水资源系统分析第6章多目标规划与决策

水资源管理中的综合考虑与优化决策近年来，全球水资源越来越受到重视，其管理策略逐渐转为综合考虑和优化决策。

水资源是生命的基础，是各种产业和社会经济发展的不可或缺的基础支撑，因此在水资源管理上要兼顾多方利益，以达到更好的综合利用与保护。

一、水资源管理中的现状当前，全球许多地区都面临着极度的水资源短缺。

水资源的不平衡分布、不合理利用等问题也在无处不在。

同时，由于工业和城市化进程的加速，水污染现象十分严重。

因此在水资源管理中，要特别重视综合考虑和合理决策。

二、综合考虑在水资源管理中的必要性1. 社会利益和环境保护在水资源管理中，综合考虑社会利益与环境保护是不可或缺的。

水资源是社会经济发展的重要支撑，同时也是维持生态平衡必须的环境资源。

因此，在管理水资源时，要兼顾社会经济利益、生态环境保护、生活用水等多方面利益，以达到最大化的综合效益。

2. 多元决策需求在不同区域、不同行业的水资源管理中，都需要考虑到不同的需求。

例如，在农业方面，应充分考虑灌溉用水的需求和农户用水需求的平衡。

在工业和城市化发展中，应促进用水和回用水的合理利用，从而达到可持续性的发展目标。

3. 数据整合和技术应用要想在水资源管理中实现综合考虑，就需要进行数据整合和技术应用。

例如，在地表水和地下水的管理中，需要通过水文地质学、环境科学等技术手段，充分分析水资源分布、利用、保护等方面的数据，从而实现优化决策。

三、优化决策在水资源管理中的应用优化决策是指在资源管理中，通过充分分析数据、综合考虑多方利益、找出最佳方案的过程。

在水资源管理中，优化决策可以从多个方面着手。

1. 水资源配置在水资源配置方面，可以通过优化灌溉用水、城市用水和工业用水的比例和分配，充分利用一定的经济效益和社会效益，同时考虑到环境的保护和生态的平衡。

2. 水污染防控在水污染防控方面，可采取工艺技术、政策措施等多种手段，从源头上控制污染，保障水资源的安全和健康。

例如，实行排污许可制度，加强水处理、水回用技术的应用等。

2001年3月系统工程理论与实践第3期　文章编号:100026788(2001)0320128208水资源持续利用的多目标分析方法王先甲(武汉大学系统工程研究所,湖北武汉430072)摘要:　随着可持续发展战略的发展,水资源持续利用成为水资源学科的重要研究领域Λ本文在分析水资源持续利用追求的目标和这些目标的基本构造及其在整个持续利用过程中的基本特性和水资源持续利用的支持条件与协调关系的约束表示的基础上,建立了水资源持续利用的多目标决策模型Λ它为理解水资源持续利用提供了形式化模型Λ为了在非劣解集上作进一步的选择,本文还分析了目标之间的替代权衡关系的特性和由这种关系表示出的显示决策者偏好的规律性Λ关键词:　水资源持续利用;多目标模型;替代权衡中图分类号: 文献标识码:　A αM u lti ob jective A nalysis M ethod fo rSu stain ing W ater R esou rces U tilizati onW AN G X ian2jia(In stitu te of System s Engineering,W uhan U n iversity,W uhan430072,Ch ina)Abstract　W ith p rogress of su stainab le developm en t strategy,su stain ing w aterresou rces u tilizati on is becom ing an i m po rtan t research field in w ater resou rces.In th ispaper,based on analysing the pu rsu ing ob jectives fo r su stain ing w ater resou rcesu tilizati on,basic con structi on of the ob jectives and con strain t rep resen tati on of thecoo rdinative relati on s to be satisfied in su stain ing w ater resou rces u tilizati on,m u lti ob jective model of su stain ing w ater resou rces u tilizati on is estab lished.It p rovidesa fo rm alized model fo r understanding su stainab le u tilizati on of w ater resou rces.Inadditi on,to m ake fu rther cho ice in non inferi o r so lu ti on set of the m u lti ob jecive model,th is paper analyses the characteristics of su rrogate trade relati on s betw een theob jectives and decisi on m aker’s p reference.Keywords　su stain ing w ater resou rces u tilizati on;m u lti ob jective model;su rrogatetrade1　引言工业革命以来,随着科学技术的不断进步和社会生产力的提高,人类创造了前所未有的物质财富Λ然而,正在人类享受自己创造的物质文明的同时,人口剧增、资源枯竭、环境污染、生态退化等全球性问题困绕着人类Λ事实上,这些问题是人类过去在发展物质文明中采取的“高投入、高消耗、高污染”的经济增长模式产生的必然结果Λ人类在创造高度物质文明的同时,也不自觉地创造了一个危及自己生存的环境Λ长此以往,我们的未来很可能是一个“悲惨的世界”Λ不是任何救世主,而是“罗马俱乐部”的一批娴雅之士关心起人类的前途来ΛM eadow s等[1]在20世纪70年代初发表了著名的《增长的极限》,它警示我们:人类社会经济的无限增长是不现实的,人类的根本出路在于自我限制增长、协调发展Λ这份报告在世界范围内产生α收稿日期:2000204204资助项目:国家自然科学基金(69874029)了极大反响,使人们真正开始关心全球未来的发展趋势Λ1972年在斯德哥尔摩召开的联合国人类环境会议上,首次提出可持续发展问题,1987年世界环境与发展委员会发表了全求注目的报告——《我们的共同未来》[2]Λ它指出:人们可以期待一个经济发展的新时代的到来,这一新时代必须建立在使资源环境得以持续和发展的基础上,既满足当代人的需要,又不对后代人满足其需要的能力构成危害Λ透过这份报告,使人类对未来看到了一线光明Λ1992年在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展大会上,通过了《二十一世纪议程》[3],进一步把可持续发展作为全球的基本发展战略和行动指南,这表明可持续发展将成为二十一世纪全人类的共同选择Λ发展是人类永恒的主题Λ可持续发展就是要求人类在发展中实现人类社会与自然的协调与合谐Λ自然资源是发展之母,因此,可持续发展的核心问题是自然资源的持续利用Λ水是一种自然资源,它不仅是社会经济发展的物质基础,还是人类和一切生物赖以生存和发展不可替代的生命要素,也是生态环境的基本要素Λ如果水不能可持续利用,人类将无法生存Λ然而,我们今天的地球正日益陷入淡水资源短缺和水资源严重污染的困境,水资源短缺与污染问题正制约着全球经济和社会的发展并影响着人类生存的环境Λ这种制约将会越来越严重Λ因此,水资源持续利用问题成为当今水资源研究的重要课题Λ冯、刘[4]给出了水资源持续利用的一个理论与实践框架;冯、梅[5]提出了水资源持续利用系统规划的指导思想和原则Λ本文提出一种水资源持续利用的多目标分析方法,通过建立满足水资源持续利用基本原理的多目标规划模型,分析这些目标之间的权衡替代关系和水资源持续利用对人类社会与自然和环境协调关系的规定性Λ2　水资源持续利用的目标在传统经济发展模式下,水资源的开发利用单纯追求经济效益,以牺牲环境质量和无节制地消耗水资源为代价,忽略环境价值和水资源作为一种自然资源自身的价值,甚至不惜牺牲部分地区的利益,造成社会效益的破坏Λ水资源可持续利用是水资源开发利用的一种新模式,它要求把人类的所有水事活动看作一个连续的过程,这个过程的目的是在维持水的持续性和生态系统整体性条件下,支持人口、资源、环境与经济协调发展和满足代内与代际人用水的需求[6]Λ它包含这样几个涵义:1)必须把人类利用水资源的行为看作一个连续的过程,一个整体;2)在这个过程的任何时期水资源的开发利用必须在水环境容量和水资源承载能力的限度内;3)在整个开发利用水资源的过程中,实现经济效益、环境效益和社会效益的统一和协调,从而实现人类社会与自然环境的协调发展;4)在代内与代际人之间公平分配水资源Λ于是,同时追求经济效益、环境效益和社会效益是水资源持续利用的根本目标Λ下面分析这些目标的构成与实现Λ某区域或某流域开发利用水资源的过程可用一个从任意开始时刻t 0到∞的半区间[t 0,∞)表示,在这个过程的任意时期(刻)水资源的总量设为R (t ),开采量设为x (t ).2.1　经济效益目标经济效益(或经济目标)是人类在利用自然资源时首先要考虑的目标,也是他们最原始的动机Ζ在传统的水资源开发模型下,就是单纯追求这个目标Ζ用F 1代表这个经济目标Ζ在水资源可持续利用模型下,这个目标不再完全决定于单个的水资源开发工程,而是决定于整个水资源开发利用过程[t 0,∞)中的水资源开采量x (t )Ζ设对开采量x (t )产生的经济效益为1(x (t )),那么F 1=∫t 0+∞f 1(x (t ))e -r 1(t )t d t (1)这里r 1(t )是经济效益的贴现率,我们把它看作为时间t 的函数,即反映了在不同时期,经济效益的贴现率可能不同Ζ水资源持续利用模式下对经济效益的实现有别于传统水资源开发模式的思想Ζ传统的水资源开发模式忽视了水资源自身的价值,这就是它的稀缺性和用途多用性Ζ由此形成了按计划经济模式集中分配水资源开发量x (t )实现经济效益f 1(x (t ))的分配模式Ζ这种分配模式无法将水资源稀缺性信息告诉用户,而是921第3期水资源持续利用的多目标分析方法计划分配者根据自己得到的用户的水生产函数与成本函数确定分配方式Ζ事实上,计划分配者无法得到真实的用户生产函数和成本函数或者为了得到它们要付出极大的信息成本Ζ在水资源持续利用模式下,为了让有限的水资源实现最大的效益,似乎唯一的方法是对水资源标以体现其价值的价格,通过它向用户传递水资源的稀缺性,然后在多种用途之间分配水资源达到实现最大效益的目的Ζ人们经常批评传统的水资源开发模式只顾当前利益,不顾长远利益Ζ这一批评从水资源持续利用开发模式的经济效益F1的描述中能找到解释Ζ如果把贴现率设置很大,对未来与当前相同的效益,未来效益经折现后就变得很小了,时间愈遥远,其折现值愈小Ζ因此,在今天开发水资源的人们看来,水资源开发在未来产生的效益对今天来说是极小Ζ由于f1为单调增函数,因此,今天有理由忽视未来Ζ如果我们用(1)式计算水资源开发过程产生的经济效益,并且将贴现率设置较小,或者为0甚至为负值,这表示将来开发利用水资源产生的经济效益与当前同等重要,即留给后代同等发展机会Ζ这正是水资源持续利用追求的目标之一Ζ就是说,水资源持续利用要求将贴现率设置较小,甚至为0或负值,这样才能保证满足代际人用水的需要Ζ2.2　环境效益目标很多学者建议将环境作为一种重要的自然资源看待Ζ这种观点警示人类要象珍惜其它自然资源一样保护和利用环境Ζ环境虽然不以实物形式存在,但它为人们的生存提供了一种自然条件,综合反映了自然界为人类的生存提供的自然因素Ζ它可用一个描述人类生存的自然条件的多维状态向量表示Ζ环境作为一种自然资源不是被直接利用,而是人类在生产实践和社会实践中间接地使用这种资源,或者说自然环境状态向量对人类的生产活动和社会活动作出反映,有时这种反映是十分灵敏的Ζ应该说,当今的科学技术还不能使人们完全了解自然环境状态向量的这种反映方式,这已被人类的大量社会实践所证实Ζ事实证明人类不能“改天换地”,使得这个新“天地”更适于人类的生存Ζ然而,人类要生存和发展,不能停留在保护原始环境的观念下,人类只有在生产实践和社会实践中,不断认识和掌握自然规律,改造和利用环境Ζ实践表明,环境对水资源的开发利用方式有较强的反映,即自然环境状态向量对水资源开发利用方式可能产生较大的变化Ζ不同的自然环境状态向量给人类提供不同的生存条件Ζ主观上,人类在改造自然界的过程中总是希望在发展经济的同时,也为他们提供更好的生存条件Ζ然而,传统的水资源开发利用方式在客观上忽视了自然环境对其开发利用方式的反应效应,结果可能产生一个更差的生活环境Ζ在水资源持续利用中,为了反映自然环境的这种反映效果对人类生存的影响,我们用环境效益描述水资源开发利用方式产生的自然环境状态向量提供给人类生存条件的水平Ζ不同的水资源开发利用方式、不同的水资源开采量产生的自然环境状态向量s(t)不同,由此为人类提供的生存条件水平的增量也不同,即这个人类生存条件水平的增量是水资源开采量x(t)和水资源开发利用方式y(t)的函数f2,于是在整个水资源持续利用过程中的环境效益可表示为F2=∫t0+∞f2(s(t))e-r2(t)t d t(2)s(t)=s(x(t),y(t))(3)这里s(・)是自然环境状态向量,它是水资源开采量和水资源开发利用方式的函数;r2(t)为未来环境效益贴现率,它反映未来环境效益增量在当前表现出的环境效益的增量Ζ在水资源持续利用过程的任意时期(刻)t,环境为人们提供的生存条件水平为∫t0tf2(s(t))e-r2(t)t d t(4)对t0<t1<t2,显然有∫t0t2f2(s(t))e-r2(t)t d t=∫t0t1f2(s(t))e-r2(t)t+∫t1t2f2(s(t))e-r2(t)t d t(5)从(5)式可知,如果当代人处于时期[t1,t2],那么∫t1t2f2(s(t))e-r2(t)t d t就是当代人开发利用水资源对环境效益(即生存条件水平)的贡献,当它大于0时,表明当代人在前人基础上改善了环境,给子孙一个更加舒适的生存条件,当它小于0时,表明当代人破坏了前人创造的生活环境,把一个更为恶烈的生存条件留给了031系统工程理论与实践2001年3月后人Ζ传统的水资源开发方式本质上导致∫t 1t 2f 2(s (t ))e -r 2(t )t d t <0,而水资源持续利用就是对任意时间[t 1,t 2]寻找开发利用水资源的方式,使∫t 1t 2f 2(s (t ))e -r 2(t )t d t >0,这样就保证了环境质量的不断改善,即为人们提供越来越舒适的生活条件Ζ在这里未来环境效益现率r 2(t )不象在经济效益分析中的贴现率一样重要,这是因为环境效益增量函数f 2并不一定为非负函数,也并不一定为水资源开发量的单调增函数Ζ如果将r 2(t )设定较大,较大的未来环境效益增量的绝对值的折现值将较小,即对当前的环境效益影响不大Ζ但这并意味意当前会过量开采水资源,因为环境效益并非为水资源开采量的单调增函数,过量开采水资源也会使当前环境效益下降;如果将r 2(t )设定较小,表明未来环境效益在整个环境效益F 2中与当前的环境效益有同等重要性Ζ同样的道理,这也并不意味着追求环境效益最大化会导致将来对水资源的过量开采Ζ我们的观点是:如果水资源持续利用追求按(2)式计算的环境效益最大化,应该将r 2(t )设定较大,且对任意时期[t 1,t 2],保证该时期的环境效益增量非负,即∫t 1t 2f 2(s (t ))e -r 2(t )t d t ≥0(6)这样就能在水资源持续利用中重视当前环境质量的同时,保证环境质量在整个过程中的不断改善Ζ213　社会效益目标水资源本身的特性决定了水资源具有广泛的社会属性Ζ某个区域或流域水资源的开发利用不同程度影响区域或流域不同社会群体和个体的利益Ζ我们用社会效益综合表示这些群体和个体利益的总和Ζ由于明确表示群体和个体的利益是十分困难的,另外,群体和个体利益具有一定的主观性,不同群体和个体之间的利益在数量上不能加总,也不能转移Ζ因此,我们建议用社会福利函数表示社会效益Ζ社会福利函数描述全社会的幸福满意程度Ζ判断社会福利改进的一个重要法则是:任何人的满足程度没有下降,并且使某些人的满足程度得到改进,这就是福利经济学的第一准则,即帕累托(Pareto )准则[7]Λ水资源开发利用经常使一部分人受益和另一部分人受损Λ传统的水资源开发利用方式经常只顾产生的经济效益和部分人或部分受益,而忽视了受到损失的那一部分人的福利,忽视了对全社会福利变化情况的分析和评价Λ如果受损的那部分人的满足程度严重下降,以致抵消受益人群福利的提高部分,将导致全社会福利的下降Λ我们说这种水资源开发利用方式破坏了全社会的福利,水资源持续利用在追求社会效益上是要促进社会福利的不断提高Λ水资源开发利用的社会福利是水资源开采量x (t )和开发方式的函数f 3,这个函数就是社会福利函数Ζ于是,在整个水资源持续利用过程中,就是要追求在全过程中社会福利的极大化,全过程的社会福利可用下式表示:F 3=∫t 0t f 3(x (t ),y (t ))e -r 3(t )t d t (7)这里特别要说明的是在开发利用方式y (t )中应包括对受到损失的那部分人的补偿规则,合适的补偿规则可能使得所有人满足程度得到提高Ζ因此,补偿规则是改善全社会福利的重要手段Ζ一般讲,对某些适当的开发方式,f 3是水资源开发量的单调增函数,于是社会福利贴现率r 3(t )具有类似于经济效益贴现率的性质Ζ如果贴现率设置较大,那么未来社会福利在社会福利现值中的贡献较小Ζ因此,未来社会福利将被忽视,而只顾当前的社会福利Ζ由于f 3为水资源开发量的单调增加函数,势必导致当前对水资源的过度开发,可能造成水资源的枯竭,这与水资源持续利用追求的目标是不一致的Ζ因此,只有将r 3(t )设置较小,使未来社会福利与当前社会福利在全过程的总社会福利中具有相同地位,从而使水资源的开发利用不断促进社会福利的提高Ζ3　水资源持续利用中的各种协调关系的规定性水资源持续利用本质上是建立起人口、水资源、环境与经济协调发展的关系,以保障世代永续健康地131第3期水资源持续利用的多目标分析方法生存与发展Ζ这些协调关系实际上就是根据自然规律、人对水资源和环境的依赖关系、经济发展对水资源的依赖关系建立起来的和对不同时期水资源的开发方式的限定关系或约束关系Ζ3.1　水资源承载能力约束水资源持续利用下的水资源承载能力是某地区(或流域)水资源支撑地区人口的基本存在和社会经济永续发展的能力Ζ由于一个地区(或流域)的水资源有限,这种支撑能力也是有限制的Ζ一个地区(或流域)的水资源主要供给该空间人口生存用水a 1(t ),维持生态与环境用水a 2(t )和发展经济用水a 3(t ),那么水资源承载能力约束关系为a 1(t )+a 2(t )+a 3(t )≤R (t ),t ∈[t 0,∞),(8)这个约束关系(8)反映了地区水资源对人口、生态环境和经济发展的协调关系,如果这个关系遭到破坏,必将导致人口、生态环境、经济发展三者中至少有一个不能持续发展,最终威胁人类的生存Ζ3.2　环境容量约束水资源持续利用管理要求在开发利用水资源同时也创造一个良好的水环境Ζ水环境的好坏主要由水质标准衡量Ζ天然水资源经开采用于地区人们生活和生产后,随之向自然界排出含有污染物的水体Ζ虽然自然界和水体具有自净污染物的能力,但这种能力是有限的Ζ环境容量概念描述了这种能力,即自然界和水体能自净污染物、使水体达到规定的水质目标的能力Ζ它可用在规定水质标准下,污染物的最大允许排放量来度量Ζ一般讲,地区污染物的排放量Q (・)是水资源开采量x (t )的函数,即Q (x (t )),设自然界和水体的自净能力用映射T (・)表示,它把数量为Q (x (t ))的污染物转化成按水质标准表示的水质T (Q (x (t )))Ζ如果规定的水质标准用B 表示,那么水资源持续利用在全过程中污染物排放的限制约束为T (Q (x (t )))≤B ,t ∈[0,∞)(8)如果这个限制约束被破坏,即水体不能由自净能力达到对水质的规定要求,那么这部分水就不能成为可利用水量,导致水资源有效利用量的减少,影响地区水资源的持续利用Ζ3.3　公平性约束水资源持续利用要求全社会能公平享有自然界赐予的水资源Ζ伦理学认为自然界平等地属于每一个人Ζ因此,水资源开发利用在当代人之间不能剥夺一部分人的生存和发展机会;在代际之间,要保证后代人生存和发展对水资源的需要Ζ我们将其分别称为代内和代际公平Ζ对公平最通常的理解就是平均,但在任何地区社会成员都不可能完全平均地享有水资源Ζ这是由水资源的自然分布特性和水资源利用的效率原则决定的Ζ这里我们建议用如下关系描述代内公平性:人均享用水资源量及其质量在地区之间或同一地区内不同人群之间的差距在一个给定的范围内Ζ设某地区人均水资源占有量为xθ,有n 个不同人群,第i 个人群人均享有水资源量为x i (t ),那么该地区内,反映水资源利用代内关系式应为6N i =1(x i (t )-x θ)2≤Ε(t ),t ∈[0,∞)(9)这里Ε(t )是给定的差距范围Ζ这个Ε(t )具有这样的特点:随着社会的发展要求,这种差距越来越小,这一特点可用如下性质描述:d Ε(t )d t ≤0,t ∈[0,∞)(10)另外,对所有人群,人均享有水量不得小于维持人生存的最低需水量x m in 即x t (t )≥x m in (t ),i =1,…,N ,t ∈[0,∞).一般认为,不同时期,这个最低需水量可能不同Ζ实现代际公平就是要满足后代人生存和发展对水资源的需要Ζ由于水是一种可再生资源,如果能维持其再生能力,实现代际公平是可能的Ζ显然,如果能使水资源的可利用量不断增加,就可以实现代际公平Ζ这一性质可用如下关系描述231系统工程理论与实践2001年3月d x (t )d t ≥0,t ∈[0,∞)(11)增加水资源的可利用量并非不可能,如经过人工开发、调节、再分配、劣质水改造等措施都可以增加水资源的可利用量Ζ3.4　水灾机率约束水资源持续利用要求必须在开发利用水资源于生活和生产的同时,还要治理水灾害,才能实现地区社会经济的持续发展Ζ一个地区或流域的水资源总量多年平均一般为常量,但年际间差别较大,具有随机性Ζ对于兼有防洪要求的水资源开发活动中,如果将前面所指的开采量理解成兴利水量,那么另外还必须处理另一部分可能造成洪灾的水量R (t )-x (t )Ζ假设对这部分水量在水资源开发活动准备控制的水量为z (t ),这个z (t )相当于水库设计洪水位与正常蓄水位之间的库容Ζ企图抵卸所有洪水的水资源工程既不经济,也不现实,但可以根据R (t )的概率分布特性,使得发生洪灾的机率在一个规定的范围内Ζ这一要求可由如下关系式描述:P (R (t )≥x (t )+z (t ))≤e (t ),t ∈[0,∞)(12)这个规定的范围e (t )具有这样的特性:随着社会经济的发展,将要求e (t )越来越小Ζ这是因为随着社会经济的发展,人类抵抗洪灾的能力增强了,同时人们有更高的抵卸洪水的欲望Ζ另外,同一频率的洪水随着时间的推移,对社会经济造成的损失会越来越大,阻障着社会的持续发展Ζe (t )应该越来越小的性质可由如下关系式描述:d e (t )d t ≤0,t ∈[0,∞)(13)4　水资源持续利用的多目标模型与目标间替代权衡分析4.1　水资源持续利用的多目标模型根据第2节和第3节对水资源持续利用的目标和协调关系反映出的约束条件的分析,水资源持续利用的多目标规划模型有如下形式:m ax x (t ),y (t )F 1(x (t ),y (t ),z (t )),F 2(x (t ),y (t ),z (t ),F 3(x (t ),y (t ),z (t ))(13a )a 1(t )+a 2(t )+a (t )≤R (t ),t ∈[t 0,∞)(13b ) T (Q (x (t )))≤B ,t ∈[t 0,∞)(13c ) 6N i =1(x i (t )-x θ)2≤Ε(t ),t ∈[t 0,∞)(13d )d Ε(t )d t ≤0,t ∈[t 0,∞)(13e ) x i (t )≥x m in (t ),t ∈[t 0,∞)(13f ) d x (t )d t ≥0,t ∈[t 0,∞)(13g ) P (R (t )≥x (t )+z (t ))≤e (t ),t ∈[t 0,∞)(13h ) x (t )=6N i =1x i (t ),t ∈[t 0,∞)(13i ) x (t )=a 1(t )+a 2(t )+a 3e ,t ∈[t 0,∞)(13j ) 这里a 3e 为开采的水资源用于维护生态环境的水量,其它符号的意义与前面所述一致Ζ另外,需要说明的是经济效益目标F 1、环境效益目标F 2和社会效益目标F 3被看作为水资源开采量x (t )、开采方式y (t )和防洪水量z (t )的函数,对于没有防洪要求的水资源开发活动,可取z (t )=0.基于这个多目标规划模型,水资源持续利用的目标是在水资源开发的全过程中,寻找水资源的开发过程x (t )、z (t )和开发方式y (t )使经济效益目标、环境效益目标和社会效益目标在某种意义下达到最优Ζ然而,由于这三个目标之间是相互冲突的,一般不可能使这三个都取得最优值,即它们取得到的值不能与它331第3期水资源持续利用的多目标分析方法们作为单个目标优化取得到的值相同Ζ在多目标决策中,采取的最优性概念为Pareto概念,即非劣解或有效解概念[8,9]Ζ文献[8]和文献[9]给出了多种求这种非劣解的方法Ζ然而,由于这种非劣解是基于向量比较大小的序关系定义的,而这种序关系不是完全序,因此,这种非劣解一般不唯一,并且不同的非劣解对应的目标向量值也不相同Ζ对非劣解的进一步选择,需要在目标之间作替代权衡Ζ4.2　目标间替代权衡关系如何在众多的非劣解中选择一个作为最终决策呢?P a reto最优性概念不能给出进一步的回答Ζ这依赖于决策者的偏好态度Ζ对多目标模型(13)的任何非劣解,都存在这样的性质:没有其它任何可能方案使得这个方案对应的三个目标的值较非劣解方案对应的三个目标的值都有所改善Ζ决策者只能在一定范围牺牲某个目标换来另一个目标的改善Ζ决策者在这种目标之间的替代权衡中显示自己的偏好Ζ主观上讲,决策者在目标间的替代权衡中,总是希望牺牲某个目标的单位量换来另一目标更大的改善,但客观上这种改善是有限度的Ζ[10]给出了这种改善的最大可能上界,并且它由一个非线性规划的L agrange乘子Κ给出Ζ因此,决策者在目标间的替代权衡中显示出的偏好就由是否偏好某目标牺牲单位数量换取另一目标Κ个单位的改善Ζ如果决策者的回答是否定的,这表明决策者认为这个目标的单位数量比另一目标的Κ个单位数量更为重要;反之亦然Ζ如在水资源持续利用的多目标规划模型(13)中,如果决策者认为在某个非劣解上,进一步发展经济比保护环境和维护社会效益更重要,其具体表现为他要用单位环境效益(或社会效益)的损失换来Κ个单位经济效益的改善,忽视环境效益和社会效益的水资源开发行为在这里又找到注脚Ζ这说明即使在水资源开发中考虑到环境效益和社会效益,决策者在决策中也可能在权衡它们与经济效益的得失关系中忽视它们,使它们处于很低的水平,这实际上就是传统水资源开发利用方式决策的思想基础Ζ然而,从水资源持续利用的观点看,随着社会的发展与进步,人们对这三个目标之间的替代权衡的偏向将发生具有规律性的变化Ζ社会进步促进了经济的发展,使得人们更注重水资源开发利用中的环境效益和社会效益,经济效益将被置于相对次要地位Ζ因为到那时人们的物质生活得到保障,将追求更好的生活环境和社会福利Ζ这种规律可用如下数学形式描述Ζ设在某个非劣解(x0(t),y0(t),z0(t))上,牺牲一个单位的环境效益F2,换来的经济效益F1的最大改善量为Κ12,由[10],Κ12由一个非线性规划的L argrange乘子给出,并且Κ12=5F15F2(14)事实上,Κ12可看作为当前时刻t0的函数Κ12(t),对不同的时刻t0,决策者对相同的Κ12(t)将表示出不同的偏向态度Ζ这种偏向态度具有如下规律:如果dΚ12d t0≤0,当决策者在开始不接受这种目标之间的替代权衡时,那么他在今后任何时刻都不会有这种偏向;如果决策者在开始接受这样目标之间的权衡,那么他在今后仍偏向这样做的程度将逐渐减弱Ζ直观上,dΚ12d t0>0在实际可能是不会出现,因为dΚ12d t0>0意味着随着时间的推移,牺牲单位环境效益,会带来经济效益的更大改善Ζ这种情况与水资源开发利用规律相悖Ζ对其它两目标之间的替代权衡关系可类似分析Ζ5　结束语水资源持续利用是水资源学科当前的重要研究领域Ζ然而,当前对这一问题的研究主要集中在对水资源持续利用的基本问题、基本原理和基本模式框架的认识上Ζ本文认为水资源持续利用是一个涉及多个目标和复杂关系的动态过程决策问题Ζ本文的贡献是用多目标分析方法给出了水资源持续利用的数学形式化描述,分析了水资源持续利用追求的目标和这些目标的基本构造及其在整个持续利用过程中的基本特性,将水资源持续利用追求的各种协调关系用数学约束形式给出Ζ这种数学形式化的表示克服了一般陈述方式在理解上的随意性,形成了一套水资源持续利用的数学形式化的解释语言和表达形式Ζ另外,本文还分析了这种多目标规划模型中反映决策者偏好的目标间替代权衡关系,指出了决策者偏好表示的基本规律Ζ诚然,水资源持续利用是一个新的研究领域,有很多问题有待研究Ζ本文只是给出了水资源持续利用多431系统工程理论与实践2001年3月。

水资源管理的多目标优化研究水，是生命之源，是人类社会发展不可或缺的重要资源。

然而，随着人口的增长、经济的发展以及环境的变化，水资源面临着日益严峻的挑战。

水资源管理的多目标优化成为了当前水资源领域研究的重要课题，旨在实现水资源的合理分配、高效利用以及可持续发展。

水资源管理的目标通常包括满足社会经济发展的用水需求、保障生态环境的用水、提高水资源的利用效率以及降低水资源开发利用的成本等。

这些目标之间往往存在着相互关联和制约的关系，使得水资源管理成为一个复杂的多目标优化问题。

在社会经济发展方面，工业、农业和城市生活用水的需求不断增长。

工业生产需要大量的水资源来进行冷却、清洗和加工等工序；农业灌溉也依赖于充足的水源来保证农作物的生长和丰收；城市居民的日常生活用水更是不可或缺。

然而，水资源的供给是有限的，如果不能合理规划和分配水资源，就可能导致某些地区或行业出现用水短缺的情况，从而制约经济的发展。

生态环境保护也是水资源管理的重要目标之一。

河流、湖泊、湿地等生态系统需要一定量的水来维持其生态功能和生物多样性。

如果过度开发水资源，导致河流断流、湖泊干涸、湿地萎缩等，将会对生态环境造成严重的破坏，进而影响整个生态系统的平衡和稳定。

提高水资源的利用效率是解决水资源短缺问题的关键。

通过推广节水技术和措施，如改进灌溉方式、加强工业用水循环利用、提高城市居民的节水意识等，可以在不增加水资源总量的情况下，满足更多的用水需求。

同时，降低水资源开发利用的成本也是水资源管理需要考虑的因素之一。

合理选择水资源开发项目、优化水资源配置方案以及提高水资源管理的效率等，都可以降低水资源开发利用的成本，提高水资源的经济效益。

为了实现水资源管理的多目标优化，需要综合运用多种方法和技术。

首先，要建立科学合理的水资源模型。

水资源模型可以模拟水资源的供需情况、水流运动规律以及水资源开发利用对环境的影响等，为水资源管理决策提供依据。

常见的水资源模型包括水文模型、水资源优化配置模型、水生态模型等。

93河南科技2010.2下水资源优化配置是指在流域或特定的区域范围内，运用系统工程理论和优化方法，以水资源的可持续利用和经济社会的可持续发展为目标，遵循公平、高效、统筹兼顾和可持续利用的原则，采取除害与兴利、水量与水质、开源与节流、工程与非工程措施相结合的方法，通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种可利用水资源在区域间和各用水部门间进行最优化调配和分配，力求水资源与其他资源合理配置，实现有限水资源的经济、社会和生态环境综合效益最大[1]。

水资源的优化配置研究可为水量和水质在时间和空间上的合理调配和使用以及保障水资源的可持续利用提供科学依据和对策、措施。

因此，水资源的优化配置研究在解决我国的水资源问题，实现水资源的可持续利用等方面均占有重要地位，对促进经济社会的可持续发展具有重要理论和实际意义。

1. 水资源优化配置中多目标问题分析区域水资源系统往往是一个用水部门众多的大系统，在现代水资源优化配置思路中，己经改变了过去以经济效益为中心的基本观念，不仅仅是要获得尽可能大的经济效益，还必须将生态环境保护放到重要位置，同时要兼顾引水保障和粮食安全的问题。

配置中所考虑的不同问题可以作为不同的目标，各个目标之间相互矛盾而又不可公度，这就使得区域水资源优化配置转变成一个多目标优化的问题，在协调各个配置目标时要以公平与高效为基本分配原则，目标是寻求水量在各个用水部门之间的最优分配，实现水资源利用的可持续发展。

2 模型的建立及求解2. 1水资源多目标优化配置模型的建立2. 1.1 决策变量根据区域的地形地貌、水利条件、行政区划，一般可将区域划分为若干分区。

根据各水源在区内的配水特性，可将水源划分成两类:共用水源和独立水源。

所谓共用水源是指能同时向两个或两个以上的分区供水的水源。

独立水源是指只能给水源所在的分区供水的水源。

本研究假设区域划分为K个分区，i =1，2，…，K，本文将k分区内所有独立水源计为1个水源、分别有J(K)个用水部门j=1,2, …，J(K)（本文各区均定为4个，分别为工业、生活、农业、生态）。

水资源管理中的决策模型分析第一章：绪论自古以来，水资源一直是人类生存的重要基础。

由于人口增长、工业化和城市化的加速，以及气候变化等原因，全球水资源问题日益突出。

因此，建立有效的水资源管理系统成为当今国际社会亟需解决的问题。

决策模型的建立和应用对于高效的水资源管理至关重要。

本文将针对决策模型在水资源管理中的应用进行探讨，为水资源管理提供决策支持。

第二章：水资源管理决策模型的种类2.1 线性规划模型线性规划模型最初应用于工业生产中，而现在被广泛用于解决水资源管理问题。

在水资源管理中，线性规划的优化目标通常是最大化或最小化特定的目标，比如水资源的利用率、水资源供应的可靠性以及灌溉效率等。

2.2 决策树模型决策树模型是一个决策支持工具，用于分析和描绘一个可能的决策过程。

它的根节点代表决策的起点，而分支节点代表决策路径和可能出现的结果。

使用决策树模型，水资源管理者可以制定最佳的水资源管理政策，以在限制条件下最大化水资源的利用效率。

2.3 模拟模型模拟模型是采用计算机模拟技术，模拟实际情况并推断一系列未来的情景与结果。

水资源管理中，模拟模型可以模拟水资源的供应和需求，以便更好地评估今后的决策方案。

2.4 流行病学模型流行病学模型可以通过对水资源系统中各种变量的建模，预测水资源的供应和需求。

在开发流行病学模型时，水资源管理者将同时考虑环境和人口变化的各项因素，以更好地指导资源规划和管理。

第三章：决策模型在水资源管理中的应用3.1 灌溉决策模型为了合理利用水资源，决策模型可以应用于灌溉决策中。

该模型基于决策树和流行病学模型，考虑到一系列因素，如土地利用、降水预测、需水量等，以制定出最优的水资源管理计划。

3.2 雨水收集决策模型随着气候变化以及城市扩张，越来越多的城市选择雨水收集作为水源。

决策模型可以利用线性规划等方法，以最大化雨水收集效率，将雨水转化为可用的水资源。

3.3 面向未来的水资源规划面向未来的水资源规划是一个复杂的过程，它需要预测未来水资源的需求和供应。

前言水资源系统分析是近几十年来发展迅速的一门学科，它利用系统科学的理论和方法分析制定水资源的合理开发、利用、保护和管理方案，以达到整体最优或最满意的综合效益。

系统分析方法已在水资源系统的规划、设计、施工、运行管理中得到了广泛的应用。

水资源系统分析方法包括系统建模方法、预测方法、优化方法、模拟方法、评价方法、决策方法等。

水资源系统分析与应用课程设计以基本的系统分析方法（线性规划、整数规划、非线性规划、动态规划、多目标规划与决策等系统优化方法、系统模拟方法）为主。

本次课程设计将采用Lingo对目标进行规划求解，LINGO是美国芝加哥(Chicago)大学的Linus Schrage（莱纳斯.施拉盖）教授于1980年前后开发，它是一种专门用于求解数学规划问题的软件包，广泛应用LINGO主要用于求解线性规划、非线性规划、二次规划和整数规划等问题，也可以于求解一些线性和非线性方程组及代数方程求根等。

Lingo的优点有：简单的模型表示、方便的数据输入和输出选择、强大的求解器、交互式模型或创建Turn-key应用程序。

其特色在于内置建模语言，提供十几个内部函数，可以允许决策变量是整数。

目录一、线性规划问题 (1)二、整数规划问题 (5)三、非线性规划问题 (7)四、动态规划问题 (8)五、多目标规划问题 (12)六、心得与体会 (16)一、线性规划问题一个灌区耕地面积1000hm²,可用灌溉水量360万m³。

在安排种植计划时考虑两种粮食作物A,B，其灌溉定额分别为3000m²/hm³、6000m²/hm³,每公顷净收入分别为4500元/、6000元。

问如何安排两种作物的种植面积才能使整个灌区净收入最大？解：以作物A,B的种植面积x1,x2为决策变量。

目标函数：总净收入（万元）最大maxZ=0.45 x1+0.60x2约束条件：(1) 耕地面积（hm²）X1+X2<=1000(2) 灌溉水量（m²/hm³）0.3X1+0.6X2<=360(3)非负约束X1,X2>=0用Lingo求解过程为计算列方程为：MAX=0.45*X1+0.60*X2;X1+X2<=1000;0.3*X1+0.6*X2<=360;X1>=0;X2>=0;计算结果为：Global optimal solution found.Objective value: 480.0000Infeasibilities: 0.000000Total solver iterations: 2Variable Value Reduced Cost X1 800.0000 0.000000 X2 200.0000 0.000000 Row Slack or Surplus Dual Price1 480.0000 1.0000002 0.000000 0.30000003 0.000000 0.50000004 800.0000 0.0000005 200.0000 0.000000“OBJECTIVE FUNCTION VALUE 480.000”表示最优目标值为480.000（LINGO中将目标函数自动看作第1行，从第二行开始才是真正的约束条件）。

水资源管理中的多目标优化研究水资源管理是当前全球面临的一个严峻挑战。

不仅环境污染和气候变化等人为因素危害着水资源的可持续性，同时水资源的分布、利用和管理也存在很大不平衡性和冲突性。

多目标优化研究成为当前研究水资源管理中的一个重要领域，为寻求一个合理的平衡和可持续的水资源管理方案提供了有效的途径。

本文将介绍水资源管理中的多目标优化研究，并分析目前的研究热点和挑战。

一、多目标优化研究发展史多目标优化研究在20世纪80年代逐渐发展起来。

从最早的单目标优化模型，逐渐向多目标优化模型发展。

多目标优化模型旨在寻找一种改善或者优化决策方案的最优解，同时最小化或者最大化多个目标函数，而不是仅根据一个特定目标函数进行决策。

在水资源管理中，多目标优化模型主要用于寻找一种能够平衡多种目标的水资源管理方案，比如满足水质需求、生态要求和灌溉需求等目标。

在多目标优化领域，研究者们提出了各种方法。

典型的方法包括动态规划、线性规划、非线性规划、遗传算法、离散领域搜索和混合整数线性规划等。

这些方法在解决多目标优化问题时都具有自己的优点和局限性，随着研究者们对于这些方法的不断完善和改进，多目标优化模型也得到了不断的发展。

二、水资源管理中的多目标优化研究水资源管理是当前世界面临的一个严峻挑战。

在大面积地区，水资源短缺和水污染已成为日益严重的问题。

水资源的分配、利用和管理也存在很大的不平衡性和冲突性。

为了解决这些问题，国内外越来越多的研究者开始探索多目标优化模型在水资源管理中的应用。

多目标优化模型可以帮助规划决策者在考虑多个目标的情况下，制定一个综合的水资源管理方案。

这种方案能够使各个地区、各种用户和各种需求实现平衡，从而实现可持续水资源管理。

具体而言，在水资源管理中，多目标优化模型可以用来优化各种因素，包括灌溉、城市用水、饮用水、河流健康和生态保护等方面。

（一）灌溉灌溉是全球水资源管理中最具挑战性的问题之一。

它不仅涉及农业生产、食品安全和生态环境问题，还会影响社会和经济发展。

1。

可持续发展:指“人类在社会经济发展和能源开发中,以确保它满足目前的需要而不破坏未来发展需求的能力".2.水资源利用可持续度：指表示水资源对于发展的支持程度,是水资源对于发展用水量的满足程度，可供给的水资源总量与发展用水总量的比值。

3.水资源利用可持续指数：是表示区域发展持续可能性的大小,是水资源利用的产出与用水量的比值，即表明发展的程度，又表明水资源利用的节约程度。

4。

水资源规划：水资源规划是以水资源利用、调配为对象，在一定区域内为开发水资源、防治水患、保护生态环境、提高水资源综合利用效益而制定的总体措施计划与安排5. 水平年：指在规划设计水资源过程时，以未来某一年的需水量作为规划设计需水量，未来的那一年就是我们的设计水平年。

设计水平年是相对于现状年而言，现状年也叫基准年. 6。

设计代表年:常常从长系列的水文资料中选择一些代表年或代表期的径流资料调节计算,供规划方案比较。

7。

最大供水能力：是指区域供水系统能够提供给用户的最大供水量的大小。

8. 灌溉水利用系数：是指灌溉面积上田间所需净水量与渠首引进的总水量的比值。

9. 生态环境需水：是指为了维持生态环境系统一定功能所需要保留的自然水体或需要人工补充的水量。

10。

河道内生态环境需水:指维持河流生态系统一定形态和一定功能所需要保留的水量。

11。

河道外生态环境需水:指保护、修复或建设给定区域的生态环境需要人为补充的水量。

12.供水预测：是以现状情况下水资源的开发利用状况为基础,以当地水资源开发利用潜力分析为控制条件，通过经济技术综合比较,制定出不同水平年的水资源开发利用方案，从而进行可供水量预测，为水资源的供需分析与合理配置提供参考依据。

13。

可供水量：指在不同水平年、不同保证率情况下，考虑可利用水资源量，河道外需水量及工程供水能力三者组合条件下工程设施可提供的水量。

14。

库容系数：库容系数β =V/W 水库兴利库容除以本级水库多年平均年径流量15。

水资源管理中的数据分析与决策支持水是人类生存的必需资源，没有水，人类就难以维持生命。

而如今，随着人口的不断增长、城市化进程的不断加速，水资源的供需矛盾日益严重。

水资源管理成为当代社会发展必须重视的重要问题。

而在水资源管理中，数据分析和决策支持起到至关重要的作用。

本文将阐述水资源管理中的数据分析和决策支持的重要性，并介绍数据分析和决策支持的相关技术和方法。

一、数据分析在水资源管理中的重要性对于水资源管理者而言，数据的收集、分析和利用一直都是必须重视的任务。

水资源管理涉及到各个领域，比如水质监测、水资源评估、水资源分配等。

这些工作都需要大量的数据作为支撑，以便进行科学的决策。

然而，采集到的数据并不都是可用的数据，需要进行预处理、清理等操作，以保证数据质量。

处理好的数据，再运用数据分析技术，可以发现数据之中隐藏的信息和规律，为决策者提供预测和分析的依据，从而制定出更加科学的决策方案。

1.数据分析在水质监测中的应用水质是农业生产和人民生活中必不可少的东西。

随着人口不断增长和工业化水平的不断提高，水质的监测和管理愈发急迫。

数据分析技术可以帮助水资源管理者发现水质的细微变化和污染物的来源，从而提供针对性的治理方案。

例如，利用建立在精准测量技术基础上的数据分析方法，可以通过对水中有害物质浓度数据的分析和监测，及时预测水质的变化趋势，并提前做出针对性的治理和防范措施，从而保护城市的水源，保障民众的用水需求。

2.数据分析在水资源评估中的应用水资源评估是确定水资源的数量和质量、水文地质条件及其变化趋向、水量需求、合理供需等方面的研究。

数据分析技术可以帮助水资源管理者有效地评估水资源的可持续利用和管理状况，实现可持续发展。

例如，在进行水资源量评估时，可以通过监测和分析流量、降雨量、蒸发量等多个指标数据，来评估水资源的供应情况。

同时，运用数据分析技术，可以绘制区域地图、统计图等可视化工具，以便评估者更清晰地了解水资源的分布和利用情况。

水利资源GIS决策和分析系统水资源GIS决策和分析系统方案名目第1章项目概述...................................................................................... - 1 -1.1.项目背景.............................................................................................................. - 1 -1.2.建设内容.............................................................................................................. - 1 -第2章系统需求分析............................................................................... - 3 -2.1.用户现状说明与分析.......................................................................................... - 3 -2.1.1.机构设置情形及用户分析.......................................................................... - 3 -2.1.2.拟建系统以及数据情形.............................................................................. - 4 -2.1.3.拟建网络情形.............................................................................................. - 6 -2.1.4.拟建软硬件情形.......................................................................................... - 7 -2.2.要紧数据情形...................................................................................................... - 7 -2.3.应用系统分析...................................................................................................... - 8 -2.3.1.地表水质量预报............................................................... 错误!未定义书签。