第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

当前人们正面临着许多复杂问题，如全球可持续发展、生态环境问题以及社会经济问题等。处理和解决这类问题往往是一个复杂的系统工程，必须将研究对象以及与之相关的事物视为一整体即系统来考虑。与以往的工程系统明显不同的是，大量活的、有生命的物体如人、动物作为这类系统中的一部分（子系统），尤其是人类的能动性使这类系统变得更加复杂。毫无疑问，时下正困扰和制约人类生存和发展的水问题就属于这类问题。

众所周知，水是生命之源，是自然环境和生态系统不可替代的要素，又是经济增长和社会发展的战略资源，同时也是实现可持续发展的重要物质保证。随着社会经济的飞速发展以及人口的急剧增长，对水资源的需求不断增加，随之而来的水资源匮乏、水环境恶化、水土流失加剧、洪涝灾害频繁也越来越严重地困扰着人们的生存和发展。当前，水资源问题已经成为全球性的问题，水资源正面临着空前危机。早在1972年联合国就发出警告：“水，将导致严重的社会危机”，并把1981—1990年作为“国际饮水供给和卫生”10年^［1，2］。1977年2月联合国又公开向全世界宣言：水危机不久就会成为继石油危机后另一个极其严重的社会危机。因此，在2002年约翰内斯堡可持续发展世界首脑会议里，水问题也被列为全球可持续发展的五大问题之首^［3］。

在全世界致力于应对水问题的21世纪，我国作为经济高速发展的人口大国，面临着更为紧迫的压力。全国多年平均水资源总量为2.8×10¹²m³，地表径流总量为2.7×10¹²m³。从总量上看，我国水资源总量相对比较丰富，但由于我国国土辽阔、人口众多，人均、亩均水资源占有量都很低。全国人均占有河川径流量约为2258m³，仅为世界人均占有量的1/4；亩均占有径流量1800m³，约为世界平均水平的3/4^［4］。因此，总体来说，我国是一个严重缺水的国家。尤其是近20多年来，我国经济高速发展，使人口增长、经济发展与水资源短缺的矛盾进一步加剧。一方面，为了获取足够的水资源以支撑自身发展，人类过度开发水资源，从而挤占了维系生态系统正常运转的水资源量。一些内陆地区为了缓解目前的水资源短缺，超采地下水，引起地面沉降，植被破坏，造成沙漠化，使生态环境遭到破坏；而沿海地区，因长期超采地下水，造成海水倒灌，引起地下水污染，土地盐碱化严重。另一方面，随着社会经济的迅速发展，工业和城市污水排放量增长很快，而相应的污水处理设备和措施往往跟不上，从而造成对水资源的严重污染，导致有水不能用。这样由于人类对水资源的不合理开发利用，不仅引起了生态环境的恶化，而且也进一步缩小了水资源的可利用量，使本来就紧缺的水资源更加紧缺。

面对如此复杂而严峻的水问题，如何解决水资源的最佳开发、治理、保护、利用，使其在促进生态环境与社会经济协调良性发展中发挥最大的经济效益，已经变得非常重要和迫切。许多学者从自己学科的角度进行了大量研究，提出了一些解决水问题的建议和措施。不可否认，其中也取得了一定的成绩，然而，“头痛医头，脚痛医脚”的做法，使其收效不佳，远没有达到预期的效果。随着社会经济的发展以及人类知识水平的提高，人们认识到水资源与社会经济、生态环境之间存在着相互联系、相互制约、相互促进的复杂关系，无论哪方出现变动，都会引起其他要素的变化，即“牵一发而动全身”。因此，解决上述水问题不能单纯地以水论水，仅仅考虑水本身的问题，同时也要考虑由水引起的生态环境、社会经济等问题，也就是必须将水资源以及与之相关的事物视为一整体即以水资源系统来考虑^［4-7］。

从系统论的观点来看，水资源系统是以水为主导的各种要素相互作用、相互联系、相互影响构成的具有一定结构与功能的有机整体，它是一个高度非线性、开放性系统^［6-8］。水资源系统及其子系统又有许多层次结构和要素，它们之间的关联关系很复杂，且时空演化过程有极大的易变性和复杂性；同时水资源子系统与社会、经济以及生态子系统之间，水资源系统与周围环境之间又无时无刻不在进行着物质、能量和信息交流，从而使整个系统表现出耗散性、自组织性、非线性、非平衡性等复杂性特征。另一方面，水资源系统作为一个庞大的系统，通常同时具有确定性和不确定性的因素存在^［7-9］。水资源系统本身是确定的，水资源系统现象有着很强的成因机理规律，但是由于人类认识水平的有限，无法把握这些现象的所有因素。比如，通常较强的降雨一定会产流，但是人类很难描述出所有可能影响因素与降雨、产流之间准确的因果关系。因此，水资源系统表现出很强的不确定性，在确定性规律中包含着不确定性，在不确定性中包含着确定性规律。

应用于水资源科学上的传统系统分析理论、数学模拟技术和系统优化方法等在解决简单问题时是有效的，但在处理各类动态、非线性问题时，却存在着很大局限性。水资源系统的复杂性和水资源资料信息的严重不足，使得传统的、基于还原性思维的各种数学物理模型以及基于严格数学理论及梯度信息的各类最优化方法在面对大规模、非线性、不确定等复杂问题上显得困难重重，已不适宜于伴随着人类经济活动的开展而日趋复杂化的水资源系统的研究，在一定程度上限制了水资源科学理论发展。因此，在当前水资源系统的研究上，急需有更新颖、有效的分析、建模和优化方法来为大规模、复杂性的水资源系统的规划设计、数值模拟、计算分析、运行调度、管理决策等提供更为科学、有效、完备的理论基础和方法依据。

近期发展起来的复杂性理论不仅仅是研究复杂系统形成有序或有组织行为的科学，更是研究复杂系统各种动力学行为之间相互转化过程的科学。与线性、均衡、简单还原的传统理论截然不同，复杂性理论致力于非线性、非均衡和复杂系统的研究。目前来看，复杂性的概念和思想已经开始运用于物理科学、生命科学和经济科学各个领域，甚至在人文社会科学的其他领域也多少有些应用^［10］。复杂性科学范式正在自然科学各学科领域以及人文、社会科学各领域兴起，逐渐形成了与还原论范式不同的复杂性范式。因此，复杂性理论的诞生，为水资源系统这一特殊复杂系统的分析与研究提供了一个新视角和一条更新颖、更深入具体的科学途径。应用复杂性理论对水资源系统研究是一条非常值得探索的研究途径，有利于在继承原有方法优点的基础上，解决原有方法难以解决的问题。

我国是一个人均水资源短缺的国家，加之水资源时空分布不均，水土资源的布局不相匹配，水资源紧张的态势加剧，水资源已成为我国社会经济可持续发展的制约因素。因此，进行水资源合理配置研究，缓解水资源供需矛盾，这对水资源短缺区域的经济发展与环境质量的提高具有深远的意义。水资源合理配置处理的是多水源、多用户且具有多种不同层次子系统的复杂大系统，工程措施结构的错综复杂、水文系统与经济系统信息的不确定性、多目标间的矛盾性以及决策者的不同偏好等一系列因素使得合理配置决策过程有赖于预测技术、优化方法以及模拟技术。随着当前水资源配置系统的规模日趋庞大，系统的成分、结构与功能也日趋复杂。水资源配置系统中的各类高维、动态、非线性复杂问题对当前的包括经典数学理论、概率论、运筹学等系统分析理论和系统优化方法在内的系统科学理论和方法提出了日益严峻的挑战。如何对水资源进行合理配置，为区域内工业、农业发展和人民生活、生态环境提供水资源，使其获得最大的社会、经济与生态环境效益，是摆在我们面前迫切需要解决的问题。

作为复杂性理论应用技术层面重要组成部分的现代智能技术，如神经网络（ANN）、支持向量机（SVM）、智能算法和混沌理论等，是解决复杂问题的有效手段，在复杂系统描述、控制、优化和管理等综合自动化方面已经展示了魅力，为解决上述复杂问题提供了新的途径和可能。本书针对应用于水资源科学上的传统系统分析理论、数学模拟技术和系统优化方法等在面对水资源系统中各类大规模、非线性、不确定等复杂问题上的局限性，在前人研究的基础之上，以现代系统科学思想为指导，以水资源系统配置为主线，以南水北调工程河北省受水区为研究对象，对现代智能技术（包括神经网络、支持向量机、智能算法和混沌理论）及其在水资源配置系统中的应用包括水资源系统的预测、评估与决策的综合分析方法等作了进一步的探索和研究，旨在为水资源系统的研究提供新理论、新方法以及新思路，实现人类对水资源的有效调控和科学管理，促进资源、环境和社会经济之间朝着协调的方向发展。