水资源优化配置中多目标模型的建立和求解

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水资源优化配置是指在流域或特定的区域范围内，运用系统工程理论和优化方法，以水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展为目标，遵循公平、高效、统筹兼顾和可持续利用的原则，采取除害与兴利、水量与水质、开源与节流、工程与非工程措施相结合的方法，通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种可利用水资源在区域间和各用水部门间进行最优化调配和分配，力求水资源与其他资源合理配置，实现有限水资源的经济、社会和生态环境综合效益最大[1]。

水资源的优化配置研究可为水量和水质在时间和空间上的合理调配和使用以及保障水资源的可持续利用提供科学依据和对策、措施。因此，水资源的优化配置研究在解决我国的水资源问题，实现水资源的可持续利用等方面均占有重要地位，对促进经济社会的可持续发展具有重要理论和实际意义。

1. 水资源优化配置中多目标问题分析

区域水资源系统往往是一个用水部门众多的大系统，在现代水资源优化配置思路中，己经改变了过去以经济效益为中心的基本观念，不仅仅是要获得尽可能大的经济效益，还必须将生态环境保护放到重要位置，同时要兼顾引水保障和粮食安全的问题。配置中所考虑的不同问题可以作为不同的目标，各个目标之间相互矛盾而又不可公度，这就使得区域水资源优化配置转变成一个多目标优化的问题，在协调各个配置目标时要以公平与高效为基本分配原则，目标是寻求水量在各个用水部门之间的最优分配，实现水资源利用的可持续发展。

2 模型的建立及求解

2. 1水资源多目标优化配置模型的建立2. 1.1 决策变量

根据区域的地形地貌、水利条件、行政区划，一般可将区域划分为若干分区。根据各水源在区内的配水特性，可将水源划分成两类:共用水源和独立水源。所谓共用水源是指能同时向两个或两个以上的分区供水的水源。独立水源是指只能给水源所在的分区供水的水源。

本研究假设区域划分为K个分区，i =1，2，…，K，本文将k分区内所有独立水源计为1个水源、分别有J(K)个用水部门j=1,2, …，J(K)（本文各区均定为4个，分别为工业、生活、农业、生态）。本研究把各分区独立水源概化成一个水库水源，供给本分区用户，同时，假设整个区域内有M个公用水源，c=1，2，…，M，其水量和其它独立水源的水量一样，需要各用户间进行分配。因此，对于i分

水资源优化配置中多目标模型的建立和求解

西南交通大学环境科学与工程学院 韩海燕 钟曙亮 彭俊林 汪则灵

摘要：本章从水资源优化配置的基本概念入手，讨论了水资源配置的多目标性，并针对这种多目标性研究了水资源多目标优化配置模型的建立和求解。

关键字：水资源 配置 多目标 求解区而言是1+M个水源和4个用户的水资源优化分配问题。设j i x ,为i分区独立水源对本区第j个用水部门的供水量；c j i x ,为第c个公共水源对第i分区第j个用水部门的供水量，故区域水资源优化配置决策变量个数为：M K K 44+ 。

2.1. 2 目标函数

本文选用多目标优化规划，各用水部门之间的最优分配模型主要是考虑用水部门综合效益最大化。将多目标分为工业用水效益、生活用水效益、生态环境用水效益和农业用水效益这四个目标。其目标函数形式为：

()()()()()],,,[4321x f x f x f x f Max x MaxF = （2-1）子目标为：　()∑∑∑===+?=?=K

K

M

c c g

g

x x B Q B x Maxf 1

11

1

1

1

1

)( （2-2） ())(11

2

12

2222∑∑∑===+?=?=K i M

c c i K i i x x B Q B x Maxf (2-3） ())(11

3

13

3233∑∑∑===+?=?=K i M

c c i K i i x x B Q B x Maxf （2-4） ())(11

4

,14

4444∑∑∑===+?=?=K i M

c c i K i i x x B Q B x Maxf （2-5）

式中 ()x f 1——工业用水效益目标；()x f 2——生活用水效益目标；

()x f 3——农业用水效益目标；()x f 4——生态用水效益目标；

x——决策变量，非负；K——分区个数；M——公共水源个数；

432,,,B B B B g ——工业、生活、农业和生态用水的综合效

益系数。

2.1. 3 约束条件

本研究设置约束条件如下：

（1）供水约束——水源可供水量约束

公共水源c： ∑∑==≤K i j i

c j

i W x 13

1

, (2-6)k分区独立水源： ∑=≤4

1

k

W x (2-7)式中 c W ——公共水源c可供水量；k i W ——k分区独立水源i的可供水量；

j i x ,——i分区独立水源对本区第j个用水部门的供水量；

c j i x ,——第c个公共水源对第i区第j个用水部门的供水

量。

（2）需水约束——用户需水约束

对于生活、工业、农业和生态各用水部门应该设定最低供水保证，但分配水量也不应超过各部门的最大需水量。

max

1min

j i M

c c j

i j

i j i D x x D ≤+≤∑= （2-8）式中 min ,j i D ——k分区j用户的最小需水量；max ,j i D ——k分区j用户的最大需水量。3．变量非负约束

0,≥j i x （2-9）

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0,≥c

j i x （2-10）2.2模型的求解

水资源多目标优化配置模型具有多目标、多约束、多关联、非线性的特点，是一个规模庞大、结构复杂、影响因素众多的大系统多目标模型。许多学者分析采用了不同的计算方法研究求解水资源优化配置的模型[2~4]。

多目标优化问题有多种解法，利用目标达到法来求解多目标规划问题常常是指，已知目标函数系列为()()(){}x f x f x f x F m ,,,)(21"=，对应有其目标值系列

{}?

???=m

f f f F ,,,21"。允许目标函数有正负偏差，偏差的大小由加权系数向量()m w w w W ,,,21"=控制，于是目标达到问题就可以表达为标准的最优问题：

γ

?∈∈x R x ,min (2-11)

sub. ()?

≤?i i i f w x f γ i=1,…,m (2-12)

指定目标{

}??21,F F ，定义目标点P。权重向量定义从P 到可行域空间()γΛ的搜索方向，在优化过程中，γ得变化改变可行域的大小，约束边界变为唯一解点s F 1、s F 2。

目标达到法的最大好处是可以将多目标最优化问题转化为非线性规划问题，但是，在序列二次规划（SQP）过程中，一维搜索的目标函数选择不是一件容易的事情，因为很多情况下，很难决定是使目标函数变大好还是变小

好。这就导致目标达到法改进的提出，可以通过将目标达到问题变为最大最小化问题来获得更合适的目标函数。

{}i i R

x n

Λ∈max min (2-13)式中

()i

i i

i W F x F ?

?=Λ i=1，…，m。

3.结论

多目标优化配置模型能实现区域社会、经济、环境综合效果最大，并得到相应的水资源分配方案。可以得到整个区域、各子区及用户的缺水程度。文中采用目标达到法的改进法对模型进行求解，在Matlab优化工具箱中，函数fgoalattain实现了目标达到法求解的改进，使得多目标优化算法更具有鲁棒性。

参考文献：

[1] 许新宜等.浅谈水资源承载能力与合理配置[J].中国水利.2002,10:42-44.

[2] 马斌，解建仓，汪妮，等.多水源引水灌区水资源调配模型及应用[J].水利学报.2001，(9): 59-63.

[3] 吴泽宁.基于生态经济的区域水质水量统一优化配置研究「D].河海大学博士研究生学位论文，2004，2.

[4] 苏金明，张莲花，刘波．Matlab工具箱应用[M]．北京:电子工业出版社，2004.1.

芳烃和烯烃含量更增添了该工艺的重要性。目前这种工艺使用氢氟酸或硫酸为催化剂。近年国外一家公司开发了一种负载型磺酸盐、S iO 2 催化剂。另外, 一家公司宣称开发成功了一种固体酸催化的异丁烷、丁烯烷基化新工艺。

采用绿色的溶剂

在无毒无害溶剂的研究中, 最活跃的研究项目是开发超临界流体(SCF) , 特别是超临界二氧化碳作溶剂。超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点(311℃、7477179kPa) 以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密度, 因而有常规液态溶剂的溶解度; 在相同条件下, 它又具有气体的粘度,因而又具有很高的传质速度。而且, 由于具有很大的可压缩性, 流体的密度、溶剂溶解度和粘度等性能均可由压力和温度的变化来调节。超临界二氧化碳的最大优点是无毒、不可燃、价廉等。

利用可再生资源合成化学品

利用生物量(生物原料) (B iomass) 代替当前广泛使用的石油, 是保护环境的一个长远的发展方向。生物质主要由淀粉及纤维素等组成, 前者易于转化为葡萄糖, 而后者则由于结晶及与木质素共生等原因, 通过纤维素酶等转化为葡萄糖, 难度较大。有关方面曾报道以葡萄糖为原料, 通过酶反应可制得己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等, 尤其是不需要从传统的苯开始来制造作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。由于苯是已知的治癌物质, 以经济和技术上可行的方式, 从合成大量的有机原料中取除苯是具有竞争力的绿色化学目标。

3. 绿色化学的未来发展

类社会在工业化社会以来的几百年，依赖其科学技

术的进步，特别是利用化学科学的成就，创造和生产出大量的化学品种、化学物质，不断地满足了人类社会的经济和文化的需求，为人类的进步做出了巨大的贡献，但在另一方面，利用化学和化学过程也对环境的污染负有一定的责任。以绿色化学为基础，开发绿色化学技术不仅是保护生态环境的需要，也是充分利用资源、降低生产成本的需要。这对于提高我国化学工业在国际上的竞争能力、促进科技自身发展，促进我国化学工业、医药、农药等相关产业的绿色化进程都有十分重要的意义。

绿色化学的思想是人类可持续发展的客观要求，化学家在这些方面已经并将继续作出更大的贡献。绿色化学的诞生，体现出技术本身就具有生态价值，为人类协调自己与环境的关系提供了物质手段，为人类解决发展与环境之间的矛盾提供了前提和保证。

绿色化学是21世纪中国工业发展的核心所在，只有在充分贯彻了绿色化学的思想后才能实现可持续发展。

[参考文献]：

1. 蔡建岩，浅谈绿色化学，长春大学学报，2002，2

2. 闵恩泽，傅军，绿色化学的进展，化学通报，1999，1

3. 方芳，吴勇，绿色化学的进展，安徽化工，2001，3

[作者简介]：王梦阳，中国矿业大学化工学院 应用化学专业学生；

陈海丽，中国矿业大学化工学院化学工程与工艺专业学生。

（上接第92页）