能源是促进社会经济发展,保证人类生产生活的重要资源。能源消费量的攀升和以化石能源为主的消费结构,导致了严重的环境问题。另外,能源生产过程和水资源紧密相关,水资源短缺将限制能源供应,从而增加能源短缺风险。能源系统是一个涉及多要素、多过程、多环节与多用户的复杂巨系统,具有多重不确定性特征。因此,亟需开发强健的不确定性分析方法,构建能源系统规划模型,解析能源、经济、环境和水资源之间的互动效应,制定科学有效的发展战略,以实现可持续发展。针对以上问题,本研究开发了混合多层随机规划方法,处理区间、模糊、多随机变量及多层管理者的等级决策过程中存在的不确定性,构建多要素能源系统管理模型,用于城市、城市群和国家等不同尺度实例研究。具体包括:（1）开发了基于蒙特卡洛模拟的区间单层规划方法,用于中国能-水耦合系统管理,处理了模型中存在的区间和随机双重不确定性。设置了三种水资源约束情景探究水资源供应量的减少对能-水耦合系统的影响。研究发现严格的水资源约束将推动可再生能源的发展和燃煤发电技术的重组,倒逼能源结构向节水、低碳、清洁模式过渡。（2）耦合机会约束规划、区间参数规划以及模糊规划,开发区间模糊机会约束单层规划方法,处理目标函数和约束中表示为区间值,模糊集和概率分布等特征的参数的不确定性。基于所开发的方法,考虑火力发电的多取水环节（锅炉用水,冷却用水和脱硫用水）,构建不确定条件下河北省电力系统能源-水耦合模型,确定不同水资源风险情景下的最佳电力供应模式,以平衡不断增长的电力需求与水资源短缺之间的矛盾。（3）将区间联合概率规划方法整合到双层规划的框架中,开发了区间联合概率双层规划方法,用于中国电力系统能-水耦合关系研究。该方法能够平衡两级决策者之间的偏好与冲突,处理以区间值和联合概率表示的不确定性。考虑了不同的冷却技术（一次冷却,循环冷却和空气冷却）,分别以系统取水量最少和系统成本最低为上下层目标构建模型,揭示缺水风险、电力短缺风险和联合短缺风险对能源系统的影响。（4）开发基于copula函数的联合概率多层规划方法,能够有效平衡具有各自偏好的多个等级决策者之间的冲突,处理表征为多个相互依赖的随机变量的不确定性。分别以系统效益最大、二氧化碳排放最小和生态系统服务价值最大为目标构建模型,用于珠三角城市群2021-2035年能源-经济-环境耦合系统管理,提供了不同经济目标和能源资源可利用量情景下的能源配置及各行业发展方案。总之,本文耦合区间参数规划,模糊规划,随机规划和多层规划方法,针对能-水耦合系统和能源-经济-环境耦合系统,构建了基于混合多层随机规划方法用于多要素能源系统管理模型,处理了系统中存在的复杂性和不确定性,通过求解模型得到能源系统可持续发展方案,为管理者在政策制定过程提供科学依据和理论支撑。