基于蚁群算法的水资源优化配置博弈分析

【目的】运用博弈理论分析流域内水资源开发利用过程中各用水地区的行为和收益问题。【方法】提出市场经济与宏观调控相结合的水资源配置模式,建立各用水地区追求自身收益最优的同时,实现全流域水资源合理分配的博弈模型,为实现水资源的协调发展提供支持。将该模型应用于黑河流域,运用蚁群算法实现模型的最优求解,并与线性规划法所得结果进行了比较。【结果】利用建立的水资源优化模型,通过水权和水资源费的调节,有效约束了黑河流域内各县(区、旗)的取水量,有利于解决水资源分配过程中的用水冲突,在保证黑河流域公共水权为1.2亿m3的基础上,流域总收益达到0.936亿元。【结论】运用流域水资源优化配置博弈模型进行水资源优化配置,可以有效保证流域的公共水权,激发各地区节水和开发新水源的动力。     

基于模拟退火遗传算法的水资源优化配置研究

【目的】通过模拟模型描述水资源系统的复杂关系,解决水资源配置难题,为区域水资源合理开发利用提供决策依据。【方法】建立以经济、社会、生态环境综合效益为最优的水资源优化配置模型,并采用模拟退火遗传算法对模型进行求解,最后以咸阳市为例进行水资源优化配置。【结果】基于所建立的水资源优化配置模型对咸阳市的水资源进行优化配置,在50%保证率情况下,咸阳市2020年地表水、地下水、外调水、中水的供水量分别为69 020万、53 433万、23 435万和7 900万m~3,2030年供水量分别为88 825万、46 533万、46 310万和12 100万m~3,分别较原始供水量节水322.09万和432.46万m~3,除农业用水稍有欠缺外,其他用水户的用水要求均可以得到满足。【结论】基于模拟退火遗传算法的水资源优化配置模型配水结果合理可行,可以作为研究区水资源配置的决策依据。模拟退火遗传算法收敛速度快,寻优能力强,可以应用于水资源优化配置领域。     

基于蚁群-粒子群混合算法的水资源优化配置研究

【目的】对区域水资源的合理优化配置进行研究,为区域经济的发展、水资源的合理开发利用和节水型社会的建立提供参考。【方法】建立以经济、社会、生态环境效益为目标函数,各目标加权和为最优解的水资源优化配置模型,采用蚁群-粒子群混合算法对模型进行求解,并对渭北工业区进行水资源优化配置的实例分析,通过原供水量与优化配置水量的比较验证所建立模型的合理性。【结果】经计算,75%保证率下渭北工业区水资源的配置结果为:2015年地表水、地下水、外调水、中水供水量分别为1 747.30,13 244.84,12 905.95和1 060.23万m3;2020年各水源供水量分别为2 019.19,12 214.42,23 530.42和1 798.60万m3;与原始供水量相比,2015年和2020年总供水量分别减少312.73和421.11万m3,表现在农业供水量减少,生活、工业、生态用水均达到供需平衡。【结论】基于蚁群-粒子群混合算法的水资源优化配置结果合理,可作为研究区水资源合理开发利用决策的参考;蚁群-粒子群混合算法收敛速度快,寻优性能优越,可用于水资源优化配置的分析。     

管灌区管网用水调控模型研究

【目的】探索管灌区管网用水优化配置方法,有助于减少开关阀门次数、保障管网运行安全。【方法】将管网水动力学模型嵌入到以管网配水时间最小和各节点流量变化最小为目标的管网优化配水模型,通过模型间公共参数的数据交换,构建管网用水配置耦合模型,并采用迭代法对其进行寻优,最终形成管网用水调控模型。【结果】利用该耦合模型可以精准模拟管网各节点的压力流量变化过程,与管灌区目前常用的管网优化配置方法相比,使用耦合模型对管网水资源进行优化配置,在实现管网配水全过程实时监控的同时,使得到的结果更加真实和精细。【结论】该方法的应用实例证明了该模型和算法的有效性;嵌入分布式水动力学模型后,耦合模型无法用传统的规划方法进行求解,迭代求解的迭代格式建立及求解过程比较耗时;该方法为包含分布信息的水资源优化配置问题提供了新的思路。     

基于人工鱼群算法的浐灞河流域水资源优化配置研究

【目的】建立以经济、社会和环境效益相对最优为目标的水资源优化配置模型,为实现水资源的协调发展提供支持。【方法】以浐灞河流域为研究对象,采用人工鱼群算法建立水资源优化配置模型并进行求解。【结果】利用建立的水资源优化配置模型,对浐灞河流域各规划水平年(75%保证率)3种不同效益权重组合下的水资源进行了优化配置,配置后相对最优的结果是:研究区2020年可供水量为25 210.8万m3,较配置前增加了2 603.8万m3,缺水率较配置前降低了9.12%;2030年可供水量为28 168.8万m3,较配置前增加了1 911.8万m3,缺水率较配置前降低了6.07%。【结论】通过不同权重组合下的效益计算,选择经济、社会和环境效益权重分别为0.40,0.25和0.35时的水资源优化配置结果,作为浐灞河流域水资源开发利用与社会经济和生态环境保护协调发展的最佳方案。     

基于系统动力学的闭环反馈水资源优化配置研究

【目的】建立水资源优化配置模型,在刻画水资源配置过程复杂性的同时,探讨盈余水量回收再配置机制对区域水资源的影响,使有限的水资源得到合理利用。【方法】构建基于系统动力学的闭环反馈水资源优化配置模型,采用系统动力学软件Vensim,将水资源供需系统及与水资源有关的经济、社会、人口、环境等影响因素以图形化的方式表达出来,用变量记号和方程式表述变量之间的因果关系;同时在模型中增加盈余水量的回收再配置环节,通过设置盈余水量回收比例和回收延迟参数,探讨其对区域水资源配置结果的影响,最后对此模型进行实例应用,并与基于多目标遗传算法的水资源配置方案进行比较。【结果】基于系统动力学的闭环反馈水资源优化配置模型,充分展现了区域供水量、需水量、用水量、回收水量之间的关系,以及其与区域经济、社会、人口、环境之间复杂的因果关系。通过改变盈余水量回收比例和回收延迟参数对模型进行验证,表明盈余水量回收机制设置合理,且盈余水量全部回收可明显增加区域的总供水量;与基于多目标遗传算法的水资源配置方案的配置结果相比,利用基于系统动力学的闭环反馈水资源优化配置模型的配置结果,使实例研究区域2015,2020和2030年的缺水量分别减少1 719,1 388和2 307万m3。【结论】所建立的基于系统动力学的闭环反馈水资源优化配置模型合理、可靠,为地区水资源的优化配置提供了一条有效途径。     

基于改进灰狼算法的庆阳市水资源优化配置

【目的】对传统灰狼算法进行改进,并在甘肃省庆阳市的水资源配置中进行应用。【方法】针对传统灰狼算法易陷入局部最优、收敛速度慢、精度不高等不足,通过Tent混沌序列对群狼位置进行初始化,对灰狼算法中的距离控制参数a和位置更新方程进行优化和改进,并采用8个测试函数对改进灰狼算法进行测试。在此基础上以甘肃省庆阳市为例,分别以2020,2025,2030年为近期、中期和远期规划年,采用改进灰狼算法、传统灰狼算法、传统多目标配置方法,对庆阳市水资源的优化配置进行计算,并对3种方法进行主成分比选。【结果】改进灰狼算法的8个测试函数中有7个函数的最优值明显比传统灰狼算法更接近函数理论极小值;改进灰狼算法的2020,2025,2030 3个规划年的资源优化配置综合得分分别为0.18,0.69和1.00,其计算结果明显优于相同年份传统灰狼算法和传统多目标配置方法。经过水资源优化配置计算,2020,2025和2030年水资源所对应的经济生产总值分别为1 074.46亿、1 601.18亿和2 196.12亿元,其中2020年的经济生产总值计算值大于《庆阳市十三五经济规划》的目标值1 000亿元。【结论】改进灰狼算法在水资源优化配置中具有较好的可行性,可为水资源优化配置模型提供新的优化计算途径。     

博弈论与DS证据理论耦合的黄河流域水资源配置方案评价

【目的】从资源、社会、经济、效率多角度构建水资源配置方案综合评价模型,为水资源最佳配置方案的遴选提供依据。【方法】在传统仅以水质、水量作为自然资源评价指标的基础上,综合考虑量、质、域、流4个维度,从资源、社会、经济、效率多角度构建水资源配置方案评价指标体系,采用博弈论将层次分析法和CRITIC法综合赋权确定指标权重,同时耦合DS证据理论,建立水资源配置方案综合评价模型,并以黄河流域水资源配置为例,分别对2015年及2020,2030年共9种配置方案进行评价和比较。【结果】利用所建立的水资源配置方案综合评价模型,对黄河流域水资源配置方案的评价表明,黄河流域2020年以同时考虑调水12.63亿m³和节水67.90亿m³的方案E的综合评价结果最优,2030年则以同时考虑调水97.63亿m³和强化节水86.70亿m³的方案I的综合评价效果最优。通过对比自然、社会、经济以及效率准则的评价方案可知,黄河流域节水措施的实施提高了经济效益,同时考虑节水和调水有利于当地水资源的协调发展,能有效提高社会效益。【结论】博弈论与DS证据理论耦合,克服了以往水资源评价指标赋权的片面性和主观随意性,可以实现多源评价指标信息融合,使得评价结果更为客观合理,为水资源配置方案评价提供了新思路。     

基于博弈论的水资源保护补偿机制研究

【目的】建立基于博弈论的水资源保护补偿机制,为制定科学的补偿政策提供支持。【方法】运用博弈理论,建立基于政府参与协商调节的流域水资源保护补偿博弈模型,利用遗传算法对模型进行求解,并以泉州市晋江流域为例,对模型进行验证。【结果】该模型的建立及应用,晋江上游地区可获得5.418亿元的经济补偿,用于保护水资源;下游地区可解决2.8亿m3的缺水,创造52.674亿元的经济效益。【结论】所建立的流域水资源保护补偿博弈模型有效解决了流域上下游补偿中的利益冲突,调动了上游地区保护水资源的积极性,实现了整个流域利益的最大化,可为合理制定补偿政策提供一定的指导。     

陕西关中地区水资源生态足迹与生态赤字研究

【目的】分析陕西关中地区的人均水资源生态足迹、生态承载力和生态赤字,为该地区水资源的可持续开发利用提供参考。【方法】采用水资源生态足迹模型,确定了计算水资源生态足迹所需的3个关键参数:多年平均水资源总量、全球均衡因子和地区产量因子,对关中地区及各地市1994-2008年的人均水资源生态足迹、生态承载力、生态赤字进行了定量分析和评价,并与陕西省其他地区进行了比较。【结果】核算期内,陕西关中地区的水资源生态足迹变化比较稳定,平均为0.704 5hm2/人,各市区的水资源生态足迹水平高低依次为咸阳>渭南>铜川>西安>宝鸡>杨凌;在核算期内关中地区水资源生态承载力变化较大,平均为0.196 0hm2/人,与陕北、陕南相比是陕西省最低的;在核算期内,关中的水资源生态足迹均远远大于生态承载力,水资源生态赤字平均为0.507 7hm2/人;各用水账户中,生产用水(包括农业灌溉用水、工业用水和林渔牧副业用水)是水资源生态足迹的主要贡献者,占水资源生态足迹的80%以上。【结论】陕西关中水资源生态赤字较大,必须通过优化水资源配置,建立与水资源利用相关的法律体系、水价格体系,实施高效率的水资源管理,提高水资源生态承载力,减小生态赤字,以达到水资源可持续利用的目的。