兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于水資源管理領域，通過水資源供需分析、水資源合理配置和水資源優(yōu) 化調度來實現(xiàn)水資源的合理、高效和可持續(xù)開發(fā)利用，特別是涉及省內多水資源區(qū)和多需 水行業(yè)聯(lián)合的水資源配置規(guī)劃。
【背景技術】
[0002] 水資源配置是指在流域或特定的區(qū)域內，遵循高效、公平與可持續(xù)利用的原則，通 過各種工程與非工程措施，改變水資源的天然時空分布；遵循市場經濟規(guī)律與資源配置準 貝1J，利用系統(tǒng)科學方法、決策理論與計算機模擬技術，通過合理抑制需求、有效增加供水與 積極保護環(huán)境等手段和措施，對可利用水資源在區(qū)域間與各用水部門間進行時空調控和合 理配置，不斷提高區(qū)域水資源的利用效益和效率。
[0003] 當前，進行水資源合理配置具有很強的緊迫性。其主要原因：一是水資源的天然時 空分布與生產力布局不相適應，二是在地區(qū)間和各用水部門間存在著很大的用水競爭性， 三是近年來的水資源開發(fā)利用方式已經導致產生許多生態(tài)環(huán)境問題。
[0004] 因此，研究和探討水資源合理配置的技術和方法，對于緩解水資源供需矛盾、科學 高效地利用水資源具有重要意義。
[0005] 現(xiàn)有的水資源配置規(guī)劃方法，通常是先對水資源供需實體進行抽象概化，得到一 個或多個水資源供應方和一個或多個水資源需求方。然后將水資源供應方的可供水資源量 以及水資源需求方的水資源需求量作為約束，來建立水資源配置模型。最后，從目標函數和 約束的結構和特征來對模型進行分析，選擇采用精確算法或啟發(fā)式算法進行求解。
【發(fā)明內容】
[0006] 這些水資源配置規(guī)劃，沒有從全局角度考慮水資源的區(qū)域分布、水資源配置涉及 的行政分區(qū)以及具體行業(yè)的水資源供需體系框架。同時，水資源配置關注的重點不僅是多 種水資源在區(qū)域間和各用水部門之間的分配，而且要考慮水資源配置的階段性。因為在水 資源配置計劃制定初始階段，決策者先根據水資源供需的歷史數據和現(xiàn)狀信息做出預先判 斷，制定初始水資源配置方案。接下來的階段是在給定初始水資源配置方案的情況下，結合 實際供需情景對水資源進行合理配置，并對初始水資源配置方案進行分析，而這些都是現(xiàn) 有水資源配置規(guī)劃尚未考慮的。
[0007] 本發(fā)明的目的是針對例如一個國家、一個省或一個市內不同區(qū)域的地形地貌和氣 候條件千差萬別，水資源及其供需狀況也各具差異而設計一種先預先判斷給定初始配置計 劃，再根據實際供需情景進行調度的多水資源區(qū)和多需水行業(yè)聯(lián)合的水資源配置規(guī)劃方 法，可以更好地調節(jié)各區(qū)域的水資源供需矛盾，實現(xiàn)例如全國、全省或全市范圍內的水資源 合理利用和不同行業(yè)水資源需求的均衡滿足，從而保證全國、全省或全市內各行政分區(qū)不 同行業(yè)的全面發(fā)展。
[0008] 本發(fā)明先從全局出發(fā)，把例如省內所有的二級水資源分區(qū)作為基本供水單元，將 省內所有的市級行政分區(qū)作為中間虛擬需水單元，以各市級行政分區(qū)的不同行業(yè)作為終 端需水單元，構建一個"水資源分區(qū)一行政分區(qū)一行業(yè)領域"的省級三層水資源配置框架 (3-WRAF)〇
[0009] 然后，假設規(guī)劃的省內有I個水資源分區(qū)，可向J個行政分區(qū)的H個不同行業(yè)進行 水資源配置規(guī)劃。根據水資源相關管理政策，決策者首先根據行政分區(qū)各行業(yè)需水量以及 各個水資源分區(qū)的情況，對未來一年內各水資源分區(qū)向行政分區(qū)以及不同行業(yè)供給的水量 做出預先判斷，并制定初始水資源配置方案，從而有針對性地安排生產和生活。這種預先判 斷由于未來的不確定性事件而存在風險，如果預先判斷的水量大于實際所能供給的水量， 在產生收益的同時會因為沒有達到預期值而產生懲罰；如果預先判斷的水量小于實際供給 的水量就會因為生產計劃的局限不能充分利用水資源而產生浪費。
[0010] 為此，本發(fā)明提出將經過預先判斷制定的初始水資源配置方案作為第一階段變 量，并設置第二階段變量來根據實際供需情景進行水資源配置規(guī)劃，這樣不僅可以在給定 初始水資源配置方案情況下，極大化水資源的利用率和極小化缺水造成的經濟損失，還可 以對預先制定的水資源配置方案進行分析。
[0011] 最后，基于上述兩階段情景和省級三層水資源配置框架（3-WRAF)，建立從水資源 分區(qū)經過行政分區(qū)，向不同行業(yè)領域的水資源配置規(guī)劃數學模型，提出模型求解算法。
[0012] 具體地，本發(fā)明包括、但不限于下述方案。
[0013] 一種兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，其包括以下步驟：
[0014] 步驟一：獲得需要進行水資源規(guī)劃的區(qū)域的所有二級水資源分區(qū)、行政分區(qū)作為 基于"水資源分區(qū)一行政分區(qū)一行業(yè)領域"三層水資源配置規(guī)劃的基本需水單元和中間虛 擬需水單元；
[0015] 步驟二：根據水資源分區(qū)在不同行政分區(qū)的地理分布，構建水資源分區(qū)向行政分 區(qū)的供水約束矩陣；
[0016] 步驟三：將各行政分區(qū)的需水實體按照行業(yè)領域劃分若干個終端需水單元；
[0017] 步驟四：將經過預先判斷制定的初始水資源配置方案作為第一階段變量，并考慮 實際供需情景設置第二階段變量，構建水資源配置模型；
[0018] 步驟五：考慮在實際水資源配置過程中，水資源分區(qū)的水資源量受降水的影響，根 據降水豐枯等級定義不同的降水情景；
[0019] 步驟六：設計混合智能算法求解水資源配置規(guī)劃模型；以及
[0020] 步驟七：通過模型求解得到最終的水資源配置方案。
[0021 ] 優(yōu)選地，在所述步驟二中，所述供水約束矩陣為
[0022]
【主權項】
1. 一種兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，其包括以下步驟： 步驟一：獲得需要進行水資源規(guī)劃的區(qū)域的所有二級水資源分區(qū)、行政分區(qū)作為基于 "水資源分區(qū)一行政分區(qū)一行業(yè)領域"三層水資源配置規(guī)劃的基本需水單元和中間虛擬需 水單元； 步驟二：根據水資源分區(qū)在不同行政分區(qū)的地理分布，構建水資源分區(qū)向行政分區(qū)的 供水約束矩陣； 步驟三：將各行政分區(qū)的需水實體按照行業(yè)領域劃分若干個終端需水單元； 步驟四：將經過預先判斷制定的初始水資源配置方案作為第一階段變量，并考慮實際 供需情景設置第二階段變量，構建水資源配置模型； 步驟五：考慮在實際水資源配置過程中，水資源分區(qū)的水資源量受降水的影響，根據降 水豐枯等級定義不同的降水情景； 步驟六：設計混合智能算法求解水資源配置規(guī)劃模型；以及 步驟七：通過模型求解得到最終的水資源配置方案。
2. 根據權利要求1所述的兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，其特征在于， 在所述步驟二中，所述供水約束矩陣）
如果水資源分區(qū)i分布在行政分區(qū)j，則Au= 1，在水資源配置規(guī)劃中，水資源分區(qū)i能向行政分區(qū)j供水； 反之，入u= 0且水資源分區(qū)i不能向行政分區(qū)j供水。
3. 根據權利要求1所述的兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，其特征在于， 所述終端需水單元包括農田灌溉、林牧魚畜、城鎮(zhèn)工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán) 境中的一個或多個。
4. 根據權利要求1所述的兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，其特征在于， 在所述步驟四中，做計劃時制定的配水量，是所述第一階段變量；在計劃末，根據實際 的配水量，得到的缺水量是所述第二階段變量。
5. 根據權利要求1所述的兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，其特征在于， 在所述水資源配置模型中，進行如下約束中的一個或多個約束： 約束1，任一水資源分區(qū)向行政分區(qū)輸送的水量不大于該水資源分區(qū)的可供水資源 量； 約束2,任一行政分區(qū)的缺水量不高于為該行政分區(qū)制定的配水量； 約束3,給行政分區(qū)制定的配水量，不高于該行政分區(qū)的最大需水量； 約束4,行政分區(qū)的缺水量為非負值； 約束5,行政分區(qū)的缺水總量不小于各行業(yè)的缺水量之和； 約束6,任一行政分區(qū)向各行業(yè)輸送的總水量不高于該行政分區(qū)從水資源分區(qū)得到的 總水量； 約束7,任一行政分區(qū)各行業(yè)的配水量不小于該行業(yè)的缺水量； 約束8,任一行政分區(qū)各行業(yè)的配水量不高于該行業(yè)的最大需水量； 約束9,任一行政分區(qū)各行業(yè)的缺水量都為非負值。
6. 根據權利要求1所述的兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，其特征在于， 利用隨機模擬、神經元網絡和遺傳算法結合而成的混合智能算法來進行求解。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，其 特征在于， 所述區(qū)域為國家、省、市、包括一個或多個省的地區(qū)、包括一個或多個市的地區(qū)中的一 者。
【專利摘要】一種兩階段情景下的三層水資源配置規(guī)劃方法，包括以下步驟：步驟一：獲得需要進行水資源規(guī)劃的區(qū)域的所有二級水資源分區(qū)、行政分區(qū)作為基本需水單元和中間虛擬需水單元；步驟二：根據水資源分區(qū)在不同行政分區(qū)的地理分布，構建水資源分區(qū)向行政分區(qū)的供水約束矩陣；步驟三：將各行政分區(qū)的需水實體按照行業(yè)領域劃分若干個終端需水單元；步驟四：構建水資源配置模型；步驟五：根據降水豐枯等級定義不同的降水情景；步驟六：設計混合智能算法求解水資源配置規(guī)劃模型；步驟七：通過模型求解得到最終的水資源配置方案。
【IPC分類】G06Q50-06, G06Q10-04
【公開號】CN104700150
【申請?zhí)枴緾N201310638621
【發(fā)明人】楊方廷, 劉忠華, 邵磊
【申請人】航天科工仿真技術有限責任公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2013年12月4日