一种广义水资源优化配置方法及系统与流程

本发明涉及水资源调控，具体涉及一种广义水资源优化配置方法及系统。

背景技术：

1、水资源配置主要是通过协调多水源与多用户之间的关系，提高水资源与生产力之间的匹配程度。以往的水资源配置主要是基于静态的水资源评价和用水需求进行的计算分析，忽略了水资源配置与供给测和需求侧供-用-耗-排-回用水循环互聩效应，不能反映实际可耗用水资源数量和质量，配置结果不精确。我国能源化工基地产品总量与工矿企业用水及污水排放量之间存在显著相关性，尤其是，我国北方煤基能源化工基地水资源十分匮乏，基地水资源供给与需求关系更加紧密，单侧的调整势必会导致另一侧的结构变化。需求侧是水资源配置的目标和对象，供给侧体现了水资源配置方式方法和配置总量与过程。从水循环角度分析，水资源配置的核心实质上是关于供给侧和需求侧水量平衡状态下的耗水量分配。

2、因此，未来的研究需要更将强调基于水足迹等耗水概念的水资源优化配置，分析计算各种水源对区域各产业各部门的供用耗排平衡，以及部门间和产业间的广义水量平衡，从而更加真实全面地管理和利用水资源。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种广义水资源优化配置方法及系统，以探索构建广义视角下的基地水资源优化配置模型，并给出高效求解方法。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、本发明提供一种基于需求的广义水资源优化配置方法，所述基于需求的广义水资源优化配置方法包括：

4、s1：基于产业发展和节能降耗的现实要求，兼顾竞争性目标，构建配置模型供给侧多水源多目标统筹优化模型；

5、s2：对配置模型供给侧多水源多目标统筹优化模型进行求解，得到多种水源在产业供水管网系统中的最优分配方案；

6、s3：以产业经济总产值最大为目标，构建配置模型需求侧实体—虚拟水统筹优化模型；

7、s4：将所述最优分配方案作为所述配置模型需求侧实体—虚拟水统筹优化模型的输入参数，以对所述配置模型需求侧实体—虚拟水统筹优化模型进行求解，得到配置模型需求侧模型优化结果；

8、s5：判断所述配置模型需求侧模型优化结果是否满足终止条件，若是，输出产业广义水资源优化配置结果；否则，进入s6；

9、s6：利用所述配置模型需求侧模型优化结果对所述配置模型供给侧多水源多目标统筹优化模型进行参数调整并返回s2。

10、可选择地，所述s1中，所述配置模型供给侧多水源多目标统筹优化模型具有目标函数，所述目标函数包括产业中企业项目总缺水量最小，以及，产业中不同水源供水总耗电量最小；

11、所述产业中企业项目总缺水量最小为：

12、

13、其中，f1表示产业中企业项目总缺水量，d(j,c)为的j区c企业项目需水量；为w净水厂供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在净水厂；yw,(j,c)为w净水厂与j区c企业的供水关系值，为rw再生水厂供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在再生水厂；zrw,(j,c)为rw再生水厂与j区c企业的供水关系值，为pt矿井水预处理站供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在矿井水预处理站；kpt,(j,c)为pt矿井水预处理站与j区c企业的供水关系值，为dt矿井水深度处理工程供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在矿井水深度处理工程；tdt,(j,c)为dt矿井水深度处理工程与j区c企业的供水关系值，和分别是w净配水厂、rw再生水厂、pt矿井水预处理站和dt矿井水深度处理工程向j区供水的漏损率；j、c、w、rw、pt、dt分别为分区、企业、常规水源净水厂、再生水厂、矿井水预处理站、矿井水深度处理工程的数量；

14、所述产业中不同水源供水总耗电量f2最小为：

15、

16、其中，为s常规水源供给w净水厂包括输水损失在内的水量，其计量节点在水库；为s水源工程单位水量电耗，即一个单位水量的地表水经s水源工程水源取水、泵站输水、水库蓄水所消耗的电能；xs,w为s水源与w净水厂的输水关系值，为w净水厂单位产水电耗，即w净水厂生产一个单位水量所消耗的电能；为rw再生水厂的单位产水电耗，即工业污水进入rw再生水厂后经一系列工艺处理，产出一个单位水量再生水所消耗的电能；为pt矿井水预处理站的单位产水电耗，即矿井涌水经井下收集、地面预处理，产出一个单位可利用矿井水所消耗的电能；为经pt矿井水预处理站处理后，进入dt矿井水深度处理工程进行脱盐处理的水量；gpt,dt为pt矿井水预处理站与dt矿井水深度处理工程的输水关系值，为dt矿井水深度处理工程的单位产水电耗，即矿井水预处理后，经进一步脱盐处理，产出一个单位可利用矿井水所消耗的电能；s为常规水源的数量；是经rw污水再生水厂处理但未被利的水量；是经pt矿井水预处理站处理但未被利的水量。

17、可选择地，所述目标函数包括以下约束条件：

18、节点水量平衡约束、企业项目供需关系约束、水利工程约束、水资源管理约束和决策变量非负约束。

19、可选择地，所述节点水量平衡约束包括常规水源净水厂节点水量平衡、污水再生水厂节点水量平衡、矿井水预处理站节点水量平衡和矿井水深度处理工程节点水量平衡；

20、所述常规水源净水厂节点水量平衡包括：

21、

22、

23、

24、所述污水再生水厂节点水量平衡包括：

25、

26、

27、所述矿井水预处理站节点水量平衡：

28、

29、

30、

31、所述矿井水深度处理工程节点水量平衡：

32、

33、

34、

35、其中，为w净水厂供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在净水厂，yw,(j,c)为w净水厂与j区c企业的供水关系值，为s常规水源向w净水厂输水的漏损率，xs,w为s水源与w净水厂的输水关系值；为rw再生水厂供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在再生水厂，zrw,(j,c)为rw再生水厂与j区c企业的供水关系值，为pt矿井水预处理站供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在矿井水预处理站；kpt,(j,c)为pt矿井水预处理站与j区c企业的供水关系值，gpt,dt为pt矿井水预处理站与dt矿井水深度处理工程的输水关系值，为dt矿井水深度处理工程供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在矿井水深度处理工程；tdt,(j,c)为dt矿井水深度处理工程与j区c企业的供水关系值，和分别是w净水厂、rw再生水厂、pt矿井水预处理站和dt矿井水深度处理工程的自耗水系数；为pt矿井水预处理站向dt矿井水深度处理工程输水的漏损率；和分别为rw再生水厂和pt矿井水预处理站进水水量；

36、所述企业项目供需关系约束为：

37、

38、

39、

40、式中，为w净配水厂向j区供水的漏损率，为rw再生水厂向j区供水的漏损率，为dt矿井水深度处理工程向j区供水的漏损率，d(j,c)为j区c企业项目需水量，为j区c企业需水调整系数下限，θlow为需水调整系数下限最小值，为j区c企业需水调整系数上，θup为需水调整系数上限最大值；

41、所述水利工程约束包括净水厂、污水再生水厂、矿井水预处理站和矿井水深度处理工程规模、常规水资源水源工程规模以及管线输配水能力；

42、所述常规水资源水源工程规模包括：

43、

44、所述净水厂、污水再生水厂、矿井水预处理站和矿井水深度处理工程规模包括：

45、

46、

47、

48、

49、所述管线输配水能力包括：

50、

51、

52、其中，是s常规水源的供水能力；和分别是w净水厂、rw污水再生水厂、pt矿井水预处理站和dt矿井水深度处理工程的净水能力；gcw,dr是w净水厂dr管线方向的输水能力，若j区由w净水厂dr管线方向供水，则y(′w,dr),j为1，否则为0；gcj是j区进水管线的输水能力；

53、所述水资源管理约束为：

54、

55、所述决策变量非负约束为：

56、

57、

58、

59、其中，qa为基地常规地表水资源年取水总量控制指标。

60、可选择地，所述s2包括：

61、s21：采用nsga-ii算法对所述配置模型供给侧多水源多目标统筹优化模型进行求解，得到pareto解集；

62、s22：利用熵权法从所述pareto解集中确定多种水源在产业供水管网系统中的最优分配方案。

63、可选择地，所述s21包括：

64、s211：随机生成种群规模大小为n的初始父代种群pt，种群中每一个个体即是一个决策向量且对应一种多水源供水统筹优化方案；

65、s212：通过二进制锦标赛法从父代种群pt中选择个体，交叉、变异后生产规模大小为n的子代种群qt，再与父代种群pt混合，形成规模大小为2n的多水源多目标供水统筹优化方案的种群rt；

66、s213：根据配置模型供给侧多水源多目标统筹优化模型的目标函数和约束条件，对种群rt进行非支配分级，并赋予个体非支配排序irank；将各层级的个体分别存入不同层级非支配解集中；随后，对分好级次的非支配解集进行拥挤度排序；

67、s214：利用比较算子和精英策略，从rt中择优选择n个多水源供水统筹优化方案，构成下一轮迭代的父代种群pt+1；

68、s215：循环重复s211-s214，直至满足终止条件。

69、可选择地，所述s22包括：

70、s221：对pareto解集{f(h,o)}进行标准化处理后得到新集合

71、其中，所述新集合为：

72、

73、h＝1,2,...,h；o＝1,2,...,o，h和o分别是目标函数个数和pareto解集中解的个数，max(fo)和min(fo)分别表示pareto解集在目标函数h上的最大值和最小值；

74、s222：计算新集合的特征比重；

75、其中，所述特征比重b(h,o)为：

76、

77、s223：计算各目标函数的熵值；

78、其中，所述熵值eth为：

79、

80、s224：利用所述熵值计算各目标函数的熵权；

81、其中，所述熵权ωh为：

82、

83、s225：按各目标函数的熵权对所述pareto解集中各解进行赋分，分数最优的解为均衡解；

84、s226：将所述均衡解作为多种水源在产业供水管网系统中的最优分配方案输出。

85、可选择地，所述配置模型需求侧实体—虚拟水统筹优化模型具有目标函数，所述配置模型需求侧实体—虚拟水统筹优化模型的目标函数为：

86、

87、其中，f3为基地经济总产值；uip为p产品的单位虚拟水经济价值；是基地外购p产品所含的虚拟水资源量，ucp为p产品的外购虚拟水单位成本，即p产品的单位虚拟水外购成本，q(j,c,p)为j区c企业p产品的产量水足迹，为j区c企业p产品的自耗量水足迹，j、c、p分别为分区、企业和产品的数量。

88、可选择地，所述配置模型需求侧实体—虚拟水统筹优化模型的目标函数具有如下约束条件：

89、需求侧工矿项目耗水量与供给侧供水量的关系；煤基能源化工产品产能约束、基地产品供耗平衡，即产品自产量与外购量之和等于自耗量与可销量之和；同产品的可销量及外购量不可同时大于0，即某产品仅在自产量无法满足需求情况下考虑外购；副产品产出约束；发展规划约束；和变量非负约束。

90、可选择地，所述需求侧工矿项目耗水量与供给侧供水量的关系为：

91、

92、所述煤基能源化工产品产能约束包括产量与产能关系和产量与可销量关系；

93、所述产量与产能关系为：

94、

95、所述产量与可销量关系为：

96、

97、其中，为j区c企业p产品消耗上游产品实物量所含虚拟水含量，为w净水厂供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在净水厂，为rw再生水厂向j区供水的漏损率，为rw再生水厂供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在再生水厂，为pt矿井水预处理站向j区供水的漏损率，为pt矿井水预处理站供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在矿井水预处理站，为dt矿井水深度处理工程向j区供水的漏损率，为dt矿井水深度处理工程供给j区c企业包括输水损失在内的水量，其计量节点在矿井水深度处理工程，p、w、rw、pt、dt分别为产品、常规水源净水厂、再生水厂、矿井水预处理站、矿井水深度处理工程的数量，cap(j,c,p)是j区c企业p产品的生产能力，wf(j,c,p)为j区c企业p产品项目尺度产品水足迹；

98、所述基地产品供耗平衡，即产品自产量与外购量之和等于自耗量与可销量之和：

99、

100、所述同产品的可销量及外购量不可同时大于0，即某产品仅在自产量无法满足需求情况下考虑外购：

101、

102、所述副产品产出约束为：

103、

104、为任何一对主产品及其副产品的产出比系数，和分别为j区c企业主产品和副产品的产品水足迹；和分别为j区c企业主产品和副产品的产量水足迹；

105、所述发展规划约束包括各产业经济产值规划比重和煤基能源化工产品可销量目标；

106、所述各产业经济产值规划比重为：

107、

108、

109、p＝1代表煤炭，p＝2代表煤电，p＝3～p代表煤化工；uip＝1为煤炭的单位虚拟水经济价值，是j区c企业煤炭的可销量水足迹；是j区c企业煤电的可销量水足迹；uip＝2为煤电的单位虚拟水经济价值，μ1、μ2和μ3是分别是煤、电、化三大产业经济总产值的规划比重；

110、所述产业产品可销量目标为：

111、

112、ep是p产品的可销量目标值；

113、所述变量非负约束为：

114、

115、

116、其中，a(j,c,i),p为j区c企业p产品对i产品的直接物耗系数，其物理意义是j区c企业生产一个单位p产品所直接耗用i产品的数量，q(j,c,i)为j区c企业i产品的产量水足迹，wf(j,c,i)为j区c企业i产品的产品水足迹，wfp为p产品的基地尺度产品水足迹，wf(j,c,p)为j区c企业p产品项目尺度产品水足迹，为任意符号。

117、本发明具有以下有益效果：

118、1)本发明同时考虑“两个统筹”，即统筹常规水和非常规水、统筹实体水和虚拟水，实现自然系统和经济系统完整水资源运动与分配的调控；

119、2)本发明通过协调多水源与多用户之间的关系，能够提高水资源与生产力之间的匹配程度；

120、3)本发明配置方法反映了实体水供用耗排过程和虚拟水生产消费过程之间彼此交织、相伴相生的基本特征。