[發(fā)明專利]一種基于負荷均衡的水資源承載能力量化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910370288.4
• 申請日: 2019-05-06
• 公開（公告）號: CN110210710B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發(fā)明（設計）人: 董增川;高曉琦;楊光;俞祎波;孫雅茹
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06Q10/0639
• 分類號: G06Q10/0639;G06Q50/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 成立珍

1.一種基于負荷均衡的水資源承載能力量化方法，其特征在于：包括如下步驟：

1)基于負荷均衡理論，建立水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)相互關聯(lián)與制約的水資源承載力量化模型，從社會規(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護三個方面分別確定模型的目標函數(shù)；

2)所述的水資源承載力量化模型的約束條件包括水資源量約束、社會經(jīng)濟約束、水環(huán)境約束、負荷均衡約束四個方面；

3)將水資源承載力量化模型的多目標問題轉(zhuǎn)化為單目標問題后，采用遺傳算法進行求解，進而得到不同情景下水資源系統(tǒng)所能承載的人口規(guī)模和社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模；

步驟1)，所述的目標函數(shù)，包括：

1.1)社會目標：以地區(qū)可承載人口值最大為目標：

式中，為第k個分區(qū)的總?cè)丝跀?shù)；

1.2)經(jīng)濟目標：以地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值最大為目標：

式中，為第k個分區(qū)的國內(nèi)生產(chǎn)總值；

1.3)環(huán)境目標：以地區(qū)化學需氧量排放量最小為目標：

式中，為第k個分區(qū)的COD排放量；

步驟2)中，所述的水資源量約束，包括各分區(qū)內(nèi)部耗水量不超過單元水資源可利用量、各分區(qū)各用水戶的耗水量之和不大于地區(qū)的水資源可利用量兩個方面：

所述的各分區(qū)內(nèi)部耗水量不超過單元水資源可利用量的約束：

T_ZHSK≤T_KLYK；

式中，T_ZHSK為各分區(qū)內(nèi)部耗水量，T_KLYK為單元水資源可利用量；

所述的各分區(qū)各用水戶的耗水量之和不大于地區(qū)的水資源可利用量的約束：

T_ZHS≤T_KLY；

式中，T_KLY為水資源可利用總量；T_ZHS為總耗水量；

水資源可利用總量計算方法為：

T_KLY＝T_DBS+T_DXS-Δ_RE；

式中，T_DBS為地表水資源可利用量，T_DXS為地下水資源可利用量，Δ_RE為地表水資源與地下水資源重復量；

總耗水量計算方法為：

式中，為第k個分區(qū)的農(nóng)村生活耗水量，為第k個分區(qū)的城鎮(zhèn)生活耗水量，為第k個分區(qū)一產(chǎn)耗水量，為第k個分區(qū)二產(chǎn)耗水量，為第k個分區(qū)三產(chǎn)耗水量，為第k個分區(qū)的河道外生態(tài)耗水量；其中為第k個分區(qū)種植業(yè)耗水，為第k個分區(qū)漁業(yè)耗水，為第k個分區(qū)畜牧業(yè)耗水；

步驟2)中，所述的社會經(jīng)濟約束，包括產(chǎn)業(yè)結構約束和人均GDP約束兩個方面：

所述的產(chǎn)業(yè)結構約束，各分區(qū)各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加值占地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值的比例不能超過其上下限：

式中，為第k個分區(qū)的國內(nèi)生產(chǎn)總值，為第k個分區(qū)第i產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加值，為第k個分區(qū)第i產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加值比例下限，為第k個分區(qū)第i產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增加值比例上限；

所述的第k個分區(qū)的國內(nèi)生產(chǎn)總值計算方法為：

式中，為第k個分區(qū)一產(chǎn)萬元產(chǎn)值耗水量，為第k個分區(qū)二產(chǎn)萬元產(chǎn)值耗水量，為第k個分區(qū)三產(chǎn)萬元產(chǎn)值耗水量；

所述的人均GDP約束，各分區(qū)人均GDP大于等于人均GDP的下限值：

式中，為第k個分區(qū)的總?cè)丝跀?shù)，A_perGDP為人均GDP的下限值；

所述的第k個分區(qū)的總?cè)丝跀?shù)計算方法為：

式中，為第k個分區(qū)農(nóng)村人口數(shù)，為第k個計算單元城鎮(zhèn)人口數(shù)，為第k個分區(qū)農(nóng)村人均日生活耗水量，為第k個分區(qū)城鎮(zhèn)人均日生活耗水量；

步驟2)中，所述的水環(huán)境約束：所有污染源排放的COD總量小于等于COD限排總量：

式中，為第k個分區(qū)點源排放量，為第k個分區(qū)面源污染排放量，ReCOD_k為第k個分區(qū)COD限排總量；

所述的第k個分區(qū)點源排放量計算方法為：

式中：為第k個計算單元城鎮(zhèn)生活耗水率，為第k個計算單元第三產(chǎn)業(yè)耗水率，為第k個計算單元第二產(chǎn)業(yè)耗水率，A_CLXS為污水處理系數(shù)，A_SHCOD為城鎮(zhèn)生活用水經(jīng)污水處理后的COD濃度，A_GYCOD為第二產(chǎn)業(yè)用水經(jīng)污水處理后的COD濃度；

所述的第k個分區(qū)面源污染排放量計算方法為：

式中：為第k個計算單元種植業(yè)畝均耗水量、漁業(yè)畝均耗水量、單位牲畜耗水量；A_ZZYCOD、A_YYCOD、A_XMYCOD、A_NCCOD分別為種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)村生活COD產(chǎn)生系數(shù)，A_ZZYin、A_YYin、A_XMYin、A_NCSHin分別為種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)村生活COD的入河系數(shù)；

步驟2)中，所述的負荷均衡約束：滿足負荷均衡約束即要求社會經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度符合要求，以保證系統(tǒng)整體的穩(wěn)定發(fā)展；

式中：C為協(xié)調(diào)度，取值在0～1之間；n為調(diào)節(jié)系數(shù)；I₁為社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評價指標；I₂為生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評價指標；C_min為所要求達到的協(xié)調(diào)等級最低值；

所述負荷均衡約束中選取人均GDP作為地區(qū)社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評價指標，為正向指標；選取萬元GDP的COD排放量作為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評價指標，為負向指標；采用閾值法對指標進行去量綱處理，對分別反映社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境狀況的指標，采用不同的公式進行指標標準化，公式如下：

正項指標，即當指標值越大功效越好時，

I_i＝C_i/S_i；

負向指標，即當指標值越小功效越好時，

I_i＝S_i/C_i；

式中，I_i為指標i的指數(shù)值，S_i為指標i的標準值，C_i為指標i的實際值；

所述負荷均衡約束中的協(xié)調(diào)度根據(jù)值的大小劃分為極不協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、勉強協(xié)調(diào)、基本協(xié)調(diào)和協(xié)調(diào)共5個協(xié)調(diào)等級，所述的極不協(xié)調(diào)等級中協(xié)調(diào)度0≤C≤0.49；所述的不協(xié)調(diào)等級中協(xié)調(diào)度0.5≤C≤0.74；所述的勉強協(xié)調(diào)等級中協(xié)調(diào)度0.75≤C≤0.84；所述的基本協(xié)調(diào)等級中協(xié)調(diào)度0.85≤C≤0.94；所述的協(xié)調(diào)等級中協(xié)調(diào)度0.95≤C≤1。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于負荷均衡的水資源承載能力量化方法，其特征在于：所述的步驟3)中，具體處理如下：

將第n個目標達到最佳水平f_nbest對應的標準值設為1，最差水平f_nworst對應的標準值設為0.01，則各目標按照插值公式計算所對應的標準值：

對于社會和經(jīng)濟目標，求解最大化問題：

f′_n(x)＝f_n(x)/f_nbest；

對于環(huán)境目標求解目標，求解最小化問題：

f′_n(x)＝1-f_n(x)/f_nbest；

將各目標轉(zhuǎn)化為0到1之間的標準數(shù)值，然后采用加權求和的方式將多目標轉(zhuǎn)為單目標構造適應度函數(shù)：

式中，ρ_n為目標權重系數(shù)。