綠洲型城市區(qū)位選址的多目標(biāo)規(guī)劃模型小流域綜合治理的目標(biāo)規(guī)劃模型①多目標(biāo)規(guī)劃應(yīng)用實(shí)例

綠洲型城市區(qū)位選址的多目標(biāo)規(guī)劃模型

(1)綠洲型城市的環(huán)境地質(zhì)基礎(chǔ)及影響城市選址的環(huán)境地質(zhì)要素新疆綠洲型城市，按地理位置可分為：沖積扇型、洪積扇型、沖洪積平原型、河谷型、沖積平原型、湖岸平原型等。其中，沖積扇型城市分布最為普遍，約占39%，是新疆綠洲型城市的典型代表。本模型主要是針對(duì)沖積扇型城市的區(qū)位選址問(wèn)題。沖積扇型城市在新疆綠洲型城市中最為多見(jiàn)，在天山南、北麓和昆侖山北麓，沖積扇發(fā)育較廣，并且許多扇型地都具有相當(dāng)大的規(guī)模。新疆沖積扇的發(fā)育與晚第三紀(jì)以來(lái)的中國(guó)西部環(huán)境的演變有著密切的關(guān)系。晚第三紀(jì)以來(lái)，昆侖山、天山、阿爾泰山劇烈上升，使來(lái)自海洋的濕潤(rùn)氣流受到阻隔，逐漸形成了新疆的干旱氣候。在干旱氣候環(huán)境下，植被逐漸變的稀疏，內(nèi)陸湖泊變小乃至消亡，自然景觀(guān)以荒漠為主。由于山體抬升，在干旱環(huán)境下，風(fēng)化產(chǎn)生大量的碎屑物質(zhì)，為沖積扇的形成提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源。沖積扇的物質(zhì)組成，扇頂部位主要為粗粒相堆積帶，堆積厚度較大，主要由卵礫石組成，空隙大、透水性強(qiáng)；沖積扇的中部為粗細(xì)粒過(guò)渡帶；下部和邊緣為細(xì)粒相堆積帶，主要由砂土、亞粘土、粘土組成。沖積扇的扇面坡度自扇頂向扇緣具有明顯的傾斜，在扇頂部，坡角較大，而到了扇緣帶傾角很小，只有1—2°。由于城市是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地方行政管理中心。因此，優(yōu)越的地理位置、便利的交通、充足的水源、潛在的經(jīng)濟(jì)環(huán)境及優(yōu)良的自然環(huán)境等條件應(yīng)該是良好城市區(qū)位的基本特征。對(duì)于沖積扇上的綠洲型城市而言，其區(qū)位選擇與環(huán)境地質(zhì)因素有著極為密切的關(guān)系。環(huán)境地質(zhì)因素對(duì)于綠洲型城市區(qū)位選址的影響主要表現(xiàn)在如下幾方面。①土地條件

在干旱綠洲地區(qū)，宜農(nóng)性土地是很有限的，也是很寶貴的土地資源，一般情況是不允許作為其它用地的。通常，土質(zhì)差的非宜農(nóng)性土地的城市建設(shè)征用費(fèi)低，土質(zhì)好的宜農(nóng)性土地征用費(fèi)高。因此，綠洲型城市的區(qū)位應(yīng)該選在土質(zhì)能夠滿(mǎn)足城市建設(shè)要求，而土地征用費(fèi)又較低廉的部位。顯然，土地條件是限制綠洲型城市區(qū)位選址的重要因子。②水文地質(zhì)條件

a)地下水資源量。水資源是影響城市區(qū)位的重要因素，是城市區(qū)位選址必須考慮的首要因素。對(duì)于綠洲型城市，地下水是城市主要的供水源，地下水位及其富水性直接關(guān)系到一個(gè)地段是否可以作為城市的選址位置，因?yàn)榈叵滤拈_(kāi)發(fā)利用潛力（如地下水天然補(bǔ)給量、允許開(kāi)采量等）直接關(guān)系到城市的發(fā)展規(guī)模和方向。b)地下水的水質(zhì)。地下水對(duì)綠洲型城市優(yōu)化選址的影響，除了水資源量外，還有水質(zhì)問(wèn)題。水質(zhì)的好壞，直接影響到城市居民的身體健康和工業(yè)用水的成本及其產(chǎn)成品的質(zhì)量。在能夠作為城市區(qū)位選址的地段，地下水的水質(zhì)，特別是有關(guān)毒理學(xué)指標(biāo)，如氟化物、氰化物、砷、汞、酚、鉻等及其表征水質(zhì)狀況的指標(biāo)，如硬度、胺基、化學(xué)耗氧量、氨等，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的凈化處理后均應(yīng)符合國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

③工程地質(zhì)條件現(xiàn)代化城市，以高層建筑和高層建筑群為特征。因此，城市區(qū)位選址必須考慮工程地質(zhì)條件，對(duì)于沖積扇上的綠洲型城市而言，由于扇體的各個(gè)部位的物質(zhì)組成不盡相同，因而其地基承載力也不盡相同，扇體各個(gè)部位的穩(wěn)定性也有差異。因此，綠洲型城市的選址，應(yīng)充分考慮現(xiàn)代高層建筑對(duì)地基承載力的要求。對(duì)于地下水位而言，從城市建筑的角度來(lái)考慮，地下水位不應(yīng)過(guò)高。如果埋深小于3m，則會(huì)對(duì)建筑基礎(chǔ)不利。但是，地下水位也不應(yīng)過(guò)低，如果埋深大于100m，則會(huì)導(dǎo)致城市用水費(fèi)用（主要包括打井費(fèi)用、配套設(shè)備費(fèi)用和電費(fèi)等）過(guò)高，這樣也將提高城市建設(shè)的代價(jià)。④環(huán)境地地質(zhì)災(zāi)災(zāi)害地震、、滑坡坡、泥泥石流流、洪洪水等等環(huán)境境地質(zhì)質(zhì)災(zāi)害害在地地處于于干旱旱內(nèi)陸陸的新新疆時(shí)時(shí)有發(fā)發(fā)生，，特別別是在在春夏夏季節(jié)節(jié)，泥泥石流流、洪洪水災(zāi)災(zāi)害較較為多多見(jiàn)。。因此此，綠綠洲型型城市市的區(qū)區(qū)位選選址還還應(yīng)該該考慮慮環(huán)境境地質(zhì)質(zhì)災(zāi)害害因素素。城城市選選址應(yīng)應(yīng)該盡盡量避避開(kāi)地地質(zhì)災(zāi)災(zāi)害的的多發(fā)發(fā)地段段，特特別應(yīng)應(yīng)該避避開(kāi)受受泥石石流、、洪水水可能能影響響的地地段。。(2)綠洲洲型城城市區(qū)區(qū)位選選址的的多目目標(biāo)規(guī)規(guī)劃模模型沖積扇扇型城城市是是新疆疆綠洲洲型城城市的的典型型代表表，本本模型型旨在在回答答在沖沖積扇扇的什什么部部位建建立城城市最最為合合理或或已建建城鎮(zhèn)鎮(zhèn)合理理發(fā)展展規(guī)劃劃問(wèn)題題。因因此，，沖積積扇的的扇形形地區(qū)區(qū)域就就是城城市選選址所所允許許的空空間范范圍。。也是是規(guī)劃劃模型型的求求解區(qū)區(qū)域。。為了了便于于進(jìn)行行理論論分析析和建建立模模型的的需要要，在在數(shù)學(xué)學(xué)形態(tài)態(tài)上，，可以以將這這個(gè)求求解區(qū)區(qū)域近近似地地看成成是一一個(gè)規(guī)規(guī)則規(guī)則的扇扇形體。。對(duì)對(duì)扇面上上的任意意一點(diǎn)，，可以用用柱面坐坐標(biāo)表示示，即用用點(diǎn)M在在平面上上的投影影的極坐坐標(biāo)以以及點(diǎn)M到平面面的距離離Z（立立標(biāo)）描描述。位位于扇面面上的不不同點(diǎn)，，其環(huán)境境地質(zhì)條條件是由由差異的的，任何何一個(gè)環(huán)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)要素均均可以看看成是坐坐標(biāo)點(diǎn)M,即的的函數(shù)。。★決策變量量及其含含義對(duì)于建立立在沖積積扇上的的綠洲型型城市，，其最佳佳區(qū)位點(diǎn)點(diǎn)可以用用柱面坐坐標(biāo)中的的點(diǎn)表示示。因此此，本模模型的決決策變量量是：r：極徑徑，表示示扇面上上的點(diǎn)M到出山山口的平平面距離離；:極角，，表示線(xiàn)線(xiàn)OM在在平面的的投影與與OM0的夾角(OM0為極徑始始邊）；；Z:立標(biāo)，表表示點(diǎn)M到基準(zhǔn)準(zhǔn)平面的的距離深深度，此此平面可可以認(rèn)為為是扇緣緣部位等等高線(xiàn)所所在的平平面。上述各變變量所表表示的柱柱面坐標(biāo)標(biāo)如圖5.3.1所示示。沖沖積積扇柱面面坐標(biāo)★目標(biāo)函數(shù)數(shù)從前面討討論的來(lái)來(lái)看，綠綠洲型城城市的最最佳區(qū)位位，應(yīng)該該是在盡盡量少占占耕地或或不占耕耕地（即即土地征征用費(fèi)低低）的前前提下，，選擇地地下水資資源豐富富且取水水便利、、水質(zhì)優(yōu)優(yōu)良、工工程地質(zhì)質(zhì)條件良良好的區(qū)區(qū)位。另另外，這這個(gè)區(qū)位位還應(yīng)該該在自然然災(zāi)害危危及區(qū)域域以外。。經(jīng)研究究分析，，我們擬擬定“城城市土地地征用費(fèi)費(fèi)”和““城市用用水費(fèi)用用”作為為本模型型的兩個(gè)個(gè)目標(biāo)，，即追求求“城市市土地征征用費(fèi)””和“城城市用水水費(fèi)用””最低低廉。A)城城市土地地征用費(fèi)費(fèi)。一般般來(lái)說(shuō)，，城市建建設(shè)征地地的費(fèi)用用由土地地的農(nóng)業(yè)業(yè)適宜性性決定，，即越適適宜于農(nóng)農(nóng)業(yè)利用用的土地地，其征征用費(fèi)就就越高，，反之，，就越低低。位于于沖積扇扇上不同同部位的的土地宜宜農(nóng)性差差異是顯顯著的。。在扇面面的上部部（r較較小，z較大的的部位）），由于于地表物物質(zhì)組成成較粗，，地下水水位深，，土地宜宜農(nóng)性較較差，因因而征用用費(fèi)也較較低。在在扇面的的中部，，土地的的宜農(nóng)性性仍然較較差，因因而征用用費(fèi)較低。在在扇面的的中下部部（r較較大，z較小的的部位）），土質(zhì)質(zhì)良好，，地下水水位較淺淺，土地地的宜農(nóng)農(nóng)性好，，土地征征用費(fèi)較較高。在在扇緣部部位（r最大，，z接近近0），，土壤質(zhì)質(zhì)量高，，地下水水埋藏適適宜，只只要采取取有效的的排水措措施，能能夠避免免土地沼沼澤化和和鹽堿化化，土地地的農(nóng)業(yè)業(yè)適應(yīng)性性也較高高，因而而土地征征用費(fèi)也也相對(duì)較較高，再再說(shuō)在這這一地段段，由于于排水較較困難，，且工程程地質(zhì)條條件差，，一般不不宜建設(shè)設(shè)城市。。如果記L為單位土土地面積積的征用用費(fèi)，則則它應(yīng)該該是點(diǎn)的的函函數(shù)。那那么，對(duì)對(duì)于追求求“土地地征用費(fèi)費(fèi)最低””這一目目標(biāo)的目目標(biāo)函數(shù)數(shù)可以表表示為：：B)城城市用水水費(fèi)用。。城市用用水費(fèi)用用，主要要取決于于打井費(fèi)費(fèi)用和配配套設(shè)備備及抽水水費(fèi)用。。在沖積積扇的下下部，地地下水位位淺，用用水費(fèi)用用低廉。。而在沖沖積扇的的中上部部，地下下水位深深，用水水費(fèi)用高高。如果果記W為單位土土地面積積上的城城市用水水費(fèi)用，，則所追追求““用水費(fèi)費(fèi)用最低低”這一一目標(biāo)的的目標(biāo)函函數(shù)可以以表示為為：★約束條件件A)水量量約束。。綠洲型型城市應(yīng)應(yīng)該選在在地下水水豐富的的區(qū)域，，采用““地下水水單位涌涌水量””表示地地下水的的富水性性，地下下水單位位涌水量量大的區(qū)區(qū)域，一一般來(lái)說(shuō)說(shuō)，含水水層較厚厚，富水水性好。。設(shè)為為滿(mǎn)足足城市用用水需求求的下限限（最小小值），，則約束束為：B)水質(zhì)約束i;酸堿性要求pH滿(mǎn)足：

ii:五毒元素。選取酚、氰、砷、汞、鉻等五項(xiàng)主要有毒污染物（離子）作為評(píng)價(jià)因子，采用內(nèi)梅羅指數(shù)，其約束形式為為內(nèi)梅羅指數(shù)，選用生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，若，則認(rèn)為各毒物均未超標(biāo)。iii.其它影響水質(zhì)的因子。主要有：礦化度、硬度、胺基、化學(xué)耗氧量和氨等11種，其評(píng)價(jià)方法采用如下水質(zhì)指數(shù)公式：在上式中表示地下水水質(zhì)指數(shù)；表示某種污染物的檢出含量（mg/l）；表示某種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（mg/l）。地下水水質(zhì)指數(shù)的約束條件為：

表示地下下水污染染程度較較輕，一一般可以以作為生生活飲用用水，處處理簡(jiǎn)單單、經(jīng)濟(jì)濟(jì)、水質(zhì)質(zhì)完全符符合國(guó)家家頒布的的生活飲飲用水標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。D)工工程地質(zhì)質(zhì)條件約約束i.地下下水位約約束。地地下水位位埋深小小于3m，對(duì)城城市建筑筑施工不不利，大大于100m則導(dǎo)致致城市取取水困難難，因此此對(duì)地下下水位埋埋深H要要求：ii.地地基承載載力約束束。對(duì)于于不同的的樓層建建筑，要要求的地地基承載載力條件件不同，，設(shè)為為城城市建筑筑施工所所要求的最最低地基基承載力力，則地地基承載載力F應(yīng)應(yīng)滿(mǎn)足：：(3)模模型分析析與評(píng)價(jià)價(jià)以上僅僅僅是借助助于多目目標(biāo)規(guī)劃劃的數(shù)學(xué)學(xué)語(yǔ)言，，對(duì)綠洲洲型城市市的區(qū)位位選址問(wèn)問(wèn)題作了了一般性性的理論論描述。。模型中中的目標(biāo)標(biāo)函數(shù)以以及所有有約束條條件中所所涉及的的環(huán)境地地質(zhì)要素素均是坐坐標(biāo)點(diǎn)的的函數(shù)。。如果要要將上述述描述性性的模型型變成可以以利用計(jì)計(jì)算方法法和計(jì)算算機(jī)技術(shù)術(shù)求解的的計(jì)算模模型，則則需要知知道每一一個(gè)函數(shù)數(shù)的具體體形式。。也就是是說(shuō)，要要將上述述一般性性的理論論模型應(yīng)應(yīng)用于某某一個(gè)具具體的沖沖積扇空空間，使使其變成成為可以以求解的的實(shí)用模模型。這這就需要要通過(guò)分分析扇面面上各個(gè)個(gè)不同部部位的環(huán)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)資料，，確定每每一個(gè)函函數(shù)的具具體形式式。下面面我們以以奎屯綠綠洲為例例，評(píng)價(jià)價(jià)此模型型的科學(xué)學(xué)性與實(shí)實(shí)用性。。羅格平在在奎屯綠綠洲，收收集了比比較詳實(shí)實(shí)的水文文地質(zhì)與與環(huán)境地地質(zhì)資料料，在對(duì)對(duì)這些資資料整理理與分析析的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，采采用多元元線(xiàn)性回回歸分析析方法，，將上述述目標(biāo)函函數(shù)及約約束條件件的抽象象數(shù)學(xué)表表達(dá)式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成為為具體的的線(xiàn)性函函數(shù)表達(dá)達(dá)式（表）），這些些表達(dá)式式分別通通過(guò)了或或的信度度水平檢檢驗(yàn)。表目標(biāo)函數(shù)數(shù)及約束束條件的的函數(shù)表表達(dá)式在表中，無(wú)水水質(zhì)約束束、無(wú)五五毒元素素約束及及地基承承載力約約束，這這是因?yàn)闉檫@方面面資料不不足，1988、1989年年在奎屯屯市區(qū)（（奎屯綠綠洲的下下部）取取水樣化化驗(yàn)，結(jié)結(jié)果表明明，五毒毒元素均均未超標(biāo)標(biāo)，有的的樣品還還未檢出出，因此此可以認(rèn)認(rèn)為在奎奎屯綠洲洲，五毒毒元素這這一約束束條件不不會(huì)影響響城市區(qū)區(qū)位選址址。另外外，地基基承載力力調(diào)查在在沖積扇扇的中下下部都能能夠滿(mǎn)足足城市建建設(shè)需要要。因此此這一約約束條件件也可以以不考慮慮。對(duì)于上上述模模型，，可以以采用用目標(biāo)標(biāo)加權(quán)權(quán)法進(jìn)進(jìn)行求求解計(jì)計(jì)算。。這種種方法法的核核心是是把多多目標(biāo)標(biāo)線(xiàn)性性規(guī)劃劃模型型轉(zhuǎn)化化為單單目標(biāo)標(biāo)線(xiàn)性性規(guī)劃劃模型型，適適合于于用傳傳統(tǒng)的的單純純形法法在計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)上求求解。。這種種方法法的關(guān)關(guān)鍵在在于找找到目目標(biāo)函函數(shù)合合理的的加權(quán)權(quán)系數(shù)數(shù)。經(jīng)過(guò)研研究，，對(duì)于于土地地征用用費(fèi)和和城市市用水水費(fèi)這這兩個(gè)個(gè)目標(biāo)標(biāo)的權(quán)權(quán)重，，分別別取0.6和0.4較為為合理理。這這樣，，就將將上述述多目目標(biāo)線(xiàn)線(xiàn)性規(guī)規(guī)劃轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為為單目目標(biāo)線(xiàn)線(xiàn)性規(guī)規(guī)劃，，其目目標(biāo)函函數(shù)為為按照表5.3.1中各函數(shù)表達(dá)式，依次寫(xiě)出約束條件：水量約束：因?yàn)樵诳途G洲，的地段被認(rèn)為能夠滿(mǎn)足城市的正常供水，所以，，即：水質(zhì)指數(shù)約束：（是依據(jù)換算出的，因?yàn)樵诳途G洲只有礦化度等8項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，缺三項(xiàng)，這樣即有），即：

地下水位約束：PH值約束：（將值擴(kuò)大10倍），即

運(yùn)用單純形方法求解,結(jié)果為：求解結(jié)結(jié)果表表明，，最佳佳城市市區(qū)位位應(yīng)該該在（（57.7，20.4，，121.3）），這這一位位置位位于沖沖積扇扇的中中部略略偏下下，大大致在在奎屯屯兵站站以北北2km。。這就就是說(shuō)說(shuō)，從從科學(xué)學(xué)的角角度來(lái)來(lái)講，，如果果在奎奎屯綠綠洲建建立城城市的的話(huà)，，那么么最佳佳的區(qū)區(qū)位應(yīng)應(yīng)該是是以此此點(diǎn)為為中心心向四四周擴(kuò)擴(kuò)展。。由此此看來(lái)來(lái)，奎奎屯市市現(xiàn)在在的城城市區(qū)區(qū)位是是不盡盡合理理的。。盡管管目前前無(wú)法法改變變它已已經(jīng)形形成的的城市市區(qū)位位，但但是，，根據(jù)據(jù)計(jì)算算結(jié)果果，它它今后后應(yīng)該該向沖沖積扇扇的中中部（（即向向南））發(fā)展展。慶慶幸的的是，，奎屯屯市的的發(fā)展展規(guī)劃劃已經(jīng)經(jīng)做出出了今今后向向南延延伸的的決策策，這這一決決策符符合上上述模模型的的計(jì)算算結(jié)論論。小流域域綜合合治理理的目目標(biāo)規(guī)規(guī)劃模模型①石匣小小流域域地處處北京京市山山區(qū)密密云水水庫(kù)東東北，，包括括白河河澗、、窯亭亭、芹芹菜嶺嶺、東東關(guān)、、石匣匣、四四合、、栗榛榛寨、、大屯屯8個(gè)個(gè)行政政村，，總面面積33km2；水土土流失失面積積32.12km2，占流流域面面積的的97.3%，，以面面蝕為為主；；多年年平均均降雨雨量為為661.8mm，80%集中中在6～9月份份；據(jù)據(jù)1997年的的統(tǒng)計(jì)計(jì)，全全流域域有人人口8057人人，耕地面面積565ha，，人均均占有有耕地地0.07ha。。該流域域綜合合治理理是聯(lián)聯(lián)合國(guó)國(guó)開(kāi)發(fā)發(fā)計(jì)劃劃署技技術(shù)援援款項(xiàng)項(xiàng)目“北京市市可持持續(xù)發(fā)發(fā)展重重點(diǎn)領(lǐng)領(lǐng)域行行動(dòng)方方案”的子項(xiàng)項(xiàng)目，，治理理二期期工程程從1997年開(kāi)始始，至至2001年結(jié)束束，為為期5年。結(jié)結(jié)合該項(xiàng)目目，王王春玲玲、王王久麗麗（1999）），運(yùn)運(yùn)用目目標(biāo)規(guī)規(guī)劃方方法，，建立立了北北京市市密云云縣石石匣小小流域域綜合合治理理規(guī)劃劃模型型。下下面對(duì)對(duì)這一一模型型做一一簡(jiǎn)單單地介介紹，，供讀讀者研研究參參考。。(1)規(guī)規(guī)劃模模型該模型型，