一种模糊边界区间两阶段随机水资源管理方法与流程

本发明涉及水资源配置，更具体的说是涉及一种模糊边界区间两阶段随机水资源管理方法。

背景技术：

1、目前，水资源短缺问题日益严重，给社会经济、生态环境和人民生活带来了严重威胁。与此同时，极端天气也加剧了水资源供应的不确定性，增加了经济损失风险。为实现经济社会可持续发展，许多国家采取了严格的水资源管理措施，对有限的水资源进行优化配置，从而提高了水资源利用效率和经济效益。

2、针对水资源配置过程中存在的不确定性和复杂性，学者提出了区间规划、随机数学规划、模糊数学规划及相关耦合方法。例如，达庆利和刘新旺对目标函数和约束条件均含区间数的线性规划问题提出了一种基于模糊约束满意度的求解方法，决策者可以决定不同的目标函数和约束条件的约束满意度水平，从而得到适合自己的解。郭均鹏和吴育华考虑了约束条件为等式的情况给出了区间线性规划的标准型。

3、其中区间两阶段随机规划方法因能够处理参数上下限已知而概率分布未知的随机问题而被广泛应用。huang等人开发了一种交互式两阶段随机模糊规划方法，它本质上是两阶段随机规划和不精确优化(灰色系统)的混合体，用于处理多用户间的资源分配问题。有鉴于此，很少有人利用区间两阶段随机规划方法对水资源配置过程中存在地风险与不确定性问题进行处理。

4、因此，如何有效地解决区域水资源配置中来水情况不确定的问题是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种模糊边界区间两阶段随机水资源管理方法，以解决背景技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种模糊边界区间两阶段随机水资源管理方法，包括以下步骤：

4、以地区用水综合效益最大为目标函数为目标，以可利用水量约束、收益风险约束、最小需水量约束、均衡约束和非负约束为约束条件，建立优化模型；

5、根据区间交互式算法将所述优化模型拆解为确定性的上界子模型和下界子模型，通过引入决策变量将所述上界子模型和下界子模型转化为所对应的线性规划模型，并进行求解所述线性规划模型，得到求解结果；

6、根据求解结果，确定水资源优化配置方案。

7、可选的，所述目标函数如下：

8、

9、其中，f±表示系统净收益，元；i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；pmt表示某地时段t出现来水频率m的概率，1表示丰水年，2表示平水年，3表示枯水年，4表示特枯年；pnt表示某水库时段t出现来水频率n的概率，1表示丰水年，2表示平水年，3表示枯水年，4表示特枯年；表示t时段向i区域j用水户配水时的单位水量系统收益模糊区间系数，元/m3；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先供水目标值未达到的缺水惩罚模糊区间系数，元/m3；表示用于表征分质供水，根据不同区域不同用水户对水源的需求，取值为0或1；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先配水目标值，m3；表示在mn来水水平下，t时段k水源未满足i区域j用水户预先配水目标时的缺水量，m3；α表示风险系数，取值越大表示能够承担的风险越小α∈[0,1)，用于权衡预期损失和收益；t为松弛变量。

10、可选的，所述惩罚损失约束为：

11、vmnt≥0

12、

13、其中，i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；t为松弛变量；表示在mn来水水平下，t时段k水源未满足i区域j用水户预先配水目标时的缺水量，m3；表示t时段不同水源向i区域j用水户的预先供水目标值未达到的缺水惩罚模糊区间系数；vmnt表示在t时段mn来水水平下的辅助变量；tt为t时段的松弛变量。

14、可选的，所述水源可利用水量约束为：

15、

16、

17、其中，i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先配水目标值，m3；表示在mn来水水平下，t时段k水源未满足i区域j用水户预先配水目标时的缺水量，m3；λ表示可信性置信水平，代表不确定性约束条件下满足系统目标及约束的可信度水平，取值越小违规程度越大；表示规划期内mn典型年水源可利用量；表示规划初期当地k水源的蓄水量；表示规划期内mn典型年来水流量下k水源的天然净来水量，m3；表示k水源因蒸发、渗漏的损失水量，m3。

18、可选的，所述收益暴露风险约束为：

19、

20、

21、

22、

23、其中，f±表示系统净收益，元；i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；pmt表示某地时段t出现来水频率m的概率，1表示丰水年，2表示平水年，3表示枯水年，4表示特枯年；pnt表示某水库时段t出现来水频率n的概率，1表示丰水年，2表示平水年，3表示枯水年，4表示特枯年；表示t时段向i区域j用水户配水时的单位水量系统收益模糊区间系数，元/m3；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先供水目标值未达到的缺水惩罚模糊区间系数，元/m3；表示用于表征分质供水，根据不同区域不同用水户对水源的需求，取值为0或1；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先配水目标值，m3；表示在mn来水水平下，t时段k水源未满足i区域j用水户预先配水目标时的缺水量，m3；α表示风险系数，取值越大表示能够承担的风险越小α∈[0,1)，用于权衡预期损失和收益；表示收益暴露风险水平，取值越大表示暴露风险水平越高，t为松弛变量；表示实际收益；表示t时段mn来水水平和β收益暴露风险水平下预定义目标收益，元；表示用于t时段平衡mn来水水平和β收益暴露风险水平下实际收益与目标收益的辅助变量；为二元变量，其取值为1时，表明实际收益大于预定义的目标收益，反之为0。

24、可选的，所述均衡约束为：

25、

26、

27、其中：g为基尼系数；ξ为纳什效率系数；为i子区j用户的供水要求；为区域供水要求的平均值；g0与ξ0为用户自定义的基尼系数与纳什效率系数；i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先配水目标值，m3；表示在mn来水水平下，t时段k水源未满足i区域j用水户预先配水目标时的缺水量，m3。

28、可选的，所述最小需水量约束为：

29、

30、其中，γijm表示某地出现典型年m时k水源向i区域j用水户的供水保证率；i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先配水目标值，m3；表示在mn来水水平下，t时段k水源未满足i区域j用水户预先配水目标时的缺水量，m3。

31、可选的，所述非负约束：

32、

33、其中，i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；表示在mn来水水平下，t时段k水源未满足i区域j用水户预先配水目标时的缺水量，m3。

34、可选的，所述上界子模型为：

35、

36、其中，f+表示系统净收益，元；i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；pmt表示某地时段t出现来水频率m的概率，1表示丰水年，2表示平水年，3表示枯水年，4表示特枯年；pnt表示某水库时段t出现来水频率n的概率，1表示丰水年，2表示平水年，3表示枯水年，4表示特枯年；表示t时段向i区域j用水户配水时的单位水量系统收益模糊区间系数，元/m3；oijk表示用于表征分质供水，根据不同区域不同用水户对水源的需求，取值为0或1；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先配水目标值，m3；α表示风险系数，取值越大表示能够承担的风险越小α∈[0,1)，用于权衡预期损失和收益；zijkt为决策变量，其取值区间为0～1；v1mnt表示在t时段mn来水水平下的辅助变量；t1t为t时段的松弛变量。

37、可选的，所述下界子模型：

38、

39、其中，f-表示系统净收益，元；i表示不同区域，1表示城区，2表示郊区；j表示不同用水户，1表示生活用水，2表示工业用水，3表示农业用水，4表示生态用水；k表示不同水源，1表示地表水，2表示外调水，3表示再生水，4表示地下水；pmt表示某地时段t出现来水频率m的概率，1表示丰水年，2表示平水年，3表示枯水年，4表示特枯年；pnt表示某水库时段t出现来水频率n的概率，1表示丰水年，2表示平水年，3表示枯水年，4表示特枯年；表示t时段向i区域j用水户配水时的单位水量系统收益模糊区间系数，元/m3；oijk表示用于表征分质供水，根据不同区域不同用水户对水源的需求，取值为0或1；表示t时段k水源向i区域j用水户的预先配水目标值，m3；α表示风险系数，取值越大表示能够承担的风险越小α∈[0,1)，用于权衡预期损失和收益；v2mnt表示在t时段mn来水水平下的辅助变量；t2t为t时段的松弛变量；zijkt,opt为决策变量zijkt的最优值。

40、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种模糊边界区间两阶段随机水资源管理方法，以地区用水综合效益最大为目标函数为目标，以可利用水量约束、收益风险约束、最小需水量约束、均衡约束和非负约束为约束条件，建立优化模型；根据区间交互式算法将所述优化模型拆解为确定性的上界子模型和下界子模型，通过引入决策变量将所述上界子模型和下界子模型转化为所对应的线性规划模型，并进行求解所述线性规划模型，得到求解结果；根据求解结果，确定水资源优化配置方案。本发明能够反映不同来水水平下的水资源优化配置情况，当来水情况确定后，能够对预先制定的供水目标进行实时修正，平衡预期用水效益与缺水损失之间的关系，实现区域用水综合效益最大化，从而有效地解决区域水资源配置中来水情况不确定的问题。