2024年美赛D题：五大湖水资源问题

2024 年 ICM D 题：五大湖水资源问题，英文原名为 Great Lakes Water Problem。本题要求为国际联合委员会（IJC）建立五大湖水流网络的调控模型和实施管理计划，协调不同用水群体的利益。

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背景与水系条件

美国和加拿大的五大湖及相连河道构成庞大流域，水资源服务于航运、供水、发电、渔业、休闲、生态栖息地、建设和灌溉。水位过高可能淹没岸边房屋和企业，过低又会限制大型船舶通行。题目指出，偏离通常水位 2—3 英尺就可能对某些群体产生重大影响。

各湖水位取决于流入与流出，受到降水、蒸发、风、温度、湖底形状、河流和地表径流、水库政策、季节及长期气候变化等共同作用。人类可调整部分坝闸、河渠和水库，却不能直接决定降雨、侵蚀或冰塞等自然过程。

水系从苏必利尔湖经圣玛丽河进入休伦湖及相连的密歇根湖，再经圣克莱尔河、圣克莱尔湖、底特律河、伊利湖和尼亚加拉河到达安大略湖，最后沿圣劳伦斯河通往大西洋。补充材料强调流动的滞后效应：苏必利尔湖来水抵达大西洋可能历时多年。

题目指定的两处主要调控设施是：

• Sault Ste. Marie 的 Compensating Works（Soo Locks 区域）。题面介绍的当地设施包括 3 座水电站、5 座通航船闸及急流上游的闸坝。
• Cornwall 的 Moses-Saunders Dam，影响安大略湖经圣劳伦斯河的出流。

季节背景通常是春季融雪融冰补水，初夏水位较高，随后蒸发增强，到秋季水位下降；冬季冰覆盖和冰坝可能改变这一过程。这是调控所处的自然背景，不是每年必定重复的固定水位曲线。

模型与管理计划

从苏必利尔湖到大西洋建立包含湖泊与连接河流的网络模型，为两处控制设施的管理提供支持，并提出实施模型的管理计划。说明使用哪些历史数据来理解系统和确定参数，使 IJC 能将方案与以往模型、调控策略比较。

原题明确把以下内容列为可选的进一步考虑事项：

• 根据不同利益相关者的需求与各自成本、收益，研究五大湖在一年不同时间的适宜水位。
• 利用各湖流入、流出资料，建立维持适宜水位的控制算法。
• 分析算法对两处控制坝出流的敏感性。利用 2017 年数据，判断新控制能否带来令各群体满意、或比当年实测水位更好的结果。
• 检查算法对降水、冬季积雪、冰塞等环境变化的敏感性。
• 将深入分析仅聚焦安大略湖的利益相关者和影响因素；这一建议对应题面对此湖近期水位管理的特别关切。

安大略湖补充情景

补充材料介绍，安大略湖出流的 Plan 2014 在 2017 年和 2019 年出现创纪录高水位后引起争议。各群体对水位和水流的偏好并不相同：

• 航运公司希望圣劳伦斯河水位较高、接近静水状态。
• 蒙特利尔港的码头管理者和附近居民希望河水稳定、偏低。
• 环境保护者希望安大略湖保有季节性的高低水位变化，以维护栖息地并冲刷静滞的湾汊。
• 安大略湖沿岸业主希望中等且稳定的水位。
• 使用码头和下水坡道的休闲船与渔船，也倾向于中等且稳定的湖水位。
• 水电企业希望能利用较高水位储水，在用电高峰增大流量；径流式电站实际调节水位的能力通常较小。

蒙特利尔同时受到圣劳伦斯河、渥太华河及其支流影响。补充材料记载，渥太华河有 50 座主要大坝和水电站，联系 13 座大型水库；水库储存部分春季径流，以降低下游尤其是蒙特利尔港的洪水风险。

针对这个子问题，原题列出的可能影响因素包括：安大略湖当前水位和时节；渥太华河流量、时节、积雪和流量预报；Moses-Saunders 坝下游圣劳伦斯河的水位、流速和冰量；渥太华河沿线水库水位；另外四个大湖的水位；水温、蒸发与天气。

Plan 2014 采用与安大略湖水位、渥太华河流量、蒙特利尔港水位有关的触发点和阈值。补充材料提出，需要关注它是否充分考虑积雪、水库和其他湖泊等信息，以及阈值设置是否使方案缺乏弹性。这是题目要求审视的背景，不是已经给出的模型评价结论。

补充图示与数据的含义

补充材料的流域图给出湖群、支流及两处控制设施的位置；剖面图展示水位阶梯和连接关系，注明不按比例绘制。图上湖面高程参考值为：苏必利尔湖 601 ft（183 m），密歇根湖与休伦湖 577 ft（176 m），伊利湖 569 ft（173 m），安大略湖 243 ft（74 m）；全流程示意距离为 2212 英里（3560 km）。这些图示背景值不应当作历史数据中恒定不变的水位。

附件工作簿提供 11 个工作表，分别记录五大湖相关水位、连接河流流量及渥太华河流量；密歇根湖与休伦湖合用一张水位表。水位单位为米，流量单位为立方米每秒。各表自带统计口径和来源说明：多数为月平均，圣劳伦斯河表说明所列为每月第一天的数据，不能把所有表都假定为同一种月平均口径。

补充材料还列有更细时间尺度、更多站点和环境变量的候选数据来源；原题明确，这些数据来源示例并不是完成研究必须全部使用的资料。

提交成果

写一份一页备忘录给 IJC 领导，说明模型的关键特点及值得采用的理由。

提交总计不超过 25 页的 PDF 正文，含一页摘要、目录、完整研究报告、一页备忘录和参考文献。摘要须交代方法与联系题目背景的主要结论；图表、计算等材料计入页数，无最低页数要求，可提交部分完成的研究。

若使用生成式 AI，须在正文引用及参考文献中说明所用模型和用途，核查生成内容与引文，纠正错误，并检查来源归属。另在正文后附 AI 使用报告；这部分不计入 25 页且没有另设页数上限。题面所附报告示例记录工具及版本、实际输入与完整输出。AI 不是完成题目的必需工具。

附件与来源

• COMAP 官方题目 PDF：2024 ICM Problem D（5 页，末两页为当年附带的 AI 使用政策）。本页依据全题及补充材料重新组织中文任务，不包含解答。
• 下载五大湖数据与补充说明（ZIP），实际含 2024_Problem_D_Addendum.pdf（4 页补充背景、两幅图及数据来源示例）和 2024_Problem_D_Great_Lakes.xlsx（水位与流量数据）。
• COMAP 官方题目资源页。