（水工结构工程专业论文）基于遗传算法的区域水资源优化配置研究.pdf

中英文摘要 摘要 ， 。i 水是生命之源，是人类生存和社会经济发展的物质基础，是可持续发展 的重要保障。水资源可持续利用关系到人口、资源、环境、社会的协调发 展。随着人口的增长、社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对水 资源数量和质量的需求越来越高，而可资利用的淡水资源是有限的。同时 因水资源浪费及水污染日益加重，水资源供给与需求之间形成了尖锐矛盾。 这一矛盾已成为人类社会发展的制约因素。水资源优化配置是解决这一矛 盾的有效途径，研究水资源优化配置，对促进区域社会、经济、环境的协 调持续发展具有重要意义。) 本文总结分析了目前水资源优化配置的研究现状，建立了面向可持续 发展的区域水资源优化配置模型。在遗传算法( g a ) 改进方法研究的基础 上，提出了基于g a 的水资源优化配置模型求解方法。同时，对神经网络预 测、灰色预测等方法在需水量预测中的应用进行了研究。并以济源市为研 究对象，对该市水资源优化配置进行实例研究。、惧体内容如下： ( 1 ) 系统研究了遗传算法的基本原理与实现技术，深入分析了遗传算 法的不足，并提出了一些改进方法。根据不同算子在种群进化过程中的作 用不同，以及种群中较优个体应具有较小的交叉和变异概率的思想，提出 了动态交叉率和变异率概念及其计算方法。将模拟退火算法作为遗传算法 的一个独立算子，引入遗传算法中，实现了模拟退火的良好局部搜索能力 与遗传算法的全局搜索能力的结合。设计了一种基于动态交叉率和变异率 的新的遗传模拟退火混合算法，以一非线性函数优化为例，验证了改进方 法的有效性，并探讨了排序选择法、算术交叉、均匀变异、非均匀变异、 自适应变异等遗传算子的不同组合方案与效果。算例表明，基于排序选择 法、算术交叉、均匀变异的遗传模拟退火混合算法较为有效。 ( 2 ) 系统论述了水资源优化配置的基本原理，探讨了优化配置方式、 形式、内容与原则。以可持续发展理论为基础，探讨了社会效益、经济效 益、环境效益的识别和度量方法，给出了三类目标的一种具体函数表达式。 根据用户特性和水源特性的不同，提出了用户公平系数、水源供给系数的 中英文摘要 i i 概念和度量方法。提出了区域水资源、经济、环境的协调发展系数的概念 和度量方法，并以约束条件形式予以考虑。以社会、经济、环境等综合效 益最大为目标，建立了区域水资源大系统多目标优化配置模型。分析了区 域水资源优化配置模型的大系统、多目标、非线性等特点及处理方法，将 。 新的智能优化方法遗传算法引入水资源优化配置，探讨了基于遗传算 法的水资源优化配置模型的两种求解技术和方法多目标分解协调遗传 算法和大系统总体优化遗传算法。促进了大系统多目标优化理论与方法研 究，扩大了遗传算法的研究领域和应用范围。 ( 3 ) 综述了预测方法原理及需水预测影响因素。探讨了神经网络、灰 色预测、指数平滑等预测模型与方法。着重研究了人工神经网络b p 模型， 针对其不足，采用了批处理学习模式，动态调整学习率和惯性冲量，参数 自动优选等改进方法；深入研究了b p 网络模型时间序列预测方法，分析了 神经网络b p 模型对时间增长序列预测效果不佳的原因，提出利用多项式曲 线拟合进行数据平稳化处理，用残差序列建模的预测方法，使b p 模型预测 效果明显提高。用人工神经网络、灰色预测、指数平滑等方法进行了济源 市社会经济指标对比预测研究。采用指标分析法进行济源市需水量预测， 为该市水资源供需平衡分析和水资源优化配置提供了必要的前提条件。 ( 4 ) 选取河南省济源市为研究对象，建立了该地区的水资源优化配置 模型，并以两个水平年( 2 0 0 5 年、2 0 1 0 年) 三个保证率( 5 0 、7 5 、9 5 ) 的水资源供需情况为依据，拟定模型参数( 系数) 。采用多目标总体优化遗 传模拟退火算法进行求解，并对g a 进行了具体算法设计，编制了计算机程 序，探讨了g a 在水资源优化配置中的实际应用效果。对济源市水资源优化 。 配置模型的求解结果进行了供需平衡分析、优化配置目标与效果分析、系 。 统协调发展分析，提出了解决该市缺水的措施与方法。经验证，模型合理， 算法有效。此优化配置模型及成果，体现了可持续发展思想，并为区域水 资源可持续利用规划提供了决策依据。 关键词：可持续发展水资源优化配置遗传算法模拟退火 参目标茨系统羚解协调神经网络灰色预测 需水量预测 中英文摘要 i i i a b s t r a c t w a t e ri st h es o u r c eo ft h el i v e s a n dt h em a t e r i a lb a s i so ft h eh u m a n b e i n g s s u r v i v a la n dt h es o c i a la n d e c o n o m i cd e v e l o p m e n t w a t e rr e s o u r c e sc a l l g u a r a n t e e t h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t t h e s u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c e s d e v e l o p m e n t i si n v o l v e di np o p u l a t i o nr e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n ta n d s o c i e t y w i t h t h er a p i dp o p u l a t i o ni n c r e a s e ，t h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，a n dt h e p e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d i m p r o v e m e n t ，t h eq u a n t i t y a n d q u a l i t y o fw a t e r r e q u i r e m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eh i g h e r , b u tt h ea v a i l a b l ef r e s h w a t e ri s l i m i t e d a d d i t i o n a l l yt h ep o l l u t i o na n dw a s t eo f w a t e rr e s o u r c e sh a ss h a r p e n e d c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nw a t e rs u p p l ya n dw a t e rr e q u i r e m e n t ，w h i c hb e c o m e so n e o ft h ek e yo b s t a c l e so fs o c i a l d e v e l o p m e n t t h eo p t i m a la l l o c a t i o no fw a t e r r e s o u r c e si sa ne f f e c t i v ew a yo fs o l v i n gt h ep r o b l e m s ot h es t u d yo no p t i m a l a l l o c a t i o no fr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e si s i m p o r t a n ta n dm e a n i n g f u l t ot h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f s o c i e t y , e c o n o m ya n de n v i r o n m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o na b o u tw a t e rr e s o u r c e s o p t i m i z a t i o ni sc o n c l u d e d a n dd i s c u s s e d t h eo p t i m a la l l o c a t i o nm o d e lo fw a t e r r e s o u r c e sf a c i n gs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti sb u i l tu p b a s e do nt h es t u d yo f m o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h m s ，t h es o i v i n gm e t h o da n di d e a so ft h ea l l o c a t i o n m o d e li s p u t f o r w a r d f u r t h e r m o r e ，t h ea p p l i c a t i o n o fa r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k sa n dg r e ys y s t e mi nt h ef o r e c a s to fw a t e r r e q u i r e m e n ti ss t u d i e d i nt h e e n d ，t h ew a t e rr e s o u r c e so p t i m i z a t i o nm o d e li sc e r t i f i e dt a k i n gj i y u a nc i t yf u ra n e x a m p l e t h ec o n c r e t ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( i ) t h e b a s i ct h e o r ya n dr e a l i z i n gt e c h n i q u e so fg e n e t i ca l g o r i t h m sa r e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d ，a n dt h es h o r t c o m i n g so fg a a r ed e e p l ya n a l y z e d ，t h e n s o m en e wm o d i f y i n gm e t h o d sa r e p r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o no f d i f f e r e n tg e n e t i co p e r a t o r sd u r i n gt h ee v o l u t i o np r o c e s s ，a n dt h ei d e a so fm o r e e x c e l l e n ti n d i v i d u a lw i t hl e s s p r o b a b i l i t y o fc r o s s o v e ra n d m u t a t i o n ，t h e d y n a m i cp r o b a b i l i t i e so fc r o s s o v e ra n dm u t a t i o na r eg i v e n t a k i n gs i m u l a t e d a n n e a l i n g a sa g e n e t i co p e r a t o rr e a l i z e dt h ec o m b i n a t i o no f t h el o c a ls e a r c h i n g a b i l i t y o fs aa n dg l o b a l s e a r c h i n ga b i l i t yo fg a an e wg e n e t i cs i m u l a t e d a n n e a l i n gh y b r i da l g o r i t h m sa r ed e s i g n e da n dt e s t e db yan o n l i n e a rf u n c t i o n 中英文摘要 o p t i m i z a t i o n t h ed i f f e r e n tc o m b i n a t i o n sa n d t h e i re f f e c to f g e n e t i co p e r a t o r so f r a n k b a s e ds e l e c t i o n ，a r i t h m e t i c c r o s s o v e r , u n i f 0 1 t nm u t a t i o n ，n o n u n i f o r m m u t a t i o n ，s e l f - a d a p t i n gm u t a t i o na n d e ta la r ed i s c u s s e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t t h eh y b r i da l g o r i t h m sb a s e do nr a n k b a s e ds e l e c t i o n ，a r i t h m e t i cc r o s s o v e ra n d u n i f o r r nm u t a t i o ni sm o r ee f f e c t i v e ( 2 ) t h eb a s i co p t i m i z a t i o nt h e o r yo fw a t e rr e s o u r c e si ss y s t e m a t i c a l l y d i s c u s s e d b a s e do ns u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n tt h e o r y , t h er e c o g n i t i o n a n d m e a s u r e m e n to f s o c i a l ，e c o n o m i c ，a n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i ta r es t u d i e d ，a n da c o n c r e t e e x p r e s s i o n o ft h et h r e eo b j e c t si s g i v e n c o n s i d e r e dt h e d i f f e r e n t f e a t u r e so fw a t e ru s e r sa n dw a t e rs o u r c e s ，t h ec o n c e p t sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s o fw a t e ru s e r su n i f o r mc o e f f i c i e n ta n dw a t e rs o u r c e ss u p p l y i n gc o e f f i c i e n ta r e p r e s e n t e d ，w h i c h i se m b o d i e da sar e s t r i c t i o nc o n d i t i o n t h e l a r g e s c a l e m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e si ss e tu p ，w i t ha m a x i m u m o b j e c t i v eo fi n t e g r a t e db e n e f i to fs o c i e t y , e c o n o m ya n de n v i r o n m e n t o nt h eb a s i so f a n a l y z i n g c h a r a c t e r i s t i c so f l a r g e - s c a l e ，m u l t i o b j e c t i v e ， n o n l i n e a ro ft h ea l l o c a t i o nm o d e la n dt h e i rc o n c e m i n gs o l u t i o n ，t w ok i n d so f m e t h o d sb a s e do ng at or e s o l v et h em o d e la r ed i s c u s s e d ，w h i c hc a ne n h a n c e t h et h e o r yr e s e a r c ho fl a r g e - - s c a l em u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o na n de x p a n dt h e n e w a p p l i c a n tf i e l d so f g a ( 3 )f o r e c a s t i n gm e t h o d sa n di n f l u e n t i a lf a c t o r so fw a t e rr e q u i r e m e n t s a r e c o n c l u d e da n da n a l y z e d t h em o d e l so fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) ， g r e yf o r e c a s t i n g ( g f ) a n de x p o n e n ts m o o t h i n g ( e s ) a r ed e e p l yd i s c u s s e d w i t hm o r ea t t e n t i o np a i do na n n b pm o d e l ，s o m em o d i f y i n gm e t h o d sa r e p r e s e n t e da n du s e d ，s u c ha sl e a r n i n gp a t t e mo fb a t c h i n g ，d y n a m i ca d j u s t m e n t o f s t u d y i n gr a t ea n di n e r t i a lm o m e n t u m ，a n da u t o s e l e c t i o no fp a r a m e t e r s t h e t i m es e r i e sp r e d i c t i o no fa n nb pm o d e li s d e e p l ys t u d i e d ，a n dt h er e a s o n so f n o tw e l le f f e c tt oi n c r e s c e n ts e r i e sa r e a n a l y z e d s o i tw a sp r e s e n t e du s i n g p o l y n o m i a lf i t t i n gt os m o o t ht h eo r i g i n a ld a t a ，a n db u i l d i n gu pt h eb pm o d e l w i t hr e s i d u a le r r o rs e r i e s ，w h i c hc a n g e tb e t t e rf o r e c a s t i n gr e s u l t s 。a i m i n ga tt h e f e a t u r e so fs o c i a la n de c o n o m i ci n d e xs e r i e so fj i y u a n c i t y , c o m p a r i s o n p r e d i c t i o ns t u d yo fa n n ，g l a n de sw a sc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ， i n d e xa n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt op r e d i c t i o no fw a t e rr e q u i r e m e n to fj i y u a n 中英文摘要 v c i t y , w h i c h i st h ep r e c o n d i t i o no f t h eb a l a n c ea n a l y s i sb e t w e e nw a t e rs u p p l ya n d r e q u i r e m e n t a n do p t i m a la l l o c a t i o no f w a t e rr e s o u r c e sf o rt h ec i t y ( 4 ) t h eo p t i m a la l l o c a t i o nm o d e lo fw a t e rr e s o u r c e so fj i y u a nc i t yi s e s t a b l i s h e d a n dt h ep a r a m e t e r sa n dc o e f f i c i e n t sa r ed e c i d e do nt h eb a s i so f w a t e rs i t u a t i o n so ft w o p l a n n i n g s t a n d a r d y e a r s a n dt h r e e p r o b a b i l i t i e so f a s s u r a n c e t h e m u l t i - o b j e c t i v ec o l l e c t i v i t yo p t i m i z a t i o n o fs a - g ah y b r i d a l g o r i t h m si sc o n c r e t e l yc o n s t r u c t e da n du s e dt os o l v et h eo p t i m i z a t i o nm o d e l a c o m p u t e rp r o g r a mi sm a d ea n dd e b u g g e dt ov a l i d a t et h er e a la p p l i c a b i l i t yo f g at ot h ew a t e rr e s o u r c e so p t i m i z a t i o n t h eo u t p u tr e s u l t so ft h eo p t i m i z a t i o n m o d e la r ea n a l y z e da n dt h er e a s o n so fw a t e rs h o r t a g eo fj i y u a nc i t ya r ep o i n t e d o u t ，a n ds o m em e a s u r e st ow a t e rs h o r t a g ea r ea l s og i v e n i tp r o v e dt h a tt h e m o d e li sr e l a t i v e l yr e a s o n a b l e ，a n ds o l u t i o ni sr e l a t i v e l ye f f e c t i v e k e y w o r d s ：s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ； w a t e r r e s o u r c e s ； o p t i m a l a l l o c a t i o n o p t i m i z a t i o n ； g e n e t i c a l g o r i t h m s ； s i m u l a t e d a n n e a l i n g ：m u l t i - o b j e c t i v e；l a r g e - s c a l es y s t e m ： d e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ；g r e y f o r e c a s t i n g ；w a t e rr e q u i r e m e n tp r e d i c t i o n f o r e c a s t i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水资源优化配置的提出背景和研究意义 1 1 1 水资源与可持续发展 1 9 8 7 年，挪威前首相b r u n d t l a n d 夫人在世界环境与发展委员会上作了 著名的报告我们共同的未来后，世界各国掀起了研究可持续发展的浪潮。 b r u n d t l a n d 提出的可持续发展的定义是：满足当代人的需求，又不损害子孙 后代满足其需求能力的发展。1 9 9 2 年联合国环境与发展大会通过的2 1 世 纪议程，标志着可持续发展从理论探讨推向了行动，成为全人类共同追求 的目标。1 9 9 4 年我国政府发表了中国2 1 世纪议程中国2 1 世纪人口、 环境、演化与发展白皮书，成为制定国民经济与社会发展的重要指导文件。 当前，可持续发展已成为各国制定国民发展战略的中心议题和理论基点”1 。 可持续发展是以人为中心，以资源环境保护为条件，以社会经济发展为 手段，谋求当代人与后代人共同繁荣与持续发展为目的。人类社会的可持续 性包括三个相互联系的部分：生态可持续性、经济可持续性、社会可持续性。 水资源是生态经济系统的组成部分，服从生态和经济规律的支配，并为生态 环境和社会经济服务。水资源可持续性的存在，主要是由生态可持续性法则 和水循环过程决定的。 目前，环境问题、人口问题、资源问题是全球最为关注的三大问题。水 作为自然资源之一，与环境问题、人口问题、社会发展问题密切相关。水是 环境的基本要素，水资源的丰枯及开发利用情况在很大程度上决定着一个地 区的生态平衡甚至一个国家的兴衰。 1 1 2 水资源优化配置问题的提出 水是生命之源，是人类生存和社会发展的物质基础，是不可替代的重要 自然资源。随着人口的增长、社会经济的发展和人民生活水平的提高，有限 的水资源供给量和不断增长的需求量之间已形成尖锐矛盾，这一矛盾在城市 发展显得尤为突出。水资源短缺、水污染和水资源浪费并存，是水资源供需 第一章绪论 2 矛盾形成的重要原因。 ( 1 ) 水资源紧缺，供需矛盾突出 水资源是指一定的经济技术条件下，人类能够直接使用的淡水资源。水 资源是再生性资源，“取之不尽用之不竭”，但全球淡水资源的储量是十分有 限的。由于水资源时空分布不均匀性，以及一定的经济技术条件的限制，一 定时期内人们可以利用的水资源量有限。随着人口增长，城市化进程的加快， 经济发展和人民生活水平的提高，人类对水资源的需求大大增长。据统计”1 ， 1 9 4 0 年全世界总用水量为8 2 0 0 亿m 3 ，1 9 7 0 年增加到2 6 0 0 0 亿m 3 ，进入8 0 年代后，世界上有4 3 个国家用水告急，至9 0 年代末，发展中国家还有2 0 亿人得不到廉价的符合卫生标准的水。我国水资源总量2 8 1 2 4 亿m 3 ，居世界 第5 位，人均水资源量2 1 6 3 m 3 ，相当于世界人均水资源量的1 4 ，排名在1 0 0 位以后，被列为世界上1 2 个贫水国之一。同时，由于我国水资源时间分配 不均，年际、年内变幅大，地区间差异很大，水土资源分布不协调，造成我 国水资源供需矛盾的突出，水资源配置难度增加。尤其在干旱的北方地区， 水资源供需矛盾已成为国民经济和社会发展的制约因素。 ( 2 ) 水环境污染严重，水资源有效利用量减少 随着工农业发展和人们生活用水量的增加，工业废水和生活污水排放量 的急剧增加，未经处理的污水任意排放，污染了水环境，进一步加剧了水资 源的短缺。据有关资料”3 ，全世界每年排放的污水约4 6 0 0 亿i n 3 ，使5 5 0 0 0 亿m 3 的水体受到污染。我国水污染问题极其严重”1 ，1 9 9 1 年全国污水排放总 量3 3 6 亿吨，其中工业废水占7 0 ，约有一半的工业废水达不到排放标准， 生活污水占3 0 ，污水处理率不到1 0 。对5 3 2 条河流监测，其中有4 2 6 条 受到污染。每年水污染造成的经济损失超过4 3 4 亿元。水资源短缺和水污染 严重已成为我国不少地区和城市生存与发展的巨大障碍。 ( 3 ) 水资源浪费巨大，加重了供水紧张 水资源短缺，除与水资源本身特性、水污染严重有关外，还与水资源浪 费有关。农业是用水大户，用水浪费最为严重，主要表现为大水漫灌，实际 灌溉用水量超过作物需水量，渠系水的利用系数不到5 0 ，灌溉水的利用率 低；工程老化，不少灌区达不到设计灌溉面积。工业工艺水平低，水的重复 利用率低，单位产品的耗水量高，这是工业用水浪费的主要原因。例如，我 第一章绪论 国平均吨钢耗水量为7 0 一i 0 0m 3 ，而法、美、日吨钢的耗水量分别为3 7 5 莳、 4 0m 3 和2 1m 3 ，仅为我国的l 8 1 5 0 。城市供水管道、排水管道的漏失 也不可忽视。据有关资料分析”1 ，供水管道损失率一般在5 1 0 ，有的城市 高达1 5 以上。全国面言，这项损失和浪费就不小。 解决水资源供需矛盾的基本途径：一是开源。对于水资源量丰富且水资 源开发利用率低的地区，可以通过加大投资，兴修水利工程和设施，开发新 的水源，提高水资源利用效率，增加该地区的水资源供应能力。二是节流。 在水资源相对贫乏、水资源利用率已很高的地区，增大水源供水能力已没有 多大潜力，主要依靠研究节水技术和方法，实施节水措施，提高人们的节水 意识，从而提高全社会的节水水平，减少水资源的浪费，建立节水型社会。 节水是缓解供需水矛盾、实现水资源可持续利用的长久之策。三是治污。加 大水污染治理力度，加强环保意识，兴建污水处理厂和中水利用系统，变废 水、污水为再生之水，有用之水。四是水资源优化配置。前面三类方法有一 定条件限制，需要大量资金投入，且效果的发挥还需一定时间。如果运用科 学技术和方法，改变传统的管理模式和方法，对有限水资源进行优化配置， 可使水资源得到充分高效利用，使社会经济协调发展。 1 1 3 水资源优化配置研究的意义 基于可持续发展的水资源优化配置，是以可持续发展战略为指导思想， 运用系统分析理论与优化技术，将区域有限水资源在各子区、各用水部门问 进行最优化分配，从而获得社会、经济、环境协调发展的最佳综合效益。其 研究意义是 ( 1 ) 促进水资源的合理有效利用 水资源优化配置没有增加供水量，也没有减少需水量，但它却使总体效 益最大化。这是因为水资源配置是以综合效益最大为目标，利用优化方法和 技术，通过产业结构调整，减少水资源单耗量大的用水部门的占有量，将节 省下来的水资源用于水资源利用率高、单耗小、综合效益高的用水部门，从 而使水资源得到合理有效利用。汪恕诚部长在“水权和水市场”的讲话中指 出，通过水资源优化配置提高水资源利用效率，实现水资源可持续利用，这 是2 l 世纪我国水利工作的首要任务“1 。 一 第一章绪论 ( 2 ) 促进人口、资源、环境、经济协调发展 发展是永恒的主题，片面的经济增长并不一定意味着发展。经济增长型 的水资源配置方式，虽取得了经济的迅速增长却带来了环境污染和生态破 坏、对人类的生存和发展构成了威胁。只有人口、资源、环境、经济相互协 调的发展才是最佳的发展模式，这种持续发展的协调型水资源配置方式，是 在保护生态环境的同时，促进经济增长和社会繁荣，保证可持续发展j l t 孵l j 进 行。 ( 3 ) 促进工程水利向资源水利的转变 水资源优化配置虽然无法从数量上减少缺水量，但它是减缓水资源供需 矛盾的最经济最快速的方法，同时它还使科学技术渗透到水资源管理工作 中，提高管理者的科学意识和管理水平，促进工程水利向资源水利的转变“1 。 ( 4 ) 促进大系统多目标优化理论与方法的探讨 区域水资源系统是一个复杂的大系统，优化配置模型是一个多目标非线 性的优化模型。线性规划、动态规划等传统方法受到了问题复杂程度的限制。 新近发展起来的智能优化算法，遗传算法、模拟退火、神经网络、禁忌搜索 等，为解决复杂优化问题提供了新的思路和手段。探讨智能优化算法在水资 源系统中的应用，对于促进这些算法的实际应用以及为解决复杂大系统问题 积累经验，具有重要意义。 ( 5 ) 对其它资源分配问题具有一定的参考价值 水资源是自然资源之一，任何自然资源都与水资源一样，具有一定使用 价值和价值，却又受到一定量的限制，同样存在着合理有效分配的问题。资 源优化配置问题有一定的相似性和差异性，水资源优化配置模型及其算法， 对解决其它资源配置问题具有一定的参考价值。 1 2 国内外研究现状 水资源可持续利用是一个崭新的概念，它是可持续发展对再生资源使用 的专门术语。目前可持续利用的概念已被广泛接受，但理论研究还处于n r j e 0 起步阶段，许多内容还停留于定性的分析。 当前该领域的主要研究热点为是：可持续发展理论“3 、水资源生态经 济复合系统理论。1 “、水资源可持续利用原理“2 。“、水资源持续利用规划与管 第一章绪论 理“”3 、水资源价值“8 2 、水资源合理配置。2 、水资源与水环境承载能力分 析”州等。水资源优化配置是实施水资源充分合理利用和可持续发展的有效 手段。本文选择水资源优化配置为主要研究内容，现根据所掌握的文献资料， 对其国内外研究现状概况归纳分析如下。 1 2 1 国外水资源优化配置研究现状 国外对水资源优化配置的研究始于6 0 年代初期，1 9 6 0 科罗拉多”的几 所大学对计划需水量的估算及满足未来需水量的途径进行过研讨。7 0 年代以 来，研究成果不断增多。1 9 7 1 年美国学者n o r m a n j d u d l e y ”将作物生成模 型和具有二维状态变量的随机动态规划相结合，对季节性灌溉用水分配进行 了研究。8 0 年代，水资源分配的研究范围不断扩大，深度不断加深。如1 9 8 2 年p e a r s o n ”0 1 等利用多个水库的控制曲线，以最大产值、输送能力和预测的 需求值作为约束条件，用二次规划方法对英国的n a w w a 区域的用水分配问题 进行了研究。英国学者p w h e r b e r t s o n 。等，针对潮汐电站的特点，考虑利 益的相互矛盾，利用模拟模型对潮汐海湾的新鲜水分配进行了模拟计算。荷 兰学者e r o m i j n m t a m i n g a 。”考虑了水的多功能性和多种利益的关系，强调 决策者和科技人员间的合作，建立了g e l d e r l a n d td o e n t h e 的水资源分配问 题的多层次模型。 9 0 年代以来，由于水污染和水危机的加剧，传统的以水量和经济效益最 大为目标的水资源优化模式已不能满足需要，国外开始在水资源优化配置中 注重水质约束、环境效益以及水资源可持续利用研究。1 9 9 2 年 a f z a l ，j a v a i d a a j 等针对p a k is t a n 的某个地区的灌溉系统建立线性规划模 型，对不同水质的水的使用问题进行优化。在劣质地下水和有限运河水可以 使用的情况下，模型能得到一定时期内作物耕种面积、地下水开采量等。1 9 9 7 年w o n g ，h u g hs 。4 1 等提出支持地表水、地下水联合运用的多目标多阶段优 化管理的原理方法，在需水预测中要求地下水、当地地表水、外调水等多种 水源的联合运用，并考虑了地下水恶化的防治措施。1 9 9 9 年k u m a r ，a r u n ”“ 等建立了污水排放模糊优化模型，提出了流域水质管理的经济和技术上可行 的方案。因该模型忽略了不同行业的排放量与污水处理水平不一致的问题， 于是又提出了一个所有污水排放非歧视性可替代方案，并可由污染控制部门 第一童绪论 6 来实旋。1 9 9 5 年，w a t k i n s ，d a v i dw j r 。”3 介绍了一种伴随风险和不确定性的 可持续水资源规划模型框架，建立了有代表性的联合调度模型。此模型是一 个两阶段扩展模型，第一阶段可得到投资决策变量，第二阶段可得到运行决 策变量，运用分解聚合法求解最终的非线性混合整数规划模型。1 9 9 7 年 s h u v a l ，h i l l e ls 。”指出，污水回用依赖于污水处理中心系统所服务的人口 数，同时也依赖于涉及鼓励污水循环和重复利用的官方政策。同时指出污水 回用对以保持干旱国家和地区的水资源可持续利用的意义。 9 0 年代以来新的优化算法，如遗传算法( g a ) 、模拟退火( s a ) 等。开 始在水资源优化中应用“”“。1 9 9 5 年，r a ov e n m u r i ，v ”对适于多峰搜索的 基于排挤的小生境遗传算法( m n cg a ) 进行了研究。利用峰值与决策变量不 同集合之间的效用关系，扩展g a 在多目标决策中的应用，并将其用于含水 层污染的治理。m n cg a 主要用于优化地下水的最佳开采量，通过偏微分方程 所描述的水流来模拟地下水的动态变化，模拟的结果构成g a 的输入。1 9 9 8 年，w a n g ，m a 9j 研究遗传算法( g a ) 和模拟退火( s a ) 在地下水资源优化管理 中的应用，考虑地下水最优开采率随水流状态而变化的特性，建立了地下水 多阶段模拟优化混合模型。通过g a 和s a 的求解结果与线性规划、非线性规 划、动态规划结果的比较，来评价g a 和s a 的优点和缺陷。三个实例研究中， g a 和s a 的优化结果优于或接近于各种规划方法的优化结果。2 0 0 0 年， m o r s h e d ，j a h a n g i f f t o 等回顾了g a 在非线性、非凸、非连续问题中的应用， 对改进遗传算法的可能方面进行了研究与探索。以一个具有固定和变化费用 的非线性地下水优化问题为实例，将改进遗传算法得到的最优解与非线性规 划得到的解进行比较，并研究这些改进方法对g a 各种参数的敏感性。 1 2 2 国内水资源优化配置研究现状 早在8 0 年代初，区域水资源优化配置问题在我国已引起足够重视，经 过2 0 多年的研究已取得了不少成果。根据问题的特点，区域水资源优化配 置范围、对象和规模的不同，可分以下几个类型。 ( 1 ) 灌区水资源优化配置。利用系统理论与方法，以灌区经济效益最 大或供水量之和最大为目标函数，以作物种植面积或各用水量为决策变量， 建立多水源联合优化调配模型。贺北方”等的多库多目标最优控制运用的 第一章绪论 模型与方法、黄振平”“等的陈垓引黄灌区渠系优化配水的初步研究、向 丽“”等的大型灌区水资源优化分配模型研究、马斌“7 1 等的多水源引水 灌区水资源调配模型及应用。 ( 2 ) 城市水资源优化配置。针对某一个具体城市，建立多水源多目标 优化模型。1 9 9 7 年卢华友“8 1 等以义乌市水资源系统为对象，建立大系统分解 协调模型，提出了递阶模拟择优的方法。1 9 9 9 年黄强“”等以西安市市区供 水水源优化调度为实例，建立了多水源联合调度的多目标优化模型，提出了 多目标模型求解思路和方法。2 0 0 0 年辛玉琛6 0 3 等应用现代的系统分析理论， 建立长春市多水源联合供水的优化管理模型。吴险峰5 ”等探讨了北方缺水城 市枣庄，在水库、地下水、回用水、外调水等复杂水源下的优化供水模 型，从社会、经济、生态综合效益考虑，建立了水资源优化配置模型。 ( 3 ) 流域水资源优化配置。这是针对某一特定流域范围内的多种水源 优化分配问题1 。1 9 9 4 年唐德善“”应用多目标规划的思想，建立了黄河流域 水资源多目标分析模型，提出了大系统递阶动态规划的求解方法。1 9 9 6 年由 黄委员会勘测设计研究院主持的“黄河流域水资源合理分配和优化调度研 究”中，开发建立了包括数据库、模拟模型、优化模型等决策支持系统，并 初步研究了黄河干流水库联合调度模型“。2 0 0 0 年徐慧”等为使大型水库群 在大范围暴雨洪水期间综合效益达到最优，采用动态规划模型求解淮河流域 大型水库群的联合优化调度问题。 ( 4 ) 区域( 经济区) 水资源优化配置。区域是社会经济活动中相对独 立的基本管理单位，其社会经济具有明显的区域特色。1 9 8 8 年贺北方“”提出 区域水资源优化分配问题，建立了大系统序列优化模型，采用大系统分解协 调技术求解。1 9 8 9 年贺北方“建立了二级递阶分解协调模型，