一种基于用水户水权交易的灌区水资源优化配置方法与流程

本发明创造属于农业水管理，尤其涉及一种基于用水户水权交易的灌区水资源优化配置方法。

背景技术：

1、水资源是粮食生产必不可少的投入要素，是保证粮食安全的战略物资。随着社会不断发展，水资源的需求量逐渐增长，加之环境污染、气候变化等问题使得水资源的供需矛盾日益凸显。因此，在当前水资源日益紧缺的局面下，如何优化水资源的时空配置，提升农业生产的最大效益是保证粮食安全及农业经济可持续发展的关键问题。

2、灌区是农业生产的重要基地，也是组成灌溉系统的基本要素。灌区水资源优化配置是通过合理调控供水量、调整种植面积等方式以满足灌区效益、水量平衡、环境可持续发展等目标的决策方法。当前，缺少综合考虑灌区水源分布特点及用水需求情况，没有对灌区进行时空水资源优化配置使其更符合实际的配水需求，而通常则是通过渠首控制整个灌区配水而导致普遍存在灌区配水不均、排水量大、灌溉水利用效率低等问题。

3、水权交易作为基于市场作用对水资源进行配置的一种有效手段，供需双方以市场化手段流转水资源使用权，通过建立水资源节约利用和有偿使用的激励机制，引导水资源向利用效率更高的用水部门流动。然而，现有水权交易模型仅着重于考虑影响水权交易的某个因素，未进行系统性架构。市场竞争作为对水权交易量和交易价格具有持续动态影响的重要因素，现有模型未考虑其对供需双方互作影响的演化过程，缺少基于水权交易提高灌区农用水资源的利用效率和再配置效率的有效手段。

技术实现思路

1、本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于用水户水权交易的灌区水资源优化配置方法，在模拟变化情境下水市场运行过程中，优化交易匹配结果，设计定价机制，挖掘水市场高效配置水资源的潜力。

2、本发明具有如下优点：构建了水源-行业-用户之间的拓扑关系，完善了水权初始配置体系，确定水权初始配置方案，为水权交易奠定了基础框架；通过结合灌区内各区域的社会经济发展目标和用水红线总量，建立了水权初始优化配置模型，合理地确定了各行业及各用水户水权配置量的初始值；构建了不同用水户水权交易模型，并引入了节水奖励和惩罚水价，将二者通过模型耦合在一起,系统分析了包括交易水量、交易价格、给水方的补偿利益、给水方的节水奖励、给水方的惩罚作用等多个关键参数对水权交易整体系统的影响，进一步提高了水权交易效率及水资源的合理配置。

3、本发明创造的技术方案是这样实现的：一种基于用水户水权交易的灌区水资源优化配置方法，包含如下步骤：

4、s1：结合灌区内各行业的社会经济发展目标，构建水权初始配置指标体系，计算不同行业需水量及不同水源供水量：

5、生活需水量：

6、式中p0为现状年人口数；s是人口增长率；k为间隔年份；m是生活用水定额；

7、农业需水量：

8、式中eti为农业需水量，万m3；

9、工业需水量：

10、式中v0为现状年工业用水量，万m3；d为工业用水增长率；

11、s2：构建水权初始配置模型：在约束条件下，以灌区缺水量最小建立目标函数，获得水权初始配置初步方案，确定各用水户的水权配置量初始值：

12、目标函数：缺水量最小

13、

14、式中：f为缺水量，它是需水量减去配水量的差值，万m3；i＝1,2,3,···,n表示不同用水户，n为配水的用水户数量；j＝1,2,3,4,5,6,7分别表示塘、水库、引水、提水、机井、其他水源和外调水源；

15、s3：结合灌区内各用水户的利益诉求，基于各用水户之间的动态博弈，构建动态博弈模型、利益补偿函数和惩罚函数，实现水权增加利益主体对水权减少利益主体的利益补偿：

16、

17、yi,j＝49430-8115lnai,j+8396b

18、

19、

20、式中，fai,j表示给水方的效益；为水资源初始配置量，万m3，由a模型输出的配水结果；mi,j是不同用水户不同水源的边际效益，万元/万m3；vi,j表示超出初始配水量的水量，是供水量减初始配水量的差值：万m3；qi,j表示供水量，万m3；xi,j表示交易水量，万m3；yi,j为水资源交易水价，元/m3；ai,j为万元农业产值的用水量，m3/万元；b为用水总量与水资源总量的比值；ni,j表示惩罚水价，元/万m3；为政府制定的现行水价，元/万m3；是节水水价；

21、

22、式中，fbi,j表示受水方的效益；由于交易双方是由政府主导的，受水方用水户需要将交易成本的5％上交给政府；

23、

24、式中，fci,j表示不交易用水户的效益；

25、s4：在交易约束条件下，确定各用水户的水权配置量优化值和灌区内各用水户水资源综合效益的优化值，并获得水权交易水量、水价、水权配置结果，最后输出优化模型的最终结果：

26、

27、式中：f为系统总收益；i表示不同用水户，i＝a表示给水用水户；表示受水用水户，i＝c表示其他不参与交易的用水户；j表示不同水源，j＝1,2,…,7分别表示塘、水库、引水、提水、机井、其他水源和外调水源。

28、优选地，s1中所述不同行业需水量包括农业需水量、工业需水量、第三产业需水量、生态需水量，不同水源包括塘、水库、引水、提水、机井、其他水源和外调水源。

29、优选地，s2中所述约束条件包括生活需水约束、农业需水约束、工业需水约束、第三产业需水约束、生态需水约束、水源约束、外调水源约束和费负约束：

30、①生活需水约束：

31、

32、式中b1为生活需水系数，优先保证生活用水；

33、②农业需水约束：

34、

35、式中b2为农业需水系数；

36、③工业需水约束：

37、

38、式中b3为工业需水系数；

39、④第第三产业业需水约束：

40、

41、式中b4为第第三产业业需水系数；

42、⑤生态需水约束：

43、

44、式中b5为生态需水系数，优先保证生态用水；

45、⑥水源约束：

46、

47、

48、式中qi为7水源总供水量，为塘供水量，万m3；为水库供水量，万m3；为引水供水量，万m3；为提水供水量，万m3；为机井供水量，万m3；为其他供水量，万m3；为外调水源供水量，万m3；c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7表示为各个水源的供水系数；

49、⑦外调水源约束：

50、

51、其中r代表用水户的集合，s代表不同水库外调水源的水量，万m3；

52、⑧非负约束：

53、

54、优选地，s4中所述交易约束条件包括交易可用水量约束、交易缺水量约束、非负约束、交易水价约束和未交易水量约束：

55、①交易可用水量约束：

56、

57、②交易缺水量约束：

58、

59、式中，qi,j为缺水量，是供水量减初始配水量的正差值，万m3；

60、③非负约束：

61、xi,j≥0

62、④交易水价约束：

63、

64、

65、式中，为可承受的最高水价；

66、⑤未交易水量约束：

67、

68、

69、式中，pi为给水用水户的缺水量。