[发明专利]一种地面沉降区地下水多目标优化管理方法

摘要

本发明公开了一种地面沉降区地下水多目标优化管理方法，首先建立地下水地面沉降模拟模型，其次建立优化管理模型，包括抽水总量和地下水开采后的地面沉降总量两个目标函数，接着将地下水地面沉降模拟模型与优化管理模型进行耦合，然后采用EMOTS算法求解两个目标函数的权衡解，最后将权衡解代入地下水地面沉降模拟模型，预测地面沉降情况。本发明构建考虑地面沉降约束的地下水模拟‑优化耦合模型，采用多目标进化求解技术实现多目标优化管理问题的求解，计算效率高，且计算结果稳定可靠。

主权项

1.一种地面沉降区地下水多目标优化管理方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立地下水地面沉降模拟模型，用于刻画地面沉降区地下水水头和地面沉降量在时间和空间上的分布；(2)建立优化管理模型，该优化管理模型包括两个目标函数，第一个目标函数是抽水总量，第二个目标函数是地下水开采后的地面沉降总量，分别如式(1)、式(2)所示：其中，Q_sum为抽水总量，N_w为抽水井的总数，N_t是模拟应力期的总数，P_i表示第i口待优化抽水井是否存在，P_i＝1表示存在，P_i＝0表示不存在，Q_i,t表示第i口井第t个应力期的抽水流量，S_sum为区域各单元地面沉降量之和，N_g为研究区数值模型剖分的有效单元数，S_g为管理期末第g个网格地面沉降量；(3)将地下水地面沉降模拟模型与优化管理模型进行耦合：地下水水头和各个网格地面沉降量作为状态变量，各口井的抽水流量作为决策变量，通过步骤(1)构建的模拟模型不断更新状态变量，计算步骤(2)构建的优化管理模型的目标函数值，并判断是否满足约束条件；同时通过优化管理模型选择决策变量，返回到模拟模型中更新状态变量；(4)采用基于精英保留策略的多目标禁忌搜索算法求解步骤(2)中两个目标函数的权衡解；具体过程如下：(a)采用随机方式产生一个初始解S₀，初始化精英表、候选表和禁忌表，以初始解为基点，基于拉丁超立方抽样产生数目为N_TS的邻域种群随后各代通过以下规则产生：其中，x_i为邻域移动前第i个决策变量的值；x_i^*为邻域移动后第i个决策变量的值；random()为随机数生成器，random()∈(0,1)；stepsize为各种变量的邻域移动步长；(b)计算种群S^t_NS中的每个个体对应的地下水水头和沉降量值，进而计算各个个体的目标函数值；依据目标函数值，采用Pareto控制排序和小生境技术计算个体的Pareto排名和个体拥挤度值；(c)比较邻域种群与上一代的精英表的Pareto受控性，将中所有非劣解视为候选种子解集S₁；将S₁加入上一代的候选表中，从S₁和的合并解中选择非劣解作为当代候选种子解集S₃；最后从S₃中选择拥挤距离最大的两个解作为下一代的种子解将当代邻域种群与上一代的精英表S_E^t‑1合并，保留非劣解组成当代的精英表S_E^t，同时将当代邻域种群中非受控于上一代的精英表S_E^t‑1的解，加入上一代候选表S_C^t‑1中，移除S_C^t‑1中的受控解和下一代的种子解更新为当代候选表S_C^t；(d)优化过程中，如果达到了预先设定的最大迭代次数N_iter，或者搜索到某一代时候选种子解集为空，同时候选表也为空，则无法找到下一个种子解，此时算法停止，输出Pareto最优解集；(5)选取步骤(4)求出的权衡解，代入地下水地面沉降模拟模型，预测地面沉降情况，判断权衡解的可靠性。