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1、水资源优化配置第1页，本讲稿共35页1 绪论 我国水资源总量很大，但人均占有量却远低于世界平均水平。近年来，随着人口的增长及经济的发展，水危机问题日益突出。北方地区缺水严重，地下水已严重超采；南方地区排水日益超标，造成严重的水体污染及水体富营养化；西北干旱半干旱地区经济用水大量挤占生态环境用水。从全国范围来看，我国水资源开发利用现状很不乐观，在治理、配置、保护、节约和管理等方面亟待加强。为了合理开发利用水资源，充分发挥水资源的综合效益，水资源规划越来越受到人们的重视。随着科学的进步和计算机技术的发展，水资源规划的方法也在不断的更新变化，从线性规划法，到动态规划，到现在的多目标规划。第2页，本讲
2、稿共35页2 2 水资源规划的发展现状及发展趋势水资源规划的发展现状及发展趋势 水资源规划的发展历程及发展现状 2.1 19世纪以前人类就已开展水资源规划工作，到20世纪初逐步从定性走向定量。20年代，美国学者首先提出应用数理统计理论进行调节计算的经验方法，此后苏联学者使其形成了较完整的水资源规划数理统计方法。之后，随着电子计算机的发展与应用，提出水资源数学规划方法，即以数学表达式来描述水资源系统特征及开发利用中相互依赖和制约的关系，并求出为某一目标（或多目标）服务的最优解，其内容包括线性规划、动态规划、非线性规划与多目标规划等。第3页，本讲稿共35页2 2 水资源规划的发展现状及发展趋势水资
3、源规划的发展现状及发展趋势 水资源规划的发展趋势 2.2 水资源规划是水利规划与国民经济发展总体规划的重要组成部分，是充分发挥水资源最大综合效益的重要手段。通过水资源规划，进一步摸清我国水资源的开发利用现状，在分析水资源承载能力的基础上，提出合理开发、高效利用、优化配置、全面节约、有效保护、综合治理、科学管理水资源的布局与方案，作为今后水资源利用与管理的依据与准则，保障社会、经济与环境的协调发展。第4页，本讲稿共35页多目标规划多目标规划发展进程发展进程 1919世纪世纪世纪世纪9 90 0年代年代年代年代 多目标最优化思想，最早是在1896年由法国经济学家V.帕雷托提出来的。他从政治经济学的
4、角度考虑把本质上是不可比较的许多目标化成单个目标的最优化问题。20世纪世纪40年代年代 1947年，J.冯诺伊曼和O.莫根施特恩从对策论的角度提出了有多个决策者在彼此有矛盾的情况下的多目标问题。20世纪世纪60年代至今年代至今1963年，L.A.扎德从控制论方面提出多指标最优化问题。1968 年，A.M.日夫里翁引进了真有效解概念，并得到了有关的结果。自70年代以来，多目标规划的研究越来越受到人们的重视。20世纪世纪50年代年代 1951年，T.C.库普曼斯从生产和分配的活动中提出多目标最优化问题，引入有效解的概念。同年，H.W.库恩和 A.W.塔克尔从研究数学规划的角度提出向量极值问题。3
5、3 多目标规划多目标规划 多目标规划发展历程 3.1第5页，本讲稿共35页3 3 多目标规划多目标规划 多目标规划的特点 3.2 特点1特点特点2特点特点3特点特点4在多目标规划中，目标的度量单位多是不可公度的；各目标之间的权益是相互竞争、相互矛盾的；其解不能使多目标同时达到最优，而且不是唯一的；多目标能更全面的反映整体的综合利益。第6页，本讲稿共35页3 3 多目标规划多目标规划 多目标规划的一般数学模型 3.3数学模型 s.t.式中：为目标函数；为约束集。第7页，本讲稿共35页3 3 多目标规划多目标规划 模型的求解 3.4效用最优效用最优化模型化模型约束约束模型模型目标优化目标优化模型模
6、型罚款罚款模型模型粒子群粒子群算法算法第8页，本讲稿共35页3 3 多目标规划多目标规划 规划问题的各个目标函数可以通过一定的方式进行求和运算。这种方法将一系列的目标函数与效用函数建立相关关系，各目标之间通过效用函数协调，使多目标规划问题转化为传统的单目标规划问题：（一）效用最优化模型是与各目标函数相关的效用函数的和函数。第9页，本讲稿共35页3 3 多目标规划多目标规划 在用效用函数作为规划目标时，需要确定一组权值来反映原问题中各目标函数在总体目标中的权重，即：（一）效用最优化模型第10页，本讲稿共35页3 3 多目标规划多目标规划 若规划问题的某一目标可以给出一个可供选择的范围，则该目标就
7、可以作为约束条件而被排除出目标组，进入约束条件组中。假如，除第一个目标外，其余目标都可以提出一个可供选择的范围，则该多目标规划问题就可以转化为单目标规划问题：（二）约束模型第11页，本讲稿共35页3 3 多目标规划多目标规划 需要预先确定各个目标的期望值，同时给每一个目标赋予一个优先因子和权系数，假定有K个目标，L个优先级（），目标规划模型的数学形式为：（三）目标优化模型第12页，本讲稿共35页3 3 多目标规划多目标规划 （三）目标优化模型式中：分别表示与相应的、与相比的目标超过值和不足值，即正、负偏差变量；表示第l个优先级；表示在同一个优先级中，不同目标的正、负偏差变量的权系数。第13页，
8、本讲稿共35页 4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.1 水资源优化配置 水资源优化配置是水资源规划的重要组成部分，是指在一个特定的流域或区域范围内，遵循高效、公平和可持续的原则，通过工程与非工程措施，考虑市场经济规律与资源配置准则，通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对有限的、不同形式的水资源，在区域间和各用水部门间进行时间和空间上的科学分配。第14页，本讲稿共35页 4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.1 水资源优化配置 水资源优化配置的最终目的就是实现水资源的可持续利用，保
9、证生活、生产和生态的协调发展。水资源优化配置的实质是提高水资源的配置效率，一方面提高水资源的分配效率，合理解决各部门和各行业（包括生态环境用水）之间的竞争用水问题。另一方面则是提高水资源的利用效率，促使各部门或各行业内部节约高效用水。第15页，本讲稿共35页社会效益环境效益经济效益本文针对某个行政区域选取社会效益(区域缺水量最小)、经济效益(供水的直接经济效益最大)和环境效益（生态环境需水量最小）作为整个系统的决策目标来研究。目标函数4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 第16页，本讲稿共35页0,kcjkij
10、xx4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 供水能力供水能力输水能力输水能力非负约束非负约束供需变化供需变化约束条件约束条件第17页，本讲稿共35页总体模型4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 第18页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 第19页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中
11、的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 效益系数效益系数费用系数费用系数用水次序系用水次序系数、用水公数、用水公平系数平系数各水源可各水源可供水量供水量需水量上需水量上下限下限模型参数的确定模型参数的确定第20页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 效益系数的确定效益系数的确定A.生活用水的效益系数一般难以定量化，为保证其得到满足。应赋予较大值。根据实际情况与周边地区的情况，确定生活用水的效益系数,单位为元/m。B.生态环境用水主要是包括城镇生态环境用水；城镇居民的生活与城镇生态环境
12、有关，所以取环境用水的效益系数等于生活用水的效益系数，单位为元/m 第21页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 效益系数的确定效益系数的确定C.第二产业用水的效益系数采用第二产业总产值分摊方法，计算公式如下：式中：b指第二产业用水效益系数；指第二产业用水效益分摊系数，不同的取水水源，其分摊系数不同：以自来水作为取水水源，第二产业供水效益分摊系数取3.5%；以自备井作为取水水源，第二产业供水效益分摊系数取3%；以水利工程作为取水水源，第二产业供水效益分摊系数取6.5%；w指第二产业万元产值取水量
13、(m/万元)。第22页，本讲稿共35页 4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 效益系数的确定效益系数的确定 D.农业用水效益系数按灌溉后的农业增产效益乘以水利分摊系数确定。求得单一作物的用水效益后，对于有多种农作物的研究区，可以采用几何平均法求得。第23页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 费用系数的确定费用系数的确定 从水利工程取水的用户以水资源费、污水处理费与输水成本之和作为其费用系数；从水厂取水的用户以水
14、价作为其费用系数；从自备井取水的用户以水资源费、污水处理费与提水成本之和作为其费用系数；农业用户的费用系数参考水费征收标准确定。第24页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 供水次序系数的确定供水次序系数的确定 供水次序系数反映k子区i，c水源相对于其他水源供水的优先程度，与水源供水次序有关。可以参考下式确定：表示用水户得到供水的次序的最大值表示k子区j用水户得到供水的次序第25页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水
15、资源优化配置中的应用 用户公平系数的确定用户公平系数的确定用户公平系数 表示k子区j用户相对于其他用户先得到供水的保证程度，与 相似，与用户优先得到供水的次序有关。例如：拟定各用户得到供水的次序先后为:1生活用水；2环境用水；3二产及三产用水；4农业用水。参照上式，计算得到各用户的公平系数：第26页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 用户公平系数的确定用户公平系数的确定第27页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资
16、源优化配置中的应用 各水源可供水量各水源可供水量 可供水量是指在不同规划水平年和不同设计保证率条件下，考虑用户需水要求，通过一定的工程设施提供的用户可以使用的水量。区域内水源供给各类用户的最大水量，不得超过水源的可供水量 。第28页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 需水量上、下限需水量上、下限 用户需水量主要包括生活用水、生态环境用水、工业用水、农业用水四大类，可采用定额法等方法进行预测。a、生活需水量上下限根据区域生活取用水习惯以及牲畜用水，可取其上、下限为等值。第29页，本讲稿共35页4
17、 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 需水量上、下限需水量上、下限 b、生态环境需水量上下限 随着经济的发展，生态环境破坏也越来越严重了，近些年产生的生态问题引发了人们的思考，所以生态环境用水上、下限均取为环境需水量。第30页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 需水量上、下限需水量上、下限c、工业需水量上下限考虑工业用水特征，上、下限分别按下式取值：式中：分别为一般工业用水、乡镇企业用水的上下限，为一般工业、乡镇
18、企业的需水量。第31页，本讲稿共35页4 4 多目标规划在水资源优化配置中的应用多目标规划在水资源优化配置中的应用 4.2 多目标规划在水资源优化配置中的应用 需水量上、下限需水量上、下限d、农业需水上下限式中：分别为k子区农业用水量的上下限；分别为k子区的有效灌溉面积和保证灌溉面积；为k子区综合灌溉定额。第32页，本讲稿共35页5 5 结语结语 水资源优化配置涉及社会经济、人口、资源和生态环境等诸多方面，随着经济的发展，水资源开发利用也从局部地区、单一目标逐渐转向水资源的综合利用，在这种情况下，多目标规划在水资源优化配置中得到广泛应用，并发挥着巨大的作用。水资源规划是确保水资源可持续利用、经
19、济社会可持续发展的重要保障，是充分发挥水资源最大综合效益的重要手段，通过水资源规划，采取优化用水结构、促进节约用水、加快工程建设、加强水资源保护和政策保障等措施来对水资源进行优化配置，使得水资源的供需矛盾得以缓解。第33页，本讲稿共35页参考文献参考文献 1水利部水利水电规划设计总院.全国水资源综合规划技术大纲R,北京:水利部水利水电规划设计总院,20022何俊仕,粟晓玲.水资源规划及管理M.北京:中国农业出版社,2006.3王顺久,张欣莉,倪长键.水资源优化配置原理及方法M.北京:中国水利水电出版社,2007.4余兴奎.昆明市水资源优化配置D.昆明理工大学,2012.5王战平,田军仓.基于粒
20、子群算法的区域水资源优化配置研究J.中国农村水利水电,2013,01:7-10.6郭慧芳,马海波,董增川等.改进的多目标粒子群算法在鄱阳湖水资源优化配置中的应用J.中国农村水利水电,2012,10:61-64.7李丽琴,谢新民,韩剑桥等.面向可持续发展的水资源优化配置研究J.中国农村水利水电,2013,01:15-18+22.8邓坤,张璇,谭炳卿等.多目标规划法在南四湖流域水资源优化配置中的应用J.水科学与工程技术,2010,05:11-15.9李扬,秦大庸,于福亮等.黑河中游地区水资源优化配置模型研究J.人民黄河,2008,08:72-73+79.10邓彩琼.区域水资源优化配置模型及其应用研究D.武汉大学,200511王丽萍,王蕊,姜生斌等.水资源系统多目标优化配置模型的研究及应用J.华北电力大学学报,2007,04:32-37.第34页，本讲稿共35页谢谢大家第35页，本讲稿共35页