基于分式规划的农业用水资源优化配置不确定性模型研究-肖圆圆.pdf

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1、IIIIIII11111111111111111111111111111111111111Y3231 024中圈分类导密 缴 公理学校代码 !Q22学 号!塑!QQ!Q隶北装案六譬硕士学位论文基于分式规划的农业用水资源优化配置不确定性模型研究作 者崮圆圆学位类别工茔甄一级学科盔业王程导 师位强熬授所在学院巫刭皇本王提兰院二级学科盔些盎工程二O一七年六月万方数据Classified Index：Confidential(yesno)：noCode：10224NO1401 10010Dis sertation for the Master DegreeStudy on Uncertainty Mo

2、del of OptimalAllocation of Agricultural WaterKeSOUrces Basecl 0n。ractional1n 1h 1 1n ProgrammingCandidate：Xiao YuanyuanSupervisor：ProfFt QiangrotU langDegree Category：Master of Science in EngineeringCollege：School ofWater Conservancy and Civil EngineeringFirst level discipline：Agricultural Engineer

3、ingSecond level discipline：Agricultural Water and Soil EngineeringHarbin ChinaJune 2017万方数据一f螋嘲掣皇曼曼鲁!曼曼曼曼曼曼舅曼蔓量曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅蔓曼笪曼曼曼曼曼量 V口一r目 录摘要I英文摘要1引言3 11立题依据312研究目的及意义313国内外研究概况4 131水资源优化配置研究概况4132国内外研究概况评述814主要研究内容615技术路线图82基本理论及方法1 l21水资源优化配置理论11211水资源优化配置内容11212水资源优化配置原则922不确定性问题的优化方法12221分式规划(FP)

4、12222随机规划(sMP)15223模糊规划(FMP)1223本章小结173基于多目标模糊规划的分式规划模型研究193，1多目标模糊规划模型的构建1932模型求解2033实例研究22331和平灌区概况22332模型参数率定2234分析及讨论23341单一目标函数模型结果与分析23342线性隶属度目标函数模型结果与分析25343非线性隶属度目标函数模型结果与分析2635本章小结274基于条件风险价值的分式规划模型研究2941农业用水结构优化模型构建29411农业用水结构分式规划模型29412考虑条件风险价值的农业用水资源优化配置分式规划模型3042实例研究3 1421研究区域概况31l万方数据

5、东北农业大学工学硕士学位论文422模型参数率定3l43分析及讨论32431农业用水量分析3343。2种植方案分析一34433用水效率分析35434机会约束规划分析364-35条件风险价值分析3744本章小结385结论与展望4051主要结论4052论文主要创新点4l53研究不足与展望4lj改射42参考文献42攻读硕士学位期间发表的学术论文50II万方数据CoNTENTSCONTENTSAbstraet in Chinese。IAbstract in English1Introduction311 Basis ofvertical title312 Research purpose and sig

6、nificance31-3 Domestic and international research dynamic status4131 Research on optimal allocation ofwater resources4132 A review of studies at home and abroad814 Main study contents615 Technical route82 Basic theory and method1 121 Water resources optimal allocation theory1l211 Optimal allocation

7、ofwater resources，11212 Principle ofoptimal allocation ofwater resources，922 The optimization method of uncertainty problem12221 Stochastic mathematical programming(SMP)12222 Fuzzy mathematical programming(FMP)15223 Fractional mathematical programming(FP) 1223 The summary ofthis chapter，。173 Researc

8、h on FractionalProgrammingModelBasedon Multi-objectiveFuzzyProgramming1931 Establishment of multiobjective fuzzy programming model1932 The solution ofthe model2033 Case study22331 General situation ofHeping irrigation area22332 Model parameter calibration2234 Results and discussion。：!：；341 Results a

9、nd analysis of single objective function model一23342 Result and analysis of linear membership function model25343 Result and analysis ofnonlinear membership degree function model2635 The summary of this chapter274 Research on Fractional Programming Model Based on Contingent Risk Value2941 Model deve

10、lopment for optimizing agricultural water-use structure29411 Fractional programming model of agricultural water structure一29412 FP model for agricultural wateruse structure adjustment that considers the CVaR3042 Case study31421 General information of the study area3 1Ill万方数据422 Model parameter calib

11、ration-3 143 Results and discussion32431 Analysis of agricultural water consumption33432 Analysis of planting structure。34433 Analysis of the plantation benefit of unit water consumption35434 Analysis of CCP36435 Analysis ofthe CVaR3744 The summary ofthis chapter385 Conclusion and Prospect，。4051 Mai

12、n conclusion4052 Major innovation4153 Scarcity and Prospects41Acknowledgement-42References42Papers published in the period of PhMeducation。-。-50万方数据研究生学位论文独创性声明和使用授权书独 创 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得(蓬；翅趁查基他益墓缱剔芭明的!奎拦亘窒2或其他教育机构的学位或证书使用过

13、的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：瓿固劫 日期：z口1年6月呼日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：司闯 日期：2。f7年月日导师签名：f，寸张日期：圳7年#月日万方数据摘要摘 要协调水资源在供应和需求之间的矛盾，减少水资源的浪费，

14、有效提高其利用率，确保有限的水资源得到合理的利用，是水资源领域最亟待研究的课题。黑龙江省水资源储存量相对较丰富，但时空分布不均，针对黑龙江省水资源开发利用现状，本文以实现黑龙江省水资源可持续利用为指导思想，以实现不断提高水资源利用效率为最终目标，在不同研究区域采用不同方法对黑龙江省水资源进行优化配置，将不确定性优化方法的一些先进成果应用到水资源系统规划管理中，来解决水资源配置中存在的复杂性和不确定性，进而为决策方案的形成提供必要的依据。主要研究内容和结论如下：(1)通过整合文献资料，比选研究方法。基于水资源系统优化配置过程中存在的诸多不确定性，具体描述了不确定性优化方法的概念、基本原理及应用条

15、件。综合分析各种不确定性优化方法的优势，选定构建分式规划模型来进行水资源优化配置。同时，将三种不确定优化方法进行不同程度的耦合，实现对水资源优化配置模型的改进。(2)构建基于多目标模糊规划的分式规划模型。针对灌区可利用水资源不足，多水源工程不能协调供水等问题，以和平灌区为例，构建基于多目标模糊规划的灌区多水源优化配置模型，将不同水源的可供水量在水稻各生育阶段内进行有效配置，并采用具有非线性隶属度函数的模糊多目标规划求解模型，得到不同流量不同水源下的最优配水方案。结果表明，不同流量水平下水稻不同生育阶段均存在缺水现象，低流量水平下需从柳河水库引入外调水才能保证水稻的最小需水需求。此外，为保证灌区

16、整体经济效益，按照引水工程、提水工程、井灌工程的先后顺序进行配水，并得到多目标配水模型在不同情景下的运行稳定情况。该模型可以为高效地进行灌区多水源在作物各生育阶段的优化配置提供合理的决策方案。(3)构建基于条件风险价值的分式规划模型。针对区域内水资源分布不均，区域内用水需求不同等问题，构建了基于条件风险价值的水资源利用多目标分式规划模型，将其应用于三江平原5个重要的粮食主产区，并在此条件下进行种植结构优化。研究表明，优化后整体种植效益由原来的420。69亿元提高到42474亿元，用水量由原来的15904亿m3减小到11950亿rn3，农业用水效率由原来的265元m3提高到355元m3，该结果验

17、证了模型及求解方法的可行性。此外，用水量、种植效益、农业用水效率随着违规概率水平的增加呈现逐渐上升趋势，但用经济学角度量化风险因素后发现，随着风险系数的增加农业用水效率提升程度并不明显，即风险的增加，可以提高种植效益，但并不能带来农业用水效率的显著提升。综上所述，基于分式规划的水资源优化配置模型的研究，能够帮助管理者综合管理水资源，在一定程度上提高农业用水效率，优化农业用水结构，为黑龙江省和类似水资源匮乏地区实现有限水资源发挥最大效益提供一定的理论依据与决策支持。关键词：多目标模糊规划；多水源；优化配置；分式规划；农业用水效率万方数据引 言Study on Uncertainty Model

18、of Optimal Allocation ofAgricultural Water Resources Based on FractionalProgrammingAb stractIt will become the most urgent subject in the field of water resources，to reduce the waterresources waste，to improve its utilization rate，to ensure that limited water resources are usedrationallyIn Heilongj i

19、ang Province，water resources storage is relatively rich，with unevendistribution of time and spaceAccording to the present situation of water resourcesdevelopment and utilization in Heilongjiang Province，this paper achieve the sustainable useof water resources in Heilongjiang Province as a guiding id

20、eology，and set continuousimprovement of water use efficiency as the ultimate goal，different methods are used tooptimize the water resources of Heilon萄iang Province on different scales，some advancedachievements of the uncertainty optimization method are applied to the water resourcessystem planning m

21、anagement to solve the complexity and uncertainty in the water resourcesallocation，then provide the necessary basis for the formation of decision-making programThe specific research contents are as follows(1)Method SelectionAiming at many uncertainties in the optimal al location of waterresources，co

22、ncept，basic principle and application condition of the uncertainty optimizationmethods are described in detailBased on the analysis of the advantages of various uncertainoptimization methods，the fractional programming model are chosen to optimize theallocation of water resourcesAt the same time，thre

23、e kinds of uncertain optimization methodsare coupled to different degrees aiming to realize the improvement of water resources optimalallocation model(2)Constructing fractional programming model based on multiobjective fuzzyprogrammingMany problems exist in an irrigation district with multi-water re

24、sources such aswater shortage and water project is not functioning adequately，therefore，it is significant toimplement joint dispatching of multi-water resources for alleviating water shortage andpromoting the synergy ascension of crops and water resourcesA fuzzy multiobjectiveprogramming for multi-w

25、ater resources optimal allocation model was constructed takingHeping irrigation district in Heilongjiang province as an exampleThe model is capable ofincreasing water net benefit and decreasing wateruse amount simultaneously,which willimprove the effective allocation of multi-water resources of Hepi

26、ng irrigation district。Fuzzymultiobjective programming with nonlinear membership functions was adopted to solve the万方数据东北农业大学工学硕士学位论文model，and the optimal schemes under different flow levels and water sources were obtainedResults show that water shortage exists in each growth period of rice under ea

27、ch flow level，and more water should be transferred from Liuhe reservoir under low flow level to guaranteethe minimum water requirementThe water were allocated in the order of water diversionproject，water lifting project and well irrigation project to ensure the total benefit of Hepingirrigation dist

28、rict，and the stability of the multi-objective model operation under differentscenarios was obtained as wellThe developed model can effectively allocate the multiwaterresources to the different growth stages of the study crop，which will provide reasonabledecision schemes for administrative department

29、(3)Constructing fractional programming model based on conditional value。at。riskForoptimizing the wateruse structure and increasing plantation benefit of unit waterconsumptiona multiobjective model for water resources utilization was established based onfractional programming(FP)Meanwhile，considering

30、 the stochasticity of water availabilityin the study area，the impact of the risk factor(九)from a quantitative and qualitativeperspective was analyzedThe chanceconstrained programming(ccP)and conditionalvalueatrisk(CVaR)models were introduced into five important maj or grain production areasin Sanjia

31、ng Plain，and the crop planting structure under this condition was optimizedTheresults showed that，after optimization，overall benefit of cultivation increased from 4207billion Yuan to 4247 billion Yuanwater consumption decreased from 1590 billion mto1 195 billion m3the plantation benefit of unit wate

32、r consumption increased from 265Yuanm3 to 355 Yuanm3 Furthermore，the index of water consumption，benefit ofcultivation and plantation benefit of unit water consumption showed an increasing trend withthe increase of violation likelihoodHowever，through the quantification of九from aneconomic perspective，

33、the increasing of X could not enhance plantation benefit of unit waterconsumption significantlyIn summary,the study on the optimal allocation of water resources on different scalescan help managers to manage water resources comprehensiVely， on a certain extent，improving agricultural water efficiency

34、,and optimizing agricultural water structureThemodel established at present and the analysis results can provide a theoretical basis anddecisionmaking support to achieve the maximum benefit of limited water resources inHeilongjiang Province and similar regions suffering water resource scarcityKey wo

35、rds：Fuzzy multiobjective programming；Multi-water resources；Optimal allocation；Fractional programming(FP)；Plantation benefit of unit water consumptionCandidate：Xiao YuanyuanSpecialty：Agricultural Water and Soil EngineeringSupervisor：ProfFu Qiang2万方数据引 言1引言11立题依据本研究来源于国家自然科学基金灌区多水源复合系统灌溉水利用效率尺度效应及转化机理

36、研究一以黑龙江省为例(51479032)、黑龙江省高校长江学者后备支持计划项目灌区多水源复合系统优化配置及灌溉水利用效率尺度效应研究一以黑龙江省典型灌区为例、黑龙江省水利科技项目黑龙江省灌溉水利用效率研究(201503)等项目。本文基于黑龙江省粮食主产区三江平原和典型灌区庆安县和平灌区的相关调研数据，主要采用分式规划、随机规划、模糊规划等不确定性水资源优化配置方法，针对不同研究区域、不同研究角度建立了综合型水资源优化配置模型，研究结果对于黑龙江省和类似地区水资源的开发与利用具有一定的指导意义和使用价值。12研究目的及意义水资源是人类赖以生存的重要自然资源，经济社会的发展离不开水资源，生态环境的

37、维持也离不开水资源，所以说水资源是不可替代的宝贵资源【lj。根据分析水资源在利用过程中与经济、社会、生态环境之间的联系，在各用水部门内部制定不同水源的合理分配方式，将会对人类与经济、社会、环境的协调发展起到一定的推动作用J。所以，合理地利用、适当地开发和有效地保护水资源，制定适合于我国国情的水资源规划将成为落实可持续发展战略的必然选择13 J。但是，为确保水资源优化配置的合理、有序进行，需要正确处理水资源与各个因素之间的内在联系，并且从偶然发生和必然发生两个角度，量化水资源系统中的不确定性因素【4j。我国是农业大国，为适应经济社会的迅速发展，水资源系统的发展需要以可持续发展为指导方向。就目前而

38、言，在我国，农业方面的用水量占据了我国总用水量的70以上，而其中用于灌溉的水资源量占据农业方面用水量的90以上p J。由于用水技术和管理水平相对较低，灌溉水利用效率及灌溉水的种植效益与发达国家相比有很大的差距16】。此外，水资源短缺问题日益凸显，传统的用水方式将受到严重的威胁17j。随着城市耗水的快速增长、供水水源总量的减少及水质的下降，85的城市面临着不同程度的缺水，越来越多的占有农业用水，进而使农业用水比例逐渐下降p J。综上所述，科学合理地利用水资源，不断提高农业用水的利用效率，生产足够多的粮食来满足人们越来越多的需求，将成为亟待解决的问题。在水资源短缺加剧，农业用水效率急需提升的情况下

39、。将有限的水资源在不同的用水区域，在不同的作物之间，在同种作物的不同生育期内进行一定程度的优化配置，同时提高灌溉过程中的水利用效率，不断的提高单位用水量产生的直接经济效益，成为了新时代水资源研究领域和农业用水利用领域的最热点问题【9】。将农业用水资源进行优化配置，实现合理开发、节约、保护和高效利用，是可持续发展的最迫切选择【l。因此，水资源系统的优化配置问题，是水资源研究领域的重要问题之一，对农业的可持续发展具有重要的理论和应用价值。3万方数据东北农业大学工学硕士学位论文水资源优化配置的过程中存在着很多因素导致的不确定性，因为水资源系统首先是一个由不同水源、不同目标、不同用户组成的庞大的复杂系统；其次，水资源系统会随着自然条