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面向需水不确定性的水资源优化配置的研究进展.pdf
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1、第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023面向需水不确定性的水资源优化配置的研究进展闫凌璐1,申晓晶1,2,3*,贺华翔4(1.宁夏大学 土木与水利工程学院,宁夏 银川750021;2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏 银川750021;3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏 银川750021;4.中国水利水电科学研究院 水资源研究所,北京100038)摘 要:随着人类社会经济的不断发展,地表水资源和地下水资源之间的水循环逐渐呈现出复杂化的趋势
2、。降水量和水资源量逐渐减少,水的供给有限,使得水资源优化配置问题逐渐成为热点研究问题。水资源优化配置有利于缓和“三生”用水之间的竞争,促进经济和生态之间的协调发展。在传统的农业与生态水资源优化配置研究中,研究者往往因重视经济效益而忽视了农业与生态需水对水资源系统的影响,农业与生态需水的不确定性增加了水资源管理的难度。介绍了不确定性问题研究方法在水资源优化配置中的发展历程,分别对农业需水、生态需水及其不确定性在水资源规划和优化配置中的应用等方面的发展历程进行了总结。根据用水的周期规律和不确定因素建立的水资源优化配置模型与实际更为相符,能够更加有效地解决决策合理性不足的问题。同时提出了对未来发展方
3、向的展望:在水资源优化配置模型中充分考虑生态需水和农业需水的约束,构建水资源预报系统,使水资源配置决策更加合理。关键词:农业;生态;需水不确定性;水资源优化配置中图分类号:TV213 文献标志码:A水资源作为关乎民生的重要资源,其合理配置在水资源管理中起着至关重要的作用。其中,农业和生态需水的不确定性问题,对水资源配置过程及结果的影响是不可忽略的。中国是一个农业大国,生态文明与社会经济发展休戚相关,在“五位一体”总体布局中,生态文明建设居于十分重要的位置。水是生命之基,也是一种战略资源,保障农业和生态需水安全势在必行。然而,人口增长、工农业生产活动、城市化进程和气候变化等因素使得水环境不断恶化
4、,对水资源安全形势造成了巨大的冲击,严重影响了社会经济发展和居民日常生活。在一些地区,水资源问题已成为现代社会发展的瓶颈。因此,本文对农业需水、生态需水及其不确定性在水资源规划和优化配置中的应用等方面的发展历程进行分析总结,同时借鉴国内外先进的经验,探讨需水不确定性问题对水资源配置的影响,以期提高水资源配置模型的合理性和可操作性。1需水不确定性的研究现状为了缓解环境变化下生态需水量与水资源之间的供需矛盾,特别是针对城市经济发展与生态文明建设之间的需水矛盾,近年来许多学者运用经济分析手段协调生态用水与生产、生活用水之间的关系,以此建立科学的需水预测模型。主要的研究现状如下。德佳硕等1通过构建多目
5、标决策分析模型,以多个地区作为研究对象,建模预测了不同地区的生态需水量。结果表明,通过建立数学模型,能够为决策者提供更多的选择空间,为城市水资源综合管理提供理论支持和决策依据。目前,学者们对生态需水研究范围已扩展至整个淡水生态系统。B.SAHOO等2提出了能够支撑水生态系统稳定发展的水量和文章编号:1671-7244(2023)02-0141-07收稿日期:2021-10-11基金项目:国家自然科学基金项目(51869023);宁夏重点研发计划项目(引才专项)(2019BEB04029);宁夏高等学校一流学科建设(水利工程学科)资助项目(NXYLXK2021A03);宁夏重点研发计划项目(20
6、19BEH03010);宁夏自然科学基金项目(2021AAC03043);宁夏大学自然科学基金项目(ZR18018)作者简介:闫凌璐(1998),女,硕士研究生,主要从事水资源配置技术的研究()。*通信作者:申晓晶(1989),女,讲师,博士,主要从事水资源配置技术方面的研究()。宁 夏 工 程 技 术第 22 卷流量,这是水资源可持续利用的前提。国外学者从生物栖息环境与生态需水、河流流量、水库调度等因素之间的相互关系,生态环境需水量的优化分配,生态用水与经济用水的平等关系等方面对生态需水进行了多角度研究。国外学者大多通过水资源管理部门对这些生态系统的配水来确定其需水量,但是并未从生态系统本身
7、对水的需求来研究生态需水量,这也是今后我们研究的重点。国外学者3-6构建了动态优化模型并将其利用到不同地区,探讨了生态需水的不确定性问题,通过建立生态需水预测模型来对水资源配置进行干预,以期解决生态需水不确定性的问题。这些研究大多忽略了农业灌溉水资源优化配置系统的不确定性,例如来水量的随机性、管理者的模糊决策以及统计信息的不精确等。同时,由于系统不确定性因素导致的系统违规风险也不容忽视。在我国,系统研究生态环境用水的工作尚处于起步阶段,对生态环境需水的概念与内涵没有统一的定义,对其计算方法的研究也不够深入和完善,基本停留在定性分析和宏观定量分析阶段。研究历程大致可分为以下 3 个阶段。(1)2
8、0 世纪 70 年代,学者们对于河流最小流量的问题进行了探讨研究,主要集中在研究河流最小流量确定的方法上,例如长江水资源保护科学研究所颁布了 环境用水初步探讨,重点探讨了关于河流最小流量的一系列问题。(2)20 世纪 80 年代,在水污染日益严重的大背景下,国务院环境保护委员会在 关于防治水污染技术政策的规定 中强调,在水资源规划过程中,要保证为改善水质所需的环境用水。(3)20 世纪 90 年代,中国工程院院士刘昌明提出我国 21 世纪水资源供需的“生态水利”问题。目前还未研究出解决生态需水不确定性的方法。综上所述,近几十年来虽然我国学者在研究生态环境用水原因方面取得了一定的进展,但是研究的
9、深度还比较有限,且针对需水不确定性的研究还未形成完整的体系7-11。2水资源优化配置的研究现状2.1水资源优化配置的应用研究需水过程具有不确定性,在水资源配置中进行决策时,由于受到需水不确定性的影响,不能准确得出未来需水的情况,难以作出“理想”的最优决策。所以,需要研究并且合理利用需水的不确定性对未来进行长期规划,虽然不能得到“理想”的决策,但可以避免作出最差的决策。需水的不确定性会对水资源配置决策产生影响,因此在进行水资源优化配置模型设计时,应增加对需水不确定性的考量,才能使配置结果具有更高的合理性和准确性。在水资源规划和管理中,面临着各种各样的不确定性。国外学者12-16在进行水资源规划时
10、,大多采用数学思维来进行分析,通过建立一些数学模型以及数据规划来探讨水资源规划问题,并提出在水资源配置中采用建立数学模型的方法,能够更加准确地描述生态系统中的水资源环境。然而,由于缺少实践调研,该方法仍不完善,应增加实地考察工作,对水资源配置进行多方面的探究。为了提高决策的合理性,陈晓宏等17提出了多层次优化的水资源配置模型,该模型充分考虑了多个层次的因素,比如航运、供水、防洪等多方面的需求,建立约束条件,利用递阶分析法及逐步宽容约束法,实现在东江流域水资源合理配置的目标,这是大系统分解协调原理应用的典范。王浩院士等国内学者18-20对原有的不确定性优化耦合模型进行了改进,优化了水资源模型的应
11、用,在满足水资源系统基本约束的基础上,对其他各方面的应用进行了全面优化。随后,国内学者21-23针对水资源的多目标问题进行了研究,通过数学建模的方法,将数学模型引入水资源配置,将不同地区作为试点,把水质约束以及生态环境效益纳入水资源配置中,构建出线性规划模型,实现水质和生态环境效益的最大化。龚艳冰等24对水资源配置方案评价过程中指标权重的模糊不确定性问题进行了研究,引入模糊数的可能性均值和方差的概念,通过可能性均值和方差将多个主客观权重进行信息融合,生成对称三角模糊数组合权重,并以天津市为例,检验其有效性。结果表明,该方法对水资源配置方案的评价是可行且有效的,对比其他评价方法,该方法不仅可以有
12、效避免评价指标赋权时的模糊不确定性,而且能够有效解决组合权重不确定信息的融合问题。娄帅等25基于区间直觉模糊群决策的水资源优化配置方案,分析了水资源系统作为复杂系统的特殊性和区间直觉模糊理论在群决策中应用的优势,利用区间模糊数来表达专家判断信息,提高了流域水资源配置方案的合理性。通过国内外水资源规划中不确定性问题的研究结果可以看出,在水资源配置研究的基础上,使用不确定性优化技术和系统理论,可以达到优化求解需水不确定性问题的目的。针对水资源合理配置,虽142第 2 期闫凌璐等:面向需水不确定性的水资源优化配置的研究进展然国内外学者给出了各种各样的方案,涉及众多的用水户,同时也涉及许多细节问题,为
13、生活、生态、生产等不同用水户之间的水资源优化配置提供了良好的决策依据,但这些模型并不能完全解决水资源管理系统中存在的风险。随着时间的推移,我们还应该进一步研究水资源配置模型,找到将农业、生态需水不确定性优化措施与水资源优化配置模型相结合的方法,真正解决实际应用中的水资源配置难题。2.2水资源优化配置中算法的改进由于相关信息的可用性、可量化度及随机性,系统参数、目标函数和决策变量都存在不可避免的不确定性因素,这被称作需水的不确定性。区间规划(LP)、模糊规划(FP)、随机规划(SP)和一些耦合方法是针对不确定性问题的优化办法。近年来,智能优化算法也是较为有效的方法之一,因此,不少学者认为这一算法
14、能够为解决优化水资源配置、需水不确定性等方面的问题提供帮助。崔东文26、李晨洋等27在此基础上构建了相关的配置模型,并对其算法作出了进一步的完善,为需水不确定性的算法研究提供了前提条件。李晨洋等27对现有可利用的农业水资源进行优化配置,研究复杂适应系统(CAS)理论在农业水资源优化配置中的适用性,构建出多层次的农业水资源配置复杂适应系统模型。此项研究取得了一定的成果:为分析区域水土资源复杂适应特征、优化区域农业水土资源复杂适应系统及其应用问题提供了新视角,对解决需水的不确定性相关研究提供了新思路。随后,水资源多目标问题的研究也逐步开展,诸多学者对水资源优化配置算法作出了进一步的改进优化。崔东文
15、26运用典型低维函数智能仿生算法对飞蛾火焰算法进行了优化,开发出一个可适用于巨型水资源系统的智能型模拟模型,进一步提高了地下水模型参数的反演精度,从而实现对需求不确定性问题的良好优化。20 世纪 90 年代,国外学者在水资源配置研究领域首次引入了模拟模型。J.J.Wu 等28构建了模糊随机动态规划模型,分析替代水质保护政策下农民的灌溉投资和作物选择的决策。D.W.Watkins 等29将风险和不确定性纳入水资源规划模型的构建中,引入稳健优化(RO)模型,以此来构建随机混合整数非线性规划模型。学者们通过将模拟模型和优化模型相结合的方式,在线性规划的基础上构建联合管理模型,最终实现了各种规划目标之
16、间的平衡,对于进一步解决需水不确定性问题产生了重大意义,大大提高了水资源优化管理数据的可视化程度,使得决策者能够更加清晰地掌握各方面情况,从而减少决策中的不确定性。同时,随着近年来机器学习等算法的成功,强化学习算法也被引入到水资源配置模型中30。伍鑫等31以水资源的经济效益作为优化目标,建立了基于强化学习方法的水资源优化配置模型,使用 Python语言编制计算分析软件,以北京市为例进行分析,得到了研究区水资源优化配置方案及其收益区间。张聪32通过对高效用水规律的研究,结合智能算法,实现对水资源和能源的有效利用及合理配置,为需水不确定性问题的解决提供了一定的借鉴。水资源供给系统中,水资源优化配置
17、的不确定性问题受到不同水域的实际可供水量的影响,水利工程建设、气象、用水户需水量的变化也都是影响其改变的因素。在这些不确定因素的影响下,供需水量在一定变化范围内呈随机状态。因此,水资源系统优化配置方案的制定不能再依据固定的预测供需水量来进行,应该重点考虑系统已经存在的复杂性和不确定性,再结合不同水源的特点,建立多水源联合调度方案。智能优化算法可以减少不确定性问题的负面影响,提高水资源利用效率,发挥水资源系统的社会、经济和环境效益。随着越来越多的学者将智能优化算法应用于水资源优化配置领域,考虑水资源供需等不确定因素的水资源概率模型和模糊优化配置方案被广泛应用于该领域,实践证明了智能优化算法的有效
18、性和优越性。在算法途径上的成功实践也使得需水不确定性问题得到了一定程度的解决。改进后的算法与传统求解方法相比,反映出的经济效益系数与时间的函数关系更加符合经济学原理和实际情况,适用性强,更加具有优越性,更能平衡决策与不确定性之间的矛盾。2.3水资源优化配置中目标函数的改进为了解决我国现阶段水资源分配不确定性的问题,国内学者33-34通过改进目标函数来优化水资源配置模型,努力尝试解决其中需水不确定性的问题。国外在水资源配置方面研发了一系列水资源模拟软件产品,因此国外的研究35-36大多是在水资源系统模拟的框架下进行的,综合来看其水资源配置模型领先于国内,较为优异的模型更有利于解决需水不确定性的问
19、题。为解决需水不确定性问题,改进函数的具体方法是根据约束函数和目标函数之间的多种组合,得到多种形式的罚函数,这种方法也被称作序列无约143宁 夏 工 程 技 术第 22 卷束极小化方法(sequential unconstrained minimization technique,SUMT)。这是一种基于无约束的罚函数极小化问题求解的方法,其原理同需水不确定性问题的模型构建相符合,这种方法通过引入一个乘法因子把约束条件连接到目标函数上,从而将有约束的最优化问题转化为无约束条件的问题。合理的罚函数可以当搜索到不可行点时,使目标函数值变得很大,离约束条件越远惩罚越大,这也是利用该方法能够处理需水不
20、确定性问题的基本原理。陈文苑等37综合考虑水资源系统的多不确定性和多目标性,以经济、社会和生态环境综合效益为目标,以供水能力、需水量等为约束条件,构建包含区间、随机及模糊的多重不确定环境下的多目标水资源优化配置模型,该模型是解决需水不确定性问题的基础模型,同时也创造性地开发出了一种“先模拟、再优化”的模型解法。在该模型的基础上,其以辽宁省大连市为例,开展模型验证研究,最终得到了合理的水资源优化配置方案,证明了该模型即为解决需水不确定性问题的可行方法。这样的成功实践,说明改进目标函数的方法能够切实为解决需水不确定性问题提供帮助,为解决实际中的需水不确定性问题破局。3相关变量、参数不确定性的解决途
21、径需水不确定的问题很大程度上可以说是参数、变量的不确定性。为了解决这一问题,相关研究领域的学者在优化建模、求解算法、案例应用及需水问题相关变量的不确定性研究等方面取得了大量成果。国内学者38-41在面对生态水资源系统研究时,通过提出各类参数以及需水不确定性的相关指标,来对模型进行优化,从而达到水资源优化配置的目标。譬如,根据流域内上下游区域多个部门、多个目标的差异性和各自特点,综合考虑其存在的需水不确定性,基于这种需水不确定的性质,采用区间规划方法进行求解,着重针对流域整体经济效益、水资源配置、污染物排放和生态补偿的上下限值对于确定性模型的变化进行研究分析,综合考量需水不确定性问题。尤其是在已
22、经建立完善的确定性模型中,提升区间优化模型的经济效益上限值,适当降低生态补偿的下限值,这类做法在结果上有利于进一步优化流域水资源配置,调整内部产业结构,提高经济效益,推动流域上下游达成生态环境效益的最大化。这些研究将系统的宏观特性转变为个体行为的整体涌现性,更好地解决了需水不确定性的问题,更加科学地模拟了系统的演化,在最初方法的基础上寻找到解决需水不确定性问题的途径。X.S.QIN 等42建立了基于模拟的区间二次污染负荷分配模型(IQWLA)。此模型用于产生河流流量稳态条件下的水质转换矩阵和向量,随后矩阵和向量被用于建立水质管理模型中的水质约束,水质参数、成本函数和环境指导方针以区间形式表示。
23、在这一过程中,充分考虑了需水不确定性的参数、变量,而模拟结果表明,该模型能够将不确定性有效整合进优化过程,并获得污水处理方案的不确定解。此结论为需水不确定性问题的完善和优化提供了切实可用的方法。此外,Y.HAN 等43研究得出了区间多目标规划方法,并将其应用于多水源-多用户的优化配置系统之中,其目标是将社会、经济和环境的综合效益最大化。在这一研究中,针对需水不确定性问题,学者们将有关需水不确定因素整合到多水源向多用户优化配置的模型之中,最后提供给管理者能够有效支持决策的方案,其研究过程值得借鉴研究。Q.TAN 等44将传统的区间数改良成为径向区间,用于控制农业污水排放,使得需水过程的不确定性得
24、到一定控制,最终得出了有效解。随着人们对生态环境保护的重视,专家学者们也越来越重视水资源优化配置后的社会效益和环境效益,其中不确定性问题值得重视。以效益为目标函数展开水资源优化配置研究,尽可能解决不确定性问题对优化配置的影响,以期在最大程度上实现可持续发展的目标。4存在问题与建议4.1国内技术手段和方法尚不成熟国内对农业、生态需水配置的研究尚在起步阶段,并且受多层次因素的影响,当前所取得的水资源配置成果大多是以解决实际问题为目标的研究。随着经济社会的发展,通过采用先进的科学技术手段和现代化技术方法来优化水资源配置,在水资源规划和管理中起着十分重要的作用。基于此,利用不确定性问题研究方法来解决水
25、资源优化配置过程中的各类问题,是减少水资源浪费、促进水资源高效循环利用的必然趋势。同时,农业的发展和水资源配置休戚相关,利用多水源灌溉系统统筹用水,实现生态、生产、生活用水之间的协调和平衡,是进行水资源配置研究的基本前提。国外学者主要是在农业、生态需水系统模拟的144第 2 期闫凌璐等:面向需水不确定性的水资源优化配置的研究进展框架下对需水配置进行研究,其需水模拟软件产品和配置模型具有领先优势,值得我们学习和借鉴。4.2目前水资源配置研究缺少对不确定性因素的考量目前对需水不确定性的描述尚没有成熟可用的方法,因此,国内外使用的水资源配置模型多为确定性模型,即将来水和需水均作为已知的、确定的,没有
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