基于双种群协同进化算法的玛纳斯河流域水-经济-生态多维联合优化研究

为解决西北干旱区玛纳斯河流域水资源短缺与供需矛盾问题，研究人员构建了水-经济-生态多维联合优化模型，采用改进的MOPSO-NSGA-II混合算法求解，并通过综合评价体系验证方案合理性。研究预测2025年流域缺水6.47×107 m3 ，优化后实现4.02×106 m3 盈余，经济净效益达7.27×109 元，为干旱区水资源管理提供技术支撑。

　　

在中国西北干旱区的玛纳斯河流域，水资源的稀缺性与日益增长的工农业需求形成了尖锐矛盾。这片典型的绿洲-荒漠交错带，年均蒸发量超过2000毫米，而农业用水占比高达80%，导致地下水超采、生态流量不足等问题频发。更严峻的是，随着城镇化推进，2030年流域缺水预计将达1.89×10⁸
m³
，严重威胁区域粮食安全与生态稳定。

为破解这一难题，国内研究团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表了一项创新研究。他们首先采用PSO-BP神经网络时间序列预测模型，对人口、工业增加值等参数进行高精度预测（训练集RMSE仅0.0079）。基于预测结果，构建了包含经济收益最大化、缺水最小化、化学需氧量(COD)排放最小化的三维优化模型，并创新性地将多目标粒子群算法(MOPSO)与非支配排序遗传算法(NSGA-II)融合，通过动态交叉变异策略和世代距离(GD)指标自适应调整种群规模，显著提升算法在三维空间的搜索稳定性。

关键技术方法
研究整合了三大模块：1) 基于PSO-BP神经网络的供需平衡分析模块，预测农业有效灌溉面积等参数；2) 水-经济-生态联合优化模块，采用改进的双种群协同进化算法求解；3) 包含10项指标的综合评价体系，通过Z-score标准化评估方案合理性。数据来源于《石河子市水利综合年报》等区域报告，覆盖2012-2023年水资源数据。

研究结果

1. 供需平衡分析
   预测显示，2025年玛纳斯河灌区总缺水量达6.47×10⁷
   m³
   ，其中石河子灌区工业用水缺口占比35.3%。通过动态权重分配，算法成功将2030年缺水量降低76.85%，剩余缺口4.38×10⁷
   m³
   。

2. 优化模型构建
   模型创新性引入水源优先级系数p_i
   （地表水0.58）与用水公平系数q_j
   （生活用水0.35），约束条件包含：

• 供水约束：∑p_i
  q_j
  x_ij
  ≤(1+Δ)Φ_i

• COD约束：0.01d_j
  γ_j
  ∑p_i
  q_j
  x_ij
  ≤Dμ_j
  (上限7808吨)

1. 方案评价与优选
   通过综合评价体系筛选，2025年最优方案（8号）使下野地灌区缺水量从2.24×10⁷
   m³
   降至1.95×10⁶
   m³
   ，莫索湾灌区转为9.17×10⁶
   m³
   盈余。生态基流保障率提升至75%以上，COD排放控制在7760吨。

结论与意义
该研究实现了三大突破：1) 算法层面，GD指标引导的变异策略使MOPSO-NSGA-II混合算法收敛速度提升20%；2) 应用层面，2025年方案经济净效益达7.27×10⁹
元，较基线提高3.2%；3) 管理层面，提出的"农业优先、城市保底"分配原则，为干旱区水资源管理提供了可复用的技术框架。研究特别指出，未来需通过滴灌技术推广和作物结构调整（如减少棉花种植）进一步缓解农业用水压力。这项成果不仅为西北干旱区水资源优化提供了新范式，其动态权重分配方法和三维评价体系也可拓展至其他资源协同管理领域。