基于水权交易的水资源分配方法组成比例

本发明专利技术提出一种基于基于水权交易的水资源分配方法，属于水资源分配领域。本发明专利技术技术方案要点为：首先，判断可用水量是否大于等于需求用水量，若是则将需求用水量作为分配水量进行分配，否则设定假设条件、辅助变量、上层决策变量及下层决策变量，并建立双层多目标分配模型，所述双层多目标模型包括上层目标函数及下层目标函数；然后，基于破产理论和遗传算法分别对上层目标函数及下层目标函数进行求解。本发明专利技术考虑了蓝水虚拟水交易对水资源管理系统的促进作用，目的是明确水资源管理系统的内部结构，分析水务局和各用水部门的博弈关系，构建斯坦伯格‑纳什‑海萨尼均衡模型，设计智能求解算法，从而获取满意的水资源分配方案。

【技术实现步骤摘要】
基于水权交易的水资源分配方法
本专利技术涉及水安全
，特别涉及基于水权交易的水资源分配的领域。
技术介绍
水资源与人类活动的开展密不可分，对于水需求主要来自四个部门：城镇居民、农业、工业和生态用水。随着社会经济的快速发展，人们日益增长的对水资源的需求，与气候变化导致的水资源量逐渐减少之间的矛盾日益显著。面对水资源需求的不断增加，以及各部门之间水资源使用的竞争关系，水资源合理分配显得尤为重要。数据显示，发展农业灌溉技术降低了农业对水资源的需求，但一些省份，主要位于中国北方，在一年的7个月里，仍然严重的缺水。即便如此，中国北方的净虚拟水出口水平相对较高，新疆、黑龙江、广西、湖南、河北和内蒙古出口了大量的农作物。面对中国北方严重缺水这一问题，南水北调工程是缓解许多地区缺水的一种短期方法，然而，它的代价是巨大的，可能导致生态环境被破坏。因此，在不断变化的环境下，迫切需要一种水资源分配优化管理的软路径帮助解决这一问题。近年来，各种数学规划方法成功应用于水资源规划与管理活动中，如随机动态规划模型，多目标规划模型等；然而，已有的研究没有完整地描述水资源管理系统的内部决策结构，忽略了多个追随者的竞争博弈关系，事实上，由于决策主体不同，多目标规划理论不适用多个决策者的情况，而是要充分考虑博弈结构，来搭建数学模型。其次，学者们也提出过虚拟水交易、水权交易理论。但是，大多没有将其运用于解决未来某一规划年的实际水分配问题方面，多数是对过去一个时间段发生的行为进行定性分析。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于水权交易的水资源分配方法，明确水资源管理系统的内部结构，分析水务局和各用水部门的博弈关系，构建斯坦伯格-纳什-海萨尼均衡模型，设计智能求解算法，从而获取满意的水资源分配方案。本专利技术解决其技术问题，采用的技术方案是：基于水权交易的水资源分配方法，包括如下步骤：步骤1、判断可用水量是否大于等于需求用水量，若是则将需求用水量作为分配水量进行分配，否则进入步骤2；步骤2、设定假设条件、辅助变量、上层决策变量及下层决策变量，并建立双层多目标分配模型，所述双层多目标模型包括上层目标函数及下层目标函数；步骤3、基于破产理论和遗传算法分别对上层目标函数及下层目标函数进行求解。具体地，步骤2中，上层目标函数的主体为水资源管理部分，下层目标函数的主体为各区用水部门，所述用水部门包括农业用水部门、工业用水部分、生活用水部分及生态用水部门。进一步地，步骤2中，所述假设条件包括：各地区获得的初始水权用于当前地区的使用，或在水市场进行交易，价格不得低于用水部门获取初始水权的最低价格，也不能高于用水部门获取初始水权的最高价格；农作物用于跨区域交易，或跨国家交易。具体地，步骤2中，所述辅助变量包括：AW：该地区当前年份引黄河水最大量，pi：水务局对各个用水部门制定的水价，ERWi：单位水收益，ERWk：单位农产品收益，ck:单位农产品的进口单价，PTI：将农业用水卖给工业用水部门的价格，PTD：将农业用水卖给生活用水部门的价格，TC：水市场中水交易的运输成本，μ：灌溉系数，反映灌溉水的利用系数，wk：对农作物k灌溉的水量，Wk：农作物k所含的水量，yk：单位面积农作物k的产量，lk：农作物k的总产量，di：用水部门的需水量，d1k：用水部门的需水量，VWk：农作物k的虚拟水含量，Ak：农作物k的种植面积，φpop：人均可支配收入，φind：工业生产总值，Rk：有效降雨量，POP：研究区域总人口，研究区域单位人口消耗农作物k的量；其中，i:用水部门，i＝1,农业用水部门，i＝2,工业用水部门，i＝3,生活用水部门，i＝4,生态用水部门，k:农作物的种类，k＝1,代表小麦，k＝2,代表玉米，k＝3,代表向日葵籽。再进一步地，步骤2中，所述上层决策变量包括：Xi：初始水权分配量，EMk：农作物k的出口量，IMk：农作物k的进口量。具体地，步骤2中，所述下层决策变量包括：WTI：从农业用水部门到工业用水部门的蓝水交易量，WTD：从农业用水部门到生活用水部门的蓝水交易量，x1k：灌溉农作物k的水量，其中，再进一步地，步骤2中，上层目标函数为最大化用水效率，其公式为：其中，Eff为用水效率，Re为经济收益，经济效益既包括了农业用水部门、工业用水部门和生活用水部门的用水净收益，又考虑了蓝水交易的运输成本，以及进口农产品的直接成本，Cons为水消耗量，水消耗量包括农作物灌溉用水，工业用水部门、生活用水部门实际用水量；其中，其中，上层目标函数的约束条件包括可分配水约束、价格约束、生态用水约束及进出口约束，具体为：可分配水约束：可以分配给每个地区的水量完全受限于这一时期水库中的可用水：价格约束：蓝水交易的价格不能超过当前部门获得初始水权的价格：p1<PTI<p2p1<PTD<p3生态用水约束：为了保障研究区域的可持续发展，生态用水部门的水需求首先被满足：X4≥e进出口约束：农作物k出口的量加上研究区域对于农作物k的消费量，要小于进口量和生产量：具体地，步骤2中，下层目标函数为最小化各个用水部门的脆弱性函数，脆弱性与该用水部门水需求的相关，包括两个部分：一个是分配量超过水需求的惩罚函数，另一个是不能满足水需求时的惩罚函数，利用加权求和的方式综合考虑这两个目标，其中ωDD,ωEL表示决策者赋予这两个惩罚函数的权重。再进一步地，步骤2中，脆弱性函数包括最小化农业用水部门的脆弱性函数、最小化工业用水部门的脆弱性函数及最小化生活用水部门的脆弱性，分别为：最小化农业用水部门的脆弱性函数：约束条件包括种植面积约束及决策变量约束，具体为：种植面积约束：所有农作物所占的种植面积要小于研究区域的农业可用面积：决策变量约束：x1k>0最小化工业用水部门的脆弱性函数：约束条件为决策变量约束：X2>0最小化生活用水部门的脆弱性：约束条件为决策变量约束：X3>0。具体地，步骤3中，所述求解的步骤具体为：步骤301、设置输入值：上下层目标函数的容忍值，终止进化的代数；步骤302、根据上层目标函数确定适应度函数，初始化可行解，交叉、变异和选择，迭代直到终止迭代次数，即输出上层决策变量的最优解，传递到下层，跳转到步骤303，否则继续进行交叉、变异和选择等迭代过程；步骤303、基于步骤302的最优解，求解下层目标函数最优解，然后建立辅助函数，确定下层决策的适应度函数，交叉、变异和选择，迭代直到终止迭代次数，即输出下层决策变量的最优解反馈到上层，检查是否依然满足条件：下层容忍值优于上层容忍值，是则结束算法，否则重复步骤302。本专利技术的有益效果是，通过上述基于水权交易的水资源分配方法，量化农产品进出口量、蓝水交易量，为决策者未来在水资源分配、使用和交易等方面做决策提供理论支持。附图说明图1为水资源管理系统的结构框图。图2为水资源管理系统的二层优化框架。具体实施方式下面结合实施例及附图，详细描述本专利技术的技术方案。本专利技术所述基于水权交易的水资源分配方法，包括如下步骤：步骤1、判断可用水量是否大于等于需求用水量，若是则将需求用水量作为分配水量进行分配，否则进入步骤2；步骤2、设定假设条件、辅助变量、上层决策变量及下层决策变量，并建立双层多目标分配模型，所述双层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于水权交易的水资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、判断可用水量是否大于等于需求用水量，若是则将需求用水量作为分配水量进行分配，否则进入步骤2；步骤2、设定假设条件、辅助变量、上层决策变量及下层决策变量，并建立双层多目标分配模型，所述双层多目标模型包括上层目标函数及下层目标函数；步骤3、基于破产理论和遗传算法分别对上层目标函数及下层目标函数进行求解。

【技术特征摘要】
1.基于水权交易的水资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、判断可用水量是否大于等于需求用水量，若是则将需求用水量作为分配水量进行分配，否则进入步骤2；步骤2、设定假设条件、辅助变量、上层决策变量及下层决策变量，并建立双层多目标分配模型，所述双层多目标模型包括上层目标函数及下层目标函数；步骤3、基于破产理论和遗传算法分别对上层目标函数及下层目标函数进行求解。2.根据权利要求1所述的基于水权交易的水资源分配方法，其特征在于，步骤2中，上层目标函数的主体为水资源管理部分，下层目标函数的主体为各区用水部门，所述用水部门包括农业用水部门、工业用水部分、生活用水部分及生态用水部门。3.根据权利要求1所述的基于水权交易的水资源分配方法，其特征在于，步骤2中，所述假设条件包括：各地区获得的初始水权用于当前地区的使用，或在水市场进行交易，价格不得低于用水部门获取初始水权的最低价格，也不能高于用水部门获取初始水权的最高价格；农作物用于跨区域交易，或跨国家交易。4.根据权利要求1所述的基于水权交易的水资源分配方法，其特征在于，步骤2中，所述辅助变量包括：AW：该地区当前年份引黄河水最大量，pi：水务局对各个用水部门制定的水价，ERWi：单位水收益，ERWk：单位农产品收益，ck:单位农产品的进口单价，PTI：将农业用水卖给工业用水部门的价格，PTD：将农业用水卖给生活用水部门的价格，TC：水市场中水交易的运输成本，μ：灌溉系数，反映灌溉水的利用系数，wk：对农作物k灌溉的水量，Wk：农作物k所含的水量，yk：单位面积农作物k的产量，lk：农作物k的总产量，di：用水部门的需水量，d1k：用水部门的需水量，VWk：农作物k的虚拟水含量，Ak：农作物k的种植面积，φpop：人均可支配收入，φind：工业生产总值，Rk：有效降雨量，POP：研究区域总人口，研究区域单位人口消耗农作物k的量；其中，i:用水部门，i＝1,农业用水部门，i＝2,工业用水部门，i＝3,生活用水部门，i＝4,生态用水部门，k:农作物的种类，k＝1,代表小麦，k＝2,代表玉米，k＝3,代表向日葵籽。5.根据权利要求1所述的基于水权交易的水资源分配方法，其特征在于，步骤2中，所述上层决策变量包括：Xi：初始水权分配量，EMk：农作物k的出口量，IMk：农作物k的进口量。6.根据权利要求1所述的基于水权交易的水资源分配方法，其特征在于，步骤2中，所述下层决策变量包括：WTI：从农业用水部门到工业用水部门的蓝水交易量，WTD：从农业用水部门到生活用水部门的蓝水交易量，x1k：灌溉农作物k的水量，其中，7.根据权利要求1所述的基于水权交易的水资源分配...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚黎明，徐忠雯，周晓阳，陈旭东，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51