一种基于多参数融合的县级水预算额度级联分配方法和系统与流程

本发明涉及水资源管理、计算机数据处理，具体涉及一种基于多参数融合的县级水预算额度级联分配方法和系统。

背景技术：

1、当前县级行政区域的水资源分配普遍采用行政化的静态分配方式：在预算年度初期，由水行政主管部门依据多年平均来水量与相对固定的用水定额，按“基数＋增长”模式一次性向各用水单位下达年度用水指标。部分地区虽已建立水资源监测系统、用水统计平台与用水在线计量装置，但此类系统大多停留在数据采集与台账记录层面，未能在“可分配水量核算—逐级分配—刚性校验—执行反馈”的决策闭环上发挥作用。

2、另有一类研究将区域水量分配建模为多目标优化配置问题，借助群智能、双层规划等元启发式算法迭代寻优，以追求经济、社会、生态综合效益最大化。该类方法在规划层面有其价值，但与水预算管理“刚性预算化、可追溯、可实时响应”的需求并不相适应。

3、现有技术主要存在以下缺陷：

4、（一）来水核算基数单一，不确定性未做频率化量化。现有方法通常仅以单一的实测来水量或多年平均值作为分配基数，未能融合短期来水预报、跨区域调水计划、上年度结余以及非常规水等多类信息；即便个别做法引入“安全系数”，其取值也依赖人工经验，既未依据各数据源预报误差的频率分布（包括偏态特征）客观反演，也无法与目标保证率定量挂钩，导致核算基数在丰水年偏保守造成闲置浪费、在枯水年偏冒进引发物理超分。

5、（二）分配层级割裂，缺乏刚性闭合传导。县级、行业级、用水户级三个层级的分配往往各自独立测算，缺乏自上而下的传导机制；当上级总量因来水变化等原因发生调整时，下级配额无法依既定规则自动联动重算，需人工逐级重新测算，效率低下且极易出现各级合计超过上级总量、突破用水总量控制指标的情形。即便采用简单的等比例压减，也会无差别地压缩带有刚性保障底线的下级对象（如民生关联供水），造成“守住了总量、击穿了底线”的违规结果。

6、（三）定额年型适配缺失，丰枯一刀切。用水定额标准本已按不同水文年型分别给出法定值，但现行分配实践中往往全年沿用单一年型（如平水年）定额，缺乏依据当年实际来水频率自动判定水文年型、自动选取并平滑过渡到对应法定定额值的机制，难以兼顾丰水年充分利用与枯水年从严控制。

7、（四）缺乏刚性约束的自动校验与确定性应急。现有分配缺少对用水总量控制指标、用水权确权额度、生活用水保障底线以及河湖生态流量等多级刚性约束的自动校验与联动响应机制；缺水冲突发生时多依赖人工临时协调，结果可能在无预警情况下突破红线，且处置过程难以追溯、难以审计。

8、（五）行政化指定供水优先级，缺乏客观依据与压缩幅度约束。现有缺水处置常以人为预设的固定行业先后次序进行压缩，既缺乏对各用水类型自身法定设计供水保证率、确权充足度、缺水弹性、节水水平等客观差异的量化刻画，也无法随当年水情自适应调整，也没有与设计保证率挂钩的压缩幅度上限约束，可能对某一用水一次性压缩过深。

9、（六）优化配置方法不满足刚性预算化与实时响应要求。多目标优化配置方法以效益寻优为目标，运算量大、收敛过程不确定，所得方案难以追溯与审计；其并不以“逐级不超用水总量控制指标、不破各级确权上限与生活生态底线”这一刚性闭合关系作为内生的硬性保证；且求解通常基于规划水平年的长系列静态情景，难以依据执行期实时来水变化与实际用水进度进行在线联动调整。

10、（七）关键参数无率定、无验证、不可移植。现有分配实践中的折减系数、预警阈值等关键参数多为一次性经验设定，既没有以历史序列为依据的率定流程，也没有投运前与年度终了的回代验证机制，参数的合理性无法量化评价，方案迁移到不同水资源分区时更无从校核。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于多参数融合的县级水预算额度级联分配方法和系统。本发明解决多源不确定水源可信核算、三级额度刚性联动传导、法定定额水文年型适配、缺水条件客观自适应供水优先级、多级红线自动校验冲突消解、执行期在线闭环、参数可率定验证的技术难题。将四水四定、水资源刚性约束制度转化为可计算、可校验、可审计的技术路径。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于多参数融合的县级水预算额度级联分配方法，由计算机系统执行，其特征在于，包括以下步骤：

3、s1、数据采集与全口径归集步骤：通过水文监测站网、气象预报系统、调水调度系统、用水在线计量装置采集目标县域全口径水源数据，所述全口径水源数据包括地表水、地下水、非常规水的实测来水量、短期来水预报量、跨区域调水计划量、上年度结余可利用量、非常规水可用量；

4、针对不同来源的水源数据分别配置加权系数，其中，所述实测来水量配置实测可靠性系数，所述短期来水预报量配置确定性折减系数，所述跨区域调水计划量配置调水置信系数，所述上年度结余可利用量配置结余利用系数，所述非常规水可用量配置非常规水利用系数；

5、s2、可分配水量核算步骤：按照下式计算水预算可分配水量：

6、

7、式中，为政府给定的河道内刚性生态保障底线水量；各所述加权系数分别基于对应数据源的历史数据确定；

8、s3、三级级联分配步骤：以所述水预算可分配水量为基数，构建县级—用水行业—用水户三级分配架构；县级层级优先扣减城乡居民生活用水保障量与河道外人工生态环境补水预留量，生成可调配水量池；用水行业层级结合各行业法定用水定额、规模参数核算各行业初始配额；对不属于法定刚性底线的农业、工业、服务业、人工生态环境补水用水，基于客观指标自适应生成供水优先级与允许破坏深度约束；用水户层级将行业配额按照用水规模比例分解至各个用水户；配置级联传导机制，当上级额度由第一额度变更为第二额度时，下级各对象额度依据变更前分配状态自动同步更新，校验下级全部对象额度之和不超过变更后的上级额度；

9、s4、多级刚性约束校验与冲突消解步骤：对分配结果执行四级刚性约束校验：顶层校验，区域水预算合计不突破用水总量控制指标，其中河道内生态流量不纳入用水总量控制指标统计口径；层级校验，各行业、各用水户分配额度不超过对应用水权确权额度；底线校验，城乡居民生活用水、河道内生态流量不低于法定保障底线；闭合校验，下级全部分配额度之和不超过上级可分配水量；当任意一项校验不通过，执行分层确定性冲突消解流程，生成结构化消解日志；

10、s5、额度生成下发步骤：输出县级、用水行业级、用水户级三级水预算基准额度，下发作为县域水预算执行、用水管控的依据。

11、本方法的全部外部输入参数，包括用水总量控制指标、用水权确权额度、河湖生态流量管控指标、政府发布的分水文年型用水定额、法定供水优先序，均属于行政主管部门对外发布的法定指标。本计算机方法不对上述法定指标的数值进行修改，仅完成读取、条件选取、区间内线性内插、校验、传导执行，不替代行政决策，通过计算机技术手段完成水预算额度分配的技术运算。

12、进一步地，所述实测可靠性系数α与所述确定性折减系数β基于对应数据源历史误差样本的频率分布反演得到；所述调水置信系数γ按照历史执行率序列标定；所述结余利用系数δ按照历史结算波动序列标定；所述非常规水利用系数ε按照历史供给稳定性序列标定。

13、本发明中实测可靠性系数α、确定性折减系数β均由对应数据源自身历史误差样本，通过频率分位数反演算法自动计算输出，算法本身不设置β小于α的强制约束。在常规县级水利业务场景，短期来水预报误差一般大于实测监测数据误差，经本发明算法反演计算后，确定性折减系数β通常会小于实测可靠性系数α，以此对预报类不确定水源施加更大折减；若未来预报模型精度大幅提升，预报误差小于实测监测误差，算法依然可正常运行，此时计算结果也可出现β≥α。

14、进一步地，所述反演公式为：

15、

16、式中：为数据源s对应的折减系数；s分别对应所述实测来水量和所述短期来水预报量；为目标来水保证率；为该数据源历史相对误差频率分布在累积频率处的分位数；保证概率满足prob{实际水量≥·}≥。

17、进一步地，对分位数自动切换三种估计分支：

18、分支一：当历史样本容量大于等于配置阈值，采用非参数经验分位数法，基于weibull数学期望经验频率公式计算分位数；

19、分支二：当样本容量小于，且样本偏态系数绝对值，采用皮尔逊ⅲ型频率曲线适线法，通过矩法估计均值、标准差、偏态系数，结合p-ⅲ离均系数计算分位数；

20、分支三：当样本容量小于，且，退化至正态近似公式；其中μe为误差均值，σe为误差标准差，zp为标准正态分布下概率p对应的分位数。

21、本发明分位数估计设置三个自动切换分支的技术意义在于：当历史误差样本呈现负偏特征，即预报偏高的极端缺水事件发生概率更高时，皮尔逊ⅲ型频率曲线适线分支能够刻画该偏态分布特征，相比正态近似分支会输出更大的折减深度，避免低估尾部缺水风险；正态近似分支仅适用于误差样本近似对称的场景。

22、进一步地，将历史误差样本按照汛期/非汛期或者逐月分组，分期标定得到子周期折减系数。

23、进一步地，农业行业配额计算公式为：

24、

25、式中，为第i类作物灌溉面积；为灌溉水有效利用系数；为基于当年来水频率p选取的法定净灌溉定额。

26、进一步地，的取值方法为：依据当年来水频率p判定水文年型，调取政府公开的分水文年型法定定额；当来水频率落在两个法定水文年型断点之间，对相邻两个法定定额做线性内插，内插结果限定在两个法定定额闭区间之内；水文年型频率断点为可配置参数，由水行政主管部门公布标准配置下发。

27、进一步地，自适应生成供水优先级包括：

28、选取客观指标集合：设计供水保证率、用水权确权充足度、缺水弹性、节水水平、非常规水可替代率；采用客观赋权法计算各指标权重，加权得到各用水类型优先级得分；城乡居民生活用水、河道内生态流量不参与指标评分，设置为不可压缩的法定刚性底线层。

29、进一步地，所述客观赋权法采用熵权法或者critic。

30、进一步地，构建允许破坏深度分段线性函数：

31、当p≤pjdes时，=0；

32、当；

33、当p≥pcap时，=djmax；

34、式中，pjdes为用水j设计供水保证率对应的频率阈值；djmax为允许破坏深度上限；pcap为特枯参考频率；冲突消解过程中，用水j累计压缩量不得超过与其压缩前分配量的乘积。

35、所述允许破坏深度分段线性函数的技术机理为：用水类型j的设计供水保证率对应的频率阈值pjdes越高，则该用水进入允许破坏区越晚；在同一来水频率p条件下，其允许破坏深度越小，即可允许的压缩上限越低，匹配该用水依法享有的高保障水平。

36、进一步地，还包括政策性保护双轨处理步骤：

37、接收配置管理模块下发的保护标签，标签分为政策兜底级、政策倾斜级；

38、标记为政策兜底级的用水，压缩层级设置在法定刚性底线层之后、其余兼顾类用水之前，不参与同层比例压缩，如需压缩必须录入特殊决策记录并留存日志，且压缩幅度仍受该用水类型允许破坏深度限额约束；

39、标记为政策倾斜级的用水，保持原有优先级对应的压缩层级，同层压缩时分摊份额乘以倾斜系数，减少的压缩量由同层其余用水按比例承担；

40、政策性保护操作不修改原始优先级得分，原始得分与保护标签双轨存储留痕。

41、进一步地，所述级联传导机制为底线锁定—比例传导—上限截断三段式传导，包括：

42、第一段底线锁定：提取全部下级对象刚性保障底线，计算底线总和；若变更后上级额度，判定传导不可行，直接进入冲突消解流程，不生成击穿底线的中间结果；

43、第二段超底线比例伸缩：伸缩比；下级新额度；为变更前下级额度；

44、第三段上限截断再分配：若计算得到′大于下级法定上限，则截断至上限；超出部分在其余未触顶下级按照的比例重新分配，循环截断再分配直到无对象触顶；全部下级额度之和恒等于变更后上级额度。

45、本发明底线锁定—比例传导—上限截断三段式传导算法，运算后内生满足如下技术性质：闭合性，下级全部额度之和严格恒等于变更后的上级额度；底线保持性，下级刚性保障底线不会被击穿；上限符合性，各下级额度不会超过法定确权上限；单调性：上级额度增大时，任意下级额度不会减少，避免出现“总量增加、个体额度反而被压减”的悖谬现象；同层相对次序保持；结果唯一，同一输入得到唯一计算结果，单层运算复杂度与下级对象数量呈线性关系，无需迭代寻优

46、进一步地，当s4中任一校验不通过时，执行以下分层确定性冲突消解流程：

47、将全部用水划分为多层压缩层序：法定刚性底线层、政策兜底层、兼顾用水层，兼顾用水层按照优先级得分升序排列，其中法定刚性底线层不参与任何比例压缩；

48、步骤a：计算待压缩总缺口；

49、步骤b：调用系统预留水量冲减缺口；缺口归零直接结束；

50、步骤c：缺口未消除，由得分最低的兼顾层开始逐层压缩；同层内部按分配量比例同步压缩；政策倾斜级对象应用倾斜系数调整分摊量；任意用水累计压缩量不超过允许破坏深度限额；、层不执行比例压缩；

51、步骤d：全部可压缩层耗尽缺口仍然存在，触发最高级别预警，申请上级应急用水指标，在未接收到上级应急用水指标前，不得突破本地各项刚性约束；

52、步骤e：行业层级调整结果调用三段式级联传导机制同步更新用水户层级额度；

53、步骤f：每一步压缩生成结构化消解日志，记录层序号、压缩对象、压缩量、生效参数快照；同一输入配置输出唯一消解结果。

54、进一步地，本方法还包括执行期在线闭环反馈步骤：

55、将年度三级水预算额度，按照时间分布系数分解为子周期额度；时间分布系数依据作物生育期需水、生产计划、逐月用水规律确定，全部子周期系数之和等于1；

56、执行期滚动重核算：已发生时段采用实测水量替换预报水量，剩余子周期采用分期折减系数对预报水量加权，滚动更新可分配水量；

57、采集用水在线计量累计实际用水量，和子周期进度参考值比对；设置双触发条件：用水进度偏差超过偏差阈值，或者滚动核算可分配水量相对生效值变化超过变化阈值；叠加防抖判据：触发条件连续k个观测周期成立，距离上一次重分配大于最小间隔；满足全部条件，自动触发级联重分配、刚性校验，更新下发新的水预算额度，重分配完成后同步更新子周期额度与用水进度比对基准，后续计量比对基于更新后的额度执行。

58、进一步地，本方法还包括参数率定与历史回代验证步骤：

59、投运前以及每一个预算年度结束，将新年度误差观测样本加入历史样本库；

60、按照前述分位数估计分支规则重新率定各反演类加权系数，生成候选参数集合；

61、采用历史验证期长序列逐年完整复现s1至s5全部流程，校验四项指标：覆盖率cr覆盖率cr为核算可分配水量被当年实际可供水量覆盖的年份占比，不低于目标来水保证率p；平均富余率为实际可供水量相对核算可分配水量的平均超出幅度，落在预设目标区间；各级闭合误差等于0；历史缺水情景冲突消解结果和历史档案可复现；

62、全部指标校验通过，候选参数固化，经配置管理模块下发生效；校验不通过，自动切换分位数估计分支或者提示扩充样本，输出完整率定验证报告存档。

63、进一步地，所述非常规水包括再生水、集蓄雨水、微咸水、海水淡化水；所述用水行业至少包括农业、工业、服务业、生活及人工生态环境补水。

64、一种基于多参数融合的县级水预算额度级联分配系统，用于实现基于多参数融合的县级水预算额度级联分配方法，包括：

65、数据采集与融合模块：对接外部数据源，完成全口径水源数据归集，读取各数据源历史误差样本；

66、可分配水量核算模块：执行折减系数频率反演，计算水预算可分配水量；

67、级联分配计算引擎：包含自适应供水优先级子模块、法定定额水文年型适配子模块、三段式级联传导子模块，完成三级额度逐级分解；

68、刚性约束校验模块：执行四级刚性约束校验，调用分层确定性冲突消解，输出消解日志；

69、额度下发与告知模块：生成、下发三级水预算基准额度；

70、配置管理模块：配置并下发加权系数、分支判据、保证率参数、定额表、水文年型断点、保护标签、阈值防抖参数，配置操作留痕；

71、闭环反馈调整模块：执行执行期滚动重核算、双阈值防抖判定，触发重分配闭环更新；

72、参数率定与验证模块：完成样本更新、参数率定、历史回代校验、报告输出。

73、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

74、1.通过多参数融合与折减系数的预报误差频率分析反演，可分配水量核算充分吸纳多来源信息、并在目标保证率下定量“留有余地”；p-ⅲ适线分支刻画误差偏态、避免正态假设低估尾部风险，分期标定匹配汛期与非汛期预报精度差异，从机理上抑制水量物理超分。

75、2.三级级联结构与三段式传导机制使上级总量调整时全树一次遍历即完成自动同步，替代人工逐级重算，显著降低运算量与响应时延；闭合性、底线保持性、单调性、上限符合性由传导规则内生保证，既杜绝各级合计超上级的违规，也杜绝了简单等比例压减击穿下级刚性保障底线的风险。

76、3.水文年型自动判定与法定定额选取、相邻年型线性内插使取用水核算随来水丰枯动态适配而始终不修改、不突破任何法定定额值；年型频率区间断点的配置化设计使同一系统可按不同水资源分区公布标准无冲突部署。

77、4.供水优先级由设计供水保证率与客观运行指标经客观赋权自适应生成，压缩幅度受与法定保证率挂钩的允许破坏深度函数显式约束，避免了行政化固定优先序的主观性与一次性压缩过深的风险；政策性保护双轨机制以全程留痕的方式保障口粮田等战略性用水在极端年份的供水安全，客观得分与政策标签双轨留存、互不污染，兼顾了客观公平与国家粮食安全的政策要求。

78、5.用水总量控制指标、确权上限、生活与生态底线经四级校验转化为算法内生约束；冲突消解分层、确定性、有限步终止、结果唯一，每步处置落结构化日志，红线在任何情况下不被突破，处置全程可追溯、可审计、可复盘。

79、6.时间维分解、滚动重核算与双阈值触发使系统具备执行期在线闭环能力，收入侧基数随实测信息逐期收敛；连续周期防抖与最小重分配间隔约束避免了短时波动引发的频繁调整，在响应灵敏性与分配方案稳定性之间取得工程化平衡。

80、7.率定—验证机制使关键参数随样本累积逐年精化、每次生效前均经历史回代检验，覆盖率与富余率双指标在“防超分”与“防闲置”间给出量化平衡；迁移至新区域仅需以当地历史序列重新率定并通过回代验证即可投运，显著优于依赖人工经验设参、无法量化评价的现有做法。

81、8.本发明将“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的四水四定原则转化为可计算、可校验的算法约束，实现水资源刚性约束制度在县级水预算下达环节的技术落地，为管理考核提供量化支撑。