一种牧区水土草畜平衡模型的计算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种牧区水土草畜平衡模型的计算方法及系统，涉及数学模型计算技术领域。所述方法以水资源、土地资源及草地资源承载力为底线，以经济效益和生态效益综合效益最大为目标，以牧区“水‑土‑草‑畜”之间的全面平衡为准则，合理确定水土资源开发规模、农牧业种植结构、畜牧业生产方式以及适宜的载畜量，实现牧区水、土、草资源可持续利用、生态环境良性发展和社会经济可持续发展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数学模型计算
，特别涉及一种牧区水土草畜平衡模型的计算方法及系统。
技术介绍
我国牧区干旱少雨、水资源短缺，水土资源不匹配，草畜平衡矛盾突出，草原沙化退化严重，生态环境十分脆弱，超载过牧和农耕经济蚕食是造成草原生态退化的主要人为因素。目前的牧区平衡计算存在的问题：(1)以往的研究多是进行水-草-畜平衡计算，对于灌溉人工草地种植的重要影响因素土的考虑不足；(2)以往研究多以经济效益最大化作为目标进行计算；(3)以往研究多是以灌溉可利用水量进行约束，灌溉可利用水量为水资源可供水量扣除其他行业用水量之后的定值，在不同的水配置目标及方案灌溉可利用水量应是变化的；(4)以往的草畜平衡研究仅考虑数量上的平衡，而忽略了天然草地草料与人工优质饲草料之间的质量平衡。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种牧区水土草畜平衡模型的计算方法及系统，用以解决现有技术中存在的问题。一种牧区水土草畜平衡模型的计算方法，所述方法包括：根据输入的参数以及所述参数之间的第一预设关系确定目标函数，所述目标函数包括综合效益函数和供水水源优先序函数，所述综合效益函数为经济效益和生态效益之和的最大值；根据所述参数以及所述参数之间的第二预设关系确定约束条件，所述约束条件包括资源承载能力约束条件、供需平衡类约束条件、生活保障类约束条件、公平性约束条件及非负约束条件；根据牲畜饲养方式，按照人工补饲定额递增的方式由天然放牧到全舍饲的水土草畜平衡设置多组所述参数的值，每组参数的值结合所述目标函数和约束条件构成一个方案，多个所述方案组成方案集；求解所述方案集，获得每个所述方案的最优解集；根据不同所述方案计算获得的最优解集，通过多指标综合分析对比，分析区域发展的限制因素，选择一个最有利于区域发展的所述方案作为最佳方案，以所述最佳方案的最优解集作为区域水土草畜发展阈值；其中，求解所述方案集，获得每个所述方案的最优解集包括：将每个所述方案的所述目标函数的解对应到[0，1]区间上，获得所有解的编码形式，所述解的编码形式称为个体；随机生成多个所述个体，对每个所述个体进行合理性检验，保留满足所述约束条件的个体作为初始个体，多个所述初始个体组成初始种群；计算所述初始种群中每个所述初始个体的适应度；以所述初始种群中的初始个体作为父代个体，并根据所述父代个体的适应度生成相应的子代个体；将第一代进化产生的适应度最靠前的n个子代个体的集合作为现有非劣解集保存，以后对于每一代进化所产生的最好的n个子代个体与所述现有非劣解集中的各解逐一进行比较，保留优解替换劣解，获得非劣解集；当进化次数达到预设进化次数，且迭代次数也达到预设的迭代次数时，保留的经过替换得到的所述非劣解集，作为最优解集。优选地，当所述迭代次数未达到所述预设的迭代次数时，重新进行下一次迭代，直到所述迭代次数达到所述预设的迭代次数为止。优选地，根据以下公式确定所述综合效益函数：fc＝Max(OBE+OBEN)式中，fc为所述综合效益函数，OBE为所述经济效益，OBEN为所述生态效益；所述经济效益OBE通过以下公式确定：OBE＝ANB+INB式中，ANB为农牧业净效益，INB为非农牧业净效益；所述农牧业净效益通过以下公式确定：ANB＝ANBA+ANBL式中，ANBA为种植业灌溉净效益，ANBL为牲畜饲养净效益；所述种植业灌溉净效益通过以下公式确定：ANBA=ΣfACA(f)·(P(f)·Y(f)-C(f)-WP·WN(f))]]>式中，ACA(f)为f类种植作物的灌溉面积，P(f)、Y(f)和C(f)分别为f类种植作物的单价、亩均产量和种植成本，WP为水价，WN(f)为f类种植作物的毛灌溉定额；所述牲畜饲养净效益通过以下公式确定：ANBL=LSL·(ΣiP(l)·Y(l)·ω-C·(1+0.5ω)-WP·WNL·365/1000)]]>式中，LSL为牲畜饲养量，即标准羊单位，P(l)和Y(l)分别为牲畜标准羊单位第1类产品的产量和单价，ω为牲畜出栏率，C为牲畜标准羊单位的成本，WNL为牲畜标准羊单位饮水定额；所述非农牧业净效益INB以工业用水净效益表示为：INB＝IAV·ψ·δ式中，IAV为工业增加值，ψ为工业净值占总产值的比例，δ为工业用水效益分摊系数；所述生态效益OBEN通过以下公式确定：OBEN=ΣkANAk·OBENDAREA·ξ(k)]]>式中，ANAk为第k类天然牧场利用面积，OBEND为动态草原生态服务价值，AREA为天然牧场可利用面积，ξ(k)为第k类天然牧场对应采食率下的折算系数；所述动态草原生态服务价值通过以下公式确定：OBEND＝l·r·OBENS式中，l为相对支付意愿，r为天然草原资源稀缺程度，可按照天然草原退化程度取值，取值范围[0，1]，OBENS为静态草原生态服务价值；所述相对支付意愿l表达式为：l=L1+ae-bt]]>式中，L为所述相对支付意愿l的最大值，表示极富阶段的支付意愿，取值为1，t为时间变量，表示社会经济发展阶段，a、b为常数，取值为1，e为自然对数；其中，所述时间变量t表达式为：t=1En-3]]>式中，En为恩格尔系数；所述静态草原生态服务价值通过以下公式确定：OBENS=ΣiAREAi·VPAi]]>式中，AREAi为i类天然草原面积，VPAi为i类天然草原天然状态下的草原生态服务价值单价。优选地，根据以下公式确定所述供水水源优先序函数：fw=Max(OBW)=Σiαi·Σjβj·ΣtWSL(i,j,t)]]>式中，fw为所述供水水源优先序函数，OBW为供水水源优先序数，αi和βj分别为i行业供水权重系数和j水源的供水优先序系数，WSL(i，j，t)为t时段i行业j水源的供水量。优选地，所述资源承载能力约束条件包括水资源承载能力约束条件、草地资源承载能力约束条件和土地资源承载能力约束条件；所述水资源承载能力约束条件表达式为：ΣiΣjΣtWSL(i,j,t)≤Min(WSG(t)max,Σt(ΣjWLL(j,t)+WTL(t)),WUI)]]>式中，WSG(t)max为t时段供水工程最大供水能力，WLL(j，t)为t时段j水源的可利用量，WTL(t)为t时段外调水量，WUI为区域用水总量控制指标；所述草地资源承载能力约束条件表达式为：LSL·LNk·Tk≤ANAk·NCLkLSL·ILNl·Tl≤IGAl·CLlΣkANAk≤AREA]]>式中，LNk为k类天然牧场羊单位采食定额，Tk为k类天然牧场的饲养天数，NCLk为k类天然牧场的干草产量，ILNl为l类灌溉人工草地羊单位采食定额，Tl为l类灌溉草地的饲养天数，IGAl为l类灌溉草地的面积，CLl为l类灌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种牧区水土草畜平衡模型的计算方法，其特征在于，所述方法包括：根据输入的参数以及所述参数之间的第一预设关系确定目标函数，所述目标函数包括综合效益函数和供水水源优先序函数，所述综合效益函数为经济效益和生态效益之和的最大值；根据所述参数以及所述参数之间的第二预设关系确定约束条件，所述约束条件包括资源承载能力约束条件、供需平衡类约束条件、生活保障类约束条件、公平性约束条件及非负约束条件；根据牲畜饲养方式，按照人工补饲定额递增的方式由天然放牧到全舍饲的水土草畜平衡设置多组所述参数的值，每组参数的值结合所述目标函数和约束条件构成一个方案，多个所述方案组成方案集；求解所述方案集，获得每个所述方案的最优解集；根据不同所述方案计算获得的最优解集，通过多指标综合分析对比，分析区域发展的限制因素，选择一个最有利于区域发展的所述方案作为最佳方案，以所述最佳方案的最优解集作为区域水土草畜发展阈值；其中，求解所述方案集，获得每个所述方案的最优解集包括：将每个所述方案的所述目标函数的解对应到[0，1]区间上，获得所有解的编码形式，所述解的编码形式称为个体；随机生成多个所述个体，对每个所述个体进行合理性检验，保留满足所述约束条件的个体作为初始个体，多个所述初始个体组成初始种群；计算所述初始种群中每个所述初始个体的适应度；以所述初始种群中的初始个体作为父代个体，并根据所述父代个体的适应度生成相应的子代个体；将第一代进化产生的适应度最靠前的n个子代个体的集合作为现有非劣解集保存，以后对于每一代进化所产生的最好的n个子代个体与所述现有非劣解集中的各解逐一进行比较，保留优解替换劣解，获得非劣解集；当进化次数达到预设进化次数，且迭代次数也达到预设的迭代次数时，保留的经过替换得到的所述非劣解集，作为最优解集。...

【技术特征摘要】
1.一种牧区水土草畜平衡模型的计算方法，其特征在于，所述方法包括：根据输入的参数以及所述参数之间的第一预设关系确定目标函数，所述目标函数包括综合效益函数和供水水源优先序函数，所述综合效益函数为经济效益和生态效益之和的最大值；根据所述参数以及所述参数之间的第二预设关系确定约束条件，所述约束条件包括资源承载能力约束条件、供需平衡类约束条件、生活保障类约束条件、公平性约束条件及非负约束条件；根据牲畜饲养方式，按照人工补饲定额递增的方式由天然放牧到全舍饲的水土草畜平衡设置多组所述参数的值，每组参数的值结合所述目标函数和约束条件构成一个方案，多个所述方案组成方案集；求解所述方案集，获得每个所述方案的最优解集；根据不同所述方案计算获得的最优解集，通过多指标综合分析对比，分析区域发展的限制因素，选择一个最有利于区域发展的所述方案作为最佳方案，以所述最佳方案的最优解集作为区域水土草畜发展阈值；其中，求解所述方案集，获得每个所述方案的最优解集包括：将每个所述方案的所述目标函数的解对应到[0，1]区间上，获得所有解的编码形式，所述解的编码形式称为个体；随机生成多个所述个体，对每个所述个体进行合理性检验，保留满足所述约束条件的个体作为初始个体，多个所述初始个体组成初始种群；计算所述初始种群中每个所述初始个体的适应度；以所述初始种群中的初始个体作为父代个体，并根据所述父代个体的适应度生成相应的子代个体；将第一代进化产生的适应度最靠前的n个子代个体的集合作为现有非劣解集保存，以后对于每一代进化所产生的最好的n个子代个体与所述现有非劣解集中的各解逐一进行比较，保留优解替换劣解，获得非劣解集；当进化次数达到预设进化次数，且迭代次数也达到预设的迭代次数时，保留的经过替换得到的所述非劣解集，作为最优解集。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述迭代次数未达到所述预设的迭代次数时，重新进行下一次迭代，直到所述迭代次数达到所述预设的迭代次数为止。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下公式确定所述综合效益函数：fc＝Max(OBE+OBEN)式中，fc为所述综合效益函数，OBE为所述经济效益，OBEN为所述生态效益；所述经济效益OBE通过以下公式确定：OBE＝ANB+INB式中，ANB为农牧业净效益，INB为非农牧业净效益；所述农牧业净效益通过以下公式确定：ANB＝ANBA+ANBL式中，ANBA为种植业灌溉净效益，ANBL为牲畜饲养净效益；所述种植业灌溉净效益通过以下公式确定：ANBA=ΣfACA(f)·(P(f)·Y(f)-C(f)-WP·WN(f))]]>式中，ACA(f)为f类种植作物的灌溉面积，P(f)、Y(f)和C(f)分别为f类种植作物的单价、亩均产量和种植成本，WP为水价，WN(f)为f类种植作物的毛灌溉定额；所述牲畜饲养净效益通过以下公式确定：ANBL=LSL·(ΣlP(l)·Y(l)·ω-C·(1+0.5ω)-WP·WNL·365/1000)]]>式中，LSL为牲畜饲养量，即标准羊单位，P(l)和Y(l)分别为牲畜标准羊单位第l类产品的产量和单价，ω为牲畜出栏率，C为牲畜标准羊单位的成本，WNL为牲畜标准羊单位饮水定额；所述非农牧业净效益INB以工业用水净效益表示为：INB＝IAV·ψ·δ式中，IAV为工业增加值，ψ为工业净值占总产值的比例，δ为工业用水效益分摊系数；所述生态效益OBEN通过以下公式确定：OBEN=ΣkANAk·OBENDAREA·ξ(k)]]>式中，ANAk为第k类天然牧场利用面积，OBEND为动态草原生态服务价值，AREA为天然牧场可利用面积，ξ(k)为第k类天然牧场对应采食率下的折算系数；所述动态草原生态服务价值通过以下公式确定：OBEND＝l·r·OBENS式中，l为相对支付意愿，r为天然草原资源稀缺程度，可按照天然草原退化程度取值，取值范围[0，1]，OBENS为静态草原生态服务价值；所述相对支付意愿l表达式为：l=L1+ae-bt]]>式中，L为所述相对支付意愿l的最大值，表示极富阶段的支付意愿，取值为1，t为时间变量，表示社会经济发展阶段，a、b为常数，取值为1，e为自然对数；其中，所述时间变量t表达式为：t=1En-3]]>式中，En为恩格尔系数；所述静态草原生态服务价值通过以下公式确定：OBENS=ΣiAREAi·VPAi]]>式中，AREAi为i类天然草原面积，VPAi为i类天然草原天然状态下的草原生态服务价值单价。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据以下公式确定所述供水水源优先序函数：fw=Max(OBW)=Σjαi·Σjβj·ΣtWSL(i,j,t)]]>式中，fw为所述供水水源优先序函数，OBW为供水水源优先序数，αi和βj分别为i行业供水权重系数和j水源的供水优先序系数，WSL(i，j，t)为t时段i行业j水源的供水量。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述资源承载能力约束条件包括水资源承载能力约束条件、草地资源承载能力约束条件和土地资源承载能力约束条件；所述水资源承载能力约束条件表达式为：ΣiΣjΣtWSL(i,j,t)≤Min(WSG(t)max,Σt(ΣjWLL(j,t)+WTL(t)),WUI)]]>式中，WSG(t)max为t时段供水工程最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：李和平，
申请(专利权)人：水利部牧区水利科学研究所，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15