可持续生态河道水资源管理的量化方法的研究.doc

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1、四川大学环境生态学期末论文可持续生态河道水资源管理的量化方法的研究The Study of Quantitative Methods of the Sustainable Eco-riverway Water Rescources Management Systems学生姓名：学号：指导教师：专业：环境工程年级：08级2班四川大学建筑与环境学院【摘要】 “可持续生态河道水资源管理”在行为准则上对传统的生态河道水资源规划与管理政策有较大改进。本文首先把社会经济-生态河道水资源-生态河道复合系统看作是可持续生态河道水资源管理的对象，研究社会经济-生态河道水资源-生态河道复合系统模型等基础内容；研究

2、可持续生态河道水资源管理量化理论，包括可持续生态河道水资源管理准则问题、指标体系、量化方法以及优化模型研究内容。【关键词】可持续，生态河道，水资源管理系统，量化理论，量化方法【Key Words】Sustainable, Eco- riverway, Rescources Management Systems, Quantitative Methods,Quantitative Theory1、可持续生态河道水资源管理的对象生态河道水资源-河道生态系统状况与社会-经济发展的综合随着人类的发展，特别是工业革命以来，人口不断增长，人类社会活动增加，科技飞速发展，经济也在不断飞速发展，当然伴随着资源

3、消耗量不断增加，生态河道水资源危机也从“开始出现”到“日益突出”，带来的环境问题也越来越大。反过来又在不同程度上制约着经济增长、社会进步。社会、经济、水资源、环境相互联系、相互制约、互为因果。可持续生态河道水资源的目的，是为社会经济的发展和河道生态与环境的保护提供源源不断的水资源，因此，可持续生态河道水资源的研究的对象系统应 该界定在河道社会经济-生态河道水资源-河道生态复合系统上。由于社会经济系统与生态河道水资源生态系统的密切关系，需要把“水量水质生态模型SubMod(Q,C,E)”与“社会经济系统模型SubMod(SESD)”耦合起来。2、可持续生态河道水资源管理量化准则及量化指标体系。2

4、.1可持续生态河道水资源管理新的准则2.11研究渊源：就传规统的水资源管理与规划而言，主要考虑的是：经济效益、技术效益和实施的可靠性。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生态河道水资源管理的要求。可持续生态河道水资源管理强调了未来化、社会福利、水循环、生态系统保护这样完整的水的管理。目前，国内外水文水资源学术界正在积极探讨可持续水资源管理新的准则。就可持续发展的定义很多，至于如何量化研究可持续发展就显得五花八门。因此，如何从量化的角度进一步给出新的准则，同时又能体现可持续生态河道水资源管理的基本思路，就显得很重要。2.1.2可持续生态河道水资源管理新的准则（即量化准则）：2.1

5、.2.1可承载性：地球生命支撑系统部遭到破坏的最大承受能力，在这里就是指河道生态系统。2.1.2.2有效益：可持续发展要求经济投入和生态河道资源管理带来的发展是一种有效益的发展（包括经济效益、社会效益、环境效益等）。2.1.2.3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可持续发展指标体系2.2.1联合国可持续发展指标联合国可持续发展指标体系由驱动力指标、状态指标、响应指标构成。驱动力指标主要包括就业率、人口净增长率、成人识字率、可安全饮水的人口占总人口的比率、运输燃料的人均消费量、人均实际GDP增长率、G

6、DP用于投资的份额、矿藏储量的消耗、人均能源消耗量、人均水消费量、排入海域的氮、磷量、土地利用的变化、农药和化肥的使用、人均可耕地面积、温室气体等大气排放量等；状态指标主要包括贫困度、人口密度、人均居住面积、已探明矿产资源储量、原材料使用强度、水中BOD和COD含量、土地条件的变化、植被指数、受荒漠化、盐碱和洪涝灾害影响的土地面积、森林面积、濒危物种占本国全部物种的比率、二氧化硫等主要污染物浓度、人均垃圾处理量等。 2.2.2中国的可持续发展指标国家环保总局制定的生态省的评价指标体系由三级指标构成：一级指标4个，包括生态经济、社会发展、生态环境、生态文化；二级指标11个，包括经济水平、生产效率

7、、资源利用效益、人口、生活质量、社会公平性、生态环境、生态资产、消费行为、生态意识、科技支撑能力，法规政策体制；三级指标是整个评价的体系基础，指标的构成反映了生态省建设的主要方面。2.2.3英国的可持续发展指标这些指标一共有68个，分别属于四大类：可持续的生产和消费，气候转变和能源，自然资源和环境保护，可持续发展的社区与世界平等。这些指标的内容包括：二氧化碳排放，电能（包括可再生能源），资源使用（能源供给与水资源），垃圾，自然资源（生物多样化、农业、畜牧业、土地使用、生态、河流），社会经济（经济增长、生产率、人口），社会指标（社区参与程度、犯罪率），就业和贫穷，教育，医疗健康，交通，社会公正与

8、环境公平，社会财富等。2.3建立可持续生态河道水资源管理指标体系的原则2.3.1概念：可持续生态河道水资源管理指标体系是度量河道社会经济-河道水资源-河道生态复合系统发展特征的参数。通过衡量其质量的好坏判断是否符合可持续水资源管理准则，来定量评估水资源开发、利用和管理的可持续性。2.3.2可持续生态河道水资源管理指标应具备的功能：2.3.2.1能描述和表征任一时刻河道社会经济、水资源、生态与环境的法杖状况和变化趋势。2.3.22能体现出河道社会经济、水资源、生态与环境的发展协调程度。2.3.2.3能反映出河道存在的水问题及其产生的根源。2.3.3原则:（1）科学性原则：指标体系一定要建立在科学

9、的基础上，能够较客观、真实地反映系统的内涵，较好地度量水资源管理的状况、方略、规划目标。（2）完备性原则：要求指标体系覆盖面广，能综合反映水资源管理的各个方面。 （3）可操作性原则：选择的指标应当简单且易于解释，易于定量表达，易于取得数据且费用合理。（4）主导性原则 ：建立指标时尽量选择那些有代表性的综合指标。（5）独立性原则：度量可持续水资源管理的指标往往存在信息上的重叠，所以要尽量选择那些具有相对独立性的指标。（6）动态性原则： 由于可持续水资源管理考虑的是一个变化的社会系统和生态河道系统，建立的指标体系就应该定期更新，能够显示随时间变化的趋势。建立指标时，上述原则既要综合考虑又要区别对待

10、。2.4指标体系的筛选方法2.4.1频度统计法、理论分析法和专家咨询法筛选指标。采用此法来满足科学性和完备性原则，如此建立的指标成为一般指标法2.41.1频度统计法：对目前有关可持续发展与生态河道水资源管理评价研究的报告、论文进行频度统计，选择那些使用频度较高的指标。2.4.1.2理论分析法:对河道社会经济-水资源-生态复合系统可持续发展的内涵、特征进行分析综合，选择那些重要的发展特征指标。2.4.1.3在初步提出评级指标的基础上，征询有关专家的意见进行调整。2.4.2主成分分析法和独立性分析法筛选指标。 为满足指标的主导性和独立性原则，对具体指标系统进行主成分分析和独立分析，选择出内涵丰富又

11、相对独立的指标构成体系。2.4.2.1主成分分析：首先计算各发展特征内部指标间的相关系数，得到相关系数举矩阵；第二，选出相关置信度有一半以上（包括一半）大于0.95的指标，筛选掉的是独立指标，它们将与独立性分析得到的指标共同描述发展特征；第三，分别计算出指标的平均相关系数并求出平均相关系数的平均值；第四，选出相关系数有一半以上大于总体评价相关系数的指标。2.4.2.2独立性分析：指标独立性的高低取决于指标间的相关程度。 对于选出的主成分指标，定义相关系数大于等于0.9的指标为重复指标并加以合并。2.5可持续生态河道水资源管理指标体系的一般构成2.5.1社会经济指标社会经济指标主要由描述和表征人

12、口、经济、社会、科技等发展的指标集合组成，大致可以分为以下几部分：2.5.1.1人口发展指标。即人口密度或人口总数，人口增长率趋势。人口是可持续发展的关键部分，人口增长是复合系统发展的主要驱动因子之一。在可持续生态河道水资源管理中，我们主要考虑的是反映人口状况、与社会用水量相关的指标。2.5.1.2经济发展指标。即人均GDP现状，GDP增长率趋势，工业产值模数，人均粮食产量，工业总产值占GDP比重，水利投资系数。2.5.1.3社会发展指标。即社会安全饮用水比例，人均耕地面积。社会的发展进步是衡量可持续发展的主要依据。2.5.1.4科技发展指标。灌溉用水定额，工业用水重复利用率。科技是实施可持续

13、发展的重要环节。科技的发展能够减少环境的污染，降低单位产值的资源消耗。2.5.1.5水资源需求指标。即耕地灌溉率，城镇需水比例，需水量模数，人均需水量，单位GDP需水量，需水增长率，污径比。2.5.2水资源指标水资源指标主要由反映水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。2.5.2.1水资源总量指标。即人均水资源量，水资源模数，亩均水资源量，径流系数，干旱指数。2.5.2.2水资源质量指标。即水质等级2.5.2.3水资源开发指标。即水资源利用率，人均可供水量，供水量模数，供水增长率，地下水供水比例，需水工程供水比例，跨流域调水比例，供水普及率。2.5.2.4水资源使用

14、指标。即总用水量，农业用水比例，工业用水比例，生活用水比例。25.3生态与环境指标2.5.3.1总体质量指标即生物多样性指标。主要由多样性指数、均匀度和优势度三个方面表征。2.5.3.2植被质量指标。即森林覆盖率、操场面积比，载蓄量，植被面积变化率。2.5.3.3河湖质量指标。即河湖水体矿化度，主河长缩减率，湖泊面积缩减率，水库面积变化率。2.5.3.4土地质量指标。即盐泽化面积比，盐泽化面积变化率，地下水平均矿化度，沙化面积比，沙化面积变化率，沙化区地下水地位埋深，水土流失面积比，土壤侵蚀模数，河道输沙量。2.5.3.5生态需用水指标。即河道外生态需水量，河道内生态需水量，生态与环境需水率，

15、生态与环境缺水率。2.5.4综合评价指标。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。包括人均社会净福利，生态与环境质量，水资源承载力，缺水率，洪灾频数。2.6挑选指标的一般要求：2.6.1具有代表性，是反映该区的主要指标；2.6.2简单易于量化、易于获得数据；2.6.3覆盖面要广；2.6.4具有一个可以对照比较的目标值或标准值；2.6.5符合可持续水资源管理指标选择原则。3.可持续生态河道水资源管理的两种量化方法3.1基于“社会净福利函数”的量化方法，是用经济学手段，量化可持续水资源管理中的社会效益、经济效益和生态与环境效益。3.1.1“社会净福利函数”的

16、定义：是对国民收入（GDP）的一种“绿化”，是从GDP中扣除回复生态与环境良性循环所需的支出后，得到的一个新指标。计算公式如下： W(k,T)=G(k,T)-C(k,T)式中，W(k,T)为第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；G(k,T)为第T个时段选择第k个方案时所对应的GDP；C(k,T)为第T个时段选择第k个方案时恢复生态系统良性循环所需的支出，其值包括生态系统破坏所造成的经济损失值和恢复生态系统所需的各种费用。3.1.2量化研究方法根据可持续水资源管理的概念和基本目标，复合系统应遵循以下准则：效益最大化、可生存、可承载和可持续。3.1.2.1效益最大化效益最大化用N时段内“净福利

17、”最大表示。 式中，W（k,T）为第T个时间段选择第k个方案时所对应的净福利；T为从现在到未来的一个时间段；T的取值为1，2，N；N为系统可有效预测的最大时间段个数；k为第T个时间段的决策变量，即方案的选择变量；r为第T个时间段的贴现率。3.1.2.2可生存 可生存量化如下：g(k,T) gmin 对社会经济系统的要求Wl(k,T)Wlmin 对水资源的要求Eq(k,T)Eqmin 对生态系统的要求式中，g(k,T)为第T个时间段选择第k个方案时所对应的人均GDP；gmin为当前人们满足最低生活标准所需的人均经济收入； Wl(k,T) 为第T个时间段选择第k个方案时所对应的生活总需水量；Wlm

18、in 为满足人们生理与生活所需的最小用水量；Eq(k,T)为第T个时间段选择第k个方案时所对应的生态与环境质量； Eqmin为满足人们生活、生产及享乐需求的最低生态与环境质量标准。3.1.2.3可承载 可承载量化如下：WxWkmax 水资源量的承载力WwWc 水资源质的承载力W(k,T)Wec 生态与环境承载力式中，Wx为总需水量；Wkmax为最大可供水量；Ww为污水的总排放量；Wc为水环境的容量； Wec为对应生态与环境承载力阈值的净福利，用货币单位表示。3.1.2.4可持续 在可持续水资源管理复合系统中，社会经济系统可持续发展表现为人均净福利不断增长；水资源系统可持续发展表现为系统总用水量

19、和总供水量调配得当相差不大；生态系统可持续发展表现为生态与环境质量逐步改善。 W(k,T+1)/R(k,T+1)W(k,T)/R(k,T) W(k,T+1)/ W(k,T)R(k,T+1)/ R(k,T) 社会经济系统Wuse(k,T)-Wsup(k,T) 水资源系统Eq(k,T+1)Eq(k,T) 生态系统式中，R(k,T)为第T个时间段选择的第k个方案时所对应的人口总数；Wuse(k,T)为第T个时间段选择第k个方案时系统总用水量；Wsup(k,T) 为第T个时间段选择第k个方案时系统总供水量； 为总用水量和总供水量两者匹配调节值；Eq(k,T)为第T个时间段选择第k个方案时所对应的生态与

20、环境质量。可持续水资源管理优化数学模型：将效益最大化作为复合系统可持续发展的目标函数，可生存、可承载、可持续作为富恶化系统可持续发展的、约束条件，便可构造出可持续水资源管理的一般数学模型。3.2基于“发展综合指标测度（DD）”的量化方法，是采用模糊隶属定量描述方法和多准则集成技术。来量化水资源管理只能够的可承载能力、经济效益和可持续性以及它们的集成问题。3.2.1“可承载”程度的量化方法 可承载性通常是针对“资源”、“河道”客体而言。反映一个河道生态系统“可承载”程度的方面很多，指标也很多。3.2.1.1单个指标“可承载”程度度量 例如，某河道实际矿化度为C，界定系统可承载极限矿化度为C0。“

21、可承载”的概念表达为CC0；当C= C0时，认为处在可承载的临界状态；当C C0时，认为是不可承载的。C0的选择最终计算结果影响很大，可以用模糊数学中隶属度来定量描述。3.2.1.2系统“可承载”程度度量方法 整个系统可承载隶属度现描述如下：式中：n1为系统有n1个因子被考虑是否可承载；LI(T)为系统在T时段可承载隶属度； 为第因子的指数权重，可根据因子的重要程度给 赋值，也可以采用变权法计算得到。 （a） 把各指标的隶属度相乘，能反映个高指标对各个系统都有贡献，只有各个指标都满足可承载条件时才能满足可承载条件，如果有些不满足就会反映系统不满足或可承载度很低；（b）为了区分各个指标对系统的大

22、小不一，在单指标可承载隶属度上加入指数权重。根据重要程度给ai赋值。权重ai的范围是0ai1，且ai=1LI（T）值1 1-0.8 0.8-0.6 0.6-0类型完全可承载准可承载微可承载不可承载3.2.2“有效益”的量化方法“经济增长”指标EG(T) 取经济学指标（如，国民生产总值、工农业总产值、人均国民生产总值等）SP。设初始年SP值为基准值SP0。为了使数据无量纲化，可以进行初始化，令 。 隶属函数（也可以根据具体情况另选）来量化表示“经济增长”指标：式中： a 为待定系数。 发展综合指标测度DD(T)将“可承载”隶属度LI(T) 与EG(T) 结合起来 式中： 是分别给定“经济增长”E

23、G(T)、“可承载”LI(T)的一个指数权重。根据其重要程度，给 赋值。通常可取 。 DD(T)是系统在T时段“发展综合指标测度”，DD(T)0，1。待添加的隐藏文字内容2 可持续发展目标函数效益最大(BTI) 为消除时段个数不同带来的差异（且具有可比性），拟采用效益的平均值来衡量。 令BTI= ，称BTI为“目标函数值”。 “可持续发展”要求发展给人类带来尽可能大的经济效益，兼顾“可承载”准则，可以用目标函数值最大来衡量，即3.2.3“可持续”准则的量化及可持续发展态势的判定 可持续发展不仅要求满足“发展”（包括“可承载”、“有效益”准则），而且要求发展是“可持续”的（即发展是持续提高的）。

24、 对于发展综合指标测度DD(T)，“可持续”准则定义为： DD(T)DD(T-1)。令 ，如果T=1，约定 ）。按照“可持续”准则的定义，给出T时段相对T-1时段发展持续提高的隶属函数（也可以根据具体情况另选），如下式： 是整个系统在T时段相对T-1时段发展是否持续提高的一种度量，但它还不能判别全时段发展是否是良性的、满足可持续发展定义的发展。还要对发展态势进行判别。 定义全时段发展相对可持续性的隶属度（简称“态势隶属度”）为： SDDT 式中：N为整个时段个数（如N年）；N0为选定的常数（如5，10，N）。 依据实际资料，我们至少可以根据社会、经济、资源、环境画出“发展综合指标测度”DD(T

25、)曲线图。 根据该图就可以判定发展是不是可持续发展，发展的态势如何，以及研究区的发展水平，进而优选可持续发展途径。 图5-10是假设的3种发展过程DD(T)曲线。 图5-10 可持续发展判别曲线示意图 过程1是符合可持续发展定义的发展；过程2和过程3都是不可持续发展。另外，根据T时段的DD(T)值大小也可以判定该地区的发展水平。从图中可以看出，在T1时段之前，尽管过程3明显比过程1发展水平要高，但这仅仅是暂时的，从全时段来看，过程3是不可持续发展。 3.3可持续水资源管理优化模型及其求解方法。3.3.1模型一般表达式 3.3.1.1目标函数 可持续水资源管理师以可持续发展为目标，要求发展的目标

26、函数BTI最大。于是，有目标函数：Max(BTI)= 3.3.1.2约束条件（1）可承载条件方程式 LI（T）0.8；TT1（2）可持续条件方程式：SDDT0.8（3）水资源-生态系统结构关系约束条件：SubMod(Q.C.E)（4）社会经济系统结构关系约束条件：SubMod（SESD）（5）其他约束条件：针对具体情况，可能还需要增加一些其他约束，如水资源最大开采量、河道最低水位等。由于该模型T时段的以后过程受其以前的演变过程所影响，显然不符合运筹学中动态规划的重要性质无后效性，因此该模型不是一个动态规划模型，只能说成是一个多阶段优化模型。 另外，由于有水资源转化模型等子模型的嵌入以及隶属函数

27、的引入，该模型又是一个非线性优化模型。3.3.2模型求解方法3.3.2.1解析解技术 如果能根据优化模型直接解出最优解，那将是最有效的。例如，线性规划模型常采用解析法。对于一些简单的非线性优化模型，常采用假定、简化、取主舍次等方法，把其转化为一个可解的优化模型，然后求解。 由于可持续水资源管理优化模型一般是一个十分复杂的多阶段非线性优化模型，基本不可能得到解析解。因此，解析解技术一般不适合于求解可持续水资源管理优化模型。3.3.2.2数值解技术 对优化模型采用迭代方法求出它的最优解。 基本思路是：从一个选定的初始点出发，按照某一特定的迭代规则产生一个点列，使得此点列是又穷点列时，其最后一个点是

28、优化模型的最优解；当此点列是无穷点列时，它有极限点，且极限点就是优化模型的最优解。3.3.2.3计算机模拟技术 此模型是在生态河道水资源系统分析以及管理研究中应用最广的一种计算方法。它是通过计算机仿造系统的真实情况，针对不同系统方案多次计算（或实验），对照优化模型，可以回答“如果,则”。模拟技术不是一种最优化技术，但在求解如可持续生态河道水资源管理优化模型这样的复杂模型时非常有效。应用计算机模拟技术解决实际问题的主要内容与步骤有三个： 建立系统的计算机模型（或模拟程序）。 运用模型进行计算（或实验）。 分析模拟计算结果，并作出决策。 其中必须注意的关键问题有：建立可靠的模拟模型；确定输入，也就

29、是如何划分拟选方案；输出结果择优标准的确定 。4应用举例 （由于博斯腾湖是孔雀河的源头，所以也可以看做是量化方法应用于生态河道的一个例子。） 博斯腾湖位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州境内，是目前我国最大的内陆淡水湖泊。它既是开都河的尾闾，又是孔雀河的源头，兼有开都河来水的水资源调控、孔雀河流域农田灌溉、工业及城乡生活用水、流域生态环境保护和向塔里木河中下游紧急调水等多种功能。流入博斯腾湖的常年性河流只有开都河。开都河在宝浪苏木处又分为东、西两支，东支注入博斯腾湖大湖，西支注入博斯腾湖小湖。经过博斯腾湖的调节，从大湖出口西泵站、小湖出口达吾提闸汇入到孔雀河。如何协调该区工业、农业发展与生态

30、环境保护的关系？如何协调上游灌区（即开都河灌区）发展规模与下游灌区（即孔雀河灌区）发展规模的关系？首先，进行水文学、生态学基础研究、社会经济系统动态变化系统研究，得到全流域水量水质生态耦合系统模型和社会经济发展预测模型；其次，建立了博斯腾湖流域水资源优化配置模型，在此基础上，制定了该地区水资源规划。内容包括 经济结构调整； 节水灌溉措施以及农业灌溉效率确定； 博斯腾湖生态环境保护具体措施； 上、下游灌区发展规模及引水量大小确定； 确保博斯腾湖水质目标的水管理措施。 5.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：（1） 根据研究区的具体实际，制定水资源规划的依据、具体

31、任务、目标和指导思想。重点要体现可持续发展的思想；（2） 了解社会经济发展现状和发展趋势，建立社会经济主要指标的发展预测模型，对未来不同规划水平年的发展状况进行科学预测；（3） 分析研究区水资源量和可供水资源量，并建立水量模型，以作为研究的基础模型；（4） 综合社会经济系统和水资源与环境系统之间的联系，建立“水资源与社会经济生态环境耦合模型”。作为面向可持续发展的水资源优化配置模型的基础模型；（5） 研究可持续发展的量化方法，并建立面向可持续发展的水资源优化配置模型；（6） 通过优化模型的求解和优化方案的寻找，来制定水资源规划的具体内容。 参考文献1 左其亭，陈曦著，面向可持续发展的水资源规划与管理，中国水利水电出版社，2003。2 夏军，可持续水资源系统管理研究与展望，水科学进展，1997（12）。370-375。3 左其亭，吴泽宁，可持续水资源管理量化研究的关键问题，西北水资源与水工程，2002（3），1-4。4 左其亭，面向可持续发展的水利规划理论与实践，郑州大学学报。5夏军，黄国和，庞进武，左其婷，可持续水资源管理-理论方法应用，化学工业出版社，2005年7月。