單塊灘涂圍墾進度決策優(yōu)化

陳新華　顧麗瓊　潘張宇

摘 要：針對單塊灘涂土地利用優(yōu)化規(guī)劃與最優(yōu)開發(fā)進度決策問題，使灘涂圍墾達到預期的目的，并獲得良好的經(jīng)濟效益。確定灘涂圍墾工程的規(guī)模和空間布局、開發(fā)方案及實施策略。以單塊灘涂階段末總凈效益現(xiàn)值最大為目標，各階段開發(fā)面積為決策變量，充分考慮各階段單位籌集資金、灘涂總面積、適宜墾殖面積、各墾殖項目面積上下限為約束條件，構建以單塊灘涂計算期末總凈效益最大為目標函數(shù)的單塊灘涂優(yōu)化圍墾進度模型。采用大系統(tǒng)分解?動態(tài)規(guī)劃聚合法求解該模型，獲得單塊灘涂各墾殖項目各階段最優(yōu)開發(fā)面積，以及對應的最大總凈效益現(xiàn)值。提出的模型求解方法對今后開展單塊灘涂開發(fā)建設具有一定實用價值，也為進一步開展多塊灘涂優(yōu)化圍墾進度研究提供理論基礎。

關鍵詞：單塊灘涂圍墾；決策優(yōu)化；大系統(tǒng)分解?動態(tài)規(guī)劃聚合法

中圖分類號：P458.1+21.2 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180431022

1 概述

灘涂圍墾必須建立在科學利用的基礎上，科學的處理好自然條件和社會因素的影響，確定出圍墾工程的空間布局和規(guī)模、開發(fā)利用方案等。系統(tǒng)工程理論和方法在灘涂決策研究中[1-7]得到越來越多的應用，灘涂圍墾的墾區(qū)排澇排水系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)分期圍墾面積等研究課題都得到了預期的成果。吳玉柏等[8]利用線性規(guī)劃方法對大喇叭墾區(qū)分期開發(fā)進行了研究，制定了墾區(qū)中長期發(fā)展規(guī)劃；郭元裕等[9]利用動態(tài)規(guī)劃原理對灘涂圍墾進行了最優(yōu)規(guī)劃。但尚存在一定不足：數(shù)學模型適用范圍小，適應范圍小，僅適應于特定墾區(qū)；在多塊灘涂的最優(yōu)圍墾決策研究方面尚未展開；土地利用規(guī)劃、分期圍墾進度與排澇排水規(guī)劃之間的內(nèi)在聯(lián)系沒有充分考慮。

構建以單塊灘涂計算期末總凈效益最大為目標函數(shù)的單塊灘涂優(yōu)化圍墾進度模型，采用大系統(tǒng)分解-動態(tài)規(guī)劃聚合法[10-15]求解該模型，獲得單塊灘涂各墾殖項目各階段最優(yōu)開發(fā)面積，以及對應的最大總凈效益現(xiàn)值，提出的模型求解方法對今后開展單塊灘涂開發(fā)建設具有一定實用價值，也為進一步開展多塊灘涂優(yōu)化圍墾進度研究提供理論基礎。

2 單塊灘涂土地利用優(yōu)化規(guī)劃與最優(yōu)開發(fā)進度決策模型

建立的模型不考慮各塊間匡圍時公共工程（如隔堤）等問題。為體現(xiàn)長期效益最大，設開發(fā)規(guī)劃期為T年，分為NN個階段，每個階段D年，T=D×NN。將土地利用優(yōu)化規(guī)劃與最優(yōu)進度決策相結合，以單塊灘涂從匡圍初期到計算期末開發(fā)的總凈效益現(xiàn)值最大為目標，各階段各墾殖項目的開發(fā)面積為決策變量，考慮各階段開發(fā)單位籌集資金、灘涂總面積、適宜墾殖面積、以各墾殖項目面積的上下限為約束條件，構建單塊灘涂土地利用優(yōu)化規(guī)劃與最優(yōu)開發(fā)進度決策模型，以期確定各階段優(yōu)化墾殖布局及開發(fā)進度。

2.1 目標函數(shù)

3.2 子模型單純形法優(yōu)化

上述模型是線性規(guī)劃模型，可用單純形法求解。

對于墾殖項目K，將各階段籌集資金KJ（n）按一定步長m離散，即m=1，2，…KJ（n，m），分別進行一系列不同資金約束KJ（n，m）下的子模型優(yōu)化求解，獲得一系列給定各階段資金約束下，各階段最優(yōu)種植面積分配X（n，m），及對應的最大凈效益現(xiàn)值PP（m），即PP（k，m）～X（n，m）。

對每一個墾殖項目K，共需進行K組子系統(tǒng)優(yōu)化方法，最終獲得一系列PP（k，m）～X（k，n，m）關系。

3.3 大系統(tǒng)動態(tài)規(guī)劃聚合模型構建及求解

以各墾殖項目各階段的籌集資金為決策變量，將原模型（1）～（5）轉換為如下聚合模型。

3.4 聚合模型優(yōu)化成果回查尋優(yōu)

根據(jù)獲得的各墾殖項目各階段最優(yōu)資金分配值，回查子模型優(yōu)化成果中各子系統(tǒng)給定籌集資金下對應的優(yōu)化種植面積分配，最終獲得各墾殖項目各階段最優(yōu)種植面積分配。

以上采用基于單純形法的大系統(tǒng)分解-動態(tài)規(guī)劃聚合法求解思路如圖1所示。

4 計算實例

4.1 墾區(qū)基本情況

鹽城市蒲港墾區(qū)主要以鹽業(yè)和對蝦養(yǎng)殖為開發(fā)項目，灘涂總面積393.33hm2，基本情況及墾殖經(jīng)濟指標如表1所示。

規(guī)劃期共30a，均分為6個階段，每階段5a，圩堤及排灌設施壽命30a，資金年折現(xiàn)率7%。項目開發(fā)初期一次性投資300萬元。采用前述方法，進行單塊墾區(qū)最優(yōu)化決策計算。

4.2 蒲港墾區(qū)土地利用優(yōu)化規(guī)劃與最優(yōu)開發(fā)進度決策成果

最優(yōu)化決策結果如表2所示。各階段墾殖項目面積如圖2所示。

由圖2可以看出，采用基于子系統(tǒng)單純形法優(yōu)化的大系統(tǒng)分解-動態(tài)規(guī)劃聚合法，對蒲港墾區(qū)不同墾殖項目優(yōu)化決策計算分析，鹽業(yè)項目和對蝦項目的最大墾殖面積分別位于開發(fā)期的第5階段和第6階段，結合表2可知，可獲得合計800萬元的最大開發(fā)凈效益值。

5 結論

本文針對單塊灘涂土地利用優(yōu)化規(guī)劃與最優(yōu)開發(fā)進度決策問題，以單塊灘涂階段末總凈效益現(xiàn)值最大為目標，各階段開發(fā)面積為決策變量，考慮各階段單位籌集資金、灘涂總面積、適宜墾殖面積、各墾殖項目面積上下限為約束條件，構建了單塊灘涂土地最優(yōu)開發(fā)進度數(shù)學模型，采用基于子模型單純形法優(yōu)化的大系統(tǒng)分解-動態(tài)規(guī)劃聚合法求解，以鹽城市蒲港墾區(qū)為計算實例，獲得了較好的優(yōu)化開發(fā)進度成果。本文方法有效可行，獲得的成果效益明顯，可為單塊灘涂土地優(yōu)化開發(fā)進度決策提供借鑒與參考；同時也為開展多塊灘涂優(yōu)化圍墾進度決策研究提供理論支撐。

參考文獻

[1]王華杰. 灘涂圍墾區(qū)土地開發(fā)利用中優(yōu)化方法應用的研究[D]. 上海：上海交通大學，2001（1）：21-28.

[2]郭元裕.海涂圍墾開發(fā)優(yōu)化決策與經(jīng)濟評價[M].武漢：武漢大學出版社，1997：1-50.

[3]Carter R W G. Coastal Environments [M].Academic Press，1988， 516-518.

[4]Chen J Y. Eisma D. Walker H J. etal. Artifical Coasts [M]. Kluwer Press （in press），1999.

[5]沈永明，馮年華.江蘇沿海灘涂圍墾現(xiàn)狀及其對環(huán)境的影響[J].海洋科學，2006， 30（10）：39-43.

[6] JCPeernetta， JDMilliman. Land Ocean Interactionsin the Coastal Zone： Implementation Plan. GtGraphic SystemsAB，1995：7-8.

[7] Vedula S， Kumar D N， An integrated model for optimal reservoir operation for irrigation of multiple crops[J].Water Resources Research， 1996，32（4）：1101-1108.

[8]吳玉柏，黃俊友.大喇叭墾區(qū)分期開發(fā)模式的研究[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究[J].1992，8（3）：236-240.

[9]郭元裕，白憲臺，雷聲隆.動態(tài)規(guī)劃在海涂圍墾最優(yōu)規(guī)劃中的應用[J].水利學報，1981，8（6）：9-17.

[10]張曉祥，嚴長清，徐盼，等.近代以來江蘇沿海灘涂圍墾歷史演變研究[J].海洋科學，2013，11（68）：3-8.

[11]程吉林，金兆森.大系統(tǒng)試驗選優(yōu)方法及其在灌區(qū)優(yōu)化中應用[J].水利學報，1993（1）：41-47.

[12] Kuo S F， Liu C W， Chen S K. Comparative study of optimization techniques for irrigation project planning [J]. Journal of the American Water Resources Association， 2003，39（1）：59-73.

[13] El G T， Harrell L J. Chance-Constrained Genetic Algorithm for Water Supply and Irrigation Canal Systems Management[C]. In： World Water and Environmental Resources Congress，2003：3413-3422.

[14] J.W.Lee and S.H.Kim， “using analytic network process and goal programming for interdependent information system project selection”. Computers and Operations Research，2000（27）：367-382.

[15]康彥彥，丁賢榮，程立剛，等.基于勻光遙感的6000年來鹽城海岸演變研究[J].地理學報，2010，65（9）：1130-1136.