不确定性条件下郑州市供水系统中水-能-碳-污染关联体的协同优化与配置

《Scientific Reports》：Synergistic optimization and allocation of water-energy-carbon-pollution nexus in Zhengzhou’s water supply system under uncertainty

　　

摘要

在快速城市化和气候变化的背景下，城市供水系统面临着水资源短缺、能源消耗增加、碳排放以及水污染等日益严峻的挑战。现有的研究大多集中在优化水资源分配或能源效率等单一目标上，而对于在不确定性条件下对水-能源-碳-污染这一复合体进行协同优化则关注较少。本研究以中国郑州为典型案例，构建了一个用于该复合体整合多目标优化的框架。首先，建立了一个耦合协调度模型，用以评估节水、节能、减碳与污染控制之间的相互作用。随后，采用了一种改进的非支配排序遗传算法II（NSGA-II），并结合区间参数与动态约束，来优化多水源的水资源分配，同时兼顾经济、社会与环境目标。此外，还引入了弹性存储机制，以提高系统在面临不确定的水需求和气候变化时的适应能力。研究结果表明，优化后的水资源分配显著提升了系统的协调性，耦合协调度从0.67上升至0.87。地下水抽取量减少了18.5%，再生水利用率提升到了14.7%，年度碳排放量则减少了约57,000吨二氧化碳，同时还能保持经济效益并缓解水资源短缺问题。与传统优化方法相比，所提出的框架能够在各种相互竞争的目标之间实现更均衡的权衡，并通过帕累托最优解提升决策的灵活性。本研究展示了整合水-能源-碳-污染优化方法在推动可持续城市水资源管理方面的潜力，也为郑州及其他水资源匮乏城市的供水系统低碳转型提供了实用指导。