基于改进型NSGA-Ⅱ算法的晋中市水资源优化配置

对水资源的不合理利用而导致的水资源短缺现象愈发频繁,进行水资源优化配置的需求也越来越大。水资源优化配置是指在水资源总量有限的前提下,综合考虑社会效益和经济效益,用科学有效的方法对水资源进行水量的合理分配。首先分析晋中市的水资源状况,综合考虑晋中市水资源优化配置需求,建立了以社会效益和经济效益为目标函数的晋中市水资源优化配置模型。接着提出了一种改进型NSGA-Ⅱ算法(INSGA-Ⅱ),并用INSGA-Ⅱ算法对ZTD1、ZTD2及ZTD3等6个多目标测试函数进行实验,结果表明提出的INSGA-Ⅱ算法能求得有效的帕累托前沿,同时收敛性和分布性均优于所列举的大部分多目标优化算法。最后将INSGA-Ⅱ算法应用于晋中市水资源优化配置模型中并进行实例分析,同时与基于NSGA-Ⅱ算法的方案进行对比。实例分析结果表明,基于INSGA-Ⅱ算法的水资源优化配置方案比基于NSGA-Ⅱ算法的水资源优化配置方案得到的缺水量更小、经济效益更高,证明了基于改进型NSGA-Ⅱ算法的晋中市水资源优化配置方案的可行性。根据决策者对不同目标的偏好不同,给出了3种优化配置方案和3种方案的效益比较,这些配置方案同时考虑了社会效益和经济效益,能够有效解决多子区、多水源、多用户、多约束的水资源优化配置的问题,可为晋中市水资源配置和规划提供一种全新思路。

基于NSGA-Ⅱ算法的白洋淀上游种植结构优化

合理的种植结构是实现区域水资源及土地资源优化配置的基础。针对白洋淀上游水资源紧缺、种植结构不合理等问题,结合当前主要作物种植结构现状,本研究以作物种植面积为优化变量,以水资源、土地资源、社会需求等为约束条件,以经济效益、生态效益最大及总灌溉耗水量最小为目标,构建基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)的作物种植结构多目标调整模型,并提出了针对白洋淀上游平原区、山区等不同水资源限制和农业机械化程度情景下的种植结构调整优化方案。研究结果表明,在平原区现状机械化水平下,在不限制用水的情景下,可以通过调减一年两作的种植面积,增加蔬菜和绿豆-鲜食玉米等的种植面积,达到提高经济效益12.6%的目的,而生态效益和节水效益都有所降低。在限水情景下,小麦-玉米调减比例增加,调增绿豆-鲜食玉米、春季甘薯、蔬菜和果蔬的面积,实现经济效益和节水效益的提高;而要达到节水20%的目标,所有作物的种植面积都要缩减,高耗水种植制度小麦-玉米种植面积缩减比例达21.5%,同时经济效益和生态效益都下降。在未来提高机械化水平的情景下,调整优化后的经济效益相比现状机械化水平提高或下降减少。在山区所有情景下,小麦-玉米种植面积随着对水分限制水平(不限水—小于现状水资源—节水20%)的增加调减比例增加,同时增加果树的种植面积。在山区可以通过种植结构的调整达到既节水20%,同时经济效益提高的目标,这是平原区所不能达到的。总之,无论是平原区还是山区,均是在不限水情景下优化后的经济效益、生态效益相对较高,而节水越多,优化后的经济效益、生态效益增幅越小、降幅越大。并且在平原区如果在节水要求不高的情景下应适当增加蔬菜面积,减少粮食种植面积;在节水要求高的情景下应削减所有作物包括水果、蔬菜的种植面积,在山区应该适当削减粮食种植面积,扩大果树的种植面积。该研究不仅可为研究区未来作物种植结构调整提供决策依据,也为在类似地区种植结构调整和水资源优化管理提供了新的情景参考。

基于NSGA-Ⅱ方法的三峡水库汛末蓄水期多目标生态调度研究

为充分发挥三峡水库的经济效益和生态效益,建立了以三峡水电站发电量最大和下游河道适宜生态流量改变度最小为目标的水库优化调度模型,基于生态水文学法量化了下游河道适宜生态流量。为有效求解多目标优化问题,引入带有精英保留策略的非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)作为调度模型的寻优算法。通过比较2015年调度期内三峡水库优化调度方案和现行调度方案的发电效益和生态效益表明:提高生态流量改变度0.63%可使发电量增加2.32%,降低0.58%的发电量将生态流量改变度降低8.86%。该算法避免了对多目标进行加权求解的盲目性,能获得多个兼顾两个目标且分布均匀、收敛性较好的优化调度方案,为决策者提供了多种可行的选择。研究成果为三峡水库蓄水优化调度提供理论依据和具体方案参考。

黄海、东海水体总吸收系数光谱特性及其统计反演模式研究

利用现场实测的表观光学量和固有光学量数据,得到了我国黄海、东海近岸二类水体多个波段的总吸收系数的统计反演模式。此反演模式采用412/555、490/555两个波段遥感反射比比值的二项式,得到波长412、440、488、510、532、555nm处的总吸收系数,其反演值和实测值的平均相对误差不大于25.8%,相关系数R2达到了0.75到0.85。水体总吸收系数几种统计模型的误差敏感性分析表明,反演模式对±5%的遥感反射比输入误差导致结果增加误差最大为24.0%,因此反演模式是可用的。同时给出了412、488、510、532、555nm各波段的总吸收系数同波段440nm的总吸收系数之间的关系。结果表明,在400—600nm波段范围内,每一个波段的总吸收系数与440nm波段的总吸收系数的相关性均较高,相关系数R2都超过了0.99。通过对拟合直线的斜率与波长进行回归,得到斜率和波长的关系,其相关系数R2为0.99,这样利用本文中建立的各波段总吸收系数关系模型,可以从一个已知波段的总吸收系数反演出任何另外一个波段的总吸收系数,这就在水色反演与应用中大大减少了未知因子的个数。

黄海、东海二类水体漫衰减系数与透明度反演模式研究

黄海、东海是典型的二类水体区域，总悬浮物含量高，水体光学特性复杂．利用2003年春秋季黄海、东海水色联合试验中获取的高质量现场实测数据，建立了由遥感反射比反演水体在490nm波段的漫衰减系数和海水透明度的统计反演模式．这两种模式皆采用490，555，670nm三个波段的组合，漫衰减系数的反演值和实测值的相关系数为0．96，平均相对误差为17．2％；透明度的反演值与实测值的相关系数为0．95，平均相对误差为16．8％．对两种反演模式对遥感反射比输入误差的敏感性进行了分析，结果表明反演模式对±5％的遥感反射比输入误差导致490nm波段的漫衰减系数反演误差最大为27．3％，透明度最大误差为22．7％，并利用2003年春秋季同一海区的实测数据对模型进行了检验，漫衰减系数的平均相对误差为25．0％，透明度的为16．5％．给出了412，443，510，520，555，565nm各波段的漫衰减系数同波段490nm的漫衰减系数之间的关系，结果表明，在400～600nm波段中的每一个波段的漫衰减系数与490nm波段的漫衰减系数的相关性较高，相关系数都超过了0．98．这样利用建立的各波段漫衰减系数关系模型可以从一个已知波段的漫衰减系数反演出其他任何波段的漫衰减系数，这就在水色反演和应用中大大减少了未知因子的个数．

近岸海域水色算法真实性检验的不同叶绿素a测试方法换算模型

现场叶绿素a浓度是卫星水色遥感算法真实性检验的重要依据。测试方法不同,对遥感反演的叶绿素浓度对比有较大的影响。本文依据海洋监测规范和NASA的海洋光学观测规范采用三色光分光光度法、荧光光度法和HPLC法对辽东湾、大连湾水样的同步分析,建立了分光法与荧光法、分光法与HPLC法、荧光法与HPLC法得到的叶绿素a浓度换算模型,各相关系数均高于0.8,显示了良好的一致性。

考虑可靠性的给水管网水质传感器多目标优化选址模型

针对给水管网水质传感器有可能失效的情况,提出了考虑传感器可靠性的多目标优化选址模型(SPM-R).该模型在最大限度监测突发或者蓄意的污染事件之外,期望传感器选址具有一定的可靠性,即若某一传感器发生故障,存在其它传感器能够继续监测污染事件,并且由此造成的监测时间增加值在允许范围之内.结合一管网算例,首先利用EPANET软件随机模拟管网节点被注入污染物后各个节点污染物浓度变化情况,得到监测时间矩阵,然后,基于非支配排序遗传算法-II(NSGA-II)详细阐述了SPM-R模型的求解过程,并对计算结果进行了参数敏感性分析.

人工神经网络算法分光光度法同时测定锰和镍

采用甲醛肟-锰、镍显色体系,应用人工神经网络分光光度法,对吸收光谱严重重叠的两组分锰、镍同时进行测定。应用于工业废水中锰(Ⅱ)和镍(Ⅱ)的同时测定,回收率在95%～102%之间。

双目标条件下玉米水肥耦合效应分析及配施方案优化研究

[目的]探究玉米产量和水分利用率的水肥耦合效应以及求出生育期最佳水肥方案。[方法]首先利用二元二次回归分析建立了玉米产量与水分利用率的水肥耦合模型,分析水、肥二因子的耦合效应;随后建立产量和水分利用率的双目标优化模型,采用快速非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)对模型进行求解。[结果]玉米产量和水分利用率随着水肥二因子的增加呈先增后减趋势;灌水对玉米产量和水分利用率的影响程度大于施肥;水肥耦合对玉米产量和水分利用率有正交互作用。[结论]提出的水肥配施方案:灌水量为848.24 m3/hm2,施肥量为192.66 kg/hm2的水肥组合较优玉米产量为10 667.52 kg/hm2,水分利用率为3.11 kg/m3。

Hyperspectral retrieval model of phycocyanin in case Ⅱ waters

Phycocyanin, a functional protein found in blue-green algae, with characteristic absorption peak around 620 nm, can be used to detect the quantity of blue-green algae in waters. Spectral characteristics of phycocyanin were studied by measuring hyperspectral water leaving radiance and absorption curve, and the results showed that the absorption peak of phycocyanin around 620 nm was evident in the curve of water leaving radiance. Bio-optical model of phycocyanin was set up with analytical methods and calibrated with error analysis. Linear relationship between phycocyanin concentration measured and that retrieved with calibrated bio-optical model (R = 0.755) was better than that retrieved with the band ratio of 709 nm/620 nm (R = 0.729), which proved that the calibration was neces-sary for improving the accuracy of phycocyanin concentration.

考虑生物多样性及人类用水之水资源优化管理模式

近年来由于全球气候变迁的因应及生态环境复育意识的提升,人类开始重视与生态、环境的共存关系;河川流量管理即为一兼顾人类使用需求及河川生态系统需求之理念,将生态观念融入河川流量经营管理之中,以达到人类与河川生态系统共存的理想;台湾生态水文指针系统系永续水资源管理的重要参考指标,使环境资源之开发利用在环境所能负荷之范围内进行,以维持永续发展原则;本研究首先应用人工智能技术,架构复合式类神经网络,并透过此模式利用台湾生态水文指针推估河川生态系统中之鱼类生物多样性,结果显示此模式不但能有系统的分类归纳河川流量数据,并能快速、有效率且精确的推估鱼类之生物多样性;最后基于考虑河川流态于提升生物多样性的概念,应用非支配排序基因遗传算法Ⅱ（NSGA-Ⅱ）,建立考虑生物多样性为原则之多目标水资源管理策略;多目标演算模式应用对人类需求目标函数的订定乃期望能达到总缺水量最少、缺水指标最小,并避免缺水状况过于集中于某期间而造成严重缺水之枯旱情形发生。对生态系统需求目标函数的订定则为类神经网络所推估之生物多样性,期能藉由流量管理满足人类需求亦兼顾良好的河川生物多样性,具体建立提升河川生物多样性及考虑人类用水之永续水资源管理。

遗传算法在引调水联合调度优化中的应用研究——以湛江南渡河引水为例

以湛江南渡河引水规划为例,根据各水利工程节点实际水源、用水户、引调水顺序构建联合调度模型,并采用长系列法模拟日时段供水调度过程,最后借助遗传算法(NSGA-Ⅱ)自动搜索联合调度模型的优化解集。计算得到多个引水设计规模和调度规则参数Pareto解集,为全面、清晰了解决策变量对调度效果的影响提供充足的分析数据,并为后续工程方案选择和决策提供支持。

因应都市化之智能型水资源管理策略

随着时代的变迁,台湾的桃园地区都市化发展迅速,由于人口膨胀、工商业发展蓬勃等因素,民生、工业用水需求日益增加。因此,在干旱发生的情形下,桃园地区的石门水库用水调度将是1个重大课题。面对日益增加的用水需求以及水文不确定性,本研究拟建置智能型水资源管理系统,期能于干旱时期透过灌溉用水弹性调度民生、工业用水方式,降低公共用水压力。本研究搜集2005~2014年桃园地区农业、工业以及人口发展等数据,透过系统动力模式推衍未来2015~2030年桃园地区需水情势,并参考1977、1984、2002年等干旱年之石门水库旬入流量及水库初始有效库容50%、40%、30%等情境,总共设定九种未来干旱供水可能状况,运用石门水库操作规则（M-5操作规线）模拟未来缺水严重程度,并透过非支配排序遗传算-Ⅱ（NSGA-Ⅱ）搜寻最大的平均有效蓄水率（RRS）及最小的修正缺水指标（MSI）等两个目标;透过NSGA-Ⅱ的搜寻,修正缺水指标（MSI）于各水文情境的表现最高达31.3%的改善率,各旬有效蓄水率最高达9.8%的改善率。我们期望所提出之智能型水资源管理系统能对未来永续水资源管理研究有所帮助。

基于NSGA-Ⅱ算法的给水管网多目标优化设计

为了得到科学合理的给水管网设计方案,在设计时要同时考虑其经济性和可靠性。经济性以"管网建造费用"为目标函数,可靠性以"节点富余水头总和"和"节点富余水头方差"为目标函数,综合这两方面建立了给水管网优化设计的多目标数学模型,并通过MATLAB和EPANET等软件平台,运用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该多目标数学模型进行求解分析。最后以纽约隧道(New York Tunnel)工程案例加以验证,结果证明了所采用的基于非支配遗传算法的多目标数学模型在给水管网设计中的合理性和有效性。

基于NSGA-Ⅱ的城市水循环系统不确定规划研究

现有对城市水循环系统的规划研究多为确定性规划研究,缺乏对水循环系统中不确定性因素的分析,限制了城市水资源的合理开发和利用。鉴于此,以城市水循环系统中的不确定性因素为主要研究对象,构建了城市水循环系统不确定规划模型,并利用改进型非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该模型进行求解,以期提高我国城市水资源的开发利用效率。

基于NSGA-Ⅱ的给水管网压力监测点多目标优化布置

针对给水管网压力监测点优化布置过程中采用单目标函数得到的优化结果不能代表多方面综合因素的问题,以监测点压力监测范围及监测点覆盖节点需水量作为目标函数,管网水力连通性、管网节点压力相关性、管网节点水量影响条件作为约束条件建立多目标压力监测点优化布置数学模型,并利用Matlab平台通过非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解。将该模型应用于某园区实际管网中,并分析不同约束条件的参数取值对模型所得优化结果的影响程度,以提高监测点布设方案的代表性,同时也验证了NSGA-Ⅱ求解多目标给水管网压力监测点优化布置模型的有效性。