水資源系統工程

應用系統工程的方法對水資源進行合理的開發利用，包括對水資源的規劃、治理、控制、保護和管理。水資源系統工程從系統總體出發，綜合考慮自然、技術、經濟和社會等因素的相互關係，有目的有步驟地選定開發目標、建立數學模型、應用優化方法和計算機技術，對大量可行的開發利用方案進行定量分析和綜合評價，從而提出總體最優方案，供決策時選擇。

水資源系統的主要特點：①它是一個可控的人工系統與自然系統相結合的複合大系統。它既是為了充分利用水資源，滿足社會需要和促進經濟發展而建立的人工系統，又是一個受生態系統制約和服從水資源本身自然規律的自然系統。②它是空間和時間結構都極其複雜的大系統。從空間結構看，它既包括眾多的工程要素，如大壩、水庫、渠系、水電站、通航和溢洪建築物等，又涉及許多除害興利部門，如防洪、除澇、水污染控制、工農業供水、水力發電、航運、旅遊等部門。它們之間存在著既相互支援，又相互制約的關係。從時間結構看，它包括從水資源開發利用的勘測、規劃、設計、施工到運行管理等階段，是典型的多階段動態系統，有的要歷經60～70年之久的連續過程。③它是一個多目標、多技術方案的大系統。對水資源系統的評價目標涉及經濟、社會、政治、環境、地區等多種目標。為實現系統目標，不僅系統內部可行方案眾多，而且外部戰略性的替代方案也多。如可用火電或核電等來代替水電開發，用公路、鐵路等來代替水道航運等。④它是一個多級遞階的大系統。例如，在流域或地區水資源規劃系統中，按任務和要求通常可將防洪、灌溉、發電等專業規劃分別作為流域或地區規劃的子系統來處理。根據需要還可將這級子系統再細分為下屬的若干級子系統，以便尋求整個系統的最優化。

1955年美國哈佛大學首先制定了水資源大綱，重點研究現代水資源系統工程的方法論。1957年加利福尼亞大學成立了水資源中心。60年代初，美國西部資源會議制定了以水資源為重點的長期科研規劃。這些活動推動了水資源系統工程的發展。60年代，英、蘇、法等國都開展了水資源系統工程的研究，並建立了相應的科研機構。例如，美國北大西洋區域的水資源規劃，阿根廷的科羅拉脫河流域規劃，蘇聯的巴古參茨克水電站的施工設計等都應用系統分析方法進行了水資源系統的優化工作。中國對紅水河梯級水電站的開發規劃、水電站群參數優選和水庫優化調度，以及地區水資源科學分配研究等方面也取得了很大的效益。

水資源開發利用的工作程序如下（見圖）：①明確問題。弄清需要解決什麼問題，即弄清需求和約束條件。②目標選擇。將需求具體化，建立目標體系和評價指標。③方案設計。設計出能達到目標的可行方案。④建立數學模型。根據目標通過數學模型分析各種方案。⑤系統最優化。選定方案的參數和變數，即選擇最優方案。⑥綜合評價。從系統的功能、費用、時間、可靠性等方面進行定量的或定性的綜合分析和評價。通過綜合評價，如系統能最優地滿足需求，則可進入方案實施階段。如不能滿足需求，則可重複上述步驟，直到滿意為止。

在水資源開發利用系統中常用的模型化、最優化和評價、決策方法有以下幾種：①在建立結構模型方面有多級遞階控制結構、解釋結構模型(ISM)等；②在系統優化方面有線性規劃、整數規劃、動態規劃、模擬等；③在系統評價和決策方面有系統分析、成本效益分析、多目標決策、群決策等；④在系統規劃、設計施工和運行管理方面，有網路技術、計劃協調技術(PERT)、關鍵路線法(CPM)、動態規劃等。

在解決龐大的水資源系統問題時，如何處理好系統空間結構的複雜性，保證系統時間結構的連貫性，以及合理解決大型水利工程中生態環境問題等都是水資源系統工程需要進一步研究、完善和提高的主要課題。

W.A.Hall，Water Resource Systems Engineering，McGraw-Hill, New York, 1970.