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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 何传书 08环境工程二班,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
2、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。,可持续生态河道水资源管理新的准则（即量化准则）：,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。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）。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
3、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。,建立可持续生态河道水资源管理指标体系,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。可持续生态河道水资源管理指标应具备的功能：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。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。能反映出河道存在的水问题及其产生的根源。,建立可持续生态河道水资源管理指标体系的原则,（1）科学性原则：指标体系一定要建立在科学的
4、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。,指标
5、体系的筛选方法,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。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。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。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，选择出内涵丰富又相对独立的指标构成体系。主成分分析：首先计算各发展特征内部指标间的相关系
6、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。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。,可持续生态河道水资源管理指标体系的一般构成,社会经济指标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合组成，大致可以分为以下几部分：人口发展指标。即人口密度或人口总数，人口增长率趋
7、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。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。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。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。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
8、径比。,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。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。水资源质量指标。即水质等级水资源开发指标。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。水资源使用指标。即总用水量，农业用水比例，工业用水比例，生活用水比例。生态与环境指标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。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。河湖质量指标。即河湖水体矿化度，主
9、河长缩减率，湖泊面积缩减率，水库面积变化率。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。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，生态与环境缺水率。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。,挑选指标的一般要求：具有代表性，是反映该区的主要指标；简单易于量化、易于获得数据；覆盖面要广；具有一个可以对照比较的目标值或标准值；符合可持续水
10、资源管理指标选择原则。,优化技术与模拟技术简介 优化技术 线性规划模型目标函数和约束条件都是线性函数 求解线性规划模型的常用方法是单纯形法，即根据问题的目标，在由约束条件切割成的凸多面体各极点中，从一个极点转移到相邻极点，使目标函数值逐步增加（或减小），直到目标函数值达到最大（或最小）时为止。此时，极点所对应的决策变量值就是最优解。非线性规划模型目标函数或约束方程中有一个或多个非线性函数,如果非线性规划模型比较简单时，实际应用时常采用线性化技术，把非线性方程近似地用一系列线性函数表示，再用线性规划方法求解。常用的线性化技术有变量分割法、可分规划法等。如果非线性规划模型比较复杂，不能采用线性化技
11、术进行处理，就只能用非线性规划方法求解。求解的方法不外乎两类，一类是解析解；一类是数值解。计算机模拟技术 计算机模拟技术，是仿造真实物理系统的情况下，利用电子计算机模型（或模拟程序），模仿实际系统的各种活动，为制定正确决策提供依据的技术。,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，也就是如何划分拟选方案；输出结果择优标准的确定。,调查研究、提出问题、分析问题,量化分析,建立模型,确定输入,模拟计算,输出结果,最优方案选择,方案分析与模
12、型使用,模型评估,输出结果,结束,系统分析,修改模型,不满意,满意,优选技术,方案拟定,优化技术在水资源配置中的应用 水资源优化配置，就是针对水资源系统，利用优化技术方法，依据一定的目标（单一目标或多目标），在水资源系统的综合约束条件下，使水资源配置达到目标最优的过程。水资源优化配置的发展是与优化技术相联系的，也就是说，水资源优化配置仅仅是优化技术在水资源配置中的一种应用。为现经济社会发展、水资源利用、生态系统保护的协调发展和综合目标最大，应用优化技术来协调水资源系统各要素之间的关系，保证经济社会可持续发展。,水资源可持续利用理论*,水资源可持续利用理论概述 水资源可持续利用（Sustaina
13、ble Utilization Of Water Re-sources），是指保障生态系统完整性和支撑经济社会可持续发展的水资源开发利用方式。实现可持续发展是水资源可持续利用的目标。这一目标涉及到社会、经济发展和资源、环境保护等多个方面，以及它们之间的相互协调，同时，也涉及到国际间、地区间的广泛合作、全社会公众的参与等众多复杂问题。,可持续发展的量化准则 可承载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 有效益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，创造出经济效益、社会效益以及环境效益 可持续要考虑当代人，也要顾及到后代人。不仅要保
14、证现代的发展，而且要保证未来的发展，使发展处在不断增长的趋势,可持续发展的量化研究方法 1）基于“社会净福利函数”的量化方法Daniel P.Loucks于1997年提出 社会净福利函数，是对国民收入（GDP）的一种“绿化”，是从GDP中扣除恢复生态系统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。,其计算公式如下：式中：为第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；为第T个时段选择第k个方案时所对应的GDP；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。,可持续发展目标的量化方法：效益最大化用N时段内
15、“净福利”最大表示 式中：为第T个时段选择第k个方案时所对应的净福利；T 为从现在到未来的一个时段；T的取值为1,2,N；N为系统可有效预测的最大时段个数（如每5年为一个时段，30年预测期内N=6）；k为第T个时段的决策变量（方案）；r为第T个时段的贴现率。,可生存满足人类最低生活标准 式中：为第T个时段选择第k个方案时所对应的人均GDP；为当前人们满足最低生活标准所需的人均GDP；为第T个时段选择第k个方案时所对应的生活总需求资源量；为满足人们生理与生活所需的最小资源需求量；为第T个时段选择第k个方案时所对应的环境质量；为满足人们生活、生产及享乐需求的最低环境质量标准。,（对经济社会系统的要
16、求）,（对资源系统的要求）,（对生态系统的要求）,可承载资源、生态系统可承载（资源可承载）（生态系统可承载）式中：为资源总需求量；为最大可供资源量；为对应生态系统承载能力阈值的净福利。可持续经济社会系统表现为人均净福利不断增长；资源系统表现为系统资源总需求量和总可供资源量调配得当、相差不大；生态系统表现为环境质量逐步改善,（经济社会）（资源系统）（生态系统）式中：为第T个时段选择第k个方案时所对应的人口总数；为第T个时段选择第k个方案时系统资源总需求量；为第T个时段选择第k个方案时系统总可供资源量；为资源总需求量与总可供资源量两者匹配调节值；为第T个时段选择第k个方案时所对应的环境质量。,将“
17、效益最大化”作为可持续发展的目标函数，“可生存”、“可承载”、“可持续”作为可持续发展的约束条件，便可构造出可持续发展的一般数学模型。根据上述模型，能够十分清楚地将区域发展的轨线描绘出来，很容易判定系统是否处于可持续发展状态及其存在的问题。,净福利指标,有效益，但不可持续和生存,可持续、可生存，但效益不一定最大,可生存，但无效益、不可持续,T,图5-9几种典型“净福利指标”轨线图,2）基于“发展综合指标测度”的量化方法“可承载”程度的量化方法用模糊数学中的隶属度量化 假如反映“可承载”能力的因子有多个。现考察任一指标e，对应的隶属度(e)。(e)称作“单指标（或单因子）e可承载隶属度”，它是对
18、“可承载”程度的一种度量。为了无量纲化以及能使单因子间互相比较，采用下面的指标转换：对于单因子指标e，选定“可承载”限度e0，当e越大，可承载程度也越大时（如人均粮食产量），定义 当e越大，可承载程度越小时（如水体矿化度），定义,对于某单因子在T时刻指标，描述的可承载程度为（隶属函数可据具体情况选定）。多个因子组成的整个系统的可承载隶属程度描述如下：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。,“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
19、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：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”EG(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。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
20、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“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）。,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
21、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)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。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
22、暂时的，从全时段来看，过程3是不可持续发展。,图5-10 可持续发展判别曲线示意图,水资源可持续利用优化模型 用前面介绍的量化方法建立满足可持续发展的水资源管理模型。目标函数 要求“发展”的目标函数BTI值达最大。也就是在某一特定的时段，在满足一定条件下，使N个时段的总效益达到最大（即目标函数值BTI最大）。即(BTI)=约束条件,可承载系统可承载程度达到某一最低水平（设LI0）LI(T)LI0 有时在T=1时段以前，由于一些原因，使得可承载能力较低或丧失严重。针对具体情况，应规划到某一时刻T1要求其达到该条件，则 LI(T)LI0，TT1 可持续态势隶属度超过某一最低水平（设SDDT0）SD
23、DTSDDT0 其他约束 将目标函数和约束条件组合在一起就构成了水资源可持续利用优化模型。,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的引入，该模型又是一个非线性优化模型。故上述所建立的水资源可持续利用优化模型是一个十分复杂的多阶段非线性优化模型，可以采用计算机模拟技术来优选得到水资源管理方案。,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
24、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
25、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。,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。,谢 谢,
