基于Vine Copula的固定混合随机规划模型及其在干旱区水-农业-能源-生态系统协同管理中的应用研究

《Agricultural Water Management》：Towards sustainability for water-agriculture-energy-ecosystems nexus with interconnected uncertainty: A vine copula-based fixed-mix stochastic programming method

本文针对干旱区水-农业-能源-生态系统（WAEE）协同管理中面临的多重不确定性挑战，构建了一个基于Vine Copula的固定混合随机规划（VCFSP）模型。该模型通过整合C-Vine Copula函数处理多维随机变量的相关性，并结合固定混合随机规划方法，对新疆开都-孔雀河流域的水资源、农业、能源和生态系统进行了多情景优化分析。研究结果表明，VCFSP-WAEE模型能够有效提升系统综合效益，增强水资源配置的鲁棒性，为干旱区WAEE协同管理提供了科学的决策支持工具。

　　

在干旱半干旱地区，水资源短缺与日益增长的农业、能源和生态需求之间的矛盾日益尖锐。新疆开都-孔雀河流域作为典型的干旱区内陆河流域，面临着水资源供需失衡、生态系统退化、能源生产受限等多重挑战。传统的单一目标水资源管理方法难以应对这些复杂系统的交互作用和不确定性，亟需开发能够综合考虑水-农业-能源-生态系统（WAEE）协同管理的创新方法。

为了解决这一科学问题，研究人员在《Agricultural Water Management》上发表了一项创新性研究，构建了一个基于Vine Copula的固定混合随机规划（VCFSP）模型，并将其应用于开都-孔雀河流域的WAEE协同管理。该研究通过整合先进的数学建模技术，为干旱区复杂水资源系统的优化管理提供了新的解决方案。

研究采用了多项关键技术方法：首先，利用C-Vine Copula函数处理水资源可用量、能源需求和生态需求等多维随机变量的相关性结构；其次，构建了固定混合随机规划框架，将确定性规划和随机规划相结合；第三，建立了包含5个规划期（2026-2050年）、5种水源（地表水、地下水、微咸水、工业和城市再生水）、12类用水户（农业作物、畜牧业、湿地、林地等）和6种能源转换方式（火电、水电、太阳能等）的综合优化模型；数据来源包括流域水文监测数据、农业统计资料和能源消耗记录。

模型构建与求解方法

研究首先建立了VCFSP-WAEE模型的数学框架。目标函数旨在最大化系统净效益，包括农业、畜牧业、工业和居民用水效益，能源生产效益，以及微咸水利用效益，同时考虑水资源输送成本和农业种植成本。约束条件涵盖了资源需求约束、常规水资源可用性约束、非常规水资源利用约束、电力需求约束和水资源配置平衡约束等。

水资源优化配置结果

模型求解结果表明，在考虑多重不确定性的情况下，VCFSP模型能够实现水资源在WAEE系统中的优化配置。地表水和地下水仍然是主要的供水来源，但微咸水和再生水的利用比例显著提高。农业用水分配中，高附加值作物的供水保障率更高，体现了经济效益导向的配置策略。

能源-水关联分析

研究揭示了能源生产与水资源消耗之间的紧密耦合关系。水电和火电生产对水资源有不同需求，而水资源输送和分配过程又消耗大量能源。VCFSP模型通过优化这种双向关系，实现了能源生产和水资源利用的协同增效。

生态系统服务评估

模型结果表明，合理的生态用水分配对维持流域生态系统健康至关重要。通过优化配置，湿地、林地和草地的生态需水得到了更好满足，有助于提升流域的整体生态服务功能。

不确定性分析与鲁棒性评估

通过Vine Copula函数处理多维随机变量的相关性，模型能够更准确地表征系统的内在不确定性。敏感性分析表明，VCFSP模型在不同情景下均表现出良好的鲁棒性，能够为决策者提供可靠的管理方案。

研究结论表明，VCFSP-WAEE模型能够有效处理干旱区WAEE协同管理中的多重不确定性，实现水资源在各部门的优化配置。该模型不仅提高了系统的综合效益，还增强了管理方案的适应性和鲁棒性。讨论部分进一步指出，该方法为类似干旱区的水资源综合管理提供了可推广的框架，对未来气候变化情景下的水资源适应性管理具有重要指导意义。

这项研究的创新之处在于将Vine Copula理论与固定混合随机规划方法相结合，首次系统性地解决了干旱区WAEE协同管理中的复杂不确定性問題。研究成果不仅具有重要的理论价值，也为区域水资源可持续管理提供了实用的决策支持工具。