流域水资源优化配置方法技术

本发明专利技术涉及水资源分配技术，其公开了一种流域水资源优化配置方法，解决各地区、各用水部分在水资源短缺情况下的用水矛盾问题，实现用水公平、效率和经济的水资源配置。该方法包括以下步骤：a.考虑初始水权分配的公平性，水资源配置系统的稳定性和水使用权分配的效率，构建水资源配置的多目标双层决策模型；b.对多目标双层决策模型进行求解，根据求解结果进行水资源配置。本发明专利技术分别从提高流域水资源分配的公平性、稳定性和经济效率角度出发，通过建立多目标双层模型，考虑流域管理者和分区管理者之间的斯坦伯格博弈关系，不同用水部门之间的纳什博弈关系，帮助流域管理者实现可持续的水资源分配和区域经济发展。

【技术实现步骤摘要】
流域水资源优化配置方法
本专利技术涉及水资源分配技术，具体涉及一种流域水资源优化配置方法。
技术介绍
在现实生活水资源分配中，单一流域的初始水权由流域管理者分配给分区管理者(即一级市场)，分区管理者获得初始水权之后，再进行水使用权规划，应用于不同的用水部门(即二级市场)。在水资源充足的情况下，采用按需分配方案可以满足各个用水部门的需求；然而，对于如今水资源日益匮乏的社会，按需分配显然不能适用。事实上，流域初始水权和水使用权分配过程中涉及到两类决策者，即流域管理者和分区管理者，流域管理者不干涉各分区管理者对于水使用权的分配，但是他的初始水权分配会影响各分区管理者的决策。同样地，各分区的决策对流域管理者的初始水权分配也是有影响的，即流域管理者和分区管理者之间存在斯坦伯格博弈的关系。除此之外，各分区下每一个用水部门也存在纳什博弈关系。基于上述，在优化水资源配置的过程中，流域管理者进行初始水权分配时候需要遵循两个原则：一是保证利益分配公平，二是责任分担公平(公平合理原则)，分区管理者获得初始水权之后，也应该注意水资源的使用效率。所以，在整个水资源配置的过程中，不能仅仅考虑一个方面，而是应该兼顾经济、社会和生态这三个大方面的优化。随着世界各地特别是发展中国家的水资源短缺日益严重，如何克服各地区、各用水部门间的用水矛盾，追求用水公平、效率和经济的水资源配置方案成为一项研究重点和难点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提出一种流域水资源优化配置方法，解决各地区、各用水部分在水资源短缺情况下的用水矛盾问题，实现用水公平、效率和经济的水资源配置。本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：流域水资源优化配置方法，包括以下步骤：a.考虑初始水权分配的公平性，水资源配置系统的稳定性和水使用权分配的效率，构建水资源配置的多目标双层决策模型；b.对多目标双层决策模型进行求解，根据求解结果进行水资源配置。作为进一步优化，步骤a中，所述多目标双层决策模型包括上层决策模型和下层决策模型，构建方法具体包括：a1.上层决策模型的目标函数为：最大化水权分配的公平性和系统的稳定性；其中，考虑水权分配的公平性的目标函数为：其中，公平性用G表示，范围是[0,1]；随着G的增加，公平性逐渐降低；表示在分区i每单位用水所产生的经济效益；启发于经济学中的幂指数，在构建稳定性目标函数前先构建一个辅助变量αi的表达式：其中，wi表示分区i的权重，这是一个由流域管理者决定的参数，这个值越大表示分区i这个决策过程中所占权重更大；表示分区i最大的水需求量，Qi表示分区i的实际分配水量；那么，考虑水资源配置的稳定性的目标函数为：其中，COV表示标准偏差，较低的COV值表示更大的稳定性；δ是αi的标准差，是αi的平均数；上层决策模型的约束条件包括：①可用水资源限制：即，总的水分配不能超过流域可用水AW，则有：②容量限制：即，分区i能够被分配的水量应小于最大容量：表示流域到分区i的水道最大容量；③供水限制：即，第i个分区中的其他水源WSi一起分配的总水量应不大于分区i的最大存储容量，则有：a2.下层决策模型的目标函数为：最大化各分区的经济效益；其中，EBEi表示i分区的经济效益效率；AEBijmax表示分区i中第j个部门的最大平均经济效益；EBij表示分区i中第j个部门的经济效益；EBij＝AEBij·qij,；AEBij表示分区i中第j个部门的平均经济效益，可以根据历史数据估计，qij表示分区i中第j个部门的用水量；表示流域到分区i的输水损失率；下层决策模型的约束条件包括：①可分配水资源限制：即，分给不同部门的水量不能超过这个分区实际拥有的水量，则有：②生态用水要求：即，给部门分配水时需满足当地的生态和环境保护最低用水需求，则有：表示分区i最低生态需水量。作为进一步优化，步骤b中，所述对多目标双层决策模型进行求解，具体包括：在上层决策模型中，利用上下限法对目标函数进行归一化处理，并利用加权求和法合并双目标，转换为可以直接求解的单目标函数：θ表示公平性目标函数的权重，(1-θ)表示稳定性目标函数的权重，是由流域管理者决定的；Gmax、Gmin分别表示求解单目标得到的公平性最好和最差的情况；COVmax、COVmin分别表示求解单目标得到的稳定性最好和最差的情况；其中，对于wi的确定，利用数据包络分析法确定每一个分区i的相对权重，即水利用效率越高的，获得的权重wi越大，则有：ei为分区i的水利用效率；然后，采用以下思路寻找满意解，具体包括：分区域水资源管理者根据河流流域管理局的决定为工业、农业和城镇生活三个部门分配水资源：如果其中，表示第i个分区第j个部门最小用水需求，则分区需要按照满足的顺序分配水资源；分别表示工业，农业和城镇生活用水的最小需求量；如果表示分区i的j部门正常水需求量，则分区会满足各个部门的水需求；如果则分区满足各行业的最低需求，并根据经济效益原则分配用水。如果在分区i对应的Qi的水资源配置策略为：其中，如果分区i可以在保障最低用水需求和生态用水的前提下，优先向能够获得更高收益的部门进行水资源分配；其中，AEBi1≥AEBi2≥AEBi3，AEBi1、AEBi2、AEBi2分别表示i分区中工业、农业和城镇生活用水的平均经济效益，则分区i对应的Qi的水资源配置策略为是：本专利技术的有益效果是：分别从提高流域水资源分配的公平性、稳定性和经济效率角度出发，通过建立多目标双层模型，考虑流域管理者和分区管理者之间的斯坦伯格博弈关系，不同用水部门之间的纳什博弈关系，帮助流域管理者实现可持续的水资源分配和区域经济发展。附图说明图1为水资源双层决策框架示意图；图2为利用基尼系数表示公平性的示意图；图3(a)和3(b)分别为公平性G、稳定性COV与权重θ关系曲线图；图4为流域经济效益与权重θ关系曲线图。具体实施方式本专利技术旨在提出一种流域水资源优化配置方法，解决各地区、各用水部分在水资源短缺情况下的用水矛盾问题，实现用水公平、效率和经济的水资源配置。本专利技术既考虑流域管理者与各区管理者之间的斯坦伯格博弈关系，又能综合考虑分区范围中工业、城镇、农业和生态用水之间的纳什博弈关系。即确定初始水权分配固然重要，同时，保证用水效率也是缓解水资源缺乏的重要措施。因此，本专利技术分别从提高流域水资源分配的公平性、稳定性和经济效率角度出发，通过建立多目标双层模型，考虑流域管理者和分区管理者之间的斯坦伯格博弈关系，不同用水部门之间的纳什博弈关系，最终实现水资源的分配。图1是本专利技术中的水资源双层决策框架，在这个框架中，流域管理者将可用水(AW)分给N个分区管理者，此后，N个分区管理者在满足当地所需的生态用水后，将给定的水(由流域管理者分配)分发给用水部门(农业、工业、城镇)。流域管理者明确考虑分区管理者对提供水量变化的反应，做出了基于公平性和稳定性的分配方案。随即，N个分区管理者以经济效益最大化为目标，在保障最低生态用水的基础上，将水分配给3个用水部门。在具体实现上，实施流程包括：1、上层决策过程：上层决策模型的目标函数：最大化水权分配的公平性和系统的稳定性：基尼系数是保障水分配公平的有效措施，基尼系数可以表示为每个分区水消耗与经济利益之间的差绝对值，除以所有分区的单位的经济利益的平均水消耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.流域水资源优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：a.考虑初始水权分配的公平性，水资源配置系统的稳定性和水使用权分配的效率，构建水资源配置的多目标双层决策模型；b.对多目标双层决策模型进行求解，根据求解结果进行水资源配置。

【技术特征摘要】
1.流域水资源优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：a.考虑初始水权分配的公平性，水资源配置系统的稳定性和水使用权分配的效率，构建水资源配置的多目标双层决策模型；b.对多目标双层决策模型进行求解，根据求解结果进行水资源配置。2.如权利要求1所述的流域水资源优化配置方法，其特征在于，步骤a中，所述多目标双层决策模型包括上层决策模型和下层决策模型，构建方法具体包括：a1.上层决策模型的目标函数为：最大化水权分配的公平性和系统的稳定性；其中，考虑水权分配的公平性的目标函数为：其中，公平性用G表示，范围是[0,1]；随着G的增加，公平性逐渐降低；表示在分区i每单位用水所产生的经济效益；在构建稳定性目标函数前先构建一个辅助变量αi的表达式：其中，wi表示分区i的权重，这是一个由流域管理者决定的参数，这个值越大表示分区i这个决策过程中所占权重更大；表示分区i最大的水需求量，Qi表示分区i的实际分配水量；那么，考虑水资源配置的稳定性的目标函数为：其中，COV表示标准偏差，较低的COV值表示更大的稳定性；δ是αi的标准差，是αi的平均数；上层决策模型的约束条件包括：①可用水资源限制：即，总的水分配不能超过流域可用水AW，则有：②容量限制：即，分区i能够被分配的水量应小于最大容量：表示流域到分区i的水道最大容量；③供水限制：即，第i个分区中的其他水源WSi一起分配的总水量应不大于分区i的最大存储容量，则有：a2.下层决策模型的目标函数为：最大化各分区的经济效益；其中，EBei表示i分区的经济效益效率；AEBijmax表示分区i中第j个部门的最大平均经济效益；EBij表示分区i中第j个部门的经济效益；EBij＝AEBij·qij,；AEBij表示分区i中第j个部门的平均经济效益，可以根据历史数据估计，qij表示分区i中第j个部门的用...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚黎明，徐忠雯，周晓阳，陈旭东，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51