绪 论
0.1 选题依据及研究意义
本论文依托“吉林省水利科学研究院 1:5 万水文图集编制”项目完成。
水资源是人类和一切生物赖以生存和发展的物质基础，是生态系统中最活跃和影响最广泛的因素。水资源是人类进行生产经济活动的基础性资源，甚至成为某种意义上的战略性资源。区域水资源的自然禀赋和调控状况将直接影响区域的社会经济发展水平、人类生活水平和生态环境水平。水资源分配和使用效率是经济发展和科学技术水平的重要体现。如何优化配置水资源，提高水资源利用效率成为可持续发展的重要研究内容。
2011 年中央一号文件明确提出了“要大力推进节水型社会建设，实行最严格的水资源管理制度，确保水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展。”深入阐述“确立三条红线，建立四项制度”的水资源管理模式。“三条红线”是指：建立水资源开发利用控制红线，实行最严格的用水总量控制；建立用水效率控制红线，坚决遏制用水浪费；建立水功能区限制纳污红线，严格控制入河排污量。
白城地区位于吉林省西部，是生态系统从半湿润草原向半干旱和沙漠地区的过渡带 ,生态环境脆弱，旱涝灾害频发，盐碱化、土地沙化、草原退化、水质恶化等问题严重。同时，近年来随着工农业的快速发展，居民生活水平的提高及工业生产规模不断增长、农业灌溉面积不断扩大、城镇化率不断提速，导致白城市各方面用水量不断增加。目前，白城市面临的水资源形势更加严峻，主要表现在以下四个方面：
（1） 降雨时空分布不均
白城地区受大陆性季风气候影响，降水量年内分配悬殊，夏秋雨量集中，冬春持续干旱。年际变化剧烈，极易发生大旱大涝，甚至发生连续性枯水年和连续性丰水年。
（2） 农业用水浪费严重
白城市农业灌溉多采用大水漫灌，渠系水利用系数较低，农业用水量所占比重较大，水资源浪费严重。
（3） 水污染加剧
由于化肥大量使用和部分企业违规排放废水，水中氨氮、氯离子、亚硝酸根等含量不断增高，改变了水体的天然状态。部分地区受地层铁锰本底值含量高的影响，地下水铁锰含量偏高。这些造成有水不能用，水质型缺水现象的发生。
（4） 水利工程利用率低
受气候异常和水库淤积影响，白城市境内大中型水库蓄水量近年来不断下降，小型水库不断萎缩。每年春季农业灌溉缺水严重，城镇生活用水紧张。
针对白城地区水资源面临的严重形势，科学合理地规划利用有限的水资源成为解决白城市水危机、促进社会经济可持续发展的重要手段。本文在认真研究分析白城市水资源开发利用现状的基础上，采用基于 DEA模型的资源利用效率评价体系对白城市资源利用效率进行评价，采取系统动力学理论构建白城市水资源配置模型，得到未来经济社会发展条件下的多目标的考虑各种工程和非工程措施应用的水资源优化配置结果，以达到白城市水资源合理开发利用和社会可持续发展的目的。
0.2 国内外研究现状
0.2.1 可持续发展理论
进入 20 世纪 80年代，以片面追求经济增长为目标的传统的发展观，产生了诸多生态环境问题和区域综合问题。人类开始深刻反思，提出了以协调人口、社会、经济、资源与环境之间关系的全新的发展观-可持续发展观（sustainableDevelopment）[l~3].所谓“可持续发展”,就是要在“不损害未来一代需求的前提下，满足当前一代人的需求”.换句话说，可持续发展就是指经济、社会、资源和环境保护协调发展，既要达到发展经济的目的，又要保护好人类赖以生存的大气、淡水、海洋、土地和森林等自然资源和环境，使子孙后代能够永续发展和安居乐业。可持续发展的核心是发展，但要求在保持资源和环境永续利用的前提下实现经济和社会的发展。将系统论的思想应用到可持续发展观中，就形成了可持续发展系统，即将区域内的所有实体，包括构成人口、社会、经济、资源、环境的所有要素综合起来构成的复杂的庞大的系统。系统的属性是对系统的描述，称为变量或指标[4~5].这些变量或指标在一起相互联系、相互影响、相互作用，从而构成了系统复杂的运动状态。
0.2.2 系统动力学研究进展
系统动力学（SD）是一门研究系统反馈结构和行为的学科，是模拟经济、社会和生态系统结构和动态行为的计算机技术，是沟通社会科学和自然科学的学科，也是管理科学与系统科学的一个重要组成部分[6].系统动力学运用“凡系统必有结构，系统结构决定系统功能”的系统科学思想，吸收控制论、信息论精髓，根据系统内各组成要素互为因果的反馈特点，从系统内部结构来寻找问题发生的根源。
在 20 世纪中期以来，J.W.Forrester[7~10]对一系列社会经济问题进行系统动力学的创造性研究，取得了令人瞩目的成绩。1958年发表论文《工业动力学》首次把系统动力学运用到工业研究；之后 1965年《企业的新设计》进一步深化了系统动力学在工业中的运用；1968 年《系统的原理》一书全面论述了系统动力学的原理和方法，至此系统动力学从理论上整体完成。
在 20 世纪 60~70年代，J.W.Forrester将研究对象延伸到世界范围，提出了研究全球发展问题的“世界模型”和“世界模型Ⅱ”;其弟子 D.H.Meadows等在《增长的极限》一书中提出了更为细致的“世界模型Ⅲ”.这些模型在世界范围引起了极大的反响，架起了宏观经济学和微观经济学之间的桥梁。
如今系统动力学因其在处理复杂系统问题上的优势，已被广泛应用在农业、医学、资源开发、企业的管理和经营、城市发展等众多领域。唐启升[11]等以实现海洋生物资源可持续利用为目的，对海洋生态系统进行系统动力学研究，弄清我国近海海洋生态系统结构、功能，量化其动态变化及生态容纳量，预测生物资源的补充量。龚健[12]将系统动力学理论与多目标规划理论相结合提出了土地利用规划的 SD-MOP 模型，为土地利用规划摸索出了一套新方法。王建军[13]等阐述齿轮系统动力学理论的基本结构体系，围绕动态激励、模型类型、建模求解来研究齿轮系统的固有特性、动态响应和动力稳定性等基本问题。张力菠[14]等分析论证了系统动力学方法应用于现代供应链管理问题的可行性，并提出了进一步的研究方向。刘爽[15]分析了国内外典型大城市交通结构演变机理，建立了公共交通和个体交通结构演变的系统动力学模型，探讨了交通资源优化配置的理想目标。胡大伟[16]运用系统动力学、神经网络模型对建湖县区域可持续发展系统进行研究，对不同发展模式下的发展动态进行模拟模拟，建立可持续发展评价模型，从而得出该地区最佳的发展道路。
0.2.3 水资源配置的研究现状
水资源配置是指在流域或特定的区域范围内，遵循有效性、公平性和可持续性的原则，利用各种工程与非工程措施，按照市场经济的规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和措施，对多种可利用水源在区域间和各用水部门间进行的调配[17].
国外对水资源优化配置的研究起步较早。最先主要涉及水库优化调度问题的研究，以后逐渐发展到流域水资源的优化分配。随着系统分析理论和优化技术的引入，水资源系统规划与管理模型技术迅速发展和应用。美国陆军工程师兵团（USACE）最早引入水资源系统规划与管理模型来解决密苏里河流域六座水库的运行调度问题。Faisal,Youngand Warners[18]把综合协调的水资源系统优化模型应用到地下水流域。之后，人们认识到地下水地表水联合调度可增加供水的效益可靠性和效益费用比。Willis[19]等对地下水和地表水联合调度模型的水质水量进行分析总结。现阶段，国外水资源配置的研究重点是水资源-环境-经济-社会的相互作用及建模。Lefkoff建立了地下水与地表水交互的分布式参数和经验的农业生产函数长系列的优化模型。Booker[20]对科罗拉多河流域建立了整体的水资源-经济-社会优化模型。Ximing Cai[21]提出了考虑长期和短期用水效率的流域水文-农业-经济综合协调模型。世界粮食政策研究所（IFPRI）德克萨斯大学的水资源研究中心和国际水管理研究所（IWMI）的研究团体构架了综合协调的水资源一农业一经济制度模型框架，基于定点的经验研究模型应用于智利MaiPo河流域的水资源规划与管理政策分析[22]..
国内学者在20世纪60年代就开始了以水库优化调度为手段的水资源配置研究。自改革开放以来，随着水资源系统理论分析等大量外文文献的涌入，该方法在国内得到重视和研究。南京水文水资源研究所[23]采用系统工程方法建立了北京地区地下水和地表水联合优化调度的系统模型，之后又得到进一步完善和改进。刘健民[24]等采用大系统三阶分析法建立了三层递阶的水资源供水模拟模型，并将其应用在京津唐地区的供水规划和优化调度中。翁文斌等[25]建立宏观经济水资源规划多目标决策分析模型，将水资源规划和管理列入经济环境的整体研究，开辟宏观经济水资源规化思路。1997 年冯尚友、刘国全[26]
提出水资源可持续的依据、支持条件、发展模式、演变控制等的水资源持续利用理论与框架。赵建世等[27]考虑水资源系统机理复杂性的基础上，应用复杂适应系统理论的基本原理和方法提出了水资源配置理论和模型。尹明万等[28]在探讨水资源系统及水资源配置模型概念的基础上，介绍了全面考虑生活用水、生产用水和生态环境用水要求的、系统反映各种水源及工程供水特点的水资源配置模型的建模思路和技巧，给出了可以应用于大型复杂水资源系统的水资源配置系统模型实例。董鹤[29]通过对水资源系统结构、系统内部各变量因果关系分析，采用系统动力学方法建立了佳木斯市水资源可持续利用的模拟模型。
总体而言，我国水资源严重短缺、水生态环境问题日益严重，国内学者对水资源配置理论和应用研究以及相应决策分析作了较多工作。但由于研究范围和投入力量的限制，各类研究通常以具体问题为导向，应用范围有限。对模型以及软件开发尚缺少必要的投入，与国外研究和应用水平尚有一定差距。
0.3 研究内容、方法及技术路线
0.3.1 研究内容
（1）对白城市水资源进行分析计算。在综合认识白城市的自然条件、社会经济情况，充分掌握地质和水文地质条件的基础上，进行白城市水资源量计算，弄清白城市水资源利用现状。
（2）基于 DEA方法的白城市资源利用效率评价。在掌握数据包络分析原理的基础上，经过相关数据间的转换替代，构建白城市资源利用效率评价的投入和产出指标体系，采用 MATLAB进行编程计算，对白城市 2002~2011 年的资源利用效率进行评价。
（3）构建白城市水资源优化配置的系统动力学模拟模型。以系统动力学的基本理论为指导，遵循系统动力学模拟建模步骤，重点分析白城市水资源系统中各子系统间相互关系及其内部的要素间的作用关系，建立有效的数学物理方程进行量化关联，代入相关数据采用 Vensim 系统动力学软件进行模拟。
（4）按照模型调整思路和参数调整策略确定白城市水资源可持续利用的最佳配置方案，比较分析优化方案下白城市水资源系统的供水结构、需水结构和经济效益。
0.3.2 研究方法
（1）采用相关水文统计学方法利用白城市历年降水蒸发径流资料计算不同频率下白城市地表水资源量，采用水文地质学的相关理论与方法分析白城市抽水试验和地下水多年动态资料，进行相关水文地质参数计算，求解白城市地下水资源量。
（2）采用 DEA方法建立白城市资源利用效率的投入-产出体系，经过相近指标剔除、无数据指标相关替代等方法进行指标数据处理，编写 Matlab 程序并运行，得到各行政区资源利用效率评价结果及比较分析。
（3）大量阅读有关水资源系统文献，弄清水资源系统内供水结构、用水结构、人口经济环境及科技水平等子系统的因果关系，明确各子系统内特征要素的类型及初值，建立特征要素间量化联系方程。
（4）以 2010年为现状水平年，借助 Vensim 软件建立白城市水资源可持续利用的系统动力学模拟模拟模型，采用理论分析、历史验证、灵敏度分析三种方法对模型进行检验。
0.3.3 技术路线
论文主要技术路线如下：
（1） 阅读相关文献，深刻理解可持续发展观和可持续发展系统，掌握系统动力学的理论和方法，弄清水资源配置的研究现状；（2） 概述白城市的自然地理、社会经济情况，重点分析白城市地质、水文地质条件，采用相关方法进行水资源量计算，认清白城市水资源利用现状和存在的问题；（3） 建立基于 DEA原理的白城市资源利用效率投入产出体系，对各行政区用水效率进行评价分析；（4） 结合白城市水资源开发利用现状和数据资料分析，建立白城市水资源配置系统动力学模拟模型。
（5） 根据白城市经济社会发展水平预期，按照模型调整思路和参数调整策略来进行白城市水资源优化配置模拟，并对优化模拟结果进行分析。
技术路线见图 0-1:
