標(biāo)與資源間的基本關(guān)系，依照其內(nèi)部聯(lián)系集于一體，構(gòu)成多目標(biāo)分析模型的約束條件。這些關(guān)系既構(gòu)成對(duì)單個(gè)目標(biāo)的約束，又反映各個(gè)目標(biāo)間相互制約的關(guān)系。因此，系統(tǒng)的集成在模型構(gòu)成中得以實(shí)現(xiàn)。多目標(biāo)分析模型中匯集的主要關(guān)系如下:工業(yè)生產(chǎn):經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)(投入一產(chǎn)出方程)，投資來(lái)源，可供水量與水質(zhì)要求，就業(yè)機(jī)會(huì)等;農(nóng)業(yè)生產(chǎn):可供水量與水質(zhì)要求，作物結(jié)構(gòu)，灌溉定額，耕地面積變化，糧食進(jìn)出口政策，糧食消費(fèi)需求等;水質(zhì)及環(huán)境;工業(yè)生產(chǎn)排污(產(chǎn)值與排污水平)，生活排污(人口與生活排污水平)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排污，污水處理與水投資來(lái)源;需水預(yù)測(cè):工業(yè)需水預(yù)測(cè)，生活需水預(yù)測(cè)，農(nóng)業(yè)需水預(yù)測(cè)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).節(jié)水效率;可供水量:供水保證率，水源(本地水、跨流域調(diào)水、回用水)，地區(qū)或部門間的水量分配與協(xié)調(diào);水工程與管理措施;開源與節(jié)流的合理配置，工程投資及其效益，工程的環(huán)境影響，各項(xiàng)工程和管理措施在時(shí)間和空間上相互依存的關(guān)系。在多目標(biāo)分析模型中，采用線性方程來(lái)描述上述各種關(guān)系。應(yīng)盡可能避免用數(shù)字來(lái)代替方程，因?yàn)檫@樣會(huì)割裂各種因素之間的有機(jī)聯(lián)系。

4.3選擇模型求解方法，建立決策分析過(guò)程。

為便于決策者參與決策過(guò)程，選擇交互式的求解方法比較合適。其中，切比雪夫方法(Teehbyeheffprogram，Steur，1986，1990)是至今最完善的一種多目標(biāo)交互式求解方法。

5系統(tǒng)功能集成系統(tǒng)為區(qū)域水資源規(guī)劃、管理提供較全面的支持，其功能主要包括如下幾個(gè)方面。

5.1預(yù)測(cè)功能

預(yù)測(cè)的內(nèi)容包括宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工農(nóng)業(yè)及生活需水、水質(zhì)變化、地表徑流、地下水位變化及可取水量。

5.2模擬功能

模擬的過(guò)程或狀態(tài)為:國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)及需水過(guò)程，區(qū)域水資源供需平衡過(guò)程，河流水質(zhì)狀態(tài)等。

5.3優(yōu)化功能

優(yōu)化功能的對(duì)象為:國(guó)民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)及發(fā)展過(guò)度、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)及作物種植結(jié)構(gòu)、水資源工程開發(fā)規(guī)模和開發(fā)次序等。

5.4水管理功能

包括內(nèi)容:地面、地下水聯(lián)合調(diào)度、地區(qū)及行業(yè)間的水分配及水環(huán)境管理等。

5.5決策分析是集成系統(tǒng)的主要功能，系統(tǒng)在給定目標(biāo)的條件下通過(guò)決策分析為最終的決策結(jié)果提供支持。決策分析主要包括以下幾方面的內(nèi)容:

(1)目標(biāo)間的協(xié)調(diào)分析各目標(biāo)間存在相互依賴和競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，它們之間的得失權(quán)衡是決策者對(duì)各目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)的依據(jù)。京津唐水資源多目標(biāo)分析模型的單目標(biāo)求解結(jié)果。表中對(duì)角線上的數(shù)據(jù)是各目標(biāo)的最優(yōu)值，還可以表中數(shù)據(jù)約估各目標(biāo)的最劣值，這樣可得出每個(gè)目標(biāo)的變化范圍:GNP(52%一100寫)，EMP(50%一100%)，BOD(100%一405%)，F(xiàn)OOD(81腸一100%)。表中數(shù)據(jù)還為目標(biāo)間的得失權(quán)衡提供依據(jù)。例如，當(dāng)單方面追求GNP最大(100%)時(shí)，環(huán)境嚴(yán)重惡化，BOD排放量為310%;反之，當(dāng)單方面追求環(huán)境最優(yōu)(100%)時(shí)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)受到嚴(yán)重影響，GNP從100%降到52%?？梢?jiàn)片面發(fā)展經(jīng)濟(jì)會(huì)帶來(lái)一定程度的環(huán)境損失;同樣，片面追求環(huán)境優(yōu)化也帶來(lái)一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)濟(jì)和環(huán)境是兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的目標(biāo)，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)。

(2)策略分析幫助決策者了解不同策略對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生的影響，從而找出影響決策結(jié)果的主要因素。策略分析包括以下各種情況:不同經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)發(fā)展水平對(duì)水資源開發(fā)管理的影響;經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的不確定因素對(duì)水資源開發(fā)管理的影響;水文隨機(jī)性對(duì)宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)建成的風(fēng)險(xiǎn);重大政策改變(如降低糧食自給率，提高環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，人口遷移)對(duì)水資源開發(fā)的影響;不同開源節(jié)流及污水處理回用工程規(guī)模及其組合對(duì)各目標(biāo)的影響;大型骨干工程水分配對(duì)目標(biāo)的影響;地區(qū)間投資分?jǐn)倢?duì)水資源開發(fā)的影響等。

(3)靈敏度分析靈敏度分析的意義一方面是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m應(yīng)性(對(duì)資源約束變化的響應(yīng))，另一方面是分析各種資源(包括勞動(dòng)力、土地及水資源)的變化對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生的影響，找出各種資源允許變化的范圍，為資源的合理配置提供依據(jù)。此外，通過(guò)靈敏度分析還可以研究某種因素變化對(duì)目標(biāo)的影響，如工業(yè)用水系數(shù)、灌溉定額等因素的變化對(duì)目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生什么影響，從而找出對(duì)目標(biāo)影響較大的因素。上述各種功能并非彼此孤立，而是相互結(jié)合的，預(yù)測(cè)、模擬、管理及優(yōu)化決策分析集于一體是本系統(tǒng)的又一特點(diǎn)。預(yù)測(cè)為系統(tǒng)模擬、優(yōu)化提供基本數(shù)據(jù)，如工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值用水量，農(nóng)業(yè)灌溉定額、工業(yè)排污系數(shù)的預(yù)測(cè);優(yōu)化技術(shù)以系統(tǒng)中的主要關(guān)系為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)這些關(guān)系的綜合分析尋求系統(tǒng)的“最佳狀態(tài)”?？紤]到求解的方便，大型優(yōu)化模型一般采用線性模型，它無(wú)法描述系統(tǒng)的工程，也不易給出系統(tǒng)的詳細(xì)狀態(tài);而模擬模型的原則是仿真，它描述系統(tǒng)的狀態(tài)及其過(guò)程，但它不具備使系統(tǒng)趨于最優(yōu)的功能。預(yù)測(cè)、優(yōu)化和模擬的有機(jī)結(jié)合，由優(yōu)化模型給出系統(tǒng)的最佳狀態(tài)，然后，由模擬模型對(duì)給定的狀態(tài)進(jìn)行仿真并模擬其發(fā)展過(guò)程。這樣，三者結(jié)合為決策分析提供了更有效的手段。