水资源多目标优化管理模型方法

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：利用多目标规划方法，构建考虑气候变化下水资源脆弱性的适应性管理模型。气候变化下水资源适应性管理决策变量是指应对气候变化人类活动需要采取的适应性对策。根据水资源保障区域的需求，该目标下考虑以满足可持续发展综合效益最大、适应性对策下效益最大等为子目标函数。水资源适应性管理中，除了目标函数要达到最大外，还应满足各项必须达到的指标和各类约束条件。

利用多目标规划方法，构建考虑气候变化下水资源脆弱性的适应性管理模型。考虑到研究流域水资源供给条件以及水质情况，适应性管理模型需要围绕满足经济社会与环境协调发展为目标的水资源供给能力、未来需求的平衡关系以及经济社会可持续发展进行构建。可以用减小水资源脆弱性、最大可持续发展综合效益、适应性对策下效益最大等多个目标构建优化模型，即在保障水资源可持续利用前提下，结合社会经济和技术条件约束，探讨研究流域规划多目标情景下水资源保障程度最高状况下的各因素组合情况。

模型构建原则（夏军，等，2008）如下：

以最大可持续发展综合效益、适应性对策下效益最大满足水资源需求为目标。水资源是重要经济资源，是支撑社会经济活动正常运转的基础资源。未来，应该尽量满足人类用水需求。

模型构建要尽量放宽可行域，实现目标效益优化。水资源的开发利用遵循自然规律和经济发展规律，充分考虑水资源和水环境的承载能力，但用水端要强化水资源节约和保护，妥善处理开发与保护的关系。这些关系不是简单的相等，而是呈现一定的浮动和关联性，因此模型构建要放宽可行域，从而得到多个可行解，便于管理对策制定和措施优选。

模型要统筹各因素贡献，突出给定目标下的重要因素。因各区域水资源开发利用情况差异显著，各区域水功能区水质状况以及社会经济发展情况也不一致，因此要统筹考虑研究各流域、水资源开发与保护的关系，以可持续发展综合效益、适应性对策下效益与脆弱性为重点。

模型构建服务于适应性管理，各要素优化要便于与规划目标比较。从流域实际出发，针对存在的水问题，针对未来目标，从多年平均水资源量、水质、未来需求、用水指标、社会经济发展状况等角度出发，构建适应性管理模型，模型优化结果将服务于现有管理政策、法规和管理制度建设。

据此，水资源多目标规划模型的建模思路（夏军，等，2008）如下：首先，由已制订的区域发展目标或根据对区域发展水平的预测，确定未来经济社会和生态环境的发展程度；然后，根据未来经济社会和生态环境的发展程度，预测区域的未来需水量及结构。同时，根据水文条件或不同水平年，对供水能力及结构进行预测。由此，进行水供需平衡计算，确定区域未来经济社会发展是否缺水，缺口大小。再后，根据缺水量，提出不同时期水资源开发利用和保护的各种方案，诸如开源节流、水价调整、水体保护等等，维持水供需平衡，以保证经济社会的协调发展，并对各种方案进行经济、社会和生态环境目标的综合效益评价。最后，在水供需平衡和资金等其他条件下，进行水资源多目标规划，选择最佳方案组合，使水资源开发利用和保护的综合效益达到最优，并使其与经济社会的发展相协调。

1.模型一般表达式

进行多目标分析，首先需要明确分析目标，即所要研究的目的是什么，任务是什么。本研究综合考虑变化环境下水资源系统、生态环境和社会经济，以可持续发展、生态环境保护、减小水资源脆弱性和成本效益最佳为准则，确定模型目标函数为：水资源可持续发展度（f1）、水资源脆弱性最小（f2）和成本效益值最佳（f3）为目标函数，分别代表水资源系统可持续发展程度、生态环境状况、气候变化下水资源脆弱性程度及经济发展状况。本文采用非线规划模型对研究流域气候变化下水资源脆弱性的适应性管理，模型如下：

（1）决策变量。气候变化下水资源适应性管理决策变量是指应对气候变化人类活动需要采取的适应性对策。水资源适应性多目标模型决策变量X为：用水总量（x1）、用水效率（x2）、水功能区达标率（x3）和生态需水量（x4）。

（2）目标函数。为了应对气候变化引起的水资源脆弱性，实施适应性管理对策，首先需要应用经济手段，量化水资源适应性管理中社会、经济和环境效益，并研究其与水资源脆弱性之间的影响关系。

根据水资源保障区域的需求，该目标下考虑以满足可持续发展综合效益最大、适应性对策下效益最大等为子目标函数。由此，确定适应性管理的目标函数为：

其子目标函数如下。

1）可持续发展目标：各规划水平年各地区综合发展测度（DD）最大。

式中：DD是水资源系统在T时段内可持续发展综合测度的量化值（无量纲量），可表示为

式中　LI——水资源系统可承载隶属度；

　　　EG——对经济增长的定量描述。

2）减小脆弱性目标：各规划水平年各地区水资源脆弱性（V）最小。

3）成本效益最佳目标：各规划水平年各地区成本效益（BC）最大。

在进行运算时，要把子目标f2（X）转换为求总目标最大的问题。

（3）主要约束条件。水资源适应性管理中，除了目标函数要达到最大外，还应满足各项必须达到的指标和各类约束条件。模型的约束条件受构成目标函数和各子目标的各要素的数量和质量制约，包括水资源供需平衡、社会经济和生态环境保护等。

1）水资源系统可持续发展。本研究对水资源系统“可持续发展”程度进行量化和分类。欲保证整个系统可持续发展，必然要求系统可承载程度达到某一最低水平（设为LI0）。另外欲使系统发展是可持续的，要求态势隶属度超过某一最低水平（设为SDDT0）。

2）水资源脆弱性约束。研究水资源适应性管理，需要首先了解气候变化对水资源脆弱性的影响，通过适应性管理达到减小气候变化下水资源脆弱性的目的。

3）成本效益约束。考虑到社会经济的可持续发展，为实现经济收益最大化，对水资源系统进行适应性管理时，需要充分考虑水资源适应性管理的投入成本，并使水资源适应性管理的收益最大化。

4）其他约束条件。针对具体的情况，可能还需要增加一些其他的约束条件，比如水资源总量、水资源供需平衡、区域耗水量、可利用水量、水资源利用效率、区域生态需水、水功能区达标率、万元GDP用水量、农业灌溉用水量等。

2.模型求解方法

多目标决策模型的求解过程实质上是生成非劣解，即寻找距理想点距离最近的可行解。

下面将简单介绍优化模型的一般求解方法，并对各类方法在水资源适应性管理优化模型中应用的可能性作简单评述。

（1）非线性规划模型（NLP）。数学建模的分类方法有许多种，非线性规划是其中重要的一种。在近些年数学建模考试中经常运用此方法进行求解。非线性规划是20世纪50年代才开始形成的一门新兴学科，是研究一个n元实函数在一组等式或不等式的约束条件下的极值问题，且目标函数和约束条件至少有一个是未知量的非线性函数。在工程、管理、经济、科研、军事等方面都有广泛的应用，为最优设计提供了有力的工具（白春阳和石东伟，2011）。

非线性规划问题的一般数学模型可表述为求未知量x1，x2，…，xn，使满足约束条件：

并使目标函数f（x1，x2，…，xn）达到最小值（或最大值）。其中f，诸gi和hj都是定义在n维向量空间Rn的某子集D（定义域）上的实值函数，且至少有一个是非线性函数。

（2）多目标决策模型。水资源适应性管理的研究需要从经济社会可持续发展的角度来研究水资源与经济社会发展、生态环境以及其他资源之间的关系，因此水资源适应性管理问题是一典型的复合系统问题，这就为采用多目标决策模型进行水资源适应性管理分析提供了理论依据。由于多目标决策模型综合考虑了区域水、土、气候等限制资源及资源相互之间作用的关系，而且决策分析中可考虑人类不同目标和价值取向，融入决策者思想，比较适合处理社会、经济、生态、水资源系统这类复杂多属性多目标群决策问题。

人类社会离不开管理，而管理的核心问题就是决策。决策是人类的基本活动，从狭义角度讲，决策是指人们在不同的方案中做出选择的行为，而广义的决策则是人类解决一切问题的思维过程。随着人类的进步和社会的发展，决策问题从简单发展到复杂，决策分析技术从定性发展到半定量、再到定量，进而发展到定性与定量相结合。面对现实生活中存在的复杂的、庞大的决策问题，要求广大的管理科学学者研究与之相适应的决策理论和方法。

在现实生活和实际工作中，无论个人、企业和政府部门，都会遇到各种各样的需要做出恰当的判断并做出合理选择的问题。这些问题其中的一个重要特征就是同时涉及对多个目标诉求。例如在某地区修建水利工程时，就需要同时考虑多个方面的事项，从效益角度出发需要形成较高的水位以充分发挥其防洪的能力和发电效率，但从投入角度出发就要考虑工程建设的资金投入、对库区造成的掩没损失、移民搬迁的成本以及对当地气候造成的潜在风险，这样在确定库容的时候就必须综合发电能力、防洪水平、移民和工程投入、环境代价等多个目标。即使是买衣服这样的个人日常购物行为，也会涉及价钱、款式、颜色、面料、版型和做工质量等多个标准。

水资源多目标优化管理模型方法

相关推荐