水资源合理配置研究现状及展望
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20世纪 70年代以来, 伴随数学规划和模拟技 术的发展及其在水资源领域的应用, 水资源优化配 置的研究成果不断增多. 文献 [ 4] 针对潮汐电站的 特点, 考虑多部门利益的相互矛盾, 利用模拟模型对 潮汐海湾的新鲜水量分配进行了模拟计算, 展现了 模拟技术的优越性. 文献 [ 5 ] 考虑了水的多功能性 和多种利益的关系, 强调决策者和决策分析者间的 合作, 建立了 G elderlandt Doenthe 的水资源量 分配
水资源合理配置研究现状及展望
陈南祥, 苗得强
(华北水利水电学院, 河南 郑州 450001)
V o l1 29 N o1 3 Jun. 2008
摘 要: 针对水资源开发利用所 面临的问题, 阐述 了水资 源配置 的作用, 归纳 总结了 国内外 水资源 配置的 研
究成果, 结合当前水资源领域的 研究现状和 发展趋 势, 指 出水质 水量联 合优化 配置、基于水 循环的 广义水 资
1 国外水资源配置研究现状
1. 1 以水量配置为主的水资源优化配置研究 国外, 以水资源系统分析为手段、水资源合理配
置为目的的各类 研究, 源于 20 世纪 40 年代 M asse
提出的水库优化调度问题. 50年代以后, 随着系统 分析理论和优化技术的引入以及 60 年代计算机技 术的发展, 水资源系统模拟模型技术得以研究和应 用, 并不断得到提高. 比较正式的研究始于 60年代 初期, 1960年科罗拉多的几所大学对计划需水量的 估算及满足未来需水量的途径进行了研讨, 体现了 水资源优化配置的思想. 20世纪六七十年代发展起 来的水资源系统工程学内容, 较为全面地论述了水 资源开发和计算机技术在水资源工程中的应用 [ 3 ] .
黄河水利委员会 1998年进行了 / 黄河流域水资 源合理分配及优化调度研究 0, 综 合分析了区域经 济发展、生态环境保护与水资源条件之间的关系, 是 我国第 1个对全流域进行的水资源配置研究, 对构 建模型软件、实施大流域水资源配置起到了典范作 用. 文献 [ 16]在黄淮海流域水资源合理配置研究中 首次提出水资源 / 三次平衡 0的配置思想, 其核心内 容是在国民经济用水过程和流域水资源循环转化过 程 2个层面上分析水量亏缺问题, 并在统一的用水 竞争模式基础上研究了水资源配置问题. 文献 [ 17] 系统地阐述了在市场经济条件下, 水资源总体规划 体系应建立以流域系统为对象、以流域水循环为科 学基础、以合理配置为中心的系统观, 以多层次、多 目标、群决策方法为流域水资源规划的方法论. 2. 2 区域水资源优化配置方面
2 国内水资源配置研究现状
在国内, 水资源配置是以水库 ( 群 ) 调度和地下 水管理以及地表水与地下水联合运用管理为先导, 其理论研究经历了 / 以需定供 0、/ 以供定需 0、/ 基于 宏观经济的水资源配置 0及目前的 / 可持续发展的 水资源配置 0的 4 个阶段. 进入 20 世纪 80年代以 后, 我国系统地开展了水资源科学分配方面的研究 和应用工作, 特别是在水资源优化配置的基本概念、
水资源合理配置研究的发展与水资源的持续利 用和人类社会协调发展密不可分. 目前, 水资源系统 优化调度和分配、水资源宏观区域规划、水环境战略 保护以及采取全面节水措施、营造节水型社会等方 面已有很大进步. 随着水利工程的不断实施, 水资源 合理配置基础设施建设和管理手段的进一步完善, 真正意义上的水资源合理配置已成为可能.
流域水循环是流域水资源调配的科学基础, 是 流域水循环的模拟式水资源调配的前提条件. 文献 [ 31- 32] 针对传统水资源评价中仅以径流性水资 源为评价对象、没有考虑生态系统对雨水资源的直 接利用, 不能反映水循环过程中的全部有效水量及 其利用效率等问题, 阐述了广义水资源的概念, 提出 了基于流域水循环模型的广义水资源评价方法和具 体计算公式, 并应用于黄河流域的水资源评价, 其成 果对黄河流域水安全战略和水资源可持续高效利用
第 29卷第 3期
陈南祥等: 水资源合理配置研究现状及展望
3
合河南省水资源综合规划试点项目, 首次建立了基 于河道内与河道外生态环境需水量的水资源配置动 态模拟模型. 文献 [ 23] 应用 复杂适应系统理论, 提 出了水资源配置系统分析模型. 文献 [ 24] 系统分析 了面向可持续发展的区域水资源优化配置的内涵与 原则, 建立了优化配置模型, 给出了实用可行的求解 方法. 文献 [ 25]建立了南水北调东线工程联合调水 仿真模型, 提出了调度模型的计算过程以及调算的 水文系列和计算时段. 2. 3 城市水资源优化配置方面
文献 [ 26] 结合邯郸市水资源管理项目, 率先在 地市级行政区域研究和应用了水资源配置动态模拟 模型, 开发出界面友好的水资源配置决策支持系统. 文献 [ 27] 针对珠海市水资源开发利用面临的问题 和水资源管理中出现的新情况, 采用现代规划技术 手段, 包括可持续发展理论、系统论和模拟技术、优 化技术等, 根据国家新的治水方针, 建立了珠海市水 资源配置模型 ) ) ) 基于原水 - 净化水耦合配置的多 目标递阶控制模型, 并通过 3 种配置模式和 750多 种配置方案的模拟计算和综合对比分析, 给出了 2 种优先推荐的配置模式和 70多个推荐配置方案. 2. 4 宏观经济多目标水资源系统分析方面
源配置、优化和模拟相结合的配 置模型等是水资源配置研究的重点.
关键词: 水资源系统; 水资源合理配置; 现 状; 展望
中图分类号: TV 213
文献标识码: A
水资源可持续开发利用关系全球发展战略. 目 前, 全球约有 40多个国家、40% 的人口面临缺水问 题, 淡水短缺已经成为 21世纪人类继全球变暖之后 的第二大问题, 将严重制约全球的经济和社会发展, 并可能导致国家间的冲突 [ 1] .
20世纪 90年代以来, 由于水污染和水危机的 加剧, 传统的以供水量和经济效益最大为水资源优 化配置目标的模式已不能满足需要, 国外开始在水 资源优化配置中注重水质约束、水资源环境效益以 及水资源可持续利用研究, 尤其是决策支持技术、模 拟优化的模型技术和资源价值的定 量方法等的应 用, 使得水资源量与质管理方法的研究产生了更大 的活力 [ 9- 10] . 文献 [ 11]针对 P ak istan的某个地区的 灌溉系统建立了线性规划模型, 对不同水质的水量 使用问题进行优化. 在劣质地下水和有限运河水可 供使用的条件下, 模型能得到一定时期内最优的作 物耕种面积和地下水开采量等成果, 在一定程度上 体现了水质水量联合优化配置的思想. 文献 [ 12] 介 绍了一种伴随风险和不确定性的可持续水资源规划 模型框架, 建立了有代表性的水资源联合调度模型. 文献 [ 13] 建立的地表水、地下水联合运用系统的多 目标管理模型, 模型中将地表水、地下水的处理费用 纳入管理目标. 文献 [ 14] 提 出支持地表水、地下水 联合运用的多目标多阶段优化管理的原理和方法, 在需水预测中考虑了当地地表水、地下水、外调水等 多种水源的联合运用, 并考虑了地下水恶化的防治 措施, 体现了水资源利用和水资源保护之间关系.
第 29卷第 3期 2008年 6月
华北水利水电学院学报 Journa l o f N orth Ch ina Institute ofW ate r Conse rvancy and H ydro electr ic Pow er
文章编号: 1002- 5634( 2008) 03- 0001- 05
收稿日期: 2008- 03- 16 基金项目: / 十一五 0国家科技支撑计划项目 ( 2006BAD11B05); 河南省科技攻关计划项目 ( 072400450020). 作者简介: 陈南祥 ( 1958) ), 男, 江苏张家港人, 教授, 博士, 主要从事水资源和水文地质方面的研究.
2
华北水利ຫໍສະໝຸດ Baidu电学院学 报
/ 九五 0期 间, 针对西 北内陆 干旱区 的实 际情 况, 提出了内陆干旱区水资源演化的 / 天然 - 人工 0 二元水循环模型, 从单纯配置国民经济用水, 向同时 配置国民经济用水和生态环境用水过渡. 文献 [ 18] 以跨流域水资源系统的供水量最大为目标, 将模拟 技术和数学规划方法相结合, 建立了具有自优化功 能的流域水资源系统模拟规划模型, 并以大通河和 湟水流域为例对模型进行验证, 提出了跨流域调水 工程的规模. 文献 [ 19] 结合新疆的实际情况, 研制 出可适用于巨型水资源系统的智能型水供需平衡模 型, 该模型考虑了生态需水问题和水系统结构复杂、 要素众多等特点, 采用了智能化技术, 确保了计算精 度并加快了计算速度. 文献 [ 20]对多库多目标最优 控制运用模型与方法、灌区渠系优化配水、大型灌区 水资源优化分配模型、多水源引水灌区水资源调配 模型及应用进行了研究. 文献 [ 21] 从水资源可持续 利用系统的目标参量入手, 建立了水资源可持续利 用的多目标分析评价核心模型. 文献 [ 22] 以柴达木 盆地为例, 采用以投入产出模型、AH P 法等定性为 主和以系统动力学模型、生产函数模型等定量为主 的决策方法水资源优化配置基准方案. 文献 [ 16] 结
2008年 6月
问题的多层次模型, 体现了水资源配置问题的多目 标和层次结构的特点. 文献 [ 6] 对系统分析方法在 水库调度和管理中的研究和应用作了全面综述, 把 系统分析在水资源领域的应用分为线性规划、动态 规划、非线性规划和模拟技术等. 文献 [ 7] 应用线性 规划方法求解了 1个地表水库与 4个地下水含水单 元构成的地表水、地下水运行管理问题, 地下水运动 用基本方程的有限差分式表达, 目标为供水费用最 小或当供水不足情况下缺水损失最小, 同时, 用 SUMT 法求解了 1个水库与地下水含水层的联合管 理问题. 文献 [ 8] 介绍了水资源管理的综合决策辅 助模拟模型, 把数字、语言、图片等自然语言用于水 资源管理决策, 增加了决策的可视化程度. 1. 2 考虑水质因素的水资源优化配置研究
优化目标、基本平衡关系、需求管理、供水管理、水质 管理、经济机制、决策机制及各主要模型的数学描述 等方面, 均有新的研究成果. 在 / 七五 0国家重点科 技攻关项目中, 关于水量的区域分配、水资源利用效 率、水利工程建设次序以及水资源开发利用对国民 经济发展的作用的研究, 成为我国水资源配置研究 的雏形. / 水资源优化配置 0一词, 在我国正式提出 是 1991年 [ 14 - 15] . 2. 1 流域水资源优化配置方面
文献 [ 28] 提出了基于宏观经济的水资源合理 配置理论与方法, 包括水资源配置的定义、内涵、决 策机制和水资源配置多目标分析模型、宏观经济分 析模型、模拟模型, 以及多层次多目标群决策的计算 方法、决策支持系统等. 文献 [ 29] 针对我国水资源 供需平衡在空间上的巨大差异造成了区际调水的需 求, 提出了水资源在时间、部门和空间上三维优化分 配理论模型体系, 该系统包括区域社会经济发展目 标、水资源供给、总量时空优化等模块, 用户可以使 用此决策系统找到研究区社会经济发展与水资源协 调的方案. 文献 [ 30]在分析了水资源配置系统复杂 性及其复杂适应机理的基础上, 构架出全新的水资 源配置系统分析模型. 2. 5 基于水循环的广义水资源合理配置方面
我国水资源存在时空分布不合理、供需矛盾突 出、开发率高、利用效率低、浪费严重等特点. 有关研 究表明: 我国 31个省、自治区、直辖市中 ( 不包括台 湾省、香港特别行政区和澳门特别行政区 ) , 区域发 展与水资源不匹配的北京等 9个行政区占 29. 1% ; 内蒙 古 自 治 区 占 3. 2% ; 吉 林 等 5 个 行 政 区 占 16. 1% ; 上海等 16个 省区占全 国所有行 政区划的 51. 6% . 由此可见, 在我国实施水资源优化配置尤为 重要, 特别是在水资源短 缺的华北和西北 地区. 因 此, 合理分配有限的水资源, 提高水资源的利用效率 成为水资源管理中现实而紧迫的任务. 进行区域内 水资源合理配置研究, 缓解水资源供需矛盾, 对水资 源短缺区域的经济发展与环境质量的提高具有深远 的意义 [ 2] .
水资源合理配置研究现状及展望
陈南祥, 苗得强
(华北水利水电学院, 河南 郑州 450001)
V o l1 29 N o1 3 Jun. 2008
摘 要: 针对水资源开发利用所 面临的问题, 阐述 了水资 源配置 的作用, 归纳 总结了 国内外 水资源 配置的 研
究成果, 结合当前水资源领域的 研究现状和 发展趋 势, 指 出水质 水量联 合优化 配置、基于水 循环的 广义水 资
1 国外水资源配置研究现状
1. 1 以水量配置为主的水资源优化配置研究 国外, 以水资源系统分析为手段、水资源合理配
置为目的的各类 研究, 源于 20 世纪 40 年代 M asse
提出的水库优化调度问题. 50年代以后, 随着系统 分析理论和优化技术的引入以及 60 年代计算机技 术的发展, 水资源系统模拟模型技术得以研究和应 用, 并不断得到提高. 比较正式的研究始于 60年代 初期, 1960年科罗拉多的几所大学对计划需水量的 估算及满足未来需水量的途径进行了研讨, 体现了 水资源优化配置的思想. 20世纪六七十年代发展起 来的水资源系统工程学内容, 较为全面地论述了水 资源开发和计算机技术在水资源工程中的应用 [ 3 ] .
黄河水利委员会 1998年进行了 / 黄河流域水资 源合理分配及优化调度研究 0, 综 合分析了区域经 济发展、生态环境保护与水资源条件之间的关系, 是 我国第 1个对全流域进行的水资源配置研究, 对构 建模型软件、实施大流域水资源配置起到了典范作 用. 文献 [ 16]在黄淮海流域水资源合理配置研究中 首次提出水资源 / 三次平衡 0的配置思想, 其核心内 容是在国民经济用水过程和流域水资源循环转化过 程 2个层面上分析水量亏缺问题, 并在统一的用水 竞争模式基础上研究了水资源配置问题. 文献 [ 17] 系统地阐述了在市场经济条件下, 水资源总体规划 体系应建立以流域系统为对象、以流域水循环为科 学基础、以合理配置为中心的系统观, 以多层次、多 目标、群决策方法为流域水资源规划的方法论. 2. 2 区域水资源优化配置方面
2 国内水资源配置研究现状
在国内, 水资源配置是以水库 ( 群 ) 调度和地下 水管理以及地表水与地下水联合运用管理为先导, 其理论研究经历了 / 以需定供 0、/ 以供定需 0、/ 基于 宏观经济的水资源配置 0及目前的 / 可持续发展的 水资源配置 0的 4 个阶段. 进入 20 世纪 80年代以 后, 我国系统地开展了水资源科学分配方面的研究 和应用工作, 特别是在水资源优化配置的基本概念、
水资源合理配置研究的发展与水资源的持续利 用和人类社会协调发展密不可分. 目前, 水资源系统 优化调度和分配、水资源宏观区域规划、水环境战略 保护以及采取全面节水措施、营造节水型社会等方 面已有很大进步. 随着水利工程的不断实施, 水资源 合理配置基础设施建设和管理手段的进一步完善, 真正意义上的水资源合理配置已成为可能.
流域水循环是流域水资源调配的科学基础, 是 流域水循环的模拟式水资源调配的前提条件. 文献 [ 31- 32] 针对传统水资源评价中仅以径流性水资 源为评价对象、没有考虑生态系统对雨水资源的直 接利用, 不能反映水循环过程中的全部有效水量及 其利用效率等问题, 阐述了广义水资源的概念, 提出 了基于流域水循环模型的广义水资源评价方法和具 体计算公式, 并应用于黄河流域的水资源评价, 其成 果对黄河流域水安全战略和水资源可持续高效利用
第 29卷第 3期
陈南祥等: 水资源合理配置研究现状及展望
3
合河南省水资源综合规划试点项目, 首次建立了基 于河道内与河道外生态环境需水量的水资源配置动 态模拟模型. 文献 [ 23] 应用 复杂适应系统理论, 提 出了水资源配置系统分析模型. 文献 [ 24] 系统分析 了面向可持续发展的区域水资源优化配置的内涵与 原则, 建立了优化配置模型, 给出了实用可行的求解 方法. 文献 [ 25]建立了南水北调东线工程联合调水 仿真模型, 提出了调度模型的计算过程以及调算的 水文系列和计算时段. 2. 3 城市水资源优化配置方面
文献 [ 26] 结合邯郸市水资源管理项目, 率先在 地市级行政区域研究和应用了水资源配置动态模拟 模型, 开发出界面友好的水资源配置决策支持系统. 文献 [ 27] 针对珠海市水资源开发利用面临的问题 和水资源管理中出现的新情况, 采用现代规划技术 手段, 包括可持续发展理论、系统论和模拟技术、优 化技术等, 根据国家新的治水方针, 建立了珠海市水 资源配置模型 ) ) ) 基于原水 - 净化水耦合配置的多 目标递阶控制模型, 并通过 3 种配置模式和 750多 种配置方案的模拟计算和综合对比分析, 给出了 2 种优先推荐的配置模式和 70多个推荐配置方案. 2. 4 宏观经济多目标水资源系统分析方面
源配置、优化和模拟相结合的配 置模型等是水资源配置研究的重点.
关键词: 水资源系统; 水资源合理配置; 现 状; 展望
中图分类号: TV 213
文献标识码: A
水资源可持续开发利用关系全球发展战略. 目 前, 全球约有 40多个国家、40% 的人口面临缺水问 题, 淡水短缺已经成为 21世纪人类继全球变暖之后 的第二大问题, 将严重制约全球的经济和社会发展, 并可能导致国家间的冲突 [ 1] .
20世纪 90年代以来, 由于水污染和水危机的 加剧, 传统的以供水量和经济效益最大为水资源优 化配置目标的模式已不能满足需要, 国外开始在水 资源优化配置中注重水质约束、水资源环境效益以 及水资源可持续利用研究, 尤其是决策支持技术、模 拟优化的模型技术和资源价值的定 量方法等的应 用, 使得水资源量与质管理方法的研究产生了更大 的活力 [ 9- 10] . 文献 [ 11]针对 P ak istan的某个地区的 灌溉系统建立了线性规划模型, 对不同水质的水量 使用问题进行优化. 在劣质地下水和有限运河水可 供使用的条件下, 模型能得到一定时期内最优的作 物耕种面积和地下水开采量等成果, 在一定程度上 体现了水质水量联合优化配置的思想. 文献 [ 12] 介 绍了一种伴随风险和不确定性的可持续水资源规划 模型框架, 建立了有代表性的水资源联合调度模型. 文献 [ 13] 建立的地表水、地下水联合运用系统的多 目标管理模型, 模型中将地表水、地下水的处理费用 纳入管理目标. 文献 [ 14] 提 出支持地表水、地下水 联合运用的多目标多阶段优化管理的原理和方法, 在需水预测中考虑了当地地表水、地下水、外调水等 多种水源的联合运用, 并考虑了地下水恶化的防治 措施, 体现了水资源利用和水资源保护之间关系.
第 29卷第 3期 2008年 6月
华北水利水电学院学报 Journa l o f N orth Ch ina Institute ofW ate r Conse rvancy and H ydro electr ic Pow er
文章编号: 1002- 5634( 2008) 03- 0001- 05
收稿日期: 2008- 03- 16 基金项目: / 十一五 0国家科技支撑计划项目 ( 2006BAD11B05); 河南省科技攻关计划项目 ( 072400450020). 作者简介: 陈南祥 ( 1958) ), 男, 江苏张家港人, 教授, 博士, 主要从事水资源和水文地质方面的研究.
2
华北水利ຫໍສະໝຸດ Baidu电学院学 报
/ 九五 0期 间, 针对西 北内陆 干旱区 的实 际情 况, 提出了内陆干旱区水资源演化的 / 天然 - 人工 0 二元水循环模型, 从单纯配置国民经济用水, 向同时 配置国民经济用水和生态环境用水过渡. 文献 [ 18] 以跨流域水资源系统的供水量最大为目标, 将模拟 技术和数学规划方法相结合, 建立了具有自优化功 能的流域水资源系统模拟规划模型, 并以大通河和 湟水流域为例对模型进行验证, 提出了跨流域调水 工程的规模. 文献 [ 19] 结合新疆的实际情况, 研制 出可适用于巨型水资源系统的智能型水供需平衡模 型, 该模型考虑了生态需水问题和水系统结构复杂、 要素众多等特点, 采用了智能化技术, 确保了计算精 度并加快了计算速度. 文献 [ 20]对多库多目标最优 控制运用模型与方法、灌区渠系优化配水、大型灌区 水资源优化分配模型、多水源引水灌区水资源调配 模型及应用进行了研究. 文献 [ 21] 从水资源可持续 利用系统的目标参量入手, 建立了水资源可持续利 用的多目标分析评价核心模型. 文献 [ 22] 以柴达木 盆地为例, 采用以投入产出模型、AH P 法等定性为 主和以系统动力学模型、生产函数模型等定量为主 的决策方法水资源优化配置基准方案. 文献 [ 16] 结
2008年 6月
问题的多层次模型, 体现了水资源配置问题的多目 标和层次结构的特点. 文献 [ 6] 对系统分析方法在 水库调度和管理中的研究和应用作了全面综述, 把 系统分析在水资源领域的应用分为线性规划、动态 规划、非线性规划和模拟技术等. 文献 [ 7] 应用线性 规划方法求解了 1个地表水库与 4个地下水含水单 元构成的地表水、地下水运行管理问题, 地下水运动 用基本方程的有限差分式表达, 目标为供水费用最 小或当供水不足情况下缺水损失最小, 同时, 用 SUMT 法求解了 1个水库与地下水含水层的联合管 理问题. 文献 [ 8] 介绍了水资源管理的综合决策辅 助模拟模型, 把数字、语言、图片等自然语言用于水 资源管理决策, 增加了决策的可视化程度. 1. 2 考虑水质因素的水资源优化配置研究
优化目标、基本平衡关系、需求管理、供水管理、水质 管理、经济机制、决策机制及各主要模型的数学描述 等方面, 均有新的研究成果. 在 / 七五 0国家重点科 技攻关项目中, 关于水量的区域分配、水资源利用效 率、水利工程建设次序以及水资源开发利用对国民 经济发展的作用的研究, 成为我国水资源配置研究 的雏形. / 水资源优化配置 0一词, 在我国正式提出 是 1991年 [ 14 - 15] . 2. 1 流域水资源优化配置方面
文献 [ 28] 提出了基于宏观经济的水资源合理 配置理论与方法, 包括水资源配置的定义、内涵、决 策机制和水资源配置多目标分析模型、宏观经济分 析模型、模拟模型, 以及多层次多目标群决策的计算 方法、决策支持系统等. 文献 [ 29] 针对我国水资源 供需平衡在空间上的巨大差异造成了区际调水的需 求, 提出了水资源在时间、部门和空间上三维优化分 配理论模型体系, 该系统包括区域社会经济发展目 标、水资源供给、总量时空优化等模块, 用户可以使 用此决策系统找到研究区社会经济发展与水资源协 调的方案. 文献 [ 30]在分析了水资源配置系统复杂 性及其复杂适应机理的基础上, 构架出全新的水资 源配置系统分析模型. 2. 5 基于水循环的广义水资源合理配置方面
我国水资源存在时空分布不合理、供需矛盾突 出、开发率高、利用效率低、浪费严重等特点. 有关研 究表明: 我国 31个省、自治区、直辖市中 ( 不包括台 湾省、香港特别行政区和澳门特别行政区 ) , 区域发 展与水资源不匹配的北京等 9个行政区占 29. 1% ; 内蒙 古 自 治 区 占 3. 2% ; 吉 林 等 5 个 行 政 区 占 16. 1% ; 上海等 16个 省区占全 国所有行 政区划的 51. 6% . 由此可见, 在我国实施水资源优化配置尤为 重要, 特别是在水资源短 缺的华北和西北 地区. 因 此, 合理分配有限的水资源, 提高水资源的利用效率 成为水资源管理中现实而紧迫的任务. 进行区域内 水资源合理配置研究, 缓解水资源供需矛盾, 对水资 源短缺区域的经济发展与环境质量的提高具有深远 的意义 [ 2] .