大汶河流域水資源承載能力多目標(biāo)決策分析聊城沙場(chǎng)lclzsc

1、大汶河流域水資源承載能力多目標(biāo)決策分析聊城沙場(chǎng)lclzsc 第23卷第5期 Sep. 大汶河流域水資源承載能力多目標(biāo)決策分析 龐清江1,亓劍2,張鈺鐳1,楊元青1,紀(jì)玲3 (1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東泰安271018;2.萊蕪市水資源管理辦公室,山東萊蕪271100;3.泰安高級(jí)技工學(xué)校,山東泰安271000) 摘要:論述了水資源承載能力的內(nèi)涵、實(shí)質(zhì)和主要分析方法,構(gòu)建了大汶河流域水資源承載能力的研究框架, 建立了相應(yīng)的多目標(biāo)決策分析模型,并利用多年的實(shí)地調(diào)查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料,對(duì)大汶河流域水資源承載能力進(jìn)行了分析、預(yù)測(cè)和研究,其成果可為大汶河流域水資源的可持續(xù)利用和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)

2、展提供科學(xué)依據(jù)。 關(guān)鍵詞:大汶河流域;水資源承載能力;復(fù)合大系統(tǒng);循環(huán)故障;多目標(biāo)決策模型中圖分類號(hào):TV213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-6933(2007)05-0021-04 Multi-objectivedecision-makinganalysisofwaterresourcescarryingcapacityinDawenheRiverBasin PANGQing-jiang1,QIJian2,ZHANGYu-lei1,YANGYuan-qing1,JILing3(1.ShandongAgriculturalUniversity,Tai'an271018,

3、China;2.WaterResourcesManagementOfficeofLaiwuCity,Laiwu271100,China;3.Tai'anSeniorTechnicalSchool,Tai'an271100,China)Abstract:Theconnotation,essentialandanalysismethodsofwaterresourcescarryingcapacitywerepresented,andtheresearchframeworkforDawenheRiverBasinanditsmulti-objectivedecisi

4、on-makingmodelwereestablished.Thewater resourcescarryingcapacityofDawenheRiverBasinwasanalyzed,forecastedandstudiedbyusingthefieldinvestigationandsurveydataoveryears.Theachievementswouldprovidescientificbasisforsustainableutilizationofwaterresourcesandharmoniousdevelopmentofsociety,economy,resources

5、andecologicalenvironmentinDawenheRiverBasin.Keywords:DawenheRiverBasin;waterresourcescarryingcapacity;compositelarge-scalesystem;cyclemalfunction;multi-objectivedecision-makingmodel 展趨勢(shì),而忽略各承載因子之間的相互聯(lián)系,很難處理復(fù)雜巨系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系,但其對(duì)某些承載因子的潛力估算的研究方法對(duì)復(fù)雜巨系統(tǒng)的協(xié)調(diào)研究仍有借鑒意義。1.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法 該法是應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理采用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)反饋模擬評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)水資源承載

6、能力的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于,能定量分析各類復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的內(nèi)在關(guān)系,能定量分析系統(tǒng)的各種特性,擅長(zhǎng)處理高階、非線性問(wèn)題,比較適應(yīng)宏觀的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)趨勢(shì)研究。缺點(diǎn)是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立受建模者對(duì)系統(tǒng)行為動(dòng)態(tài)水平認(rèn)識(shí)的影響,由于參變量不好掌握,易導(dǎo)致不合理的結(jié)論。 1水資源承載能力的主要分析方法 國(guó)內(nèi)外對(duì)水資源承載能力的研究,目前還處于初始階段,還沒(méi)有統(tǒng)一和成熟的方法。已有的研究大多是根據(jù)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況,從水資源的自然和社會(huì)屬性角度入手,循著可持續(xù)發(fā)展的方向,借助各相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域的理論和知識(shí),參考決策者的需要,應(yīng)用已有的和創(chuàng)新的方法來(lái)解決水資源承載能力的問(wèn)題。當(dāng)前關(guān)于水資源承載能力的分

7、析方 3 法主要有以下幾種1-。 1.1常規(guī)趨勢(shì)法該法主要采用統(tǒng)計(jì)分析的方法,是選擇單項(xiàng)和多項(xiàng)指標(biāo)來(lái)反映地區(qū)水資源承載能力現(xiàn)狀和閾值的一種方法。該法由于較多考慮的是單承載因子的發(fā) 作者簡(jiǎn)介:龐清江(1957),男,山東鄆城人,教授,博士,主要從事水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究。E-mail:Pangqj 砂子沙子 樂(lè)忠沙場(chǎng)· 1.3多目標(biāo)模型分析法經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等的承載能力。影響各目標(biāo)的主要 的復(fù)合系統(tǒng)問(wèn)題,這就為采用多目標(biāo)模型進(jìn)行承載力分析提供了理論依據(jù)。由于多目標(biāo)模型綜合考慮了區(qū)域水、土、氣候等限制資源及資源相互之間作用的關(guān)系,而且決策分析中可考慮人類不同目標(biāo)和價(jià)值取向,融入決

8、策者思想,比較適合處理社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、水資源系統(tǒng)這類復(fù)雜多屬性多目標(biāo)群決策問(wèn)題。 互制約的關(guān)系,因此不可能追求單個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化,只能追求整體的最優(yōu)。需要說(shuō)明的是本模型不再將人 口作為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)去追求一個(gè)最大承載的數(shù)量,因?yàn)榭刂迫丝谠鲩L(zhǎng)是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策,必須按照政府規(guī)劃要求確保實(shí)現(xiàn),所以,本模型將其作為一個(gè)嚴(yán)格執(zhí)行的約束指標(biāo)。 模型目標(biāo)函數(shù)如下: F=maxf1,f2,-f3即: a.經(jīng)濟(jì)目標(biāo):水資源承載的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值 (GDP)最大 f1=XGDP (1) b.社會(huì)目標(biāo):水資源承載的糧食產(chǎn)量(FOOD)最大 f2=XFOOD (2) c.環(huán)境目標(biāo):污染物排放負(fù)荷量(COD)最小 f3=X

9、COD(3)3.2模型系統(tǒng)的主要約束關(guān)系3.2.1宏觀經(jīng)濟(jì)約束 a.國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP約束 XGDP= t,s)X(t,s)Bacr( s=14 2大汶河流域水資源承載能力的研究框架 大汶河流域水資源承載能力研究采用多目標(biāo)模型分析方法。本文將整個(gè)系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng),各子系統(tǒng)模塊既可單獨(dú)運(yùn)行,又可配合運(yùn)行,子系統(tǒng) 模塊之間通過(guò)多目標(biāo)分析模型的協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)變量相連接。在這些模塊之中,多目標(biāo)分析模型為總控模型,它將各子系統(tǒng)模塊中主要關(guān)系提煉出來(lái),根據(jù)變量之間的相互關(guān)系,對(duì)整個(gè)大系統(tǒng)內(nèi)的各種關(guān)系進(jìn)行分析和協(xié)調(diào)。而子系統(tǒng)模塊對(duì)系統(tǒng)局部狀態(tài)進(jìn)行較詳細(xì)的分析。整個(gè)系統(tǒng)模型包括宏觀經(jīng)濟(jì)、人口、資源、生態(tài)環(huán)境、水

10、資源模擬開(kāi)發(fā)利用、水利工程投資等子模塊。以上各子模塊負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)局部進(jìn)行較為詳細(xì)的模擬和優(yōu)化,多目標(biāo)分析模型則從整體角度協(xié)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境、水資源開(kāi)發(fā)利用之間的關(guān)系,并進(jìn)行流域的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào),從而選擇合適的發(fā)展策略,使社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、水資源、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。大汶河流域水資源承載能力多目標(biāo)分析模型邏輯關(guān)系見(jiàn)圖1 。 (4) XGDPAGDP 式中:XGDP為流域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值;Bacr(t,s)為s部門 t年的附加值率;X(t,s)為t年s部門的產(chǎn)值;AGDP為GDP計(jì)劃值;s為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部門,根據(jù)掌握的統(tǒng)計(jì)資料,確定為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)等。b.投入產(chǎn)出關(guān)系約束X(t

11、,s)=BAO(t,s)X(t,s)+BHO(t,s)XHO(t)+BSO(t,s)XSO(t)+BIN(t,s)XIN(t)+BSI(t,s)XSI(t)+XEP(t,s)-XIM(t,s) (5) 式中:BAO(t,s)為t年s部門的直接消耗系數(shù);XHO(t)、XSO(t)、XIN(t)、XSI(t)分別為t年居民消費(fèi)、社會(huì)消費(fèi)、固定資產(chǎn)形成、庫(kù)存增加;BHO(t,s)、BSO(t,s)、BIN(t,s)、BSI(t,s)分別為t年s部門相應(yīng)變 圖1大汶河流域水資源承載能力分析模型邏輯關(guān)系 量的分配系數(shù);XEP(t,s)、XIM(t,s)分別為t年s部門的進(jìn)、出口變量;其余符號(hào)同上。 c.

12、擴(kuò)大再生產(chǎn)約束 X(t,s)=BCA(t,s)XFV(t) s)為t年s部門的固定資產(chǎn)存量。 d.產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)約束 BIA(t,s)Bacr(t,s)X(t,s)=XGDP(t,s)(7) s=14 3構(gòu)建大汶河流域水資源承載力計(jì)算模型 3.1目標(biāo)選取 選取目標(biāo)時(shí),既要反映各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系和依賴關(guān)系,數(shù)量又要適宜,為此,模型選取以下目標(biāo):國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP);糧食產(chǎn)量(FOOD);污染物排放負(fù)荷量(COD)來(lái)反映水資源對(duì)社會(huì)、砂子 沙子 (6) 式中:BCA(t,s)為t年s部門的資本產(chǎn)出率;XFV(t, 樂(lè)忠沙場(chǎng) 式中:BIA(t,s)為t年s部門規(guī)劃的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)系數(shù);面積占種植面積的比例下

13、限。 3.2.2人口約束 總?cè)丝? XP(t)=XP(t-1)(1+BPA) 城市人口: XCP(t)=BCPAXP(t) (9) 式中:XP(t)為t年承載人口數(shù);XP(t-1)為(t-1)年人口數(shù);BPA為規(guī)劃的人口增長(zhǎng)率;XCP(t)為t年承載的城市人口數(shù);BCPA為城市化要求的城市人口比例。3.2.3農(nóng)業(yè)生產(chǎn)約束 a.糧食生產(chǎn)目標(biāo)約束 XFOOD(t)=KFO(t)XP(t) (10)(8) a.需水量約束 XWD(t)=XWND(t)+XWIND(t)+ XWSD(t)+XWQT(t) (17) 式中:XWD(t)為t年總需水量;XWND(t)為t年農(nóng)業(yè)需水量;XWIND(t)為t年

14、工業(yè)需水量;XWSD(t)為t 年生活需水量;XWQT(t)為t年其他需水量,包括服務(wù)業(yè)、城市公共用水、生態(tài)環(huán)境等需水量。b.可供水量約束XWS(t)=XWB(t)+XWG(t)+XWh(t)+XWHT(t)(18)式中:XWS(t)為t年可供水量;XWB(t)為t年地表水量;XWG(t)為t年地下水量;XWh(t)為t年污水回用量;XWHT(t)為t年外流域調(diào)入水量。 c.供需平衡約束 XWS(t)=XWD(t)3.2.5水環(huán)境約束 XCOD(t)=1-KSE(t)CCOD1(t)BW1(t)XWIND(t)+CCOD2(t)BW2(t)XWSD(t)XACOD(t) (20) 式中:XCO

15、D(t)為t年COD排放量;KSE(t)為t年污 水處理能力(處理率);BW1(t)、BW2(t)分別為t年工業(yè)用水、城市生活用水污水產(chǎn)生系數(shù);CCOD1(t)、CCOD2(t)分別為t年工業(yè)污水、城市生活污水的 (12) COD濃度;XACOD(t)為t年COD最大允許負(fù)荷量;其余符號(hào)同上。3.2.6水利工程投資約束 a.調(diào)水投資約束 XBUD1(t)=SCS1(t)XM(t) (21) 式中:XFOOD(t)為t年的糧食需求量;KFO(t)為t年人均需求糧食水平;其余符號(hào)同上。 b.糧食產(chǎn)量約束XFOOD(t)=YD1(t)XAR1(t)+YD2(t)XAR2(t) (11) 式中:YD1

16、(t)、YD2(t)分別為t年旱地、灌溉地糧食作物單位面積產(chǎn)量;XAR1(t)、XAR2(t)分別為t年旱地、灌溉地糧食作物播種面積。 c.農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值約束 4 (19) XAy(t)= t,i)Xasy( i=1 式中:XAy(t)為t年的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值;Xasy(t,i)為t年農(nóng)業(yè)i部門產(chǎn)值;i為農(nóng)業(yè)各部門,分為種植業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)和漁業(yè)。 d.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)約束 種植業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)和漁業(yè)結(jié)構(gòu)約束: Xasy(t)BAYXAy(t)部門產(chǎn)值比例下限。 e.農(nóng)業(yè)作物結(jié)構(gòu)約束 XARj(t)BAAXTAR(t) (14) 式中:XARj(t)為t年j種作物種植面積,分為糧食、油料、蔬菜等;XTAR(t)

17、為t年農(nóng)作物總面積;BAA為各農(nóng)作物種植比例下限。 f.灌溉面積約束 3 (13) 式中:XBUD1(t)的t年調(diào)水投資量;SCS1(t)為t年單 方調(diào)水投資分?jǐn)傤~;XM(t)為t年計(jì)劃調(diào)入水量。b.節(jié)水投資約束XBUD2(t)=SCS21(t)XAS(t)+SCS22(t)XINS(t)+SCS23(t)XCS(t)(22)式中:XBUD2(t)為t年節(jié)水投資量;SCS21(t)、SCS22(t)、SCS23(t)分別為t年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市生活單方節(jié)水投資分?jǐn)傤~;XAS(t)、XINS(t)、XCS(t)分別為t年農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市生活節(jié)水量。 c.污水處理工程投資約束 XBUD3(t)=SC

18、S3(t)XPOL(t) (23) 式中:XBUD3(t)為t年污水處理投資量;SCS3(t)為t年處理單方污水投資分?jǐn)傤~;XPOL(t)為t年污水處理量。 式中:Xasy(t)為t年農(nóng)業(yè)各部門產(chǎn)值;BAY為農(nóng)業(yè)各 XTARI(t)=節(jié)水灌溉面積: j=1 t,j)BIXTAR(t)(15)XARI( (16) XARIE(t)BEIXTARI(t) 式中:XTARI(t)為t年灌溉總面積;XARI(t,j)為t年 j作物灌溉面積;XARIE(t)為t年節(jié)水灌溉面積;BEI為節(jié)水灌溉面積占灌溉面積的比例下限;BI為灌溉 砂子 4模型的求解方法及主要參數(shù)的確定 在多目標(biāo)規(guī)劃中,分析人員需要依據(jù)各

19、種參數(shù)或權(quán)重系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由于這些參數(shù)或權(quán)重系數(shù)的 沙子 樂(lè)忠沙場(chǎng)· 表1大汶河流域水資源承載能力分析計(jì)算主要成果 規(guī)劃水平年2010年2020年規(guī)劃水平年2010年2020年規(guī)劃水平年2010年2020年2030年 總?cè)丝?萬(wàn)人 人口增長(zhǎng)率/% 城市人口/萬(wàn)人 農(nóng)村人口/萬(wàn)人 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)/ 億元 水資源承載的主要目標(biāo) GDP增長(zhǎng)率/% 人均GDP/ 元 第一產(chǎn)業(yè)/第二產(chǎn)業(yè)/第三產(chǎn)業(yè)/億元 億元 億元 糧食總產(chǎn)量/萬(wàn)t 人均糧食產(chǎn)量/kg COD排放量/(萬(wàn)t·a -1 ) 6906950.10310.5417.0379.51223.096278.02633.2

20、479.217.9717726.029122.310587.086513.70037888.446210.6601316.6241105.964水工程建設(shè)指標(biāo) 278.69283.76403.90408.2912.5614.37有效灌溉 面積/萬(wàn)hm231.1633.93節(jié)水灌溉 面積/萬(wàn)hm216.1621.37地面水 開(kāi)發(fā)增量/萬(wàn)m31276.231132.56 需增加 調(diào)水量/萬(wàn)m3 00需水指標(biāo) 工業(yè)用水重復(fù)利用率/% 6572污水處理率/% 5060污水回用增量/萬(wàn)m3367.89236.12水土流失 治理率/% 7090固定資產(chǎn)水利投資/投資/億元億元316.567676.3651

21、5.32641.267供水指標(biāo) 其他需水量/ 億m3 1.541.811.93 需水總量/ 億m3 21.2921.9922.81 地表水量/ 億m3 8.3638.9768.976 地下水量/ 億m311.88111.88111.881 總量/ 億m320.24420.85720.857 農(nóng)業(yè)需水量/ 億m3 10.679.789.25 工業(yè)需水量/ 億m3 6.327.137.96 城鄉(xiāng)生活 需水量/億m3 2.763.273.67 不確定性,致使規(guī)劃的結(jié)果亦含有某種不確定性。這種不確定性在水資源承載能力多目標(biāo)分析中尤為突出。由于不確定性的存在,分析計(jì)算的規(guī)劃結(jié)果 不一定能夠滿足決策者的選

22、擇。在這種情況下,可以采用分析計(jì)算求解和決策抉擇相結(jié)合的人機(jī)對(duì)話式的求解方法,即求解多目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題的交互規(guī)劃法,通過(guò)一個(gè)遞歸過(guò)程,即分析階段和決策階段反復(fù)進(jìn)行的過(guò)程求得一個(gè)滿意解。具體采用逐步寬容約束法(對(duì)話式方法)來(lái)求解。該法是一種迭代法。在求解過(guò)程中,每進(jìn)行一步,決策者都要對(duì)分析計(jì)算結(jié)果做出評(píng)價(jià),若認(rèn)為滿意了,則迭代停止;否則再根據(jù)評(píng)價(jià)意見(jiàn)進(jìn)行修改調(diào)整有關(guān)目標(biāo)和參數(shù),再進(jìn)行計(jì)算,如此反復(fù)直到求得決策者認(rèn)為滿意的各目標(biāo)相互協(xié)調(diào)的解為止。 模型系統(tǒng)的主要參數(shù),主要參考國(guó)內(nèi)主要研究成果,大汶河流域歷年的統(tǒng)計(jì)資料以及國(guó)家、省、市的發(fā)展規(guī)劃要求等,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)學(xué)方法,結(jié)合流域?qū)嶋H,綜合分析予以初擬。規(guī)劃水平年選2000年(現(xiàn)狀年)、2010年、2020年、2030年;流域水資源可利用量按多年平均考慮;調(diào)水、節(jié)水、污水處理等的單方水投資分?jǐn)傤~,根據(jù)現(xiàn)有工程資料分析確定;水環(huán)境約束,根據(jù)南水北調(diào)工程對(duì)水質(zhì)的要求,大汶河水質(zhì)不低于國(guó)家地