本發(fā)明屬于水資源調(diào)控分配領(lǐng)域，尤其涉及一種基于生態(tài)保護(hù)的寒區(qū)水資源合理分配方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在寒區(qū)水資源分配過程中，需要兼顧生態(tài)保護(hù)、生活用水和生產(chǎn)用水的需求。然而，不同用水類型之間存在競爭關(guān)系，如何在保障生態(tài)用水的前提下，合理分配有限的水資源以滿足生活和生產(chǎn)的需要，是一個(gè)復(fù)雜的決策問題。傳統(tǒng)的水資源分配方法通常基于經(jīng)驗(yàn)或簡單的優(yōu)先級(jí)規(guī)則，缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性，難以實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用。

2、具體而言，寒區(qū)水資源分配面臨以下技術(shù)難點(diǎn)：第一，生態(tài)用水需求的定量化評(píng)估。不同生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水資源的需求差異很大，且受氣候、地理等因素影響，需水量存在動(dòng)態(tài)變化。準(zhǔn)確評(píng)估生態(tài)用水需求是分配的基礎(chǔ)和前提。第二，生活和生產(chǎn)用水需求的合理預(yù)測。城鎮(zhèn)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)導(dǎo)致用水需求不斷增長，但受資源稟賦限制，無法無限制滿足需求增長。因此需要在發(fā)展預(yù)測的基礎(chǔ)上確定合理的需水量。第三，多用水類型的沖突協(xié)調(diào)與均衡分配。在總水量一定的情況下，不同類型的用水量存在此消彼長的關(guān)系，需要建立均衡機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的綜合決策優(yōu)化。第四，水資源的時(shí)空調(diào)配。受降水的季節(jié)性變化和區(qū)域分布不均衡影響，水資源的供給在時(shí)間和空間上都有很大差異，而不同用水對(duì)水量的時(shí)空分布要求不一致，供需矛盾突出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于生態(tài)保護(hù)的寒區(qū)水資源合理分配方法與系統(tǒng)。其中，一種基于生態(tài)保護(hù)的寒區(qū)水資源合理分配方法，其包括：

2、獲取不同時(shí)期的生態(tài)用水需求時(shí)空分布數(shù)據(jù)，基于所述生態(tài)用水需求時(shí)空分布數(shù)據(jù)，通過灰色預(yù)測與回歸分析方法，建立生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測模型，并確定高增長、中等增長和低增長發(fā)展情景下的生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測值；

3、將生態(tài)用水需求作為約束條件，所述生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測值作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建水資源分配的多目標(biāo)優(yōu)化模型；

4、采用模擬退火算法、遺傳算法求解所述多目標(biāo)優(yōu)化模型，獲得初始水資源分配方案；

5、根據(jù)所述初始水資源分配方案，界定不同用水戶的權(quán)重系數(shù)，建立多方利益均衡的水資源分配協(xié)調(diào)機(jī)制，根據(jù)利益相關(guān)者協(xié)調(diào)結(jié)果，對(duì)所述初始水資源分配方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，獲得最終的水資源分配方案。

6、優(yōu)選地，獲取不同時(shí)期的生態(tài)用水需求時(shí)空分布數(shù)據(jù)的過程包括：

7、根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用生態(tài)水文學(xué)方法，建立生態(tài)功能區(qū)的需水規(guī)律模型；

8、通過遙感技術(shù)獲取所述生態(tài)功能區(qū)的土地利用類型和植被覆蓋度信息，作為模型的輸入?yún)?shù)；

9、利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對(duì)所述生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行空間劃分，確定評(píng)估單元；

10、根據(jù)所述評(píng)估單元的生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)和需水規(guī)律模型，計(jì)算所述評(píng)估單元不同時(shí)期的生態(tài)用水需求量；

11、將不同時(shí)期的生態(tài)用水需求量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行空間插值，獲得整個(gè)研究區(qū)域的生態(tài)用水需求時(shí)空分布數(shù)據(jù)；

12、采用支持向量機(jī)建立生態(tài)用水需求預(yù)測模型，進(jìn)行不同情景下的生態(tài)用水需求預(yù)測，獲得生態(tài)用水需求預(yù)測值。

13、優(yōu)選地，建立生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測模型的過程包括：

14、根據(jù)生態(tài)用水需求時(shí)空分布數(shù)據(jù)，獲取研究區(qū)域內(nèi)的人口、經(jīng)濟(jì)和用水效率數(shù)據(jù)；

15、對(duì)所述人口、經(jīng)濟(jì)和用水效率數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和歸一化處理后，基于灰色預(yù)測模型和回歸分析方法，構(gòu)建生活用水需求和生產(chǎn)用水需求的預(yù)測模型，并使用處理后的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化；

16、通過分析研究區(qū)域內(nèi)的節(jié)水潛力和用水效率提升空間，確定不同發(fā)展情景下的節(jié)水率和用水效率提升系數(shù)；

17、將所述節(jié)水率和用水效率提升系數(shù)作為參數(shù)引入到所述預(yù)測模型中，模擬高增長、中等增長和低增長三種發(fā)展情景下的生活和生產(chǎn)用水需求；

18、對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和可視化展示，生成不同發(fā)展情景下的生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測值；

19、將預(yù)測結(jié)果與實(shí)際用水需求數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并根據(jù)反饋結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

20、優(yōu)選地，構(gòu)建水資源分配的多目標(biāo)優(yōu)化模型的過程包括：

21、根據(jù)水資源分配模型中的約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，獲取生態(tài)用水需求、生活用水需求預(yù)測值和生產(chǎn)用水需求預(yù)測值數(shù)據(jù)；

22、通過供水成本核算模型，計(jì)算不同供水方案下的單位供水成本，得到供水成本數(shù)據(jù)；

23、通過用水經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型，計(jì)算不同用水方案的單位用水經(jīng)濟(jì)效益，得到用水經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)；

24、將生態(tài)用水需求作為約束條件，生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測值作為優(yōu)化目標(biāo)，單位供水成本和單位用水經(jīng)濟(jì)效益作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型。

25、優(yōu)選地，采用模擬退火算法、遺傳算法求解所述多目標(biāo)優(yōu)化模型，獲得初始水資源分配方案的過程包括：

26、根據(jù)水資源分配的多目標(biāo)優(yōu)化模型，確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件，包括生態(tài)保護(hù)指標(biāo)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)、供水量和供水保障程度；

27、采用模擬退火算法進(jìn)行求解時(shí)，通過設(shè)置初始溫度和冷卻速率，在解空間內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)搜索，接受概率判斷是否接受新解，直至達(dá)到終止條件，得到全局最優(yōu)解；

28、對(duì)所述最優(yōu)解采用遺傳算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，通過選擇、交叉和變異操作，不斷迭代進(jìn)化種群，優(yōu)化個(gè)體適應(yīng)度，獲得滿足多目標(biāo)的初始水資源分配方案。

29、優(yōu)選地，獲取初始水資源分配方案之后還包括：

30、根據(jù)所述初始水資源分配方案，結(jié)合水資源工程體系和調(diào)度規(guī)則，采用水量平衡法計(jì)算各區(qū)域水量收支平衡，并運(yùn)用線性規(guī)劃優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，對(duì)水資源在時(shí)間和空間上進(jìn)行優(yōu)化配置。

31、優(yōu)選地，對(duì)水資源在時(shí)間和空間上進(jìn)行優(yōu)化配置的過程包括：

32、根據(jù)水資源分配方案和工程體系，獲取各區(qū)域的供水能力和需水量數(shù)據(jù)，通過水量平衡法計(jì)算各區(qū)域的水量收支平衡情況，得到供需差額數(shù)據(jù)；

33、針對(duì)供需差額數(shù)據(jù)，采用線性規(guī)劃優(yōu)化算法，以最大限度緩解供需矛盾為目標(biāo)函數(shù)，以水資源在時(shí)間和空間上的優(yōu)化配置為決策變量，建立優(yōu)化模型；

34、根據(jù)調(diào)度規(guī)則設(shè)定優(yōu)化模型的約束條件，求解優(yōu)化模型，得到水資源在不同時(shí)間和區(qū)域的最優(yōu)配置方案，獲得優(yōu)化調(diào)度方案。

35、優(yōu)選地，所述采用線性規(guī)劃優(yōu)化算法，以最大限度緩解供需矛盾為目標(biāo)函數(shù)，以水資源在時(shí)間和空間上的優(yōu)化配置為決策變量，建立優(yōu)化模型的過程包括：

36、根據(jù)水資源供需數(shù)據(jù)，建立供需矛盾評(píng)估模型，量化供需差距；

37、采用時(shí)空分析方法，獲取水資源在時(shí)間和空間維度上的分布特征；

38、通過優(yōu)化算法，確定水資源優(yōu)化配置方案，最大限度緩解供需矛盾，若所述供需差距超過預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，采取應(yīng)急調(diào)度措施；

39、根據(jù)優(yōu)化配置方案，制定水資源調(diào)度計(jì)劃，指導(dǎo)水資源優(yōu)化調(diào)配，并采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，不斷優(yōu)化水資源配置策略。

40、優(yōu)選地，建立多方利益均衡的水資源分配協(xié)調(diào)機(jī)制，根據(jù)利益相關(guān)者協(xié)調(diào)結(jié)果，對(duì)所述初始水資源分配方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，獲得最終的水資源分配方案的過程包括：

41、根據(jù)利益相關(guān)者協(xié)調(diào)結(jié)果，獲取水資源分配的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，建立水資源分配優(yōu)化模型；

42、采用啟發(fā)式算法求解水資源分配優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的水資源分配方案；并將其轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的調(diào)度規(guī)則和管理政策；

43、將優(yōu)化后的調(diào)度規(guī)則和管理政策納入流域水資源管理信息系統(tǒng)，通過系統(tǒng)接口與調(diào)度控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

44、獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)水資源分配過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，判斷是否滿足優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，若不滿足則觸發(fā)水資源分配方案的再優(yōu)化；

45、根據(jù)再優(yōu)化后的水資源分配方案，動(dòng)態(tài)調(diào)整所述調(diào)度規(guī)則和管理政策，通過流域水資源管理信息系統(tǒng)下發(fā)至調(diào)度控制系統(tǒng)，指導(dǎo)水資源調(diào)度；

46、持續(xù)獲取水資源利用效率和效益相關(guān)數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立效率和效益評(píng)估模型，對(duì)水資源綜合利用效率和效益進(jìn)行量化評(píng)估；

47、將水資源綜合利用效率和效益評(píng)估結(jié)果反饋至水資源分配優(yōu)化模型，作為新的優(yōu)化目標(biāo)或約束條件，對(duì)水資源分配進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。

48、本發(fā)明還提供一種基于生態(tài)保護(hù)的寒區(qū)水資源合理分配系統(tǒng)，包括：

49、生態(tài)用水需求評(píng)估模塊，用于獲取不同時(shí)期的生態(tài)用水需求時(shí)空分布數(shù)據(jù)；

50、生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測模塊，用于基于所述生態(tài)用水需求時(shí)空分布數(shù)據(jù)，通過灰色預(yù)測與回歸分析方法，建立生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測模型，并確定高增長、中等增長和低增長發(fā)展情景下的生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測值；

51、水資源分配多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建模塊，用于將生態(tài)用水需求作為約束條件，所述生活和生產(chǎn)用水需求預(yù)測值作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建水資源分配的多目標(biāo)優(yōu)化模型；

52、水資源分配方案求解模塊，用于采用模擬退火算法、遺傳算法求解所述多目標(biāo)優(yōu)化模型，獲得初始水資源分配方案；

53、水資源優(yōu)化配置模塊，用于根據(jù)所述初始水資源分配方案，結(jié)合水資源工程體系和調(diào)度規(guī)則，采用水量平衡法計(jì)算各區(qū)域水量收支平衡，并運(yùn)用線性規(guī)劃優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，對(duì)水資源在時(shí)間和空間上進(jìn)行優(yōu)化配置；

54、水資源分配協(xié)調(diào)機(jī)制建立模塊，用于根據(jù)所述初始水資源分配方案，界定不同用水戶的權(quán)重系數(shù)，建立多方利益均衡的水資源分配協(xié)調(diào)機(jī)制；

55、水資源分配方案調(diào)整與實(shí)施模塊，用于根據(jù)利益相關(guān)者協(xié)調(diào)結(jié)果，對(duì)所述初始水資源分配方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，獲得最終的水資源分配方案。

56、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

57、本發(fā)明的寒區(qū)水資源合理分配方法首先采用生態(tài)水文學(xué)方法評(píng)估生態(tài)用水需求，并預(yù)測生活和生產(chǎn)用水需求。然后將生態(tài)用水需求作為約束條件，生活和生產(chǎn)用水需求作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用智能算法求解得到水資源分配方案。接著結(jié)合水資源工程體系，采用水量平衡法和線性規(guī)劃優(yōu)化調(diào)度技術(shù)實(shí)現(xiàn)水資源的時(shí)空優(yōu)化配置。針對(duì)利益沖突，建立多方利益均衡的協(xié)調(diào)機(jī)制。最后將優(yōu)化方案轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的調(diào)度規(guī)則和管理政策，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)調(diào)整不斷優(yōu)化分配過程。本發(fā)明能夠在保障生態(tài)用水的前提下，實(shí)現(xiàn)水資源的高效配置和利用，有效緩解供需矛盾，協(xié)調(diào)各方利益，提高水資源綜合利用效率和效益。