褚桂紅

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

隨著氣候變化和人類活動(dòng)的影響，特別是大規(guī)模地下水抽取和跨流域調(diào)水工程的實(shí)施，區(qū)域地表水和地下水的交互作用也越來越頻繁，已經(jīng)到了需要把兩者作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行研究的階段。而系統(tǒng)工程理論和最優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展也為地表水地下水聯(lián)合調(diào)度模型的建立和優(yōu)化提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái)。同時(shí)，開展地表水地下水聯(lián)合調(diào)度研究對(duì)合理評(píng)價(jià)地表水地下水資源、支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境起著非常重要的作用。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度的研究已有幾十年的歷史。在此期間，各種優(yōu)化方法得到了迅速發(fā)展，相應(yīng)的地表水地下水聯(lián)合調(diào)度模型也得到了前所未有的發(fā)展。

1.1 線性規(guī)劃與非線性規(guī)劃模型

線性規(guī)劃方法于1939年提出，是在水資源領(lǐng)域中應(yīng)用最早且最廣泛的一種規(guī)劃技術(shù)，被認(rèn)為是當(dāng)代科學(xué)最重要的進(jìn)步之一。

1961年，由Castle等首次把線性規(guī)劃引入水資源聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，建立了用線性規(guī)劃模型來優(yōu)化地表水地下水的聯(lián)合運(yùn)用；之后，Becker等為解決美國(guó)加州中央河谷水電站群的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度提出了線性—?jiǎng)討B(tài)規(guī)劃算法，該模型主要針對(duì)梯級(jí)發(fā)電庫群實(shí)時(shí)調(diào)度問題，對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)并不適用，且在理論上還不夠嚴(yán)密。2002年，Azaiez[1]研究線性約束條件下地表水與地下水聯(lián)合運(yùn)用的凸規(guī)劃問題，并對(duì)各個(gè)影響因子的敏感性進(jìn)行分析。

1.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型

動(dòng)態(tài)規(guī)劃是采用多階段決策過程，可把一個(gè)包含多變量的問題分解成一系列各自只包含一個(gè)變量的問題，目前在水電站庫群系統(tǒng)中用的較多。

1961年，Buras等首次將動(dòng)態(tài)規(guī)劃引入到地表水和地下水的聯(lián)合運(yùn)用系統(tǒng)，建立了一個(gè)地表水和地下水聯(lián)合運(yùn)用模型，并在此基礎(chǔ)上建立了以地表水來水為獨(dú)立隨機(jī)變量的動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型；隨后，Ozden提出二元?jiǎng)討B(tài)規(guī)劃算法，用來解決水庫優(yōu)化調(diào)度問題，該方法的顯著特點(diǎn)在于構(gòu)造狀態(tài)子空間的一些特殊規(guī)則，是解決動(dòng)態(tài)規(guī)劃“維數(shù)災(zāi)”問題的一種有效方法；2007年，有學(xué)者深入研究了印尼在聯(lián)合運(yùn)用地表水地下水方面的一種可優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)工程模式。

1.3 模擬技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，模擬技術(shù)已經(jīng)成為系統(tǒng)工程學(xué)的又一重要方法。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，不受模型比尺取值的限制，也無需尋求物理量的相似關(guān)系，可以針對(duì)復(fù)雜灌溉渠系建立比較真實(shí)的數(shù)學(xué)模型。模擬方法不給出最優(yōu)解，但提供大量的信息，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的使用者不難據(jù)此做出科學(xué)合理的決策并組織實(shí)施。數(shù)值模擬法包括確定性的數(shù)值模擬模型、最優(yōu)化管理模型和隨機(jī)模型。

60年代初，美國(guó)哈佛大學(xué)水規(guī)劃小組首先用數(shù)學(xué)模擬方法解決地表水與地下水的聯(lián)合運(yùn)用問題；1975年，Morel-Seytoux[2]引人離散積分核函數(shù)及其卷積形式，模擬河流、含水層系統(tǒng)對(duì)決策變量的響應(yīng)，并在SouthPlatte地區(qū)應(yīng)用了這種方法；2004年Syaukat等[3]建立了地表水與地下水管理的數(shù)值模型，并將1999—2025年用水戶產(chǎn)生的社會(huì)效益最大化作為約束條件在不同水平年的求解該模型；2006年，Asaf Sarwar等[4]運(yùn)用一個(gè)發(fā)展的聯(lián)合模式去評(píng)估可選擇的地表水地下水資源管理方式，利用水平衡方法估計(jì)含水層的凈補(bǔ)給量，采用FEFLOW模型進(jìn)行輸入水量平衡的計(jì)算和模擬在多邊界條件下的地下水，并利用該模式預(yù)測(cè)了地下水在灌溉和農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。

1.4 大系統(tǒng)優(yōu)化理論

20世紀(jì)70年代起，大系統(tǒng)理論得到迅猛發(fā)展。大系統(tǒng)具有高維性、不確定性、規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、因素眾多等特征，分解協(xié)調(diào)方法幾乎貫穿于大系統(tǒng)理論的所有方面。水資源系統(tǒng)是復(fù)雜的大規(guī)模系統(tǒng)，隨著近代控制理論與大系統(tǒng)理論的發(fā)展，這一方法才廣泛應(yīng)用于地表水地下水聯(lián)合運(yùn)用問題中。

1974年，Yu等提出了聯(lián)合管理的分解協(xié)調(diào)方法，將大系統(tǒng)理論引入這一領(lǐng)域；1992年，Matsukawa[5]等分析了概化試驗(yàn)區(qū)農(nóng)業(yè)水資源現(xiàn)狀，采用大系統(tǒng)分析協(xié)調(diào)算法，建立試驗(yàn)區(qū)地表水地下水聯(lián)合調(diào)度大系統(tǒng)遞階管理模型，并針對(duì)各子系統(tǒng)的特點(diǎn),建立相應(yīng)的優(yōu)化管理模型；2004年，Cosgrove等[6]為了灌區(qū)水資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的可持續(xù)利用，利用大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)、線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方法建立灌區(qū)地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度模型。

1.5 隨機(jī)優(yōu)化技術(shù)

1974年，Thomas提出一種隨機(jī)用水需求下的河流含水層系統(tǒng)的運(yùn)行管理問題；1989年，Hantush[7]建立了考慮參數(shù)不確定性的機(jī)遇約束模型，以描述系統(tǒng)及其輸入的不確定性；1995年，Pera等建立了地表水和地下水模擬優(yōu)化（S/O）模型，優(yōu)化方法采用連續(xù)靜態(tài)優(yōu)化方法。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2.1 線性規(guī)劃與非線性規(guī)劃方法

1983年，李壽聲等采用美國(guó)哈佛大學(xué)史密斯教授灌溉模型，并根據(jù)我國(guó)灌區(qū)實(shí)際情況，對(duì)該模型作了修正，擬定了地表水和地下水資源聯(lián)合運(yùn)用的線性規(guī)劃模型；1993年，郭元裕[8]等對(duì)湖南白沙灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行研究，聯(lián)合調(diào)度的目的是擴(kuò)大灌溉面積，并通過優(yōu)化調(diào)度確定擴(kuò)大供水范圍的方案；2009年，饒碧玉[9]等采用線性規(guī)劃對(duì)哈尼梯田灌區(qū)水資源配置進(jìn)行了研究。

2.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法

動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法是最優(yōu)化技術(shù)中適用范圍最廣的基本數(shù)學(xué)方法之一，可用于分析系統(tǒng)多階段決策過程，以求得整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)決策方案。對(duì)地表水地下水聯(lián)合調(diào)度問題而言，由于水庫問題具有時(shí)間上的季節(jié)性、周期性及多階段的特點(diǎn)，故可采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。

在國(guó)內(nèi)，1980年，張勇傳[10]建立了水電站水庫有時(shí)段徑流預(yù)報(bào)的無折扣模型，并以湖南拓溪水電站為實(shí)例進(jìn)行了分析；2000年，徐慧[11]等為使大型水庫群在大范圍暴雨洪水期間綜合效益達(dá)到最優(yōu)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型求解淮河流域大型水庫群的水量聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題；2009年，王金龍[12]采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃對(duì)西南岔水庫灌區(qū)水資源進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)度，得到了各水文年各時(shí)段水庫庫容及各階段供水量成果。

2.3 模擬技術(shù)

1991年初，我國(guó)首次研制出了適合我國(guó)水資源規(guī)劃特點(diǎn)的水資源系統(tǒng)通用模擬模型，稱HBSIM模型，該模型借鑒了國(guó)外一些同類模型的設(shè)計(jì)方法，在模型的通用性及模擬功能的實(shí)用性方面做了一些研究；1992年，馬文正[13]等建立了湖南白沙灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度的模擬模型，與線性規(guī)劃模型相比，該模型在以下三個(gè)方面提高了精度：一是水力運(yùn)動(dòng)和作物生產(chǎn)函數(shù)以及費(fèi)用函數(shù)的數(shù)學(xué)模型都選用更準(zhǔn)確的模式；二是將子區(qū)分得更小更合理；三是計(jì)算時(shí)段劃分更合理，計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確；2006年，周維博[14]等根據(jù)灌區(qū)多年降雨量、渠灌用水量、井灌用水量資料及渠井灌溉用水量的比值，利用多元非線性相關(guān)分析法建立灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的模擬模型，為灌區(qū)地下水合理開采和灌溉水資源優(yōu)化配置提供依據(jù)；2008年，胡立堂[15]基于水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)建立了地表水和地下水集成模型，分析了模型集成中的尺度耦合、轉(zhuǎn)化量計(jì)算和移動(dòng)自由液面法等關(guān)鍵技術(shù)問題；

2.4 多目標(biāo)優(yōu)化與大系統(tǒng)優(yōu)化模型

多目標(biāo)分析方法的解是一組非劣解，決策過程還需要考慮決策者偏好要求。求解技術(shù)可以分為：生成技術(shù)、結(jié)合偏好的決策評(píng)價(jià)技術(shù)和交互式?jīng)Q策技術(shù)。

1988年，賀北方[16]在河南豫西地區(qū)建立了區(qū)域可供水資源年優(yōu)化分配的大系統(tǒng)逐級(jí)優(yōu)化模型；1995年由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院主編的《水資源大系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃與優(yōu)化調(diào)度經(jīng)驗(yàn)匯編》，系統(tǒng)地介紹了我國(guó)20世紀(jì)八十至九十年代初在水資源大系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃和優(yōu)化調(diào)度方面的新理論、新技術(shù)和新方法。1999年，黃強(qiáng)[17]等建立了多水源聯(lián)合調(diào)度的多目標(biāo)優(yōu)化模型，得出多目標(biāo)模型求解思路和方法；2008年，陳曉楠[18]等針對(duì)灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型存在等式約束的特點(diǎn)，在分析粒子群算法尋優(yōu)策略的基礎(chǔ)上，建立了基于粒子群的大系統(tǒng)優(yōu)化模型；2009年，余美[19]等對(duì)寧夏銀北灌區(qū)建立了地表水地下水聯(lián)合運(yùn)用的大系統(tǒng)遞階優(yōu)化模型。

2.5 其他方法

近幾年來，包括遺傳算法、混沌理論、對(duì)策論、存貯論等方法在地表水地下水聯(lián)合運(yùn)用系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。如在研究城市河網(wǎng)時(shí)，針對(duì)城市河網(wǎng)缺乏足夠的實(shí)測(cè)資料及河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型模擬速度慢的特點(diǎn)，提出將河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型與遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法結(jié)合，建立河網(wǎng)智能模型。

3 存在問題

上述方法在地表水地下水聯(lián)合調(diào)度的研究與應(yīng)用中已取得了許多有價(jià)值的成果，但隨著研究問題的不斷深入，常規(guī)數(shù)學(xué)方法的局限性也越來越明顯，總的來講，還需在以下方面展開深入研究：

第一，盡管聯(lián)合運(yùn)用中考慮的因素越來越多，對(duì)聯(lián)合運(yùn)用系統(tǒng)的物理模型及經(jīng)濟(jì)模型刻畫得越來越精細(xì)，但所建立的模型仍與實(shí)際系統(tǒng)的特性有一定的差距。這主要是由于簡(jiǎn)化后的模型未能充分反映聯(lián)合系統(tǒng)所處的環(huán)境，而如何將地表地下水聯(lián)合調(diào)度的理論成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去，是研究人員面臨的主要課題。

第二，由于地表水地下水聯(lián)合調(diào)度涉及河流來水、降水、地下水等眾多因素，這些因素互相影響、互相制約形成了復(fù)雜的水資源系統(tǒng)，但目前隨機(jī)規(guī)劃只能處理系統(tǒng)輸入等極為有限的隨機(jī)因素，而如何更有效地處理復(fù)雜的多因素系統(tǒng)還需進(jìn)一步研究。

第三，地表水地下水聯(lián)合調(diào)度是一個(gè)大系統(tǒng)多目標(biāo)問題，在優(yōu)化配置過程中不僅關(guān)系到部門之間的優(yōu)化配置，而且還關(guān)系到空間和時(shí)間的優(yōu)化配置，如何使三者相輔相成，在模型的建立上體現(xiàn)出來，也有待研究。

4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工智能、決策支持系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在地表水地下水聯(lián)合調(diào)度模型中應(yīng)用愈來愈廣泛,特別是隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展，為聯(lián)合調(diào)度模型的研究開辟了新的空間。

總之，未來地表水地下水聯(lián)合調(diào)度模型的研究仍將在機(jī)理、應(yīng)用，特別是理論與實(shí)踐的結(jié)合上不斷深入，從不同層面揭示地表水地下水聯(lián)合調(diào)度的作用規(guī)律，綜合水循環(huán)各組成部分的復(fù)雜系統(tǒng)模型將是地表水地下水聯(lián)合調(diào)度研究發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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