面向可持续发展的水资源规划量化研究综述

1面向可持续发展的水资源规划量化研究综述左其亭马军霞郑州大学环境与水利学院，河南郑州450002摘要：水资源规划需要“可持续发展”作为基本指导思想，这已被广泛理解和接受。新形势下水资源规划工作也开始在可持续发展思想指导下开展工作。但是，如何来量化研究面向可持续发展的水资源规划问题？这还是个亟待解决的问题，也是本文主要讨论的内容。主要包括：量化研究关键问题、量化研究方法、新的水资源规划思路与步骤以及应用实例。关键词：可持续发展，水资源规划，量化研究，研究综述一、概述全国新一轮的水资源综合规划编制工作已于2002年全面启动，计划用3年的时间完成。这次水资源综合规划编制工作是针对我国社会经济发展对水资源的迫切需要，进一步查清水资源数量、质量及其时空分布，着力解决水资源的开发、利用、配置、节约、保护和治理等重大问题而开展的。自20世纪80年代开展全国第一次水资源评价和水资源利用规划工作以来，我国水资源的外部环境和内部条件发生了很大变化，水资源短缺和水环境恶化问题严重制约着我国社会经济的可持续发展。近些年来，我国北方地区持续干旱，华北、西北、东北等地区严重缺水，南方的一些地区也存在着资源性缺水、水质性缺水或工程性缺水等问题。生态环境的恶化和水体的污染进一步加剧了水资源紧缺状况，严重影响着社会经济的可持续发展。通过开展这次规划工作，将对我国水资源的状况重新做出评价，科学预测近期和远期需水趋势，在节水和水资源保护的基础上，对水资源进行优化配置，统筹安排水资源全面节约、有效保护、优化配置、合理开发、高效利用、综合治理和科学管理的布局和方案。这次水资源综合规划的突出特点是，强调水资源量的评价、水资源有效保护、水资源优化配置以及水资源的可持续利用。如何在新一轮的水资源规划中体现可持续发展思想，是值得探讨的问题。特别是，如何定量化体现可持续发展思想？亦即，如何在定量上来寻找以可持续发展为指导的水资源规划方案？本文从量化研究的角度，提出量化研究关键问题、量化研究方法，建立以可持续发展为目标的水资源规划模型，给出在可持续发展思路指导下的水资源规划研究步骤。二、量化研究需要解决的关键问题2.1准则问题就现行水资源规划准则而言，主要考虑的是：经济效益(economicbenefit)；技术效率(technicalefficiency)和实施的可靠性(performancereliability)。尽管它们仍然被应用，但是，就现状而言已经不能满足可持续发展的要求。从《21世纪议程》要求的社会、经济、资源、环境相协调的高度，已迫切需要逐步转变到新的行为准则。实际上，“可持续发展”就是水资源规划非常基本的导则。然而，仅谈“可持续发展准则”有点太笼统、太空洞，不便于操作。因此，从量化研究的角度，急需要形成新的准则。本文作者在文[1]、[3]、[4]中从量化研究的角度，提出可持续发展的三个准则：①可承载：可持续发展首先要求不允许破坏地球上生命支撑系统（如空气，水，土壤等），即处在可承载的最大限度之内，以保证人类福利水平至少处在可生存状态。②有效益：可持续发展鼓励经济增长。当然，它与传统的经济学观点有质的区别。它不仅重视增长数量，更追求改善质量。它是以保护自然环境为基础，以改善和提高生活质量为目标，与资源、环境的承载能力相协调。③可持续：可持续发展不仅考虑到当代人，而且顾及到后代人。不仅要保证现2代的发展，而且要保证未来的发展，使发展处在不断增加的趋势。2.2指标体系问题在可持续发展量化研究中由于具体区域（或流域）的实情千差万别，水资源规划方案也多种多样。如果没有一套明确、清晰的评价指标体系作为衡量标准的话，则很难将可持续发展对水资源规划的指导方案变为一种可操作的管理模式，用于指导实际工作。研究水资源规划的指标体系，应该是一个多层次的复杂结构体系。至少应该包括四大类，即社会经济指标、水资源指标、生态环境指标和综合性指标。每大类又有多个子类、子子类。社会经济指标，主要由描述和表征人口、经济、社会、科技等发展的指标集组成。通过这些指标能够反映出水资源在社会经济系统中的配置状况，水资源对社会经济发展的贡献作用，以及社会福利的增长情况。水资源指标，主要由反映水文循环状况和水资源开发利用情况的指标集组成，包括水质和水量两个方面。生态环境指标，是用于表征区域（或流域）内生态环境质量的主要因子，包括河湖质量指标、植被质量指标、土地质量指标、总体质量指标、生态需用水指标等。综合性指标，主要从宏观层次上选择那些反映复合系统发展特性的指标和反映子系统间协调程度的指标。2.3基础模型问题面向可持续发展的水资源规划的目标，是为社会经济的发展和生态环境的保护提供源源不断的水资源。实现水资源在当代人之间、当代人与后代人之间、以及人类社会与生态环境之间公平合理的分配。因此，水资源规划量化研究的对象系统应该界定在社会经济—水资源—生态环境复合系统上。在这个复合系统中，社会经济、水资源、生态环境三大子系统相互作用与影响，构成了有机的整体。那么，量化研究就需要建立这个复合系统的耦合模型（简记作SubMod(S,E,R,E)）。这是建立面向可持续发展的水资源规划量化研究体系的基础，具有重要的地位，也是量化研究的特色之一。2.4量化方法问题剩下的问题就是量化方法问题。也就是，如何利用“量化指标”来定量评价或判断某地区是否遵循可持续发展准则？又怎样“做”才能符合可持续发展准则？本文介绍两种可持续发展量化研究方法。一种是基于“社会净福利函数”的量化方法；一种是基于“发展综合指标测度（DD）”的量化方法。前一种方法，是用经济学手段，量化可持续发展中的社会、经济和生态环境效益。由于技术难度较大、资料一般不易得到，实际应用上受到限制。第二种方法，是采用模糊隶属度定量描述方法和多准则集成技术，来量化水资源规划中的可承载能力、经济效益和可持续性以及它们的集成等问题。三、量化研究方法综述3.1基于“社会净福利函数”的量化方法社会净福利函数，是对国民收入（GDP）的一种“绿化”，是从GDP中扣除恢复生态环境良性循环所需的支出后，得到的一个新指标，也称为净经济福利。计算公式如下：TkCTkGTkW,,,式中：TkW,——第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；TkG,——第T个时段选择第k个方案时所对应的GDP；TkC,——第T个时段选择第k个方案时恢复生态环境良性循环所需的支出，其值包括生态环境破坏所造成的经济损失值和恢复生态环境所需的各种费用。根据可持续发展的概念和基本目标，可持续发展应遵循以下准则：效益最大化、可生存、可承载和可持续。它们的量化模型如下：3目标函数：NTTrTkWMax11,（效益最大化）约束条件：min,gTkg；min,WlTkWl；min,EqTkEq；（可生存）maxWkWx；WcWw；WecTkW,；（可承载）TkRTkRTkWTkW,1,,1,；TkWTkWuse,,sup；TkEqTkEq,1,；（可持续）式中：TkW,–––表示第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；T–––从现在到未来的一个时段，其取值为1,2,…N；N–––系统可有效预测的最大时段个数；k–––第T个时段的决策变量，即方案的选择变量；r–––第T个时段的贴现率；Tkg,–––第T个时段选择第k个方案时所对应的人均GDP；ming–––当前人们满足最低生活标准所需的人均经济收入；TkWl,–––第T个时段选择第k个方案时所对应的生活总需水量；minWl–––满足人们生理与生活所需的最小用水量；TkEq,–––第T个时段选择第k个方案时所对应的生态环境质量；minEq–––满足人们生活、生产及享乐需求的最低生态环境质量标准；Wx–––总需水量；maxWk–––最大可供水量；Ww–––污水的总排放量；Wc–––水环境的容量；Wec–––对应生态环境承载力阀值的净福利，用货币单位表示；TkR,–––第T个时段选择第k个方案时所对应的人口总数；TkWuse,–––第T个时段选择第k个方案时系统总用水量；TkW,sup–––第T个时段选择第k个方案时系统总供水量；ε–––总用水量和总供水量两者匹配调节值；TkEq,–––第T个时段选择第k个方案时所对应的生态环境质量。3.2基于“发展综合指标测度（DD）”的量化方法（1）“可承载”的度量。考虑“可承载”、“可持续”实际度量上存在的模糊性，本文作者曾提出用模糊数学中隶属度进行度量的方法。对任一指标)(TYi，先进行无量纲化处理：选定“可承载”限度0iY，当)(TYi越大，可承载程度也越大时（如人均粮食产量），定义0)(iiYTYx；当e越大，可承载程度越小时（如水体矿化度C），定义)(0TYYxii。再通过隶属函数来描述任一指标对应的隶属度，设为))((TYiLI。对多指标组成的整个系统可承载隶属程度为：11))(()(niiaLITYTLIi。式中：n1——表示整个系统有n1个“可承载”指标；LI(T)——表示整个系统在T时段可承载隶属度；ia——表示第i因子的指数权重。（2）“有效益”的度量。取经济学指标（如国民生产总值等）为SP，设初始年SP值为基准值SP0。为了使数据无量纲化，令0)(SPTSPx。再用下面的隶属函数（也可据具体情况另选）来量化：axaxTEG)(。式中，a为待定系数。可以针对不同地区，只要选定某一对应的SP(T)值，就可以反求出a。（3）发展综合指标测度DD(T)。把“可承载”（隶属度LI(T)）与“有效益”（隶属度EG(T)）综合起来，来表征系统的发展状态。这就是本文作者曾提出的“发展综合指标测度”：21)()()(TLITEGTDD式中，21,分别是给定EG(T)、LI(T)的一个指数权重。DD(T)是系统在T时段“发展综合指标测度”。DD(T)∈[0，1]。DD(T)作为衡量T时段“发展”的一个“尺度”。4（4）“可持续”度量。令)1()(TDDTDDx（如果T=1，约定1x）。如下式：111))((xxxTDDSU定义全时段发展相对可持续性的隶属度（简称“可持续发展态势隶属度”）为：SDDTNNNTSUTDD01))((式中，N为整个时段个数；N0——是选定的常数（如5，10，……，N）。四、面向可持续发展的水资源规划模型在水资源规划量化研究中，需要建立以可持续发展为指导思想的优化模型。这是寻找水资源规划方案的基础。这里，仅介绍基于“发展综合指标测度（DD）”的优化模型。（1）目标函数。以可持续发展为目标，要求“发展”的目标函数BTI值达最大。即，在某一特定时段T，在满足一定条件下，使其总效益达到最大。Max(BTI)=)(TMaxDD（2）约束条件。欲保证整个系统可持续发展，必然要求系统可承载、可持续（即发展态势）达到某一最低水平（分别设为LI0、SDDT0）。于是，有可承载、可持续条件方程式：LI(T)≥LI0,T≥T1SDDT≥SDDT0此外，需要把“社会经济—水资源—生态环境”复合系统耦合模型SubMod(S,E,R,E)嵌入到优化模型中，作为其一个约束条件。还可以针对具体情况增加一些其它约束条件。于是，得到水资源规划模型：目标函数：)(BTIMax约束条件：LI(T)≥LI0,T≥T1SDDT≥SDDT0SubMod(S,E,R,E)其它约束条件它是一个涉及社会经济、水资源系统、生态环境三大方面、且在社会经济系统与水资源-生态环境系统的耦合系统中运行、满足一定约束条件、要求总体效益最大的优化模型。一般，该模型是一个十分复杂的多阶段非线性优化模型，其求解比较困难。对此，作者提出采用计算机模拟技术的方法，求得模型的近似最优解。这样可以大大减少计算工作量。五、面向可持续发展的水资源规划一般步骤综述基本的研究思路和过程介绍如下（技术路线如图1所示）：（1）根据研究区的具体实际，制定水资源规划的依据