基于遺傳算法的地下水資源均衡配置模型設計

曹曉磊

(河北省石家莊水文勘測研究中心,河北 石家莊 050051)

目前水資源供給不足與需求增加之間的矛盾日益突出。在城市發展的過程中，這一矛盾尤為突出，缺水與水污染并存是造成我國水資源供需矛盾的重要原因[1-2]。

解決水資源供需矛盾的基本思路是：首先要增加收入，減少支出。發展新水源，提高用水效率，增加地方供水；其次是節流。如果水量相對稀少，而水的利用率已經很高，則不大可能增加供水能力[3]。節流措施一是強化水污染防治，提高環保意識，建設污水處理廠及中水利用系統，實現廢水、污水向中水、純水轉化；二是水資源優化配置。兩者都需要大量的資金投入，而且需要一定的時間才能取得效果[4]。

在可持續發展基礎上的水資源優化配置，是指在可持續發展戰略的指導下，運用系統分析理論和優化技術，對有限的區域和水務部門的水資源進行優化配置，達到社會經濟與環境的最佳綜合效益[5]。

由于水資源供需矛盾的加劇，水污染問題日益突出，水資源短缺已經成為制約社會經濟發展的一個重要因素，本文提出了一種基于遺傳算法的地下水資源均衡配置模型。

1 基于遺傳算法的地下水資源均衡配置

水資源作為水事活動生態經濟系統的重要組成部分，其活動主要以水為主體，該系統存在諸多矛盾，最根本的矛盾在于社會經濟增長的無限需求和生態資源的有限供給。要解決這一矛盾，必須加大投資力度，建設節水型社會；必須優化水資源的配置，加強統一規劃與管理，實現有限水資源的高效利用。

水資源優化配置是指通過工程和非工程措施，在一個特定的流域或區域內，在不同的分區，不同的水源地，在不同的研究單位之間，對水資源及相關資源進行統一調配，推動社會經濟與環境協調發展[6-7]。

水的最優配置具有兩大基本功能：一是通過調整產業結構，建立節水型經濟，抑制需求增長，使之適應更為不利的水資源條件；二是協調供水量供給方的競爭，加強管理，改變水資源自然時空分布，使其與生產力分布相適應[8]。兩者互為補充，共同促進區域社會經濟可持續發展。

資源配置是可持續發展的基本問題之一。因此，必須對不同社會階層、不同時期受益人合理分配自然資源。資源配置時有如下要求：要顧及當代的發展需求和后代可持續發展的需要；要求發達地區的未來發展不能以犧牲欠發達地區可持續發展的能力為代價；要堅持以效率為核心的資源優化配置模式，也要以公平分配利益為核心[9]。水資源優化配置是可持續發展理念下的多目標決策問題。

可持續性措施包括：

第一，經濟、環境和社會協調發展。為協調經濟、環境和社會的發展，通常需要確定水資源最優配置中相應的經濟、環境和社會目標，并對其競爭力和協調發展程度進行研究。

第二，近期與長遠協調發展。為了考察水資源優化配置對區域經濟、環境、社會的短期和長期發展的不同影響，需要分階段考察水資源開發與利用的綜合效應。

第三，區域協調發展。地區結構是實現水資源優化配置、實現水資源可持續利用的重要基礎和手段。利用區域設置目標函數，可以了解不同區域的不同配置方案的影響。

在社會各階層公平分配發展利益或資源利用利益。對不同時期、不同地區的人均指標進行比較，目標函數中應盡量采用人均指標。為實現水資源優化配置，不同的開發利用策略會直接導致同一地區城鄉人均收入指標的不同變化[10-11]。

2 基于遺傳算法的地下水資源均衡配置模型

地下水源系統是一個復雜的大系統，由供水系統、輸水系統、用水系統和排水系統四個系統組成[12]。

根據各用水部門信息系統的輸入，地下水資源的分配過程可分為以下幾個階段：從水源系統到供水系統的用水量分配系統，然后從給排水系統的水資源分配系統得到反饋，供水系統根據自身的特點和反饋信息對各部門的配水進行調整，并重復此操作，直至得到最佳配置。

地下水資源配置過程如圖1所示。

圖1 地下水資源配置過程示意圖

地下水資源均衡配置模型，能夠將經濟、環境和社會綜合效益均衡配置[12-13]。基于此，結合協調可持續發展理念，建立資源配置模型，如式(1)。

max[f1(X),f2(X),f3(X)]

G(X)≤0

X≥0

(1)

式中：X表示決策向量；G(X)表示設立的所有約束條件合集，通常這些約束條件包括水資源承載能力、環境容量、土地資源等等；f1(X)表示地下水均衡配置模型中的經濟效益；f2(X)表示地下水均衡配置模型中的環境效益；f3(X)表示地下水均衡配置模型中的社會效益。

本文建立的地下水資源均衡配置模型符合可持續發展策略，具體環境目標不同時，表達式也不同。

當地下水資源的供水效益即經濟效益要求最大時，配置模型如式(2)：

(2)

當地下水的污染物排放量，即地下水均衡配置模型中的環境效益達到最小時，模型為式(3)：

(3)

當地下水系統的缺水量達到最小值時，即地下水均衡配置模型的社會效益達到最小值，配置模型為式(4)：

(4)

在分析上述不同的約束目標后，建立總體模型目標，總體模型表達式為式(5)：

F(X)=opt{f1(X),f2(X),f3(X)}=

(5)

水資源配置模型能夠通過規劃污染物排放量，得到排放目標，進而更好地確定控制目標，提出環境保護決策。除此之外，模型能夠顧及所有的區域的缺水程度，通過分析各項不同的因素，給出有效的解決供需水矛盾的途徑與措施。

3 試驗研究

對構建的地下水資源均衡配置模型進行試驗對比，分析模型設計的配置均衡性能，并構建試驗的檢測指標。針對試驗檢測所需的工具進行試驗場景設置。試驗場景考慮地下水資源分配規模較大的問題，劃分試驗測試區域，將地下水按照區域位置進行分類，并在不同的測試區域中放置相同的資源均衡檢測儀，時刻測定該測試區域的地下水資源配置情況，并構建地下水資源模型數據收集過程，如圖2所示。

圖2 地下水資源模型數據收集過程

由于自然界中地下水的轉移受地表水流狀況的影響，在試驗過程中需注意外界水流因素對試驗研究的影響，并精準分析在地下水儲存過程中的地下水體流動狀態，控制檢測區域的水體流向，確保試驗能夠持續進行。將配置模型劃分為78個決策變量，5個試驗目標以及150個基礎約束條件。

利用編碼方式將設定的模型進行基礎檢驗操作，按照地下水資源配置模型的配置原則進行符號串轉換，便于編碼試驗的執行。管理符號串數據的變量區間，標定變量流動的具體區域，避免內部地下水資源的外流。并在地下水資源的交界地帶控制水流流速信息，避免因流速判斷失誤對研究結果造成影響。為了提升整體試驗算法的運行效率，選用十進制的聯合級編碼對編碼程序進行改造，及時處理與編碼程序不符的均衡配置數據。對配置數據進行離散化處理，在編碼的過程中將其離散成為相等的幾份，設定染色體基因的移動區間。按照區間的變化形式優化控制地下水資源的算法信息，并獲取試驗研究所需的配置均衡程度數據，構建配置均衡程度試驗對比圖，如圖3所示。

圖3 模型配置均衡程度對比圖

根據圖3可知，基于遺傳算法的地下水資源均衡配置模型設計的配置均衡程度始終高于其他兩種傳統模型設計，表明本文模型設計的配置均衡性較強。由于模型在設計的過程中側重于地下水資源的算法分析，在掌控地下水資源的算法基礎后，執行資源分配的算法指令，結合水力傳導速率指標控制地下水資源的流動速率，并按照速率情況進行配置分類，劃分配置區域，集中加強對地下水資源數據的掌控力度。

在相同的約束條件下釋放遺傳算法的操作機制，將所需進行模型構建的資源數據信息全部集中于遺傳算法的機制之下，啟動配置驅動器，檢測地下水資源的周圍環境，并根據環境測試水力傳導率，構建環境檢測流程圖，如圖4。

圖4 環境檢測流程圖

根據測試后的傳導率數據標記不同環境下的地下水分配狀態，并排除外界地表水的影響，對該地的地質進行初始檢測，檢驗該地地質與地下水資源的融合程度，若該地的融合程度較低，則將該地的測試數據清除，過濾與模型設計相關程度較小的因素，實現對模型的精準構建。獲取效果良好的均衡配置模型。

為進一步檢測模型設計的設計效果，設置不同的試驗研究對配置結果的保證率進行檢驗，判斷設計的模型是否符合地下水資源均衡配置的長期需求。利用均衡計算不同試驗區域的地下水資源存儲情況，并將情況數據點標記在反映地圖中，等待地圖的標紅處理，對處理的數據適用度進行調整，促使模型符合試驗操作適應度，并構建適應度示意圖(圖5)。

圖5 適應度示意圖

選擇與地下水資源匹配程度較高的管理模型對均衡配置模型進行初始管理調整，促使配置模型更加符合試驗的研究機制。在接收到處理后的模型信息后，利用目標函數約束均衡配置模型的數據流向，并加強對流向的偏轉力度，將偏轉的水流全部引入地表區域，過濾資源雜質，達到試驗配置數據獲取的目的，并根據收集的配置結果數據進行試驗對比，設置試驗結果對比表如表1。

表1 試驗結果對比

從表1中可知，基于遺傳算法的地下水資源均衡配置模型設計對于配置模型的配置結果保證率高于傳統模型設計，能夠更好地確保地下水資源的配置平衡。在構建配置模型的同時結合地下水資源追蹤原則，時刻監控地下水資源的流動位置，并根據流動位置精準把握所需進行均衡配置的資源信息。操控地下水資源均衡配置模型的決策變量，將決策變量點錄入均衡配置模型中，在模型接收的配置信號處于穩定狀態后，接觸配置模型的行動限制命令。

在配置模型的中部位置添加種群初始化原則，將所收集的地下水資源數據全部初始化處理，并按照處理后的數據存儲結果分析基礎模型構建的位置，按照位置信息追尋地下水資源的配置均衡度，同時調節均衡度信息，及時整合均衡度信息的操作標準，盡可能將分配原則數據與地下水資源數據相對應，避免產生數據資源對應失誤的狀況。緩解約束條件帶來的均衡配置模型操作數據困難狀況，將配置模型的初始數據錄入配置信號收集倉中，保存試驗目標的位置，實現對模型所在區域的水量監測，精準掌控水量缺失與盈余信息，實現對均衡配置數據的精確研究，獲取保證率較高的配置結果數據。

4 結 論

對于水資源發展而言，遵循可持續發展是發展的根本道理，水資源作為人類可持續發展的重要保證，對于人類有重要意義。基于遺傳算法的地下水資源均衡配置模型設計，完善了地下水資源均衡配置模型的基礎設置數據，能夠完整反映水資源的分布區域，并調節水資源的流動狀態，引導地下水資源按照構建的模型進行均衡配置，具有較強的配置準確率，更加符合今后的研究發展需求。