基于多目標(biāo)規(guī)劃的黑龍江省抗旱預(yù)案研究

劉述伊

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

雖然干旱問(wèn)題受到廣泛的注意，但至今尚沒(méi)有從城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)總體角度的共同的理解與相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法以及抗旱預(yù)案模型研究。城市干旱應(yīng)當(dāng)是水分的總供給量少于總需求量的現(xiàn)象。加強(qiáng)抗旱現(xiàn)代化建設(shè)，提供抗旱工作的科學(xué)性、高效性，實(shí)現(xiàn)抗旱調(diào)度現(xiàn)代化已經(jīng)成為歷史的必然。運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃，建立以綜合開發(fā)規(guī)劃為目的、考慮災(zāi)害影響的抗旱預(yù)案有利于提高城市項(xiàng)目可行性決策過(guò)程的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1 城市干旱

1.1 城市干旱相關(guān)定義及研究背景

城市干旱是指由于干旱造成城市供水水源不足(河流、水庫(kù)、湖泊來(lái)水、蓄水少，地下水位下降等)，或者由于突發(fā)性事故使城市供水水源遭到破壞，導(dǎo)致城市實(shí)際供水量低于正常用水量，城市正常生活、成產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境受到影響。這里的城市是指經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)的建制市，分為直轄市、地級(jí)市和縣級(jí)市，統(tǒng)計(jì)范圍限定在城區(qū)范圍內(nèi)。

干旱預(yù)警是根據(jù)旱情分析預(yù)測(cè)和旱情評(píng)估結(jié)果對(duì)區(qū)域內(nèi)旱情發(fā)生趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)警。

全球有5億以上的人生活在干旱地區(qū)，整個(gè)地球大陸有30%的區(qū)域受干旱或土地沙漠化的侵?jǐn)_。我國(guó)干旱區(qū)和半干旱區(qū)約占國(guó)土面積的5215%［1］，其中西北地區(qū)干旱及半干旱區(qū)的面積就占全區(qū)總面積的87%［2］。另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)由于氣象災(zāi)害而對(duì)我國(guó)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占GDP的3% ～6%，而干旱又占?xì)庀鬄?zāi)害損失的50%左右。嚴(yán)重持續(xù)的干旱除直接影響工業(yè)生產(chǎn)、人民生活外，還造成河水?dāng)嗔?、綠洲減少、土地荒漠化、沙塵暴增多、地面沉降等多種自然災(zāi)害［3～7］。受全球變暖和干旱氣候影響，黃河 1995年斷流122 d，1996年斷流133 d，1997年斷流226 d，并出現(xiàn)了罕見的汛期斷流現(xiàn)象。由于干旱地區(qū)自然環(huán)境嚴(yán)酷，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，干旱等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)以及工業(yè)的生產(chǎn)，影響到人民的基本生活。

1.2 城市干旱等級(jí)及預(yù)警等級(jí)劃分

城市旱情指標(biāo)宜采用城市干旱缺水率。

城市干旱缺水率的計(jì)算公式為:

式中:Pg為城市干旱缺水率，%;Qz為城市正常日供水量，m3;Qs為因旱城市實(shí)際日供水量，m3

表1 城市干旱等級(jí)劃分指標(biāo)［8］

表2 城市干旱預(yù)警等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)急響應(yīng)的總體要求:按照旱災(zāi)的嚴(yán)重程度和范圍，將應(yīng)急響應(yīng)分為四級(jí)。應(yīng)急響應(yīng)等級(jí)與干旱預(yù)警等級(jí)相對(duì)應(yīng)。應(yīng)急響應(yīng)的總體要求是:加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，統(tǒng)一指揮，分級(jí)負(fù)責(zé)，部門協(xié)調(diào);強(qiáng)化紀(jì)律，依法抗旱;快速反應(yīng)，保障有力。落實(shí)責(zé)任，細(xì)化措施;科學(xué)調(diào)度，防抗結(jié)合，確保實(shí)現(xiàn)抗旱工作目標(biāo)［9］。

2 多目標(biāo)規(guī)劃研究方法介紹

2.1 問(wèn)題的提出

根據(jù)實(shí)際情況及應(yīng)用，提出問(wèn)題及相關(guān)要求。

2.2 目標(biāo)規(guī)劃模型的建立

2.2.1 偏差變量

在目標(biāo)規(guī)劃模型中，除了決策變量外，還需要引入正、負(fù)偏差變量d+、d－。其中，正偏差變量表示決策值超過(guò)目標(biāo)值的部分，負(fù)偏差變量表示決策值未達(dá)到目標(biāo)值的部分。因?yàn)闆Q策值不可能超過(guò)目標(biāo)值同時(shí)又未達(dá)到目標(biāo)值，故有d+× d－成立。

2.2.2 絕對(duì)約束和目標(biāo)約束

絕對(duì)約束，必須嚴(yán)格滿足的等式約束和不等式約束，譬如，線性規(guī)劃問(wèn)題的所有約束條件都是絕對(duì)約束，不能滿足這些約束條件的解稱為非可行解，所以它們是硬約束。

目標(biāo)約束，目標(biāo)規(guī)劃所特有的，可以將約束方程右端項(xiàng)看作是追求的目標(biāo)值，在達(dá)到此目標(biāo)值時(shí)允許發(fā)生正的或負(fù)的偏差，可加入正負(fù)偏差變量，是軟約束。

線性規(guī)劃問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，在給定目標(biāo)值和加入正、負(fù)偏差變量后可以轉(zhuǎn)化為目標(biāo)約束，也可以根據(jù)問(wèn)題的需要將絕對(duì)約束轉(zhuǎn)化為目標(biāo)約束。

2.2.3 優(yōu)先因子(優(yōu)先等級(jí))與權(quán)系數(shù)

一個(gè)規(guī)劃問(wèn)題，常常有若干個(gè)目標(biāo)，決策者對(duì)各個(gè)目標(biāo)的考慮，往往是有主次或輕重緩急的。凡要求第一位達(dá)到的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子P1，次位的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子P2，……，并規(guī)定P1＞Pl+1(l=1，2…，L)表示PL比Pl+1有更大的優(yōu)先權(quán)。這些優(yōu)先因子和權(quán)系數(shù)都由決策者按照具體情況而定。

2.2.4 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)(準(zhǔn)則函數(shù))是按照各目標(biāo)約束的正、負(fù)偏差變量和賦予相應(yīng)的優(yōu)先因子而構(gòu)造的。當(dāng)每一目標(biāo)確定后，盡可能縮小與目標(biāo)值的偏離。

在實(shí)際問(wèn)題中，可以根據(jù)決策者的要求，引入正、負(fù)偏差變量和目標(biāo)約束，并給不同目標(biāo)賦予相應(yīng)的優(yōu)先因子和權(quán)系數(shù)，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，建立模型。

2.3 目標(biāo)達(dá)到法模型

多目標(biāo)規(guī)劃方法常有效用最優(yōu)化模型、罰款模型、約束模型、目標(biāo)規(guī)劃模型、目標(biāo)達(dá)到模型，等。這里我們介紹目標(biāo)達(dá)到法:

首先將多目標(biāo)規(guī)劃模型化為如下標(biāo)準(zhǔn)形式:

在求解之前，先設(shè)計(jì)與目標(biāo)函數(shù)相應(yīng)的一組目標(biāo)值理想化的期望目標(biāo)(i=1，2，…，k)，每一個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為wi(i=1，2，…，k)，再設(shè)γ為一松弛因子。那么，多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為:

用目標(biāo)達(dá)到法求解多目標(biāo)規(guī)劃的計(jì)算過(guò)程，可以通過(guò)調(diào)用Matlab軟件系統(tǒng)優(yōu)化工具箱中的fgoalattain函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3 基于多目標(biāo)規(guī)劃的黑龍江省抗旱預(yù)案研究

3.1 黑龍江省旱情概況

黑龍江省是我國(guó)產(chǎn)糧大省，同時(shí)也是干旱缺水省份之一，干旱缺水波及范圍廣、影響程度重、造成的損失大，而且隨著城市化進(jìn)程的加快，人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活環(huán)境改善使得城市用水量逐年增加，城市缺水也呈加劇態(tài)勢(shì)。水資源供需矛盾十分尖銳，以哈爾濱市為例，目前，哈爾濱市日供水能力為132萬(wàn)m3，日平均實(shí)際供水量70～72萬(wàn)m3?，F(xiàn)有的供水能力已不能滿足哈爾濱市中、遠(yuǎn)期城市用水的需求，以城市干旱缺水率作為指標(biāo)判定哈爾濱市屬于中度干旱城市，將對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人民生活及城市發(fā)展等方面產(chǎn)生嚴(yán)重影響。其他地市也存在不同程度的干旱，尤其是大慶、齊齊哈爾、牡丹江最為嚴(yán)重。

3.2 黑龍江省城市干旱特點(diǎn)分析

黑龍江省干旱因降水偏少或異常偏少而產(chǎn)生。

干旱的一般規(guī)律為:①全省各區(qū)均有旱災(zāi)。以西旱為重，由于降雨分配不均，地形和土壤等的差異，黑龍江省西部、東部和北部均有旱災(zāi)，具有普遍性，但以西旱為重。西部地區(qū)年降水量400～500 mm，降水較少蒸發(fā)較大;東部地區(qū)年降水量500～600 mm，降水較多蒸發(fā)較少。導(dǎo)致西部較旱;②春夏連早。③災(zāi)情重，損失大，有加重趨勢(shì)。

近年來(lái)由于黑龍江省工農(nóng)業(yè)用水量的增大。環(huán)境污染，破壞生態(tài)平衡等因素對(duì)水利產(chǎn)生了很大影響:

河道斷流。隨著河流上中游地區(qū)水利工程的不斷修建及引水量急劇增加。造成進(jìn)入下游地區(qū)的水量越來(lái)越少，致使不少河流發(fā)生了斷流甚至較長(zhǎng)時(shí)期的斷流現(xiàn)象。

地下水超采。由于地表水無(wú)法滿足需要。再加之開采地下水工程相對(duì)于其它水源工程建設(shè)簡(jiǎn)單和便宜得多，一些地區(qū)對(duì)地下水進(jìn)行了大規(guī)模的開采。隨著開采量的逐年增加j形成了大面積的地下水下降漏斗區(qū)。

濕地破壞。濕地是地球之肺.不僅是生物多樣性的搖籃，而且由于其物理、生物和化學(xué)組分。如土壤、水、植物和動(dòng)物之間的相互作用。使它能夠發(fā)揮很多極其重要的功能，例如儲(chǔ)水、防風(fēng)暴、減輕洪水、控制侵蝕、補(bǔ)充地下水、釋放地下水、通過(guò)滯留營(yíng)養(yǎng)物和污染物而凈化水質(zhì)以及穩(wěn)定地方氣候.尤其是降水和溫度，間接導(dǎo)致干旱。

3.3 黑龍江省城市干旱抗旱方案

在做出城市干旱抗旱方案時(shí)，對(duì)于生活需水和工業(yè)需水的分配、有效灌溉面積的規(guī)劃、抗旱人員調(diào)度資金分配等問(wèn)題都需用到多目標(biāo)規(guī)劃方法。

以2008年黑龍江抗旱資金分配為例，對(duì)于抗旱資金的投入主要為農(nóng)業(yè)抗旱投入和城市抗旱投入，農(nóng)村抗旱投入為500萬(wàn)元/萬(wàn)人(將大牲畜等家禽抗旱投入折合到農(nóng)村每戶中)，城市抗旱投入為400萬(wàn)元/萬(wàn)人，在解決干旱災(zāi)害可減少的經(jīng) 濟(jì) 損 失 為，農(nóng) 村 為 5 300萬(wàn)元/萬(wàn)人，城 市 為4 000萬(wàn)元/萬(wàn)人。其中按照2000特大干旱受旱人口為典型年，農(nóng)村受旱人口＜200萬(wàn)，城市人口＜80萬(wàn)，根據(jù)2008年受旱人口數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)年受旱人口＞100萬(wàn)。運(yùn)用線性多目標(biāo)規(guī)劃中目標(biāo)達(dá)到法來(lái)解決資金分配的實(shí)際問(wèn)題:

將解決農(nóng)村抗旱和城市抗旱人數(shù)設(shè)為 x1、x2。構(gòu)建模型

而且滿足

調(diào)用matlab中fgoalattain函數(shù)，運(yùn)行結(jié)果為:2008年應(yīng)首先解決農(nóng)村和城市受干旱影響的人口約為20萬(wàn)人和80萬(wàn)人，投入資金最小值為 42000萬(wàn)元，減少損失最大值為426000萬(wàn)元。

基于中度干旱城市，響應(yīng)Ⅱ級(jí)干旱預(yù)警，其可實(shí)施的響應(yīng)預(yù)案有:

1)灌區(qū)根據(jù)水量供水，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保證城鄉(xiāng)居民生活用水，充分發(fā)動(dòng)群眾，積極進(jìn)行抗旱灌溉。

2)大中型水庫(kù)灌區(qū)要做好水量調(diào)度，努力擴(kuò)大有效灌溉面積。引黃灌區(qū)要加大引黃力度，盡可能多引黃河水，并適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)源。

3)缺水嚴(yán)重的城市限量供水。除滿足重要機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位如發(fā)電、供水、天然氣、醫(yī)院和學(xué)校等用水外，暫停和壓縮部分高耗水企業(yè)生產(chǎn)用水。

4 結(jié)論

對(duì)于城市干旱抗旱預(yù)案，應(yīng)建立良好的干旱預(yù)警機(jī)制以及干旱響應(yīng)系統(tǒng)，包括抗旱水量調(diào)度方案、節(jié)水限水方案以及各種抗旱措施等。對(duì)水資源實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化配置供水水源;嚴(yán)格實(shí)行計(jì)劃用水，合理安排用水次序，優(yōu)先保證城鎮(zhèn)生活用水和農(nóng)村人畜用水。另外加快國(guó)家干旱氣候監(jiān)測(cè)預(yù)警的建設(shè)和發(fā)展。加強(qiáng)國(guó)際合作與交流，根據(jù)氣象、農(nóng)業(yè)、水利、林業(yè)等行業(yè)干旱預(yù)警服務(wù)特點(diǎn)，建立與國(guó)際接軌的國(guó)家干旱綜合預(yù)警指標(biāo)體系，科學(xué)評(píng)估干旱對(duì)農(nóng)業(yè)、水資源、生態(tài)環(huán)境、公眾生活的影響;大力開展干旱減災(zāi)技術(shù)方法研究。

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