摘要
基于黄河流域面临的三大水资源问题，提出了三种调控手段，水资源短缺的调控、水灾害调控以及生态环境的调控。结合国家973重点基础研究发展规划项目，本文以解决黄河水资源短缺为基本研究任务，全文共分为三篇，需水预测部分、可再生临界理论研究部分以及分水方案研究部分。其中需水预测最终为多维临界调控模型提供数据基础和边界条件；水资源可再生以及临界控制理论研究为多维临界总控模型提供理论依据；分水方案是各省区科学合理配水的基本依据。因此，本研究具有重要的理论和实践价值。论文取得了以下研究成果：
(1)在分析评价了以往需水预测的基本方法的基础上，首次应用遗传算法与神经网络组合的方法进行需水量预测，建立黄河流域遗传神经网络需水预测模型。针对BP算法具有易于陷入局部最小值的缺点，应用改进遗传算法直接以目标函数值作为搜索信息途径，克服神经网络的局部收敛的缺陷。不仅取得了较好的预测结果，也极大的丰富了需水预测的理论与方法。
(2)需水预测结果为：黄河流域在正常来水年份下，2005年缺水12亿m~3，在2010年缺水63亿m~3，在2020年缺水103亿m~3，在2030年缺水127亿m~3。由于生态需水缺乏历史资料，没有进行预测，直接应用“黄河重大问题及对策”的研究成果。在未来四个水平年，黄河缺水问题十分严重，提出只有遵循水资源形成、再生性等客观规律，并对利用、配置等可控制性环节进行有效控制，才能从根本上解
西安理工大学博士学位论文
决黄河流域缺水问题。
（3）从水资源可再生的内涵探讨入手，全面系统的分析不同尺度的水资源再
生特性、水资源再生率、再生周期等特征量，以及水资源多维空间等基本理论。并
对水资源的内涵、水资源承载力、水资源合理配置提出了新的认识。
（4）首次将界壳论引人水资源系统，分析了水资源系统界壳的特征参量，这
些控制参量包括界壳开放度、界壳交换率、界壁厚度以及界门大小等，为水资源系
统周界控制的定量化研究奠定重要的理论基础。
（5）将控制论引入到水资源研究中，创造性的提出了临界控制及其数学表达，
提出以提高农业用水效率为前提的农业用水控制的有效途径，为黄河水量合理分配
提供了科学依据。
（6）现行的黄河的水资源分配体制实际是行政分配手段。其存在不少问题，
诸如上下游工程分属不同部门，政府指令配水模式难以实施；用水量同比例丰增枯
减不利于水资源优化配置和合理利用；政府指令性配水没有引入激励补偿机制等。
论文结合黄河的实际从理论上提出了建立水权转让和水市场制度的水量分配办法。
（7）迄今为止还没有一个既可兼顾效益分配指标，又可兼顾落后地区经济发
展的通用模型。本章在分析国内外关于黄河水量分配模型优缺的基础上，提出了黄
河水量分配的原则，以及具有可操作性的黄河水量分配模型。按权重配水法进行了
配水计算，将权重指标分为实时指标和背景指标，计算的分水结果较87分水方案
在各分区比例上趋势相似，其中河南和山东配水量增加较明显，这与两省农业灌溉
效率指标高有关，其分配结果可供黄河流域水量调度参考。
Based on three water resources problem of the Yellow River basin, put forward such three adjustment means as the lack of water resources , water disaster and environment adjustment. Combined with the nation 973 emphases study programming item, according to the basic study mission of resolving the lack of water resources in the Yellow River, this paper is consist of three parts: forecasting of water requirement study on revival critical theory and distribution project of water resources. Thereinto forecasting of water requirement is the datum basic and critical condition of multi-dimension critical adjustment model; revival and critical cybernetics of water resources is its theory gist; distribution project of water resources is basic gist of scientific and rational distribution in every province. So the research has higher theory and practice value, the main conclusions are shown as follows
(1) According to analyze anciently means of water requirement forecasting, firstly combined with inherit arithmetic and NN to forecast water requirement, built inherit nerve network water requirement forecasting model in the Yellow River basin. Aim at BP arithmetic shortcoming of tend plunging local minimum value, applied amelioration inherit arithmetic in taking object as the approach of searching information to overcome local convergence of NN. Not only acquired better forecasting results but also enriched theory and means of water requirement forecasting.
(2) The forecasting results are: in the normal runoff year of the Yellow River basin, lack of water 12*10 8 m3 in 2005, lack of water 63*10 8 m3 in 2010, lack of water 103*10 8 m3 in 2020, lack of water 127*10 8 m3 in 2030. Because of lack of environment historical datum so straightly applied the results of study on importance problem and countermeasure in the Yellow River. In the future four level years, the problem of water shortage of the Yellow River is very severity, only followed the nature law of water resources formation and revival, controlled water resources using and distribution,
radically revolved the problem of water shortage in the Yellow River. (3) Started with discussing revival meaning of water resources, analyzed differ revival characteristic, revival rate and revival period of water resources, and multi-dimension space basic theory of water resources. Put forward new cognition about water resources meaning, water resources bearing capacity and its rational distribution.
(4) For the first time introduced JieKe theory in water resources system, analyzed character parameter of water resources system JieKe, included opening degree, exchange rate, thickness and magnitude. Established importance theory foundation for quantify research of water resources system perimeter control.
(5) By introducing cybernetics into water resource research, critical cybernation and mathematic representation are presented, at the premise of improving agricultural utilization water efficiency, effective method of agricultural utilization water control is used, which provide scientific ground for rational distribution of Yellow River water.
(6) The Yellow River present water resource distribution system is in fact administrative distribution means. It exists many problems, such as upstream and downstream projects belong to different department, which makes government commanding distribution water means difficultly put into effect; the number of water utilization increases and decreases with precipitation in the same rate, which is disadvantageous to water resource optimize distribution and rational utilization; government commanding distribution water does not introduce encourage and compensate mechanism. Water distribution method of establishing water right transfer and water market system are presented in theory combined with the fact of the Yellow River in this paper.
(7) So far there is not universal model that possesses benefit distribution index and economy development in the poor area. Based on analyzing Yellow River water distrib
引文
[1] 李东等，黄河下游断流成因及其对策研究，黄河断流生态影响及其对策研讨会论文集，北京：中国环境科学出版社，1997
[2] 刘昌明、成立，黄河干流下游断流的径流序列分析，地理学报，55(3)，2000：257～265
[3] 蔡为武，黄河水资源矛盾及其出路探讨，人民黄河，6(6)，1996：54～57
[4] 张会言、陈红莉、何宏谋、张永，黄河地区需水量发展趋势，人民黄河，1996，8
[5] 候传河、张会言、薛松贵，黄河水资源利用现状，人民黄河，1997，10
[6] 水利部黄河水利委员会勘测规划设计研究院，黄河水资源利用规划研究报告，1997，3：76～78
[7] 秦孟佳，黄河流域水资源问题及21世纪供需展望，黄河水利职业技术学学报，11(3)，1999，9
[8] 尤联元，黄河流域生态环境特征与河道治理，中国水问题研究，北京：气象出版社，1996：58～66
[9] 钱伟宏，黄河源头及上游地区人工增雨控制生态环境退化的研究报告，青海省黄河上游人工增雨文集，北京：气象出版社，1999：55～71
[10] 霍俊，实用预测学(第一册)，中国发明创造基金会、中国预测研究会，1984
[11] 林寅，一种时间数列预测技术——鲍克思——金肯斯方法及其应用，数量经济技术经济研究，1984，4
[12] 曾秋成，技术数理统计方法，合肥：安徽科学技术出版社，1982
[13] 上海师大数学系，回归分析及其试验设计，上海：上海教育出版社，1982
[14] 安鸿志，非线性时间序列分析，上海：上海科学技术出版社，1998
[15] 邓聚龙，灰色预测也决策，武汉：华中理工大学出版社，1988
[16] 郑国忠，随机加权法，应用数学学报，1989，3
[17] 陈涛捷，灰色预测模型的一种拓广，系统工程，1990，4
[18] 罗承忠，模型集引论，北京：北京师范大学出版社，1989
[19] 王明涛，确定组合预测权系数最优近似解的方法研究，系统工程理论与实践，20(3)，2000：104～109
[20] Jayawardena A W, et al.Analysis and prediction of chaos in rainfall and stream flow time series,Journal of hydrology, 1994,753:23～52
[21]Porporato A, Ridolfi L. Nonlinear analysis of river flow time sequence. Water Resour. Res. 1997, 33(6):1353
[22]唐小我，预测理论及其应用，西安：电子科技大学出版社，1992
[23]申明亮、许志宏，电力工业发展组合预测研究，人民长江，31(7)，2000：44～46
[24]王郁，组合预测何以兴起，预测，1989(4)：1～3
[25]谢开贵、周家启，变权组合预测模型研究，系统工程理论与实践，20(7)，2000：36～40
[26]高彦春、刘昌明，区域水资源系统仿真预测及优化决策分析——以汉中盆地平坝区为例，自然资源学报，1996，2
[27]刘昌明、何希吾，中国21世纪水问题方略，北京：科学技术出版社，1998：80
[28]中华人民共和国水利部，黄河的重大问题及对策>>(征求意见稿)附件8黄河流域及有关地区社会经济统计与发展趋势预测，1999，10
[29]席家治，黄河水资源．黄河水利科技技术丛书，郑州：黄河水利出版社，1996，94～95
[30]许有鹏，干旱区水资源承载力综合评价，自然资源学报，18(3)，1993
[31]刘国纬、汪静萍，中国陆地-大气系统水分循环研究，水科学进展，8(2)，
[32]张世法，气候变化对水资源影响的综合评价，水文科技信息，10(40)，1993：2～7
[33]许新宜、王浩、甘泓等，华北地区宏观经济水资源规划理论与方法，郑州：黄河水利出版社，1997
[34]邢如楠，大尺度海气相互作用与水分循环，水科学进展，10(3)，1999：271～277
[35]中科院黄土高原综合科学考察队，黄土高原地区水资源问题及其对策，中国科技出版社，1996
[36]张光斗，面临21世纪的中国水资源问题，地球科学进展，14(1)，1999：
[37]周乃晟、贺宝根编译，城市水文学概论，上海：华东师范大学出版社，1995
[38]汤奇成、熊怡等著，中国河流水文，北京：科学出版社，1998
[39]Wood,E.F.,Global scale hydrology: advances in land.surface modelling. Reviews of Geophysics,Supplement, 193～201,1991
[40]Newson,Malcoln David, Land,Water and Development:River Basin Systems and Their Sustainable Management. London:Routledge, 1992
[41]Biswas. A.K.ec al,Water for Sustainable Development in the 21st Century,Oxford University Press, 1993
[42]Wigmosat. M.S,L.W. Vail and D.P. Lettenmaiter, A distributer hydrology-vegetation
model for complex terrain. Water resources Research. 30(6),1665～1679,1994
[43]5American Geophysical Union,U.S.,National report to IUGG, 1991 1994,Contributions in Hydrology, Boulder, Colorado,July, 1995
[44]T.C.Sharma,"stochastic Models Applied to Evaluation Hydrologic Changes",Journal of Hydrology, No.8,1985
[45]Eugene ZS, David CM.Ecosystem evaluation,climate change and water resources planning [J]. Climate Change, 1997, 37:103～120
[46]Rogar O,Huist C,Harshadeep N. Water resources planning in a strategic context:linking the Waer sector to the national economy[J]. Water Resources Research,29(7),1993:1895～1906
[47]Molden D, Sakthivadivel A. Water accounting to assess use and productivity of water[J].Water Resoueces Developments, 15(1&2), 1999:55～71
[48]Slobadan P, Hussan F.A new modeling approach for water resources policy analysis[J].Water Resources Research ,35(1), 1999:294～304
[49]Reddy K R, Gale P M.Wetland processes and Water Qutity:a symposium overview.Journal of Environmental Quality,23(5),1994
[50]Zaudis,George C,Gerakis,Argyfios,Evaluating sustainability of watershed resources management through wetland functional analysis. Environmental Management,24(2), 1999:193～207
[51]Nianfeng L, Jie T ,Dianfa Z.Problem of the Quaternary,geological environment and desertification. Environmental Oeology,38(1),1999:7～12
[52]Braden J B,Ierland. E C.van. Balancing:The Economic approach to sustainable water Management. Wter Science Technic,39(5), 1999:17～23
[53]王增发、黄强、田嘉宁，江河水资源分配模型，水利水电技术，31(9)，2000：12～14
[54]王益能，黄河水资源合理分配问题研究，人民黄河，1996，8：24～28
[55]方创琳，区域可持续发展与水资源优化配置研究——以西北干旱区柴达木盆地为例，自然资源学报，16(4)，2001，7：341～347
[56]陈洋波等，水库优化调度——理论、方法、应用，武汉：湖北科学技术出版社，1996
[57]冯尚友，水资源系统工程，武汉：湖北科学技术出版社，1991
[58]李钰心，水资源系统运行管理，北京：中国水利水电出版社
[59]叶秉如，水利系统优化规划和多目标问题，华东科技情报，1982
[60]黄强、沈晋，黄河干流水库调度及智能决策支持系统，西安：陕西科学技术出版
社，1996
[61]Willam W-G.Yeh, Multiobjective analysis of multireservoir operation, Water Resources Research, 18(5)
[62]T.W. Archibald, An aggrate stochastic dynamic programming model of multireservoir system, Water Resources Research, 33(2)
[63]G.W. Tauxe, Multiobjective dynamic programming with application to a reservoir, Water Resources Research, 15(6)
[64]Qingfu Liang, A comparasion of two methods for multiobjective optimization for reservoir operation, Water Resources Bulletin, 32(2)
[65]林元烈，马氏决策规划在水电站水库群优化调度中的应用简述，水电能源科学，4(3)
[66]郭宗楼，单一灌溉系统最优规划运行的条件机遇约束模型，武汉水院研究生学报
[67]Samuel o. Russel, Reservoir operation rules with fuzzy programming, Journal of water resources planning and management, 1996, (5)
[68]34.M.V.F. pereira, Stochastic optimization of multireservoir hydroelectric system: A decomposition approach, Water Resources Research., 21(6)
[69]张玉新等，多维决策的多目标动态规划及应用，水利学报1986，(7)
[70]张英贵，年调节水电站水库优化调度，武汉水利电力学院学报，1982，(1)
[71]钟平安等，实时水库优化调度决策支持系统及应用，水利水电技术，1994，(1)
[72]余里红等，多目标规划非劣解集图解直接生成法及应用，河海大学学报，1990，(11)
[73]崔远来等，自优化模拟技术在多目标水库优化调度中的应用，水电能源科学，1996，(12)
[74]董增川等，水电站群优化调度的多次动态线性规划方法，河海大学学报，1990，(11)
[75]董增川等，水电站群优化调度的分解方法，河海大学学报，1990，(11)
[76]万俊，大系统分解协调技术及DDDP算法在水库群优化补偿调节中的联合应用，水利水电技术，1994，(5)
[77]高振、唐立新、杨映淮，水资源大系统优化分配模型，基础自动化，7(6)，2000，12：6～8
[78]陈守煜，水文水资源系统的模糊、优化与数据计算，大连：大连理工大学出版社，1989
[79]谢新民等，水电站水库群模糊优化调度模型与目标协调--模糊规划法，水科学进展，6(3)
[80] 李会安等，水电站水库群装机优化的多目标模糊优化方法，西安理工大学学报，1998，
[81] 邵东国等，水库实时优化调度预留库容模糊决策方法研究，系统工程学报， 1999，(3)
[82] 李会安等，多目标模糊优化理论及其在水电系统中的应用，系统工程，2000，(1)
[83] 王道席、王煜、张会言、杨立彬，黄河下游水资源空间配置模型研究，人民黄河，23(12)，2000，12：19～21
[84] 唐德善，黄河流域多目标优化配水模型，河海大学学报，1994，(1)46～52
[85] 王劲峰、刘昌明、王智勇、于静洁，水资源空间配置的边际效益均衡模型，中国科学(D辑)，31(5)，2001：421～427
[86] 王劲峰、刘昌明、于静洁、陈红焱，区际调水时空优化配置理论模型探讨，水利学报，2001，4：7～14
[87] 陈梦五、宋怀兴、翟国勋，水资源开发利用中的“水资源配置”，水利科技与经济，4(1)，1998：25～26
[88] 吴天琪，试论我国农业资源的配置机制及其优化，农业工程学报，13(supple)，1997：220～223
[89] 刘晓岩、王建中、于松林、周建波、王铁民、姚建闯，黄河水市场的建立与水资源的优化配置，人民黄河，24(2)，2002：24～26
[90] 杨位钦、顾岚编著，时间序列分析与动态数据建模，北京：北京工业学院出版社，1986
[91] 魏巍贤，非平稳时间序列预测组合的条件，预测，1997．4：47～48
[92] 邓聚龙，灰色控制系统，武汉：华中工学院出版社，1985
[93] 邓聚龙，灰色系统的 GM 模型，模糊数学，1985，2
[94] 陈国良等编著，遗传算法及应用，人民邮电出版社，1996
[95] 云庆夏等编著，遗传算法与遗传规划——一种白手搜索寻优技术，冶金工业出版社，1997
[96] 刘勇等著，非数值并行算法(第二册)——遗传算法，科学出版社，1997
[97] Goldberg D E. Genetic Algorithms in Search. Optimization and Machine Learning. Addison-Wesley, 1989
[98] Davis L ed. Handbook of Genetic Algorithms. New York: Van Nostrand Reinhold, 1991
[99] Schaffer J D, Whitley, D, Eshelman L J. Combinations of genetic algorithms and neural networks: a survey of the state of the art. Proceedings of International Workshop on Combinations of Genetic Algorithms and Neural Networks, Baltimore, 1992, 1～37
[100] 周明、孙树栋编者，遗传算法原理及应用，北京：国防工业出版社，2001
[101] Kadaba N, Nygard K E, Juell P J. Integration of Adaptive Machine Learning and Knowledge-cased Systems for Routing and Scheduling Applications. Expert Systems with Applications 1991, 2(1): 15～27
[102] Psaltis D, Sideris A, Yamanmuya. IEEE Control Syst Mag, 1998, 8:17～27
[103] Gish H. In: Proc IEEE Int Confon Accosties, Speech and Signal Processing, 1990:1361～1365
[104] 曾维华、杨志峰、蒋勇，水资源可再生能力刍论，水科学进展，2000年第2期，276～279
[105] 张家诚，水分循环与气候背景，水科学进展，10(3)，1999：265～270
[106] 邢如楠，大尺度海气相互作用与水分循环，水科学进展，10(3)，1999：271～277
[107] 马中，自然资源可持续利用，张坤民，可持续发展论，北京：中国环境科学出版社，1997：58
[108] 蓝盛芳，H.T.Odum,中国生态经济系统能值分析与持续发展，陈昌笃，北京：中国科学技术出版社，1993：189～197
[109] Rask in P, Hnsen E, Margolos, R, Water and sustainability, Polestar series report no.4, Stockholm Environment Institue, Bostom, 1995:72～77
[110] 沈大军、梁瑞驹、王浩等，水价理论与实践，北京：科学出版社，1999
[111] Congress summary.Options for closed water system:sustainable water managementinternational WINEK Congress,Wageningen,The Netherlands,1998
[112] 仝川，不可再生资源利用率度量指标研究，自然资源学报，15(2)，
[113] 方创琳，区域发展规划论，北京：科学出版社，2000
[114] 曾珍香、傅惠敏，发展系统的持续性研究，河北工业大学学报，28(3)，1999：6～10
[115] 徐睿、王春元，资源水利发展战略，水利科技与经济，1999．4
[116] 曹鸿兴，界壳理论及其应用，自然杂志，26(3)，2000：145～148
[117] 曹鸿兴，系统周界的一般理论—界壳论，北京：气象出版社，1997
[118] 曹鸿兴，界壳论中的数学问题集对分析与界壳论的理论与应用，北京：气象出版社，2002
[119] 曹鸿兴、陈国范、封国林，界壳理论及其在气象中的应用，气象科技，2001(3)：46～50
[120] Cao Hong-xing, Modelling of a system boundary, Kybernetes, 24(6), 1995:44～49
[121] 曹鸿兴，界壁抗力与界门上、下界(N)，http://potentialscience.org,2002-04
[122] 曹鸿兴，界壁抗力与界门上、下界(N)，http://potentialscience.org,2002-04
[123] 王珂、贺仲雄，复杂大系统中模糊界壳与界门的寻求与控制[A]，2000年系统工程年会论文集[C]，2000：81～86
[124] 贺骞、贺睿，集对、界壳的可拓变换与突变[R]，全国第1届界壳论与第6界集对分析联合年会论文，舟山，2000
[125] 绪方胜彦，现代控制工程，北京：科学出版社，1981
[126] 陈菲琼，控制理论的稳定性分析应用于投资系统模型和价格调节，工业技术经济，1997，1
[127] 陈菲琼，控制论的鲁棒调节理论用于经济系统的调节，工业技术经济，1997．3
[128] 叶文，智能过程控制系统的概念模型，信息与控制，24(4)，1995：193～198
[129] 曾庆存，自然控制论，气候与环境研究，1(1)，1996：11～20
[130] 曾庆存，自然控制论，中国科学院院刊，1(1)，1996，：16～21
[131] 曾庆存，自然控制论，科技导报，1996，11：3～8
[132] 雷恒池、曾庆存、李仑格、朱江，从自然控制论看黄河上游人工增雨，气候与环境研究，6(4)，2001：391～399
[133] Somlyody L, Yates D, Varis O, Freshwater management: problems and challenges, IIASA working paper no, Laxenburg, 1995:31～34
[134] WCED, Our Common Future, Oxford: Oxford University Press, 1987
[135] 阎浩、贺仲雄，权重分析系统[J]，系统工程与电子技术，1992，4：41～45
[136] 张翠兰，农田用水优化配置的熵权系数模型，河北水利水电技术，2002，1：34～37