基于水质模拟的不确定条件下两阶段随机水资源规划模型

针对流域内不同企业的水资源分配及企业生产污染排放导致的水环境问题,运用区间两阶段随机规划的方法,耦合区间两阶段模型（ITSP）和区间水质模型（IS-P）,建立不确定两阶段随机水质-水量耦合规划模型（ITSP-SP）.该模型以流域内系统利益最大为目标函数,模拟了流域内各个企业的水量分配及排污过程中河道水质变化,并在保证河流水质达标前提下优化预计分配水量,调整企业生产规模.通过模型运算得到区间解,为管理者提供了多样的决策方案.并且,该模型充分考虑不确定因素对系统利益的影响,能够有效的规避系统决策失误及方案缺失现象.     

基于不确定性的水资源优化配置模型及其实证研究

针对城市水资源系统中存在的不确定性,将可信性模糊机会约束规划模型与区间规划相结合,提出了不确定环境下的可信性模糊-区间线性规划(FILP)模型,将其应用于某城市水资源优化配置与科学管理中,构建了城市水资源优化配置FILP模型.该模型以城市的经济、社会与环境的可持续发展为目标,以供需水量等为不确定性约束,以各水源在各子区不同部门间的分配为决策变量,利用改进的风险显性区间规划算法进行求解得到一定置信度和意愿水平下的水资源优化配置风险-收益权衡方案.实证研究表明,该模型反映了不确定性因素对水资源系统收益的影响,能够为实际的优化决策提供方法支持.     

基于“评价-模拟-优化”的流域环境经济决策模型研究

流域管理是一个具有经济、社会与水环境等多维发展目标的复杂系统,不同目标之间存在复杂的非线性响应关系,如何模拟、协调、优化各种目标,是长期制约流域环境经济优化决策的关键技术瓶颈之一.当前在构建流域模型时往往缺乏全局性和系统性的考虑,采用线性单向建模思路,忽略了流域环境经济问题的复杂性、综合性和整体性,难以实现最优决策.针对这一不足,结合现有流域模型的建模经验与流域量化管理的需求,从系统优化发展的角度出发,基于环境经济协调度模型、系统动力学模拟模型和Powell优化模型提出了流域环境经济优化决策模型(简称ASO模型).该模型弥补了现有流域模型仅能在概念上描述因果反馈关系的不足,在数值模型上实现流域经济-社会-水环境各子系统中反馈回路的闭合,提供了一种对流域系统复杂反馈关系的模拟方法.最后,基于该模型对抚仙湖流域进行了案例研究.     

流域环境系统不确定性多目标规划方法及应用——不确定性模糊多目标规划模型

提出一种新的不确定性模糊多目标规划（IFMOP）模型。该模型将不确定性信息直接引入优化过程,从而得到以区间数表示的优化解;在模型优化解的解译过程中,将各个变量在区间内进行适当组合就能得到各种决策方案;模型能够与决策者直接进行交互,充分考虑决策者的反馈意见,以便获得最终满意的决策方案。该模型计算方便,其求解过程中不会生成复杂的中间模型。该模型已被成功地应用于云南洱海流域可持续发展环境规划研究     

水污染负荷优化分配模型研究进展

水污染负荷优化分配是总量控制的关键技术要点,对流域水环境管理有极为重要的意义。文章从线性方程、非线性方程以及基于动态、随机和模糊条件下的污染物通量削减分配和基于多目标以及不确定性和概率约束条件下的污染物通量优化分配模型等几个方面进行综述,并指出它们各自的优缺点及各自适用情况,提出针对线性及非线性模型与其他模型的耦合、多目标以及不确定性等问题的优化模型以及分区、分期、分类、分级的优化模型是水污染负荷优化分配下一步的研究方向。     

不确定性流域污染负荷优化分配模型及其应用

流域优化决策模型以最优化建模方法指导流域管理决策过程,然而流域系统的不确定性会导致决策存在一定风险.本研究通过建立区间参数机会约束线性规划(ICILP)模型来处理流域决策过程中的不确定性,并将该模型运用于太滆运河流域优化决策中,探讨在不同违反概率下系统最优解.结果表明,随着允许入湖量约束违反概率增加,系统对污染物削减量和削减成本有所降低.由于受到经济成本和削减量约束,系统优先减小环境代价较大、削减效率较低的工程项目规模.但受到最低处理率约束,违反概率增加到一定水平时各工程项目趋于定值.虽然较高的违反概率使系统成本降低,但也会导致削减效率降低,不利于流域保护.因此,在实际管理中应根据管理需求选择合适的削减方案以达到保护流域水质的目标.     

基于可信性理论的水资源优化配置模型

针对城市水资源与水环境系统中存在的不确定性与复杂性,提出了模糊环境下基于可信性理论的CFCCP模型(可信性模糊机会约束规划模型),并将其应用于衡水市水资源优化配置模型的研究中. CFCCP模型以衡水市经济、社会与环境效益最大化为目标,以供需水量、区域协调发展等为不确定性约束,以各水源在各子区不同部门间的分配为决策变量,并且设计了基于模糊模拟的猴群算法进行求解. CFCCP模型可反映不确定性因素对系统收益的影响,计算了各规划水平年置信水平为08时的水资源配置风险-收益权衡方案,得到2015年和2025年的区域经济效益分别为198 36530×104和266 22730×104元,缺水量分别为25 29936×104和20 99096×104 m3,污染物排放量分别为12 80847和13 00044 t. 同时,通过与传统优化算法的比较,证明了基于模糊模拟的猴群算法在求解多维优化问题时的有效性.      

不确定性下区域规划环评方案优化方法框架研究

为了弥补以往规划环评方案中存在的两个缺陷,构建了不确定性条件下融合型和调整型区域规划环评方案优化方法框架,从而消除规划方案本身潜在的环境影响,且实现了规划方案和环境保护补救措施的系统优化及其不确定性风险决策.同时,从方法学上,基于强化区间优化模型建立了不确定性条件下规划方案和补救措施的双层优化方法.最后,针对郑州市土地利用总体规划(1997～2010年)的规划环评,以生态系统服务功能价值的最大化为目标,以郑州市土地资源、经济发展(GDP)和环境指标(土地承载COD排放总量)为约束条件,得到不同风险水平下土地利用规划优化方案.结果表明:①优化后的规划方案的生态系统服务功能价值高于原规划方案,约为原规划方案的1.45～1.52倍,且完全能满足郑州市2010年GDP目标;②有必要在未来融合型或调整型规划环评融入不确定性优化思想,且需要为决策者提供不同环境风险水平下的决策方案.     

改进区间线性规划及其在湖泊流域管理中的应用

针对不确定性优化提出了改进区间线性规划(MILP)模型及其算法,从理论上证明了MILP模型的解空间绝对可行,从而弥补了以往区间线性规划的缺陷,为后续决策过程提供了有利的可行性条件.针对四川邛海流域综合管理,以水污染综合防治的投资成本与运行成本最小化为目标,以总磷环境容量等11个管理目标为约束,建立了20个子流域3个阶段的MILP模型,最终得到10个备选污染控制方案的最优规模、投资和TP削减能力.结果表明:①最优的总投资和TP最优削减量分别达到[620×1061148×106]元和[57.43,59.95]t·a-1重点方案为污水处理厂工程、农村污染控制工程和中度侵蚀水土流失防治工程;②实施基于最优区间解生成的决策方案时,需要严格保证TP环境容量约束,才能实现各阶段的水质达标.     

流域水质目标管理的风险识别与对策研究

以水质目标为约束和核心的管理将逐步完善、补充和强化当前的总量控制模式,成为我国中长期流域水环境管理的重要内容.流域水质目标管理是一个"响应→调控"并不断反馈调整的过程,但由于流域系统的非线性和不确定性,流域污染减排并不能完全确保水质目标的实现.本文将这种由不确定性而引致的流域水质目标的不完全可达性界定为风险,并在分析流域水质目标管理框架思路的基础上,识别并实证了水质目标管理中的主要风险来源,主要包括:1在"响应"层面,由于水质响应与负荷削减等措施间的非线性、时滞性、指标不协同等不对应关系带来的风险;2在"调控"层面,由于水环境管理缺乏适应性的调控和反馈机制而产生的水质达标风险.在此基础上,提出了流域水质目标风险管理的转变途径及其定量表征方法,以期为流域水质目标风险管理提供借鉴.     

SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势

模型是研究水环境变化、进行水环境管理的重要工具.SPARROW（spatially referenced regressions on watershed attributes）是一个基于质量平衡方法将监测数据与流域特征和污染物来源信息相关联的非线性流域回归模型,具有数据需求量少、结构透明、普适性强等优点.为深刻理解SPARROW模型在水环境管理中的应用现状及未来发展趋势,笔者对SPARROW模型的原理以及其在营养物背景浓度模拟、水质评价、水质目标管理、气候变化对水环境影响等方面应用的国内外研究现状进行了系统梳理.结果表明:①通过选择合适的参考点,SPARROW模型可以有效模拟流域背景营养物通量和浓度,为流域水质标准的制定提供参照依据.②SPARROW模型可将营养物监测获得的数据信息外推至未监测区域,在水质监测数据数量有限的情况下进行水质评价.③SPARROW模型可模拟不同土地使用条件、资源管理等情境下河流营养物负荷,为水质的管理与决策提供支撑.④气候变化情景下,基于SPARROW模型进行气候变化对水环境影响的研究可以支撑水环境管理方案的制定,以应对未来气候变化导致的营养物输出增加.针对SPARROW模型目前在应用中存在的问题进行了分析与讨论,建议未来在应用SPARROW模型时,加强以下几个方面的研究:①进一步开发高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、氨氮等相关模块;②将SPARROW模型与机器学习模型相结合,提高量化模型参数的能力,使模型更好地应用于不同尺度、不同流域的水质相关研究.      

基于模糊信息熵的流域水污染系统建模与控制

我国水污染局部得到了改善,但呈现流域污染蔓延的趋势。运用系统控制论构建流域水污染控制系统,突破了传统的"就水论水、见污治污"的还原论水污染控制方法,综合考虑总体控制战略决策(S)反馈系统以及社会发展布局(L)、经济发展模式(E)、居民生活方式(C)和治理工程措施(T)控制系统等多种控制措施及因素,通过输出量与参考给定输入的比较,采用模糊信息熵方法进行了定量分析方法的探讨。     

大辽河流域上游非点源污染输出风险分析

为了解土地利用的组合方式对氮磷输出的影响,在广泛收集土地利用输出系数的基础上,基于遥感和GIS手段,分析了大伙房水库控制流域内营养物质氮磷的输出风险.结果表明,大伙房水库控制流域非点源污染输出的风险概率比较小,氮素和磷素的风险概率平均为19.31%和8.95%.但在空间分布上差异很大,风险概率高的地方一般在主要的河流附近,沿河流流向延伸.而其它区域的风险概率相对较低.此外,营养物质输出风险随着坡度不同差别比较大,而在行政区内差别不明显.     

多目标、多水源和多用户水资源系统管理的专家系统决策模型

几乎所有的水资源系统都是以多目标、多水源和多用户等为特征，因此其开发与管理过程中的各种决策也都必须坚持这些原则。本文利用现代专家系统技术建立了一种水资源系统管理的专家系统决策模型。该水资源系统包含一个地面水库供水系统、两个城镇市政供水系统、３个农区灌溉系统以及一个沼泽生态系统。它最早源于英国７０年代初所提出的灌溉系统对策仿真的设想，后经国外其他学者的不断完善，最后形成一种接近于现实的简单而综合的水资源系统管理原型，并以对策仿真的形式建立了其ＬＯＴＵＳ模拟模型。该对策仿真模拟模型中的对策者是地面水源管理者（ＷＡＭ）、市政供水管理者（ＰＷＳＭ）以及三组不同农户（ＦＡＲＭＥＲＳ）。为了使该系统更趋完善且更符合我国国情，本文又另外引入了一个称之为系统总管的对策者（ＭＡＮＡＧＥＲ）。他主要负责该系统的全面运行，解决系统中各对策者之间的矛盾冲突，监控全系统的环境质量，尽可能使整个系统获得最佳的社会、经济与环境效益。这种对策仿真模拟模型的主要目的是培养参加对策仿真的各位对策者，或者说水资源系统中的有关各方，即不同角色，更加熟悉一般水资源系统运行与管理过程中的各个方面。本文利用应用于微机的ＶＰ－专家系统外壳建立了这种对策仿     

流域非点源污染模型的建立与应用实例

针对国内外现有模型的不足，从我国的实际出发，建立了一个完整的流域非点源污染模型系统，提出了流域汇流与非点源污染物迁移逆高斯分布瞬时单位线模型及流域产污过程模型，该模型既考虑了水动力学与污染物迁移机理，又便于求解与应用，在一定程度上解决了机理与实用性之间的矛盾。     

可持续性约束下开放流域系统氮磷环境承载力研究

随着我国有机污染物控制力度不断加大,氮磷营养盐逐步凸显为流域环境质量改善与经济社会发展的重要约束因子.如何以流域氮磷环境承载力为约束,实现经济社会优化发展已成为我国流域环境管理面临的主要难题.传统的环境承载力研究局限于流域内部的自然资源约束和经济社会优化,忽略了流域内外物质交换对承载力的影响,结果往往以牺牲外部可持续性为代价.基于开放系统视角,本研究提出可持续性约束下的流域氮磷环境承载力概念与测度方法,认为流域氮磷环境承载力是指在流域内外氮磷营养盐交换平衡的前提下,流域水环境氮磷含量达标情况下所能承载的最大人口规模.以氮磷污染严重的滇池流域为例,构建了氮磷环境承载力优化模型,得到滇池湖体氮磷达标和流域内外氮磷交换平衡约束下流域的最大人口承载能力为538万人,相对于现状2010年可提升32%;此外,外流域调水、氮磷循环利用率和污水外排等措施对承载力有显著影响.     

SWAT模型在我国流域水环境模拟应用中的评估验证过程评价

模型评估验证是模型开发和应用过程中的重要环节,是管控模型应用于管理决策风险的重要手段.近年来,以SWAT模型为代表的流域水环境模型在我国流域水环境管理中得到广泛应用,但模型评估验证过程尚缺乏规范性指导.结合SWAT模型建模过程和模型评估验证的基本步骤,梳理总结SWAT模型评估验证过程的评价方法,针对确定研究或决策目标、获取输入数据、构建模型、模型率定验证、展示模型结果等5个阶段分别设计评价指标.筛选中国知网收录的2015—2017年发表的以SWAT模型为主题的428篇学术论文作为研究对象,评价现有研究的模型评估验证过程,分析我国SWAT模型评估验证的现状以及存在的问题和不足.评价结果表明,我国现有的SWAT模型应用研究总体比较重视模型评估验证过程,能够清晰定义研究区域、建模目标和期望产出,说明输入数据来源和质量以及模型概化、参数灵敏度分析、参数识别、不确定性分析的方法和结果,模型模拟效果较好.但是,针对SWAT模型评估验证方法的研究较少,在模型参数识别方面还存在参数选取未考虑研究区域特征、参数识别结果不合理等问题.建议在SWAT模型应用研究中关注参数灵敏度分析和参数识别,结合研究区域特征建立本地化应用数据库,加强模型评估验证方法研究.当模型应用于流域水环境管理决策时,应完整地开展模型评估验证,并分析模型不确定性对决策的影响.      

流域水生态系统健康与生态文明建设

健康的流域水生态系统是保障流域经济社会可持续发展的基础,解决我国严峻的流域水生态系统健康问题迫切需要开展以流域为基本单元的生态文明建设. 针对我国流域水生态系统健康现状,确立了流域生态文明的概念和内涵,提出了流域生态文明建设的基本框架和主要任务. 以保障流域自然生态系统的完整性、流域经济社会系统发展的可持续性、人居环境的生态性为内涵,构建流域水生态-经济社会复合生态系统的动态平衡是流域生态文明建设的基本框架. 流域生态文明建设的主要任务:①构建以水生态系统健康为目标的流域分区管理模式,优化国土空间开发;②健全流域的水环境质量基准和标准体系,科学确定生态系统保护阈值;③建立以流域生态承载力为约束的污染物总量控制技术,优化产业结构与布局;④以保障流域环境流量为前提,实现水资源生态利用;⑤加强人居环境生态建设,实现流域城市生态化发展;⑥加强生态制度建设,构建流域生态文明建设长效机制.该研究成果可以为实现流域人与自然和谐发展提供理论指导.