基于多目標規(guī)劃的黑龍江省抗旱預案研究

劉述伊

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

雖然干旱問題受到廣泛的注意，但至今尚沒有從城市社會經濟總體角度的共同的理解與相應的評價方法以及抗旱預案模型研究。城市干旱應當是水分的總供給量少于總需求量的現(xiàn)象。加強抗旱現(xiàn)代化建設，提供抗旱工作的科學性、高效性，實現(xiàn)抗旱調度現(xiàn)代化已經成為歷史的必然。運用多目標規(guī)劃，建立以綜合開發(fā)規(guī)劃為目的、考慮災害影響的抗旱預案有利于提高城市項目可行性決策過程的科學性和準確性。

1 城市干旱

1.1 城市干旱相關定義及研究背景

城市干旱是指由于干旱造成城市供水水源不足(河流、水庫、湖泊來水、蓄水少，地下水位下降等)，或者由于突發(fā)性事故使城市供水水源遭到破壞，導致城市實際供水量低于正常用水量，城市正常生活、成產和生態(tài)環(huán)境受到影響。這里的城市是指經國家批準的建制市，分為直轄市、地級市和縣級市，統(tǒng)計范圍限定在城區(qū)范圍內。

干旱預警是根據(jù)旱情分析預測和旱情評估結果對區(qū)域內旱情發(fā)生趨勢進行預警。

全球有5億以上的人生活在干旱地區(qū)，整個地球大陸有30%的區(qū)域受干旱或土地沙漠化的侵擾。我國干旱區(qū)和半干旱區(qū)約占國土面積的5215%［1］，其中西北地區(qū)干旱及半干旱區(qū)的面積就占全區(qū)總面積的87%［2］。另外，據(jù)統(tǒng)計由于氣象災害而對我國造成的直接經濟損失占GDP的3% ～6%，而干旱又占氣象災害損失的50%左右。嚴重持續(xù)的干旱除直接影響工業(yè)生產、人民生活外，還造成河水斷流、綠洲減少、土地荒漠化、沙塵暴增多、地面沉降等多種自然災害［3～7］。受全球變暖和干旱氣候影響，黃河 1995年斷流122 d，1996年斷流133 d，1997年斷流226 d，并出現(xiàn)了罕見的汛期斷流現(xiàn)象。由于干旱地區(qū)自然環(huán)境嚴酷，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，干旱等自然災害頻繁發(fā)生，嚴重影響到農業(yè)、畜牧業(yè)以及工業(yè)的生產，影響到人民的基本生活。

1.2 城市干旱等級及預警等級劃分

城市旱情指標宜采用城市干旱缺水率。

城市干旱缺水率的計算公式為:

式中:Pg為城市干旱缺水率，%;Qz為城市正常日供水量，m3;Qs為因旱城市實際日供水量，m3

表1 城市干旱等級劃分指標［8］

表2 城市干旱預警等級劃分標準

應急響應的總體要求:按照旱災的嚴重程度和范圍，將應急響應分為四級。應急響應等級與干旱預警等級相對應。應急響應的總體要求是:加強領導，統(tǒng)一指揮，分級負責，部門協(xié)調;強化紀律，依法抗旱;快速反應，保障有力。落實責任，細化措施;科學調度，防抗結合，確保實現(xiàn)抗旱工作目標［9］。

2 多目標規(guī)劃研究方法介紹

2.1 問題的提出

根據(jù)實際情況及應用，提出問題及相關要求。

2.2 目標規(guī)劃模型的建立

2.2.1 偏差變量

在目標規(guī)劃模型中，除了決策變量外，還需要引入正、負偏差變量d+、d－。其中，正偏差變量表示決策值超過目標值的部分，負偏差變量表示決策值未達到目標值的部分。因為決策值不可能超過目標值同時又未達到目標值，故有d+× d－成立。

2.2.2 絕對約束和目標約束

絕對約束，必須嚴格滿足的等式約束和不等式約束，譬如，線性規(guī)劃問題的所有約束條件都是絕對約束，不能滿足這些約束條件的解稱為非可行解，所以它們是硬約束。

目標約束，目標規(guī)劃所特有的，可以將約束方程右端項看作是追求的目標值，在達到此目標值時允許發(fā)生正的或負的偏差，可加入正負偏差變量，是軟約束。

線性規(guī)劃問題的目標函數(shù)，在給定目標值和加入正、負偏差變量后可以轉化為目標約束，也可以根據(jù)問題的需要將絕對約束轉化為目標約束。

2.2.3 優(yōu)先因子(優(yōu)先等級)與權系數(shù)

一個規(guī)劃問題，常常有若干個目標，決策者對各個目標的考慮，往往是有主次或輕重緩急的。凡要求第一位達到的目標賦予優(yōu)先因子P1，次位的目標賦予優(yōu)先因子P2，……，并規(guī)定P1＞Pl+1(l=1，2…，L)表示PL比Pl+1有更大的優(yōu)先權。這些優(yōu)先因子和權系數(shù)都由決策者按照具體情況而定。

2.2.4 目標函數(shù)

目標規(guī)劃的目標函數(shù)(準則函數(shù))是按照各目標約束的正、負偏差變量和賦予相應的優(yōu)先因子而構造的。當每一目標確定后，盡可能縮小與目標值的偏離。

在實際問題中，可以根據(jù)決策者的要求，引入正、負偏差變量和目標約束，并給不同目標賦予相應的優(yōu)先因子和權系數(shù)，構造目標函數(shù)，建立模型。

2.3 目標達到法模型

多目標規(guī)劃方法常有效用最優(yōu)化模型、罰款模型、約束模型、目標規(guī)劃模型、目標達到模型，等。這里我們介紹目標達到法:

首先將多目標規(guī)劃模型化為如下標準形式:

在求解之前，先設計與目標函數(shù)相應的一組目標值理想化的期望目標(i=1，2，…，k)，每一個目標對應的權重系數(shù)為wi(i=1，2，…，k)，再設γ為一松弛因子。那么，多目標規(guī)劃問題就轉化為:

用目標達到法求解多目標規(guī)劃的計算過程，可以通過調用Matlab軟件系統(tǒng)優(yōu)化工具箱中的fgoalattain函數(shù)實現(xiàn)。

3 基于多目標規(guī)劃的黑龍江省抗旱預案研究

3.1 黑龍江省旱情概況

黑龍江省是我國產糧大省，同時也是干旱缺水省份之一，干旱缺水波及范圍廣、影響程度重、造成的損失大，而且隨著城市化進程的加快，人口增加、經濟發(fā)展和生活環(huán)境改善使得城市用水量逐年增加，城市缺水也呈加劇態(tài)勢。水資源供需矛盾十分尖銳，以哈爾濱市為例，目前，哈爾濱市日供水能力為132萬m3，日平均實際供水量70～72萬m3。現(xiàn)有的供水能力已不能滿足哈爾濱市中、遠期城市用水的需求，以城市干旱缺水率作為指標判定哈爾濱市屬于中度干旱城市，將對工業(yè)、農業(yè)、人民生活及城市發(fā)展等方面產生嚴重影響。其他地市也存在不同程度的干旱，尤其是大慶、齊齊哈爾、牡丹江最為嚴重。

3.2 黑龍江省城市干旱特點分析

黑龍江省干旱因降水偏少或異常偏少而產生。

干旱的一般規(guī)律為:①全省各區(qū)均有旱災。以西旱為重，由于降雨分配不均，地形和土壤等的差異，黑龍江省西部、東部和北部均有旱災，具有普遍性，但以西旱為重。西部地區(qū)年降水量400～500 mm，降水較少蒸發(fā)較大;東部地區(qū)年降水量500～600 mm，降水較多蒸發(fā)較少。導致西部較旱;②春夏連早。③災情重，損失大，有加重趨勢。

近年來由于黑龍江省工農業(yè)用水量的增大。環(huán)境污染，破壞生態(tài)平衡等因素對水利產生了很大影響:

河道斷流。隨著河流上中游地區(qū)水利工程的不斷修建及引水量急劇增加。造成進入下游地區(qū)的水量越來越少，致使不少河流發(fā)生了斷流甚至較長時期的斷流現(xiàn)象。

地下水超采。由于地表水無法滿足需要。再加之開采地下水工程相對于其它水源工程建設簡單和便宜得多，一些地區(qū)對地下水進行了大規(guī)模的開采。隨著開采量的逐年增加j形成了大面積的地下水下降漏斗區(qū)。

濕地破壞。濕地是地球之肺.不僅是生物多樣性的搖籃，而且由于其物理、生物和化學組分。如土壤、水、植物和動物之間的相互作用。使它能夠發(fā)揮很多極其重要的功能，例如儲水、防風暴、減輕洪水、控制侵蝕、補充地下水、釋放地下水、通過滯留營養(yǎng)物和污染物而凈化水質以及穩(wěn)定地方氣候.尤其是降水和溫度，間接導致干旱。

3.3 黑龍江省城市干旱抗旱方案

在做出城市干旱抗旱方案時，對于生活需水和工業(yè)需水的分配、有效灌溉面積的規(guī)劃、抗旱人員調度資金分配等問題都需用到多目標規(guī)劃方法。

以2008年黑龍江抗旱資金分配為例，對于抗旱資金的投入主要為農業(yè)抗旱投入和城市抗旱投入，農村抗旱投入為500萬元/萬人(將大牲畜等家禽抗旱投入折合到農村每戶中)，城市抗旱投入為400萬元/萬人，在解決干旱災害可減少的經 濟 損 失 為，農 村 為 5 300萬元/萬人，城 市 為4 000萬元/萬人。其中按照2000特大干旱受旱人口為典型年，農村受旱人口＜200萬，城市人口＜80萬，根據(jù)2008年受旱人口數(shù)據(jù)顯示，當年受旱人口＞100萬。運用線性多目標規(guī)劃中目標達到法來解決資金分配的實際問題:

將解決農村抗旱和城市抗旱人數(shù)設為 x1、x2。構建模型

而且滿足

調用matlab中fgoalattain函數(shù)，運行結果為:2008年應首先解決農村和城市受干旱影響的人口約為20萬人和80萬人，投入資金最小值為 42000萬元，減少損失最大值為426000萬元。

基于中度干旱城市，響應Ⅱ級干旱預警，其可實施的響應預案有:

1)灌區(qū)根據(jù)水量供水，應當優(yōu)先保證城鄉(xiāng)居民生活用水，充分發(fā)動群眾，積極進行抗旱灌溉。

2)大中型水庫灌區(qū)要做好水量調度，努力擴大有效灌溉面積。引黃灌區(qū)要加大引黃力度，盡可能多引黃河水，并適當進行補源。

3)缺水嚴重的城市限量供水。除滿足重要機關、企事業(yè)單位如發(fā)電、供水、天然氣、醫(yī)院和學校等用水外，暫停和壓縮部分高耗水企業(yè)生產用水。

4 結論

對于城市干旱抗旱預案，應建立良好的干旱預警機制以及干旱響應系統(tǒng)，包括抗旱水量調度方案、節(jié)水限水方案以及各種抗旱措施等。對水資源實行統(tǒng)一調度，優(yōu)化配置供水水源;嚴格實行計劃用水，合理安排用水次序，優(yōu)先保證城鎮(zhèn)生活用水和農村人畜用水。另外加快國家干旱氣候監(jiān)測預警的建設和發(fā)展。加強國際合作與交流，根據(jù)氣象、農業(yè)、水利、林業(yè)等行業(yè)干旱預警服務特點，建立與國際接軌的國家干旱綜合預警指標體系，科學評估干旱對農業(yè)、水資源、生態(tài)環(huán)境、公眾生活的影響;大力開展干旱減災技術方法研究。

［1］瞿章，錢永甫，張雅高.“中國干旱、半干旱地區(qū)氣候、環(huán)境與區(qū)域開發(fā)研究”論文集［C］.北京:氣象出版社，1990.

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［7］張強，胡隱樵，曹曉彥，等.論西北干旱氣候的若干問題［J］.中國沙漠，2000，20(4):358－362.

［8］中華人民共和國水利部.旱情等級標準［S］.北京:中華人民共和國水利部，2000.

［9］孫榮強，干旱定義及其指標評述［J］，災害學:1994，3(9):1－2.