不确定条件下流域农业非点源污染双层优化管理方法研究

The output and management system of agricultural nonpoint source pollution is very complicated. Uncertainties exist in many system components, processes, factors, and their interrelationships, which severely restricts the effective control and management of watershed agricultural nonpoint source pollution. In this research, based on the pollution simulation under uncertainty, the detailed system analysis will be conducted for the agricultural nonpoint source pollution management system, to identify the system complexities and uncertainties. Through coupling the interval, fuzzy and stochastic mathematic programming methods, advanced optimization models will be developed. At the same time, considering the inherent system structure, cooperation and gaming relationship between different decision-makers, an integrated bi-level multi-objective programming method for watershed agricultural nonpoint source pollution management under uncertainty will be proposed. The method can provide a more accurate theoretical basis for watershed water environment regulation and water ecology protection. Finally, the Dongjiang River basin will be selected as the research area to conduct case study. The results will provide a decision support for the water quality protection and water pollution control in the area of Pearl River delta.

农业非点源污染输出和管理系统十分复杂，系统组分及其相互关系中存在多重不确定性和复杂性，严重制约着流域农业非点源污染的有效控制和管理。本研究将在不确定条件下农业非点源污染特征模拟的基础上，开展非点源污染管理系统分析，识别系统不确定性，通过引入区间、模糊和随机数学规划方法，构建综合的不确定优化管理模型；然后考虑农业非点源污染管理系统内部层次结构性和不同层级决策者之间的合作和博弈关系，提出非点源污染双层多目标规划管理框架，并将不确定条件下的非点源污染特征模拟结果和综合的不确定优化管理模型引入该框架中，形成一套综合的流域农业非点源污染不确定双层多目标优化管理方法，为流域水环境管理提供更准确的理论依据。同时以东江流域为研究区，开展案例研究，研究结果将为保障珠江三角洲地区水质安全和水污染防治提供决策支持。

随着点源污染的逐步控制，非点源特别是农业非点源在水环境污染来源中的比例逐渐升高，严重威胁流域水环境安全和人类健康。因此，分析农业非点源污染特征，寻求其控制和管理的有效方法和模式，对保障区域水资源和水环境系统安全具有重要意义。然而，流域农业非点源污染输出和管理系统极其复杂，系统多重不确定性和复杂性严重制约了其有效控制和管理。基于此，本项目在不确定条件下流域农业非点源污染模拟的基础上，开展非点源污染管理系统分析，识别系统多重不确定性和复杂性，开发系列不确定优化管理模型，并提出其管理的不确定双层多目标优化方法，为流域农业非点源污染管理提供了更准确的方法依据。.项目取得的主要研究进展包括：（1）开发了一个基于模拟的区间左手边机会约束混合整数规划模型，以支持不确定条件下流域农业非点源污染输出特征分析和优化管理。该模型能够处理流域非点源污染模拟和管理过程中的区间和随机不确定性，也能在模拟过程中的随机性与优化结果之间建立直接联系；（2）开发了一个基于模拟的区间模糊可信度约束混合整数规划模型，以支持不确定条件下基于水生态承载力的水库流域最优农业产业结构和人口规模识别。该模型能够处理水生态管理过程中的区间和模糊不确定性，同时能够在流域最优农业产业结构和人口规模识别过程中，考虑流域水量和水质条件及其耦合作用过程；（3）开发了一个基于模拟的区间随机双层多目标规划模型，以支持流域水环境管理过程中最佳管理措施的最优组合模式和实施方案识别。该模型不仅能够处理污染模拟和管理过程中的区间和和随机不确定性，也能够处理系统多层决策结构和多目标特征等复杂性。.项目选取了东江流域及其子流域新丰江水库流域为研究区，对所开发的模型进行案例研究，提出了区域农业非点源污染最佳管理模式。模型结果能够为流域决策者在土地利用、种植结构、化肥施用、畜禽养殖和最佳管理措施等方面提供多重决策支持。