水資源系統(tǒng)工程簡介

應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法對水資源進(jìn)行合理的開發(fā)利用，包括對水資源的規(guī)劃、治理、控制、保護(hù)和管理。水資源系統(tǒng)工程從系統(tǒng)總體出發(fā)，綜合考慮自然、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會等因素的相互關(guān)系，有目的有步驟地選定開發(fā)目標(biāo)、建立數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用優(yōu)化方法和計算機(jī)技術(shù)，對大量可行的開發(fā)利用方案進(jìn)行定量分析和綜合評價，從而提出總體最優(yōu)方案，供決策時選擇。

水資源系統(tǒng)的主要特點：①它是一個可控的人工系統(tǒng)與自然系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合大系統(tǒng)。它既是為了充分利用水資源，滿足社會需要和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而建立的人工系統(tǒng)，又是一個受生態(tài)系統(tǒng)制約和服從水資源本身自然規(guī)律的自然系統(tǒng)。②它是空間和時間結(jié)構(gòu)都極其復(fù)雜的大系統(tǒng)。從空間結(jié)構(gòu)看，它既包括眾多的工程要素，如大壩、水庫、渠系、水電站、通航和溢洪建筑物等，又涉及許多除害興利部門，如防洪、除澇、水污染控制、工農(nóng)業(yè)供水、水力發(fā)電、航運(yùn)、旅游等部門。它們之間存在著既相互支援，又相互制約的關(guān)系。從時間結(jié)構(gòu)看，它包括從水資源開發(fā)利用的勘測、規(guī)劃、設(shè)計、施工到運(yùn)行管理等階段，是典型的多階段動態(tài)系統(tǒng)，有的要歷經(jīng)60～70年之久的連續(xù)過程。③它是一個多目標(biāo)、多技術(shù)方案的大系統(tǒng)。對水資源系統(tǒng)的評價目標(biāo)涉及經(jīng)濟(jì)、社會、政治、環(huán)境、地區(qū)等多種目標(biāo)。為實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)，不僅系統(tǒng)內(nèi)部可行方案眾多，而且外部戰(zhàn)略性的替代方案也多。如可用火電或核電等來代替水電開發(fā)，用公路、鐵路等來代替水道航運(yùn)等。④它是一個多級遞階的大系統(tǒng)。例如，在流域或地區(qū)水資源規(guī)劃系統(tǒng)中，按任務(wù)和要求通?？蓪⒎篮?、灌溉、發(fā)電等專業(yè)規(guī)劃分別作為流域或地區(qū)規(guī)劃的子系統(tǒng)來處理。根據(jù)需要還可將這級子系統(tǒng)再細(xì)分為下屬的若干級子系統(tǒng)，以便尋求整個系統(tǒng)的最優(yōu)化。

1955年美國哈佛大學(xué)首先制定了水資源大綱，重點研究現(xiàn)代水資源系統(tǒng)工程的方法論。1957年加利福尼亞大學(xué)成立了水資源中心。60年代初，美國西部資源會議制定了以水資源為重點的長期科研規(guī)劃。這些活動推動了水資源系統(tǒng)工程的發(fā)展。60年代，英、蘇、法等國都開展了水資源系統(tǒng)工程的研究，并建立了相應(yīng)的科研機(jī)構(gòu)。例如,美國北大西洋區(qū)域的水資源規(guī)劃,阿根廷的科羅拉脫河流域規(guī)劃，蘇聯(lián)的巴古參茨克水電站的施工設(shè)計等都應(yīng)用系統(tǒng)分析方法進(jìn)行了水資源系統(tǒng)的優(yōu)化工作。中國對紅水河梯級水電站的開發(fā)規(guī)劃、水電站群參數(shù)優(yōu)選和水庫優(yōu)化調(diào)度，以及地區(qū)水資源科學(xué)分配研究等方面也取得了很大的效益。

水資源開發(fā)利用的工作程序如下（見圖）：①明確問題。弄清需要解決什么問題，即弄清需求和約束條件。②目標(biāo)選擇。將需求具體化，建立目標(biāo)體系和評價指標(biāo)。③方案設(shè)計。設(shè)計出能達(dá)到目標(biāo)的可行方案。④建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)目標(biāo)通過數(shù)學(xué)模型分析各種方案。⑤系統(tǒng)最優(yōu)化。選定方案的參數(shù)和變量，即選擇最優(yōu)方案。⑥綜合評價。從系統(tǒng)的功能、費用、時間、可靠性等方面進(jìn)行定量的或定性的綜合分析和評價。通過綜合評價，如系統(tǒng)能最優(yōu)地滿足需求,則可進(jìn)入方案實施階段。如不能滿足需求,則可重復(fù)上述步驟，直到滿意為止。

在水資源開發(fā)利用系統(tǒng)中常用的模型化、最優(yōu)化和評價、決策方法有以下幾種：①在建立結(jié)構(gòu)模型方面有多級遞階控制結(jié)構(gòu)、解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)等；②在系統(tǒng)優(yōu)化方面有線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、仿真等；③在系統(tǒng)評價和決策方面有系統(tǒng)分析、成本效益分析、多目標(biāo)決策、群決策等；④在系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計施工和運(yùn)行管理方面，有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計劃協(xié)調(diào)技術(shù)(PERT)、關(guān)鍵路線法(CPM)、動態(tài)規(guī)劃等。

在解決龐大的水資源系統(tǒng)問題時，如何處理好系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，保證系統(tǒng)時間結(jié)構(gòu)的連貫性，以及合理解決大型水利工程中生態(tài)環(huán)境問題等都是水資源系統(tǒng)工程需要進(jìn)一步研究、完善和提高的主要課題。

W.A.Hall，Water Resource Systems Engineering，McGraw-Hill, New York, 1970.2100433B

介紹

制訂和選擇河流流域范圍內(nèi)水資源綜合開發(fā)和綜合治理方案，是水資源系統(tǒng)工程的一項重要內(nèi)容。具體工作包括根據(jù)國家和地區(qū)對水資源的需求和治理要求，結(jié)合河流水資源本身的特點，選定規(guī)劃目標(biāo)，擬定可行方案，進(jìn)行優(yōu)化評選，提出總體方案，確定工程規(guī)模和開發(fā)程序等。河流水資源規(guī)劃是流域內(nèi)各項水資源工程設(shè)計的基礎(chǔ)和編制水利建設(shè)長遠(yuǎn)計劃的依據(jù)。

規(guī)劃原則 　河流水資源規(guī)劃（簡稱流域規(guī)劃）是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國土整治規(guī)劃的一個組成部分。除遵循國家和地區(qū)有關(guān)方針政策等基本原則外，還要遵守下列一些具體原則：①總體最優(yōu)。水資源開發(fā)利用，涉及多個業(yè)務(wù)部門的權(quán)益和水資源多種用途的效益，為此可以有多種評價標(biāo)準(zhǔn)。只有從系統(tǒng)總體最優(yōu)出發(fā),統(tǒng)一規(guī)劃,兼顧各方，才能取得最大的社會經(jīng)濟(jì)效益。②綜合開發(fā)和綜合利用。盡量做到一水多用，一庫多利,一物多能,綜合多效。如一定的水量要先發(fā)電后供水;一定的庫容,要防洪與興利相結(jié)合；同一泄水底孔建筑物，可兼顧泄洪、下游供水、沖沙、放空水庫和施工導(dǎo)流等多種用途；同一流域規(guī)劃方案，既要為經(jīng)濟(jì)部門服務(wù)，又要為改善環(huán)境和人民福利提供多種效能。③因地制宜。按照自然規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律，綜合利用水土資源。

規(guī)劃內(nèi)容 　規(guī)劃內(nèi)容因具體對象而有所不同。①大江大河流域規(guī)劃:大江大河涉及面廣,需要開發(fā)治理的項目繁多，一般包括防洪、排澇、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、工業(yè)和城市供水、養(yǎng)殖、旅游、改善生態(tài)環(huán)境等，因此除制訂總體方案外，還應(yīng)制定重點的專業(yè)規(guī)劃，如防洪規(guī)劃、水力發(fā)電規(guī)劃、綜合水利樞紐規(guī)劃等。②中小河流域規(guī)劃：多以服務(wù)于農(nóng)業(yè)發(fā)展為主要目的。規(guī)劃內(nèi)容一般包括地表與地下水的聯(lián)合利用、水土資源平衡，以及灌溉、排澇、水土保持、生態(tài)環(huán)境等方面統(tǒng)籌規(guī)劃。一般中小河流都是大江大河的支流水系，在制訂規(guī)劃時需要從總體上與流域規(guī)劃協(xié)調(diào)。

規(guī)劃模型 　根據(jù)制定規(guī)劃階段的不同，河流水資源規(guī)劃一般采用下述三種數(shù)學(xué)模型。①篩選模型：應(yīng)用線性規(guī)劃或混合整數(shù)規(guī)劃等優(yōu)化技術(shù)對方案進(jìn)行篩選，初步確定系統(tǒng)組成、工程配置、開發(fā)規(guī)模等的輪廓方案。②仿真模型：應(yīng)用仿真方法對輪廓方案進(jìn)行檢驗評價，以便進(jìn)一步改善方案的結(jié)構(gòu)和功能。③序列模型：應(yīng)用混合整數(shù)規(guī)劃或動態(tài)規(guī)劃等對已經(jīng)確定的方案進(jìn)行優(yōu)選排序，以確定最優(yōu)開發(fā)程序。過去多采用一維多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃（MODP模型），近年來又發(fā)展了多維決策的多目標(biāo)動態(tài)規(guī)劃（MDMODP模型）。采用這些方法能有效地求解多維的、多階段的多目標(biāo)優(yōu)化問題，使河流水資源規(guī)劃工作，在總體上和在各階段上達(dá)到綜合最優(yōu)化。

參考書目

華東水利學(xué)院水文系編：《水利計算及規(guī)劃》，中國工業(yè)出版社，北京，1962。

David C.Major，Roberto L.Lenton，Applied Water Resource　Systems　Planning，Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey,1979.