基于用水总量控制的水资源优化配置报童方法与流程

本发明涉及水利工程领域，更具体地，涉及一种基于用水总量控制的水资源优化配置报童方法。

背景技术：

当前变化环境下，区域来水过程分布更趋极端化，用水环节的供用耗排水关系发生了新的变化。为遏止粗放用水，控制区域用水的盲目增长，最严格水资源管理的“三条红线”对区域用水总量划定了刚性约束，而区域经济增长和人口膨胀带来的河道外需水还会增加，水资源供需矛盾会更加突出。水资源优化配置是调解水资源时空分布不均、来水与需水不匹配、提高水资源利用效率、增强水资源系统抗风险性的根本途径。用水总量控制下的水资源优化配置是应对变化环境，为区域健康发展提供水安全保障的重要支撑技术之一。但现有水资源配置研究大多没有涉及用水总量控制命题，少量涉及也一般只是简单地把总量控制作为一个约束置于多目标分析中，而没有把用水总量控制作为一个状态变量处理。在水资源配置经济效益目标中，也未能有效地考虑水价和水费等用水成本的动态变化。将变化环境下的水资源优化配置纳入到用水总量控制的社会命题中进行研究，一方面为在气候变化和剧烈人类活动影响下受用水总量控制约束的区域水安全保障提供合理的水量调节方案；另一方面也有助于丰富变化环境下水资源优化配置研究的理论与方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于用水总量控制的水资源优化配置报童方法，实现用水总量控制下的水资源优化配置。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案是：一种基于用水总量控制的水资源优化配置报童方法，其中，包括以下步骤：

s1.根据配水传输条件和需水要求，采集各供水量数据和需水量数据；

s2.结合s1步骤所采集的数据，以经济、社会和生态环境综合效益为最大目标，确定目标函数和配水系数；

s3.依据水资源模拟系统中的数据条件组成水资源优化配置的约束条件；

s4.对用水总量控制的水资源优化配置报童模型进行求解。

进一步地，所述的确定目标函数包括确定经济效益目标函数、确定社会效益目标函数以及确定生态环境效益目标函数。

进一步地，所述的确定经济效益目标函数包括以下步骤：

s211.依据报童模式思想，记每时段用户配水量为n立方米，在用水总控制量为t的额度内，每1立方米毛收益为a，成本为b，净收益为a-b；当配水量超过用水总量控制量t时，每超过1立方米赔偿c；记水库调蓄后的来水可供水量为r，时段需水量为d；基于用水总量控制(控制量t<d，否则属于无总量控制的水资源配置)的水资源配置存在如下三种状态：

s212.当水库调蓄后的来水量r≥t>d时，即来水完全可以满足需水的情况，实际配水要受用水总量控制额度约束；即可以按照需水量d配水，但超过用水总量控制额度的部分要进行赔偿；

配水量n＝t>d，则方案配水d，供水效益为(a-b)d，赔偿c(d-t)，净效益为：

f1(n)＝(a-b)d-c(d-t)；

s213.水库调蓄后的来水量r≤t<d时，来水不足以满足用水控制量，更不满足需水要求，充分配水不会突破用水总量的控制额度；

配水量n＝r≤t<d，则方案配水r，净效益为：

f2(n)＝(a-b)r；

s214.当水库调蓄后的来水量r≥t但r<d时，即d>r≥t，来水完全可以满足用水总量控制的水量，但不满足需水量，实际配水要受用水总量控制额度的约束，即可以按照来水量r配水，超过了控制量t，但仍达不到需水量d的要求，同时超过用水总量控制额度t的部分仍要进行赔偿；

配水量n＝r≥t，则方案配水r，供水效益为(a-b)r，赔偿c(r-t)，净效益为：

f3(n)＝(a-b)r-c(r-t)；

s15.设某个区域可划分为k个计算单元；k＝1,2,3，…k；每个计算单元有j个用水部门，j＝1,2,3,…j；i为配水总时段数,i＝1,2,3,…i；计算单元k，时段i部门的需水量、配水量和用水控制量分别为dij，nij，tij，配水期间各个时段配水总经济效益为g，则基于用水总量控制t的流域水资源优化配置报童模型经济净效益的目标函数为：

进一步地，目前尚无统一的方法来度量水资源优化配置的社会效益，一般以区域总缺水量最小，或是水资源年内供需协调度最大为目标，为使流域总缺水量最小，同时兼顾生产、生活和生态用水的公平性和协调性，所述的社会效益目标函数以各用水户时段供水保证率最高来体现社会效益r，其计算公式为：

式中：tkj为k计算分区j用水部门配水量满足需水量的时段之和；i为配水总时段数。

进一步地，所述的生态环境效益目标函数为：以污水排放量中主要污染物排放量最小体现生态环境效益，则生态环境效益的目标函数e表示为：

式中：dj为第j用水部门废污水排放中主要污染物的浓度，mg/l；pj为第j用水部门废污水排放系数；nij为i时段j用水部门的配水量。

进一步地，以大系统分解协调原理为技术支撑，采用逐步宽容约束法，首先确定初始配水量，代替目标函数中经水库调蓄后的来水量，再结合报童模式思想，进行多轮调算，优化协调目标函数中的初始配水量、需水量、用水总量控制指标和配水量之间的关系，直至得到最佳配水量，使得配水综合效益最大；所述的s4步骤包括：

s41.将流域水资源系统分为需水子系统和供水子系统，由供水子系统给出供水量作为需水子系统的输入，需水子系统向供水子系统提出需水要求，供水子系统据此向需水子系统供水；

s42.经过河库联合调度，先预估供水量，分析时段需水满足程度，对照配置目标函数，将供、需水子系统的运行信息反馈给平衡协调级，不断调整配水系数，如此反复迭代，得到初始配水量；

s43.按照逐步宽容约束法，基于初始配水量，结合报童模式思想，在报童优化模式下，考虑时段需水量和用水总量控制指标，依据综合效益最大原则，对配水量进行调算，实现经济效益、社会效益和生态环境效益的多目标问题求解，优选并最终给出最佳配水量。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于用水总量控制的水资源优化配置报童方法，紧密地结合了当前用水总量控制的社会命题和水价水市场的动态变化信息，反映了不同用水总量控制指标方案对用水户净收益的影响，有效地协调了流域来水、需水、用水总量控制与配水指标之间的关系，符合南方高强度用水区用水特点；同时，用水户用水净收益的变化论证了配水的合理性，使得配水结果更贴近实际用水状况。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明基于用水总量控制的水资源优化配置报童模型的求解流程图。

图3为本发明实施例中方案a和方案b中各用水户用水量控制指标。

图4为本发明实施例中广东省东江流域资源供需平衡分析(2020年)。

图5为本发明实施例中广东省东江流域各用水户用水净收益(2020年)。

图6为本发明实施例中广东省东江流域水资源系统概化网络结点示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种基于用水总量控制的水资源优化配置报童方法，其中，包括以下步骤：

s1.根据配水传输条件和需水要求，采集各供水量数据和需水量数据；

s2.结合s1步骤所采集的数据，以经济、社会和生态环境综合效益为最大目标，确定目标函数和配水系数；

s3.依据水资源模拟系统中的数据条件组成水资源优化配置的约束条件；

s4.对用水总量控制的水资源优化配置报童模型进行求解。

具体地，所述的确定目标函数包括确定经济效益目标函数、确定社会效益目标函数以及确定生态环境效益目标函数。

其中，确定经济效益目标函数包括以下步骤：

s211.依据报童模式思想，记每时段用户配水量为n立方米，在用水总控制量为t的额度内，每1立方米毛收益为a，成本为b，净收益为a-b；当配水量超过用水总量控制量t时，每超过1立方米赔偿c；记水库调蓄后的来水可供水量为r，时段需水量为d；基于用水总量控制(控制量t<d，否则属于无总量控制的水资源配置)的水资源配置存在如下三种状态：

s212.当水库调蓄后的来水量r≥t>d时，即来水完全可以满足需水的情况，实际配水要受用水总量控制额度约束；即可以按照需水量d配水，但超过用水总量控制额度的部分要进行赔偿；

配水量n＝t>d，则方案配水d，供水效益为(a-b)d，赔偿c(d-t)，净效益为：

f1(n)＝(a-b)d-c(d-t)；

s213.水库调蓄后的来水量r≤t<d时，来水不足以满足用水控制量，更不满足需水要求，充分配水不会突破用水总量的控制额度；

配水量n＝r≤t<d，则方案配水r，净效益为：

f2(n)＝(a-b)r；

s214.当水库调蓄后的来水量r≥t但r<d时，即d>r≥t，来水完全可以满足用水总量控制的水量，但不满足需水量，实际配水要受用水总量控制额度的约束，即可以按照来水量r配水，超过了控制量t，但仍达不到需水量d的要求，同时超过用水总量控制额度t的部分仍要进行赔偿；

配水量n＝r≥t，则方案配水r，供水效益为(a-b)r，赔偿c(r-t)，净效益为：

f3(n)＝(a-b)r-c(r-t)；

s15.设某个区域可划分为k个计算单元；k＝1,2,3，…k；每个计算单元有j个用水部门，j＝1,2,3,…j；i为配水总时段数,i＝1,2,3,…i；计算单元k，时段i部门的需水量、配水量和用水控制量分别为dij，nij，tij，配水期间各个时段配水总经济效益为g，则基于用水总量控制t的流域水资源优化配置报童模型经济净效益的目标函数为：

另外，目前尚无统一的方法来度量水资源优化配置的社会效益，一般以区域总缺水量最小，或是水资源年内供需协调度最大为目标，为使流域总缺水量最小，同时兼顾生产、生活和生态用水的公平性和协调性，社会效益目标函数以各用水户时段供水保证率最高来体现社会效益r，其计算公式为：

式中：tkj为k计算分区j用水部门配水量满足需水量的时段之和；i为配水总时段数。

其中，生态环境效益目标函数为：以污水排放量中主要污染物排放量最小体现生态环境效益，则生态环境效益的目标函数e表示为：

式中：dj为第j用水部门废污水排放中主要污染物的浓度，mg/l；pj为第j用水部门废污水排放系数；nij为i时段j用水部门的配水量。

具体地，以大系统分解协调原理为技术支撑，采用逐步宽容约束法，首先确定初始配水量，代替目标函数中经水库调蓄后的来水量，再结合报童模式思想，进行多轮调算，优化协调目标函数中的初始配水量、需水量、用水总量控制指标和配水量之间的关系，直至得到最佳配水量，使得配水综合效益最大；s4步骤包括：

s41.将流域水资源系统分为需水子系统和供水子系统，由供水子系统给出供水量作为需水子系统的输入，需水子系统向供水子系统提出需水要求，供水子系统据此向需水子系统供水；

s42.经过河库联合调度，先预估供水量，分析时段需水满足程度，对照配置目标函数，将供、需水子系统的运行信息反馈给平衡协调级，不断调整配水系数，如此反复迭代，得到初始配水量；

s43.按照逐步宽容约束法，基于初始配水量，结合报童模式思想，在报童优化模式下，考虑时段需水量和用水总量控制指标，依据综合效益最大原则，对配水量进行调算，实现经济效益、社会效益和生态环境效益的多目标问题求解，优选并最终给出最佳配水量。

实施例

以广东省东江流域为例，采用基于用水总量控制的水资源优化配置报童模型，对流域水资源进行多层次优化配置。

步骤1.计算单元划分

根据东江流域水系分布特征及水资源分区，考虑供水系统及行政区划等因素，对东江流域水资源系统进行概化，将流域划分为8个计算单元，各计算单元结点及概化工程如图6所示。

步骤2.数据收集

采集广东省东江流域1956-2005年水资源径流长序列(包括水库、区间来水和过境水)，以2020年为配置水平年；需水指标源于《广东省水资源综合规划》之推荐需水方案；用水总量控制指标方案源于《广东省用水总量控制指标分解方案》。

步骤3.确定控制指标方案

通过整体优化，对比分析两种用水总量控制指标方案下流域2020年水资源供需状况及用水净收益。本实施例不专门研究用水总量控制指标方案的确定，这里选取生活用水控制指标低方案(即方案a)和生活用水控制指标高方案(即方案b)组成用水总量控制指标方案集，方案a和方案b中各用水户用水量控制指标如图3所示：

步骤4.确定指标参数

按照河库联合调度方式，考虑经济、社会和生态环境等目标，采用逐步宽容约束法及递阶分析法对构建的基于用水总量控制的东江流域水资源优化配置报童模型进行求解。对于配置模型经济效益目标中各用水户单位用水净收益和超过用水控制量的处罚额等指标，按如下原则确定：农业生产用水净收益参考历史用水效率指标和未来水平年经济社会发展指标规划值，采用总产值除以用水量表示；工业和生活用水净收益以生活用水水价表示；根据配水优先满足顺序，生态用水净收益参考农业用水净收益确定。基于各用水户用水净收益，参考国内外相关研究成果，确定单位超量用水处罚额。

步骤5.模型求解与配置结果

本实施例只列出广东省东江流域在2020水平年上述两种用水总量控制指标方案下总的配水结果，即8个计算单元配水结果之和。5种来水频率(包含特枯年)及多年平均情况下水资源供需状况如图4所示；各用水户用水净收益如图5所示。

本发明针对用水总量控制的社会命题，将经济学中的报童模式思想引入到水资源优化配置体系中，建立了基于用水总量控制的东江流域水资源优化配置报童模型，采用大系统分解协调理论作为技术支撑，运用逐步宽容约束法，进行自流域至各用水户的多层次水资源优化配置，紧密地结合了当前用水总量控制的社会命题和水价水市场的动态变化信息，反映了不同用水总量控制指标方案对用水户净收益的影响，有效地协调了流域来水、需水、用水总量控制与配水指标之间的关系，符合南方高强度用水区用水特点。同时，用水户用水净收益的变化论证了配水的合理性，使得配水结果更贴近实际用水状况。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。