CN116341825A - 基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法 - Google Patents

基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116341825A
CN116341825A CN202310085375.1A CN202310085375A CN116341825A CN 116341825 A CN116341825 A CN 116341825A CN 202310085375 A CN202310085375 A CN 202310085375A CN 116341825 A CN116341825 A CN 116341825A
Authority
CN
China
Prior art keywords
water
receiving area
supply
demand
water resource
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310085375.1A
Other languages
English (en)
Inventor
李一博
陈漪
聂卫波
吕广源
柳烨
陈瑾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Technology
Original Assignee
Xian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Technology filed Critical Xian University of Technology
Priority to CN202310085375.1A priority Critical patent/CN116341825A/zh
Publication of CN116341825A publication Critical patent/CN116341825A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
    • G06Q10/063—Operations research, analysis or management
    • G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
    • G06Q10/06315—Needs-based resource requirements planning or analysis
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
    • G06Q10/063—Operations research, analysis or management
    • G06Q10/0639—Performance analysis of employees; Performance analysis of enterprise or organisation operations
    • G06Q10/06393—Score-carding, benchmarking or key performance indicator [KPI] analysis
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/10—Services
    • G06Q50/26—Government or public services
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/152—Water filtration

Landscapes

  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Economics (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • Development Economics (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Entrepreneurship & Innovation (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Game Theory and Decision Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开了基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，以经济和社会综合效益最大为目标，构建受水区水资源优化配置模型，并求出最优解；根据水资源优化配置结果，解决了由于生态环境影响因素时空差异明显，且缺少定量标准，导致现有评价指标体系普适性较差的问题。本发明方法通过调水一定程度上缓解了受水区水资源短缺问题，势必会对生态环境产生影响；因此，根据受水区实际情况，从经济—社会—生态综合系统的角度分析调水对生态环境的影响，以期为受水区生态环境健康发展提供支撑。

Description

基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法
技术领域
本发明属于水资源调配技术领域，具体涉及基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法。
背景技术
水资源优化配置研究最早起源于20世纪40年代，Masse首次引入优化概念，以解决水库调度问题。我国水资源配置研究起步较晚，但发展迅速。20世纪80年代，华士乾通过考虑水量区域分配、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作用，初步形成了水资源优化配置理念。以往国内外学者在水资源优化配置研究方面取得了较多成果，但随着经济社会持续发展，新问题不断出现，如多目标、多水源、多部门的水资源优化配置问题；以往水资源优化配置研究大多关注水资源配置经济效益，对水资源配置后的生态环境影响研究较少。
环境影响评价制度起源于美国，随后各国政府逐渐重视生态环境问题。20世纪60年代末，我国引入了环境影响评价概念，并开始了相关研究，但大多为借鉴国外较为成熟的方法体系，以解决建设项目和工程实际问题。以往国内外学者对于生态环境影响评价方面的研究取得了较多成果，但生态环境影响因素时空差异明显，且缺少定量标准，导致现有评价指标体系普适性较差。
发明内容
本发明的目的是提供基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，解决了由于生态环境影响因素时空差异明显，且缺少定量标准，导致现有评价指标体系普适性较差的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、构建水资源供需平衡模型，分析受水区设计水平年水资源平衡状况，判断是否需要进行水资源调配，若需要，执行步骤2，否则，采用常规方式进行配水；
步骤2、将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置，得出初步配置后受水区各行业缺水量，根据受水区所处流域水资源配置格局，向水利枢纽工程供水；
步骤3、将受水区多水源转换成水利枢纽工程供水优化问题，以经济和社会综合效益最大为目标，构建受水区水资源优化配置模型；
步骤4、确定模型的权重系数、用户公平系数、效益系数和费用系数，将权重系数、用水公平系数、效益系数和费用系数输入受水区水资源优化配置模型，进行优化参数，进而得到一个优化参数的受水区水资源优化配置模型；
步骤5、设置待配水区配水量上下限，计算待配水区的需水量、供水量，将待配水区配水量上下限、待配水区的需水量、供水量输入优化参数的受水区水资源优化配置模型，由NSGA-Ⅲ算法计算求出最优解，最优解即为水资源配置方案。
本发明的特定还在于：
步骤1具体过程为：采用BP神经网络和时间序列法预测设计水平年的国民经济发展指标，并根据国民经济发展指标，采用定额法预测设计水平年需水量、供水量，若需水量大于供水量，需要进行水资源调配，并计算缺水量和缺水率，缺水量为需水量与供水量差值，缺水率计算过程为：先计算需水量与供水量差值，该差值与供水量的比值即为缺水率，执行步骤2；若需水量不大于供水量，则不需要进行水资源调配。
步骤2中将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置具体过程为：受水区各区地表水源配给工业和农业；地下水开采在遏制生态环境恶化前提下，优先满足城市居民生活用水，而后分给工业和农业；城镇和工业园区污水处理厂的再生水主要配置给生态环境用水，经深度处理后的部分再生水可配给当地工业用水，得到水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置。
步骤2中初步配置后受水区各行业缺水量计算过程为：将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置后,根据受水区各行业需水量与供水量之间的差值，得出初步配置后受水区各行业缺水量。
步骤3中受水区水资源优化配置模型包括以经济和社会综合效益最大为目标建立目标函数和水资源供水能力约束、水资源需求约束、非负约束。
步骤3具体过程为：
以经济和社会综合效益最大为目标建立目标函数为：z＝opt{f1(x),fx(x)}
式中，Z为综合效益；x为决策向量，由不同数量、质量和赋存形式水资源组成；f1(x)和f2(x)分别为水资源开发利用经济和社会效益；
将受水区以区分为k个子区，根据用水用途不同，将各子区用水部门分为生活、工业、农业和生态用水由j表示；
其中，水资源开发利用经济效益函数f1(x)表示为：
Figure BDA0004068747330000041
式中，
Figure BDA0004068747330000042
为k子区j用户的用水效益系数；/>
Figure BDA0004068747330000043
为k子区j用户的用水费用系数；/>
Figure BDA0004068747330000044
为k子区水库水对j用户的供水量；/>
Figure BDA0004068747330000045
为用水公平系数；
其中，水资源开发利用社会效益函数f2(x)表示为：
Figure BDA0004068747330000046
式中，
Figure BDA0004068747330000047
为k子区j用户的需水量。
水资源供水能力约束为：
Figure BDA0004068747330000048
式中，Wk为k子区的可供水量；
水资源需求约束：
Figure BDA0004068747330000049
式中，
Figure BDA00040687473300000410
为k子区j用户的最小配水量，/>
Figure BDA00040687473300000411
为k子区j用户的最大配水量；
非负约束：
Figure BDA00040687473300000412
步骤4确定权重系数具体过程为：以综合效益为决策目标，以综合效益最优为考虑因素，以经济目标和社会目标为决策对象构建参数模型，采用YAAHP软件对经济目标和社会目标两个单项指标的权重通过层次分析法进行确定。
步骤4用户公平系数的计算方法为：
Figure BDA0004068747330000051
式中
Figure BDA0004068747330000052
以表示k子区j用户用水次序的序号，/>
Figure BDA0004068747330000053
为k子区用户用水序号最大值。
步骤5中设置待配水区配水量上下限中，设置的最大配水量原则为受水区各区实际缺水量，最小配水量原则为设计水平年不同水文年配水量下限取实际缺水量的50％。
本发明的有益效果是：
本发明基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，以经济和社会综合效益最大为目标，构建受水区水资源优化配置模型，并求出最优解；根据水资源优化配置结果，解决了由于生态环境影响因素时空差异明显，且缺少定量标准，导致现有评价指标体系普适性较差的问题。
本发明方法通过调水一定程度上缓解了受水区水资源短缺问题，势必会对生态环境产生影响；因此，根据受水区实际情况，从经济—社会—生态综合系统的角度分析调水对生态环境的影响，以期为受水区生态环境健康发展提供支撑。
附图说明
图1为本发明基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法流程图；
图2为本发明实施例中受水区范围示意图；
图3为本发明实施例中指标层构成示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
针对目前传统的水资源配置方法侧重于研究流域或区域供、用水量之间的平衡，以往国内外学者在水资源优化配置研究方面取得了较多成果，但随着经济社会持续发展，新问题不断出现，如多目标、多水源、多部门的水资源优化配置问题；难以适应新时期我国水生态保护与节水相关政策评估与管理的现实需求的缺陷和问题，基于此，本发明提出基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、构建水资源供需平衡模型，分析受水区设计水平年水资源平衡状况，判断是否需要进行水资源调配，若需要，执行步骤2，否则，采用常规方式进行配水；具体过程为：采用BP神经网络和时间序列法预测设计水平年的国民经济发展指标，并根据国民经济发展指标，采用定额法预测设计水平年需水量、供水量，若需水量大于供水量，需要进行水资源调配，并计算缺水量和缺水率，缺水量为需水量与供水量差值，缺水率计算过程为：先计算需水量与供水量差值，该差值与供水量的比值即为缺水率，执行步骤2；若需水量不大于供水量，则不需要进行水资源调配。
步骤2、将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置，得出初步配置后受水区各行业缺水量，根据受水区所处流域水资源配置格局，向水利枢纽工程供水；
将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置具体过程为：受水区各区地表水源配给工业和农业；地下水开采在遏制生态环境恶化前提下，优先满足城市居民生活用水，而后分给工业和农业；城镇和工业园区污水处理厂的再生水主要配置给生态环境用水，经深度处理后的部分再生水可配给当地工业用水，得到水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置。
初步配置后受水区各行业缺水量计算过程为：将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置后,根据受水区各行业需水量与供水量之间的差值，得出初步配置后受水区各行业缺水量。
步骤3、将受水区多水源转换成水利枢纽工程供水优化问题，以经济和社会综合效益最大为目标，构建受水区水资源优化配置模型；
受水区水资源优化配置模型包括以经济和社会综合效益最大为目标建立目标函数和水资源供水能力约束、水资源需求约束、非负约束。
该步骤具体过程为：
以经济和社会综合效益最大为目标建立目标函数为：z＝opt{f1(x),fx(x)}
式中，Z为综合效益；x为决策向量，由不同数量、质量和赋存形式水资源组成；f1(x)和f2(x)分别为水资源开发利用经济和社会效益；
将受水区以区分为k个子区，根据用水用途不同，将各子区用水部门分为生活、工业、农业和生态用水由j表示；
其中，水资源开发利用经济效益函数f1(x)表示为：
Figure BDA0004068747330000071
式中，
Figure BDA0004068747330000072
为k子区j用户的用水效益系数；/>
Figure BDA0004068747330000073
为k子区j用户的用水费用系数；/>
Figure BDA0004068747330000074
为k子区水库水对j用户的供水量；/>
Figure BDA0004068747330000075
为用水公平系数；
其中，水资源开发利用社会效益函数f2(x)表示为：
Figure BDA0004068747330000076
式中，
Figure BDA0004068747330000077
为k子区j用户的需水量。
水资源供水能力约束为：
Figure BDA0004068747330000081
式中，Wk为k子区的可供水量；
水资源需求约束：
Figure BDA0004068747330000082
式中，
Figure BDA0004068747330000083
为k子区j用户的最小配水量，/>
Figure BDA0004068747330000084
为k子区j用户的最大配水量；
非负约束：
Figure BDA0004068747330000085
步骤4、确定模型的权重系数、用户公平系数、效益系数和费用系数，将权重系数、用水公平系数、效益系数和费用系数输入受水区水资源优化配置模型，进行优化参数，进而得到一个优化参数的受水区水资源优化配置模型；
确定权重系数具体过程为：以综合效益为决策目标，以综合效益最优为考虑因素，以经济目标和社会目标为决策对象构建参数模型，采用YAAHP软件对经济目标和社会目标两个单项指标的权重通过层次分析法进行确定。
用户公平系数的计算方法为：
Figure BDA0004068747330000086
式中
Figure BDA0004068747330000087
以表示k子区j用户用水次序的序号，/>
Figure BDA0004068747330000088
为k子区用户用水序号最大值。
效益系数根据用水用户的不同分别为工业用水效益系数、农业用水效益系数、生活和生态用水效益系数。
步骤5、设置待配水区配水量上下限，计算待配水区的需水量、供水量，将待配水区配水量上下限、待配水区的需水量、供水量输入优化参数的受水区水资源优化配置模型，由NSGA-Ⅲ算法计算求出最优解，最优解即为水资源配置方案。
其中，设置待配水区配水量上下限中，设置的最大配水量原则为受水区各区实际缺水量，最小配水量原则为设计水平年不同水文年配水量下限取实际缺水量的50％。
实施例
本发明供一种基于水资源供需平衡和生态效益的水资源配置与优化决策方法，如图1所示，具体过程为：
收集陕西省受水区地形地貌、河流水系、气候条件、经济、水资源开发利用等资料，分析现状年(2019年)水资源开发情况，提出水资源开发利用存在的问题。
受水区范围为延安市宜川县，渭南市韩城、临渭、合阳、白水、蒲城、澄城、富平、大荔8个县(区、市)，西安市临潼、阎良、高陵3个区，咸阳市泾阳、三原2个县。受水区范围见图2。
2019年陕西受水区各类供水工程总供水量为20.37亿m3，其中地表水供水量为11.91亿m3，地下水供水量为8.12亿m3，再生水和雨水利用量为0.33亿m3；2019年受水区居民(包含城镇居民和农村居民)生活用水2.57亿m3，农业用水15.26亿m3，工业用水1.96亿m3，河道外生态环境用水0.57亿m3。
对受水区现状年(2019年)P＝50％和75％条件下水量平衡关系进行预测分析。结果表明，P＝50％和75％条件下，受水区需水量分别为24.32亿m3和28.88亿m3，供水量分别为17.99亿m3和17.00亿m3；P＝50％条件下，受水区缺水量6.33亿m3，缺水率为26.02％，其中受水区渭南各县(区)缺少严重，缺水量为4.71亿m3，缺水率为28.55％；P＝75％条件下，缺水量11.88亿m3，缺水率为41.14％。
采用BP神经网络和时间序列法预测设计水平年(2030年)的国民经济发展指标、供水量等，并采用定额法预测2030年需水量，进行设计水平年水量平衡分析。
预测受水区人口:以2008～2019年受水区各县(区)人口数量为基础，采用BP神经网络法预测设计水平年2030年各县(区)人口数量。
预测牲畜：数量以2008～2019年受水区各县(区)牲畜数量为基础，采用BP神经网络法所得设计水平年2030年各县(区)牲畜数量。
预测鱼塘面积：以2015～2019年受水区各县(区)鱼塘面积为基础，采用直线趋势延伸法所得设计水平年2030年各县(区)鱼塘面积如表1所示。
表1
设计水平年(2030)陕西受水区其他国民经济指标预测
Figure BDA0004068747330000111
工业增加值以2005～2019年受水区各县(区)工业增加值为基础，采用直线趋势延伸法所得设计水平年2030年各县(区)工业增加值见表1。
农田灌溉面积受水区现有灌溉面积695.08万亩，规划扩灌面积171万亩，主要位于富平、蒲城、合阳、白水、澄城北部，宜川县扩灌面积10万亩，主要位于黄河沿岸的阁楼、壶口、牛家佃和丹州镇，即设计水平年(2030年)陕西受水区农田灌溉面积为911.08万亩见表1。
河道外生态补水面积，包括城市环境和河湖补水。城市环境包括城市绿化和道路、广场、公共环境卫生等用水，按城镇人口人均水量计算需水量；河湖补水现状年有5个县(区)补水，规划考虑卤阳湖河湖补水面积达到1532万m2，其它县(区、市)维持现状面积不变，使得规划水平年供水区河湖面积达到2234万m2。
将设计水平年各县(区)地表水、地下水和其他水源进行初步的配置。BP神经网络法由信息正向传递与误差反向传播两部分组成。
设计水平年(2030年)P＝50％条件下，受水区需水量总计32.05亿m3，其中生活需水量为3.85亿m3，农业需水量为24.05亿m3，工业需水量为3.36亿m3，河道外生态需水量为0.79亿m3；P＝75％条件下，需水量总计37.45亿m3，其中生活需水量为3.85亿m3，农业需水量为29.45亿m3，工业需水量为3.36亿m3，河道外生态需水量为0.79亿m3。
设计水平年(2030年)P＝50％条件下，受水区供水量总计15.73亿m3，其中地表水供水量9.21亿m3，地下水供水量5.79亿m3，其他水源供水0.73亿m3；P＝75％条件下，供水量总计14.51亿m3，其中地表水供水量7.99亿m3，地下水供水量5.79亿m3，其他水源供水0.73亿m3。
设计水平年(2030年)P＝50％条件下，受水区总需水量32.05亿m3，可供水量为15.73亿m3，缺水量16.32亿m3，缺水率为50.91％；P＝75％条件下，受水区总需水量37.45亿m3，可供水量为14.51亿m3，缺水量22.95亿m3，缺水率为61.26％。要解决设计水平年(2030年)P＝50％和75％条件下缺水量，需要古贤水利枢纽工程的调水量分别为18.13亿m3和25.49亿m3。
水资源配置模型构建：
子区划分:为方便资料收集整理，增加实施可行性，将受水区以14个县(区)分为14个子区，依次记为宜川县(k＝1)、韩城市(k＝2)、临渭区(k＝3)、合阳县(k＝4)、澄城县(k＝5)、大荔县(k＝6)、富平县(k＝7)、蒲城县(k＝8)、白水县(k＝9)、高陵区(k＝10)、阎良区(k＝11)、临潼区(k＝12)、泾阳县(k＝13)、三原县(k＝14)，其中数字表示子区序号。
供水水源根据陕西受水区水资源初步配置结果可知，受水区缺水量将由古贤水利枢纽工程解决，即受水区水资源优化问题变为单水源优化配置问题。
用水部门:根据用水用途不同，将各子区用水部门分为生活、工业、农业和生态用水，用j(k)表示。采用j(k)＝1，2，3，4表示不同用水部门，分别为生活用水(j(k)＝1)、工业用水(j(k)＝2)、农业用水(j(k)＝3)和生态用水(j(k)＝4)。
以经济和社会综合效益最大为目标建立目标函数为：
Z＝opt{f1(X),f2(X)}
式中，Z为综合效益；X为决策向量，由不同数量、质量和赋存形式水资源组成；f1(X)和f2(X)分别为水资源开发利用经济和社会效益。结合已有数据，考虑受水区社会、经济与环境发展的实际情况，本次水资源优化配置模型以经济效益和社会效益最佳为目标函数，即分别以供水净效益最大和总缺水量最小为目标函数。
水资源开发利用经济效益函数f1(x)表示为：
Figure BDA0004068747330000131
式中，
Figure BDA0004068747330000132
为k子区j用户的用水效益系数；/>
Figure BDA0004068747330000133
为k子区j用户的用水费用系数；/>
Figure BDA0004068747330000134
为k子区古贤水对j用户的供水量；/>
Figure BDA0004068747330000135
为用水公平系数。
水资源开发利用社会效益函数f2(x)表示为：
Figure BDA0004068747330000136
式中，
Figure BDA0004068747330000137
为k子区j用户的需水量，万m3。
约束条件
水资源供水能力约束：
Figure BDA0004068747330000138
式中，Wk为k子区古贤水的可供水量。
水资源需求约束：
Figure BDA0004068747330000141
式中，
Figure BDA0004068747330000142
为k子区j用户的最小配水量，/>
Figure BDA0004068747330000143
为k子区j用户的最大配水量。
Figure BDA0004068747330000144
模型参数确定：
采用层次分析法确定权重，其计算步骤如下：
建立层次结构模型：将决策目标、考虑因素(决策准则)和决策对象按三者相互关系分为最高层、中间层和最低层，绘出层次结构图。最高层是决策目的、要解决的问题。最低层是决策时备选方案。中间层是考虑的因素和决策准则。
构造判断(成对比较)矩阵：确定各因素间权重时，如果为定性结果，则不易被接受，故不能将所有因素一起比较，通常为两两相互比较。对此采用相对尺度，以减少性质不同因素相互比较的困难，提高准确度。如对某一准则，对其下的各方案进行两两对比，并按其重要性程度评定等级。aij为要素i与要素j重要性比较结果，判断矩阵标度见表2。
表2
判断矩阵标度
因素i与因素j比较 量化值
同等重要 1
稍微重要 3
较强重要 5
强烈重要 7
极端重要 9
两相邻判断的中间值 2，4，6，8
层次单排序及其一致性检验：对于判断矩阵最大特征根λmax的特征向量，经归一化(使向量中各元素和等于1)后记为W。W元素为同一层次因素对于上一层次因素相对重要性的排序权值，该过程称为层次单排序。能否确认层次单排序，则需进行一致性检验，即对A确定不一致的允许范围。n阶一致阵的唯一非零特征根为n，n阶正互反阵A的最大特征根λ≥n，当且仅当λ＝n时，A为一致矩阵。由于λ依赖于aij，则λ比n大的越多，A的不一致性越严重，采用一致性指标CI表征，即：
Figure BDA0004068747330000151
式中，CI＝0，完全一致；CI接近于0，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重。为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI：
Figure BDA0004068747330000152
式中，随机一致性指标RI和判断矩阵阶数有关。一般情况下，矩阵阶数越大，则出现一致性随机偏离的可能性也越大，平均随机一致性指标RI标准值见表3。
表3
平均随机一致性指标RI标准值
矩阵阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RI 0 0 0.58 0.9 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49
考虑到一致性的偏离可能是由于随机原因造成的，故在检验判断矩阵是否具有一致性时，还需将CI和随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR，公式如下：
Figure BDA0004068747330000161
如果CR＜0.1，则认为该判断矩阵通过一致性检验，否则就不具有一致性。
层次总排序及其一致性检验：计算某一层所有因素对于最高层(总目标)相对重要性的权值，该过程是从最高层次到最低层次依次进行。本文发明采用YAAHP软件对各单项指标的权重通过层次分析法进行确定，得到古贤水利枢纽陕西受水区经济目标和社会目标的权重系数分别为0.65和0.35。
用户公平系数：反映某用户相对于其他用户优先得到供水的重要性程度。拟定各用水部分得到供水先后次序为：生活用水、生态用水、工业用水、农业用水，现将各水源的优先程度转化为[0，1]区间上的系数，即供水次序系数。以表示k子区j用户用水次序的序号，为k子区用户用水序号最大值，可参考下式确定：
Figure BDA0004068747330000162
将受水区各用水部门划分为4个等级：第1级为生活用水，第2级为生态用水，第3级为工业用水，第4级为农业用水；根据上式计算得到各用水部门用水公平系数分别为：0.40、0.30、0.20和0.10。
效益系数和费用系数：
工业用水效益系数：根据2010～2019年工业万元产值用水量数据，采用时间序列法预测设计水平年(2030年)工业万元产值用水量，工业用水效益系数为万元用水定额的倒数(工业万元产值用水量，单位：m3/万元)；
农业用水效益系数：根据2015～2019年作物播种面积预测设计水平年(2030年)作物播种面积，通过调查主要农作物在有、无灌溉情况下产量，并收集农产品价格信息。
生活和生态用水效益系数：生活和生态用水效益主要为间接效益，不仅有经济因素，更主要的为社会效益因素，故其效益系数较难确定。李琴对宝鸡市水资源优化配置过程中，将生活和生态用水效益系数定为500～520元/m3；李建美对宁夏红延河流域水资源优化配置中，将2025年和2035年生活和生态用水效益系数分别定为300～700元/m3和400～800元/m3；综合考虑上述已有研究成果，并考虑古贤水利枢纽工程陕西受水区实际情况，故本次将生活和生态用水效益系数统一定为600元/m3。
费用系数：不同用水部门用水费用系数参考其水费征收标准确定。对于有资料地区，根据资料计算确定；对于缺乏资料地区，参考临近地区选取。根据用水效益系数和费用系数确定方法，制定了古贤水利枢纽工程陕西受水区各用水部门用水效益系数和费用系数，见表4。
表4
受水区各用水部门用水效益系数和费用系数 单位：元/m3
Figure BDA0004068747330000181
配水量上下限：
为使求解结果既考虑综合效益重大，同时又要兼顾不同区域发展的实际情况，故本次对古贤水利枢纽工程调水量优化配置时，所设置的最大配水量为受水区各县(区)实际缺水量，最小配水量原则为：
南水北调西线生效前，设计水平年(2020年)P＝50％条件下，各县(区)配水量下限(即最小需水量)取实际缺水量的40％；生效后P＝50％条件下，配水量下限(即最小需水量)取实际缺水量的50％；
南水北调西线生效前，设计水平年(2020年)P＝75％条件下，各县(区)配水量下限(即最小需水量)取实际缺水量的30％；生效后，P＝75％条件下，配水量下限(即最小需水量)取实际缺水量的50％。
超平面上参考点的确定：本实施例采用有Das和Dennis提出的边界交叉构造权重方法，将参考点放在标准化的超平面，在目标空间中维度为(M-1)标准单纯形，它对所有的目标轴都有相同的倾斜度。如果考虑沿着每个目标方向分为p份，参考点H的总数就可以计算出来，计算公式如下：
Figure BDA0004068747330000191
式中，M为目标数，p为每个方向上分割份数。例如，在三目标(M＝3)问题中，参考点在顶点分别为(1，0，0)，(0，1，0)和(0，0，1)的三角形上产生。如果每个目标轴分为4部分(p＝4)，则参考点个数H＝15。
种群个体的自适应归一化
一：定义种群St理想点。种群St理想点为Ut τ|＝0Sτ的最小值
Figure BDA0004068747330000192
Figure BDA0004068747330000193
则可以构造出1个理想点/>
Figure BDA0004068747330000194
二：目标函数转换，公式如下：
Figure BDA0004068747330000195
三：确定每个目标极值点；极值点计算公式如下：
Figure BDA0004068747330000196
式中，当Wi＝0，实际中用10-6代替。
四：计算截距。构成M维线性超平面，根据其通用方程，带入极值点求截距。
五：归一化目标函数，归一化公式如下
Figure BDA0004068747330000197
NSGA-Ⅲ算法求解步骤：
步骤a：根据结构化方法产生参考点，考虑目标个数以及目标方向等分数，计算参考点数目。
步骤b：初始化过程中随机产生大小为N父代种群Pt；
步骤c：利用模拟二进制交叉、多项式变异操作方法，新生成大小为N的子代种群Qt；
步骤d：合成种群个体数目仍为N的种群Rt＝Pt∩Qt；
水资源优化配置结果：
南水北调西线工程生效前，P＝50％条件下，古贤水利枢纽工程向受水区居民生活和生态配水1993万m3和1049万m3，缺水率为0；工业配水5825万m3，缺水22万m3；农业生产配水84013万m3，缺水70250万m3，缺水率45.5％；P＝75％条件下，居民生活和生态配水1993万m3和1206万m3，缺水率为0；工业配水5725万m3，缺水566万m3，缺水率不足9.0％；农业生产配水83955万m3，缺水136006万m3，缺水率61.8％，缺水严重。
南水北调西线工程生效后，P＝50％条件下，古贤水利枢纽工程向受水区居民生活、生态和工业配水1993万m3、1049万和5846万m3，缺水率为0；农业生产配水146362万m3，缺水7903万m3，缺水率仅2.47％，基本满足受水区用水需求；P＝75％条件下，居民生活、生态和工业配水1993万m3、1206万和6291万m3，缺水率为0；农业生产配水145760万m3，缺水74202万m3，缺水率33.73％，缺水较严重的地区为渭南受水区各县(区)，平均缺水率24.79％。
生态环境影响评价指标体系
指标选取原则
综合性：评价指标应具有综合性，全面考虑受水区各种环境因素，确定相应评价层级，构成较完整的评价指标体系，从而对受水区进行综合、全面评价和分析。
客观性：指标体系选取要建立在客观的基础上，符合受水区实际情况，所选取的指标要具有代表性，能客观反映受水区生态环境特征，使评价结果能客观真实反映受水区实际情况。
易获性：指标体系选取所采用的数据或参数要较易获取，尽可能收集、利用第一手资料，保证指标体系的真实性。
可表征性和可度量性：对于定性指标而言，其优劣程度要具有可表征性，可采用协调、基本协调、不协调、严重不协调四个等级来表征；对于定量指标要能用具体数值来进行分级。
评价指标体系的建立：
以经济—社会—生态综合系统为基础，结合受水区水资源开发利用的实际情况，以及调水后受水区生态环境特征，按照评价指标选取原则，从经济、社会和环境不同准则下选取相互联系、具有层次性和结构性的评价指标，组成评价指标体系。根据层次结构模型原则，构建受水区生态环境影响评价指标体系框架，该框架分为3个层次：
目标层(A)：受水区调水后生态环境影响评价总体目标；
准则层(B)：目标层的分解，实现受水区生态环境影响评价所涉及的中间环节，即主要因素。
指标层(C)：实现受水区生态环境影响评价指标体系框架最底层，是对准则层(B)的详细描述与解释。
在受水区生态环境影响评价框架内，目标层为生态环境协调程度(A)；准则层包括3项指标；指标层包括10项指标，具体见图3。
由于受水区水资源优化配置系统的复杂性，故本次评价采用模糊综合评价法，以全面系统的反映受水区调水后对生态环境的影响，步骤如下：
建立因素集(U)
U＝{u1,u2,…,un}
式中，u1、u2、…un为评价指标。
建立评价集(V)
V＝{v1,v2,…,vm}
式中，V1、V2、…Vn为评价分级标准。
模糊隶属矩阵确定:
根据模糊评价对各指标等级划分标准，转化评判等级，形成评判矩阵。
本文采用指派法的梯形分布确定隶属函数，其函数如下：
Figure BDA0004068747330000221
Figure BDA0004068747330000223
Figure BDA0004068747330000224
通过隶属函数构建因素集U到评判集V的模糊映射TR:F(U)→F(V)，从而得到模糊隶属矩阵为：
Figure BDA0004068747330000225
组合权重:
由于各评价因子影响程度存在差异，反映其重要程度需对各评价指标赋予相应权重值。通过层次分析法确定各权重值组成权重集合，即W＝(w1，w2，···，wn)。
综合评价矩阵:
首先建立模糊隶属矩阵与权重矩阵，其次进行逐级运算，分为一级模糊综合运算和二级模糊综合运算，最终得到综合评价结果。
①一级模糊综合运算
构造准则层Bi，包括最低层模糊隶属矩阵和权重矩阵，即
Bi＝Wi×Ri
式中，Wi为指标层C对准则层Bi的权重矩阵；Ri为指标层C的模糊隶属矩阵，Bi为准则层B中第i项指标的模糊评价矩阵，即：
Figure BDA0004068747330000231
②二级模糊综合运算
通过一级模糊综合运算获得准则层B中各指标相应的隶属度，根据式(6-9)构造目标层：A＝W×R
式中，W为准则层B中各指标于目标层A的权重矩阵；R为准则层B中各指标一级综合评价结果所组成的模糊评价矩阵，目标层A为最终综合评价结果，即：
Figure BDA0004068747330000232
采用模糊综合评价法计算得到设计水平年(2030年)受水区不同情景下的水资源与生态环境协调度评价结果，具体见表5。
表5
南水北调西线工程生效后受水区环境影响评价结果(P＝50％)
Figure BDA0004068747330000241
/>
南水北调西线工程生效后受水区环境影响评价结果(P＝75％)
Figure BDA0004068747330000242
本发明建立了对受水区水资源配置对生态环境影响的评价体系，采用层次分析法和模糊综合评价法确定了各评价指标权重，并对受水区不同情景模式下水资源配置与生态环境协调度进行了评价，结果为：
设计水平年(2030年)P＝50％和75％条件下，未从古贤水利枢纽工程调水时，受水区14个县(区)水资源配置与生态环境协调度中协调、基本协调、不协调和严重不协调的数量分别为1个、2个、8个、3个和0个、4个、7个、3个；从古贤水利枢纽工程调水，但南水北调西线工程生效前，受水区协调、基本协调、不协调和严重不协调的数量分别为6个、6个、2个、0个和2个、9个、3个、0个；南水北调西线工程生效后，受水区协调、基本协调、不协调和严重不协调的数量分别为8个、6个、0个、0个和6个、7个、1个、0个。结果表明，随着古贤水利枢纽工程和南水北调西线工程调水量的增加，对于陕西受水区水资源与生态环境有明显的改善作用，有利于缓解受水区由于水资源短缺问题造成的生态环境恶化问题。
通过上述方式，本发明一种基于水资源供需平衡和生态效益的水资源配置与优化决策方法，以经济和社会综合效益最大为目标，构建受水区水资源优化配置模型，并求出最优解；根据水资源优化配置结果，采用层次分析法(AHP)与模糊综合评价法对受水区生态环境影响进行评价。

Claims (10)

1.基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、构建水资源供需平衡模型，分析受水区设计水平年水资源平衡状况，判断是否需要进行水资源调配，若需要，执行步骤2，否则，采用常规方式进行配水；
步骤2、将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置，得出初步配置后受水区各行业缺水量，根据受水区所处流域水资源配置格局，向水利枢纽工程供水；
步骤3、将受水区多水源转换成水利枢纽工程供水优化问题，以经济和社会综合效益最大为目标，构建受水区水资源优化配置模型；
步骤4、确定模型的权重系数、用户公平系数、效益系数和费用系数，将权重系数、用水公平系数、效益系数和费用系数输入受水区水资源优化配置模型，进行优化参数，进而得到一个优化参数的受水区水资源优化配置模型；
步骤5、设置待配水区配水量上下限，计算待配水区的需水量、供水量，将待配水区配水量上下限、待配水区的需水量、供水量输入优化参数的受水区水资源优化配置模型，由NSGA-Ⅲ算法计算求出最优解，最优解即为水资源配置方案。
2.根据权利要求1所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，步骤1具体过程为：采用BP神经网络和时间序列法预测设计水平年的国民经济发展指标，并根据国民经济发展指标，采用定额法预测设计水平年需水量、供水量，若需水量大于供水量，需要进行水资源调配，并计算缺水量和缺水率，缺水量为需水量与供水量差值，缺水率计算过程为：先计算需水量与供水量差值，该差值与供水量的比值即为缺水率，执行步骤2；若需水量不大于供水量，则不需要进行水资源调配。
3.根据权利要求1所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，步骤2中将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置具体过程为：受水区各区地表水源配给工业和农业；地下水开采在遏制生态环境恶化前提下，优先满足城市居民生活用水，而后分给工业和农业；城镇和工业园区污水处理厂的再生水主要配置给生态环境用水，经深度处理后的部分再生水可配给当地工业用水，得到水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置。
4.根据权利要求1所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，步骤2中所述初步配置后受水区各行业缺水量计算过程为：将设计水平年各受水区地表水、地下水和其他水源进行初步的配置后,根据受水区各行业需水量与供水量之间的差值，得出初步配置后受水区各行业缺水量。
5.根据权利要求1所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，步骤3中受水区水资源优化配置模型包括以经济和社会综合效益最大为目标建立目标函数和水资源供水能力约束、水资源需求约束、非负约束。
6.根据权利要求5所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，步骤3具体过程为：
以经济和社会综合效益最大为目标建立目标函数为：z＝opt{f1(x),fx(x)}
式中，Z为综合效益；x为决策向量，由不同数量、质量和赋存形式水资源组成；f1(x)和f2(x)分别为水资源开发利用经济和社会效益；
将受水区以区分为k个子区，根据用水用途不同，将各子区用水部门分为生活、工业、农业和生态用水由j表示；
其中，水资源开发利用经济效益函数f1(x)表示为：
Figure FDA0004068747300000031
式中，
Figure FDA0004068747300000032
为k子区j用户的用水效益系数；/>
Figure FDA0004068747300000033
为k子区j用户的用水费用系数；/>
Figure FDA0004068747300000034
为k子区水库水对j用户的供水量；/>
Figure FDA0004068747300000035
为用水公平系数；
其中，水资源开发利用社会效益函数f2(x)表示为：
Figure FDA0004068747300000036
式中，
Figure FDA0004068747300000037
为k子区j用户的需水量。
7.根据权利要求5所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，所述水资源供水能力约束为：
Figure FDA0004068747300000038
式中，Wk为k子区的可供水量；
所述水资源需求约束：
Figure FDA0004068747300000039
式中，
Figure FDA00040687473000000310
为k子区j用户的最小配水量，/>
Figure FDA00040687473000000311
为k子区j用户的最大配水量；
非负约束：
Figure FDA0004068747300000041
8.根据权利要求1所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，步骤4所述确定权重系数具体过程为：以综合效益为决策目标，以综合效益最优为考虑因素，以经济目标和社会目标为决策对象构建参数模型，采用YAAHP软件对经济目标和社会目标两个单项指标的权重通过层次分析法进行确定。
9.根据权利要求1所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，步骤4所述用户公平系数的计算方法为：
Figure FDA0004068747300000042
式中
Figure FDA0004068747300000043
以表示k子区j用户用水次序的序号，/>
Figure FDA0004068747300000044
为k子区用户用水序号最大值。
10.根据权利要求1所述基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法，其特征在于，步骤5中所述设置待配水区配水量上下限中，设置的最大配水量原则为受水区各区实际缺水量，最小配水量原则为设计水平年不同水文年配水量下限取实际缺水量的50％。
CN202310085375.1A 2023-02-08 2023-02-08 基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法 Pending CN116341825A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310085375.1A CN116341825A (zh) 2023-02-08 2023-02-08 基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310085375.1A CN116341825A (zh) 2023-02-08 2023-02-08 基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116341825A true CN116341825A (zh) 2023-06-27

Family

ID=86886608

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310085375.1A Pending CN116341825A (zh) 2023-02-08 2023-02-08 基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116341825A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116681262A (zh) * 2023-07-28 2023-09-01 山东锋士信息技术有限公司 一种基于遥感数据的水资源优化配置方法
CN116739187A (zh) * 2023-08-10 2023-09-12 长江三峡集团实业发展(北京)有限公司 水库优化调度决策方法、装置、计算机设备及存储介质

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111160430A (zh) * 2019-12-19 2020-05-15 广东工业大学 一种基于人工智能算法的水资源优化配置方法
CN114297913A (zh) * 2021-12-07 2022-04-08 北京林业大学 一种基于多目标优化的矿区水资源配置方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111160430A (zh) * 2019-12-19 2020-05-15 广东工业大学 一种基于人工智能算法的水资源优化配置方法
CN114297913A (zh) * 2021-12-07 2022-04-08 北京林业大学 一种基于多目标优化的矿区水资源配置方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
史长莹: "流域水资源可持续利用评价方法及其应用研究-以潮河流域河北段为例", 博士学位论文, pages 1 - 132 *
郭娇: "宁夏中南部调水工程对受水区水资源配置效果影响评价研究", 硕士学位论文, pages 1 - 72 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116681262A (zh) * 2023-07-28 2023-09-01 山东锋士信息技术有限公司 一种基于遥感数据的水资源优化配置方法
CN116739187A (zh) * 2023-08-10 2023-09-12 长江三峡集团实业发展(北京)有限公司 水库优化调度决策方法、装置、计算机设备及存储介质
CN116739187B (zh) * 2023-08-10 2024-01-09 长江三峡集团实业发展(北京)有限公司 水库优化调度决策方法、装置、计算机设备及存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116341825A (zh) 基于供需平衡和生态效益优化的水资源配置方法
CN113379109B (zh) 一种基于预测模型自适应的径流预报方法
CN112765800A (zh) 一种分布式水资源配置模型的设计方法
CN108876209A (zh) 一种考虑相对产量的红壤稻田土壤肥力评价方法
CN112241607B (zh) 一种基于仿真并考虑气候变化的水资源规划方法
Zvoleff et al. The impact of geography on energy infrastructure costs
CN112968441B (zh) 一种应用于大规模风电基地的电网规划方法
CN104504280B (zh) 电动汽车充电桩集群管理系统通信方式综合评价方法
CN108074004A (zh) 一种基于网格法的地理信息系统短期负荷预测方法
Gao et al. Multi-objective optimization of smart community integrated energy considering the utility of decision makers based on the Lévy flight improved chicken swarm algorithm
CN109993463A (zh) 一种综合管廊的工程质量管理评价方法
CN115481810A (zh) 基于多目标优化的国土空间规划的方法
CN115455619A (zh) 一种水-能-碳耦合作用下基于双层规划与图论算法的水管网规划方法及系统
Li et al. Research on water resources pricing model under the water resources–economic high-quality development coupling system: A case study of Hubei Province, China
CN110458722A (zh) 基于多目标随机向量函数连接网络的洪水区间预报方法
CN116484647B (zh) 面向统筹协调的分布式水资源配置方法及系统
Omar Towards a self-sustained house: development of an analytical hierarchy process system for evaluating the performance of self-sustained houses
CN113837891A (zh) 一种应对气候变化的大面积农灌区水资源均衡高效调配方法
Zhou et al. A water-land-energy-carbon nexus evaluation of agricultural sustainability under multiple uncertainties: The application of a multi-attribute group decision method determined by an interval-valued intuitionistic fuzzy set
CN113077127A (zh) 一种水资源高效利用的评价方法
CN114548609B (zh) 一种面向生态发电供水的水资源协同调配方法
CN103632022A (zh) 电力普遍服务综合评价系统
Dong et al. Analysis of the ultimate water resources carrying capacity in Yancheng, China
Luo et al. Analysis of influencing factors of green building energy consumption based on genetic algorithm
Dou et al. Optimized urban water security regulation schemes driven by industrial development pattern

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination