多目標(biāo)規(guī)劃在保定市水資源優(yōu)化配置的應(yīng)用研究

王　玲

(河北省保定水文水資源勘測局，河北 保定 071000)

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多目標(biāo)規(guī)劃在保定市水資源優(yōu)化配置的應(yīng)用研究

王玲

(河北省保定水文水資源勘測局，河北 保定 071000)

[摘要]水資源短缺已成為嚴(yán)重制約保定市經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。因此，對水資源進行優(yōu)化配置研究，對水資源規(guī)劃與管理有重要意義。運用多目標(biāo)規(guī)劃理論建立了一個考慮當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水及其水源多水源?lián)合供水條件下的保定市水資源優(yōu)化配置模型。模型以經(jīng)濟和社會的綜合效益最大為目標(biāo)，分析確定了模型各參數(shù)，并調(diào)用matlab優(yōu)化工具箱中的函數(shù)進行編程求解，得到保定市規(guī)劃水平年(2015年，2030年)的水資源優(yōu)化配置方案，為該市水資源規(guī)劃與管理提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]多目標(biāo)規(guī)劃；水資源；優(yōu)化配置；保定市；Matlab；多水源；fgoalatian

水資源優(yōu)化配置是指依據(jù)可持續(xù)發(fā)展的需要，通過工程和非工程措施，調(diào)節(jié)水資源的天然時空分布；統(tǒng)一地調(diào)配當(dāng)?shù)氐乇硭⒌叵滤?、處理后可回用的污?回用水)、從區(qū)域外調(diào)入的水及微咸水；注重興利與除弊的結(jié)合，協(xié)調(diào)好各地區(qū)及各用水部門的利益矛盾，盡可能提高區(qū)域整體的用水效率[1]。我國水資源配置研究過程從最初的小規(guī)模、單目標(biāo)的灌溉用水優(yōu)化發(fā)展到較大規(guī)模、多目標(biāo)、全局優(yōu)化算法的區(qū)域、流域或跨流域水資源優(yōu)化配置。賀北方利用大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論對鄭州市的水資源進行優(yōu)化配置中[2]；付湘等采用常規(guī)趨勢預(yù)測法對武漢市的水資源承載能力進行研究[3]；龍訓(xùn)建等對甘肅省酒泉市瓜州縣采用多目標(biāo)規(guī)劃法，實現(xiàn)了區(qū)域水資源效益最大化[4]；馬國軍等人運用多目標(biāo)多階段分析法，建立了石羊河流域水資源優(yōu)化配置模型[5]。

保定市屬于資源型缺水城市，多年平均年水資源量為30.52億 m3，人均用水量為330.9 m3，不足全國的1/7，近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口的增加，水資源供需矛盾日益突出。同時，還承擔(dān)保障北京供水的重任，因此，水資源短缺已成為限制保定發(fā)展的瓶頸。在這種背景下，通過水資源優(yōu)化配置，有效分配當(dāng)?shù)厮屯庹{(diào)水，是實現(xiàn)保定水資源可持續(xù)利用的有效途徑之一。

1保定市基本概況

保定市轄區(qū)位于河北省的中西部，地處京津石的中心地帶，東經(jīng)114°40′～116°20′，北緯38°15′～39°35′，面積22 112 km2，地勢自西北向東南傾斜。境內(nèi)各河流屬于大清河水系，有13條主要河流、4座大型水庫，6座中型水庫，東部有“華北明珠”之稱的白洋淀[6]。根據(jù)保定市第二次水資源評價報告[7]，考慮本地區(qū)的地形、地貌，將保定市分為大清河北支山區(qū)、大清河南支山區(qū)、淀東清北平原、淀東清南平原、淀西清北平原、淀西清南平原6個水資源分區(qū)計算(見表1)。

2保定市水資源優(yōu)化配置模型的建立

保定市供水水源有4個，包括本地地表水，地下水，外流域調(diào)水和污水處理，用水戶為用水單位的生活、生態(tài)環(huán)境、工業(yè)和 農(nóng)業(yè)4個部門。

表1　保定市水資源分區(qū)圖

水資源優(yōu)化配置的目的是為了支撐整個區(qū)域社會、經(jīng)濟、環(huán)境的全面協(xié)調(diào)和持續(xù)發(fā)展。水資源利用的是多目標(biāo)的。水資源優(yōu)化配置就是多目標(biāo)優(yōu)化問題。其目標(biāo)不是追求某一方面或?qū)ο蟮男б孀詈?，而?yīng)追求整體效益最好[8]。

故采用多目標(biāo)規(guī)劃對保定市的水資源進行合理配置。水資源優(yōu)化配置多目標(biāo)問題一般表達式如下[9]：

(1)

式中 ：X為決策變量；F(X)為綜合效益函數(shù)；G(X)為約束條件集。

對于保定市來說，水資源配置的主要目的是著重研究如何聯(lián)合運用多種水源(包括當(dāng)?shù)厮春屯庹{(diào)水源)以緩解水資源短缺而引起的用水競爭問題，最終設(shè)定了以下2個目標(biāo)函數(shù)。

經(jīng)濟效益目標(biāo)[10-13]:以優(yōu)化區(qū)域供水凈效益最大為目標(biāo)。

(2)

社會目標(biāo):由于社會效益不容易度量，可以用區(qū)域缺水量最小來間接反映。因為區(qū)域缺水量大小或缺水程度會直接影響到社會的發(fā)展和穩(wěn)定，是社會效益的一個側(cè)面反映。

(3)

3水資源優(yōu)化配置模型求解及結(jié)果分析

3.1求解方法

以2015年、2030年為規(guī)劃水平年，將前述分析計算的各相關(guān)參數(shù)帶入模型中，利用Matlab優(yōu)化工具箱中的fgoalattian函數(shù)進行編程[14,15]，求解水資源優(yōu)化配置多目標(biāo)規(guī)劃模型。

3.2優(yōu)化配置結(jié)果

保定市水資源優(yōu)化配置以經(jīng)濟和社會的綜合效益目標(biāo)最大為目標(biāo)，分別表示保定市供水凈效益最大和總?cè)彼孔钚　?/p>

模型中設(shè)定了部門需水量上下限。在保證部門最低用水量的同時，不能超過最大用水量。盡量把水資源分配到效益最大的部門中去，得出保定市2015年、2030年水資源優(yōu)化配置結(jié)果，如表2、表3。

分析以上表格，可知保定市規(guī)劃水平年2015年50%保證率缺水最嚴(yán)重的是大清河南支山區(qū)，75%保證率缺水最嚴(yán)重的是淀東清南平原。水平年2030年，50%保證率缺水最嚴(yán)重的是淀西清南平原，75%保證率缺水最嚴(yán)重的是淀東清南平原?？傮w上保定市2015年，2030年50%保證率下基本能滿足用水需求，75%保證率下缺水程度較嚴(yán)重，個別分區(qū)缺水程度達到50%。

缺水最嚴(yán)重的是農(nóng)業(yè)部門，其次是工業(yè)部門，而生活用水則基本能夠滿足庸俗要求，這體現(xiàn)了在配置過程中生活用水優(yōu)先考慮的原則。另不同計算分區(qū)各用水部門的缺水程度不同，也正是模型中設(shè)置用水部門公平系數(shù)和子區(qū)權(quán)重系數(shù)的一種體現(xiàn)。

另外,將水資源優(yōu)化配置結(jié)構(gòu)同保定市水資源二次評價中水資源評價結(jié)果比較,見表4。

通過對比分析，結(jié)果表明，在各水平年不同保證率條件下，保定市水資源經(jīng)優(yōu)化配置后的總供水量比二次評價中的評價結(jié)果有所減少，主要是由于地下水的供水量有所減少，因為模型中設(shè)定地下水只能被本水資源分區(qū)采用導(dǎo)致?？傮w上來說，保定市山區(qū)的供水量是比較充足的，在保證山區(qū)供水的同時，如何把多余的水分布到平原地區(qū)，模型較好的解決了平原地區(qū)的缺水狀況的問題。因此,此模型及其求解方法具有一定的適用性和可操作性,所得配置結(jié)果是合理的,可為保定市水資源規(guī)劃和管理提供依據(jù)。

4結(jié)語

本文對保定市水資源優(yōu)化配置問題所作的一次嘗試，多目標(biāo)規(guī)劃在一定程度上解決了保定市水資源分配中不平衡，能有效緩解平原地區(qū)的缺水程度，對保定市水資源的持續(xù)利用和管理具有一定的指導(dǎo)意義.

水資源配置問題非常復(fù)雜，往往不存在最優(yōu)解，僅僅通過優(yōu)化技術(shù)難以得到滿意的結(jié)果，而且結(jié)果難以執(zhí)行并指導(dǎo)生產(chǎn)，但可以通過優(yōu)化確定未來流域水資源的發(fā)展方向。如果水資源配置能發(fā)揮效果，必須通過適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?，只有技術(shù)和相結(jié)合，才能真正解決保定市水資源發(fā)展的瓶頸。

表2　保定市2015年水資源優(yōu)化配置成果 　萬 m3

表3　保定市2030年水資源優(yōu)化配置成果　萬 m3

表4　保定市水資源優(yōu)化配置對比表 　萬 m3

參考文獻

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Multi-objective Optimizing Allocation Model for Water Resources in Baoding City

WANGLing

(Baoding Hydrology and Water Resource Survey in Hebei Province,Baoding 071000, Hebei)

Abstract:Shortage of water resources has become an important factor which restricts the economic development of Baoding city. Therefore, how to optimize the allocation of water resources has become a hot issue in water resources planning and management. The optimization model of Baoding city was given under the conditions of multiple water resources, local surface water, groundwater, other water resources with multi-objection optimization planning. The method was aim for the comprehensive benefits of society and economy. It confirmed model parameters and invocated optimization toolbox of Matlab software to write program. Ultimately, the program of water resources rational allocation were given in 2015 and 230 planning target year of Baoding city. The result provided basis for water resources planning and management.

Key words:Multi-objection planning；water resources；optimal allocation；Baoding city；Matlab；multiple water resources；fgoalattian

[收稿日期]2015-08-17

[作者簡介]王玲(1983-)，女，山西長治人，工程師，主要從事水文分析計算及水資源工作。

[中圖分類號]TV211.1

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0107-04