第五节 水土资源优化配置研究进展

水土资源是生态系统结构与功能的重要组成部分，是维持生态系统良性循环的基础物质，是不可替代的自然资源。两者具有自然、社会、经济和生态属性，在时间和空间上相互依赖、相互影响、相互制约，在人类不同的使用过程中发挥着不同的属性^［98］。土地资源是保障水资源发挥最大优势的前提，是否合理利用了水资源，将直接影响到土地资源的生产效率，而水资源的利用也被土地资源的利用程度制约着，较高的土地资源利用效率，可为合理开发利用水资源创造条件，水资源与土地资源的分析研究是紧密联系的^［99］。因此，必须将水资源和土资源有效地结合起来进行科学而合理的优化配置研究，才能够有效地节约现有资源，创造最大效益，并积极促进环境保护和生态可持续发展。

一、水土资源优化配置的概念

资源配置（资源布局或资源分配），指的是以特定的自然、社会与经济条件为前提，为达到人类社会和经济的需要，对资源在一定时期、区域、用途和数量的安排，时间、地点、用途和数量构成了资源配置的四种基本要素^［100］。资源的配置强调了资源的经济属性、多宜性与稀缺性，水资源与土地资源这两者均具有上述三重特性，因此，需要对区域进行水土资源优化配置来实现区域的综合效益^［99］。

水土资源优化配置是在一定条件下，根据可持续发展与因地制宜的原则，通过调整农业布局与内部结构，制定科学的水土资源开发计划，并用各种先进的技术手段做辅助，对区域内有限的水资源及土地资源进行时空上的设计、安排和组合，以此来提高水土资源的利用效率，保持区域内生态系统的稳定和平衡，实现区域内水土资源的可持续利用，配置的结果最终要实现社会效益、经济效益与生态环境效益目标的协调和统一^［101］。

二、水土资源优化配置的研究方法

水土资源优化配置研究一直都是配置研究的重点内容之一，大多数是以建立数学模型求解相对最优的资源供需配置为基本方法，常用的主要方法和数学模型有多种，包括线性规划、动态规划、多目标规划、系统动力学等方法^［102］。

1.线性规划

线性规划模型是目前应用最早、最广泛、最成熟的一种优化决策模型。它主要研究在线性约束条件下线性目标函数求取最大值或最小值问题，有一般线性规划方法和灰色线性规划方法^［103］。沈允武利用线性规划和动态规划相结合的方法，解决了尼罗河流域灌溉系统在缺水状态下各种作物之间水资源的优化配置问题^［104］；刘春平等在咸淡水地区种植结构优化模型研究中利用线性规划方法构建了特定地区种植结构优化模型^［105］；Afzal等针对Pakistan某个地区的灌溉系统建立了线性规划模型，对劣质地下水和有限运河水的使用问题进行了优化^［106］；张正栋以榆中县灌溉型水土资源利用系统为例，基于线性规划理论以水土资源利用系统取得最大经济效益为目标函数建立了农业内部结构优化模型^［107］；Feiring B R等运用随机规划数学模型规划了农业灌溉用水量^［108］；Juan R等根据水边际效益最大化原则，在缺水灌溉系统水资源优化配置模型的研究中建立了整个流域、灌溉地区、作物系统等不同层次的水资源优化配置模型^［109］；姚华荣以土地利用现状分析和土地资源评价为基础，以水资源和社会经济需求等条件为约束，计算和分析了各土地利用类型适宜性等级，利用灰色线性规划模型对区域水土资源进行了优化配置，最后给出了相应的配置方案^［110］。

2.动态规划

动态规划是一种数学方法，主要是用来解决多阶段规划决策问题的。对水土资源进行优化配置，要考虑生态保护、经济发展、社会的综合效益等多种因素，为了达到最优化的目的，常常会出现不可避免的矛盾，就需要采用多目标决策模型进行区域水土资源优化配置。应用动态规划进行水土资源优化配置，主要是要综合考虑水土资源的优化配置和其他因素，可取得的最满意结果，但是，实际操作比较困难^［103］。动态规划多用于确定单一作物和多种作物的最优灌溉制度。Dudley N^［111］与Bras R L^［112］分别将动态规划模型应用到了单一作物和多种作物最优灌溉制度的确定中；马金珠等以水量分配和经济效益为决策目标，建立了多种作物间灌溉水资源最优化分配的双层动态规划模型^［113］；崔远来针对水稻灌区的特点，建立了两层分解协调模型，第一层用SDP模型求解了在非充分灌溉条件下单一作物的最优灌溉制度，第二层用DP模型将有限水土资源在多种作物之间进行了最优分配^［114］。

3.多目标规划

多目标规划模型是在单目标决策的基础上发展起来的最优化决策技术，以解决资源管理中经常出现的对多个相互冲突目标进行权衡选择的复杂问题为目的^［115］。主要有多目标规划、目的规划、均衡规划和替代价值权衡法等方法。Elizabeth M Evans利用多目标综合规划模型，对埃尔安赫尔流域的灌溉优化进行了研究，建立了厄瓜多尔塞拉利昂地区灌溉水资源优化配置方案^［116］；王昕等以区域经济净效益最大为主目标，以可耕地面积、总可利用水量、资金等为约束条件，以黄泛平原中低产田水土资源利用为例，采用多目标线性规划进行了水土资源的优化分析^［117］；田冰等采用多目标规划模型，研究了河北省栾城县的区域农业水土资源优化问题^［118］。

4.系统动力学

系统动力学是一门以系统论、信息论、反馈理论为基础，借助计算机仿真技术，以模拟经济、社会、生态系统动态行为为目的，用于现代科学决策和预测的有效工具。主要针对的模型为水土资源承载力系统动力学模型。何洪林等将水土资源开发利用系统分为人口、粮食、水土资源开发利用、环境等子系统，以吐鲁番水土资源开发利用动态分析的研究为例，建立了仿真实验系统动力学模型^［119］；任望兵等在对哈密地区水资源系统、供需各要素的相互关系及其反馈信息分析的基础上，通过建立水土资源协调开发的系统动力学模型，而获得了在一定水资源利用状况下，最大可利用土地面积及相应作物种植结构等^［120］；余卫东等以仿真实际系统的结构与功能为目标，将系统动力学模型应用于水资源承载力研究，得出了系统动力学适合于研究复杂的非线性动态系统的时间响应的结论^［121］。