一种基于条件价值风险的用水与排污冲突协调方法技术

本发明专利技术公开了一种基于条件价值风险的用水与排污冲突协调方法，是一种基于条件价值风险(CVaR)的区间两阶段协调模型。该方法首先收集和统计流域水资源历史资料，得到可利用水量样本的概率分布，利用风险价值方法(VaR)，按照不同概率将样本数据划分为不同情景；然后确定风险系数α，求解模型上下界，进行第一阶段决策；最后确定最大允许排污量p，求解模型上下界，进行第二阶段决策。本发明专利技术将条件价值风险(CVaR)与区间两阶段随机规划模型(ITSP)相结合，解决水资源配置中经济效益与相关风险的权衡问题，以及经济效益与生态环境效益的协调问题。为水资源利用冲突管理、水资源的高效与持续利用提供科学支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于条件价值风险的用水与排污冲突协调方法
本专利技术属于水利工程
，涉及一种用水与排污冲突协调方法，特别涉及一种基于条件价值风险(CVaR)的用水效益与污染排放区间两阶段协调模型。
技术介绍
水资源是经济可持续发展的重要资源基础，是经济增长的重要投入因素。长期以来，水资源系统中存在着各种不确定因素，包括可用水量以及各种参数的不确定性，使得管理者必须在经济目标和相关风险之间进行权衡。随着公众对可持续发展理念的广泛关注，生态环境问题也成为管理者考虑的重要因素。资料显示，我国在城市化进程中由于城市污水排放和集中处理设施缺乏，大量生活污水未经处理直接进入水体造成环境污染，再加上工业发展超标排放工业废水，对生态环境产生了极大的不利影响。通过查阅国内外相关研究现状发现，目前流域水资源综合利用的研究多集中于经济效益与污染排放之间的冲突博弈或经济效益与相关风险的协调权衡，而如何将两者进行系统全面考虑正在成为研究热点问题；在对水资源风险控制的研究中，大都采用单一区域的假设情景，模型的适用性不高。近年来，水资源短缺风险和生态环境需求的提高，加剧了水资源配置的竞争和冲突，因此，如何在兼顾经济效益和生态效益的前提下，考虑水资源系统的各种不确定性，进行更加有效的风险控制，对合理开发利用水资源、社会经济的可持续发展具有重要意义。
技术实现思路
在水资源管理中，负责向区域内多个用户供水的管理者经常面临以下决策问题：用户需要为来年的生产生活制定计划，因此他们需要知道自己来年的可用水量，这就需要水资源管理者根据经验数据预测综合需水量和供水能力，并给出最优的第一阶段解决方案。由于水资源系统的不确定性，第一阶段决策具有一定的风险性，如果实际供水量达不到计划供水目标，供水部门将不得不临时增加调水或减少生产规模，这将导致一定的经济损失。当可利用水量已知后，管理者进行第二阶段决策，并将缺水量作为决策变量，以弥补第一阶段决策不合理所造成的损失。同时，流域管理者需要兼顾该流域的生态环境效益。本专利技术的目的是提出一种基于条件价值风险的用水与排污冲突协调方法，特别涉及一种基于条件价值风险(CVaR)的区间两阶段协调模型。该模型将条件价值风险(CVaR)与区间两阶段随机规划模型(ITSP)相结合，解决水资源配置中经济效益与相关风险的权衡问题，以及经济效益与生态环境效益的协调问题。为水资源利用冲突管理、水资源的高效与持续利用提供科学支撑。为实现上述目的，本专利技术通过分析水资源系统中的不确定性因素和流域生态环境需求，根据两阶段问题实际背景，构建基于CVaR的经济效益与污染排放区间两阶段协调模型，本专利技术采用的技术方案包括以下步骤：步骤1，收集和统计流域水资源历史资料，得到可利用水量样本的概率分布，利用风险价值方法(VaR)，按照不同概率将样本数据划分为不同情景。步骤2，确定风险系数α，求解模型上下界，进行第一阶段决策。步骤3，确定最大允许排污量p，求解模型上下界，进行第二阶段决策。优选地，所述步骤1具体步骤如下：风险价值方法(VaR)是一种风险控制方法，通常被定义为在特定置信水平下，由于存在随机因素而在一段时间内的最大潜在损失，在这里表示在一定的置信水平下预期的最大来水量，用公式可表示为：P(q≤VaR)＝β公式(1)公式(1)中，P：资产价值损失小于可能损失上限的概率，在这里表示来水量概率密度函数的累计概率；q：价值损失额，在这里表示来水量；VaR：给定置信水平β下的预期最大来水量；β：为风险价值方法(VaR)给定的置信水平。在已知的流域水资源历史资料的基础上，通过数据统计拟合的方法得到来水量概率分布。运用VaR方法，分别取不同的置信水平β，将来水量样本划分为对应确定概率的不同情景，如概率分别为0.2、0.6和0.2的低、中、高三种来水量情景，每种情景均对应一个来水量区间。优选地，所述步骤2具体步骤如下：CVaR即条件价值风险，是基于VaR的一个概念，用来描述经济效益损失风险，表示大于或等于VaR值的预期平均损失，风险系数α也即是CVaR的置信水平。在置信水平(α∈[0,1))下，随机变量的CVaR可以表示为上式中，E表示数学期望，表示该随机变量。由于可用水量是一个随机变量，各数据及参数也往往不是一个确定的值，故该水资源管理问题可以描述为一个区间两阶段随机规划模型。为了进一步加强风险管理，目标函数引入基于CVaR的水资源管理区间两阶段随机规划，如公式(3)所示.“±”即表示变量或参数为某个区间内的标量，x±表示供水目标(108m3)，c±表示单位缺水经济损失(元/m3)，s(ξ)±表示缺水量(108m3)，b±表示单位用水经济效益(元/m3)；表示目标函数-经济效益最大化；在公式(2)和公式(3)的基础上，通过引入辅助变量v1(ξ)和v2(ξ)，得出上层模型和下层模型如下所示：上述公式中参数解释如下：i为角标，表示用户单位序号；j为角标，表示子区序号；t为子区的数量；m为用水部门的数量；n为情景数；为子区j用户i单位用水经济效益(元/m3)；为子区j用户i单位缺水经济损失(元/m3)；为子区j用户i最小需水目标(108m3)；为子区j用户i最大需水目标(108m3)；ξ为某一情景；p(ξ)为情景ξ的发生概率；qj(ξ)±为情景ξ下，子区j的天然来水量(108m3)；为情景ξ下，子区j的水资源总量(108m3)；为情景ξ下，子区j的流出水量(108m3)；为子区j用户i的供水目标(108m3)；为情景ξ下，子区j用户i的缺水量(108m3)；表示上层模型目标函数-经济效益最大化；表示供水目标减缺水量，即实际供水量(108m3)，表示下层模型目标函数，b表示单位用水经济效益(元/m3)，xji表示子区j用户i的供水目标(108m3)。公式(5)和公式(10)为可利用水量约束，即在任何情况下，某一分区的取水量不得超过该区域当年水资源总量的40％。根据国际地表水资源开发利用的限制，参照Tennant法中的满足鱼类和生物栖息地要求的流量百分比和等级，当等级为“优”时，生态用水比例为60％-100％。公式(6)和公式(11)为需水约束，即满足各用户的最低需水量，同时分配给各部门的水量不应超过其最大需水量，以避免浪费，提高用水效率。公式(7)和公式(12)为CVaR技术约束，目的是进行经济目标和相关风险之间的权衡。公式(8)和公式(13)分别为缺水约束和非负约束，即各部门的缺水量应小于其在第一决策阶段被许诺的水量，同时各变量均非负。公式(14)为区域用水关系的约束，即水量平衡约束。不同研究案例的水量平衡约束也是不同的。在本研究中α表示风险系数，α值的增加表示需要考虑的风险更高，也就代表第一阶段水资源分配方案越趋于保守。优选地，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于条件价值风险的用水与排污冲突协调方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，收集和统计流域水资源历史资料，得到可利用水量样本的概率分布，利用风险价值方法，按照不同概率将样本数据划分为不同情景；/n步骤2，确定风险系数α，求解模型上下界，进行第一阶段决策；/n步骤3，确定最大允许排污量p，求解模型上下界，进行第二阶段决策。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于条件价值风险的用水与排污冲突协调方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，收集和统计流域水资源历史资料，得到可利用水量样本的概率分布，利用风险价值方法，按照不同概率将样本数据划分为不同情景；
步骤2，确定风险系数α，求解模型上下界，进行第一阶段决策；
步骤3，确定最大允许排污量p，求解模型上下界，进行第二阶段决策。


2.如权利要求1所述基于条件价值风险的用水与排污冲突协调方法，其特征在于：所述步骤1具体步骤如下：
风险价值方法是一种风险控制方法，被定义为在特定置信水平下，由于存在随机因素而在一段时间内的最大潜在损失，在这里表示在一定的置信水平下预期的最大来水量，用公式可表示为：
P(q≤VaR)＝β公式(1)
公式(1)中，
P：资产价值损失小于可能损失上限的概率，在这里表示来水量概率密度函数的累计概率；
q：价值损失额，在这里表示来水量；
VaR：给定置信水平β下的预期最大来水量；
β：为风险价值方法中给定的置信水平；
在已知的流域水资源历史资料的基础上，通过数据统计拟合的方法得到来水量概率分布；运用风险价值方法，分别取不同的置信水平β，将来水量样本划分为对应确定概率的不同情景，每种情景均对应一个来水量区间。


3.如权利要求2所述基于条件价值风险的用水与排污冲突协调方法，其特征在于：所述步骤2具体步骤如下：
定义CVaR为条件价值风险，是基于风险价值方法的一个概念，用来描述经济效益损失风险，表示大于或等于VaR值的预期平均损失，风险系数α也即是CVaR的置信水平；在置信水平(α∈[0,1))下，随机变量的CVaR表示为



公式(2)中，E表示数学期望，表示该随机变量；
由于可用水量是一个随机变量，各数据及参数也往往不是一个确定的值，故该水资源管理问题可以描述为一个区间两阶段随机规划模型；为了进一步加强风险管理，目标函数引入基于CVaR的水资源管理区间两阶段随机规划，如公式(3)所示.



公式中，±表示变量或参数为某个区间内的标量，x±表示供水目标，c±表示单位缺水经济损失，s(ξ)±表示缺水量，b±表示单位用水经济效益；表示目标函数-经济效益最大化；在公式(2)和公式(3)的基础上，通过引入辅助变量v1(ξ)和v2(ξ)，得出上层模型和下层模型的约束条件如下所示：

































上...

【专利技术属性】
技术研发人员：付湘，王发强，张翔，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42