多重不确定性条件下流域水质管理与水资源配置

摘要

近年来，快速的人口增长、城市化、工业化、气候变化，导致了淡水资源量的需求不断上升，污染物的排放增加也加剧了水环境污染等问题。合理和有效的进行水质管理和水资源配置对于缓解水环境污染和水资源短缺至关重要。系统优化技术是水质管理和水资源配置的有效手段。然而，水质管理系统和水资源配置系统是复杂的系统，其中的不确定性及其问的互动关系十分复杂，不易辨识。因此，如何表征系统中的多重不确定性信息及其互动关系，如何将这种复杂关系反映到实际管理与配置模型中，如何根据系统特点确定优化方法等是水质管理系统和水资源配置系统面临的关键问题。
　　本论文将在水质管理系统和水资源配置系统不确定性辨识的基础上，整合多时期、多情景等复杂性，基于区间参数规划、模糊数学规划、随机数学规划和析因分析等方法，开发一系列多重不确定性系统优化方法用于流域水质管理与水资源配置。
　　具体包括:
　　(1)区间模糊可信约束规划方法。区间模糊可信约束规划方法由区间参数规划和模糊可信约束规划方法整合入一个常规优化框架而得。该方法能够处理处理以区间和可能性分布表征的不确定性及分析满足系统约束的可靠性（或违反系统约束的风险）。随后，该方法被用于香溪河流域水质管理，优化得到了以区间值表示的经济活动适宜规模。此外，结果表明BSH化工厂的生化需氧量(BOD)排放量最高;种植业总氮排放量最高;以化工厂和磷矿公司为主的点源磷排放量最高。
　　(2)模糊边界区间规划方法。该方法可以有效处理以区间和模糊边界区间形式表征的双重不确定性。为了验证该方法的有效性，模糊边界区间规划方法被应用于香溪河流域水质管理实例中。采用交互式算法和顶点分析方法，可求得不同α水平（模糊隶属度）下的解决方案。结果表明系统效益和经济活动规模模糊边界区间范围随α水平升高而缩减，至最高水平(α=1)缩减为区间。结果揭示了α水平的选取对模型结果有明显影响。
　　(3)基于多水平析因-风险分析的可能-概率规划方法。该方法可以处理以模糊随机边界区间、概率分布和区间表达的不确定性，以及分析不确定性及其交互作用对模型输出的影响。基于此方法，本文中建立了香溪河流域水质管理管理模型。结果揭示了，当满足目标函数概率降低且违反环境约束概率升高时，系统可信度和必然度升高，对应的系统效益升高。此外，化工厂单位生产效益对系统效益影响最显著;持中立风险态度的决策者应重视化工厂生产与城镇供水间的交互作用，持规避风险态度的决策者应重视违约风险与供水效益间的交互作用。
　　(4)基于风险分析的区间两阶段随机规划方法。该方法可有效处理系统中以区间和概率分布形式表达的不确定性参数（如，允许污染物排放量和污染物排放率），同时可进行风险管理和情景分析。通过控制追索成本的变化可反映决策者对系统风险的态度。该方法被应用于禾水流域水质管理。结果揭示了目标效益和风险水平升高，决策者风险态度趋于中立，系统效益期望值升高;允许排污量升高，污染物超额排放量降低，相关政策倾向经济发展。此外，该流域内农业是主要的土壤流失、总氮(TN)和总磷(TP)排放源，畜牧业是主要化学需氧量排放源(COD)。
　　(5)基于蒙特卡洛模拟的双区间随机规划方法。该方法既可有效处理以双区间和概率分布形式表征的不确定性，也可以深入分析当预定目标未能达到时所需制定的经济补救政策（由水资源量的不确定性导致）。该方法被应用于漳卫南流域作物规划及水资源配置。得到了不同概率分布和隶属度下作物种植和水资源配置方案。结果表明了概率分布均值高且标准差低时，可利用水资源量均值较高且变化范围较窄，实际灌溉面积高，最终导致系统效益高;揭示了可用水资源的不同概率分布可导致不同的系统效益和灌溉面积。小麦为该地区主要耗水作物且缺水量最高，可考虑调整小麦种植面积。
　　本文开发的一系列多重不确定优化方法可以有效的处理水质管理系统和水资源配置系统的不确定性和风险阈值的复杂性。模型结果涵盖水质管理系统和水资源配置系统的各个环节，包括水资源的供需、产品生产、污染物排放控制和系统效益最大化。所得结果及发现有助于决策者在权衡社会经济和环境可持续发展的思路下，制定最优水质管理方案和水资源配置方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究内容

1．4 论文结构

第2章 文献综述

1．1 水质管理研究进展

1．2 水资源配置研究进展

1．3 不确定性优化技术研究进展

1．3．1 区间参数规划

1．3．2 随机数学规划

1．3．3 模糊数学规划

1．4 小结

第3章 区间模糊可信约束规划与水质管理应用

3．1 方法开发

3．1．1 模糊可信约束规划

3．1．2 区间模糊可信约束规划

3．2 案例研究

3．2．1 研究区域

3．2．2 问题阐述

3．3 模型构建

3．4 结果分析

3．4．1 经济效益

3．4．2 工业活动

3．4．3 农业活动

3．4．4 污染物排放

3．5 结论

3．6 符号列表

第4章 模糊边界区间规划方法与水质管理应用

4．1 方法开发

4．1．1 模糊参数规划

4．1．2 模糊边界区间规划

4．2 模型构建

4．3 结果分析

4．3．2 不同α切割水平下生产规模

4．3．3 不同α切割水平下收入与成本

4．3．4 不同α切割水平下污染物排放

4．4 结论

4．5 符号列表

第5章 基于多水平析因-风险分析的可能-概率规划方法及其在水质管理的应用

5．1 方法开发

5．1．1 模糊随机参数规划

5．1．2 模糊随机边界区间机会约束规划

5．1．3 基于风险分析的可能-概率规划

5．2 模型构建

5．3 结果分析

5．3．1 可能度和必然度

5．3．2 污染物排放

5．3．3 农业和工业活动

5．3．4 重要因子

5．3．5 因子互动影响

5．4 结论

5．5 符号列表

第6章 基于风险分析的区间两阶段随机规划方法及其在水质管理的应用

6．1 方法开发

6．1．1 两阶段随机规划

6．1．2 风险分析

6．1．3 基于风险分析的区间两阶段随机规划

6．2 案例研究

6．2．1 研究区域

6．2．2 问题阐述

6．3 模型构建

6．4 结果分析

6．4．1 系统效益

6．4．2 风险分析

6．4．3 生产及污染物排放目标

6．4．4 超额污染物排放

6．5 结论

6．6 符号列表

第7章 基于蒙特卡洛模拟的双区间随机规划方法及其在水资源优化配置的应用

7．1 方法开发

7．1．1 双区间参数规划

7．1．2 多阶段随机规划

7．1．3 双区间多阶段随机规划

7．2 案例研究

7．2．1 研究区概况

7．2．2 问题阐述

7．3 模型构建

7．4 结果分析

7．4．1 系统效益

7．4．2 最优灌溉面积

7．4．3 实际灌溉面积

7．4．4 作物灌溉比例

7．4．5 子区域供水比例

7．5 结论

7．6 符号列表

第8章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 贡献与创新

8．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介