水资源开发的工具

第四章　水资源系统“易”理论的经济原理与研究方法

第一节　基于“易”理论的水资源系统运动原理推演

一、系统内水资源配置静态分析

由第三章理论可知，在人工生态经济系统内分为，人工环境子系统和经济社会子系统。当进入经济社会子系统的水资源被用于人工环境较多时，经济社会子系统必然因为水资源不足而受到影响;反之，一味地满足经济社会的发展用水需求，忽略人工环境，则其状态必然受损。所以说，在人工生态经济系统内配置给人工环境的水资源与经济社会中的水资源必须相协调和平衡，这就是基于“易”理论的二维人工生态经济系统内水资源配置的静态原理。

图4-1　人工生态经济系统中的水资源配置静态分析

此外，根据图4-1可知，水资源在人工生态经济系统内不可能做到绝对的、一成不变的平均，需要根据人工生态经济系统的演化运动，不断地动态调整，但是总体上系统内经济社会用水量与人工环境用水量保持基本平衡，以保证整个系统的可持续发展。

二、系统间相互作用熵的周期演化阐释

从人类经济社会系统与外界自然环境和水资源系统之间相互作用熵的周期演变过程(图4-2)，可揭示出:

图4-2　水资源系统与生态经济系统熵的生命周期演变

X-Y轴系面内，当经济社会起初发展时，出现了很多人工的生态环境在一定程度上，生态环境的质量符合人们的需求，此时两者相互作用的熵较低;但是过分一味地追求经济社会的发展(如传统工业化阶段)，必然影响生态环境的质量状况，出现熵“膨胀”;反之，当经济社会发展呈现“负”值，导致相应的环保投资不足或亏缺，环境状况势必受到影响，经济社会的发展衰减到一定阶段，对生态环境的侵扰就降低到生态环境容载力可承受的范围内，部分生态环境功能会逐步得到自我修复;

同理，X-Z轴系面内，当经济社会的发展呈现“正”增长时，对水资源的需求需要人工净化和改善水质，但是当经济社会的发展到一定时期后，超过了当地水资源的承载，水资源的质量出现恶化;当经济社会出现倒退“负增长”时，水资源质量将开始出现变差，之后随着经济社会的萎缩到一定程度，对水资源系统的扰动程度也降低到了水资源系统可以自我修复的范围内，水资源质量会有所恢复;

同理，Y-Z轴系面内，当伴随着生态环境质量的提升，水资源质量不断得到改善，但当一定时期后，生态环境质量持续增长时，水资源即表现的对其供给能力的不足，反之，当水资源供给出现亏缺，生态环境质量必然出现“赤字”，当生态环境逐渐退化萎缩到一定程度后，其生境的演化几乎不再依赖于水资源(如沙漠等生境)。

由图4-2可看出，水资源系统的运行处于X-Y-Z轴共同的正向决定的子空间内，系统的协同度最大，对经济社会发展水平、生态环境演替状况、水资源质量变化都最为有利，此时熵值基本维持稳定均衡。

基于“易学”哲学思想和二元水循环机理，作为耗散结构水资源系统与生态经济系统和外界自然环境之间的“取-排”关系以及水资源系统与生态经济系统之间“供-需、调-用”关系符合辩证统一、动态均衡、循环再生的特性，要保持系统的熵的稳定就要保持上述关系的对称均衡;经济社会系统本身需要动态的水资源不断地引入“负熵”、代谢“正熵”从而保持系统处于低熵的状态;为保持水资源系统正常完成外界自然环境和生态经济系统之间的物质、能量、信息的可持续性地交换，人为地采取“近自然”的水资源利用和保护方式(如生态经济发展模式、生态水利建设、河流健康维护、环境风险管理等)确保经济社会系统与外界自然环境“接口”之间的和谐友好;在系统内，水资源循环经济利用可以有效地降低系统正熵(或者引入负熵)的增加，最终有利于人类的可持续发展。

三、系统间相互作用关系的向量投影剖析

从图4-2中解析出人类经济社会发展与自然水资源和外界生态环境之间的相互关系，并构造出如下理论模型:

S系统间协同度，Es为人类经济社会系统和与之紧密相关的人工环境; Ee为系统外的生态环境; Wr为水资源系统。同时，绘制出三者变化程度之间耦合向量关系图(图4-3)。

由图4-3可直观看出，经济社会发展的程度与生态环境原始状态和自然水资源赋存情况之间相互交错耦合，相互影响和作用并随着时间的推移而变化。对主在各平面上的投影向量分解后可知，经济社会发展程度越高，人类的活动域越大，生态环境原始状态就越低，人化状态越高;而在人类经济社会发展初期，生态环境原始状态几乎是处于未受人类任何影响，因此原始状态保存最好，自然生态环境质量直接影响人类经济社会系统的环境质量(如气候变化等)，因此，其受影响越重，必然“反制”人类经济社会发展的力量越强;同时因为人类的扰动，产生了介于自然生态环境和人类经济社会之间的人工生态环境，即狭义的生态经济系统，由于受到人类的干预，对水资源的利用逐步加剧，水资源赋存状况必然受到人类影响的程度越来越大，由于人类经济社会的不断膨胀，水资源开发利用量不断增加，地球表面自然界的水资源总量有限，必然“反制”人类的经济社会发展的作用强度越大。因此，为了实现人类可持续发展，在经济社会与生态环境和水资源之间需要找到最佳的平衡，即求得理论上的三者协同度最大值，作为约束人类活动强度和平衡三者相互作用力的控制目标，即为图中主向量所示。

图4-3　经济社会-生态环境-水资源系统间相互作用关系的向量投影

四、系统整体四维时空动态演化图景

根据第四章对水资源系统“易”理论基础与原型的研究认为，八种原型理论之间的关系在水资源系统中体现为:“易学”哲学思想居于统领地位;生命周期管理理论和可持续发展理论更突出在时间上对系统的理论支撑;二元水循环机理和系统(熵与耗散结构)理论更突出在空间上对系统的描绘;生态经济系统与循环经济理论可分别认为:前者是人类社会系统与自然环境系统之间的可持续发展理论与系统理论的耦合;后者则为人类社会系统内符合“易学”思想的运作方式;生态水利建设是水资源系统在自然环境与人类社会系统之间符合生态经济理论的桥梁和枢纽;环境风险管理则是在人类社会系统对自然生态环境的“减震器”和“防护网”。因此，可以看出水资源系统“易”理论能够用“易学”的哲学思想进行战略指导，将二元水循环机理和系统(熵与耗散结构)理论相结合，根据水资源系统生命周期的特点和规律，通过一方面水资源生态经济与循环经济的利用，构建生态水利工程;一方面实施对水资源利用中存在的环境风险进行管理，维护河流健康，最终有助于实现人类的可持续发展的目标。

通过进一步研究认为，从系统与环境之间的关系分析，水资源系统具有动态持续地演替特征，其本身经历着类似的“诞生——加速——成熟——衰竭”生命循环周期过程。从自然界的取水侧重于新生水资源;调水与配水伴随水资源进入人类生态经济系统中不断深入而利用逐步加深;经过人类充分加工后的对成熟水资源(即水资源产品)被在人类经济社会中广泛地交换和使用;充分利用后的水资源伴随着其的利用价值的逐步削减，最终逐步退出人类经济社会系统，重新进入自然环境，经过自然环境的“磨塑”之后，又重新进入下一个水循环周期。

由此，基于“易”理论的水资源系统运行模式，将水资源系统的动态生命周期运动规律用“易学”中的太极八卦图进行四维时空演绎，从而揭示自然生态环境与人工生态经济系统之间，水资源系统“易”理论运行的基本原理(图4-4)。对图4-4的运行原理进行推演后，认为:

图4-4　水资源系统“易”理论的四维时空图景

该模型是揭示的是水资源系统与自然环境和人类社会系统有机组合而成的四位时空格局。自然环境作为人类生存发展的基底，本身具有一个大背景下的时空运动格局;基于自然环境的且具有相对的独立性的人类社会按照其自身的发展运动规律具有一个较为完整的时空变化体系;

分列于图中坐标轴八个象限上的“乾”、“坤”、“离”、“坎”、“巽”、“震”、“艮”、“兑”八种卦象表示自然水文循环中涉及的天、地、日、月、风、雷、山、泽诸要素。天，是由气态水运动(雨、雪、冰、雹等)的空间;地，是液态降落接纳的载体;日与月，是宇宙中促使地球表面形成诸洋流和大气环流的外在驱动因素;风(气流)，是气态水运动的一种形式;雷，是由气态水向液态水转变的诱发因素之一;山与泽，是降水形成水流由较高势能向较低势能转化和汇集的环境;

中间的太极阴阳鱼代表着人工生态经济复合系统，对于人工生态经济复合系统中，结合水资源的特点，可根据水资源的利用程度，水质的变化，分为已利用系统(阴)和待利用系统(阳);

水资源系统是生态经济系统与外界自然环境之间交换的动态的、开放的有序系统，是协助生态经济系统与外界自然环境之间完成物质循环、能量流动、信息传递价值转换的流动载体系统;

“阳→阴”的转化过程:从自然生态环境汲取进入人工生态经济系统中的水资源首先成为待利用水资源，当通过一定的途径和方式将待利用水资源进行利用后，根据水量和水质的不断变化，伴随着外界其他物质和能量的作用，水质发生改变，新鲜的水资源逐渐变成了容纳了其他物质成分的逐渐被充分利用后的污“废”水，此外，阴鱼中有“阳”的成分表明即便是被利用后的污(废)水也有其可再利用的价值;

“阴→阳”的转化过程:经过人类活动充分利用后转变成为所谓的污“废”水通过一定的人工技术措施，部分水逐渐被再生为可为人类利用的再生水资源，并通过回用系统进入循环利用过程，阳鱼中存在“阴”的成分表明，即便是取自自然环境中的水或是经过再生后的水，其内也有其他物质(杂质)，需要根据不同的用途考虑进行净化;

水资源这种“阳→阴”、“阴→阳”的转变过程即完成了一次生命周期，也即水在人类生态经济系统中的小循环;

根据物质守恒定律，污废水中的不可再生利用的部分经过一系列的处理与处置过程，最终又进入自然生态环境系统，也即包括水在内的物质不断地在自然生态环境与人共生态经济系统之间流动、转化，但总的质量并不发生变化，也即物质生命周期经历的大循环。

从图4-4中反映出系统与环境之间交相呼应、相互影响，系统内要素(子系统)间对立统一、对称均衡、系统与环境以及系统内部诸要素之间是动态演替、周期循环的辩证思想。在水资源系统中，由人类活动引起的取(水)、调(水)、用(水)、排(水)的行为是促成水资源在生态经济系统内运动的诱因，在人类经济社会与自然生态环境“接口”方面，用生态经济理论指导“取”与“排”的关系，重视河流健康的维护即是确保取水水源和防范排水环境风险的现代水资源保护理念的重要体现;在人类生态经济系统内部，用循环经济的模式具体设计“调”与“用”的关系，通过设计和建设生态水利工程与落实各项水资源循环经济利用技术，能够保障水资源在生态经济系统内的安全稳定、高效有序、集约节约流动、转化和交换。同时，提升水资源循环经济利用水平和推广生态水利工程建设的规模也能够提高生态经济系统内水资源运行的效率、效能和效益，可以有效地抑制系统正熵的产生;通过减少对水资源的浪费和水污染物的排放，维护河流健康可以促进系统负熵的引入。其中的哲学内涵无不体现着“易学”的精髓。

第二节　基于“易”理论的水资源价值的生命周期

水资源的价值表现为多维度、空间性和时间性等方面，具体表现为:

多维度:具有使用价值(如生产和生态功能)、非使用价值(选择价值、存在价值、遗赠价值等)(图4-5);

空间成本的差异:由于水资源具有不完全的流动性，导致了不同地区之间水资源的利用方式和途径的不同，即区际差异显著;

时间成本的差异:在水资源系统中，深层的地下水资源具有不可再生的属性，人们利用需要考虑利用其现值的最优;即使对于可再生部分的水资源因为技术水平、资源储量等因素的影响，相同水量的边际价值也不尽相同。

根据水资源系统“易”理论的生命周期性特点和水资源的宏观运行规律，对水资源利用价值伴随水资源系统运行的时序变化情况进行系统动力学建模(图4-6):

图4-5　水资源的价值构成

图4-6　水资源使用利用价值的系统动力学模型

上式中，S为水资源在t1至t2阶段的累积使用价值; s为t1至t2阶段内某一微分时刻的“瞬时”使用价值，其受到增长因素α和衰减因素β的双重作用，能够使水资源的整体使用价值增长的因素诸如凝聚了人类劳动的，抽取、调配、净化、输送等活动;对水资源的整体使用价值起到抑制和削减的因素诸如:经过利用后水质变差造成水资源的使用价值降低，污水的再生处理、进一步利用其他非常规的水源虽然对水的使用价值本身有所提升，因为削弱了其稀缺性的影响，对整体水资源的使用价值是起到一定的抑制作用。

因为人工生态经济复合系统运行的客观需要，水资源进入人工经济社会系统内后，伴随人工作用，水资源附加有人类活动(提取、净化、输送、分配、二次供给、使用、再生、排放等)的价值，使得其不仅具有使用价值，而且具有使用价值，根据水资源的生命周期规律，其可分为:待利用期、预处理与输配供给期、利用期、废弃期四个阶段(图4-7)。

图4-7　水资源的使用价值的周期性变化规律

待利用期　水资源从自然生态环境进入人工生态经济系统之前和刚进入系统时，这个阶段水资源基本上处于近似天然状态;

预处理与输配供给期　水资源作为一种资源(某种情况下，可能是一种稀缺的资源)，人类根据自身的需要，对其进行了必要的“加工”，因此其状态已经由初期的近似天然的物质转变为凝聚了一定人类劳动的“商品”，并且在现代市场条件下，被赋予了一定的“交换价值”，通常这种价值是高于利用初期的使用价值的;

利用期　水资源经历了一定的“加工”和“转化”后进入到人类经济社会的最终消费和使用阶段，其价值的体现也达到了最高，并且这种利用过程相对较为短暂;

废弃期　水的使用价值得到充分利用后，伴随使用价值的迅速降低，其成为了一种“废弃物”，不再被人类所需要，因此交换价值迅速降低，随着水资源的稀缺和现代科学技术的进步，一部分污废水通过一定的“再生”手段，可以恢复部分使用功能，提供给对其使用价值要求并不十分严格的用户作为一种“边缘资源”，因此，该阶段水资源的使用价值并非迅速降低为0，之后伴随在自然生态环境中经历一定时期水体自净至下一个周期开始又成为新的水资源，其使用价值在一定程度上又得到逐渐上升。

第三节　基于“易”理论的水资源的分类与分质

一、水资源的分类

根据水资源系统“易”理论的有关思想和水资源在利用过程中用途和价值的不同，对水量和水质的要求也不尽相同。基于前面的相关研究，这里结合水资源的来源和利用的生命周期，将水资源分为新鲜水资源、过程水资源、边缘水资源和虚拟水资源，前三者又称为实体水资源(或称为流动水资源)。

(1)新鲜水资源

新鲜水资源是指，未经使用过的，几乎可作为大部分用户直接利用或简单加工处理后即可使用的天然水资源。通常包括从地表水、地下水(满足地区水功能区划要求中相应的水质类别)提取而来。

在地球五大圈层中能够真正有效联通其他四大圈层的水资源，尽管从全球水文循环的角度考虑，其遵守物质守恒定律，但是，由于其在地球表面时空分布的不均，造成该类水资源实际上在一定时期内是一种有限、甚至是稀缺资源，并且该类水资源的取水量相对有保证、供水水质较为良好，可以说是一种清洁的多用途资源。因此，对该类水资源的利用应主要遵循“3R”原则中的“Reduce(减量化)”原则和可持续发展观中有关代内公平和代际公平的原则，取用该类水资源时应科学规划、合理调配、节约利用;禁止无序、过度、浪费该类水资源。

(2)过程水资源

过程水资源是指，进入人类经济社会系统内，经过若干行为的接触、以主要以流动形态被传递或输移，并经用户使用的在人类经济社会活动过程中存在的水资源。该类水资源通常相对于新鲜水资源而言，其数量和理化性质要发生一定的变化，相应的使用价值也会随之改变。如新鲜水资源经过提纯、净化后价值会有所提升作为对水质要求较高的用途使用;如用作洗涤、冷却、溶化等，水量会有所散失、水质会有所降低，其使用价值通常会下降。

鉴于其利用的种类和途径繁多，因此应根据各自用水系统的功能要求和水质用途的不同，遵循“3R”原则中的“Reuse(再利用)”原则和自然规律和技术工程、特点，经过水平衡分析后，按照对水质要求较高的用户位于水资源利用流程中的上游，水质要求较低的用户位于水资源利用流程中的下游，科学分类，周密布局、循序高效利用该类水资源。

(3)边缘水资源(又称，非常规水资源)

边缘水资源是指，需在一定技术条件下，通过人工收集、处理与转化或尚待开发利用的，易被忽略的和潜在的水资源。目前认识到的边缘水资源通常包括，污(废)水、雨洪水、固态的冰雪、苦咸水、嵌入在其他物质中的水(虚拟水)。现有技术水平和经济成本条件下，在边缘水资源中目前可用量较大的是污(废)水和雨洪水。

对于边缘水资源应遵循“3R”原则中的“Recycle(资源化)”原则和充分考虑技术条件、经济成本、公众可接受的程度等因素，积极探索实践，安全有序、稳妥适度地推进边缘水资源的开发利用，尤其是对于缺水地区，应加大对边缘水资源的开发和利用。

(4)虚拟水资源(又称，嵌入水资源)

虚拟水的概念最早由Tony Allan于20世纪90年代初正式提出，此前称为嵌入水，是指生产农产品(后又拓展到非农产品)所需的水资源，其主要是嵌入或固着在物质产品中或隐藏在生产或服务的背后，具有隐蔽性、市场可交易性、隐含价值性、规模性等特点。其主要是“嵌入”到农产品和非农产品服务之中，通过虚拟水贸易，在一定程度上可以缓解缺水国家和地区的水资源紧张。

对于虚拟水资源，缺水地区可以通过适当交换或引入富水产品和服务替代在本地区生产和加工某些“富水”产品而对水资源的过度依赖。这对于以水资源消耗较大的产业为主的缺水地区更有实际意义。

二、水资源的分质利用

为解决水资源贫乏、缓解水资源供需矛盾和高效利用水资源，分质供水起初源于美国、丹麦、荷兰等发达国家，其发展得也比较成熟。分质供水是指有两套或两套以上的管网系统，分别输送不同水质等级的水，供给不同用途之用户的一种供水方式。国内外对分质供水的理解也不尽相同(表4-1)。

表4-1　国内外分质供水系统

(1)小分质供水—直饮水系统

小分质供水—直饮水系统，是指以现行自来水为水源，在供水区内分散设置深度处理净水站，城市自来水经进一步处理，在现有给水管网的基础上，另敷设一套专用饮水管道，供人们直接生饮。该种供水模式的优点是城市水处理系统和市政管网系统无需改造，只需建立分散的处理点，省去了运输，用户可随时开水龙头取水但是由于分散处理点不便于管理，且处理设施受人口密度的影响大。

(2)小分质供水—中水系统

小分质供水—中水系统，即小区中水系统中水系统包括城市中水系统小区中水系统和独立中水系统广义上的小区中水系统可用在居住小区机关大院学校等建筑群。所谓小区中水系统是指在建筑小区内设置污水处理设施，以建筑小区内各建筑物用后排放的污水为水源，将其集中处理后，达到一定的标准回用于小区的绿化浇灌车辆冲洗道路冲洗家庭坐便器冲洗等，从而达到节约用水的目的。

(3)大分质供水—直饮水系统

大分质供水—直饮水系统同小分质供水—直饮水系统的最大不同就是供水范围不同，前者在城市建立两套供水系统，一套供少量直饮水，另一套供一般生活用水及工业用水。所谓大分质供水—直饮水系统是指在整个城市中建立专门的优质直饮水处理厂或在给水厂中对部分自来水进行深度处理，然后另外敷设一套管道直接将这部分优质直饮水输送到用户相比小分质供水直饮水系统，其优点是便于管理和水质的监测，保证水质安全性，更为重要是易于升级处理工艺以满足未来发展的需要，具有一定的延续性但由此带来的最大问题就是工程量比较大。

(4)大分质供水—优水优用系统

大分质供水—优水优用系统是分质供水系统的核心思想，也应是未来发展方向，其同国际意义上的分质供水理念也最为相近所谓大分质供水优水优用系统是指，在城市范围内建立三套供水系统(饮用水系统工业用水系统杂用水系统)，并本着优水优用的原则选择原水，水质较好的地下水优先用于居民生活，次用于对水质要求较高的食品医药等行业，中水主要用于工业农业灌溉和环境生态用水此外，一些沿海城市也充分利用海水资源充足这一优势，把海水替代淡水作为工业冷却水，主要应用于电力、冶金、化工、石油、煤炭、建材等行业，也被广泛用于生活杂用水，包括冲厕、洗涤除尘冲灰等，据统计，海水冲厕可节约35%左右的城市生活淡水。

第四节　基于“易”理论的水资源系统运行特点

一、相互制约，对立统一

水资源系统与周围的生态环境之间的关系是相互制约的矛盾统一体，系统外自然生态环境的良好维护与不断改善，有助于水资源质量的保持和提升，能够有效保障区域供水安全;而当生态环境恶化时，水资源的质量必然会受到影响，可利用的水资源量就会减少，进而影响到系统内用水安全。同时，在水资源系统中，供水与需水也是相互作用、相互影响的。由于地区对水资源需求能力的不断增长，促使水资源供给保障能力的不断提升;反之，水资源供给能力的不断增强也刺激了地区需用水量的增长。

二、相互对称，动态均衡

水资源作为一种流动的物质，随着经济社会的向前发展和人们利用程度的不断变化，供给水量和需求水量之间必然存在动态趋于平衡的关系。当这种关系失调时，比如需水量明显大于供水量时，就迫使外调更多的水资源以满足新增需水用户;当供水量明显过盈时，需水量便会相应的增加，达到或逐渐超过供水量的需求;因为外调水量的限制不可能无限制地调用，所以人们利用程度和利用效率总体会不断提高，单位需水量就会减少，用水需求的增长可能会放缓。总体上，“供”与“需”在数量和质量上会趋于动态平衡。

三、相互交织，耦合关联

水资源系统中诸用水单元(用户)，诸如农业灌溉、工业生产、城乡生活、生态改善等都需要水资源作为支撑条件，确保各用户自身的健康、有序发展。因在水资源调用系统中，系统内诸要素通过物质流、能量流、信息流、价值流等形式相互交织，耦合关联，系统与外界环境也关系密切，并且系统中各用户对水资源需求的数量和质量不同，确定各用户合适的用水指标和定额，以确保有限的水资源得到最大限度的发挥效益至关重要。

四、相互转化，循环再生

水资源系统是动态和开放的系统。水不仅在地域空间上动态流动，而且在存在的三种状态和临界态之间上不断变化。此外，水之所以通常以液态形式更多地被人类广泛利用是因为液态的水资源在常温常压下更容易被作为运载物质和传导能量的载体，与此同时，信息和价值也通过水的利用被交换和转达。一个周期内，在人工生态经济系统内，水从上游(可以使地理空间上的，也可以是利用环节上的)至下游的流动不断地有物质能量进出交换，残留在水中的“废弃物”不断地累积，最终成为污废水，通过必要的技术手段，经过脱除“废弃物”后的再生水可以作为下一个周期水循环的上游资源加以利用。

五、相互协调，和谐共生

水资源系统与自然环境和生态经济系统之间是相互协调的，水资源系统是动态的，并贯穿于自然环境与生态经济系统之间的“纽带”系统，他们之间是相互协调，和谐共生的关系。自然环境受到影响和破坏，必然影响水资源系统的正常运行，同时也影响到人类活动所处的生态经济系统;当人类的利用方式违背自然规律并对水资源构成胁迫和干扰，同时也必然影响到自然生态环境，因为无论是人类生态经济系统还是自然生态环境，其能否健康维系和运行，都需要水资源作为支撑和保障，因此这三者是相互依赖、协调共生的关系。

第五节　现代水资源利用与管理的评价方法

一、模糊综合评价法

模糊评价法是运用模糊集理论对系统进行综合评价和决策的一种方法，可以获得各候选方案优先顺序的有关信息。

(1)模糊评价法所涉及的基本概念

1)评价指标集F，描述对各种侯选方案进行综合评价的指标或准则，记为:

F=(f1，f2，…，fn)

其中f1，f2，…，fn为各评价指标或准则，n为评价指标的个数。

评价指标集也可以是一个多级递阶结构的集合。

对不同的评价指标，应给以不同的权重W，记为

W=(w1，w2，…，wn)

2)评价尺度集E，描述对每一评价指标进行评价的尺度，记为

E=(e1，e2，…，en)

其中，m为评价尺度集中评价尺度的个数。

评价尺度的分级可采用等级方式或分数方式，如

E=(优，良，合格，不合格) E=(0.9，0.7，0.5，0.3)

或

3)隶属度 ，描述对候选方案Ak而言，用第fi评价指标作出第ej评价尺度的可能程度。对方案Ak的所有评价指标的隶属度组成隶属度矩阵 ，该矩阵是一个模糊关系矩阵，记为:

在矩阵中，元素 可根据参加评价的专家作出的评价结果计算，即

式中d表示参加评价的专家人数，表示对方案Ak的第i项评价指标fi作出ej评价尺度的专家人数。显然，=1。

(2)模糊评价法的一般步骤

1)邀请有关方面的专家组成评价小组;

2)通过讨论，确定系统评价指标集F，F=( f1，f2，…，f n)，

确定每一评价指标的评价尺度集E，E=( e1，e2，…，e m);

3)通过层次分析法之类的方法，或根据专家们的经验，确定各评价指标的权重W，

W=(w1，w2，…，wn)

4)对每一候选方案构造隶属度矩阵

5)根据模糊理论的综合评价概念，计算每一候选方案的综合评定向量 对候选方案Ak而言，

即 S～k为将向量W进行 R～k 的模糊变换。

在实际问题中，可把模糊变换“O”转化为模糊线性加权变换，即:

6)最后根据 对各候选方案进行评价。根据评价尺度的不同表达方式通常采取以下两种评价方法:

①对于采用等级方式评价尺度的情况，按照最大接近度的原则来综合判定各候选方案的等级;设sl=max si，1≤i≤m，计算出，

若则按si所属的评价等级评价，即等级为E的第l级。

若则按Sl-1所属的评价等级评价，即等级为E的第(l-1)级。

若则按Sl+1所属的评价等级评价，即等级为E的第(l+1)级。

如:对E=(优，良，中，差)，若 =(0.26，0.16，0.21，0.37)

则综合判断: l=4=0.5

结论方案Ak的等级属于(l-1)=3级，即“中”级。

②对于采用分数方式评价尺度的情况，则需计算各候选方案的优先度，即

根据各候选方案优先度Nk的大小，即可按照优先度，的大小顺序对各方案进行优先顺序的排列。

二、层次分析法

(1)建立递阶层次结构

应用AHP解决实际问题，首先明确要分析决策的问题，并把它条理化、层次化，理出递阶层次结构。

AHP要求的递阶层次结构一般由以下三个层次组成:

目标层(最高层):指问题的预定目标;

准则层(中间层):指影响目标实现的准则;

措施层(最低层):指促使目标实现的措施;

通过对复杂问题的分析，首先明确决策的目标，将该目标作为目标层(最高层)的元素，这个目标要求是唯一的，即目标层只有一个元素。然后，找出影响目标实现的准则，作为目标层下的准则层因素，在复杂问题中，影响目标实现的准则可能有很多，这时要详细分析各准则因素间的相互关系，即有些是主要的准则，有些是隶属于主要准则的次准则，然后根据这些关系将准则元素分成不同的层次和组，不同层次元素间一般存在隶属关系，即上一层元素由下一层元素构成并对下一层元素起支配作用，同一层元素形成若干组，同组元素性质相近，一般隶属于同一个上一层元素(受上一层元素支配)，不同组元素性质不同，一般隶属于不同的上一层元素。在关系复杂的递阶层次结构中，有时组的关系不明显，即上一层的若干元素同时对下一层的若干元素起支配作用，形成相互交叉的层次关系，但无论怎样，上下层的隶属关系应该是明显的。最后分析为了解决决策问题(实现决策目标)、在上述准则下，有哪些最终解决方案(措施)，并将它们作为措施层因素，放在递阶层次结构的最下面(最低层)。

明确各个层次的因素及其位置，并将它们之间的关系用连线连接起来，就构成了递阶层次结构(图4-8)。

图4-8　水资源的使用价值的周期性变化规律

(2)构造判断矩阵并赋值

根据递阶层次结构就能很容易地构造判断矩阵。

构造判断矩阵的方法是:每一个具有向下隶属关系的元素(被称作准则)作为判断矩阵的第一个元素(位于左上角)，隶属于它的各个元素依次排列在其后的第一行和第一列。

重要的是填写判断矩阵。填写判断矩阵的方法有:

大多采取的方法是:向填写人(专家)反复询问:针对判断矩阵的准则，其中两个元素两两比较哪个重要，重要多少，对重要性程度按1-9赋值(重要性标度值见表4-2)。

表4-2　重要性标度含义表

设填写后的判断矩阵为A=(aij)n×n，判断矩阵具有如下性质:

1) aij＞0

2) aji=1/aji

3) aii=1

根据上面性质，判断矩阵具有对称性，因此在填写时，通常先填写aii=1部分，然后再仅需判断及填写上三角形或下三角形的n(n-1)/2个元素就可以了。

在特殊情况下，判断矩阵可以具有传递性，即满足等式: aij×ajk=aik

当上式对判断矩阵所有元素都成立时，则称该判断矩阵为一致性矩阵。

(3)层次单排序(计算权向量)与检验

对于专家填写后的判断矩阵，利用一定数学方法进行层次排序。

层次单排序是指每一个判断矩阵各因素针对其准则的相对权重，所以本质上是计算权向量。计算权向量有特征根法、和法、根法、幂法等，这里简要介绍和法。

和法的原理是，对于一致性判断矩阵，每一列归一化后就是相应的权重。对于非一致性判断矩阵，每一列归一化后近似其相应的权重，在对这n个列向量求取算术平均值作为最后的权重。具体的公式是:

需要注意的是，在层层排序中，要对判断矩阵进行一致性检验。

在特殊情况下，判断矩阵可以具有传递性和一致性。一般情况下，并不要求判断矩阵严格满足这一性质。但从人类认识规律看，一个正确的判断矩阵重要性排序是有一定逻辑规律的，例如若A比B重要，B又比C重要，则从逻辑上讲，A应该比C明显重要，若两两比较时出现A比C重要的结果，则该判断矩阵违反了一致性准则，在逻辑上是不合理的。

因此，在实际中要求判断矩阵满足大体上的一致性，需进行一致性检验。只有通过检验，才能说明判断矩阵在逻辑上是合理的，才能继续对结果进行分析。

一致性检验的步骤如下。

第一步，计算一致性指标C.I.(consistency index)

第二步，查表确定相应的平均随机一致性指标R.I.(random index)

据判断矩阵不同阶数查下表，得到平均随机一致性指标R.I.。例如，对于5阶的判断矩阵，查表得到R.I.=1.12

表4-3　平均随机一致性指标R.I.表(1000次正互反矩阵计算结果)

第三步，计算一致性比例C.R.(consistency ratio)并进行判断

当C.R.＜0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，C.R.＞0.1时，认为判断矩阵不符合一致性要求，需要对该判断矩阵进行重新修正。

(4)层次总排序与检验

总排序是指每一个判断矩阵各因素针对目标层(最上层)的相对权重。这一权重的计算采用从上而下的方法，逐层合成。

很明显，第二层的单排序结果就是总排序结果。假定已经算出第k-1层m个元素相对于总目标的权重w(k-1)=(w1(k-1)，w2(k-1)，…，wm(k-1))T，第k层n个元素对于上一层(第k层)第j个元素的单排序权重是pj(k)=(p1j(k)，p2j(k)，…，pnj(k))T，其中不受j支配的元素的权重为零。令P(k)=(p1(k)，p2(k)，…，pn(k))，表示第k层元素对第k-1层个元素的排序，则第k层元素对于总目标的总排序为:

w(k)=(w1(k)，w2(k)，…，wn(k))T=p(k) w(k-1)

或　I=1，2，…，n

同样，也需要对总排序结果进行一致性检验。

假定已经算出针对第k-1层第j个元素为准则的C.I.j(k)、R.I.j(k)和C.R.j(k)，j=1，2，…，m，则第k层的综合检验指标

C.I.j(k)=(C.I.1(k)，C.I.2(k)，…，C.I.m(k))w(k-1)

R.I.j(k)=(R.I.1(k)，R.I.2(k)，…，R.I.m(k))w(k-1)

当C.R.(k)＜0.1时，认为判断矩阵的整体一致性是可以接受的。

(5)结果分析

通过对排序结果的分析，得出最后的决策方案。

三、投影寻踪评价模型

投影寻踪方法最早出现于20世纪60年代末，Krusca首先使用投影寻踪方法，把高维数据投影到低维空间，通过计算，极大化一个反映数据聚集程度的指标，从而找到反映数据结构特征的最优投影方向。它是用来分析和处理高维观测数据，尤其是对于非线性、非正态高维数据的一种新型统计方法。目前已广泛地应用于分类、模式识别、遥感分类、图像处理等领域。具体应用过程如下:

设投影寻踪问题的多指标样本集为{x(i，j )│ i=1，…，m; j=1，…，n}，其中，m是样本的个数，n为指标个数。建立投影寻踪模型的步骤如下:

(1)数据预处理

样本评价指标集的归一化处理，消除各指标值的量纲和统一各指标值的变化范围。对于越大越优的指标: x*(i，j)=(x(i，j)-x min(j))/(x max(j)-x min(j)) (1);对于越小越优的指标: x*(i，j)=(x max(j)-x(i，j))/(x max(j)-x min(j)) (2);其中，x max(j)x min(j)为第j个指标的最大值、最小值。

(2)构造投影指标函数

设A( j)为投影方向向量，样本i在该方向上的投影值为: Z(i)=A(j)* X(i，j)(3)

即构造一个投影指标函数Q(A)作为确定投影方向优化的依据，当指标达到极大值时，就认为是找到了最优投影方向。在优化投影值时，要求Z(i)的分布特征应满足:投影点局部尽可能密集，在整体上尽可能散开。因此，投影指标函数为: Q(A)=Sz* Dz，式中: Sz—类间散开度，可用Z(i)的标准差代替; Dz—类内密集度，可表示为Z(i)的局部密度。其中:

—序列{Z(i ) │i=1～m}的均值; R是由数据特征确定的局部宽度参数，其值一般可取0.1* S z，当点间距值rij小于或等于R时，按类内计算，否则按不 同的类记; rij =│Z(i)-Z(j )│;符号函数I(R-rij)为单位阶跃函数，当R(rij时函数值取1，否则取0。

(3)估计最佳投影方向

通过求解下面的优化模型来计算最佳投影方向:

目标函数: max Q(A);约束条件:

(4)等级评价

得到近似最佳投影方向后，计算各等级样本点的投影值，建立等级评价方法，并对待评价样本进行归一化处理后计算其投影值，按等级评价标准，确定待评样本所属类别。

四、Shepard插值模型

设根据水质评价标准表产生的某次水样的标准水质等级及其水质指标分别为y(i)及{x*(i，j )│ j=1～m}，i=1～n。其中，n、m分别为样本容量和水质指 标数目。污染越严重，水质等级就越高，最低水质等级设为1、最高水质等级设为N。为消除各水质指标的量纲效应，使建模具有一般性，对水质指标进行标准化处理

x(i，j)=［x*(i，j)-Ex(j)］/Sx(j)

式中: Ex(j)、Sx(j)分别为原第j个水质指标{x*(i，j )│ i=1～n}的均值和标准差。Shepard插值的基本思想是，当得到研究水体的水质指标值{x(n+1，j) │j=1～m}后，利用上述n个样本内插研究水体的水质等级yc(n+1)，使下式:

达到最小。上式中:

式中: di为第i个样本的水质指标与研究水体水质指标之间的距离: wi为权重，表示第i个样本对内插研究水体的水质等级yc(n+1)的贡献大小; b为待定参数，一般为大于1的常数，b取得越大，则在点{x(n+1，j )│j=1～m}附近的拟合曲面将变得越平坦，而使远离点{x(n+1，j )│j=1～m}处的拟合曲面将变得越陡峻。对式(2)求导数并令其为0，可解得最小值为:

这就是所求的对应点{x(n+1，j )│j=1～m}的水质等级值。建立SP模型的步骤可归纳为如下3步:

根据水质评价标准表随机生成水质等级样本系列x(i，j)及y(i)，i=1～n，j=1～m;

根据样本系列对参数b进行优化估计。在样本系列中任取某样本i，由其它n-1个样本进行Shepard插值，得到相应于水质等级y(i)的插值记为yc(i)。可通过求解如下优化问题来优化估计参数b

式中的区间是根据笔者的经验确定的。这是一个一维非线性优化问题，模拟生物进化过程中优胜劣汰规则与群体内部染色体信息交换机制的加速遗传算法(Accelerating Genetic Algorithm，简称AGA)，这是一种通用的全局性优化方法，用它来求解该问题显得十分简便而有效。

进行水质综合评价。当得到研究水体各水质指标值{x(n+1，j ) │j=1～ m}后，与样本系列一起代入式中，即可由n个样本内插出研究水体的水质等级yc(n+1)，作为该次水质综合评价的结果。

此外，还有如数据包络分析(DEA)和随机前沿法(SFA)等。

第六节　现代水资源系统SD建模工具

对水资源系统研究须涉及人工生态经济系统内部(主要是“调水”与“用水”)的关系和系统与其外自然生态环境之间(主要是“取水”与“排水”)的关系，应考虑到整体性、系统性、动态性、循环性等因素，同时，结合水资源系统“易”理论的基本特点，确定主要的研究方法是采用系统动力学的方法，在实证研究部分将运用该法对典型水资源系统运行进行建模与仿真。这里，对系统动力学概述之。

一、SD的创建与机理

系统动力学(System Dynamics，SD)是由美国麻省理工学院(MIT)的Jay W.Forrester教授为首的SD小组于1956年创立并发展起来的一门结合了系统论、控制论、决策论、信息论、计算机仿真等相关的理论的学科。在其后的发展中迅速成为现代决策与工程管理方面的重要方法和工具。

系统动力学作为一门以信息反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段，主要用以研究系统动态复杂性的科学。其更强调从系统整体结构来考虑，解构和定量分析系统中各组成要素之间的交互关系，通过模拟显示系统的组成结构、延迟变化等情况，进而揭示系统变化的本质规律和整体动态运行的基本机制。系统动力学在面对复杂的实际问题时，从研究系统的微观结构入手，建立系统的仿真模型，并对模型实施不同的策略实验，通过仿真技术，展示系统宏观运行状况，寻求问题解决的最优方案。鉴于系统动力学具有复杂的非线性系统的独特优势，现在已经被广泛地应用于社会、经济、管理、环保等各研究领域。此外，它作为决策者模拟研究对象在未来真实世界的变化情况，能够较为方便地预测结果的发展态势，因为也被称为“战略与决策实验室”。

二、SD的发展历程

系统动力学自20世纪50年代创始之后，初期主要在国外尤其是发达国家被应用于工业企业管理中的人员管理，股市的波动和使用的变化的经济领域。因此，其早期也被称为“工业动力学”。之后，从民用扩大为军用，从科研、工程设计到城市管理，甚至被用于人口变化、变动和医学等各个领域。鉴于其被研究和应用的领域已经远远超出了当初的应用范畴，因此后来改称为“系统动力学”。20世纪60年代，Forrester教授的Industry Dynamics(《工业系统动力学》)重点阐述了系统动力学的基本原理和应用，成为后来系统动力学的经典著作;其后的Principles of systems(《系统原理》)则侧重于介绍系统的基本结构; Urban Dynamics(《城市动力学》)重点对美国城市发展的兴衰历程进行了相关的理论和应用研究。进入20世纪70年代，在罗马俱乐部关注世界面临人口不断增长和资源日渐枯竭的矛盾背景下，研究者期望用系统动力学对这一复杂问题进行剖析并得出成果，Meados在Forrester教授的WorldⅡ模型的基础上，研究并发表了诸如: World Dynamics(《世界动力学》)，The Limits to Growth(增长的极限))，Toward Global Equilibrium(趋向全球均衡))等一系列著作，进而推出的WorldⅢ模型。之后，Forrester教授等人又运用系统动力学先后对美国全国的经济社会进行了相关研究和研究并揭示西方发达国家的经济长波的形成机理，并与20世纪80年代著书公开发表。之后，MIT的系统动力学小组将教学、科研与应用紧密结合，培养了大批系统动力学方面的人才，推动了该学科向世界传播的步伐。

系统动力学在我国发展起步较晚，20世纪80年代，上海交通大学的王其藩教授和上海机械学院杨通宜教授等人对系统动力学在我国的传播，做出了重要的贡献。最初主要用于社会经济发展战略研究，如，上海交通大学应用该模型进行了发展战略研究;华东师范大学为福建建阳做了地区发展战略研究;北京大学为内蒙古东部做了发展战略研究等。目前，系统动力学已经成为自然科学与社会科学中系统模拟的主要工具之一，并被用于工程设计、环境保护、企业系统管理、城市发展与规划、区域经济发展、国土资源的开发与整治等众多研究领域。

三、SD的主要特点

系统动力学既作为一门研究区域经济、社会发展、生态环境保护等方面的学科，集系统论、反馈论与信息论于一体，具有高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈、复杂时序的特点，强调从动态的、系统的、相互联系相互作用的角度去研究和分析问题。其研究的对象通常都具有开放性、复杂性、多维性的特征。

系统动力学是通过定性与定量相结合的手段和结构——功能模拟的方式，构造系统的基本结构，使系统内不确定的因素尽可能“白化”，通过对实际系统的概化和适当地处理，进而模拟系统的动态行为，使问题的研究逐渐变为可为研究者操控。通过经验剖析系统中各变量要素的关系，进而寻求解决问题的方法。其整个建模的过程也是系统自我学习的过程，通过系统建模，也为研究者提供对问题对象的学习、分析和解决策略的模拟平台，即使得整个研究过程也同时是不断学习和反复实践的自我创造过程。系统动力学较好地实现了研究人员、决策人员的结合。系统动力学具体具有如下特点:

结构与功能相统一。研究者从系统的微观结构入手，通过构建系统的正、负反馈回路，研究系统的构成特征和系统的功能行为。

开放性与动态反馈。系统动力学研究的对象是个开放的系统，对系统的研究是从联系、发展、运动的观点出发思考问题，系统内部各要素之间存在着动态反馈的相互作用机制。

整体性与层次性。对系统的分析通常是按照自顶向下、由外而内、由粗到细的过程分解系统。

协同性与相关性。根据自组织理论，系统动力学研究系统由混沌无序演化为稳定有序，系统中各要素存在着一定的因果关系。

王其藩等认为，从系统方法论来讲，系统动力学方法是结构方法、功能方法和历史方法的辩证统一，最适于研究复杂系统的结构、功能与行为之间动态的辩证对立统一关系。

四、SD建模的基本原理

(1) DYNAMO基本术语

DYNAMO(Dynamic Models)是一种计算机模拟语言，其设计的主旨是借助计算机工具构建真实系统的模型，并进行系统结构和功能的分析与行为的系统动态模拟，以下对DYNAMO语言的基本定义做以简要说明:

1)变量

系统动力学通常采用计算机模拟语言DYNAMO语言来编译。采用的变量主要有:水平变量、速率变量、辅助变量、常数。

水平变量，即状态变量，用于描述系统的状态，反应系统变量随时间累积的过程，其受速率变量的直接影响。

速率变量，用于描述水平变量的时间变化，通常取区间段内的平均速率。

辅助变量，用于描述速率变量与状态变量之间的中间变量。

常数，在系统中，随时间变化不明显的参数。

2)方程

水平变量方程，通常用“”和字母“L”来表示，表示累积变化的情况，其积分方程表达式为:

式中: L0为初始状态值; L为t时段后的值; RA为一时段内的流入速率; RS为一时段内的流出速率; t为时间。

上式，一般可用差分方程表示如下:

L.K=L.J+DT*(RA.JK-RS.JK)

速率变量方程，是用来实现系统内物质流的控制。速率方程的输出控制着水平变量方程的增减和在水平变量之间的物质流动。速率变量是水平变量和参变量的方程，用“”和字母“R”表示。

辅助变量方程，是为便于确定和编写速率变量方程，同时也便于观察外部变量对系统的影响，需要用若干辅助方程对速率变量方程进行定义，用字母“A”表示。

常量方程，是与水平变量方程共同决定速率变量的变化。用字母“C”表示。

初始值方程，是为水平变量方程或某些常数赋予的初始值。

3)源与汇

源是实物流的发源地，是从系统外进入系统内的流，用“”表示。

汇是实物流的汇集地，是从系统内流向系统外的流，用“”表示。

4)表函数

表函数是自变量与因变量之间通过列表给出的函数。当不能用函数或辅助方程来定义系统中某些变量之间的非线性关系，或常量在模拟过程中需要改变其值时，可以使用DYNAMO语言中的表函数来刻画。通常是通过定性和定量相结合的方法，依赖于离散的点来描述变量的非线性关系。

5)因果回路图

因果图是描述变量之间的因果关系，若变量A为因，变量B为果，则二者之间的因果关系有:

当若干变量之间存在影响，并形成一个闭合的回路因果，即为因果反馈回路。因果反馈回路包括正反馈回路和负反馈回路:当回路中变量之间的全部为正相关或负相关性个数为偶数时，整个回路即为正反馈回路(图4-9a);否则为负反馈回路(图4-9b)。

图4-9　因果反馈回路图图

6)系统流图

在对系统因果关系分析的基础上，为反映实际系统结构和功能，采用特定的描述符号，表征各变量之间的物质流动的相互关系，故称其为系统流图或系统结构图(如图4-10)。

图4-10　一个典型的系统流图实例

(2)建模的基本原则

系统动力学依据系统的性质和特征，建模应遵循以下主要原则:

系统能完整地用水平变量加以描述;

模型中每一回路至少应包含一个水平变量，且两个水平变量之间不能直接相互影响;

任何速率变量之间不能直接相互影响;

物质守恒原则;

各方程左右两边的量纲须一致。

(3)建模的基本步骤

运用系统动力学对问题进行研究时，需要以系统思维的方式，对问题进行整体思考，重点要从整体的角度考虑问题，通过结构功能分析，明确系统中诸要素之间的相互作用关系，并用定性和定量的方法构建方程并模拟运行和适时调整。

1)问题的识别与系统的定义

了解问题的所在和主要任务，确认必要的假设条件，明确系统的特性，对问题涉及的主要变量进行系统定义。

2)确定系统结构与系统中要素的因果关系

依据建模的目的和主要任务，确定系统边界;

明确系统中诸要素的因果关系;

确定系统中具有积分意义的水平变量和具有微分意义的速率变量;

确定其他变量和参数。

3)构建系统动力学模型

依据系统中诸要素的因果关系逐步完善系统的结构并绘制完成系统流图。

4)对模拟结果进行分析

不断调试某些变量参数，观察系统的模拟运行情况和模拟结果。

5)制定相应的调控政策

根据模拟的情况，对研究的问题提出并制定相应的调控政策。

五、SD建模的主流软件

运用系统动力学进行科研的软件工具最早产生于20世纪50年代左右。起初被称为SIMPLE，后改进为DYNAMO。进入20世纪80年代后，伴随计算机技术及相关的计算机语言的发展，以用户窗口界面为代表的软件工具逐步发展起来。目前，国内外常用的系统动力学软件工具主要有:

DYNAMO:由Forrester教授创立于20世纪60年代，是一种用来翻译并操作运算的一组微分或差分方程式，不具备图形化界面，只能以传统的DYNAMO语言进行编译;

STELLA:运用图形界面进行系统动力学模拟的一款软件。其系统动力学的仿真结果可以通过动画的方式显示输出，主要用于科研和教育方面;

Ithink:与STELLA同属一个研发团队开发而来，其应用主要定位为企业及组织流程模型的构建与仿真;

Powersim:类似STELLA，由挪威政府赞助于20世纪80年代开发而成。具备图形交互界面，其内部的运算统计分析功能较为完善;

AnyLogic是一种够进行基于主体建模的系统仿真工具，它具有开放式的体系结构，可与其他一些软件兼容，支持系统动力学的所有元素(如流图，各种变量，反馈回路，表格功能，数组等);

Venism:开发于20世纪80年代，主要用户为企业、教育、科研。通常教学和实验所使用的为免费的Venism PLE(即个人学习版)。该软件利用图示化编程建立模型，在Windows环境下运行，稳定性和兼容性较好，数据共享能力较强，操作简便，输出方式灵活，对仿真结果可进行数据集分析。运用该软件进行系统动力学研究的基本步骤见图4-11。

图4-11　Venism平台下的系统动力学建模基本步骤

第七节　现代水资源管理GIS开发工具

一、水资源管理GIS开发基本原则

现代水资源综合管理信息系统以GIS技术、数据库技术、计算机网络技术为基础，以地区主要环境信息和空间信息为核心，利用GIS技术对水资源、水环境、水生态、水文化、水景观等要素进行综合分析，通过强大的信息处理功能，使得所有查询及分析结果以地图、文本、图表等方式可视化、直观、生动地显示出来，是一个集易用性、交互性、开放性、可扩充性、智能化等优点于一身的水资源综合规划管理专业支持系统。本系统不仅为地区水资源综合规划的资料整编、各专题交流协调成果展示提供了一个理想的平台，而且为地区的水资源综合管理打下了良好的基础，为水务一体化科学管理和决策提供先进的科学手段。

水资源综合管理信息系统(WRCMIS)的开发，是在整理分析现有资料的基础上，综合运用计算机、水文水资源、地理信息系统、网络通信等多方面技术，将基础信息的管理、区域水资源规划、局部地表与地下水运动的数值模拟、图形显示等融为一体，集成水资源管理信息系统，实现基本信息查询、水量水质计算、污染物的监测与控制、水环境评价等功能，为水资源的科学管理、合理配置等决策提供技术支持服务。

水资源管理信息系统是个复杂的综合系统，包括管理信息系统(MIS)、地理信息系统(GIS)、决策支持系统(DSS)、办公自动化(OA)等。

为更好实现水资源管理系统的预定目标和功能，建成一个适用、先进、高效、可靠的水资源管理信息化、现代化的平台，系统开发应遵循以下原则:

技术适用原则

在适用的前提下力求先进，把水资源管理过程中的新思想、新方法融入到系统的开发中，真正做到数据与图形相融合、GIS与数学模型相结合，把科学计算的结构通过三维情景表现和动态显示的形式直观表现。

系统开放原则

水资源管理信息系统建设不是一蹴而就，而是分阶段逐步实施的。因此，本系统采用开放式结构，在软硬件方面，保证具有良好的扩展性，以便今后系统不断地升级完善。

标准规范原则

系统的硬件建设、数据库开发、代码编码、计算方法、分析评价、系统集成等均将采用标准化方法。有国家、行业标准或规范的，都将严格执行，没有标准或规范的，采用通用做法。

界面友好原则

系统最终是为用户服务的。系统开发应考虑不同层次的用户，设计友好的系统界面，使其操作直观、简便，易维护。

二、水资源管理GIS开发特点

(1)系统特色

实用性，兼容性，可扩展性强。随着规划进程展开新资料的不断补充，系统数据可以逐步的得到充实。

支持图形对象和对象属性的双向查询，支持地图漫游和属性到地图的查询。

根据规划中各专题需要编译生成各专项现状，规划专题图。

根据规划专题需要提供资料查询及报表生成。

系统制图打印灵活方便，可按规范比例尺/标准图幅打印，也可任意图幅和可见范围。

界面友好，操作简单灵活。功能组织条块合理，层次清楚。

(2)设计目标

开发水资源管理软件的主要目的是在利用GIS系统中使用者可以通过点击视图通过table和链接的图表等来了解此处的水资源情况，能够将资料的积累、查询自动化。此外，可以在ArcGIS中venue语言编程对输入的水质检测项进行评价和对输入的水资源量进行计算可以得出当地水资源量的供需状况。有了此项功能使此软件的功能有了亮点，不只是一个便于存贮和快速查询的数据库式的软件，而是可以提供新的数据和对决策提供理论依据的比较全面的软件。

(3)设计步骤

水资源信息管理系统的开发通常需要经过资料收集、资料信息化、数据库设计、数据库实现、界面设计、应用程序开发等6个步骤，具体如下:

1)资料收集

全面收集所建水资源信息管理系统所需要的各种资料。

2)资料信息化

将收集到的各种资料进行整理，提取出系统所需要的信息，然后对各种信息进行分类，通常先按其存储格式进行分类，然后再按其信息内容进行分类。

3)数据库设计

根据数据库存储信息的内容，依据最优化原则，将数据库所要存储的信息进行分类，明确各种数据的意义及其与其它数据之间的关系。

4)数据库实现

根据设计的数据库结构，在Microsoft SQL Server 2000中进行实现，即建立各种表、视图、约束等。建立的数据库，为前台系统开发程序提供数据支持。

5)界面设计

应用程序界面通常依据系统运行流程和系统功能分类进行设计，在设计阶段需要解决的问题是需要建立几个窗体和如何布置每个窗体。界面设计通常遵循以下原则:①保持用户界面的简捷性，即不要使用户界面过于复杂;②保持用户界面的明确性，即使用户不必阅读使用手册即可使用程序;③保持用户界面的内在一致性，即应用程序中相同或相似的控件具有同样的工作方式;④保持用户界面的外部一致性，即使用绝大多数应用程序通常使用的控件和菜单，从而使用户凭借以往的经验即可使用所开发的应用程序。

6)应用程序开发

应用程序开发即将所设计的程序界面进行实现，并编写相应的代码实现特定的功能，满足系统的功能需求。

三、水资源GIS系统架构设计

不同用户对水资源信息管理系统的要求不同，因此对信息的需求也不相同。通常，系统所包含的信息根据系统建设目的、系统服务对象等的不同而有所差异。通常，根据信息存储格式，可将系统信息分为图件信息、文本信息和数据信息三种类型;根据信息内容，又可将水资源信息管理系统所需信息分为自然地理信息、社会经济信息、水资源信息、生态环境信息等类型。

(1)系统功能模块设计

1)地理信息

地理信息通常指与水资源相关的自然地理信息，如水资源分区状况、河流形状、河流位置、河流长度、水库形状、水库位置等，这些信息通常为图件形式。

2)社会经济信息

社会经济信息通常包括人口信息、各种经济社会指标信息等。多为具有水资源开发利用评价功能的系统服务。

3)水资源信息

水资源信息通常包括大气降水、地表水、地下水及水资源工程等。地表水信息通常包括河流流量，河流水质，水文监测，排污口监测，地表水资源量、利用量等;地下水信息通常包括各种监测井监测，地下水水质，开采井，地下水资源量、利用量等;水资源工程信息通常包括堤坝、河段、水库、水闸，地下水库等。

4)生态环境信息

生态环境信息主要包括地面沉降信息、污染河流信息、降落漏斗信息、海水入侵信息、荒漠化信息等。这些信息主要为防止和控制不良地质现象服务。

(2)系统结构设计

在水资源信息管理系统的系统设计过程中，首先要对系统所管理的各种内容进行分类。根据系统所管理的内容不同可将水资源信息管理系统分为若干个子系统，各子系统之间既相对独立又相互联系，共同组成水资源信息管理系统。通常，水资源信息管理系统包括地表水资源管理子系统、地下水资源管理子系统，水环境管理子系统等。

(3)系统功能设计

水资源信息管理系统的功能主要是依据用户对系统的需求，即开发系统的根本目的而确定的。通常，水资源信息管理系统功能的设计以各子系统为单位，分别进行，不同的子系统功能不完全相同。

总的来说，水资源信息管理系统通常具有如下功能:系统安全保护功能，包括用户身份识别，传输数据的加密等;数据库信息的管理，包括数据的导入、导出、修改、查询检索、统计分析、报表生成等;专题管理，包括区域水资源评价、水质综合评价，专题图的制作等。若管理系统结合GIS进行开发，则还具有基本GIS功能，包括图形的放大、缩小、鹰眼等功能，图文互查功能等。

(4)系统实现

在系统中数据库的数据格式主要有文本数据，文档资料，Excel表格，DWG、Arcinfo格式图形数据，相片，影响数据等。根据系统对海量数据以及空间数据的存贮与管理需求，选择SQL Server作为数据库管理系统，实现对空间数据与非空间数据的统一存贮，两者通过ID标识建立连接关系。由于数据来源，形式复杂，格式不一，因此对数据收集与整理入库必须统一规划、分步实施(图4-12)。对于现有的已电子化的数据优先入库;已整理好的，以硬拷贝的形式存在的，需要以手工方式进行输入的在数据输入软件开发完成后进行入库;需要进行整理，需要花费大量的时间、财力的数据，根据情况进行收集、整理、录入、入库;系统运行急需的数据优先整理、录入、入库。对于规划成果按照不同数据格式的要求入库。检查无误的数据按照系统规定的数据组织方式，自动生成专题图库和属性数据库，将图形和属性关联，获得满足需要的数据，进行入库。

图4-12　水资源的使用价值的周期性变化规律

四、水资源GIS开发的工具

水资源信息管理系统开发包括数据库开发和应用程序开发两大部分，其开发工具依据系统功能要求、开发工具的效果及用户对开发工具的掌握程度而定。

数据库开发工具随着数据库代替文件来管理数据以来，数据库技术已经得到很好的发展。目前常用的数据库有SQLServer、Oracle、Sybase、ASA(Adaptive Server Anywhere)、FoxPro以及Access等。常见的大型数据库一般都用Oracle与SQL Server，小型的用Access。各种数据库开发工具都有其各自的优点，但同时又不可避免地存在一些缺点: Oracle与SQLServer开发的数据库存在的问题是用户必须安装上Oracle与SQLServer管理器才可以使用，这对于大型数据库以及高级用户是合理的，但对于小数据库以及初级用户显然是制造了麻烦，并且相对降低了计算效率; Access开发的数据库存在的问题是用户只可以在单台计算机上使用。所以，对数据库开发工具的选择应根据系统功能要求而定。

应用程序开发工具计算机开发语言很多，现在常用的开发语言有由Fortran发展而来的Visual Fortran、由Basic发展而来的Visual Basic、由Pascal发展而来的Delphi、由C++发展而来的Visual C++、还有Borland公司的C++Builder，以及Sybase公司的Power Builder等。虽然各种开发语言的功能都大同小异，风格也所差无几，但各有各的优点。Visual Basic是最简单、方便、易学的，并且它通过控件的方式使开发语言具有可扩展性，多为专业计算机开发人员使用;而C++Builder是Borland公司生产的能够兼容VisualC++程序的开发语言，介于Visual C++与Visual Basic之间; Visual Fortran应用于科学计算，其计算能力强、效率高。所以，对应用程序开发工具的选择也应根据系统功能要求而定。

第八节　本章小结

基于第三章“易学”思想等八种理论，通过系统整合和有机融合而成的水资源系统“易”理论，本章就该理论，首先对水资源系统“易”理论的运行基本原理进行了三方面的推演，即在水资源系统内部，对水资源的配置情况进行了静态分析，之后是水资源系统与经济社会系统、外界生态环境之间的相互作用熵的周期变化以及其之间关系的向量投影进行了分别的剖析论证，然后，对水资源系统整体的四维时空动态演化进行了全景展示;其次，对水资源的价值，特别是水资源的使用价值运用“易”理论中的生命周期方法进行了分阶段地解析，并对水资源稀缺的二重属性和水资源供需均衡分析分别做以介绍;再次基于“易”理论中系统的观点和循环的特点，将水资源进行了分类，并从“易”学的哲学角度对水资源系统的运行特点进行阐释;最后，对现代水资源利用与管理的一些评价方法和水资源系统进行实证研究可能用到的系统动力学的理论与方法、现代水资源管理GIS工具等进行了介绍。