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基于可持续发展和多目标规划的石羊河流域水资源合理配置

摘要：依据石羊河流域水资源的短缺，综合考虑经济发展与水环

境保护，以生活、工业、生态环境和农业用水的经济效益最大和水资

源消耗最小为优化目标，建立可持续发展的多目标水资源优化配置线

性规划模型。利用MATLAB软件对线性多目标规划进行求解。根据

计算结果调整决策变量的目标值,获得三种水资源扶持侧重点不同的

配置方案。

关键词：水资源配置；可持续发展；多目标规划；石羊河流域

自然资源的合理利用与保护，是当今世界上最重大的课题之一，

而水资源则是其中最重要的研究对象。在中国西北干旱地区，石羊河

是我国内陆河流域中水资源开发利用程度最高、用水矛盾最突出的流

域之一[1]。石羊河发源于甘肃省南部的祁连山,消失于巴丹吉林和腾

格里沙漠之间的民勤盆地北部。石羊河流域位于甘肃省河西走廊东

段，乌鞘岭以西，祁连山北麓，总面积4.16万平方公里。流域地势

南高北低，自西向东北倾斜。石羊河流域属大陆性温带干旱气候，太

阳辐射强、日照充足，温差大、降水少、蒸发强烈、空气干燥[2]。

随着人口增加和经济社会的快速发展,特别是灌溉面积的大幅

度增加,水资源供需矛盾十分突出,直接导致下游水量逐渐减少,甚

至河流断流,生态环境日趋恶化。同时,由于灌区大量引水但排水不

畅,灌区内部土壤盐渍化问题严重。因此有效利用水资源,对有限的

水资源进行合理的配置,成为当前十分关注的问题。水资源配置不仅

关系到当地的生态系统安全,也关系到水资源的可持续利用[3]。

针对石羊河流域有限水资源的合理配置问题，近年来许多学者展

开了大量研究［2-4］，文献[7]通过计算单元优化配置模型和水资源转

化模拟模型的耦合模型，得到优化配置结果，由多目标评价函数评价

各方案的优劣；文献［6］建立了该流域的水资源管理模型，用于地

区地表水和地下水联合利用的水资源模拟分析，主要实现供水、需水、

水质和生态保护的水资源系统模拟，但评价水资源合理配置的可靠性

等问题尚待深入研究．为此，本文建立基于工业、生活、生态环境和

农业用水效益多目标水资源优化配置模型，根据计算结果调整决策变

量的目标值,获得三种水资源扶持侧重点不同的配置方案，以期为石

羊河流域水资源优化配置提供理论依据。

1.多目标优化的水资源配置模型

多目标规划是数学规划的一种方法,也是运筹学的一个分支,它

可以解决如何最大限度地发挥现有资源等问题,为某一地区提供优

化决策方案[7]。

1.1模型目标的选取

根据石羊河流域水资源的特点和多目标规划的要求，以工业、生

活、生态环境和农业这４类用水部门的经济效益最大和水资源消耗最

小为优化目标，其目标函数可以表示为：

其中

部门最小需水量最大需水量工业2.5634.005生活1.0211.554生态

环境1.1881.243农业11.85516.897合计16.62723.699（3）变量非负

约束

要使得决策变量具有实际意义，模型的解必须满足，即变量必须

是非负的。

1.4优化模型的建立

为了实现水资源的合理并达到优化配置,在决策变量满足约束

条件下,本文采取“以供定需”的原则,即在满足供水总量的条件下,

合理地分配水资源,使之达到最优配置，建立了如下多目标规划优化

模型:

其中变量满足如下不等式：

2.模型求解方法

显然，1.4中的问题是一个不等式约束线性规划问题。本文利用

MATLAB中的线性规划计算程序linprog对该问题进行求解。并根据

计算结果调整决策变量的约束范围,主要得出下面3种方案,见表

3：

首先，根据中国人口年增长率（1.8%），该流域严格执行计划生

育，控制农村人口增长率不高于1.8%，城镇人口增长率不超过1.5%。

到2020年该流域农村人口不超过183.2万，城市人口不超过85.1万。

其次，增建污水处理厂，并且引进高科技设备，提高污水处理达标率。

提高水资源的再次利用率。

第一方案将水资源主要用于发展农业，增加灌溉面积，增加养殖

产业，而且大面积增加植树造林和绿化工程，以及水利设施投入，需

要水资源23.3345亿，总经济收入将达到393.7亿元。

第二方案减少农业投入，适当增加工业水资源投入，已达到节水

的目的，总经济收入