1.3 用水保障相关研究进展
1.3.1 保证率相关研究进展
保证率一般是指某要素值小于或大于某一数值的可靠程度，通常以某要素在长时期内小于或大于某一数值的累积频率来表示。一般以设计保证率的形式出现。
设计保证率的选定是国家在一定时期技术政策和经济政策的具体体现，与用水部门的重要性和工程等级有关。国外在选择工程设计标准时，采用经济内部收益率、净现值等经济指标来直接表示工程规模是否合适或核算工程实施的经济效益，工程的设计保证率隐含在经济指标之中[12]。故国外学者在供水系统及供水管网可靠性及风险分析方面研究较多[13-22]，在保证率方面研究较少。我国目前与苏联所采用的方式一致，均是直接用设计保证率表达。设计保证率越高，付出的代价越大，承受的风险越小；设计保证率越低，付出的代价越小，但所需承受的风险势必越大。通常，各项任务的设计保证率都要在规划中根据其重要性、特点，结合国家或地区的经济状况和有关工程的自然条件，通过技术经济论证最终选定，主要包括灌溉设计保证率、水利水电设计保证率、供水设计保证率、航运设计保证率等[23]。
在水利水电设计保证率方面，1982年，施熙灿等[24]在水电站水库优化调度中考虑了发电保证率约束；1984年，黄守信等[25]在制订水库优化调度图时也考虑了发电保证率约束。
在供水设计保证率方面，1979年，陈守煜[26]论述了年调节水库供水的概率或保证率，并提出了确定年调节水库不足与多用水量多年平均值的计算方法。1992年，翁文斌和惠士博[27]认为在水资源规划中，仅用供水保证率一个指标来评价系统向某部门的满足程度是不够的，应采用供水保证率和相对破坏程度双重指标来评价；并认为对规划指标年供水可靠程度的评价可采用随机动态模拟方法，仅用实测水文系列、典型频率年法、静态多年调节法等传统方法均存在一定的问题。1994年，李英志等[10]从供水保证率理论出发，分析了水库供水保证率遭受破坏的原因，并提出了相应的防止对策。1995年，吴明官等[12]从理论上阐述了设计保证率选定的复杂与困难，目前不得不根据各部门的用水性质、要求和重要性以及生产实践中所积累的经验，通过国家规范的形式来确定；但通过优化调度可同时满足不同用水部门多种保证率的目的。1995年，叶秉如[28]认为对于年（季）调节水库工程，其供水保证率与设计库容、调节流量有关，需通过效益和投资费用比选来综合确定；对于多年调节水库，可采用合成总库容法、直接总库容法和随机模拟法等通过径流调节计算进行确定。1996年，武健[29]在已建水库水文计算中，对不同用水保证率的用户不同对待，分别进行水量控制，以推求在设计枯水年各用户实际用水的保证程度；并给出了典型年法、长系列列表法和多年调节法用水保证率的计算公式。2002年，林劲松等[30]依据冯家山水库的运用模式，建立了冯家山水库淤积数学模型，对冯家山水库供水进行了调度计算，计算结果表明各用水户的供水保证率均达到了设计要求。2004年，丛黎明[31]以引滦枢纽工程为例，认为通过科学调度可增加北京市的供水保证率。2005年，王勤香等[32]建立了提高引黄用水保证率的非耦合解悬沙模型。2007年，王育杰等[33]认为用水保证率与洪水频率概念基本相同，用水保证率是指用水部门相应于某较小量级用水特征量（如小流量或小水量）所可能得到的用水时间保证率P（%），实质上反映了枯水可能出现的平均概率或概率；并认为用水保证率具有显著的客观随变特点与关联特点，容易受自然条件和人类活动的影响。2008年，纪司明和王海峰认为规模化供水可显著提高供水保证率；同年，李欣[34]认为对于引水为主的水库，处理好供水保证率与水资源利用率的关系对水库调节至关重要。2010年，陈德柱和李华[35]探讨了供水保证率法在水利工程水价核算中的应用。2011年，闵要武等[36]根据研究需要，将保证率定义为以实测资料系列为基础，统计分析某一量级来水或某一水位得到保证的程度，并借鉴经验频率的计算方法，给出了类似的公式。同年，郭有等[37]讨论了内陆核电水源供水保证率的选取；杨国顺[38]认为承担单一工业供水水库的供水保证率可按月保证率进行计算。
在灌溉设计保证率方面，1991年，罗高荣[25]针对灌区灌溉保证率计算问题的特点，讨论了灌溉保证率计算的概念，并应用随机变量函数的概率分布理论、考虑各随机变量不为正态分布且存在一定相关关系的情况，提出了计算灌区灌溉保证率的一般数学模型（基于可靠度分析理论）。1997年，李清富等[39]基于随机思想和可靠度理论建立了一种确定灌区灌溉用水保证率的计算模型，并以示例说明了模型的可行性。2003年，刘强等[40]在计算农业用水保证率（P）时，将其表示为农业可供水量（潜状供水量或现状供水量）（Ws）与农业需水量（Wr）的比值，即P=Ws/Wr；并认为P＞0.8时，农村生活用水及作物需水得到满足，大多数耗水作物产量可达优产。2005年，尹正杰等[41]认为现行的灌溉保证率指标由于不能反映灌溉供水的时间效应和程度效应，评价结果与实际相差较大；故引入作物水分生产函数，通过反演对时段赋权和对缺水分级，提出了一种改进的灌溉供水可靠度评价方法。2011年，赵惠新和李兆宇[42]认为灌溉设计保证率是在经济分析基础上的一项重要技术指标，综合反映水源供水与灌溉用水两方面的影响，能够较好的表达灌溉工程的设计标准；但目前规范中规定的设计值已不适应当今经济社会发展及农业生产需求，需要对其进行适当的调整。通过分析近些年旱灾成灾率的变化过程对粮食产量的影响、人均GDP的变化情况及供水总量对部门用水量的分配关系，表明我国在当前形势下提高灌溉设计保证率是必要的，也是可行的。2012年，朱志方等[43]分析了黄河下游供水保证率偏低的现状，指出了主要影响因素并提出了相应的对策；同年，石凯军和李凯以密山市富密灌区为例，分析了提高灌溉设计保证率的途径。
此外，我国部分学者对生态环境用水保证率进行了研究[44]。
1.3.2 用水安全保障相关研究进展
在我国，区域供水量等于区域用水量，因此供水安全与用水安全的概念基本相同，只是前者从供水工程的安全角度出发，后者从用水户的用水权益出发。
《保障国家水安全战略研究——供水安全专题》[45]中认为，供水安全与防洪安全并列为两大主体性、基础性的水安全，是粮食安全、经济安全、生态安全等涉水安全不可分离的基础，是影响国家安全的支撑性因子，供水安全与否不仅关乎基本人权和社会公平，影响到经济发展的稳定性和可持续能力，同时也是衡量一个社会福利水平高低的重要标尺。该专题认为虽然我国在水资源优化配置和城乡供水保障取得了巨大成就，但受多方因素的综合影响，现阶段我国供水安全保障仍存在一些不容忽视甚至是突出的问题：①供水安全整体保障水平有待进一步提高，全国正常年份缺水500亿m3，特殊情况抗风险体系不完善；②城乡和地区间的供水安全保障能力和水平很不均衡，农村地区、边远地区、贫困地区更是供水安全保障“洼地”；③受水资源自然分布和经济社会要素聚集空间异构性的影响，一些主要城市圈、粮食主产区和能源基地的供水安全形势严峻；④许多地区经济与生态用水竞争性强，经济社会供水保障引发的生态环境外部性问题日益突出；⑤极端和突发事件对供水安全威胁加大，非传统不安全因子影响与日俱增。目前水资源已与能源、环境并列为影响我国经济社会可持续发展的三大制约因子。
供水安全概念来源于水安全概念。水安全问题的研究起步于20世纪70年代。1977年2月，联合国警告全世界“石油危机之后的下一个危机是水”，并把1981—1990年作为“国际饮水供给和卫生”十年[46]。但目前国际上对水安全研究的定义还没形成统一认识，使用较为广泛的是2000年3月，荷兰海牙第二届世界水论坛通过的《21世纪水安全海牙宣言》中提出的定义，即“确保淡水、沿海和相关的生态系统得到保护和改善，确保可持续发展和政治稳定得到加强，确保每个人能够以可承受的开支获得足够安全的淡水来保持健康和丰富的生活，确保人们不受与水有关的灾难的侵袭”[47]。2001年的世界水日，时任联合国秘书长的科菲·安南在献词“水安全——人类的基本需要和权利”中指出：“水安全是人类的基本需要和基本权利。污水会危害人类的健康，阻碍社会的进步，侵犯人类的尊严。让我们共同庆祝世界水日，让我们重申我们的承诺：为所有的人提供清洁、安全和有益健康的水。”我国学者先后从河道洪枯流量、水污染防治、资源水利、生态水利等方面，对水安全问题进行了大量研究；并从生态角度、水资源角度、社会经济和资源角度等角度对水安全进行了定义[46]。胡松等[48]就目前水安全现状的研究从其内涵、评价、对策三个主要方面进行了总结分析，并认为加强基础理论研究，建立不同区域、不同层次的水安全评价指标体系并改进评价方法，深化对策研究，环境变化下水安全研究是今后的发展方向。水资源安全的研究目前也较多，但同样没有明确的界定与相对明确公认的概念。畅明琦和刘俊萍[49]通过对水资源安全基本概念研究进展的梳理，认为水资源安全与水安全是两个不同的概念。郭梅等[50]对水资源安全问题研究进行了综述。郦建强等[51]对我国水资源安全现状进行了综合评价，对存在的主要问题进行了分析。
相比于水安全和水资源安全，目前供水安全的研究相对较少，且多集中在城市供水安全方面。万众华[52]认为供水安全应包含自然属性和社会属性两方面的含义：供水水质在使用中能够保证人体的健康，不因水导致任何疾病，即供水在自然属性上的安全性；供水系统在遭受突发事故的威胁时，应具有良好的预防、保护、应急和恢复功能，即供水在社会属性上的安全性。葛华军和施春红认为供水安全的标准是供水满足各类用水如居民生活、工业、生态环境、消防等的需要，从而适应经济和社会发展。这要求供水在数量、质量甚至压力方面都同时满足用户的需求，从取水到供水的工程设施完备，输水路径和配水方案合理，并在运行过程中保证安全、可靠、经济合理[53]；认为城市供水安全指基本保证城镇居民赖以生存及维持城市正常运转的用水需求，考虑到了保证城市持续供水能力以及在城市供水的生产、输送和使用各环节的效率问题[54]。冯一谦[55]认为所谓足够的供水能力即城市的总供水能力最低也应大于城市最高日需水量，供水安全任务是保证不间断供水，不仅涉及到供水能力，也对处理工艺和应急措施有一定要求：供水能力应当充足，处理工艺应当完备，应急预案和应急措施应当快捷有效。王怡宁等[56]认为供水安全应包括供水条件及潜力、实际供水保障、生态环境保障和抗风险能力等四个方面。陈康宁等[57]认为供水安全是相对于当前与未来国民经济社会发展的合理用水需求而言，在水量、水质、稳定性、价格等四方面的满足程度，以及规避和消除威胁和风险的能力。
无论是供水安全还是水安全，在安全评价方面研究较多，而在安全保障方面研究相对较少。对于前者，目前主要集中在水安全评价指标体系、指标权重和评价方法的选择等方面，均为综合评价[46，58]。对于后者，国外主要集中在对区域水资源承载力计算和水安全突发事件应急对策研究两方面[59]。我国学者陈家琦认为水的安全保障应涉及以下几方面的内容[6]：①为支持社会和经济发展的需要，对各类用水要求提供适当保证程度的、质和量都可满足需要的水供应；②通过江河治理，减轻因洪涝造成的灾害损失，保护人民生命财产，维系社会稳定；③努力增加可利用水量，开发除河川径流和地下水之外的可利用水源；④不断改善水环境，治理水污染，减少污染源，并与整个环境治理同步；⑤推行合理用水和节约用水，实行水资源统一管理，治理水土流失现象；⑥注意开发利用水资源对有关生态和环境的影响。对于水资源系统安全保障，王元元[60]认为保障水资源系统安全就是保证水资源数量和质量性状的良好可持续，保证经济社会的发展不因水资源问题而受到抑制，保证水资源开发利用不给生态环境带来不可恢复的影响或破坏，水资源系统各属性功能正常发挥，且能保有这种状态。对于供水安全保障，翁文斌和惠士博[27]针对水资源规划，建立了动态模拟方法，对规划供水可靠性进行了分析；欧阳芳[61]从调水工程的规划、设计、施工建设、运营等阶段进行经济风险分析，并建立了调水工程经济风险保障体系。乔玲[62]从地下水应急开采潜力的角度出发，开展了城市供水安全保障系统战略研究。司春棣[63]针对现有引水工程安全管理中存在的不足，以引滦入津引水工程为背景，就如何建立引水工程安全保障体系问题展开了相关研究。李香云等[64]依据塔里木河自然环境特点和流域水循环规律，在保障社会经济发展用水的前提下，探讨了塔里木河流域生态环境用水安全保障问题。商崇菊等[65]从粮食安全的概念出发，讨论了贵州粮食安全方面存在的问题，从农田用水保障角度总结出针对区域粮食安全的贵州农田水利面临的挑战，探讨了基于粮食安全的贵州水利保障机制完善思路。高忠伟等[66]从地震可能破坏供水管网的角度出发，研究提出了有利于在大震下全面提高我国城市用水保障能力的建议。张扬锁[67]针对极端天气条件下的城市安全供水问题，提出了全面建立健全城市安全供水保障体系的基本思路和对策。刘俊和俞国平[68]认为供水系统可看作由多个子系统串联组成的多级屏障，包括水源取水工程、水厂净化处理工程、供水管网、输配水管道等，其中任何一个子系统出现故障都对供水系统的正常运行造成影响，从而威胁供水安全，因此，供水安全保障需要建设供水日常安全保障机制和应急体系。对于用水安全保障，目前研究更少，不过研究供水或用水风险分析和管理的较多[69-72]，可供借鉴。王春元和杨则成[73]结合实践探索与理论研究的基本情况，对城市生态环境用水的安全保障进行简要分析。阮本清等[74]以黄河下游沿黄地区供用水系统为例，针对该地区用水系统与黄河来水的不同步性，建立了水资源系统风险分析模拟模型；并采用蒙特卡洛（M-C）随机模拟技术对黄河下游供用水系统在不同用水规模情况下的缺水风险进行了随机模拟，即求出了可供水量小于需水量的风险率。反过来，也是求出了可供水量大于需水量的用水保障程度。束龙仓等[75]研究了地下水过量开采的概率风险，崔健[76]研究了南水北调西线一期工程雅砻江流域引水枢纽的供水风险，王红瑞等[77]基于模糊概率理论建立了水资源短缺风险评价模型，并对北京市1979—2005年的水资源短缺风险就那些了评价，常福宣等[78]对汉江中下游供水风险进行了敏感性分析，刘佩贵和陶月赞[79]对采用均衡法评价地下水可开采量的风险进行了分析，张验科[80]对综合利用水库的调度风险进行了分析。
1.3.3 水资源合理配置研究进展
国外水资源合理配置研究工作起步较早，源于20世纪40年代Masse进行的水库优化调度研究[81]。50年代以后，随着计算机的发展，同时由于数学规划、分析理论以及计算机模拟和优化等技术的突破，水资源合理配置的研究逐渐增多并得到广泛应用，由单目标模型向多目标模型发展，将模拟与优化模型相结合，建立起不确定性和模糊优化模型[82]。1955年，美国哈佛大学的Harvard Water Program提出了将水资源与环境系统统一考虑的设想，探索经济目标、工程分析和政府决策间的关系，于1962年发表了《水资源系统分析》一书，将系统分析引入水资源规划，开始了流域水资源配置模型研究[83]。1972年，Burasn[84]出版的《水资源科学分配》一书系统阐述了线性规划和动态规划在水资源配置中应用研究。1975年，Dracup和Fudmar采用系统分析方法对南斯拉夫Moraua流域的水资源规划管理进行了研究[85]。1978年，Shafer等[86]在系统模拟的基础上，研究水资源的优化配置和管理，并建立了流域水资源管理模型。1979年，美国麻省理工学院完成了根廷河RioColorado流域的水资源开发规划，影响较大[85]。1981年，Loucks等[87]在其颇具影响的专著《水资源系统规划与分析》中着重阐述了如何运用系统分析方法指导水资源工程规划、设计和运行管理；并认为，人类对时空分布合理、数量质量合适的水资源需求的不断增长，已促使水资源工程师和规划者们不得不运用更为复杂的水资源系统规划方法来解决水资源问题。1982年，Romijn等[88]构建了水资源分配的多层次模型，该模型考虑了不同用户对不同功能性质的水的需求，体现了水资源配置的层次性和多目标性。同年，Pearson等[89]采用二次规划方法，在多个水库的控制曲线的基础上，对Nawwa区域进行了水资源的优化配置，此方法的目标是产值最大，约束条件为输水能力和预测的需求值。1987年，Willis等[90]应用线性规划方法，以供水成本最小或水资源供给不足带来的经济损失最小为目标，采用SUMT方法研究了地表水库和地下水含水层的水资源联合管理问题。总之，国外学者在水资源配置方面的研究虽然取得了很大进步，但这一阶段，主要是以水量配置为主。
20世纪90年代以后，随着水污染与水资源短缺危机的日益严重，水资源合理配置逐渐引入水环境目标以及水资源可持续利用等因素。1992年，Afzal等[91]构建线性规划水资源配置模型来优化不同水质水量的综合利用，并应用于Pakistan某地区的灌溉系统。1994年，Booker等[92]建立了集水文、经济和制度于一体的优化模型CRIM（科罗拉多河流域优化模型）。1995年，Watkins等[93]建立了基于不确定性的水资源联合调度模型。1997年，Wong等[94]考虑了多种水源的联合应用，如地表水、地下水和外调水等，提出了支持多水源联合运用的多目标多阶段水资源优化管理方法。
21世纪以来，水资源优化配置与地理信息系统（GIS）、经济模型和水文模型相耦合，一些新的优化算法和理论研究也逐渐应用到水资源管理研究中。2000年，Minsker等[95]基于系统的不确定性，提出了水资源合理配置的多目标分析模型，并采用遗传算法进行了求解。2002年，Makinny等[96]将水资源优化配置模型与地理信息系统（GIS）耦合在一起，运用面向对象技术模拟研究水资源在流域内的合理分配。2005年，Yamout等[97]针对黎巴嫩的Greater Beirut地区，将社会环境影响以供水费用的形式纳入到模型中，建立了一个多部门合理配置水资源的优化模型与水资源管理的决策支持系统。
我国在水资源配置方面的研究起步相对较晚，从最初研究以水利工程为单元，而后逐渐发展到区域以及流域及跨流域的水资源优化配置，取得了较大的进展[98，99]。始与1982年的国家“六五”“七五”重点科技攻关项目“华北水资源研究”，不仅对华北地区水资源总量及其基础数据库以及“四水”转化规律等进行了广泛研究，也对该地区水资源问题的根本解决措施进行了基础性探索，产生了水资源合理配置概念。1986年，曾塞星和李寿声在内蒙古河套灌区地表水地下水联合优化调度中，采用动态规划方法确定各种作物的灌水定额及灌水次数；1989年，针对江苏徐州地区欢口灌区，以农作物最优种植模式作为目标，建立了非线性规划模型[100]。1992年，唐德善[101]针对黄河中游灌区，建立了大流域水资源多目标优化分配模型，该模型使用递阶动态规划方法，在农业和工业之间对可利用水资源量进行优化分配。2004年，赵丹等[102]以系统分析的思想为基础，建立了面向生态和节水的灌区水资源优化配置序列模型，该模型运用多目标多情景方法，并综合考虑了水权、节水和生态环境等因素。
在区域水资源合理配置方面，由于结构较为复杂，影响因素相对较多，多以多目标和大系统优化技术为主进行研究。1989年，贺北方[103]建立了大系统逐级优化模型，该模型考虑了产业结构的调整，并运用多目标优化法对区域可供水资源量进行合理分配。1995年，翁文斌等[27]提出了多目标和多层次的群决策方法，并将宏观经济纳入水资源优化配置理论。2001年，吴泽宁等[104]提出了污染后果法用于水资源配置中环境价值评估，以经济、社会和生态环境等综合效益最大为目标。2004年，王忠静等[105]建立了区域经济与需水交互分析的需水预测模型。同年，吴泽宁[106]基于生态经济，运用粒子群算法，建立了区域水质水量统一优化配置模型。2005年，邵东国等[107]基于水资源净效益最大，构建了水资源优化配置模型，该模型包括配置方案生成模型及其合理性评价模型两个子模型；同年，李景海[108]研制出一种基于规则的水资源配置模型，朱厚华[109]构建了多水源多用户动态水资源合理配置模型。2007年，邴建平[85]建立了多目标群决策的区域水资源配置。2012年，王丽珍[110]从需水管理的角度出发，建立了基于复杂适应系统理论的区域水资源以供定需优化配置模型。
在流域水资源优化配置方面，多从复合系统出发进行研究。1994年，唐德善[111]建立了黄河流域水资源多目标分析模型，对黄河流域进行了优化配水研究。2002年，陈晓宏等[112]针对东江流域的具体情况，采用了大系统分解协调理论，建立了多层次优化配置模型。2003年，王浩等[113]提出“三次平衡”的水资源配置理论，从两个层面（用水和水循环）分析水量态势。同年，赵建世[114]针对黄河流域，引入复杂适应系统理论（CAS）并和水资源系统的基本特征相结合，建立了水资源优化配置整体模型。2005年，唐德善等[115]以综合效益最优为目标，使用多目标递阶动态规划方法，建立了流域水资源优化配置模型。2011年，赵兰云[116]基于可持续发展的思路，建立了石羊河流域的水资源优化配置模型。2013年，侯丽娜[117]考虑到天然来水和需水具有一定的周期性及不确定性，建立了基于来水和需水的周期规律及不确定性的水资源优化配置模型，并应用于海河流域。
在跨流域水资源调度配置方面，多采用模拟技术与多种技术相结合的方法进行研究。1994年，邵东国[118]以南水北调东线为例，以弃水量最少作为目标，建立了自优化模拟决策模型。1997年，卢华友[119]建立了大系统分解协调实时调度模型，并应用于南水北调中线工程。2007年，牛文娟[120]提出了多主体（Agent）系统的概念，建立了水资源多Agent系统优化配置模型，并将模型应用于南水北调东线工程。
水资源合理配置理论和方法日益完善，为我国水资源综合规划和未来的水资源开发利用提供了一定的科学指导理论和技术方法；区域水资源的合理配置，为用水户的用水安全保障奠定了基础。