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水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态与环境的控制性要素，是经济社会可持续发展的基本保证。随着人口的不断增加，经济和社会的迅猛发展，世界上越来越多的地区面临着水资源短缺的危机，地区间部门间围绕水资源所展开的竞争愈演愈烈，过度开发利用水资源所导致的生态环境问题层出不穷且影响深远。为了缓解水资源供需矛盾，合理开发利用水资源、提高水资源的利用效益和效率，实现资源、经济、社会的协调发展，水资源优化配置模型应运而生，它是解决水资源管理科学决策的有效途径。自上世纪50年代水资源优化配置模型研究开始以来，水资源优化配置研究成果丰硕，不少国家、地区都制订了各自水资源优化配置方案，然而这些方案当中能够真正应用于指导实际工作的凤毛麟角，究其原因主要是水资源优化配置系统当中众多的不确定性因素没有得到充分地考虑，以致配置方案与现实情况相去甚远，形成了“规划规划，墙上挂挂”的尴尬局面。事实上，水资源优化配置问题涉及水资源的开发利用、节约保护，涉及到国家和地区的经济发展、生态环境改善，涉及自然条件、政策要求，涉及系统的近、中、远期利益之间的平衡，当中含有大量的不确定性因素。
本文系统地回顾和分析了国内外水资源优化配置模型的研究进展，针对传统水资源优化模型多为确定性模型或简单不确定性模型，无法反映真实水资源配置系统多重不确定性的不足，考虑流域、跨流域和城市三个空间层次，双阶段和多阶段两种规划思路，单目标和多目标两类目标要求，根据二阶段随机规划、多阶段随机规划、区间参数规划机会约束规划、模糊线性规划、整数规划各自的特点，将其中的多种不确定性规划方法有机地耦合在一起，构建了一系列基于不确定性的水资源优化配置模型，并进行了相关的案例研究。
(1)针对流域水资源优化配置问题，构建了区间参数双阶段随机机会约束整数规划模型和区间多阶段机会约束混合整数规划模型，并结合两个案例探讨了两个模型在流域水资源优化配置中的应用。ITSCIP模型耦合了机会约束规划、整数规划和区间双阶段随机规划，不仅能够处理随机、概率这类不确定性，而且能够处理离散区间等不确定性，它还能够在优化过程中考虑预先给定的优化配水目标、地区间配水公平、生活用水优先和区域粮食安全等配水政策。适用于解决流域上游来水为随机变量，部门用水收益系数、部门缺水损失系数、部门缺水量、单位输水成本等模型参数为区间数情况下的流域内多地区、多部门间的水资源优化配置问题。IMSCMIP模型耦合了机会约束规划、整数规划和区间多阶段随机规划，用于处理流域近、中、远期上游来水均为随机变量，部门用水收益系数、部门缺水损失系数、部门缺水量、单位输水成本等模型参数为区间数情况下流域内多地区多部门多阶段的水资源优化配置问题，通过多层情景树分析，IMSCMIP能够在多阶段规划的框架下处理区间和概率分布的不确定性问题。本章所构建的IMSCMIP水资源配置模型考虑了再生水厂建设和节水技术的应用，允许供水约束存在一定程度的违背率，这反映了系统收益与约束违背风险之间的妥协关系。
(2)通过区间参数多阶段随机整数规划方法，构建了不确定性条件下的双流域双调水线路跨流域水资源规划模型。多层情景树分析被用于处理IMSIP中的概率分布和离散区间不确定性。TTIBWM兼顾了复杂的政策性考虑，通过交互式算法转化为两个确定性子模型加以求解。模型解给出了各阶段各情景各地区各部门的优化配水目标和实际缺水量的区间解，可以形成不同情景下的输水策略，水库和湖泊的蓄水计划以及输水工程的建设进度安排。在案例研究中本章讨论了政策性约束对于系统收益最大值的影响，决策者能够通过经济目标与一些政策性约束之间的互动关系从而制定出适合于本地区发展的区域政策。所构建的TTIBWM模型有着广泛的适用性，通过改变参数赋值，TTIBWM很容易被转化为双流域单调水线路水资源规划模型。这种优势不仅扩大了模型的适用范围，而且可以为水资源规划通用模型的研究提供参考。
(3)根据城市水资源优化配置系统的共性，构建了具有网络特征的城市水资源优化配置系统通例该通例将城市水资源优化配置系统概化分解为供水子系统(包含多种水源，每种水源又细化为若干个水源，每个水源都是一个网络结点)、水处理子系统(包含自来水厂、污水处理厂、再生水厂、海水淡化厂等水处理设施，每种水处理设施又细化为若干个具体的水处理厂，每个水处理厂都是一个网络结点)、输配水子系统(为连接各结点之间的线)、用水子系统(城市各用水终端，包含国民经济各产业、居民生活和生态环境用水，每种用水部门又可细分为若干个具体的取水单元，每个取水单元都是一个网络结点)和环境容纳子系统(包含众多具有水质要求的环境容纳单元，某些单元可能同时兼任水源的角色，它们各自都是网络上的结点)。在分析城市水资源优化配置模型参数不确定性的基础上，以UWOAE为研究对象，以可持续发展理论为指导思想，运用随机、模糊、区间等多种不确定性方法以及系统分析理论，构建了两例具有普适性的城市水资源优化配置模型，即区间参数多阶段随机混合整数规划模型和区间参数多阶段随机模糊混合整数规划型。模型充分考虑了城市水资源系统中供需双方“质”的特性，将水质量化，并与水量一同参与优化配置，实现了水资源高质高用、低质低用、分质供水。
(4)分析了北京市水资源优化配置的研究现状，在充分审视北京市水资源供需现状及2020年目标年水资源供需条件的基础上，将北京市水资源优化配置问题看作一个复杂的巨系统，供水子系统由本地地表水、地下水、外调水和再生水组成，需水子系统包含国民经济第一、二、三产业需水、居民生活需水和生态环境需水，第一、二、三产业又被依照国民经济部门分类进一步细分为若干个用水部门。水处理系统包含污水处理厂和再生水厂。综合运用随机、模糊、区间等多种不确定性优化方法，构建了区间参数模糊双阶段随机混合整数规划模型模型和区间模糊双阶段多目标混合整数规划模型。模型引入了COD总量控制、耕地和林地保护、最大水资源短缺率、产业发展比重和GDP年增长率等政策性考虑，因此所得优化配置方案能够为水资源约束下的2020年北京市产业结构优化提供切实可行的指导，这一研究对于首都的节水型和环境友好型社会建设具有重要的现实意义。
IFTSMIP模型将双阶段随机规划(TSP)模型和混合整数规划(MIP)模型引入IFLP模型，以系统净经济收益最大为目标函数。配置结果表明：2020年，由于水资源净收益较低，菜地、水田、林地、渔业、纺织业、电力热力生产供应业在北京市的发展将受到较大的水资源供应限制；由于较高的COD排放系数，第二产业中的食品制造业、服装皮革制品业、木材加工及家具制造业、造纸印刷及文教用品制造业以及第三产业中的住宿和餐饮业、教育事业、旅游业在水资源配置中同样处于不利地位。下个时期北京市应重点加大农村污水处理率，将全市污水处理率扩大为95％；进一步加快再生水回用设施建设，使2020年北京市再生水总量达到[800，1000]x106m3。在低、中、高表层来水量的情景下，第一产业各部门中的水浇地和畜牧业不会出现水赤字；第二产业中的化学工业、煤炭采选业、金属矿采选业、非金属矿物制品业、金属冶炼及压延加工业、金属制品业、机械工业、交通运输设备制造业、电气机械及器材制造业、通信计算机电子设备制造业、仪器仪表及文化办公用机械制造业、建筑业，第三产业中的交通运输及仓储业、邮政业、信息传输、计算机服务和软件业、批发和零售贸易业、住宿和餐饮业、金融保险业、房地产业、租赁和商务服务业、文化、体育和娱乐业不会发生缺水，其它部门都将出现不同程度的缺水。
IFTSMOMIP模型将双阶段随机规划(TSP)模型和混合整数规划(MIP)模型引入IFMOP模型，是区间模糊双阶段随机混合整数规划(IFTSIP)模型向多目标决策问题扩展的结果。模型以系统经济效益最大和系统COD排放量最小作为目标函数，该模型的解很好地协调了经济和环境两个目标之间的矛盾。配置结果表明：在枯、平、丰水年，第一产业中林业、畜牧业和渔业都会遭受40％的缺水率，水浇地的缺水率不会超过6％，水田种植完全退出北京市农业。第二产业中的金属矿采选业、纺织业、非金属矿物制品业、金属冶炼及压延加工业、电力热力生产供应业的缺水率在枯、平水年均为40％。食品制造业的优化配水目标并不像化学工业那样取其上限，而是取上下限的中值。第二产业的其它部门在枯、平、丰水年均不会发生缺水现象。第三产业中的交通运输及仓储业、邮政业、信息传输、计算机服务和软件业、批发和零售贸易业、金融保险业、房地产业、租赁和商务服务业、旅游业、文化、体育和娱乐业在枯、平、丰水年均不发生缺水，其它部门都将发生不同情况的缺水。