不确定环境下基于水期权的水资源优化配置模型研究

发布时间：2020-10-16 23:37

　　 水资源是实现经济社会可持续发展的重要因素。在我国,由于人口众多、水资源时空分布不均及污染浪费等问题,水资源供需矛盾日益尖锐,对工农业生产和人民生活的影响也日益加剧。长期以来,行政手段直接配置水资源是我国水资源配置的主要方式,这种方式容易造成水资源价格扭曲和使用效率低下。因此,研究水资源优化配置问题是经济社会可持续发展和生态环境改善的重要课题。水资源配置需要发挥市场机制在解决水资源供需矛盾和提升水资源利用效率中的作用。在市场机制下,如何规避水资源短缺和价格上涨的风险就成为水务管理者亟待解决的问题。水期权赋予合约持有人在未来的某一特定时间内以某一约定的价格买入或卖出一定量水的权利。与现货购买相比,水期权能够帮助减少水资源管理过程中人为、自然、经济等方面存在的不确定性因素带来的风险,提升水资源供应的可靠性并降低水资源管理的成本。基于此,本文研究不确定性因素存在的环境下基于水期权的水资源优化配置问题,主要研究内容如下:(1)给出水期权的设计方案及定价公式。本文结合水资源管理的复杂性和特殊需求、水资源的稀缺性、较长的存续时间及可用水量的不确定性,给出了水期权的设计方案,设置了水期权的执行条件和具有弹性的执行数量。由于水期权的复杂性及水市场的不完全市场特征,在水期权的定价中无法采用传统的期权定价方法。本文分析了水资源管理过程中存在的不确定性因素的影响,采用带跳的不确定过程来描述水价格过程,给出了在不确定理论下所设计的看涨水期权的定价公式。(2)构建引入看涨水期权后的水资源不确定性优化配置模型。针对看涨水期权决策过程中的两阶段特征并考虑到水资源系统中存在的多种不确定性,本文结合区间-两阶段混合整数随机规划方法构建引入看涨水期权后的水资源不确定性优化配置模型并给出了求解算法。案例研究验证了所建模型和算法的有效性,一方面,水务管理者使用看涨水期权的影响因素包括执行阈值、最大可执行量、执行价格、水期权费等,另一方面,看涨水期权在规避水资源短缺风险、提升区域经济效益等方面发挥了积极作用。(3)构建引入选择期权后的水资源不确定性优化配置模型。针对可用水量在枯水期时短缺无法满足用水需求,在丰水期时又过剩造成弃水的问题,本文设计了一种选择期权。此种水期权允许水务管理者在枯水期时选择为看涨水期权买入一定量水,在丰水期时又可选择为看跌水期权卖出一定量水,从而达到既能规避水资源短缺风险又能避免水资源浪费的目的。结合区间-两阶段混合整数随机规划方法,构建了引入选择期权后的水资源不确定性优化配置模型并给出了求解算法。案例研究验证了所建模型和算法的有效性,一方面,选择期权是更灵活的水资源管理工具,另一方面,通过使用选择期权,高价值用水户的用水目标和分配水量得以提升,低价值用水户的用水需求则受到抑制,从而有助于提升水资源的使用效率。(4)构建了基于看涨水期权的跨区域调水不确定性优化配置模型。作为看涨水期权的出售方,调水区虽然可以从看涨水期权中获得经济收益,但同时也承受着看涨水期权被执行时有可能带来的水资源短缺风险。结合区间-两阶段随机多目标混合整数规划方法,并考虑到看涨水期权对出售方的不确定性影响因素,构建了基于看涨水期权的跨区域调水不确定性优化配置模型及其求解算法。案例研究验证了所建模型和算法的有效性,一方面,通过适当选取看涨水期权的最大可执行量和执行价格,能够实现调水区和受水区整体经济效益的最大化,另一方面,与其它调水方式相比,调水区通过看涨水期权出售水资源获得了经济补偿,受水区通过执行看涨水期权增加了在枯水期时的调水量,规避了水资源短缺风险。(5)基于看涨水期权的跨区域调水不确定性优化配置模型在区域多水源调水中的应用。由于区域通常会由多个水源供水,水务管理者可以向多个供水者购买看涨水期权,构成一个水资源采购组合。本文将(4)所建模型应用于基于看涨水期权的大连市多水源调水优化配置问题,将(2)和(3)所建模型应用于现货水交易加看涨水期权模式下的大连市多水源调水优化配置问题,并进行对比。分析结果显示,通过看涨水期权方式进行调水更有利于保障大连市金州以南地区在枯水期时的用水安全。通过考察看涨水期权参数对大连市系统净收益的影响,为大连市的水资源规划提供了建议。
【学位单位】：河北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV213.4;F724.5
【部分图文】：

根据水资源的可用量，水务管理者依据经济效益最大原则为本区域内的用水户分配水资源。引入看涨水期权后，水资源优化配置的决策过程见图 3-1。图3-1 水资源分配的决策过程示意图通过以上分析可知，将本章使用的参数和变量定义如下：f ：区域系统净收益($)；u：用水户总数；iNB ：用水户i的单位水量净收益(3$/ m )；iT ：用水户i的用水目标(3m)；E [ ]：随机变量的期望；OP：看涨水期权的期权费($)；Q ：区域可用水量，为随机变量(3m)；QA：当可用水量为Q 时，看涨水期权的最大可执行量(3m)；R：二元变量，0 表示不购买看涨水期权，1 表示购买看涨水期权；第一阶段 确定是否购买看涨水期权 为区域内的用水户确定供水目标第二阶段 确定期权的执行量 为区域内的用水户分配水资源

加都会影响水务管理者的决策。如图 3-2 所示，在所有 375 种情况中有 72.8%水务管理者会购买看涨水期权，27.2%不会购买。图3-2 引入看涨水期权后的决策过程表 3-4 是所有决策结果的分布情况，其中 R 1表示购买看涨水期权， R 0表示不购买看涨水期权。可见看涨水期权的四个参数，即水期权费、执行价格、执行阈值、最大可执行量的取值均对是否购买看涨水期权有影响，图 3-3 至图 3-5 是由表 3-4 得到的，展示了看涨水期权参数取值与是否购买看涨水期权的相关关系。具体分析如下。如图 3-3 所示，随着看涨水期权执行价格的上涨，用水户的用水需求受到较高水价的抑制，水务管理者购买看涨水期权的意愿下降。当执行阈值为 L

50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 表示不购买看涨水期权，1 表示购买看涨水期权图3-3 执行价格对购买看涨水期权的影响如图 3-4 所示，随着看涨水期权费的增加，购买看涨水期权的成本上升，水务管理
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本文编号：2843938