一种基于SD-MOP模型下的水资源优化方法

一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法
技术领域
1.本发明涉及水资源优化技术领域，具体为一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法。


背景技术：

2.水是自然环境的重要组成部分，也是人类赖以生存的宝贵资源。水资源在促进社会经济发展和提高人民生活水平方面具有极其重要的作用，如果没有了水就不会有我们人类，更不会有人类的未来，它不仅制约着生产力的发展，也制约着人类的生存及其生存质量，它的作用是任何其他资源无法替代的。但随着经济的发展和城市化进程的不断推进，水资源短缺、水环境恶化等问题日益突出，在许多国家和地区，水资源问题已经成为制约城市社会经济发展的瓶颈。
3.当前所面临的水资源危机已经严重地阻碍了我国社会经济的发展和人们生活水平的提高，在水资源相关领域的理论方法尚不能很好的解决上述水资源危机，因而，目前不能很好的对区域的水资源进行研究后做出合理的规划，为此提出基于sd-mop模型下的水资源优化方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，包括以下步骤：
7.步骤s1，区域调查，通过查阅相关统计资料，掌握应城市的水资源概况及其开发利用现状，并初步了解应城市经济社会发展目标，从而明确水资源系统对社会经济支撑能力存在限度的根本原因；
8.步骤s2，对水资源承载力系统分析，通过将水资源承载力划分为6个子系统，分别为水资源子系统、工业用水子系统、农业用水子系统、生活用水子系统、生态用水子系统和水污染子系统，利用系统动力学原理，对各子系统之间及其内部要素的相互关系进行分析；
9.步骤s3，建立计算机仿真sd模型，sd模型需要完整地描述系统内各组成部分之间相互作用的非线性关系、复杂的因果反馈关系r
jk
的基础上，把系统划分成若干个相互关联的子系统(p)，其描述关系式如下：
10.s＝(p，r
jk
)
11.p＝{pi|i∈i}
12.r
jk
＝{r
jk
|j∈j，k∈k且j+k＝i}
13.式中：
14.s——整个系统；
15.p——系统s中的子系统，它们可能属于同一层次或不同层次；
16.r
jk
——关系矩阵，描述各子系统间的关系，一般是非线性的；
17.步骤s4，对模型进行调试与检验，需要保证模型的正确性和精确度，在完成模型构建后，需要对模型进行检验，系统动力学模型的检验方法可分为：直观检验、运行检验、历史检验、灵敏度分析4种；
18.步骤s5，模拟结果处理，在社会发展中，水资源对经济和环境的支持能力阈值要越大越好，对水资源承载力的研究，就是旨在寻找使水资源对经济、环境、生态等具有较大承载力的发展对策，从而保证区域的可持续发展能力，根据主要变量的模拟结果，采用层次分析法来确定不同变量的权重，从而计算出不同时间不同方案下的水资源承载力；
19.步骤s6，分析优选方案，通过决策变量的改变来确定不同的方案，模拟应城市的社会发展变化情况及供水、需水量的变化，得出不同方案下水资源系统主要变量的模拟值，通过对模拟值的分析处理，结合层次分析法赋予的指标权重，对应城市水资源承载力变化趋势进行了预测，并对比分析优选出最佳方案。
20.优选的，所述步骤s3中，对sd系统关系式进一步描述，一般将子系统划分为两类：良结构子系统和非良结构子系统，良结构子系统一般由一个或若干个基本单元一阶反馈回路组成，对它们的描述一般用流位变量、流率变量和辅助变量以及其他数学函数、逻辑函数、延迟函数以及常数等，根据系统动力学模型变量与方程的特点，定义变量并给出数学描述如下：
[0021][0022][0023]
式中：
[0024]
l——流位变量向量
[0025]
r——流率变量向量
[0026]
a——辅助变量向量
[0027]
——纯速率向量
[0028]
t——转移矩阵
[0029]
w——关系矩阵
[0030]
此微分方程是系统动力学的根本方程。
[0031]
let——流位变量
[0032]
rat——流率变量
[0033]
优选的，所述步骤s3中，sd模型包括流量变量方程：
[0034]
能对输入和输出变量进行积累的变量称为流位变量，在系统动力学中计算流位变量的方程称为流位变量方程；
[0035]
流位变量方程的形式为：
[0036]
lev(t)＝lev(t-δt)+δt
×
[r1(t-δt)-r2(t-δt)](δt＞0)
[0037]
r1(t)、r2(t)分别为流入速率和流出速率，统称为流率；
[0038]
在系统动力学模型建立中，只要确定了流位流率系、流位变量初始值，那么对应的流位变量数学方程就确定了，由上式可知，在流位变量方程中代表输入与输出的变量称为流率，它由流率方程求出；
[0039]
优选的，所述步骤s3中，sd模型包括流率数学方程：
[0040]
流率数学方程的标准形式是：
[0041]
rat(t)＝f1[lev(t),a(t),rat1(t-δt)]
[0042]
其中：lev(t)表示方程右边含流位变量应为t时刻值；a(t)表示方程右边含辅助变量应为t时刻值；rat1(t-δt)表示方程右边含流率变量应为t-δt时刻值；
[0043]
在系统动力学中，流率变量方程以r为标志，与流位变量方程不同，流率变量方程无确定的基本表达式；
[0044]
优选的，所述步骤s3中，sd模型包括辅助方程：
[0045]
在建立速率方程之前，若未先做好某些代数计算，把流率方程中必需的信息仔细加以考虑，那么将遇到很大的困难，这些附加的代数运算，在系统动力学中称为辅助方程，方程中的变量则称为辅助变量，系统动力学中，辅助方程以a为标志；
[0046]
优选的，所述步骤s3中，sd模型包括表函数：
[0047]
模型中往往需要用辅助变量描述某些变量间的非线性关系，显然简单地由其它变量进行代数组合的辅助变量已不能胜任，而若所需的非线性函数能以图形给出，则可简单的以表函数来表示，系统动力学中，表函数以t为标志；
[0048]
优选的，所述步骤s4中，直观检验和运行检验主要是通过对资料的进一步分析，检验变量间的因果联系、方程式的表达是否合理，等式两边的量纲是否一致，模型的运行是否会产生错乱结果；历史检验就是以某时刻为初始点，用已经获取的数据与模型的仿真结果数据进行对比，观察其误差是否在合理范围内。
[0049]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0050]
该一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，通过首先对对应区域的水资源进行调查，对区域内的水资源概况和水资源系统对社会经济支撑能力进行详细了解，通过将区域内的水资源承载力系统进行分析，通过建立仿真sd模型对其水资源承载力研究，分析水资源承载力各个子系统内部及之间互相作用的关系，并将理论模型应用于实际，对应城市水资源承载力进行研究，在实际中检验了系统动力学方法研究水资源承载力的合理性和可操作性，对促进应城市水资源的永续利用、实现社会可持续发展具有理论和现实的重要意义。
附图说明
[0051]
图1为本发明的整体流程示意图；
[0052]
图2为本发明的水资源子系统相互关系示意图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0055]
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
[0056]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0057]
请参阅图1-图2所示，本发明提供的一种技术方案：
[0058]
一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，包括以下步骤：
[0059]
步骤s1，区域调查，通过查阅相关统计资料，掌握应城市的水资源概况及其开发利用现状，并初步了解应城市经济社会发展目标，从而明确水资源系统对社会经济支撑能力存在限度的根本原因；
[0060]
步骤s2，对水资源承载力系统分析，通过将水资源承载力划分为6个子系统，分别为水资源子系统、工业用水子系统、农业用水子系统、生活用水子系统、生态用水子系统和水污染子系统，利用系统动力学原理，对各子系统之间及其内部要素的相互关系进行分析；
[0061]
步骤s3，建立计算机仿真sd模型，sd模型需要完整地描述系统内各组成部分之间相互作用的非线性关系、复杂的因果反馈关系r
jk
的基础上，把系统划分成若干个相互关联的子系统(p)，其描述关系式如下：
[0062]
s＝(p，r
jk
)
[0063]
p＝{pi|i∈i}
[0064]rjk
＝{r
jk
|j∈j，k∈k且j+k＝i}
[0065]
式中：
[0066]
s——整个系统；
[0067]
p——系统s中的子系统，它们可能属于同一层次或不同层次；
[0068]rjk
——关系矩阵，描述各子系统间的关系，一般是非线性的；
[0069]
步骤s4，对模型进行调试与检验，需要保证模型的正确性和精确度，在完成模型构建后，需要对模型进行检验，系统动力学模型的检验方法可分为：直观检验、运行检验、历史检验、灵敏度分析4种；
[0070]
步骤s5，模拟结果处理，在社会发展中，水资源对经济和环境的支持能力阈值要越大越好，对水资源承载力的研究，就是旨在寻找使水资源对经济、环境、生态等具有较大承载力的发展对策，从而保证区域的可持续发展能力，根据主要变量的模拟结果，采用层次分
析法来确定不同变量的权重，从而计算出不同时间不同方案下的水资源承载力；
[0071]
步骤s6，分析优选方案，通过决策变量的改变来确定不同的方案，模拟应城市的社会发展变化情况及供水、需水量的变化，得出不同方案下水资源系统主要变量的模拟值，通过对模拟值的分析处理，结合层次分析法赋予的指标权重，对应城市水资源承载力变化趋势进行了预测，并对比分析优选出最佳方案。
[0072]
本发明中，优选的，所述步骤s3中，对sd系统关系式进一步描述，一般将子系统划分为两类：良结构子系统和非良结构子系统，良结构子系统一般由一个或若干个基本单元一阶反馈回路组成，对它们的描述一般用流位变量、流率变量和辅助变量以及其他数学函数、逻辑函数、延迟函数以及常数等，根据系统动力学模型变量与方程的特点，定义变量并给出数学描述如下：
[0073][0074][0075]
式中：
[0076]
l——流位变量向量
[0077]
r——流率变量向量
[0078]
a——辅助变量向量
[0079]
——纯速率向量
[0080]
t——转移矩阵
[0081]
w——关系矩阵
[0082]
此微分方程是系统动力学的根本方程。
[0083]
let——流位变量
[0084]
rat——流率变量
[0085]
本发明中，优选的，所述步骤s3中，sd模型包括流量变量方程：
[0086]
能对输入和输出变量进行积累的变量称为流位变量，在系统动力学中计算流位变量的方程称为流位变量方程；
[0087]
流位变量方程的形式为：
[0088]
lev(t)＝lev(t-δt)+δt
×
[r1(t-δt)-r2(t-δt)](δt＞0)
[0089]
r1(t)、r2(t)分别为流入速率和流出速率，统称为流率；
[0090]
在系统动力学模型建立中，只要确定了流位流率系、流位变量初始值，那么对应的流位变量数学方程就确定了，由上式可知，在流位变量方程中代表输入与输出的变量称为流率，它由流率方程求出；
[0091]
本发明中，优选的，所述步骤s3中，sd模型包括流率数学方程：
[0092]
流率数学方程的标准形式是：
[0093]
rat(t)＝f1[lev(t)，a(t)，rat1(t-δt)]
[0094]
其中：lev(t)表示方程右边含流位变量应为t时刻值；a(t)表示方程右边含辅助变量应为t时刻值；rat1(t-δt)表示方程右边含流率变量应为t-δt时刻值；
[0095]
在系统动力学中，流率变量方程以r为标志，与流位变量方程不同，流率变量方程无确定的基本表达式；
[0096]
本发明中，优选的，所述步骤s3中，sd模型包括辅助方程：
[0097]
在建立速率方程之前，若未先做好某些代数计算，把流率方程中必需的信息仔细加以考虑，那么将遇到很大的困难，这些附加的代数运算，在系统动力学中称为辅助方程，方程中的变量则称为辅助变量，系统动力学中，辅助方程以a为标志；
[0098]
本发明中，优选的，所述步骤s3中，sd模型包括表函数：
[0099]
模型中往往需要用辅助变量描述某些变量间的非线性关系，显然简单地由其它变量进行代数组合的辅助变量已不能胜任，而若所需的非线性函数能以图形给出，则可简单的以表函数来表示，系统动力学中，表函数以t为标志；
[0100]
本发明中，优选的，所述步骤s4中，直观检验和运行检验主要是通过对资料的进一步分析，检验变量间的因果联系、方程式的表达是否合理，等式两边的量纲是否一致，模型的运行是否会产生错乱结果；历史检验就是以某时刻为初始点，用已经获取的数据与模型的仿真结果数据进行对比，观察其误差是否在合理范围内。
[0101]
本实施例的一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法在使用时，通过首先对对应区域的水资源进行调查，对区域内的水资源概况和水资源系统对社会经济支撑能力进行详细了解，通过将区域内的水资源承载力系统进行分析，通过建立仿真sd模型对其水资源承载力研究，分析水资源承载力各个子系统内部及之间互相作用的关系，并将理论模型应用于实际，对应城市水资源承载力进行研究，在实际中检验了系统动力学方法研究水资源承载力的合理性和可操作性，对促进应城市水资源的永续利用、实现社会可持续发展具有理论和现实的重要意义。
[0102]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1，区域调查，通过查阅相关统计资料，掌握应城市的水资源概况及其开发利用现状，并初步了解应城市经济社会发展目标，从而明确水资源系统对社会经济支撑能力存在限度的根本原因；步骤s2，对水资源承载力系统分析，通过将水资源承载力划分为6个子系统，分别为水资源子系统、工业用水子系统、农业用水子系统、生活用水子系统、生态用水子系统和水污染子系统，利用系统动力学原理，对各子系统之间及其内部要素的相互关系进行分析；步骤s3，建立计算机仿真sd模型，sd模型需要完整地描述系统内各组成部分之间相互作用的非线性关系、复杂的因果反馈关系r
jk
的基础上，把系统划分成若干个相互关联的子系统(p)，其描述关系式如下：s＝(p，r
jk
)p＝{p
i
|i∈i}r
jk
＝{r
jk
|j∈j，k∈k且j+k＝i}式中：s——整个系统；p——系统s中的子系统，它们可能属于同一层次或不同层次；r
jk
——关系矩阵，描述各子系统间的关系，一般是非线性的；步骤s4，对模型进行调试与检验，需要保证模型的正确性和精确度，在完成模型构建后，需要对模型进行检验，系统动力学模型的检验方法可分为：直观检验、运行检验、历史检验、灵敏度分析4种；步骤s5，模拟结果处理，在社会发展中，水资源对经济和环境的支持能力阈值要越大越好，对水资源承载力的研究，就是旨在寻找使水资源对经济、环境、生态等具有较大承载力的发展对策，从而保证区域的可持续发展能力，根据主要变量的模拟结果，采用层次分析法来确定不同变量的权重，从而计算出不同时间不同方案下的水资源承载力；步骤s6，分析优选方案，通过决策变量的改变来确定不同的方案，模拟应城市的社会发展变化情况及供水、需水量的变化，得出不同方案下水资源系统主要变量的模拟值，通过对模拟值的分析处理，结合层次分析法赋予的指标权重，对应城市水资源承载力变化趋势进行了预测，并对比分析优选出最佳方案。2.根据权利要求1所述的一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，其特征在于：所述步骤s3中，对sd系统关系式进一步描述，一般将子系统划分为两类：良结构子系统和非良结构子系统，良结构子系统一般由一个或若干个基本单元一阶反馈回路组成，对它们的描述一般用流位变量、流率变量和辅助变量以及其他数学函数、逻辑函数、延迟函数以及常数等，根据系统动力学模型变量与方程的特点，定义变量并给出数学描述如下：出数学描述如下：式中：l——流位变量向量
r——流率变量向量a——辅助变量向量——纯速率向量t——转移矩阵w——关系矩阵此微分方程是系统动力学的根本方程。let——流位变量rat——流率变量。3.根据权利要求1所述的一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，其特征在于：所述步骤s3中，sd模型包括流量变量方程：能对输入和输出变量进行积累的变量称为流位变量，在系统动力学中计算流位变量的方程称为流位变量方程；流位变量方程的形式为：lev(t)＝lev(t-δt)+δt
×
[r1(t-δt)-r2(t-δt)](δt＞0)r1(t)、r2(t)分别为流入速率和流出速率，统称为流率；在系统动力学模型建立中，只要确定了流位流率系、流位变量初始值，那么对应的流位变量数学方程就确定了，由上式可知，在流位变量方程中代表输入与输出的变量称为流率，它由流率方程求出。4.根据权利要求1所述的一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，其特征在于：所述步骤s3中，sd模型包括流率数学方程：流率数学方程的标准形式是：其中：lev(t)表示方程右边含流位变量应为t时刻值；a(t)表示方程右边含辅助变量应为t时刻值；rat1(t-δt)表示方程右边含流率变量应为t-δt时刻值；在系统动力学中，流率变量方程以r为标志，与流位变量方程不同，流率变量方程无确定的基本表达式。5.根据权利要求1所述的一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，其特征在于：所述步骤s3中，sd模型包括辅助方程：在建立速率方程之前，若未先做好某些代数计算，把流率方程中必需的信息仔细加以考虑，那么将遇到很大的困难，这些附加的代数运算，在系统动力学中称为辅助方程，方程中的变量则称为辅助变量，系统动力学中，辅助方程以a为标志。6.根据权利要求1所述的一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，其特征在于：所述步骤s3中，sd模型包括表函数：模型中往往需要用辅助变量描述某些变量间的非线性关系，显然简单地由其它变量进行代数组合的辅助变量已不能胜任，而若所需的非线性函数能以图形给出，则可简单的以表函数来表示，系统动力学中，表函数以t为标志。
7.根据权利要求1所述的一种基于sd-mop模型下的水资源优化方法，其特征在于：所述步骤s4中，直观检验和运行检验主要是通过对资料的进一步分析，检验变量间的因果联系、方程式的表达是否合理，等式两边的量纲是否一致，模型的运行是否会产生错乱结果；历史检验就是以某时刻为初始点，用已经获取的数据与模型的仿真结果数据进行对比，观察其误差是否在合理范围内。

技术总结
本发明涉及水资源优化技术领域，具体为一种基于SD-MOP模型下的水资源优化方法，包括以下步骤：区域调查、对水资源承载力系统分析、建立计算机仿真SD模型、对模型进行调试与检验、模拟结果处理和分析优选方案。本发明通过首先对对应区域的水资源进行调查，通过将区域内的水资源承载力系统进行分析，通过建立仿真SD模型对其水资源承载力研究，分析水资源承载力各个子系统内部及之间互相作用的关系，并将理论模型应用于实际，对应城市水资源承载力进行研究，在实际中检验了系统动力学方法研究水资源承载力的合理性和可操作性，对促进应城市水资源的永续利用、实现社会可持续发展具有理论和现实的重要意义。现实的重要意义。现实的重要意义。


技术研发人员：戴丽媛
受保护的技术使用者：皖江工学院
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2022/5/25