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多目标优化模型求解（多目标优化模型求解案例）
发布时间：2023-04-14 00:07:30
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大家好！今天让创意岭的小编来大家介绍下关于多目标优化模型求解的问题，以下是小编对此问题的归纳整理，让我们一起来看看吧。
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本文目录:
一、pso的多目标优化
在多目标优化问题中，每个目标函数可以分别独立进行优化，然后为每个目标找到最优值。但是，很少能找到对所有目标都是最优的完美解，因为目标之间经常是互相冲突的，只能找到Pareto最优解。
PSO算法中的信息共享机制与其他基于种群的优化工具有很大的不同。在遗传算法（GA）中，染色体通过交叉互相交换信息，是一种双向信息共享机制。但是在PSO算法中，只有gBest（或nBest）给其他微粒提供信息，是一种单向信息共享机制。由于点吸引特性，传统的PSO算法不能同时定位构成Pareto前锋的多个最优点。虽然通过对所有目标函数赋予不同的权重将其组合起来并进行多次运行，可以获得多个最优解，但是还是希望有方法能够一次同时找到一组Pareto最优解。
在PSO算法中，一个微粒是一个独立的智能体，基于其自身和同伴的经验来搜索问题空间。前者为微粒更新公式中的认知部分，后者为社会部分，这二者在引导微粒的搜索方面都有关键的作用。因此，选择适当的社会和认知引导者（gBest和pBest）就是MO-PSO算法的关键点。认知引导者的选择和传统PSO算法应遵循相同的规则，唯一的区别在于引导者应按照Pareto支配性来确定。社会引导者的选择包括两个步骤。第一步是建立一个从中选取引导者的候选池。在传统PSO算法中，引导者从邻居的pBest之中选取。而在MO-PSO算法中更常用的方法是使用一个外部池来存储更多的Pareto最优解。第二步就是选择引导者。gBest的选择应满足如下两个标准：首先，它应该能为微粒提供有效的引导来获得更好的收敛速度；第二，它还需要沿Pareo前锋来提供平衡的搜索，以维持种群的多样性。文献中通常使用两种典型的方法：（1）轮盘选择模式，该方式按照某种标准进行随机选择，其目的是维持种群的多样性；（2）数量标准：按照某种不涉及随机选择的过程来确定社会引导者。
Moore最早研究了PSO算法在多目标优化中的应用，强调了个体和群体搜索二者的重要性，但是没有采用任何维持多样性的方法。Coello在非劣最优概念的基础上应用了一个外部“容器”来记录已找到的非支配向量，并用这些解来指导其它微粒的飞行。Fieldsend采用一种称为支配树的数据结构来对最优微粒进行排序。Parsopoulos应用了权重聚合的方法。Hu应用了动态邻域，并在此基础上利用扩展记忆，按词典顺序依次优化各个目标。Ray使用聚集机制来维持多样性，并用一个多水平筛来处理约束。Lu使用了动态种群策略。Bartz-Beielstein采用归档技术来提高算法性能。Li在PSO算法中采用NSGA-II算法中的主要机制，在局部最优微粒及其后代微粒之间确定局部最优微粒；并此基础上又提出一种新的算法，在适应值函数中使用最大最小策略来确定Pareto支配性。张利彪使用多个目标函数下各最优位置的均值来指导微粒飞行。Pulido使用多个子种群并采用聚类技术来求解多目标规划问题。Mahfouf采用加权聚合方法来计算微粒的适应值，并据此确定引导微粒的搜索。Salazar-Lechuga使用适应值共享技术来引导微粒的搜索。Gong提出微粒角度的概念，并使用最小微粒角度和微粒密度来确定局部最优和全局最优微粒。基于AER模型，Zhang提出一种新的智能PSO模型，来将种群驱向Pareto最优解集。Ho提出一种新的适应值分配机制，并使用寿命（Age）变量来保存和选择最优历史记录。Huang将CLPSO算法应用到多目标规划中。Ho提出另一种基于Pareto的与尺度无关的适应值函数，并使用一种基于正交试验设计的智能运动机制（IMM）来确定微粒的下一步运动。Branke系统研究了多种个体最优微粒的选择方法对MOPSO算法性能的影响。张勇考虑储备集更新策略在多目标PSO算法中的关键作用，提出一种两阶段储备集更新策略。
原萍提出一种分布式PSO算法—分割域多目标PSO算法（DRMPSO），并将其应用到基站优化问题。向量评价PSO算法（VEPSO）是一种受向量评价遗传算法（VEGA）的启发提出的一种算法，在VEPSO算法中，每个种群仅使用多个目标函数之一来进行评价，同时各种群之间互相交互经验。将每个种群分配到一台网络PC上，即可直接使VEPSO算法并行化，以加速收敛。Vlachogiannis应用并行VEPSO算法来确定发电机对输电系统的贡献。熊盛武利用PSO算法的信息传递机制，在PSO算法中引入多目标演化算法常用的归档技术，并采用环境选择和配对选择策略，使得整个群体在保持适当的选择压力的情况下收敛于Pareto最优解集。
由于适应值的计算非常消耗计算资源，为了减少计算量，需要减少适应值评价的次数。Reyes-Sierra采用适应值继承和估计技术来实现该目标，并比较了十五种适应值继承技术和四种估计技术应用于多目标PSO算法时的效果。
保持MOPSO中的多样性的方法主要有两种：sigma方法和ε-支配方法。Villalobos-Arias在目标函数空间中引入条块划分来形成聚类，从而保持多样性。
二、多目标优化问题，数学模型如下图，用matlab优化，编程如下，为什么在两台机子上运行结果不一样
运行结果：
xopt =
2 24.9981882710611 60
fopt =
9.77353388263938 124.990941355306
...
你用的两台机子有什么不同？
结果是怎样的？
三、数学建模最优化方法
1、多目标优化问题。
对于教师和学生的满意可以用几个关键性的指标，如衡量老师的工作效率和工作强度及往返强度等，如定义
效率w=教师的实际上课时间/(教师坐班车时间+上课时间+在学校逗留时间)。
然后教师的满意度S1为几个关键性指标的加权平均。注意一些无量纲量和有量纲量的加权平均的归一化问题。
对于学生可以定义每门课周频次，每天上课频次等等
对于学校满意，可以定义班车出动次数，这个指标和教师的某一个指标是联动的，教室和多媒体使用周期频次和使用时长等等。
2、根据第一问的模型按照数据进行求解
3、教师、学生和学校的满意度作为指标
4、根据结果提出合理化建议
四、奎屯河流域水资源优化配置
一、水资源与开发利用现状概况
奎屯河流域地处位于新疆天山北坡经济带西缘的“金三角”地带，流域内年平均地表水资源量为16.21×108 m3，地下水天然补给量1.62×108 m3，水资源总量为17.83×108 m3。平原区地下水总补给量8.41×108 m3，其中转化资源量6.79×108 m3，占总补给量的81%。地下水可开采量为6.25×108 m3，2003年实际开采量3.39×108 m3。
2003年奎屯河流域总用水量为14.65×108 m3，其中生活用水量为0.34×108 m3，占总用水量的2%；生产用水量11.28×108 m3，占总用水量的77%，而其中的农业用水量为10.54×108 m3，占总用水量的72%；人工生态用水1.8×108 m3，占总用水量的12%。
奎屯河流域总用水量为水资源总量的82%，地表水资源利用率70%，几条主要河流奎屯河、四棵树河、古尔图河的引水率均超过了80%，水资源利用程度明显偏高，造成国民经济用水挤占生态用水，致使本区生态状况呈恶化趋势。因此，必须调整用水结构，强化节水，充分考虑生态用水的基本需求，促使奎屯河流域社会、经济与生态的协调发展。
二、水资源利用效率分析
在奎屯河流域，农业用水占全部用水量的70%以上，用水量水消耗系数为7.87 m3/kg，远远超过了全国平均水平（1.102 m3/kg），农业水资源利用效率系数仅为0.13kg/m3。工业用水的重复利用率为40%左右，流域除独山子区工业万元产值用水量24 m3，其他地区万元产值耗水量平均165 m3，比全国平均水平高60%以上。
以单位用水量产出的GDP衡量用水效率，2003年奎屯河流域平均用水效率为5.6元/m3，仅为2000年全国平均水平的34%，水资源有效利用率仅为54%。
三、水资源开发利用中存在的问题
随着流域人口增加和经济、社会的发展，奎屯河流域水资源开发利用程度不断提高，流域出现了典型的资源性缺水现象，致使进入下游水量急剧减少，导致河流下游断流。从而，一方面造成流域灌区内部地下水位升高，土壤盐渍化，作物减产，土地弃耕；对于非耕地亦造成草木生长稀疏，林木退化；流域下游区域地下水位下降，甘家湖天然林保护区及艾比湖流域生态环境恶化河流中下游断流，地下水位持续下降。流域下游地区环境恶化。
四、奎屯河流域水资源优化配置的指导思想
为遏止奎屯河流域生态环境恶化的趋势，要以生态建设为根本，以水资源的科学管理、优化配置、高效利用和有效保护为核心，上、中、下游统筹规划，工程措施和非工程措施相结合，生态效益与经济效益兼顾，协调生活、生产和生态用水，充分运用法律、行政、经济、科技、宣传、教育手段，进行综合治理的指导思想。从全局利益的高度着眼，以水资源的可持续利用促进当地经济社会可持续发展为目标，系统全面考虑流域较长时期的发展需求，调整产业结构和用水结构，进一步协调生活、生产和生态用水，逐步形成符合奎屯河流域特点的、完善的水资源统一管理和生态环境保护体系，实现流域人口、资源、环境与经济社会的协调发展。
五、奎屯河流域水资源优化配置目标
此确定奎屯河流域水资源优化配置的总目标为：通过合理调度地表水，优化开采地下水，在保证人民生活用水的前提下，维持艾比湖、甘家湖天然林保护区现状的基础上，合理分配工业、农业用水比例，逐步恢复古尔图河、四棵树河下游末端林地。其次是恢复奎屯河在保护区范围内的衰败林项，保障其需水量，使水资源开发获得最佳的经济、环境、社会效益，使区域经济向良性循环方向发展。
六、奎屯河流域水资源优化配置方案生成
根据奎屯河流域水资源优化配置目标、原则及具体问题，结合奎屯河流域规划、新疆“十一五”跨流域调水工程规划，主要从开源和节流角度拟定奎屯河流域水资源配置可行的方案集，如表9-26。
表9-26 奎屯河流域水资源配置可行方案设置表
在现状供水条件下，将各种可能的配置措施投入组合成其他的配置方案。其中挖潜，指对流域现有蓄、引、排工程挖潜改造；节水，包括工农业节水。通过工农业节水技术的实施，不同规划水平年高、中、低三种需水方案比现状条件下需水可减少2010年0.45×108～1.17×108m3、2020年1.53×108～2.85×108m3、2030年2.03×108～4.42×108 m3。污水回用，指城镇生活及工业用水排放量，给下游天然生态供水，规划不同水平年污水回用水量分别为：2010年0.63×108m3、2020年1.2×108m3、2030年1.88×108m3。地下水开采工程，按流域规划，统一开采地下水；山区调蓄工程，即流域规划奎屯河上的特门水库、将军庙水库、红山水库和四棵树河上的吉尔格勒水库，总库容1.95×108 m3；跨流域调水工程，从国际河流伊犁喀什河向奎屯河流域调水5.0×108m3。
七、奎屯河流域供需水分析
（一）奎屯河流域现状2003年供需平衡分析
奎屯河流域现状2003年需水量18.21×108 m3，其中生活、生产、生态需水分别为0.34×108 m3、13.48×108 m3、4.39×108 m3，各占总需水量的1.8%、74.1%、24.1%，而生产需水中，农业需水为12.74×108 m3，占总需水量的70%。依据统计资料，奎屯河流域2003年供水量为15.42×108 m3，其中地表水供水量为11.32×108 m3，地下水供水量为3.39×108 m3，侧向排入艾比湖0.42×108 m3，排入奎屯河下游排碱渠0.29×108 m3，缺水2.84×108 m3。详见表9-27。
表9-27 2003年供需平衡分析表（单位：108 m3）
由表中可以看出，现状条件下，奎屯河流域缺水2.79×108 m3，其中农业缺水0.91×108 m3，天然生态缺水1.88×108 m3。
（二）奎屯河流域不同水平年不同配置方案供需分析
1.现状可供水量分析
可供水量是指在不同水平年、不同来水保证率的情况下，通过各类水利工程设施可以为各行政区、各部门提供的水量。可供水量的大小与水资源的总量、水利工程的供水能力及用水水平有关，同时也受国家、地方或各用水户之间的分水方案制约，在用水水平、水资源总量一定的情况下，可供水量主要取决于水源工程的类别、数量、设计规模和运行方式等。
现状水利工程、用水水平、分水方案条件下，奎屯河流域不同来水保证率情况下的可供水量详见表9-28。
表9-28 奎屯河流域不同来水保证率时的可供水量表（单位：108 m3）
由表中可以看出，在来水保证率50%（平水年）时，可供水量为14.95×108 m3，其中地表水可供水量10.89×108 m3，地下水开采量3.39×108 m3，地下水侧向排入艾比湖0.40×108 m3，排入下游排碱渠0.27×108 m3。
2.现状条件下，不同规划水平年，来水保证率50%时供需分析
奎屯河流域2003年地下水开采量为3.39×108 m3，地下水可开采量为6.25×108 m3。由于现状地下水开采没有统一规划，在奎屯市、乌苏市、八十四户乡、甘河子乡等地开采较集中，开采量大，已成为超采区。奎屯河流域规划按地貌单元、水文地质条件，将奎屯河流域平原区分为控制开采区、调蓄开采区、禁止开采区（指自然生态单元）等地下水开发利用分区。规划到2010，地下水开采量为3.47×108 m3；到2020年，地下水开采量为4.41×108 m3；2030年，地下水开采量为6.25×108 m3。据此，不同规划水平年多年平均2010年、2020年、2030年可供水量分别为15.03×108 m3、15.97×108 m3、17.81×108 m3。
3.来水保证率50%、中等需水情况下，不同配置方案供需分析
由表9-29中可以看出，来水保证率50%时，不同规划水平年不同需水方案，均缺水。2010水平年缺水5.12×108～8.08×108 m3，2020水平年缺水5.99×108～11.1×108 m3，2030水平年缺水4.8×108～11.61×108 m3，缺水占总需水量比例均大于20%。偏旱年、干旱年缺水会更明显。
表9-29 不同规划水平年来水保证率50%年供需分析表
由表9-30中可以看出，中等需水情况下，各种配置方案除外流域调水方案6外均缺水。方案1现状配置条件下，2030年缺水达总需水量的48%，将严重影响国民经济发展和人民生活水平的提高。方案2在挖潜改造和工农业节水情况下，一方面可供水量增加；另一方面，需水量相对减少。此方案配置条件下，到2030年缺水仍达37%，比方案1缺水量占总需水量的比例减少11%。配置方案3污水回用后缺水减少，但缺水也达到需水量的26%～30%。配置方案4实行地下水开采工程，缺水有逐步减少的趋势，到规划水平年2030年仅缺水18%。配置方案5修建山区调蓄水库后，可有效地缓解缺水情况。只有在配置方案6外流域调水情况下，可供水量大于流域内需水量，可向艾比湖供水0.14×108～1.55×108 m3，有利于改善该区的生态环境现状。由此，随着人口增加和经济的快速发展，奎屯河流域缺水将日渐严重。为实现奎屯河流域生态、社会和经济的可持续发展，必须采取工程和非工程措施，对有限的水资源进行优化配置。
八、奎屯河流域水资源优化配置模型建立及求解
（一）模型规划
1.管理区的划分
根据奎屯河流域的地理特征、水资源条件、灌区分布、生态环境现状、行政区划及发展规划，可将流域划分为若干子区（图9-2）。子区划分遵循以下原则：
1）尽量按照流域地形、地貌条件划分，以便计算可利用水资源量；
2）尽可能与行政分区一致，以方便资料收集整理，增加实施的可能性；
3）分区要与水资源调查评价中的分区相协调，以便采用水资源评价的成果。
依据以上原则可将奎屯河流域划分为Q个子区，某个子区用l表示，l=1，2，…，Q，Q=12。在每个子区内结合地下水位埋深进一步划分次级单元，次级单元不同埋深用不同的编码表示。
2.水源类型
根据奎屯河流域的实际情况，其供水水源有当地地表水、地下水、回用水、跨流域调水四种类型。
3.用水部门
区域用水一般可分为生活用水、生产用水和生态用水三大类。根据奎屯河流域实际，每一类用水可分为若干具体的用水部门。如生活用水分城镇居民、农村居民（包括牲畜用水）生活用水；生产用水包括工业用水、农业用水；生态用水包括人工生态用水、天然生态用水等。
表9-30 不同配置方案平水年可供水量表（单位：108 m3）
（二）多目标优化配置模型构建
1.决策变量
通过操纵可控变量，对水资源系统进行调控，并使系统的目标最终达到最优，该可控变量即为决策变量。根据奎屯河流域实际情况，水资源优化配置模型的决策变量是不同水源分配给不同用水部门的水量。分别用下式表示，即
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
式中：为i水源供给l子区j部门的水量。
图9-2 奎屯河流域水资源优化配置分区图
依据奎屯河流域实际，考虑到各用水部门的季节性及水源类型的差异，作如下说明：①生活用水考虑到用水的便利性、清洁性及用水习惯，全部使用地下水；②工业用水考虑到集中供水及处理方便等因素，全部使用地下水；③农业用水由地表水和地下水共同提供；④生态用水只考虑用地表水灌溉的植被面积，而对地下水维系的生态系统通过约束地下水位调控。
2.目标函数
奎屯河流域水资源优化配置的目标是在维持水资源可持续利用的条件下，实现区域经济、社会和生态环境综合效益最大。其中涉及经济目标、社会目标、生态目标等，而反应经济、社会、生态效益的指标非常多，且部分社会效益和生态效益指标不易量化，所以建立水资源优化配置模型时尽量选择能定量、有代表性的效益指标构造优化模型的目标函数。
（1）经济效益目标选择
在经济学中反应效益的目标众多，如产值、利润、国民经济总产值和国内生产总值等。本次计算选用工农业产值最大作为经济目标。
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
式中：为l子区j部门的工业、农业用水量；为l子区j部门单位水量产值系数；对工业用水部门可用万元产值用水定额推求，干旱区没有灌溉就没有农业，对农业用水部门用灌溉定额、灌溉面积和农业产值推求；为i水源分配给l子区j用水部门的水量。
工农业生产总值最大，反映了同等水量在不同用水部门间优化配置后取得的经济效益，但是，一方面，同一部门的水量来自不同的水源时，由于单位供水成本存在差异，从不同水源获得同等量供水的费用不同；另一方面，为满足经济社会对水资源需求，实现水资源可持续利用和经济社会协调发展，在工农业产值最大的情况下，要求水量消耗最少，且水资源配置系统的总投入费用最小作为经济效益目标。依据奎屯河流域实际情况，不同水源间以优先使用当地地表水、地下水、回用水，最后使用外调水。
水资源消耗量最小目标：
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
式中：W为流域消耗的总水量，108 m3；为i水源分配给l子区j用水部门的水量，108 m3。
（2）社会目标选择
社会目标极其广泛，包括社会稳定、生活质量、就业率、文化教育等。建模时，首先保证城市和农村的生活用水，作为保障生活质量的间接反映，并作为约束条件处理。另一方面，从社会发展的角度讲，粮食供应是社会稳定的主要影响因素之一，可选择粮食产量作为社会目标的表征指标。据此，根据规划水平年的人口发展，确定粮食种植面积，保证自给自足。
（3）生态目标选择
水资源优化配置的生态目标是维持现有生态系统平衡、恢复或改善生态系统等。从水资源利用的角度讲，生态供水量是生态平衡状态的间接度量。据此，选择在基本保证生态需水的前提下，水量的分配。
3.约束条件
（1）资源约束
1）地表水约束。各子区不同用水部门引用地表水量之和应小于可供地表水量。
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
2）地下水约束。考虑到地下水维系天然植被的功能，各子区不同用水部门引用的地下水量应小于允许开采量。
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
3）目标约束。最大程度地满足人民生活及各种经济活动对水资源的需求。
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
式中：需水量（min）=α×需水量（max），α为基本用水系数，α=1，表示生活用水及天然生态需水必须保证；0.5＜α＜1.0，表示生产（工业、农业）用水可适量减少；0.6＜α＜1.0，表示人工生态用水应尽量保证。
（2）地下水位约束
为防止由于地下水位过高或地下水位过低，导致土壤盐渍化和沙漠化，必须将灌区地下水位调控在一定的范围内。鉴于奎屯河流域下游平原区地下水以垂向交换为主，因此，在忽略单元之间水平方向水量交换的前提下，第l单元地下水位约束可用如下不等式表示：
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
（3）非负约束
准噶尔盆地地下水资源及其环境问题调查评价
（三）多目标优化配置模型求解
1.计算方法概述
本次采用MATLAB 遗传算法优化工具箱对上述模型进行求解。
2.遗传算法基本原理
生物的进化是一个奇妙的优化过程，它通过选择淘汰，突然变异，基因遗传等规律产生适应环境变化的优良物种。遗传算法是根据生物进化思想而启发得出的一种全局优化算法。
遗传算法的概念最早是由Bagley J D在1967年提出的；而开始遗传算法的理论和方法的系统性研究的是1975年，这一开创性工作是由Michigan大学的J.H.Holland所实行。当时，其主要目的是说明自然和人工系统的自适应过程。
3.遗传算法的求解步骤
遗传算法提供了一种求解复杂系统优化问题的通用框架，它不依赖于问题的领域和种类。对一个需要进行优化计算的实际应用问题，一般可按下述步骤来进行遗传算法求解。
图9-3 遗传算法的基本流程
1）确定决策变量及其各种约束条件，即确定出个体的表现型和问题的解空间。
2）建立优化模型，确定出目标函数的类型，是求目标函数的最大值还是求最小值，并确定目标函数的数学描述形式或量化方法。
3）确定表示可行的染色体编码方法，也即确定出个体的基因型及遗传算法的搜索空间。
4）确定解码方法，即确定出由个体基因型到个体表现型的对应关系或转换方法。
5）确定个体适应度的量化评价方法，即确定出由目标函数值到个体适应度的转换规则。
6）设计遗传算子，即确定出选择运算、交叉运算、变异运算等遗传算子的具体操作方法。
7）确定遗传算法的有关运行参数，即确定出遗传算法的群体规模、最大迭代代数、选择算子、交叉算子、变异算子等参数。具体详见图9-3。
4.参数选择
（1）各目标权重系数
通过对各个目标进行加权，并不断调整各目标的权重值以达到一个较理想的规划方案，最终确定多目标模型中水资源节约目标的权重系数为0.6，工农业经济目标权重系数各为0.2。生态环境方面由于目标难以定量化，所以把它考虑在生态环境需水量和地下水位约束条件中。
（2）可供水量
可供水量包括地表水可供水量和地下水可供水量。不同的来水频率和配置方案，可供水量不同。通过水利工程挖潜改造，工农业节水，污水回用及地下水开采工程的实施，可有效缓解奎屯河流域缺水，但缺水仍达20%以上。修建山区调蓄水库和外流域调水是从根本上解决奎屯河流域缺水的必要措施，因此本次主要计算在来水50%（多年平均）保证率、中等需水情况下，充分利用当地水资源即配置方案5的水量分配。
（3）需水量
不同水平年需水量、农业用水定额、工业万元产值用水量，在需水预测计算时已详述。
（4）地下水位约束
奎屯河流域存在的生态环境问题与地下水位密切相关，因此，确定合理的地下水位，对于奎屯河流域生态环境保护至关重要，而地下水位的高低直接受控于地下水资源的开发利用模式。因此，为遏止奎屯河流域生态环境恶化，必须采用合理的地下水开发利用模式，协调生活、生产和生态用水，实现流域人口、资源、环境与经济社会的协调发展。
1）山前洪积砾质倾斜平原区。该区地下水位要有利于地下水水库调蓄，获得最大的地下水水库库容，从而发挥地下水含水层的最大调蓄能力。
2）冲积平原灌区。自溢出带至一二六团，该区是奎屯河流域的农业灌溉区。该区地下水位主要研究如何控制地下水位，使得灌溉期前，有利于灌溉水入渗补给地下水，灌溉期后又不造成土壤盐渍化。根据观测资料，对灌区地下水生态水位在灌溉期前控制在4～6 m，灌溉期后，控制在3～5 m，以形成最大的地下库容，且土壤不产生盐渍化。
3）冲湖积平原甘家湖天然林保护区。根据调查研究，天然植被的生长状态与地下水埋深关系详见表9-31。
表9-31 准噶尔盆地南缘主要植被生长状态与地下水埋深关系表
根据调查研究成果，该区地下水位控制在1.5～7 m，天然植被生长较好。为此，在维持现状的基础上，应考虑逐步改善该区的生态环境现状，规划各水平年2010年、2020年、2030年进入甘家湖地区的水量分别为1.92×108 m3、3.13×108 m3、3.54×108 m3。
九、水资源优化配置模型求解结果及分析
（一）计算结果
采用MATLAB 遗传算法优化工具箱对上述模型进行求解，其结果详见表9-32～表9-35。
（二）结果分析
1.现状水平的水资源优化配置成果及分析
现状水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量18.21×108 m3，其中生活需水量0.34×108 m3，工业需水量0.74×108 m3，农业需水量12.74×108 m3，人工生态需水1.80×108 m3，天然生态需水2.59×108 m3。生活用水占总用水量2%，工业用水占5%，农业用水占的77%，生态用水占16%。
按乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-32，流域平均总供水量15.37×108 m3，其中地表水供水量11.27×108 m3，地下水供水量4.1×108 m3，总缺水量2.84×108 m3，缺水率15.6%。缺水分布为：中游农田灌溉缺水0.91×108 m3，下游天然生态缺水1.88×108 m3，无地表径流进入甘家湖区。
地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在20%～30%，盐渍化严重；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在15%～25%。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。
2.2010年水平水资源优化配置成果及分析
2010年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量22.44×108 m3，其中生活需水量0.71×108 m3，工业需水量1.18×108 m3，农业需水量10.6×108 m3，人工生态需水7.36×108 m3，天然生态需水2.59×108 m3。生活用水占总用水量3%，工业用水占5%，农业用水占的47%，生态用水占45%。
按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-33，流域平均总供水量17.52×108 m3，其中地表水供水量13.38×108 m3，地下水供水量4.14×108 m3，总缺水量4.7×108 m3，缺水率22%。缺水分布为：中游农田灌溉缺水2.71×108 m3，人工生态缺水2.21×108 m3，有1.92×108 m3地表径流进入甘家湖区。
表9-32 2003年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）
表9-33 2010年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）
地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在16%～30%之间；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在13%～20%之间，详见图9-4。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。
3.2020年水平水资源优化配置成果及分析
2020年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量24.11×108 m3，其中生活需水量0.95×108 m3，工业需水量2.42×108 m3，农业需水量9.39×108 m3，人工生态需水7.55×108 m3，天然生态需水3.80×108 m3。生活用水占总用水量4%，工业用水占10%，农业用水占的39%，生态用水占47%。
按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-34，流域平均总供水量19.17×108 m3，其中地表水供水量14.09×108 m3，地下水供水量5.08×108 m3，总缺水量4.94×108 m3，缺水率21%。缺水分布为：工业缺水0.62×108 m3，中游农田灌溉缺水2.39×108 m3，人工生态缺水1.93×108 m3，有3.13×108 m3地表径流进入甘家湖区。
图9-4 奎屯河流域灌区地下水开采所占比例等值线图
地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在20%～35%；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在16%～25%，农业开采地下水比例增加。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。
4.2030年水平水资源优化配置成果及分析
2030年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量25.27×108 m3，其中生活需水量1.18×108 m3，工业需水量4.15×108 m3，农业需水量8.32×108 m3，人工生态需水7.41×108 m3，天然生态需水4.21×108 m3。生活用水占总用水量5%，工业用水占16%，农业用水占的33%，生态用水占46%。
表9-34 2020年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）
按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-35，流域平均总供水量21.21×108 m3，其中地表水供水量14.28×108 m3，地下水供水量6.93×108 m3，总缺水量4.06×108 m3，缺水率16%。缺水分布为：工业缺水1.18×108 m3，中游农田灌溉缺水1.52×108 m3，人工生态缺水1.36×108 m3，有3.54×108 m3地表径流进入甘家湖区。
表9-35 2030年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）
地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在25%～41%；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在20%～30%，农业开采地下水比例增加。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。
各水平年优化结果中生活、生产、生态用水比例，详见表9-36。由表中可以看出，生活用水比例不断增加，由现状的2%，增加到2030年的6%；生产用水比例不断减少，由现状的82%，减少到2030年的50%，而其中的农业用水比例减少，工业用水比例增加；生态用水比例由现状的16%，增加到44%。由现状无地表径流进入甘家湖区，到2030年有3.5×108 m3地表径流进入甘家湖区，将逐渐改善该区及艾比湖的生态环境现状。
表9-36 奎屯河流域不同水平年各用水部门用水比例优化结果表
5.流域内不同水平年地表水与地下水利用量优化结果
2003年地下水用水量占总用水量的27%，地表水占73%；2010年地下水用水量占总用水量的32%，地表水占68%；2020年地下水用水量占总用水量的23%，地表水占67%；2030年地下水用水量占总用水量的32%，地表水占68%，见表9-37。这表明流域内以引用地表水为主，开采地下水为辅；各规划水平年地下水用水比例保持在32%左右，对现状灌区盐渍化有明显的改善。
表9-37 奎屯河流域不同水平年用水优化结果中地表水、地下水用水量表
总之，优化结果基本体现了生态保护与国民经济发展，人民生活水平提高与节约水资源相协调的原则。
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