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申请/专利权人：中国水利水电科学研究院

摘要：本发明公开一种基于双层嵌套配置的水资源刚性约束与均衡控制方法，包括以下步骤：步骤1、划分区域单元并确定其未来水平年经济社会特征参数；步骤2、计算各区域单元长系列年高效节水条件下的需水量阈值；步骤3、长系列计算各区域单元未来水平年常规与潜在情景下可供水量阈值；步骤4、开展各区域单元未来水平年双层嵌套水资源供需组合设计；步骤5、进行双层嵌套多水源多用户多目标水资源优化配置计算；步骤6、调整各单元未来水平年经济社会特征参数并确定最优控制方案。本发明所述方法具有很强的实用性和可操作性，能够为水资源精准化管理决策提供量化技术支撑，对于流域与区域水资源规划编制以及水利工程建设与实施具有重要指导价值。

主权项：1.一种基于双层嵌套配置的水资源刚性约束与均衡控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、划分区域单元并确定其未来水平年经济社会特征参数：基于研究流域水资源及其开发利用特征、人口与产业发展总量、结构与趋势、行政区划因素，结合流域与区域水资源管理的目标要求，将研究流域划分成若干个相互独立的区域单元，并确定各区域单元未来水平年经济社会特征参数；所述经济社会特征参数包括城镇人口、农村人口、工业增加值、农田有效灌溉面积、林果灌溉面积、鱼塘补水面积、大牲畜和小牲畜数量；步骤2、计算各区域单元长系列年高效节水条件下的需水量阈值：在步骤1确定的经济社会特征参数基础上，结合高效节水条件下的用水指标，长系列逐年计算各区域单元未来水平年高效节水条件下的需水量，具体计算公式为： Dt，k，1＝G1k×L1k×0.365Dt，k，2＝G1k×L2k×0.365Dt，k，3＝G1t，k×L3t，kDt，k，4＝G2k×L4k×0.365Dt，k，5＝G3k×L5t，kDt，k，6＝G4k×L6t，kDt，k，7＝G5k×L7t，kDt，k，8＝G6k×L8t，kDt，k，9＝G7k×L9k式中，Dt，k为第k单元第t年份总需水阈值，m3；Dt，k，j为第k单元第t年份第i用户的需水量阈值，m3；k＝1，2...K，即有K个不同的区域单元；t＝1，2...T，即有T个未来水平年，如近期、中期和远期；J为用水户个数，即J＝9；j＝1，2...9，按照顺序为城镇居民、城镇公共、生态环境、农村居民、工业用水、农田灌溉、林果灌溉、水产养殖和畜禽养殖；G1k为第k单元的城镇人口，人；G2k为第k单元的农村人口，人；G3k为第k单元的工业增加值，万元；G4k为第k单元的农田有效灌溉面积，亩；G5k为第k单元的林果灌溉面积，亩；G6k为第k单元的鱼塘补水面积，亩；G7k为第k单元的牲畜数量，头；L1k为城镇居民生活人均用水指标，L人·日；L2k为城镇公共人均用水指标，L人·日；L4t，k为农村人均用水指标，L人·日；L5t，k为工业万元增加值用水量指标，m3万元；L9t，k为牲畜用水指标，L头·日；L3t，k为人均生态环境用水指标，m3人，L6t，k、L7t，k和L8t，k分别为农田灌溉、林果地、鱼塘补水的单位面积净定额指标，m3亩；步骤3、长系列计算各区域单元未来水平年常规与潜在情景下可供水量阈值：常规情景下各区域单元未来水平年可供水量阈值综合考虑水资源禀赋、水资源开发利用状况、水利工程建设以及相关水资源管理要求因素进行确定，具体可分为地表水、地下水和非常规水三类，所述地表水包括本地水、过境水和外调水，具体计算公式为： 式中，Sat，k为第k单元第t年份的常规情景下可供水量阈值，m3；Sat，k，i为第k单元第t年份第i水源的常规情景下可供水量阈值；I为水源个数，I＝3，i＝1，2...3时按照顺序为地表水、地下水和非常规水；所述常规情景下各区域单元未来水平年可供水量阈值同时小于水资源的可利用量和水资源开发利用控制红线，具体计算公式为：Sat,k,1＝MinSlat，k,1，Rat,k,1 Sat,k,2＝MinSlat,k,2，Rat,k,2Sat,k,3＝Rat,k,3式中，Slat,k，1为和Slat,k，3分别为第t年份第k单元地表水和地下水的可利用量，m3；SaOt，k，m为第t年份第k单元第m月的河流天然径流量，m3，m＝1，2.....M，M为月数；Sa1t,k，m为第t年份第k单元第m月的河流生态流量要求，m3；Sa2t，k,x为第t年份第k单元第x月的河流洪水不可利用量，m3；x1和x2分别为第t年河流汛期开始和结束月份；Rat,k,1、Rat,k，2和Rat,k，3分别为第t年份第k单元地表水、地下水和非常规水的水资源开发利用红线指标，在长系列条件下，该指标采用多年平均指标；潜在情景下各区域单元未来水平年可供水量阈值是指在常规情景基础上，考虑更大范围预留统筹指标的分配运用所确定的可供水量阈值，即在常规情景下可供水量阈值的基础上加上预留统筹指标，具体计算公式为：Sbt，k，i＝Sat，k，i+Tt，k，i 式中，Sbt，k为第k单元第t年份的潜在情景下可供水量阈值，m3；Sbt，k，i为第k单元第t年份第i水源的潜在情景下可供水量阈值；Tt，k，i为第t年份第k单元第i水源可得到的流域预留统筹指标，m3；步骤4、开展各区域单元未来水平年双层嵌套水资源供需组合设计：在步骤2和步骤3的基础上，开展各区域单元未来水平年双层嵌套供需组合设计，内层为基础层即区域层面，各单元供需约束组合为高效节水条件下总需水量阈值与常规情景下可供水量阈值；外层为扩展层即流域层面，各单元供需约束组合为高效节水条件下总需水量阈值与潜在情景下可供水量阈值；内层与外层之间通过流域预留统筹指标进行有机链接；步骤5、进行双层嵌套多水源多用户多目标水资源优化配置计算：在各区域单元未来水平年双层嵌套供需组合设计基础上，分层开展面向多目标的水资源优化配置，主要包括以下几个步骤：步骤51、确定决策变量：基础层的决策变量为每个区域单元不同水源到各用户之间的配置水量即Qt，k，i，j，表示第t年份第k单元由第i个水源给第j用户的配置水量，其中，t＝1～T；k＝1～K；i＝1～I；j＝1～J；扩展层的决策变量为第k单元可得到的流域预留的水资源开发利用指标；步骤52、设定目标函数：基础层的目标函数为区域单元的经济性最大化，计算公式为：ft，a＝{f1t，k} 式中，ft，a为第t年份基础层的目标函数；f1t，k为第t年份第k单元经济性目标函数，万元；Max为求最大值函数；GDPt，k，j为第t年份第k单元第j用户的净经济产出，万元；GEat，k，GEbt，k，GEct，k和GEdt，k分别为第t年份第k单元单位用水带来的农业、工业、三产和生活部门所带来的净经济产出参数，万元m3；Ut0，k，j为现状年第k单元第j部门的用水量，fa，fb，fc，fd分别为农业、工业、三产和生活部门的分摊系数；GEat0，k，GEbt0，k，GEct0，k分别为现状年第k单元单位用水带来的农业、工业、三产增加值，万元；GEdt0，k为现状年第k单元居民可支配收入，万元；er为恩格尔系数，无量纲；拓展层的目标函数为追求流域的水资源利用经济性最大化、发展水平均衡性最大化和社会公平均衡性最大化，拓展层的目标函数的计算公式如下：ft，b＝{f1t，f2t，f3t}式中，ft，b为第t年份拓展层的目标函数；f1t为第t年份经济性目标函数；f2t为第t年份发展水平均衡性目标函数；f3t为第t年份社会公平均衡性目标函数；步骤53、确定约束条件：确定约束条件，约束条件包括各区域单元的需水约束、常规情景下的供水约束、潜在情景下的供水约束、生态流量保障约束、水功能区水质达标约束以及非负约束；步骤54、通过高效寻优算法进行求解：采用带精英策略非支配排序遗传算法实现高效寻优，给出多水源多用户水资源优化配置方案；步骤6、调整各单元未来水平年经济社会特征参数并确定最优控制方案：根据各区域单元长系列分水源、分用户的配置水量即通过优化求解后得到的配置水量Qt,k，i,j，分用户计算取水保证率，具体计算公式为： 式中，Pk，a为第k单元农业用户的用水保证率，％，PLk，a为第k单元农业用户的用水保证率要求，大于50％或75％；Pk，b为第k单元工业用户的用水保证率，％；PLk，b为第k单元工业用户的用水保证率要求，大于90％或95％；Pk，c为第k单元居民的用水保证率，％；PLk,c为第k单元居民用户的用水保证率要求，要求大于95％或98％；Pk，d为第k单元生态用户的用水保证率，％；PLk，d为第k单元生态用户的用水保证率要求，大于50％或75％；如不满足取水保证率要求，则调整各单元未来水平年经济社会特征参数，重复上述步骤2～5，直至各单元各用户的配置水量满足用水保证率的要求，具体计算公式为：G1k′＝G1k×MinK1t,k，M1t,k，G2k′＝G2k×MinK2t，k，M2t，k，G3k′＝G3k×MinK3t，k，M3t，k，G4k′＝G4k×MinK4t,k，M4t,k，G5k′＝G5k×MinK5t，k，M5t,k，G6k′＝G6k×MinK6t，k，M6t,k，G7k′＝G7k×MinK7t,k，M7t，k，式中，G1k′～G7k′分别为第t年份第k单元的城镇人口、农村人口、工业增加值、农田有效灌溉面积、林果灌溉面积、鱼塘补水面积和牲畜数量的调整值；K1t，k～K7t，k分别为第t年份第k单元城镇人口、农村人口、工业增加值、农田有效灌溉面积、林果灌溉面积、鱼塘补水面积、牲畜数量的调整系数，无量纲；M1t，k～M7t，k分别为第t年份第k单元管理层面城镇人口、农村人口、工业增加值、农田有效灌溉面积、林果灌溉面积、鱼塘补水面积、牲畜数量的最大限制率要求，无量纲。

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