（水工结构工程专业论文）基于Repast仿真平台的水资源优化配置研究.pdf

基于r e p a s t 仿真平台的水资源优化配置研究 w a t e rr e s o u r c e so p t i m u m d i s p o s i t i o n s i m u l a t i o no nr e p a s tp l a t f o r m 学科专业：水工结构工程 研究生：赵秀美 指导教师：王仁超教授 天津大学建筑工程学院 二零零八年五月 摘要 随着社会的进步，经济的发展，水资源的需求量日益增加，使得水资源供需 矛盾日益突出。怎样使有限的水资源得到合理的分配和高效的利用是关系到民生 及经济发展的重要课题，因此，水资源的优化配置研究具有重要的现实意义。 水资源优化配置是一个涉及社会，经济，生态，环境等因素的多目标决策问 题，本文根据天津市水资源的多水源多用户的特征，深入分析了多个水源的配置 顺序和用户的取水原则，从水资源优化配置理论，经济学原理，以及计算机技术 等的基本理论出发，运用多主体仿真建模平台r e p a s t ，利用面向对象的编程技术， 基于多主体复杂适应系统理论，建立天津市水资源的多a g e n t 仿真模型。 本文研究内容和成果如下： 1 通过查阅大量的相关资料，分析总结了国内外水资源优化配置理论的研 究现状及发展趋势。 2 运用经济学的原理，结合天津市水资源系统的特点，建立水资源利用效 益最大的优化配置模型的目标函数。 3 利用复杂适应系统建模方法，根据天津市供需水现状，定义模型主体以 及假定主体的属性，行为规则等。 4 根据假定的主体属性和行为规则，利用j a v a 编程语言，建立基于r e p a s t 仿真平台的天津市多a g e n t 的优化配置仿真模型，进行优化配置的仿真。 5 输入参数运行模型，得到随着水价的变化行业用水量的变化图和取水量 在行业的分配图。 关键词：水资源优化配置r e p a s t 仿真 a b s t r a c t w i t hs o c i a lp r o g r e s sa n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，w a t e rd e m a n di s g r o w i n g w a t e rs u p p l ya n dd e m a n dc o n t r a d i c t i o n sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t h o w t om a k et h el i m i t e dw a t e rr e s o u r c e sa r eo p t i m a ld i s t r i b u t i o na n du s ei sa l li m p o r t a n t i s s u er e l a t e dt op e o p l e sl i v e l i h o o da n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t , t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h o no p t i m a la l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e o p t i m u md i s p o s i t i o no fw a t e rr e s o u r c e si sam u l t i - o b j e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n g r e l a t e dt ot h es o c i e t y ，t h ee c o n o m y ，t h ee c o l o g y ，t h ee n v i r o n m e n ta n dm a n yo t h e r f a c t o r s t h et i a n j i nw a t e rr e s o u r c e sh a v em u l t iw a t e rs o u r c ea n dm u l t i u s e r a c c o r d i n gt ot h i sc h a r a c t e r , t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dm a n yw a t e rs o u r c ed i s t r i b u t i o n o r d e r sa n dt h eu s e r sw a t e rt a k i n gp r i n c i p l e 。w i t ht h eh e l po ft h ew a t e rr e s o u r c e s o p t i m i z a t i o nd i s t r i b u t i o nt h e o r y ，t h ep r i n c i p l eo fe c o n o m i c s ，t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ， e s t a b l i s h e dt h et i a n j i nw a t e rr e s o u r c e s m u l t i a g e n ts i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nt h e m u l t i - a g e n tc o m p l e xa d a p t i v es y s t e mt h e o r y ，u t i l i z i n gr e p a s ta n dt h eo b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y t h ep r i m a r yr e s e a r c hc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： i t h r o u g ht h em a s so fd a t a ，a n a l y z e dt h et h e o r yo ft h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n t t r e n da th o m ea n da b r o a da b o u tt h eo p t i m a la l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s 2 u s i n gt h ee c o n o m i cp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft i a n j i nw a t e rr e s o u r c e s s y s t e m , i te s t a b l i s h e dt h eo b j e c t i v ef u n c t i o no ft h ew a t e rr e s o u r c e su s i n gb i g g e s t b e n e f i to p t i m i z a t i o nd i s t r i b u t i o nm o d e l 3 a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h es u p p l ya n dd e m a n do ft i a n j i nw a t e r , u s i n gt h ec o m p l e xa d a p t i v es y s t e mm o d e l i n gm e t h o d ，d e f i n i t e dm o d e l sm a i n b o d ya n dp o s t u l a t e dm a i nb o d ya t t r i b u t e a n ds oo n 4 a c c o r d i n gt ot h ep o s t u l a t e dm a i nb o d ya t t r i b u t ea n dt h er u l e so fc o n d u c t ，u s i n g t h ej a v a p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，e s t a b l i s h e dt i a n j i nm u l t i a g e n to p t i m a l d i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o nm o d e l s ，b a s e do nt h er e p a s ts i m u l a t i o np l a t f o r m , c a r r i e do n t h es i m u l a t i o no ft h eo p t i m a ld i s t r i b u t i o n 5 c a r r i e do nt h ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gt h ec o n c r e t ep a r a m e t e r s ， g a i nt h ew a t e rd i s t r i b u t i o nh i s t o g r a ma n dp r i c ev sw a t e rn e e dq u a l i t yg r a p h k e yw o r d s ：w a t e rr e s o u r c e s o p t i m u md i s p o s i t i o nr e p a s t s i m u l a t i o n 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：走盲妥 签字日期： 2 村年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：起专关 签字日期：w 孑年多月石r 导师签名： 签字日期：咧豸年多月彳开 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 我国是一个水资源匮乏国家，尤其是沿海城市及西部干旱地区，水资源成为 制约工农畜牧业生产、人民生活的重要瓶颈资源；同时，因为水资源紧缺，造成 诸如地面沉降、生态环境恶化等极难修复的环境与生态灾害，影响社会、环境和 人的和谐发展。 1 1 问题的提出及研究意义 天津市位于严重缺水的海河流域下游，是资源型缺水城市，在水资源供需方面 存在很多的问题。 1 资源性缺水严重，供需矛盾突出。全市水资源总量多年平均值为1 8 1 6 亿 立方米( 不含入境水量) 。全市人均水资源占有量为16 0 立方米年，按资源承载 力理论分析，仅为世界水资源“数量压力”指数临界标准的1 6 。 2 城市供水水源单一，供水保证率不能满足城市安全用水要求，天津市地表 水源除于桥水库通过引滦工程可提供城市用水外，只能依靠引滦工程，目前天津 城市用水指标已超过引滦水量，而且水环境还在日益恶化，影响取水的水质。 3 水资源按地区分布不均匀，北多南少；非传统水资源利用不够，多水源利 用效率不足，在工业中，海水及苦咸水的利用还仅限于局部行业，再生水在工 业中的利用量仅相当于取水量的1 - - - 2 ，远未达到资源化规模利用效果。 4 水资源管理体制、配置格局、水价的不合理，水权的不明晰等因素都造成 了水资源利用开发上的不合理。 缓解天津市的用水危机，合理的分配与利用有限的水资源，需要我们对天津 市的多水源供水格局进行动态的优化配置，建立以引滦、引江地表水为主体，淡 化海水、再生水、地下水调节的水资源配置体系，合理调整生活、工业、农业、 环境用水之间关系，使天津市经济、社会、环境生态、人文等和谐发展。 天津市的供需水系统的优化配置是一个多水源多用户的复杂适应系统。水源 包括引滦、引江地表水，地下水，淡化海水、再生水，需水包括生活、工业、 农业、环境用水等，水资源关系到城市社会、经济、环境等众多方面。一套水 资源配置方案或调控措施的影响效果是动态反映出来的，以往采用的规划优化、 缺乏对问题的及时性、快速性反应，系统预测方法没有考虑不同水资源政策引起 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 各个相关部门之间的动态相互作用， ，难以反映水资源配置和调控的真实效果。 多a g e n t 仿真建模方法适宜分析复杂适应系统， 多a g e n t 仿真集计算机通讯技 术、决策理论和计算机仿真技术于一体，是目前解决复杂系统的前沿方法和技术， 通过模拟每个a g e n t 的行为决策准则以及模拟它们之间的相互作用过程，从而揭 示整个系统的行为特征。 因此，本次运用多a g e n t 仿真建模方法，基于r e p a s t 仿真平台对天津市水资源这个复杂的系统进行建模分析研究，建立体现水价、生 态、环境等因素的多目标水资源配置决策支持系统。 研究意义：借助模型运行的结果，使水资源管理决策部门能够快速获得水价， 人口，等因素对社会各个方面的动态影响过程以及受影响各个方面和部门的相互 作用过程，优化水资源配置方案，合理确定海水淡化规模、控制地下水开采规模、 推动再生水的合理利用，优水优用、梯次供水，实现水资源配置的科学化、系统 化。以及快速选择应急预案等调控策略，以利于天津市经济、社会、环境、生态 等的和谐协调发展。 1 2 水资源优化配置的概念 水资源优化配置( w a t e rr e s o u r c e so p t i m i z e dd e p l o y m e n t ) 一词，在我国正 式提出是1 9 9 1 年。水资源优化配置的实质就是提高水资源的配置效率，一方面 是提高水的分配效率，合理解决各部门和各行业( 包括环境和生态用水) 之间的 竞争用水问题。另一方面则是提高水的利用效率，促使各部门或各行业内部高 效用水。实现区域内社会经济、资源、生态环境的协调发展及近期与远期的协 调发展。 对于水资源优化配置的含义的理解是不断发展的，不同时期，不同阶段不同 的学者有着不同的理解。 吴泽宁等【l 】认为，水资源优化配置是指在流域或特定的区域范围内，通过各 种工程与非工程措施，对多种可利用水资源在区域间和各用水部门间进行的合理 调配，实现有限水资源的经济、社会和生态环境综合效益最大。 左其亭【2 】认为，水资源优化配置泛指通过工程和非工程措施，改变水资源的 天然时空分布，开源与节流并重，利用系统科学方法、决策理论和先进的计算机 技术，协调好各地区及各用水部门之间的利益与矛盾，促进水资源的可持续开发 利用和区域的可持续发展。 李令跃，甘泓【3 】从可持续发展的角度对水资源配置进行了定义，其指在一个 特定的流域或区域内，以可持续发展为总原则，对有限的、不同形式的水资源， 通过工程与非工程措施在各用水户之间进行科学分配。 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 王顺久等【4 】认为水资源优化配置是指在一个特定流域或区域内，工程与非工 程措施并举，对有限的不同形式的水资源进行科学合理的分配，实现水资源的可 持续利用，保证社会经济、资源、生态环境的协调发展。 随着人们认识的不断提高，对水资源优化配置的概念逐步明确，其内涵日益 丰富。王浩、秦大庸、王建华等在黄淮海流域水资源合理配置中，针对北方干旱 地区提出了水资源配置的定义：在水资源生态经济系统内，按照可持续性、有效 性、公平性和系统性的原则，遵循自然规律和经济规律，对特定流域或区域范围 内不同形式的水资源通过工程与非工程措施，对多种可利用水源在宏观调控下进 行区域间和各用水部门间的科学调配【5 】。王济干等【6 】提出了基于和谐性的水资源 配置，水资源和谐性配置指在一个特定的区域( 流域) 、时间内，以和谐发展为 总原则，将一定量优质的水资源，按不同的用途和需求，通过工程和管理措施在 各用水户之间进行的科学合理的分配。我国颁布的全国水资源综合规划大纲 对水资源优化配置的定义是“在流域或特定的区域范围内，遵循有效性、公平性 和可持续性的原则，利用各种工程与非工程措施，按照市场经济的规律和资源配 置准则，通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和 措施，对多种可利用水源在区域间和各用水部门间进行的配置”。 水资源配置的客观基础是“社会一资源一生态”复杂巨系统中宏观经济系统、 水资源系统和环境生态系统在其发展运动过程中的相互依存与相互制约的定量 关系，这一关系集中体现在用水竞争性和投资竞争性上。水资源优化配置就将水 资源公平高效的分配到各个需水要素，实现水资源利用的和谐性和可持续性【7 j 。 1 3 国内外水资源配置的研究 1 3 1 水资源配置的发展 1 系统分析方法的广泛应用 系统分析的特点、研究思路、方法非常适应于水资源规划配置的复杂性。2 0 世纪6 0 年代起，水资源规划进入了系统分析时代瞵j 。1 9 5 3 年美国陆军工程师兵 团( u s a c e ) 首次用计算机模拟研究美国密苏里河流域6 座水库的运行调度问 题。m a s s e 等人在1 9 6 2 年提出了模拟技术在评价流域开发经济指标中的应用实 例。d h m a r k s 于1 9 7 1 年提出水资源系统线性决策规则后，采用数学模型的方法 描述水资源系统问题更为普遍【9 】。g y e h 在1 9 8 5 年对系统分析方法在水库调度和 管理中的研究和应用曾作了全面综述，他把系统分析在水资源领域的应用分为线 性规划、动态规划、非线性规划和模拟技术等。p e a r s o n 等( 1 9 8 2 ) 利用多个水 天津大学硕士学位论文第一章绪论 库的控制曲线，以产值最大为目标，输水能力和预测的需求值作为约束条件，用 二次规划方法对英国n a w w a 区域的用水量优化分配问题进行了研究。美国学者 n o r m a njd u d l e y ( 1 9 9 7 ) 将作物生长模型和具有二维状态变量的随机动态规划相 结合，对灌区的季节性灌溉用水量分配进行了研究【l 】。 2 0 世纪6 0 年代，中国水科院水文研究所的谭维炎和黄守信等学者首次引进 运筹学技术应用于我国的水库水电站的优化调度中，开始了以水库优化调度为先 导的水资源分配研究。“八五”期间，黄河水利委员会开展了“黄河流域水资源 合理分配及优化调度 研究，对流域管理和水资源合理配置起到了较好的示范作 用【7 】。贺北方( 1 9 8 8 ，1 9 8 9 ) 提出区域水资源优化分配问题，建立了大系统序列 优化模型，采用大系统分解协调技术求解，在河南豫西地区对区域可供水资源年 优化分配的大系统逐级优化进行了研究。唐德善( 1 9 9 2 ) 以黄河中游某灌区为例， 运用递阶动态规划法，确定水资源量在工业和农业之间的分配比例【l j 。 2 从单目标到多目标全口径水资源配置 水资源开发利用的初期阶段，水资源可利用量远大于社会经济发展对水的需 求量，主要是对水资源进行单目标开发，诸如灌溉、航运、防洪等，其决策的依 据也常限于某一地区或局部的直接利益。2 0 世纪6 0 年代以前，水资源工程中的 主要目标是经济效益，计算中所使用的传统方法是效益一费用分析，水资源的配 置对象也主要考虑单一的需水部门。 随着社会的发展，人们对水资源的依赖性加大，需水量陡增，对水资源利用 的期望越来越高。美国1 9 7 9 年修订了联邦水资源规划规程，确立了国民经济和 环境质量两个目标。白2 0 世纪7 0 年代以来，水资源开发研究中除了传统的经济 效益分析外，还引进了地区收益再分配、环境质量、社会福利等目标瞵j ，这使水 资源配置更加系统化和科学化。水资源规划目标要求从宏观上，统筹考虑社会、 经济、环境等各个方面的因素，使水资源开发、保护和管理有机结合，实现水资 源与人口、经济、环境相协调发展。 我国在水资源的多目标配置方面取得了很大成就。在“九五”国家重点科技 攻关项目“西北地区水资源合理开发利用及生态环境保护研究”中，水资源配置 的范畴拓展到社会经济一水资源一生态环境系统 5 】。中国水科院在国家“十五” 科技攻关中提出了面向水资源全属性功能的水资源合理配置，并在黑河流域中得 到应用，成为我国目前水资源配置的典范。 ， 3 从以需定供到以定供需以及基于可持续利用的水资源配置 人们在水资源利用的早期完全是以需水量为配置方式，通过工程等手段不断 向自然无节制地掠夺水资源，特别是在水资源相对缺乏的地区，不惜大规模开发 地下水，使地下水位急剧下降，甚至出现大规模的地下漏斗，对水生态环境造成 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的毁灭性的后果。事实表明以经济效益为最优的惟一目标，以需定供的配置模式 是一种反科学甚至“自杀式”的水资源利用方式。 “以供定需”的水资源配置，是以水资源的供给可能性进行生产力布局，强 调资源的合理开发利用，以资源背景布置产业结构，有利于保护水资源【4 】。这种 配置模式强调在水资源可利用量的基础上考虑社会经济的发展水资源需求，相应 地压缩供给量。 随着可持续发展理论的出现，该理论很快在水资源配置领域得到应用。基于 可持续利用的水资源优化配置，主要强调以社会经济、水资源、生态环境可持续 发展战略原则，协调水资源与社会经济、水资源与生态环境以及在水资源条件下 的社会经济与生态环境的相互关系，结合宏观分析和微观技术经济分析，实现宏 观配置与计划配置相结合的协调方式【l o 】。这种宏观与微观结合的协调方式是实施 可持续发展战略下自然资源与经济资源配置的最好方式。水资源可持续利用在水 资源领域的关键是在充分考虑水资源可承载能力的范围内，注重水资源的节约和 防污，在此基础上进行配置，并体现公平原则，提高水资源利用效率，实现人水 和谐。 1 3 2 水资源配置模型 水资源配置模型按照所用的方法可分为模拟模型和最优化模型；按时间因素 是否为变量可分为静态模型和动态模型；按未来水文情况是否已知或作为未知随 机因素可分为确定性模型和随机模型【1 1 1 。 模拟模型和优化模型在水资源配置中有较为广泛的应用，在水资源配置中， 由于水资源系统的复杂性和一些因子的不确定性，为了便于利用数学方法求最优 解，不得不根据需要作很多简化，建立平衡方程和约束条件。优化模型中经常用 到一些运筹学的计算方法，主要有线性规划( l p ) 、非线性规划( n l p ) 、动态规 划( d p ) 、控制方法、神经网络方法( a n n ) 、遗传算法、多目标决策技术、大 系统理论与方法、随机优化方法、模糊优化方法以及衍生的一些其他方法等【l3 1 。 模拟模型就是模仿系统的真实情况建立的模型，利用计算机模拟水资源系统的每 一个过程，如水文循环模拟、洪水过程、水资源配置模拟等。尽管模拟模型适应 性广，但对于方案寻优决策而言，要靠枚举进行方案比选，效率较低。无论是哪 种数学模型都会对真实系统进行简化，只能表达真实系统的性质和特征。由于水 资源规划目标和任务的多样性，常常不能仅依靠单一的数学模型，而是使用一组 相互连接的模型进行联合处理1 1 2 j 。 水资源配置模型的研究始于上世纪6 0 年代初期，1 9 6 0 年科罗拉多的几所大 学对计划需水量以及未来需水量进行了研究 2 。n b u r a s 和w a h a l l ( 1 9 6 1 ) 用 天津大学硕士学位论文第一章绪论 动态规划求解地表与地下水的分配问题；m a d d o c k ( 1 9 7 4 ) 利用响应矩阵法建立 了一个河流一含水层系统的联合管理模型【1 2 j ；1 9 7 4 年，j l c o h o n 和d h m a r k s 对水资源多目标问题进行了研究；1 9 7 8 年，j m s h a 向和j w l a b a d i e 提出 了流域管理模型；1 9 8 3 年，d p s h e e r 利用优化和模拟相结合的技术在华盛顿 特区建立了城市配水系统【9 】；1 9 8 2 年英国学者p wh e r b e r t s o n 等，针对潮汐电站 的特点，考虑多部门利益的相互矛盾，利用模拟模型对潮汐海湾的新鲜水量分配 进行了模拟研究；荷兰学者er o m i n j n mt a m i n g a 充分考虑水的多功能性和多种 利益的关系，建立了水资源多层次配置模型；w i l l i s ( 1 9 8 7 ) 应用线性规划方法 建立了地表水库和地下水联合应用模型；a f z a l ，j a v a i d 等( 1 9 9 2 ) 在某灌区建立 了水质水量联合使用调配的线性规划模型；c a r l o sp e r c i a 和g i d e o no r o n ( 1 9 9 7 ) 在以色列南部e i l a t 地区建立了污水、地表水、地下水等多水源的管理模型，并在 模型中考虑了经济效益以及水质约束条件【l j 。 我国的水资源配置模型研究起步较迟，但发展很快。1 9 6 3 年原水利水电科学 研究院水文所根据r a h o w a r d 的动态规划马尔可夫过程理论，建立了一个长期调 节水库水电站优化调度的数学模型；贺北方( 1 9 8 8 ，1 9 8 9 ) 在河南豫西地区建立 了区域可供水资源年优化分配的大系统逐级优化模型；吴泽宁等( 1 9 8 9 ) 以经济 区社会经济效果最大为目标，建立了经济区水资源优化分配的大系统多目标模型 及其二阶分解协调模型，并用层次分析法间接考虑水资源配置的生态环境效果 【1 】；中国水利水电科学研究院陈志恺和王浩等( 1 9 9 1 - - 1 9 9 3 ) 首次在我国开发出 了华北宏观经济水资源优化配置模型，并研制了京、津、唐地区宏观经济水规划 决策支持系统；汤德善( 1 9 9 4 ) 等应用多目标规划的思想，建立了黄河流域水资 源多目标分析模型，并提出了大系统递阶动态规划德求解方法：刘绍民( 1 9 9 5 ) 运 用层次分析法建立了塔里木河上中下游用水户利用水资源的综合评价模型，并根 据分解协调原理建立了该地区水资源优化分配模型【6 1 ：甘泓、尹明万( 1 9 9 8 ) 在 邯郸市建立了水资源配置动态模拟模型；同年马宏志、翁文斌和王忠静根据可持 续发展理论，在总结和延伸了水资源规划的多目标发展、相互作用、动态与风险 性、公众接受和滚动规划的原则基础上，提出一种交互式宏观多目标优化与方案 动态模拟相结合的决策支持规划思想和操作方法，开发出相应的规划决策支持系 统；甘泓和尹明万等( 1 9 9 9 ) 开发一个可适用于巨型水资源系统的智能型模拟模 型。 近些年来，谢新民、裴源生和秦大庸等( 2 0 0 0 ) 在宁夏建立了水资源优化配 置模型，系统由4 个计算模型和两种模式组成：浅层地下水模型、需水预测模型、 基于灌溉动态需水量计算的水均衡模型、目标规划模型以及南部山区当地水资源 高效利用模式、引黄灌区地表水与地下水联合高效利用模式等，通过各模型之间 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 不断交换信息、循环迭代计算，对各种方案进行分析和计算【1 2 】；2 0 0 1 沈军等将 水资源优化配置问题模拟为生物进化问题，把遗传算法引入到水资源优化配置模 型参数识别中【1 3 ；2 0 0 2 年，贺北方等以社会、经济、环境的综合效益最大为目 标，建立区域水资源优化配置模型，同时将多目标遗传算法运用在区域水资源二 级递阶优化模型中t 1 4 。2 0 0 2 年中国水利水电科学研究院等单位联合完成的“九 五 国家重点科技攻关中建立了提出了针对西北生态脆弱地区的水资源配置方 案；2 0 0 2 年，赵建世，王忠静，翁文斌应用复杂适应系统理论的基本原理方法， 构架出了个新的水资源配置系统分析模型。同时对系统的动力机制、主体行为特 性和系统状态的评价方法进行了描述，形成了一个较为完整的研究体系，用于分 析水资源配置系统的演化规律【1 5 】。2 0 0 3 年朱记伟等依据系统科学原理，采取宏 观调控与市场机制相结合的水资源配置方式，建立面向生态的流域二次配水( 市 场配置) 模型【l6 | 。 2 0 0 4 年王好芳，董增川等根据水资源配置的目标建立了水量分析、水质分析、 经济分析、生态环境分析等子模型，并在此基础上，根据大系统理论和多目标决 策理论建立了基于量与质的面向经济发展和生态环境保护的多目标协调配置模 型【1 7 1 。 2 0 0 5 年姚荣【l8 】从区域水资源合理配置的定义出发，通过对区域水资源水质 水量供需平衡分析，从供水能力角度将区域水资源划分为五类状态，建立了基于 水源供水能力的区域水资源水质水量配置模型，并应用基于遗传算法的区域水资 源合理配置二级递阶优化模型进行了方案求解。2 0 0 5 年李小琴【l9 】分析了黑河流 域水资源开发利用现状的基础上，对黑河流域水资源需求进行了分析和预测，应 用遗传算法求解l p m 模型建立了水资源优化配置模型，获得了水资源优化配置方 案。2 0 0 6 年朱成测2 0 】采用定额法、回归分析方法和人工神经网络方法对连云港 市区水资源优化配置进行了应用研究。同年，张力春【2 1 】利用多目标线性规划模型 和模糊式识别方法对吉林西部水资源进行了优化配置，并得出保证生活用水和注 重生态环境的前提下，实现了经济净效益和社会效益达最优。总之。上述研究成 果标志着我国经过几代人坚持不懈的努力，使我国水资源优化配置研究从无到 有，逐步走向成熟。 1 4r e p a s t 研究现状 在国外，r e p a s t 平台在人工社会和经济学多主体系统仿真中的研究较为成熟， r e p a s t 里面好多的模块都是这些学者研究而得以应用的模型框架，其中人工社会 模型的研究尤其典型，可以借鉴到许多其他的领域。我们可以通过变化a g e n t 所 天津大学硕士学位论文第一章绪论 遵循的不同规则来研究包括环境变迁，遗传继承，贸易往来，市场机制等等广泛 的社会现象【2 2 ，2 3 1 。 1 9 9 5 年，n i g e lg i l b e r t 和r o s a r i ac o n t t e 编辑出版了( ( a r t i f i c i a ls o c i e t i e s t h e c o m p u t e rs i m u l a t i o no f s o c i a ll i f e ) ) 一书【2 4 1 ，该书收集t a g e n t 技术用于社会科学各 个领域的论文，从此，人工社会被正式提出并变成了一个相对独立的社会科学领 域。1 9 9 6 年，e p s t e i n 和a x t e l l 两人完成了一个人工社会系统模型【2 5 】糖域 ( s u g a r s c a p e ) 。这个模型虽然简单，但是却可以当作一个计算机中的社会科学实 验室，通过不断的变换a g e n t 遵循的规则，观察各种各样的社会现象，并把这些 结论写到了著作g r o w i n g a r t i f i c a ls o c i e t i e s t h es o c i ms c i e n c ef r o mb o t t o mu p 【2 6 1 中。1 9 9 7 年，a x e l r o d 出版了他的著作( ( t h ec o m p l e x i t yo f c o o p e r a t i o n ) ) 2 7 】该书 被誉为a g e n t 社会学仿真领域的经典读物。国外的这些领域的理论都可以成为研 究r e p a s t 在水资源多a g e n t 系统中实现的借鉴和参考。 在国内，关于r e p a s t 仿真平台的理论研究，才进入开始阶段在城市交通系统 【2 8 】，电力市场竞价机制的建模中等一些领域有所研究，还不成熟。 1 5 论文研究内容 本课题r e p a s t 仿真平台在水资源综合配置与调控的多a g e n t 仿真中的应用研 究是根据导师的基金项目得出的，主要研究内容如下： 第一章绪论。介绍了研究问题的提出，及研究的意义，目前国内外水资源优 化配置和r e p a s t 研究现状。 第二章水资源优化配置理论与方法。本章详细介绍了水资源优化配置目标， 原则等基础理论。 第三章r e p a s t 仿真平台的建模。本章先介绍了基于r e p a s t 仿真平台的多 a g e n t 建模方法的一些理论基础和概念，然后对r e p a s t 的基本结构及其建模的基 本流程框架做了分析。 第四章基于r e p a s t 建立的天津市多a g e n t 仿真模型。对天津市水资源的多 水源多用户的供需水现状，建模前简化划分a g e n t ，联系水资源的情况规定a g e n t 的行为规则，利用s u g a r s c a p e 模型框架，改进模型，设定变量等进行模拟。 。第五章总结与展望。总结本文的成果，对模型中需要改进因素做展望。 天津大学硕士学位论文第二章水资源优化配置理论和方法 第二章水资源优化配置理论和方法 水资源优化配置是涉及区域人口、资源、经济社会以及生态环境等多方面的 多目标决策问题3 0 1 ，是由自然科学和社会科学复合而成的复杂系统，要考虑水资 源配置的公平性、和谐性和可持续性，要考虑人们生活、社会稳定和生态系统平 衡的基本要求，协调各用水主体利益和目标，发挥水资源的最大综合效益【6 1 。 2 1 水资源优化配置内容 2 1 1 水资源优化配置的基本内容 水资源优化配置工作要在采取合理抑制需求、有效增加供给和积极保护生态 环境等综合措施的基础上，运用市场机制理论和水价格杠杆，通过经济、社会、 技术和生态环境保护等方面的分析论证与科学比选，使水资源的利用效率最高， 使社会、经济、生态、环境、人口和谐持续地发展，确定水资源优化配置方案。 水资源优化配置工作的基本内容如图2 1 所示【3 l 】。 另外，水资源配置不仅仅只是对现状下的水资源进行配置，更重要的是在现 状基础之上，对未来水资源的需求变化情况进行分析预测评估。对未来水资源需 水预测和水资源供给条件分析，就要通过对历史和现状资料的调查、分析和评价 建立“天然水资源台帐、资源利用台帐和生态环境台帐 。具体水资源配置系统 结构如图2 2 。 2 1 2 水资源优化配置的目标函数 资源优化配置的目标有两种表达方式，一种是使有限的资源产生最大的效 益，一种是为取得预定的效益尽可能少地消耗资源。第一种方式要求在一定的资 源条件下，通过对各种资源的合理安排、组合，以追求产出的效益最大化；第二 种方式在既定的目标下，如何合理地组织、安排资源地使用，使总的资源成本最 小【3 2 】。 水资源通过配置，协调各地区以及各用水部门间的利益矛盾，提高区域整体 的用水效率和效益，实现水资源的社会、经济和生态综合效益最大是水资源优化 配置的目标【j3 | 。水资源合理配置的目标显然不是一个单纯的简单优化问题，它涉 9 天津大学硕士学位论文第二章水资源优化配置理论和方法 ( 现状供需分析 ) f i 抑制需求 il 保护治理 ll 增加供给 l l li ll il i 调整结构ii 提高效率il - 节约m t kll 污水回用 l 开源工程 l 其他水源ll 、。 上 ( 规划方案生成 ) j ( 公平) -规划方案供需分析计算 1 ( 高效) _ 人口 l 经济 环境 i 社会 l l ll ( 可持续性) _ ， l ( 优化配置方案 ) l i+i ( 经济社会的和谐)( 水环境持续发展)( 水的供需平衡 ) 图2 1 水资源配置工作的基本内容 图2 2 水资源配置系统结构框图( 李原园，2 0 0 4 ) 1 0 天津大学硕士学位论文第二章水资源优化配置理论和方法 及到社会、经济和生态以及一些很难确切量化的问题，另外水资源系统经常受到 随机事件和随机因素的影响。因此，传统的基于单目标的水资源配置的分析方法 已经不适合当今的要求【3 4 1 。 从系统科学的观点看，水资源持续利用的实现，就是水资源一生态环境一社 会经济复合系统持续发展功能的体现。1 9 9 7 年冯尚友提出水资源生态经济复合 系统理论，给出了可持续框架下水资源利用系统的总体控制目标，其采用社会、 经济和环境效益的综合效益最大来表示： m a x e ( x ) ，s ( x ) ，r ( x ) ，z ，t ) s t g ( x ) b e g i n ( ) 一 b u i l d m o d e l 一 b u i l d s c h e d u l e - b u i l d d i s p l a y - s t e p 。基于 s i m m o d e l 程序框架，主要确定s e t u p 阶段和s t e p 阶段的动作就可以实现r e p a s t 仿真。除了使用固定的步长时间机制，还可以采用自动步长时间机制。在每一时 间步循环遍历所有的a g e n t ，并调用a g e n t 所定义的s t e p 方法。在这种情况下， 每个a g e n t 类必须实现s t e p a b l e 接口。在s i m m o d e l 程序框架中，通过s t e p 方法 简化了时间表机制，如要实现更复杂a g e n t 行为和模型事件的调度，甚至动态调 度，可以访问基础变量s c h e d u l e 来实现。 s i m m o d e l l m p l 程序框架与s i m m o d e l 程序框架大致类似，最大的差别在于没 有s t e p 方法，所有的动作调度，主要通过s c h e d u l e 变量进行，实现的难度比 s i m m o d e l 框架高。 天津大学硕士学位论文 第四章基于r e p a s t 仿真框架的多水源多用户模型的设计与实现 第四章基于r e p a s t 仿真框架的多水源多用户模型的设计与实现 天津市水资源综合配置优化仿真问题是一个多水源多用户的多a g e n t 仿真建 模问题，是一个复杂的多a g e n t 系统，国内外的研究也表明f 4 7 】，已有的基于数学 模型的传统建模方式并不能很好地刻画复杂系统，而采用基于a g e n t 的建模方法， 通过对复杂系统中的基本元素及其之间的交互的建模与仿真，可以将复杂系统的 微观行为和宏观“涌现”现象有机地结合到一起，是一种自项向下分析、自底向 上综合的有效建模方式。文中采用基于r e p a s t 仿真平台的多a g e n t 建模技术来实 现水资源的优化配置问题。 水资源优化配置包括取水方面的优化配置、用水方面的优化配置，以及取水 用水综合系统的水资源优化配置。取水方面是指地表水、地下水、污水等多水源 间的优化配置。用水方面是指生态用水、生活用水和生产用水间的优化配置。 4 1 优化配置仿真建模的原则 1 提高水资源利用效率 由于水资源不足，提高水资源利用效率是缓解水危机一个重要举措。在配置 中采用了效率优先的原则，对效率高的部门优先配水。 2 优先安排生态环境用水 水资源配置要保障人类的可持续发展。为保持水资源和生态环境的可再生维 持功能，要分析生态环境用水需求，确定社会经济用水和生态环境用水的合理限 度，在充分考虑生态环境用水需求的基础上提出对国民经济发展的可供水量【4 8 1 。 3 。保证城镇和农村生活用水安全 国家在一些条文上明确指出将生活用水放在首位，居民的生活用水安全是关 系到社会的稳定和人民的安居乐业，对居民生活用水的满足包括水量和水质两个 方面。 4 供需水原则顺序 供水保证率分别为：城镇与农村生活为1 0 0 ，工业为9 5 以上，农业一般 按经济定额、丰水年份按充分灌溉定额，生态环境采用以丰补欠方式供水。 居民生活为：优质地表或地下水。 工业依次为：二级处理后可再生利用的污水和折淡海水可利用量；浅层地下 天津大学硕士学位论文 第四章基于r e p a s t 仿真框架的多水源多用户模型的设计与实现 水埋深超出上限的水量；水库防弃水线以上水量；水库防破坏线以上水量；水库 死水位以上水量；浅层地下水；深层地下水。 农业依次为：处理后的污水及当地可利用径流；浅层地下水埋深超出上限的 水量；河网蓄水；水库防弃水线以上水量；水库防破坏线以上水量；浅层地下水。 生态环境依次为：处理后的污水及当地可利用径流；浅层地下水埋深超出上 限的水量；河网蓄水；水库防弃水线以上水量。 4 2s u g a r s c a p e ( 糖域) 典型模型 s u g a r s c a p e 模型是e p s t e i n 和a x t e l l 创建的一个人工社会系统，可以通过改变 a g e n t 遵循的规则，来观察研究包括环境变迁，遗传继承，贸易往来，市场机制 等等广泛的社会现象。 课题研究的天津市多水源多用户的水资源优化配置仿真问题，主要考虑市场 机制的水价的变化对配置结果产生的影响，以及在水源的供水水量的变化下各部 门的相互作用机制，利用经济学的边际效益来刻画水资源优化配置的水的利用效 益最大，可以通过改进模型的a g e n t 遵循的规则来建立模型。 1 s u g a r s c a p e 简介 糖域模型描述的是，在一个二维的虚拟世界中分布着固定的被称为“糖”的 资源，大量的a g e n t ，在二维世界中游走，并通过不断的收集“糖”来增加资源， 由于每个a g e n t 都会在一个周期中消耗一定单位的糖，所以当糖消耗光的时候它 就死去。 2 s u g a r s c a p e 模型建立的原则 糖