楊 蘭，謝 芳2*，白 夏，汪艷芳

(1.蚌埠學院 機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠 233030；2.專利審查協(xié)作河南中心 國家知識產權局專利局，河南 鄭州 450000)

水是人類社會生存、發(fā)展密切相關的物質資源，也是基礎性的自然資源和經濟性的戰(zhàn)略資源[1]。隨著社會的發(fā)展，水安全問題日益成為制約社會經濟發(fā)展的瓶頸，水資源問題引起了世界各國的共同關注[2-4]。中國水資源地域分布差異大，氣候變化和人類活動劇烈地改變了水資源時空格局，導致區(qū)域用水關系發(fā)生顯著變化，水資源安全問題日益凸顯[3，5]。為緩解當前日益突出的水資源安全問題，貫徹“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的方針治水，實施基于“三條紅線”控制目標的最嚴格水資源管理制度，對水資源進行嚴格控制，以實現(xiàn)對有限水資源最大程度的“開源節(jié)流”[6]。此外，由于水資源系統(tǒng)的復雜性，水資源開發(fā)利用必須突破傳統(tǒng)的理論框架、引進先進的多學科交叉研究方法、建立科學的水資源優(yōu)化配置理論和調控體系，解決水資源的分配問題，為水資源的高效可持續(xù)利用提供理論基礎和決策支持[7，8]。為此，本文在基于上述認識的基礎上，首先對當前流域復雜水資源系統(tǒng)調控研究的歷程和現(xiàn)狀進行了深入歸納與梳理，進一步明晰了當前流域水資源系統(tǒng)調控研究的難點和關鍵科學問題，最終基于控制論、界殼論、耗散結構理論及協(xié)同學理論的多種方法集成交叉研究途徑，對流域復雜水資源智能調控理論的研究思路和內容進行了初步剖析和概述，為制定和實施流域水資源開發(fā)利用方案提供了科學合理的理論指導依據(jù)。

1 流域復雜水資源系統(tǒng)調控的科學內涵

水資源影響地方經濟社會發(fā)展的重要因素，也是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)良性循環(huán)的控制性要素[9]，結合流域實際水循環(huán)特征及演變機理，提出水資源開發(fā)與利用的調節(jié)和控制措施，確保水資源系統(tǒng)能協(xié)調穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展，是解決當前區(qū)域水資源安全問題的主要途徑[10]。自20世紀60年代開始，中國就出現(xiàn)水庫優(yōu)化調度的流域水資源分配問題研究，在流域水資源合理分配、調度、配置、控制等方面提出和建立了一系列的理論模型。水資源配置指在特定流域或區(qū)域范圍內，通過各種工程與非工程措施，按照資源配置準則，對各種可利用的水資源在用水部門和區(qū)域之間進行的調配[11-13]。水資源調度或調配，是指為滿足人類社會與自然環(huán)境對水資源的需求，采用工程和非工程措施，對不同區(qū)域的水資源進行調節(jié)的一種實踐過程，旨在提高水資源利用效率與效益[14，15]。水資源系統(tǒng)是非結構化的非平衡體，水資源調控是一類由人類參與的復雜系統(tǒng)動態(tài)控制過程，人為因素會對系統(tǒng)的運行及演化方向起決定性作用[10]。在基于上述認識基礎上，提出流域復雜水資源系統(tǒng)調控是指，以變化環(huán)境下的流域水循環(huán)系統(tǒng)演變規(guī)律及特征為基礎，從流域復雜水資源系統(tǒng)全局角度出發(fā)，通過全方位、多角度、多層次地對流域水循環(huán)系統(tǒng)中的降雨、徑流、調蓄及供給等過程中的一系列可控因子進行合理的優(yōu)化、調節(jié)和控制，從而改善國民經濟生活、生產、生態(tài)用水關系[16]。流域復雜水資源系統(tǒng)調控的總體目標，就是要充分發(fā)揮水資源的社會、經濟及生態(tài)環(huán)境效益與效率，實現(xiàn)水資源系統(tǒng)向有序化方向演進，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

2 流域復雜水資源系統(tǒng)調控研究進展

中國的流域水資源綜合調控研究起步晚、發(fā)展快，起初水資源調控以水利工程興利調度為主、較少從流域水資源綜合利用角度考慮。2000年以后，我國的水資源調控更加重視河流自身的生態(tài)環(huán)境維護與協(xié)調，統(tǒng)籌兼顧、逐步開展了黃河流域的全河水量調度、頒發(fā)實施了我國第一個流域性的水量調度法規(guī)—《黃河水量調度條例》，建立了黃河流域水資源演變的多維臨界調控模式，在調度原則、調度方法、調度技術等方面日趨成熟。

2.1 基于水利工程控制單元的水資源調控理論研究

水庫優(yōu)化調度是流域水資源調控初期研究的有效措施和工具，大系統(tǒng)分解協(xié)調理論、模糊數(shù)學規(guī)劃理論和動態(tài)規(guī)劃技術，是開展水庫優(yōu)化調度實踐研究的主要理論工具[17]。2003年，鐘平安等[18]分析了實施水庫群聯(lián)合調度的基本條件和影響水庫群防洪實時調度的主要因素，提出了并聯(lián)水庫群防洪聯(lián)合調度庫容分配模型；2008年，胡和平等[19]以水電站年發(fā)電量最大為優(yōu)化目標，以生態(tài)方案為約束，提出了基于生態(tài)流量過程線的水庫優(yōu)化調度模型；2010年，康玲等[20]針對河流生態(tài)需水量和模擬生態(tài)洪水，提出了水庫生態(tài)調度模型并在丹江口水庫上進行了應用研究；2014年，李文莉等[21]提出一種云變異人工蜂群算法，為梯級水庫群的優(yōu)化調度提出了一種新的思路；2016年，紀昌明等[22]提出了基于泛函分析思想的動態(tài)規(guī)劃算法，并用于水庫調度的研究；2018年，李榮波等[23]根據(jù)混沌技術，提出了改進的蛙跳算法用于水庫優(yōu)化調度。這些研究成果的不斷發(fā)展和完善，使得水利工程的運行管理中水資源經濟效益最大化思想的應用。

2.2 基于二元水循環(huán)模式的流域復雜水資源系統(tǒng)調控研究

流域水資源系統(tǒng)是由水資源子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和社會經濟子系統(tǒng)共同作用構成，基于水利工程控制單元的流域水資源調控模式過分強調水資源經濟效益的發(fā)揮，忽略了水資源開發(fā)利用對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的不利影響?；诙h(huán)模式的流域復雜水資源系統(tǒng)調控研究采用復雜系統(tǒng)優(yōu)化理論，旨在協(xié)調不同子系統(tǒng)之間的用水效率及效益[17]。根據(jù)復雜大系統(tǒng)協(xié)調性理論，通過分析各子系統(tǒng)兩兩之間的相互作用關系，從全局視角構建流域水資源復雜系統(tǒng)協(xié)調性評價指標體系，并針對不同子系統(tǒng)特征和相關關系提出相應的協(xié)調性調控措施，是當前基于流域全屬性功能的水資源調控研究的基本思路。此外，2005年，彭少明，黃強等[24，25]將系統(tǒng)臨界控制論、協(xié)同論、耗散結構理論引入流域復雜水資源系統(tǒng)調控理論研究，建立了黃河流域水資源多維臨界調控仿真模型，提出了水資源多維臨界調控的理論方法體系與實踐技術體系；同時，李勛貴等針對黃河流域水資源多維臨界調控產生的風險問題，采用泛系觀控理論與信息熵集成的研究途徑，分析研究了黃河流域水資源多維臨界調控的風險(R)與比較收益(GBC)，為流域水資源多維臨界調控風險分析提供了新的研究手段，對系統(tǒng)周界數(shù)學問題的最終解決也提供了有益的參考與借鑒；朱潔等[26]人對系統(tǒng)動力學方法在水資源系統(tǒng)中的研究進行了總結；楊明杰等[27]采用多維臨界調控模型對新疆瑪納斯河流域水資源系統(tǒng)進行了調控。

2.3 基于“三條紅線”最嚴格水資源管理制度的流域復雜水資源系統(tǒng)調控研究

針對當前水資源開發(fā)利用的負外部性和內部低效性所導致的經濟社會缺水、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化、地下水超采、用水浪費且整體效率不高等一系列突出問題，中國政府于2011年頒布實施了《中共中央國務院關于加快水利改革發(fā)展的決定》的水資源開發(fā)戰(zhàn)略[28]。制定實施的最嚴格水資源管理制度核心是按照“三條紅線”進行水資源嚴格管理，這對流域水資源調控提出了更高的要求，既要保障水資源經濟發(fā)展目標、社會目標和生態(tài)目標，更要確保水資源的供給、利用和排污在流域可承載范圍之內[29]。可見，流域水資源調控管理研究是一個逐漸發(fā)展、不斷深入的過程，基于“三條紅線”最嚴格水資源管理制度的流域水資源調控模式是對基于單一水利工程和二元水循環(huán)的水資源調控模式的進一步拓展和細化。2011年，王宗志等[30]建立了以初始水權為允許取水量總量控制目標、水量分配仿真模型與納污能力計算模型相耦合的流域允許取水量與允許排污量統(tǒng)一分配模型，從供水管理視角提出了包括“初始分配”、“優(yōu)化調控”和“實時調控”三項內容的流域水資源調控理論框架。2014年，左其亭等人[31]提出了基于人水和諧理念的最嚴格水資源管理制度的框架體系，為完善和落實最嚴格水資源管理制圖提供了有力的支撐。

3 流域復雜水資源系統(tǒng)調控面臨挑戰(zhàn)和未來展望

綜上作述，流域水資源系統(tǒng)調控研究的面臨的關鍵科學問題有：

(1)自然水循環(huán)和人工側支水循環(huán)耦合影響下的流域復雜水資源社會、經濟、生態(tài)及環(huán)境系統(tǒng)演變特征分析與趨勢研究。流域水循環(huán)過程由自然水循環(huán)和人工側支水循環(huán)耦合而成，忽略人工作用力對水循環(huán)演變過程的影響會造成水循環(huán)演變規(guī)律認識上的錯誤[14,15]。所以應該從水循環(huán)驅動因素、結構參數(shù)、服務功能的二元化等方面入手，加強兩種循環(huán)的耦合模擬研究。并在此基礎上，進一步深入剖析水資源社會、經濟、生態(tài)及環(huán)境子系統(tǒng)之間的作用機理與演變特征，選用能夠綜合反映系統(tǒng)運行綜合狀況的參量(如系統(tǒng)有序度熵)表證水資源系統(tǒng)的有序化演進方向，進而建立不同調控方案下的流域復雜水資源系統(tǒng)演化方向識別及預測模型，可為流域水資源系統(tǒng)調控的方案制定與政策實施提供理論和技術支撐。

(2)符合流域實際水循環(huán)演變特征與河流水文情勢特征的“資源—經濟—生態(tài)”耦合復雜水資源系統(tǒng)綜合調控模型建立及不確定性分析。流域水資源系統(tǒng)是一個涉及社會、經濟、政策、資源、人口、環(huán)境等多個子系統(tǒng)的復雜大系統(tǒng)，由于自然過程的隨機性、區(qū)域信息的不完整性、人類認識的局限性和水利工程的脆弱性，流域水資源調控是一項蘊含豐富不確定性和風險性的系統(tǒng)工程。同時，由于氣候變化和人類活動的交叉影響，河流水文情勢和水資源開發(fā)利用條件發(fā)生了深刻變化，進一步加劇了流域水資源系統(tǒng)調控研究的不確定性。隨著水資源問題研究范圍的不斷擴大和深入，跨學科和學科交叉的方法在水資源調控研究領域采用更多[15]，建立綜合反映系統(tǒng)多目標、多階段、多層次、多維風險及不確定性耦合特征的流域水資源綜合調控模型，在統(tǒng)一框架下定量計算不同水資源調控策略導致的綜合后效，是實施水資源綜合調控戰(zhàn)略的關鍵。

(3)“三條紅線”最嚴格水資源管理制度約束下的流域高維、多目標、非線性復雜水資源系統(tǒng)綜合調控模型求解方法研究。流域復雜水資源系統(tǒng)綜合調控問題，實質上是以系統(tǒng)運行和諧度最大為目標函數(shù)、不同子系統(tǒng)可控因子為優(yōu)化變量、不同子系統(tǒng)自然狀態(tài)為約束條件的一類復雜非線性系統(tǒng)優(yōu)化問題，也是以不同調控方案為評價對象的一類特殊的系統(tǒng)評價問題，水資源系統(tǒng)決策調控過程需要處理物理、事理和人理方面的許多不確定性問題。高維、多目標、非線性優(yōu)化問題求解一直是流域復雜水資源系統(tǒng)調控與決策研究的重點和難點，“三條紅線”最嚴格水資源管理制度更是從水質與水量的雙重角度，對水資源的供給、利用和排污環(huán)節(jié)進行了嚴格約束，進一步加劇了水資源綜合調控模型求解的復雜程度。為此，從復雜系統(tǒng)的運行、轉化及協(xié)調機制出發(fā)，尋求一種求解復雜系統(tǒng)多目標、多階段、多層次優(yōu)化問題的高效算法，是實施流域水資源綜合調控戰(zhàn)略的根本保障。

(4)不同時空尺度下的流域水資源配置、調度及調控成果銜接以及適應性調控方案的制定與實施。流域復雜水資源調控是對水資源配置和調度成果的綜合集成，在配置層面，需要分析水資源供需平衡在不同情況下不同規(guī)劃水平年的結果，提出適宜的水資源開發(fā)利用策略；在調度層面，依據(jù)配置方案，權衡供需相互適應的靈活性和規(guī)劃配置方案的原則性；在調控層面，重在鑒于系統(tǒng)當前運行狀況，更多考慮人的主觀控制因素，強調人為對系統(tǒng)運行的實時控制和反饋?？梢姡Y源規(guī)劃配置、運行調度與實時調控的耦合環(huán)節(jié)存在復雜的尺度轉換問題，如何對不同時空尺度(或步長)下的處于動態(tài)變化與變異狀態(tài)的多種水資源供需參數(shù)及相應過程進行有效的尺度轉換與對接、建立符合流域實際水情特征的適應性水資源調控策略、建立一體化的水資源綜合調控框架體系，是實施流域水資源綜合調控戰(zhàn)略的最終落腳點。

4 小結

水少、水多和水臟已成為目前流域復雜水資源系統(tǒng)調控面臨的三個主要問題，隨著社會經濟的不斷發(fā)展，流域各部門、各行業(yè)之間的用水矛盾日益突出，如何在河流水文情勢日益惡化的情況下，對流域水資源系統(tǒng)運行調度過程進行優(yōu)化調控、以實現(xiàn)流域水資源合理配置和高效利用、從而保障區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展，已成為流域水資源行政主管部門亟待解決的一個首要問題。流域水資源調控以水資源宏觀配置方案為總控條件，結合流域不同時段來水信息和不同用戶用水需求，對水資源的分配、利用及排污等過程進行優(yōu)化控制，并在控制過程中根據(jù)收集的各種實時水情信息和工程信息，對既定的水量分配方案進行反饋滾動修正，以糾正歷史調度操作的偏差和累計誤差，從而達到流域水資源系統(tǒng)最優(yōu)調控。在當前“三條紅線”最嚴格水資源管理制度的原則指導下，如何建立不同“紅線”監(jiān)測、評價和控制的指標體系、闡明受“自然—人工”二元水循環(huán)模式影響的流域復雜水資源系統(tǒng)演變特征和規(guī)律、建立滿足流域用水總量控制和排污總量控制目標的復雜水資源系統(tǒng)協(xié)同演進模型、從而保障區(qū)域資源、社會、經濟、糧食、人口及環(huán)境子系統(tǒng)的和諧發(fā)展，是制約和影響“三條紅線”最嚴格水資源管理制度能否落到實處、從根本上解決我國水資源管理嚴峻形勢的關鍵科學問題。

論文以上述內容為研究背景，在系統(tǒng)總結流域水資源配置、調度、調配及調控之間相關關系的基礎上，從科學性、全面性和系統(tǒng)性的角度出發(fā)，闡述了流域復雜水資源系統(tǒng)調控的內涵，回顧了國內水資源調控管理研究走過的五十多年的發(fā)展歷程，明晰了不同階段采用的主要技術措施及取得的主要研究成果；其次，采用信息技術、系統(tǒng)科學、計算智能、管理科學與水利科學等多種方法綜合集成的研究手段，論述了當前流域復雜水資源系統(tǒng)綜合調控研究面臨的關鍵科學問題，并對流域復雜水資源系統(tǒng)智能調控理論的方法和框架進行初步的探討。論文成果進一步明晰了流域復雜水資源系統(tǒng)調控與管理工作當前的研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，也進一步深入、豐富和發(fā)展了流域復雜水資源管理研究的理論與實踐體系。