水資源優(yōu)化配置

水資源優(yōu)化配置第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1緒論

我國水資源總量很大，但人均占有量卻遠(yuǎn)低于世界平均水平。近年來，隨著人口的增長及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水危機(jī)問題日益突出。北方地區(qū)缺水嚴(yán)重，地下水已嚴(yán)重超采；南方地區(qū)排水日益超標(biāo)，造成嚴(yán)重的水體污染及水體富營養(yǎng)化；西北干旱半干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)用水大量擠占生態(tài)環(huán)境用水。從全國范圍來看，我國水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀很不樂觀，在治理、配置、保護(hù)、節(jié)約和管理等方面亟待加強(qiáng)。為了合理開發(fā)利用水資源，充分發(fā)揮水資源的綜合效益，水資源規(guī)劃越來越受到人們的重視。隨著科學(xué)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水資源規(guī)劃的方法也在不斷的更新變化，從線性規(guī)劃法，到動(dòng)態(tài)規(guī)劃，到現(xiàn)在的多目標(biāo)規(guī)劃。第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2水資源規(guī)劃的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

水資源規(guī)劃的發(fā)展歷程及發(fā)展現(xiàn)狀2.119世紀(jì)以前人類就已開展水資源規(guī)劃工作，到20世紀(jì)初逐步從定性走向定量。20年代，美國學(xué)者首先提出應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)方法，此后蘇聯(lián)學(xué)者使其形成了較完整的水資源規(guī)劃數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。之后，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用，提出水資源數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，即以數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述水資源系統(tǒng)特征及開發(fā)利用中相互依賴和制約的關(guān)系，并求出為某一目標(biāo)（或多目標(biāo)）服務(wù)的最優(yōu)解，其內(nèi)容包括線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、非線性規(guī)劃與多目標(biāo)規(guī)劃等。第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2水資源規(guī)劃的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

水資源規(guī)劃的發(fā)展趨勢2.2水資源規(guī)劃是水利規(guī)劃與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體規(guī)劃的重要組成部分，是充分發(fā)揮水資源最大綜合效益的重要手段。通過水資源規(guī)劃，進(jìn)一步摸清我國水資源的開發(fā)利用現(xiàn)狀，在分析水資源承載能力的基礎(chǔ)上，提出合理開發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置、全面節(jié)約、有效保護(hù)、綜合治理、科學(xué)管理水資源的布局與方案，作為今后水資源利用與管理的依據(jù)與準(zhǔn)則，保障社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月多目標(biāo)規(guī)劃發(fā)展進(jìn)程

19世紀(jì)90年代

多目標(biāo)最優(yōu)化思想，最早是在1896年由法國經(jīng)濟(jì)學(xué)家V.帕雷托提出來的。他從政治經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度考慮把本質(zhì)上是不可比較的許多目標(biāo)化成單個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)化問題。20世紀(jì)40年代

1947年，J.馮·諾伊曼和O.莫根施特恩從對策論的角度提出了有多個(gè)決策者在彼此有矛盾的情況下的多目標(biāo)問題。

20世紀(jì)60年代至今1963年，L.A.扎德從控制論方面提出多指標(biāo)最優(yōu)化問題。1968年，A.M.日夫里翁引進(jìn)了真有效解概念，并得到了有關(guān)的結(jié)果。自70年代以來，多目標(biāo)規(guī)劃的研究越來越受到人們的重視。

20世紀(jì)50年代

1951年，T.C.庫普曼斯從生產(chǎn)和分配的活動(dòng)中提出多目標(biāo)最優(yōu)化問題，引入有效解的概念。同年，H.W.庫恩和A.W.塔克爾從研究數(shù)學(xué)規(guī)劃的角度提出向量極值問題。

3多目標(biāo)規(guī)劃

多目標(biāo)規(guī)劃發(fā)展歷程3.1第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3多目標(biāo)規(guī)劃

多目標(biāo)規(guī)劃的特點(diǎn)3.2

特點(diǎn)1特點(diǎn)2特點(diǎn)3特點(diǎn)4在多目標(biāo)規(guī)劃中，目標(biāo)的度量單位多是不可公度的；各目標(biāo)之間的權(quán)益是相互競爭、相互矛盾的；其解不能使多目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，而且不是唯一的；多目標(biāo)能更全面的反映整體的綜合利益。第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3多目標(biāo)規(guī)劃

多目標(biāo)規(guī)劃的一般數(shù)學(xué)模型3.3數(shù)學(xué)模型

s.t.式中：為目標(biāo)函數(shù)；為約束集。第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3多目標(biāo)規(guī)劃

模型的求解3.4效用最優(yōu)化模型約束模型目標(biāo)優(yōu)化模型罰款模型粒子群算法第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3多目標(biāo)規(guī)劃

規(guī)劃問題的各個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以通過一定的方式進(jìn)行求和運(yùn)算。這種方法將一系列的目標(biāo)函數(shù)與效用函數(shù)建立相關(guān)關(guān)系，各目標(biāo)之間通過效用函數(shù)協(xié)調(diào)，使多目標(biāo)規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的單目標(biāo)規(guī)劃問題：

（一）效用最優(yōu)化模型ψ是與各目標(biāo)函數(shù)相關(guān)的效用函數(shù)的和函數(shù)。第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3多目標(biāo)規(guī)劃

在用效用函數(shù)作為規(guī)劃目標(biāo)時(shí)，需要確定一組權(quán)值來反映原問題中各目標(biāo)函數(shù)在總體目標(biāo)中的權(quán)重，即：

（一）效用最優(yōu)化模型第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3多目標(biāo)規(guī)劃

若規(guī)劃問題的某一目標(biāo)可以給出一個(gè)可供選擇的范圍，則該目標(biāo)就可以作為約束條件而被排除出目標(biāo)組，進(jìn)入約束條件組中。假如，除第一個(gè)目標(biāo)外，其余目標(biāo)都可以提出一個(gè)可供選擇的范圍，則該多目標(biāo)規(guī)劃問題就可以轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問題：

（二）約束模型第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3多目標(biāo)規(guī)劃

需要預(yù)先確定各個(gè)目標(biāo)的期望值，同時(shí)給每一個(gè)目標(biāo)賦予一個(gè)優(yōu)先因子和權(quán)系數(shù)，假定有K個(gè)目標(biāo)，L個(gè)優(yōu)先級（），目標(biāo)規(guī)劃模型的數(shù)學(xué)形式為：

（三）目標(biāo)優(yōu)化模型第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3多目標(biāo)規(guī)劃

（三）目標(biāo)優(yōu)化模型式中：分別表示與相應(yīng)的、與相比的目標(biāo)超過值和不足值，即正、負(fù)偏差變量；表示第l個(gè)優(yōu)先級；表示在同一個(gè)優(yōu)先級中，不同目標(biāo)的正、負(fù)偏差變量的權(quán)系數(shù)。第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.1

水資源優(yōu)化配置

水資源優(yōu)化配置是水資源規(guī)劃的重要組成部分，是指在一個(gè)特定的流域或區(qū)域范圍內(nèi)，遵循高效、公平和可持續(xù)的原則，通過工程與非工程措施，考慮市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律與資源配置準(zhǔn)則，通過合理抑制需求、有效增加供水、積極保護(hù)生態(tài)環(huán)境等手段和措施，對有限的、不同形式的水資源，在區(qū)域間和各用水部門間進(jìn)行時(shí)間和空間上的科學(xué)分配。第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.1

水資源優(yōu)化配置

水資源優(yōu)化配置的最終目的就是實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，保證生活、生產(chǎn)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。水資源優(yōu)化配置的實(shí)質(zhì)是提高水資源的配置效率，一方面提高水資源的分配效率，合理解決各部門和各行業(yè)（包括生態(tài)環(huán)境用水）之間的競爭用水問題。另一方面則是提高水資源的利用效率，促使各部門或各行業(yè)內(nèi)部節(jié)約高效用水。第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月社會(huì)效益環(huán)境效益經(jīng)濟(jì)效益

本文針對某個(gè)行政區(qū)域選取社會(huì)效益(區(qū)域缺水量最小)、經(jīng)濟(jì)效益(供水的直接經(jīng)濟(jì)效益最大)和環(huán)境效益（生態(tài)環(huán)境需水量最?。┳鳛檎麄€(gè)系統(tǒng)的決策目標(biāo)來研究。目標(biāo)函數(shù)4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月0,3kcjkijxx4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用供水能力輸水能力非負(fù)約束供需變化約束條件第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月總體模型4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用效益系數(shù)費(fèi)用系數(shù)用水次序系數(shù)、用水公平系數(shù)各水源可供水量需水量上下限模型參數(shù)的確定第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用效益系數(shù)的確定A.生活用水的效益系數(shù)一般難以定量化，為保證其得到滿足。應(yīng)賦予較大值。根據(jù)實(shí)際情況與周邊地區(qū)的情況，確定生活用水的效益系數(shù),單位為元/m3。B.生態(tài)環(huán)境用水主要是包括城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境用水；城鎮(zhèn)居民的生活與城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境有關(guān)，所以取環(huán)境用水的效益系數(shù)等于生活用水的效益系數(shù)，單位為元/m3第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用效益系數(shù)的確定C.第二產(chǎn)業(yè)用水的效益系數(shù)采用第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值分?jǐn)偡椒?，?jì)算公式如下：式中：b指第二產(chǎn)業(yè)用水效益系數(shù)；β指第二產(chǎn)業(yè)用水效益分?jǐn)傁禂?shù)，不同的取水水源，其分?jǐn)傁禂?shù)不同：以自來水作為取水水源，第二產(chǎn)業(yè)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)取3.5%；以自備井作為取水水源，第二產(chǎn)業(yè)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)取3%；以水利工程作為取水水源，第二產(chǎn)業(yè)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)取6.5%；w指第二產(chǎn)業(yè)萬元產(chǎn)值取水量(m3/萬元)。第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用效益系數(shù)的確定D.農(nóng)業(yè)用水效益系數(shù)按灌溉后的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益乘以水利分?jǐn)傁禂?shù)確定。求得單一作物的用水效益后，對于有多種農(nóng)作物的研究區(qū)，可以采用幾何平均法求得。第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用費(fèi)用系數(shù)的確定從水利工程取水的用戶以水資源費(fèi)、污水處理費(fèi)與輸水成本之和作為其費(fèi)用系數(shù)；從水廠取水的用戶以水價(jià)作為其費(fèi)用系數(shù)；從自備井取水的用戶以水資源費(fèi)、污水處理費(fèi)與提水成本之和作為其費(fèi)用系數(shù)；農(nóng)業(yè)用戶的費(fèi)用系數(shù)參考水費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)確定。第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用供水次序系數(shù)的確定供水次序系數(shù)反映k子區(qū)i，c水源相對于其他水源供水的優(yōu)先程度，與水源供水次序有關(guān)?？梢詤⒖枷率酱_定：表示用水戶得到供水的次序的最大值表示k子區(qū)j用水戶得到供水的次序第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用用戶公平系數(shù)的確定用戶公平系數(shù)表示k子區(qū)j用戶相對于其他用戶先得到供水的保證程度，與相似，與用戶優(yōu)先得到供水的次序有關(guān)。例如：擬定各用戶得到供水的次序先后為:1—生活用水；2—環(huán)境用水；3—二產(chǎn)及三產(chǎn)用水；4—農(nóng)業(yè)用水。參照上式，計(jì)算得到各用戶的公平系數(shù)：第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用用戶公平系數(shù)的確定第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用各水源可供水量可供水量是指在不同規(guī)劃水平年和不同設(shè)計(jì)保證率條件下，考慮用戶需水要求，通過一定的工程設(shè)施提供的用戶可以使用的水量。區(qū)域內(nèi)水源供給各類用戶的最大水量，不得超過水源的可供水量。第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用需水量上、下限用戶需水量主要包括生活用水、生態(tài)環(huán)境用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水四大類，可采用定額法等方法進(jìn)行預(yù)測。a、生活需水量上下限根據(jù)區(qū)域生活取用水習(xí)慣以及牲畜用水，可取其上、下限為等值。第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用需水量上、下限b、生態(tài)環(huán)境需水量上下限隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境破壞也越來越嚴(yán)重了，近些年產(chǎn)生的生態(tài)問題引發(fā)了人們的思考，所以生態(tài)環(huán)境用水上、下限均取為環(huán)境需水量。第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用需水量上、下限c、工業(yè)需水量上下限考慮工業(yè)用水特征，上、下限分別按下式取值：式中：分別為一般工業(yè)用水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水的上下限，為一般工業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的需水量。第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

4.2

多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用需水量上、下限d、農(nóng)業(yè)需水上下限式中：分別為k子區(qū)農(nóng)業(yè)用水量的上下限；分別為k子區(qū)的有效灌溉面積和保證灌溉面積；為k子區(qū)綜合灌溉定額。第32頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月5結(jié)語

水資源優(yōu)化配置涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口、資源和生態(tài)環(huán)境等諸多方面，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源開發(fā)利用也從局部地區(qū)、單一目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向水資源的綜合利用，在這種情況下，多目標(biāo)規(guī)劃在水資源優(yōu)化配置中得到廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著巨大的作用。水資源規(guī)劃是確保水資源可持續(xù)利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，是充分發(fā)揮水資源最大綜合效益的重要手段，通過水資源規(guī)劃，采取優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)約用水、加快工程建設(shè)、加強(qiáng)水資源保護(hù)和政策保障等措施來對水資源進(jìn)行優(yōu)化配置，使得水資源的供需矛盾得以緩解。第33頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月參考