第二节 水资源管理技术研究
一、水资源监测与评估技术
水资源监测是水资源管理中的一项重要的基础工作，是获得准确的水资源动态资料的技术手段，是进行水资源科学管理的前提。在发达国家，水文水资源监测技术水平较高，水文站网密度较大，为水资源管理服务的监测站也较多。如：美国地质调查局（USGS）共有7292个水文站，其中：装有卫星遥测设施的水文站所占比例从1983年的14%增加至1997年的64%；约有4200个水文站的资料用于了解和计算水资源量、引水量和回归水量。而我国在地表水资源监测方面采用自动监测记录方法，流量测验主要采取巡测、自动测流等技术。当流量监测断面通过测流断面整治、单值化等技术处理能建立稳定可靠的水位流量关系时，采取自动监测水位以推取流量的方法。
从20世纪50年代开始，西方一些发达国家对水质监测管理高度重视，他们把河流治理的重点放在污水处理和河流水质保护上。为恢复河流水质，政府投入了大量资金，强化污水处理和控制排放，到20世纪80年代初河流污染问题得到一定程度的缓解。而我国在水质监测管理方面是按我国重要江河湖泊水功能区监测及国家重要饮用水水源地监测为主的。其中，纳污总量控制断面实现对所有重点入河排污口的有效控制；监测断面与水文测量断面重合。缓冲区监测断面布设需考虑省际河流的上下游或者左右岸关系。
另外，随着计算机技术的发展以及现代通信技术的普及，利用先进的科学技术对水资源进行实时监控是一些发达国家水资源管理的新思潮。如：澳大利亚许多州都建设了水资源实时监控管理系统，通过对各种水资源信息的自动采集、传输、预警预报、决策支持、工程自动控制等，实现了水资源的优化配置和实时调度，同时还和收费系统相结合，做到自动收费；美国纽约州的城市供水水质实时监控系统，以纽约州城市供水水质标准为依据，实时监控城市供水的水质状况，确保水质达到饮用水标准。以上水资源监测系统的成功应用，极大提高了水资源综合管理的效率。
在水资源预测评估方面，王浩等（2006）提出了基于二元水循环模式的水资源评价理论方法。水资源质量评价也由单一指标评价发展为多指标综合评价，评价方法不断发展与创新，各种新的评价方法如水质模糊层次综合评价、灰色聚类决策模型、人工神经网络模型、多级关联分析方法等运用于水资源质量评价，使评价结果更加客观地揭示水质状况；特别是“3S”技术的出现和发展，为水资源质量评价和管理提供了新的思路和更为直接的管理。世界各地水文学家开发了许多分布式或半分布式流域水文模型。在美国和加拿大常用的模型有HSPF模型、HEC-HMS模型、SWMM模型等；在欧洲常用的有HBV模型、IHDM模型等。我国研究应用较多的模型有新安江模型、TOPMODEL模型、MIKESHE模型、WEAP模型、半分布式的月水量平衡模型等。总体而言，我国水资源预测评估尚处于起步阶段。我国从国外引进了一些地下水分析的系统模型，如MODFLOW、FEFLOW、人工神经网络（ANN）等模型，在安徽、山东、河南和河北等地进行地下水动态模拟预测，取得了较好的效果。
由于我国水资源在时空分布上的极度不均匀性，使得水资源的供需矛盾非常突出。水资源适应性管理就是针对这种不确定因素提出的，而水资源监测与评估技术是通过监测人类利用降水、地表水、地下水的情况以及人类对地表水、地下水所造成的污染状况，评价水资源状况，分析人类需水情况，预测将来的水资源变化情势，以信息系统等方式快速分析预测水资源状况。这为水资源适应性管理提供了有效的技术支撑。
二、水系联网技术
国外许多建设和管理方面非常优秀的调水工程，如美国的加州北水南调、俄罗斯的北水南调、巴基斯坦的西水东调、以色列的北水南调、秘鲁的西水东调等，这些都是比较完善的水资源网络系统。Francois Molle、Philippe Floch （2003）在《大型工程项目与社会和环境变化——以泰国“水网”为例》一文中，分析了泰国国家“水网”大型工程项目的发起、管理以及其经济和环境合理性。H.Maroukian等（2008）研究了希腊两个地区的国家水网，分析两者之间的异同以及经济、环境的合理性。Jaroslaw Jasiewicz、Markus Metz （2011）把GRASS GIS用于区域水网中，分析了这种方法在水资源管理方面的合理性。目前我国水系联网技术尤其是现代水网的建设蒸蒸日上，取得了巨大的成效。赵清松、彭录业等（2004）深入分析了潍坊市白浪河水库工程的建设，提出了水系联网是解决白浪河水库水源不足的根本措施。姜成堃（2006）深入研究了青岛即墨市现代化水网的建设和水资源的高效开发利用。王勇、庄维刚、孔祥玲（2008）通过分析潍坊市白浪河水系联网工程，提出了建设水系联网工程，可实现洪水、弃水的跨流域调度配置，实现洪水、弃水的水资源化利用。“国家智能水网工程框架设计研究”项目组于2012年提出了智能水网可作为水利现代化建设的综合性载体，能有效承担起引领新时期水利现代化建设的根本任务，是推进水利现代化建设的综合性抓手。王忠静、王光谦等（2013）提出了水联网及智慧水利的概念，构建集物理水网、虚拟水网和市场水网一体的现代化水资源系统，从而提高水资源高效利用。综上所述，水系联网技术在水资源适应性管理监测、评估、水资源优化配置方面提供了技术支撑。
三、水资源优化配置与调度技术
水资源优化配置是水资源开发利用的研究热点，其研究工作最早起源于20 世纪 40 年代 Masse 提出的水库优化调度问题，并于20世纪60年代后得到迅猛发展。近几十年来，国外学者采用线性规划、动态规划及遗传算法、蚁群算法、粒子群优化算法、模拟退火、混沌算法等智能算法对水资源优化配置的模型及方法开展了研究。线性规划法是水库优化调度中常用的最简单的规划方法，它的优点是简单易行且能够收敛到全局最优解，因此其在水库优化调度中得到了一些应用。最早提出遗传算法的是美国密执安大学的Holland教授，他通过建立具有选择、交叉和变异操作算子的人工自适应系统来实现。由于其具有易编码、使用简单、鲁棒性强和隐含并行性等特点，是水库群优化调度最常用的方法之一。目前，国际上对水资源配置的研究更多的是在水资源系统模拟的框架下进行的，并开发了许多应用价值较高的相对成熟的水资源模拟软件，比较有代表性的有Mike Basin（丹麦）、WMS（美国）、Aquarius（美国）、Riverware（美国）和Waterware（奥地利）等。Letcher等开发出澳大利亚纳奥米河流域水资源配置综合评价模型，不仅包括了水资源管理，还考虑了一系列的环境问题。
从20世纪60年代开始，我国在水资源优化配置方面做了大量工作。90年代初，陈志恺等首次开发出基于宏观经济的水资源配置模型，研制了京津唐地区水资源规划决策支持系统。黄河水利委员会（以下简称黄委）于1998年进行了“黄河流域水资源合理分配及优化调度研究”，综合分析了区域经济发展、生态环境保护与水资源条件，是我国第一个针对全流域进行的水资源配置研究。王浩等在“黄淮海水资源合理配置研究”中，首次提出水资源“三次平衡”的配置思想，系统地阐述了基于流域水资源可持续利用的系统配置方法，其核心内容是在国民经济用水过程和流域水循环转化过程两个层面上分析水量亏缺态势，并在统一的用水竞争模式下研究流域之间的水资源配置问题。另外，2005年李小琴对黑河流域水资源进行了预测，提出了多套水资源优化配置的模型，在模型求解的基础上对水资源可持续承载能力进行了评价；2006年董贵名建立了基于 GIS 的南水北调中线工程水资源优化配置决策支持系统，并利用改进的遗传算法进行了模型的求解。2011年，许继军等对长江流域的大型梯级水库群的水资源优化配置进行了理论和方法上的研究，并利用 3D 可视化技术进行了仿真模拟。
水资源合理配置就是研究如何利用好水资源，包括对水资源的开发、利用、保护与管理。这与水资源适应性管理的理念不谋而合，在水资源管理过程中，水资源优化配置与调度技术正好能为水资源的适应性管理工作做好技术支撑。
四、非常规水利用技术
节水、苦（微）咸水淡化、海水淡化、雨洪水利用、中水利用、再生水利用、污废水处理回用等非常规水利用技术的研究、应用和推广，对于缓解世界水资源短缺问题、促进饮水安全和节水工作具有重大的意义。国外特别是发达国家对于非常规水的研究比较早，积累了很多经验。如以色列20世纪60年代就致力于海水淡化的研究；日本20世纪60年代就开始使用中水，目前经过深度处理的中水已经加到饮用水管中，同时重视再生水和雨水的利用；美国大力提倡水的再利用和再循环；德国长期致力于雨水利用技术研究和开发。澳大利亚、加拿大、瑞典、印度、巴西和墨西哥等国家采取修建小型水池、水仓、塘坝等工程措施，拦蓄雨水进行灌溉，都取得了良好的效果。Anouar Rich、Youssef Mandri等（2012）以尼斯、拉巴特及马赛布周边的海水为例，深入研究了海水冻融技术获取淡水的参数。我国是水资源短缺的国家，所以非常规水的利用显得极其重要。2010年“第三届全国非常规水源利用技术研讨会”讨论了苦咸水淡化技术、海水淡化技术、工业废水和生活污水回用技术、雨洪水的收集及净化技术等。参会代表参观的杭州水处理技术研究开发中心承建的舟山六横岛10万t海水淡化项目，使海水淡化项目的国产化率提高到70%以上，对行业技术进步产生了重大影响，实现了我国反渗透海水淡化技术和产业的跨越式发展。赵雅琦（2011）分析了沧州市咸水、微咸水、再生水、海水、雨洪水等非常规水资源情况，论述了非常规水资源的利用技术，建议充分利用非常规水资源，以缓解当地水资源危机。曹雅、汲奕君等（2013）通过分析环渤海地区雨洪水、再生水、海水等非常规水源的利用潜力和发展前景，提出了非常规水资源开发利用的保障对策，促进环渤海地区水资源的可持续利用。何昭菊、陆燕勤、朱丽（2014）以桂林理工大学雁山校区为例，研究了高校非常规水资源优化配置。非常规水源是水资源重要的组成部分，合理的开发利用非常规水，对解决水资源短缺问题、促进水资源综合利用、实现水资源优化配置、保障社会经济可持续发展起到重要作用。
五、水资源保护与水生态修复技术
水资源的保护一般涉及到水量、水质及水生态的内容，是一项非常复杂的系统工程。国外对于水资源保护的研究探讨也非常多，美国和加拿大的水环境监测、信息收集和管理、水资源开发利用与环境保护等自动化程度，先进的科学管理技术等措施的实施使水资源得到有效保护。Krzysztof Jozwiakowski （2009）分析了应用人工湿地技术来处理污水可以有效地保护水资源。H.Habib、A.J.Anceno等（2013）结合阿富汗当地的水资源综合管理（IWRM）和战略环境评价（SEA），提出了一种新的水资源保护策略。我国的一些学者更关注水资源保护技术的研究和实施，这对于缓解水资源短缺具有重大意义。金春久、王超等（2010）分析讨论了降雨径流模型、水动力学模型、污染物传输扩散模型耦合的松花江干流水质模型在流域水资源保护管理中的应用。田志红（2010）分析了我国目前水资源保护现状，指出了水资源保护存在的问题，并提出了相应的整改对策。朱党生、张建永等（2011）针对我国水资源保护目前面临的形势和要求，提出了基于水质、水量、水生态并重的现代水资源保护规划技术体系，同时总结了当前我国亟待开展的水资源保护技术研究：水资源保护信息管理与决策分析系统研究、水资源保护及河湖健康评价指标体系及关键指标研究、入河排污口布设及设计技术、全口径污染物入河量计算及控制技术研究、水生态分区及水生态保护修复技术措施体系、湖泊水资源保护关键技术、地下水保护水位控制标准及其恢复技术、兼顾生态保护的闸坝调度关键技术研究和水资源保护补偿机制研究等。姜海萍、朱远生（2013）分析了珠江流域当前水资源开发、治理和保护的现状，提出了流域水资源保护与水生态修复体系，较好地协调了流域经济社会发展与流域治理、开发、利用、节约和保护水资源的关系。张占贵（2014）根据河北省张家口的水资源现状，从水资源的规划与管理、改革水价、促进节约用水、建立节水型农业、加强科技创新、推进水利现代化进程、建立水污染防治机制和水生态补偿机制、非传统水资源开发利用等方面提出了水资源的保护策略。水资源保护与水生态修复对于维持生态环境的自然平衡、缓解水资源短缺、维护水资源管理、促进社会经济的稳定发展都具有重大意义。
六、水资源管理信息化技术
水资源管理信息化主要是充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，包括水利信息的采集、传输、存储和处理，全面提升水利事业活动的效率和效能。模型和信息技术在解决水问题和水资源管理实际工作中发挥了重要作用，而且在水资源管理过程中，管理决策、水资源的动态变化特征和不同管理方案总是相互作用、相互影响。倪付燕（2007）把MODFLOW模型用于小南海泉域地下水资源管理中，来模拟和预测泉域地下水动态及泉流量变化。石春丽（2012）通过水资源规划与评价模型（WEAP）和流域负荷水质模型（GWLF-BATHTUB）联用初步构建了滨海新区水资源综合管理技术支持框架。V.Sempere-Payá、D.Todolí-Ferrandis和S.Santonja-Climent（2013）分析探讨了ICT（Information Communication Technology）在城市水资源综合管理中的效应，并指出了在城市水管理中合理的应用ICT可以同时采集供水、需水数据，把现有的信息及时提供给管理者以便预测管理水平，从而制定相应的水价。
刘宁（2013）基于中国基本水情，结合在雨洪水利用、水资源战略储备以及储水空间利用等方面进行的需水侧水文水资源常态管理和应急管理探索与实践，提出了建立水资源常态与应急综合管理技术，包括：全过程水信息共享融合、水循环状态识别控制、各类水工程联合运用、流域水资源统一调配以及涉水事务综合管理。
水资源管理决策支持系统（Water Resource Management Decision Support System，简称WRMDSS）是建立水文水资源学家和水资源管理者、决策者之间的桥梁，它能够将水资源管理涉及的决策问题通过水文水资源学家建立的物理模型或经验模型进行定量表达，使决策者站在科学的基础上把握决策过程，从而提高决策的效能。WRMDSS的发展主要受到两方面因素的推动：一方面是DSS与地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、专家系统、数据挖掘、人工智能等高新技术的集成；另一方面科学家对地表过程中的各种物理机制的认识逐渐加深和对物理过程模拟能力的不断增强。我国部分学者和韩国的Hoogkee Jee（2012）以韩国的大邱为例，把WRMDSS用于水资源综合管理中，取得了良好的效果。赵岩、缪琴（2009）在综合考虑水安全、水资源、水环境、水生态、水景观、水文化等涉水问题的基础上，以决策支持系统的结构为理论框架，借助地理信息系统、数据库等工具，开发了具有一定通用性、可移植性和可扩展性的水资源综合管理决策支持系统。盖迎春、李新（2012）在讨论了目前WRMDSS的研究进展后，提出了集成综合观测系统、集成建模环境和联机协商环境的水资源管理决策支持系统框架。
以智能水网为核心的数字技术应用可以大幅提供公共机构对水系统进行精密检测的能力，大大提高系统的可靠性。美国的智能水网主要是基于国家层面的智能水网和基于州政府层面的蒸散发网络；澳大利亚典型的智能水网包括SEQ智能水网、维多利亚智能水网和宽湾智能水网，都取得了巨大成效；以色列形成了以全国输水系统为骨干基础，配套灵敏科学的水资源调配系统和高效集约用水系统的国家智能水网。我国的智能水网是由“国家智能水网工程框架设计研究”项目组于2012年提出。宋相儒（2013）阐述了智能水网是新一代的城市输水管网技术，分析了智能水网的组成，与传统水网相比，数据融合和分析层是智能水网体现“智能”的重要部分。有些学者认为建设中国智能水网需要做好以下两方面工作：一方面是有关水务水利信息资料的软件设施建设工作。即通过各种分布式的信息传感设备，采集供水管网上的流量、压力、水质、泵房、远传水表、重要节点数据，测量水文、水质、水量等水利要素，在互联网上进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位跟踪、监测控制、模型运算、远程计算、模拟仿真、智能预测和水务管理等。另一方面是有关水利基础工程的硬件设施建设工作。包括蓄水、引水、提水、调水、地下水源、集雨，以及其他水源工程设计、规划、施工等。
RS和GIS技术在实际应用中往往相互交叉、渗透。我国学者张长江、刘衍美（2003）总结了它们在水资源管理中的应用，主要包括：流域和水资源调查、水资源规划设计、洪涝灾害防治、水文模拟、水质分析及水土保持等方面，同时GIS技术还可应用于地质勘察、地表水资源的空间分布和调配，以及地下水资源勘探、规划和开发，水利工程移民安置、灌溉面积计算、旱情分析预测、库区地质分析等方面。同时分析了RS和GIS技术在山东省水资源管理中的应用。Daoyi Chen、Shahriar Shams等（2009）探讨了GIS的软件包在发展中国家水资源管理中不同层面的应用。Hendra Pachri、Yasuhiro Mitani等（2013）把GIS技术用于水资源管理模型中分析了乌兹别克斯坦奇尔奇克河流域的水资源状况。段跃兰、许国仁、牛俊怡（2013）以黑龙江省城市水资源管理为例，分析了黑龙江省城市水资源管理的现状和存在的问题，探讨了黑龙江省基于 GIS 的城市水资源管理信息系统开发和应用。
水资源管理信息化技术在水资源管理中的重要性日益凸显，借助先进的信息化技术，全面获取水文、气象、环境、水情、险情等各种水利信息，并将这些水利信息进行更新、处理并整合应用在水资源各项管理应用系统中，能高效实现对水资源的有效管理。水资源管理信息化技术对于水资源管理尤其是水资源适应性管理提供了有效的技术支撑。