分式两阶段随机优化模型在作物种植结构优化中的应用

以甘肃省武威市民勤县为例,构建了以单方水效益期望值最大为目标的分式两阶段随机规划模型对地区5种主要作物进行种植结构优化,该模型可以在满足粮食安全基础上得到不同水文年不同可用水量下的作物种植结构。比较优化结果与现状水平年种植结构下的指标,现状种植面积比优化结果种植面积多出50.68%,耗水量多出36.91%,但现状水平年的种植收益比优化结果少了0.33亿元,单方水效益低1.33元/m~3。优化结果充分满足了作物的灌溉需求,极大提高了农业生产的用水效率,为民勤县以及类似灌区作物种植结构优化提供了理论依据与决策支持。     

中山市中心城区水资源优化配置

针对中山市城区的供水用水实际情况,结合中山市社会经济发展规划,对中心城区水资源建立面向可持续发展的区域水资源优化配置。合理预测中心城区代表年可供水量和用水量,充分挖掘中心城区供水工程供水潜力和需水用户节水潜力。按照“先生活、后生产”的原则,在优先满足人民生活用水的前提下,统筹安排工业生产和其他用水。采用约束法将多目标问题转化为单目标问题,并利用优化法进行优选计算,可将区域内有限的水资源在各用水部门间进行最优分配,从而获得社会经济协调发展的最佳综合效益。     

区域多水源多用户水资源优化配置研究

针对多水源、多用户的区域供水、需水特点,从经济效益、社会效益等角度出发构建区域多水源多用户水资源优化配置模型。以济宁市为研究实例,优化计算得出规划水平年2020年济宁市水资源优化配置不同保证率(P=50%,P=75%)的优化配置结果,根据优化配置结果对规划水平年2020年各用水户的不同保证率的供需水进行平衡分析。以期在充分利用水资源,满足需水要求下,寻求多水源与多用户之间最优的配水方案,实现区域综合效益最大化,促进区域可持续发展。     

基于完全分解模型的安徽省用水变化驱动效应测度与分析

为了探索安徽省用水变化驱动效应,采用完全分解模型,从人口、经济增长、技术进步、结构变动4层面对用水变化驱动效应进行了测算。结果表明,(1)经济增长对用水变化具有正向驱动作用,是用水增加的主导因素,2001—2014年,共贡献了472.26亿m~3用水,增量效应高达819.75%;(2)人口、技术进步、产业结构变动对用水变化具有抑制作用,其中,以技术进步因素最显著,2001—2014年,技术进步共减少用水333.87亿m3,减量效应达到579.53%,结构变动因素次之,考察样本期,共减少用水量78.4亿m~3,减量效应为136.09%,人口变动因素影响不大,减量效应仅为4.13%;(3)在人口、经济增长、技术进步、结构变动因素共同作用下,年均增加用水4.43亿m~3,若按惯性发展模式,2020年用水将增至298.67亿m~3,远超政府设定的270.84亿m~3红线目标。基于研究结果,提出了大力发展节水型现代农业,积极对传统工业进行节水技术改造,强化第三产业节水型器具推广,着力提升以现代服务业为主的第三产业比重等政策建议。     

南水北调后石家庄水资源优化配置研究

南水北调中线实施后,石家庄市将获得外调水资源,这在缓解当地水资源匮乏现状的同时,也给石家庄市水资源优化配置带了新的问题。在对石家庄市水资源开发利用现状、外来调水量进行分析基础上,预测了2010年石家庄市的水资源供求关系,利用目标规划法,建立了石家庄市水资源优化配置模型,并用GLPS软件对模型进行求解。结果表明:2010年,石家庄市在保证满足生活用水、工业用水和生态环境用水的前提下,农业用水量将短缺7.795×10~8m~3,占总需水量的20.6%,缺水形式依然严峻。     

灌区灌溉用水时空优化配置方法

将传统的灌溉水量在作物间的优化分配模型和建立的渠系工作制度多目标优化模型与地理信息系统相集成,提出了基于空间决策支持系统的灌区灌溉用水优化配置的新方法.综合考虑了灌区内作物、土壤、气象站点、渠系布置的空间差异、年季间气象以及作物不同生育阶段对应参数的时间差异.与传统优化方法相比,该方法可根据管理者对优化精度的要求,灵活选择优化尺度,同时,简化了求解时空优化配水问题的繁琐程度,结果表现形式更加丰富.在此基础上建立的空间决策支持系统界面友好,运行效率高,可移植性和通用性强.经实例验证,优化后的配水方案与原配水方案相比较,灌溉总用水量减少296％,产量增加243％,水分生产率提高05 kg／m3,灌溉净效益增加168％.优化后配水方案具有将有限的水资源向经济价值较高作物转移的趋势.该方法为灌区灌溉用水优化配置提供了新思路.     

基于山东省农业用水合理利用的多目标农作物种植结构调整

山东省是水资源极度匮乏的农业大省，农业用水依然是用水大项。为节约农业用水，在保证粮食安全的前提下，结合山东省农业供给侧改革内容，从种植效益和节水效益角度出发，运用多目标优化模型对农作物种植结构进行调整研究。结果表明:调整后山东省农作物种植结构由原粮、经2类变为粮、经、饲3类，种植比例也由3∶1转变为10∶5∶1，调整后7类作物（小麦、玉米、水稻、棉花、花生、大豆及蔬菜）种植净利润增加59.49亿元，节约农业用水量490.66万m3。种植结构优化调整达到了农业节水目的，同时增加了农业产值，且饲草种植比例的增加也符合农业供给侧改革调整方向。      

基于地下水可持续利用的宁城县水资源优化配置研究

宁城县经济社会的快速发展导致水资源需求量日益加大,地下水超采日益加重。根据宁城县各水源的供水能力以及各用水户对水量水质的要求,并综合考虑各方面因素,建立基于地下水可持续利用的水资源多目标优化配置模型,并采用MATLAB优化工具箱中的fgoalattain函数对模型进行求解,得出水资源合理分配方案。结果表明:在规划年水平年2020和2025年,用水大户第一产业用水量得到有效控制,各行业用水比例得到合理的调节,在满足生活、生产和生态需水的条件下,地下水开采得到了合理的控制,2020年50%和75%保证率下地下水开发利用程度分别为57.04%和64.74%,2025年50%和75%保证率下分别为59.66%和66.84%,为地下水的可持续开发利用提供了依据。     

基于生态经济学的区域水质水量统一优化配置模型

指出了以传统经济学为基础的水资源优化配置的缺陷,从生态经济学的角度提出了水质水量统一优化配置的生态经济学概念;在分析水质配置要素内涵的基础上,以生态经济效益最大为目标,建立了区域水质水量统一优化配置方案生成模型;模型考虑了经济效益、社会效益和生态环境效益的耦合,以及水质和水量的耦合;以安阳市为例,对模型进行了应用研究,结果表明模型除可以得到水量在各分区、各用水部门配置结果外,还可得到水环境容量在各用水部门的优化配置结果,证明了模型的有效性和合理、可行性。     

县域尺度中面向用水部门的初始水权配置

综合考虑各用水部门的发展目标及其历史与现状,提出县域尺度中面向用水部门的初始水权分配原则,确定不同用水部门的用水优先级别,并建立多目标规划模型,将县域获得的水权合理分配到各用水部门,从而减少各用水产业内部的初始水权配置纠纷,降低水权交易中因水权模糊而产生的信息搜集、谈判和监督的成本。最后以广西南宁市宾阳县为例,预测宾阳县2025年的可用水量只能满足50%的灌溉保证率下各部门用水量的需求;宾阳县2030年的农业用水部门缺水更加严峻,高用水和一般工业用水部门的缺水现象也开始体现。根据以上缺水情况提出了应形成相应节水激励机制,并制定合理有效的节水措施等解决思路,对宾阳县未来的初始水权配置有一定的指导意义。     

粒子群算法的改进及在农业水资源配置的应用

为了合理分配大荔县农业水资源,提高大荔县的农户总收益,建立农业水资源优化配置模型,得到大荔县主要农作物的合理种植面积以及灌水量优化配置方案,解决将大荔县灌区有限农业水资源在不同作物中合理分配的问题,实现总收益最大化的目标.模型求解中使用粒子群算法,对算法同时进行线性递减惯性权值及限速粒子群的2种改进,解决了粒子逃离函数定义域导致程序中断的问题.结果表明:经过优化后大荔县丰水年(降雨频率P=25%)总收益为29.78亿元,平水年(P=50%)总收益为29.75亿元,枯水年(P=75%)总收益为29.50亿元,与优化前的总收益28.98亿元相比均有所增长,水资源更多分配给经济作物棉花,农作物种植面积和水量均实现最优分配.对改进前后的粒子群算法求解进行比较,改进后粒子群算法寻优能力强,结果可靠合理,为区域水资源优化配置提供了新的解决思路.     

考虑不同层次利益主体的灌溉水资源优化配置

针对灌溉水资源优化配置中存在的非线性和不确定性等特点,同时考虑灌区不同层次决策主体利益,分别构建考虑上层管理者利益的区间线性分式规划(ILFP)模型以获得最大的灌溉水生产力和考虑下层农民利益的区间二次规划(IQP)模型以获得最大的产量。在此基础上,将灌区上、下层利益主体作为整体,构建线性分式二次双层规划(LFQBP)模型,以协调灌区不同层次决策主体利益,促进灌区可持续发展。将所构建模型应用于盈科灌区的粮食作物配水中。通过配水结果的比较来分析各模型的性质,结果表明ILFP模型和LFQBP模型更适用于干旱地区。所构建模型从不同角度反映灌溉配水的实际问题,其优化结果有助于灌区管理者权衡各层决策主体间的利益。     

宁夏引黄灌区湖泊湿地生态需水量计算

在收集相关资料的基础上,对宁夏引黄灌区的湖泊湿地生态需水量进行了计算。结果表明,在现状条件下,平水年份(降水频率50%)灌区湖泊湿地生态需水量为4.29亿m3,枯水年份(降水频率75%)灌区湖泊湿地生态需水量为4.83亿m3。     

基于复合多目标方法的灌区水资源优化配置

针对传统灌区水资源多目标模型求解过程中难以兼顾多维配置要求的问题,基于目标协调度、可持续发展指数、目标实现度3个指标提出了一种复合多目标方法。为验证该方法有效性,以甘肃省黑河中游17个灌区间水资源优化配置为例,以经济效益、社会效益、生态效益为目标函数构建多目标优化模型,并分别使用传统方法与复合多目标方法进行求解。结果表明,使用复合多目标方法所获得的优化配置方案可以将灌溉水利用系数提高5.42%~7.57%。结果验证了传统多目标模型在协调多个冲突目标方面较单目标模型有显著优势,而复合多目标方法所获得的优化方案更能体现决策者对研究区域种植业发展与灌区水资源配置的多元要求。     

基于NSGA-Ⅲ算法与TOPSIS决策下的区域水资源多目标优化配置

为缓解水资源供需紧张,指导区域用水管理,以社会、经济、生态综合发展为目标,供水量与需水量双向约束构建区域水资源优化配置模型.结合该模型特点,引入NSGA-Ⅲ算法对模型进行求解,以寻求Pareto前沿面与最优解集.同时,利用TOPSIS决策理论对众多Pareto可行解进行综合评价,选择权衡解作为最佳折衷方案.将该模型应用于南阳市鸭河口灌区进行验证,对灌区来水频率P=75%时下近期水平年与远期水平年进行水资源优化配置,并进行二次水资源供需平衡分析.结果表明,相对于基本方案,折衷方案在近期水平年余水量增长至11 497.60万m3,可节约水资源3 272.38万m3;远期水平年由缺水4 279.28万m3变为余水3 950.30万m3,可节约水资源8 229.58万m3,节水效果明显,符合鸭河口灌区整体规划与用水需求.     

水资源多目标配置决策模型及其应用

针对石羊河流域建立了多水源、多用户、多目标的水资源配置模型。以工业用水效益为基准,将生活、生态环境和农业用水效益折算为可公度效益,然后用权重系数法将多目标问题转化为单目标问题。从36组最优解中筛选出11组非劣解,最后采用近似理想点排序法得到均衡解,即得到有限地表水、地下水、外调水条件下各用水部门（工业、生活、生态、农业）间最优的配水方案。通过该应用实例验证了近似理想点排序法在水资源的多目标决策中的可行性和有效性。     

基于2型模糊集的多目标农业-生态水土资源优化配置

针对西北干旱区灌区生态环境脆弱、水资源短缺、复杂不确定性等问题,以石羊河流域红崖山灌区为例,耦合2型模糊集、模糊可信度约束规划和多目标规划等理论方法,构建了基于2型模糊集的多目标农业-生态水土资源优化配置模型。模型以灌溉水损失最小、生态植被灌溉水满意度最大、生态植被灌溉水费用最小和主要粮食作物经济效益最大为目标,对红崖山灌区10个决策单元的地表水、地下水和粮食作物种植面积进行优化配置。求解模型得到不同可信度水平和不确定性程度下的水土资源优化配置方案。结果表明：耦合2型模糊集的模型能够提供丰富的配置方案,水量对可信度水平的敏感性高于不确定性程度,作物种植结构对可信度水平不敏感。以不确定性程度参数为0.5、可信度水平为0.7时为例,生态植被均通过地表水灌溉,作物通过地表水、地下水联合灌溉,玉米的产量和经济效益均大于小麦。相比前人研究,本研究考虑生态植被灌溉需求,优化结果更加真实合理。本研究可为决策者提供较为符合灌区实际的配置方案,为西北干旱区灌区现代化建设提供科学指导。     

基于模糊优选方法的卧虎山流域水量分配方案研究

合理的水量分配是维持流域可持续发展的基础。卧虎山流域水量分配方案需要考虑上下游水量分配不同的目的,研究在选取多层次多类别指标中,增加水量贡献量指标,以协调流域上下游间水资源利用与保护的矛盾,根据研究区的实际赋予水量贡献量指标一定的权重,再利用模糊选优模型,综合各层次、各类别,对流域各分水区进行合理的水量分配,以保障济南市的重要供水水源地持续安全运行,为卧虎山流域汛期水量调度方案的制订奠定了基础,并为内陆地区开展类似的研究提供借鉴。     

面向生态的黑河中游模糊多目标水资源优化配置模型

以黑河中游为例,构建面向生态的单目标(模型一)和多目标(模型二)水资源优化配置模型,并进行对比分析。其中,单目标模型的目标函数是农业和生态产生的经济价值最大;多目标模型的生态目标是生态供水满意度最大,经济目标是农业产值最大。为了保证生态用水,模型中引入0-1整数规划来优化传统灌溉和节水灌溉的种植面积,同时,考虑到模型参数的不确定性,将模糊数引入到已建模型中。分别对2个模型求解,得到从不同角度出发的各个计算单元的水资源优化配置结果,为当地的生态保护提供了有力的决策支持。     

基于线性规划和MODFLOW耦合技术的人民胜利渠灌区水资源优化配置研究

【目的】确定人民胜利渠灌区合理的农业水资源优化配置方案,为灌区水资源管理和机井布置提供科学依据。【方法】针对人民胜利渠灌区水资源分配不合理及灌区生态环境恶化问题,按照灌区地形地貌、工程类型和灌溉水源特点将灌区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个计算单元,基于线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型对灌区各计算单元进行不同水文年水资源优化配置,并模拟优化配置后地下水位动态变化。【结果】确定了不同水文年灌区的水资源优化配置方案:灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区不同水文年的井渠比例有所不同,平水年井渠比分别为1/3.14、1/3.25、1/2.92,丰水年分别为1/3.47、1/3.66、1/3.24,枯水年分别为1/2.75、1/2.77、1/2.60;平水年计算单元Ⅰ区模拟地下水埋深相比初始埋深下降0.01 m,水资源总量基本处于平衡状态;计算单元Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相对于初始埋深分别上升了0.12、0.15 m;丰水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别上升了0.1、0.23、0.3 m;枯水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别下降了0.17、0.08、0.04 m。【结论】线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型相结合能较好地模拟灌区地下水流场和预测地下水动态变化趋势,进而确定合理的水资源优化配置方案。