一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，包括：构建两阶段的水期权交易决策模型；确定受水区来水预报绝对误差分布；根据受水区来水预报绝对误差分布确定合约购水量及缺水量分布；利用现货市场水价历史资料，确定现货市场水价分布；通过比较受水区的用水户采用期权交易方式的期望成本与不购买期权，缺水量完全从现货市场购买时的期望成本，构建以用水户期望收益最大为目标的水资源风险对冲模型；求解水资源风险对冲模型。本发明专利技术不仅能够帮助受水区的用水户抵御受水区来水不确定性带来的缺水风险，还能有效降低现货市场水价波动带来的高水价风险。

A Water Resources Risk Hedging Method Based on Water Option Trading

The invention discloses a water resources risk hedging method based on water option trading, which includes: constructing a two-stage water option trading decision-making model; determining the absolute error distribution of water inflow forecast in the receiving area; determining the contract water purchasing volume and water shortage distribution according to the absolute error distribution of water inflow forecast in the receiving area; and determining the water price distribution in the spot market by using the historical data of water price in the spot market; By comparing the expected cost of water users using option trading and the expected cost of water shortage purchasing from the spot market, a water resources risk hedging model aiming at maximizing the expected return of water users is constructed, and the water resources risk hedging model is solved. The invention can not only help the water users in the water receiving area to resist the water shortage risk caused by the uncertainty of the water coming from the water receiving area, but also effectively reduce the high water price risk caused by the fluctuation of the water price in the spot market.

【技术实现步骤摘要】
一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法
本专利技术涉及水资源管理领域，具体地说是涉及一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法。
技术介绍
水是生命之源、生产之要、生态之基，是维系社会经济发展和社会进步不可替代的基础自然资源和战略资源。但是水资源在世界范围内、各国之间及各国国内的不同地域之间，都存在着分布不均匀的现象。为了缓解水资源时空分布不均，以及经济发展、人民生产、生活对水资源需求日益增长的问题，很多国家、地区不得不兴建跨流域或跨地区的远距离调水工程，来有效地缓解地区的缺水压力，提高当地经济的发展。远距离调水是在丰水区和缺水区之间调配水量，重新分配水资源，是缓解缺水地区对水资源迫切需要的一种有效途径。在远距离调水工程的受水区，用水户的供水水源包括受水区的本地水与外调水，考虑远距离调水水价高的问题，最优的用水策略是优先取用本地水，缺水量由合约外调水补足。但是由于受水区本地产水量的不确定性以及外调水水价的波动性，使得这种简单的决策变得复杂，用水户将面临巨大的缺水风险和高水价风险，如何确定合约外调水量就是一个对冲策略问题，现有的水资源管理方法缺乏对来水预测不确定性与水价不确定性的综合考虑。因此，建立一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，对于解决来水和水价的随机波动性对给用水户带来的风险问题意义重大。
技术实现思路
专利技术目的：为解决上述现有技术的不足，提供一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，包括以下步骤：(1)构建两阶段的水期权交易决策模型；(2)确定受水区来水预报绝对误差分布；(3)根据受水区来水预报绝对误差分布确定合约购水量及缺水量分布；(4)确定现货市场水价分布；(5)通过比较用水户采用期权交易方式的期望成本与不购买期权，缺水量完全从现货市场购买时的期望成本，构建以用水户期望收益最大为目标的水资源风险对冲模型；(6)求解水资源风险对冲模型。进一步的，所述步骤(1)中的两阶段的水期权交易决策模型包括两个阶段：第一阶段，受水区的用水户根据受水区来水预报绝对误差分布和自身需水的关系，判断自身是否存在缺水风险，若存在缺水，则选择从期权市场中购买一份期权合约(β1,β2)，其中β1表示期权执行价格，β2表示权利金；计算通过该期权合约预购的水量B，则用水户需支付总的权利金为β2B；第二阶段，为满足用水需求，在期权执行日用水户根据现货市场中的水价与受水区实际可供水量判断在此时是否执行该期权，以及执行的数量和从现货市场中购买的水资源量；具体地，设期权执行日的现货市场水价为θ，用水户的实际缺水量为x，当用水户发生缺水且期权执行价格低于现货市场水价，即x≥0且θ≥β1时执行该期权：若0≤x≤B，则以期权执行价格β1购水x，若x>B，则以期权执行价格β1购水B，从现货市场购水x-B；若θ<β1则缺水量完全从现货市场购买。进一步的，所述步骤(2)中确定受水区来水预报相对误差分布的方法为：收集受水区的长系列历史实测径流资料，选择一种中长期径流预报方法，模拟得到径流预报系列，计算出预报相对误差系列；采用最大熵模型拟合预报相对误差的概率密度函数；利用选择的中长期径流预报方法对未来某时期径流进行预报，则根据上述得到的预报相对误差分布得到该时期的来水预报绝对误差分布。更进一步的，所述确定受水区来水预报绝对误差分布的方法具体包括以下步骤：(21)收集受水区的长系列历史实测径流资料(y1,y2,...,yn)，选择一种中长期径流预报方法，模拟得到径流预报系列(y'1,y'2,...,y'n)，来水预报相对误差计算公式为：由上式计算出来水预报相对误差系列为：(δ1,δ2,...,δn)；(22)采用最大熵模型拟合来水预报相对误差的概率密度函数定义来水预报相对误差δ的熵为：S＝-∫Ωf(δ)ln[f(δ)]dδ；相应的最大熵原理表示为：maxS＝-max∫Ωf(δ)ln[f(δ)]dδ；s.t.∫Ωf(δ)dδ＝1；∫Ωδif(δ)dδ＝mi,(i＝1,2,...,m)；δ≥b或δ≤b；其中，δ＝(δ1,δ2,...,δn)，Ω为来水预报相对误差δ所在的集合；m为δ的原点矩的阶数；b是保证δ有意义的量；mi为δ的第i阶原点矩观测值，即来水预报相对误差系列样本的第i阶原点矩；f(δ)为δ的概率密度函数；将上述约束最优化问题转化为无约束最优化问题的对偶问题，利用非线性规划求解得到来水预报相对误差的概率密度函数f(δ)；(23)定义来水预报绝对误差为ε＝Af-A，A为未来某时期的预报产水量，Af为实际产水量，则由来水预报相对误差计算公式可得：则根据上述得到的来水预报相对误差的概率密度函数f(δ)，利用来水预报绝对误差公式计算得到来水预报绝对误差分布，设来水预报绝对误差的概率密度函数为g(ε)，则进一步的，所述步骤(3)中确定合约购水量及缺水量分布的方法如下：对于受水区的用水户，未来某时期的总需水量W一定，该用水户既可从受水区本地取水，或与外地供水公司签订合约供水，亦或从期权市场买水；由来水预报绝对误差的概率密度函数g(ε)计算得来水预报绝对误差的期望值为με，由Af＝A+ε得受水区的期望产水量为A+με；A为受水区未来某时期的预报产水量，ε为来水预报绝对误差，Af为受水区实际产水量；因此与外地供水公司签订购水合约，合约购水量为C＝W-(A+με)；由于受水区产水存在预报误差，即A是不确定的，也就是说用户在购买合约水量C后，未来仍有可能缺水；其缺水量为：x＝W-C-Af＝A-Af+με＝-ε+με；因此缺水量x的概率密度函数为g(x)＝g(-x+με)，则最大缺水量为A+με。进一步的，所述步骤(4)中采用神经网络分位数回归方法预测未来某时期现货市场水价分布：收集现货市场逐月历史水价资料作为数据样本，设样本系列为θi,j,(i＝1,2,..,n；j＝1,2,...,12)，其中，θi,j表示第i年第j月的现货市场水价，设当前年份为Tc，选择前k年的现货市场水价作为输入变量，当前年份的现货市场水价为输出变量，设计神经网络拓扑结构为输入层k个节点，隐含层1个节点，输出层1个节点，即k-1-1结构；将数据样本分为两部分，前80％的数据样本用于网络训练，后20％的数据样本用于网络检验；网络训练终止条件为网络全局误差小于设定值或训练次数大于10000次；分位数回归模型的惩罚参数λ1,λ2均设为1，利用训练好的神经网络分位数回归模型对未来一年某月的现货市场水价进行概率预测，设预测得到的现货市场水价概率密度函数为h(θ)。进一步的，所述步骤(5)中以期权合约预购的水量B为决策变量，以采用期权交易方式的期望收益最大为目标构建水资源风险对冲模型的目标函数；目标函数为：MaxN(B)＝N1-N2(B)；其中，其中，N(B)为用水户采用期权交易方式的期望收益，N1表示用水户不购买该期权，缺水量完全从现货市场购买时的期望成本，N2(B)表示用水户采用期权交易方式时的期望成本：表示现货市场水价低于期权执行价格，即0≤θ≤β1时的期望成本，此时不执行期权，需要支付权利金β2B和从现货市场购水的成本θx，θ表示现货市场水价，x表示缺水量；表示现货市场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建两阶段的水期权交易决策模型；(2)确定受水区来水预报绝对误差分布；(3)根据受水区来水预报绝对误差分布确定合约购水量及缺水量分布；(4)确定现货市场水价分布；(5)通过比较用水户采用期权交易方式的期望成本与不购买期权，缺水量完全从现货市场购买时的期望成本，构建以用水户期望收益最大为目标的水资源风险对冲模型；(6)求解水资源风险对冲模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建两阶段的水期权交易决策模型；(2)确定受水区来水预报绝对误差分布；(3)根据受水区来水预报绝对误差分布确定合约购水量及缺水量分布；(4)确定现货市场水价分布；(5)通过比较用水户采用期权交易方式的期望成本与不购买期权，缺水量完全从现货市场购买时的期望成本，构建以用水户期望收益最大为目标的水资源风险对冲模型；(6)求解水资源风险对冲模型。2.根据权利要求1所述的一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，其特征在于，所述步骤(1)中的两阶段的水期权交易决策模型包括两个阶段：第一阶段，受水区的用水户根据受水区来水预报绝对误差分布和自身需水的关系，判断自身是否存在缺水风险，若存在缺水，则选择从期权市场中购买一份期权合约(β1,β2)，其中β1表示期权执行价格，β2表示权利金；计算通过该期权合约预购的水量B，则用水户需支付总的权利金为β2B；第二阶段，为满足用水需求，在期权执行日用水户根据现货市场中的水价与受水区实际可供水量判断在此时是否执行该期权，以及执行的数量和从现货市场中购买的水资源量；具体地，设期权执行日的现货市场水价为θ，用水户的实际缺水量为x，当用水户发生缺水且期权执行价格低于现货市场水价，即x≥0且θ≥β1时执行该期权：若0≤x≤B，则以期权执行价格β1购水x，若x>B，则以期权执行价格β1购水B，从现货市场购水x-B；若θ<β1则缺水量完全从现货市场购买。3.根据权利要求1所述的一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定受水区来水预报相对误差分布的方法为：收集受水区的长系列历史实测径流资料，选择一种中长期径流预报方法，模拟得到径流预报系列，计算出预报相对误差系列；采用最大熵模型拟合预报相对误差的概率密度函数；利用选择的中长期径流预报方法对未来某时期径流进行预报，则根据上述得到的预报相对误差分布得到该时期的来水预报绝对误差分布。4.根据权利要求3所述的一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，其特征在于，所述确定受水区来水预报绝对误差分布的方法具体包括以下步骤：(21)收集受水区的长系列历史实测径流资料(y1,y2,...,yn)，选择一种中长期径流预报方法，模拟得到径流预报系列(y′1,y′2,...,y′n)，来水预报相对误差计算公式为：由上式计算出来水预报相对误差系列为：(δ1,δ2,...,δn)；(22)采用最大熵模型拟合来水预报相对误差的概率密度函数定义来水预报相对误差δ的熵为：S＝-∫Ωf(δ)ln[f(δ)]dδ；相应的最大熵原理表示为：maxS＝-max∫Ωf(δ)ln[f(δ)]dδ；s.t.∫Ωf(δ)dδ＝1；∫Ωδif(δ)dδ＝mi,(i＝1,2,...,m)；δ≥b或δ≤b；其中，δ＝(δ1,δ2,...,δn)，Ω为来水预报相对误差δ所在的集合；m为δ的原点矩的阶数；b是保证δ有意义的量；mi为δ的第i阶原点矩观测值，即来水预报相对误差系列样本的第i阶原点矩；f(δ)为δ的概率密度函数；将上述约束最优化问题转化为无约束最优化问题的对偶问题，利用非线性规划求解得到来水预报相对误差的概率密度函数f(δ)；(23)定义来水预报绝对误差为ε＝Af-A，A为未来某时期的预报产水量，Af为实际产水量，则由来水预报相对误差计算公式可得：则根据上述得到的来水预报相对误差的概率密度函数f(δ)，利用来水预报绝对误差公式计算得到来水预报绝对误差分布，设来水预报绝对误差的概率密度函数为g(ε)，则5.根据权利要求1所述的一种基于水期权交易的水资源风险对冲方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定合约购水量及缺水量分布的方法如下：对于受水区的用水户，未来某时期的总需水量W一定，该用水户既可从受水区本地取水，或与外地供水公司签订合约供水，亦或从期权市场买水；由来水预报绝对误差的概率密度函数g(ε)计算得来水预报绝对误...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟平安，闫海滨，陈娟，吴业楠，朱非林，李天成，高益辉，严梦佳，李映辉，李洁玉，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32