近几年来,能源短缺一直是全球人类面临的一个严重问题。页岩气作为一种非常规能源吸引了人们的注意。作为页岩气开采关键技术的水力压裂法需要耗费大量的水资源,而页岩气开采区域并非是水源富集区,在全球水资源短缺的大背景下,会限制页岩气的发展。所以在这样的背景下,开展页岩气水资源系统优化研究极其重要。由于页岩气水资源系统的复杂性,在本研究中,首先针对宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的马塞勒斯页岩气区提出了基于双层规划模型(MBU-MWL)解决页岩气开发过程中水资源短缺问题。上层目标为页岩气收益最大化,下层目标为水资源用量最小化,确定了各种不同水资源的分配情况及系统收益、水需求量、气体产量、污染物排放量的优化结果,评估了9种不同满意度下的收益及污染物排放情况,改变重要输入参数对模型输出结果作灵敏度分析。其次,以宾夕法尼亚州为研究对象,深入分析了水资源部门、能源部门及环保部门的矛盾与平衡问题,建立页岩气水资源-收益-环境耦合系统的三层规划模型(MWU-MBM-MPL),该模型在约束规划时考虑了2种运输模式(卡车运输、管道运输),4种污水处理设施(CWT设备、污水注入井、就地处理、就地存储)。结果表明,在规划周期内地表水用量占比超过80.00%,地下水用量占比低于2.00%,且MBU-MWL模型可以权衡能源部门和水资源部门决策者之间的矛盾,为决策者提供科学的决策依据;MWU-MBM-MPL模型较单一目标权衡了系统收益、水资源和污染物的排放量,比传统方法提供了更优的决策方案。