一种基于优化配置的水资源承载状态评价方法及系统与流程

本发明涉及一种基于优化配置的水资源承载状态评价方法及系统，属于水资源评价
技术领域：
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背景技术：
：水资源承载力是资源环境承载力的重要分支之一，水资源承载力研究的量化结果主要可以分为两类，分别是水资源承载能力和水资源承载状态。其中，水资源承载能力是指区域水资源能够承载的具有一定生活水平的最大人口数量；水资源承载状态是指承载某一人口数量区域水资源所处状态，通常分为超载与可载。水资源承载力的研究与水资源配置联系紧密，已有研究成果主要是利用水资源承载力的概念、内涵、量化结果为区域水资源配置服务，迄今为止，基于配置结果的承载力研究较少。技术实现要素：本发明提供了一种基于优化配置的水资源承载状态评价方法及系统，解决了
背景技术：
中披露的问题。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于优化配置的水资源承载状态评价方法，包括，构建考虑空间均衡的水资源优化配置模型；采用遗传算法，求解最优水资源分配方案；根据最优水资源分配方案，计算水资源承载的最大人口规模；将最大人口规模与实际人口规模比对，计算承载状态指标；根据预设的评价标准，评价承载状态。水资源优化配置模型为多目标模型，包括以下目标函数，第一目标函数：其中，f1(q)为第一个目标函数，j为计算单元数量，为第j个计算单元区域复合系统内三大子系统之间的协调发展度，为不同计算单元协调发展度的平均值，i1,j、i2,j、i3,j分别是指第j个计算单元三个子系统各自的协调发展评价指标无量纲处理后的值，ij为第j个计算单元所有协调发展评价指标无量纲处理后的值，sj为第j个计算单元三个子系统的协调发展评价指标的标准值，c1,j、c2,j、c3,j分别为第j个计算单元三个子系统的协调发展评价指标的实际值，qijk为规划水平年第i个水源给第j计算单元第k个用水部门的供水量，i为水源数量，k为用水部门数量，aj为第j个计算单元的面积，gdpj为第j个计算单元单方水的gdp产出值，popj为第j个计算单元的人口，djk为第j个计算单元第k个用水部门排放的废污水重要污染因子的浓度，pjk为第j个计算单元第k个用水部门污水的排放系数；第二目标函数：其中，f2(q)为第二个目标函数，djk为第j个计算单元第k个用水部门的需水量；第三目标函数：其中，f3(q)为第三个目标函数，bijk为第i个水源向第j个计算单元第k个用水部门的供水效益，cijk为第i个水源向第j个计算单元第k个用水部门的供水费用；第四目标函数：其中，f4(q)为第四个目标函数。水资源优化配置模型的约束条件为，qijk≥0其中，qijk为规划水平年第i个水源给第j计算单元第k个用水部门的供水量，i为水源数量，k为用水部门数量，wrij为第j计算单元第i个水源的可供水量，djk为第j计算单元第k个用水部门的需水量，umaxij为第i个水源向第j计算单元的最大供水能力，为第j个计算单元水资源复合系统内三大子系统之间的协调发展度。将水资源优化配置模型中的多个目标函数转化为单目标函数，采用遗传算法进行求解。单目标函数f(x)为，其中，fn(x)为第n个目标函数，εn为第n个目标函数的权重系数，其中，fnbest为第n个目标的最佳值。最大人口规模的计算公式为，fp＝fem/[gdpp]fem＝gdp/wd*ws其中，fp为水资源承载的最大人口规模，fem为水资源承载的最大经济规模，gdp为实际用水是wd时所产生的国内生产总值，wd为社会经济用水总量，ws为能够供给的最大水量，[gdpp]为社会发展水平的人均gdp。承载状态指标计算公式为，i′＝p/fp其中，i′为承载状态指标，p为实际人口规模，fp为水资源承载的最大人口规模。一种基于优化配置的水资源承载状态评价系统，包括，配置模型模块：构建考虑空间均衡的水资源优化配置模型；方案求解模块：采用遗传算法，求解最优水资源分配方案；规模计算模块：根据最优水资源分配方案，计算水资源承载的最大人口规模；指标计算模块：将最大人口规模与实际人口规模比对，计算承载状态指标；评价模块：根据预设的评价标准，评价承载状态。一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行基于优化配置的水资源承载状态评价方法。一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行基于优化配置的水资源承载状态评价方法的指令。本发明所达到的有益效果：本发明以面向空间均衡的水资源优化配置结果为基础，计算水资源承载状态指标，能够切实反映区域水资源的承载情况，具有较强的实用性和广泛的适用性。附图说明图1为本发明的流程图；图2为实施例的水资源系统概化图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图1所示，一种基于优化配置的水资源承载状态评价方法，包括以下步骤：步骤1，根据待评价的水资源，构建考虑空间均衡的水资源优化配置模型。水资源优化配置模型为多目标模型，包括以下目标函数：1)第一目标函数，即空间均衡目标函数：以不同计算单元的均衡指标差异度最小为目标。其中，f1(q)为第一个目标函数，j为计算单元数量，为第j个计算单元区域复合系统内三大子系统(水资源子系统、社会经济子系统、生态环境子系统)之间的协调发展度，为不同计算单元协调发展度的平均值，i1,j、i2,j、i3,j分别是指第j个计算单元三个子系统各自的协调发展评价指标无量纲处理后的值，ij为第j个计算单元所有协调发展评价指标无量纲处理后的值，sj为第j个计算单元三个子系统的协调发展评价指标的标准值，c1,j、c2,j、c3,j分别为第j个计算单元三个子系统的协调发展评价指标的实际值，分别为第j个计算单元的供水模数(万m3/km2)、人均gdp(万元/人)和万元gdp的cod排放量(kg/万元)，qijk为规划水平年第i个水源给第j计算单元第k个用水部门的供水量(万m3)，i为水源数量，k为用水部门数量，aj为第j个计算单元的面积(km2)，gdpj为第j个计算单元单方水的gdp产出值(元/m3)，popj为第j个计算单元的人口(人)，djk为第j个计算单元第k个用水部门排放的废污水重要污染因子的浓度(mg/l)，pjk为第j个计算单元第k个用水部门污水的排放系数。2)第二目标函数，以待评价水资源所在区供水系统的缺水量最小为目标。其中，f2(q)为第二个目标函数，djk为第j个计算单元第k个用水部门的需水量。3)第三目标函数，以待评价水资源所在区的经济效益最大为目标。其中，f3(q)为第三个目标函数，bijk为第i个水源向第j个计算单元第k个用水部门的供水效益，cijk为第i个水源向第j个计算单元第k个用水部门的供水费用。4)第四目标函数，以各计算单元入河废污水的cod排放量之和最小为目标。其中，f4(q)为第四个目标函数。水资源优化配置模型的约束条件如下：可供水量约束：各水源给各计算单元的供水量不应超过各计算单元各水源的可供水量，需水量约束：各时段各水源给各计算单元各用水部门的供水量不应超过各时段各计算单元各用水部门的需水量，供水能力约束：各计算单元调配各水源的水利工程都有各自的供水能力，各水源对各计算单元各用水部门的供水量不应超过各水源向各计算单元的最大供水能力，三大子系统协调发展约束：三大子系统的协调发展度不低于0.80，变量非负约束：qijk≥0；其中，wrij为第j计算单元第i个水源的可供水量，djk为第j计算单元第k个用水部门的需水量，umaxij为第i个水源向第j计算单元的最大供水能力。步骤2，将水资源优化配置模型中的多个目标函数转化为单目标函数，采用遗传算法，求解最优水资源分配方案。多目标问题转化为单目标问题，采用的方法为线性加权组合法，单目标函数f(x)为，对于第三目标函数，求解最大化问题；对于其他目标函数，求解最小化问题，因此，其中，fnbest为第n个目标的最佳值。其中，fn(x)为第n个目标函数，εn为第n个目标函数的权重系数，4个权重系数分别为0.12、0.23、0.23和0.42。步骤3，根据最优水资源分配方案，计算水资源承载的最大人口规模。最大经济规模公式为，fem＝gdp/wd*ws其中，fem为水资源承载的最大经济规模，gdp为实际用水是wd时所产生的国内生产总值，wd为社会经济用水总量，ws为能够供给的最大水量。最大人口规模公式为，fp＝fem/[gdpp]其中，fp为水资源承载的最大人口规模，[gdpp]为社会发展水平的人均gdp。步骤4，将最大人口规模与实际人口规模比对，计算承载状态指标。承载状态指标计算公式：i′＝p/fp其中，i′为承载状态指标，p为实际人口规模。步骤5，根据预设的评价标准，评价承载状态。评价标准如表1所示，表1评价标准标准i′>1.10.9≤i′≤1.1i′<0.9承载状态超载临界超载可载响应于承载状态指标大于1.1，承载状态为超载；响应于承载状态指标小于0.9，承载状态为可载；响应于承载状态指标大于等于0.9小于等于1.1，承载状态为临界超载。为了进一步说明上述方法，设置如图2所示的场景，假定有3个分区，分别为分区1～3。计算水平年为2015年，来水频率为75％。为分析引水工程对各分区水资源承载状态的影响，设置不同计算情景，具体见下表2。表2计算情景设定表情景序号具体情景i引水工程优先满足外区域需水ii引水工程优先满足外区域城区需水iii优先满足分区2需水，多余水量通过引水工程供给外区域确定考虑空间均衡的水资源优化配置模型所需参数，参数共分为四类，分别是水平年人口数量、经济规模、各用水部门单位用水量、水利设施供水能力、水资源量、各用水部门单位污染物排放量、入河系数，详见下表3～表6。表3各分区社会经济现状表4各分区主要用水部门用水效率表5各分区水资源量(单位：亿m3)计算单元分区1分区2分区3合计地表水资源量17.49.777.334.47地下水资源量1.1811.546.4119.13合计18.5821.3113.7153.6表6各分区主要用水部门排污系数结合已确定的模型参数，采用遗传算法对模型进行求解，得到各情景水资源最优分配方案，结果见下表7～表9。表7情景i水资源配置结果表8情景ii水资源配置结果表9情景iii水资源配置结果根据现有各情景配置结果，计算各情景能够承载的最大经济规模与人口规模。表10各情景各分区水资源能够承载的最大的经济规模(单位：亿元)计算单元情景i情景ii情景iii分区11390.131390.131390.13分区28073.347964.88608.35分区31794.271793.981774.75全部分区11257.7311148.9111773.23表11各情景各分区水资源能够承载的最大的人口规模(单位：万人)计算各情景各分区承载状态指标。表12各情景各分区承载状态指标计算单元情景i情景ii情景iii分区11.181.181.18分区21.231.251.15分区31.061.061.07全部分区1.181.191.14评价各情景各分区水资源承载状态。表13各情景各分区水资源承载指数计算单元情景i情景ii情景iii分区1超载超载超载分区2超载超载超载分区3临界超载临界超载临界超载全部分区超载超载超载上述方法以面向空间均衡的水资源优化配置结果为基础，计算水资源承载状态指标，能够切实反映区域水资源的承载情况，具有较强的实用性和广泛的适用性。一种基于优化配置的水资源承载状态评价系统，包括，配置模型模块：构建考虑空间均衡的水资源优化配置模型；方案求解模块：采用遗传算法，求解最优水资源分配方案；规模计算模块：根据最优水资源分配方案，计算水资源承载的最大人口规模；指标计算模块：将最大人口规模与实际人口规模比对，计算承载状态指标；评价模块：根据预设的评价标准，评价承载状态。一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行基于优化配置的水资源承载状态评价方法。一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行基于优化配置的水资源承载状态评价方法的指令。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。当前第1页12