（水文学及水资源专业论文）城市供水水源系统优化调度.pdf

摘要 摘要 水资源的时空分配不均、水资源的污染和浪费、城市化和社会经济迅猛发展，导致 了城市水资源供需矛盾日益突出。为了实现水资源的可持续利用和社会经济的可持续 发展，在建立蓄水工程和引水工程的同时，必须实现各水源的联合调度和分配，使有 限的水资源量价值最大化。本文以此为题，对城市的供水水源系统优化调度进行了探 讨和研究。 本文在总结了国内外中长期入库径流预测方法的基础上，将小波变换和周期均值叠 加耦合成小波周期分析模型，为了了解其合理性和准确性，以深圳市铁岗水库为例， 同时应用小波周期分析，周期均值叠加和自回归模型三种方法进行月均径流预测，结 果表明小波周期分析方法精度稍高，说明了小波周期分析不仅发挥了小波变换对时间 序列分析能力强的特点，而且也充分利用了周期分析好的优势。 分析了不同需水预测的影响因素以及对应不同预测方法比较。对于农业需水预测， 综合分析法在一定意义上等效于以灌溉面积为自变量的一元回归，灌溉定额相当于回 归系数。综合分析法工作量小，而且具有通用性。为了使趋势法具有更加广泛的实用 性，将趋势法与分块预测综合起来的综合预测模型更加适用于实际的工业和生活需水 预测。 对近年来国内外水库优化调度进行了简单的综述。以深圳供水水源系统为背景建立 模型，系统模型采用大系统递阶分解协调技术、结合动态规划方法进行求解，对于不 同的子系统采用不同的求解方法，既能提高效率，又能保证计算精度。本文对不同东 部引水过程进行模拟分析，并推荐了东部引水过程分配，对工程运行提供了有价值的 成果。通过不同典型年的模拟计算，指出了过水能力，检修期调蓄能力等对供需平衡 的影响，对系统的进一步完善提供了有益的建议。本文还采用长系列法进行优化调度， 仔细考虑当地水资源的不同空间组合，较好地表达了保证率的概念，比以往用降雨量 频率作为保证率的处理方法，概念更准确，成果更可靠。 关键词：小波周期分析，入库径流预测，需水预测，供水水源系统，优化调度 a b s t m c t a b s t r a c t u n b a l 锄c eo ft i m e s p a d i s t r i b u t i n g p o l l u t i o n 锄dw 嬲t eo fw a t e rr 岱o u r c 鹤， u r b a i l i z a t i o no fp o p u l a t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e l l to fs o c i a le c o n o m y m a l 【et l l ec o n t r a d i 以o n b e t w e e ns u p p l y 锄d 唧i 础n e n to fw a t e rr e s o u r c e sm o r ea i l dm o r ea c u i t y o nt l l em o m e n t o fc o n s 仃l l c t i n gw a t e rs t o r a g ea n dd i v e r s i o nw o r k s ，w eh a v et or e a l i z em ej o i n to p e r a t i o na n d o p t i m a la l l o c a t i o no ft h e s ep r o j e c t s ，f o rm es u s t a i n a _ b l eu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa 1 1 d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e i l to fs o c i a le c o n o m y o p t i m a l 叩e r a t i o no ft h es y s t e l i lo fw a t e rs u p p l y i sr e s e a r c h c dw i m l i ss c l l e i n eo nm i sp a p 瓯 a r c rr e 、r i e w i n gt l l er e s e a r c hp r o g r e s so fm i d - l o n gt e r mp r e d i c t i o nm e t l l o d so fm ei n f l o w n l n o 堰m ep 印c rc o u p l e st 1 1 ep 丽o d i cm e 柚s u p e 印o s i t i o nw 沛w a v e l e tt r a l l s f o n i la san e w m e t h o do fw a v e l e tp 舐o d i c 锄a l y s i s p r e c i s i o no f 廿l i sm e m o di sp r o v c db yc o m p a r i n gw i 也 廿i ep e r i o d i cm e a ns u p 唧o s i t i o n 觚da u t o r e 黟e s s i v em o d e l s ，a sae x 掰瞄eo fm et i e g 锄g r c s e r v o i ri ns h e i l z h e l lc i 够t i l i sm e m o dn o t0 1 1 l yu t i l i z e sm eg o o dc h a r a c t 嘶s t i c so fw a v e l e t t r a n s f o m si l i c ea n a l y s e sc a p a b i l i t yi nt h et i m es c a l e sa l l d 能q u e n c ys c a l e s ，b u ta l s oe x e f t s l ea ( 1 v a n t a g eo fp e r i o dm e a ns u p e l p o s i t i o nm e n l o d t h ep a p e r 觚a l y s 韶d i 妇衙e n ti n n u 锄c i n gf a c t o r so fw a t e rd 即1 a 1 1 dp r e d i c t i o n 锄d d i 您删p r e d i c t i o nm e t h o d sa r cc 0 m p a r e d a sa 鲥c u l t i l r a lw a t e rd e m a n d ，c o m p r e h e n s i v e 姐a l y s i sw k c _ hi sm o r cs i m p l ea n du l l i v e r s a l ，i sl i k em eu 1 1 i v a r i a t er c g r e s s i o nw l l i c ht a k e s i r r i g “0 na r e a 鹤i n d 印e i l d e n tv 耐a b l e ，t a k e si r r i g a t i o nq u o t a 舔r e g r e s s i o nc o e 伍c i e n t c o n l p r e h e 邶i v ep r e d i c t i o nb 勰c do n 删m e 廿1 0 d 锄dp a i t i t i o n e dp r a 出c t i o ni s m ( r e p r a c t i c a l 鹊m ep r e d i c t i o nm e m o do fi n d u s 缸yw a t e rd e m a n d 锄d d o m e s t i cw a t e rd 锄a r l d a s i m p l y 鲫m m a 巧a b o u tm er 髑e a r c hp r o g r e s so fr e s e r v o i ro p t i m a l 叩e r a t i o ni s 百v e i li l l t h i sp a p 瓯t h ep a p e rm o d d sb a c k 印u n d e do n 也ew a _ 旧s u p p l ys y s 妇no fs h e n 办c i 够 1 1 坨m o d e li ss o l v e db ym em c n l o do fh i 玳烛c a ld e c o m 】p o s i t i o na n dc o o r d i n a t i o no ft h e l a r g es c a l es y s t e m ，鹪w e l l 嬲吐l em e ( h o do fd 弘锄i cp 伊赳n m i i l g e 伍c i e n t 赳l dp c i s i o n i s 邵s u r c db yd i 侬狸n tm e t h o d st 0d i 脑锄ts u b s y s t 锄t h ep a p e ra m l y s 锚m ed i 侬釉t e f f t 向rd i 缳玳= l l td i v e 岱i o np r o c e s s 鹧，锄ds u g g e s tab c t t e rs c 岫n eo fd i w 弱i o np r o c 鹤s b y s i l i l u l a t e dc a l c u l a t i n gi nd i 仃e r 钮t 帅i c a ly e a r s ，i l i l p a c t i o nt ob a l 勰c eb e t w 蹦1w a t e rs u p p l y a n dd 锄觚d ，b yd i s c h 嘲ec a p a c i t y r e g m a t i o n 锄l ds t o r a g ec a p 撕t yi no v 矾a u lp c r i o d ，i s a n a l y z e di n l i sp a p c ，a n dab e 仕e rs u g g 懿t i o na b o u th o wt 0i m p r o v eo m i m a l0 p e r a t i o n s y s t e mi s 百v m 叠( e y w o r d ：w a v e l e tp e r i o d i ca n a l y s i s ，i i l n o wn 1 i l o f r p r e d i c t i o 呜w a t e rd e m a n dp i r e d i c t i o 鹏 w a t e rs u p p l ys y s t e m ，o p a lo l ，e f a t i o l l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 年易月勇 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年 b ，p 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 水是生命之源，人类对于水资源的依赖同样不可替代。人类本身生存以及社会发 展与水资源的关系息息相关。在人口基数急剧膨胀，工业科技飞速发展的当代，水资 源量与质量的捉襟见肘已经到了相当尴尬的程度。在我国，人均水资源占有量为2 5 0 0 立方米，约为世界人均占有量的l 4 ，排名百位之后，被列为世界几个人均水资源贫乏 的国家之一。另外，中国属于季风气候，水资源时空分布不均匀，南北自然环境差异 大，其中北方9 省区，人均水资源不到5 0 0 立方米，实属水少地区；特别是近年来， 城市人口剧增，生态环境恶化，工农业用水技术落后，浪费严重，水源污染，更使原 本贫乏的水“雪上加霜，而成为国家经济建设发展的瓶颈，并且严重影响了人民的 生活质量。 因此，要实现国家的可持续发展，人与水的和谐发展成了当代必要且重要的研究 课题。外流域引水，建设水库，废水的回收利用等一系列节水，合理利用水的人工手 段，使得水资源可持续发展成为可能。因而研究城市供水水源系统优化调度具有相当 的理论意义和实际应用价值。深圳市是我国缺水较严重的城市之一，特别是随着城市 人口的剧增，工业的急速发展，水环境污染严重，水资源日益贫乏，城市水资源供需 盾日益突出。水资源的短缺，严重影响了深圳市的经济发展和人民生活水平的质量。 为了使深圳市水资源得到可持续利用，为了缓解水资源供需矛盾，建立引水工程和蓄 水工程同时，以保障社会经济的可持续发展，应通过水资源的优化配置即水源系统的 优化调度，来充分提高本地水资源的利用效率。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 入库径流预测进展 入库径流预报是水库群优化调度的一个重要课题，水库入库径流的描述直接影响 水库运用的功能经济效益和工程安全，天然径流过程的不确定性与复杂性，导致径流 预报的不准确性。目前入库径流预报研究可分为两大类【l 】： ( 一) 短期预报【2 】 采用降雨径流预报为基础的短期洪水预报，在一次降雨过程结束后，通过降雨径 流预报模型计算可形成的一次洪水过程。或根据实时降雨过程，预报实时洪水过程。 短期洪水预报预见期短，研究亦较充分，目前已具有大量实用且成熟的预报模型与实 河海大学硕士学位论文 城市供水水源系统优化调度 时修正技术。 ( 二) 中长期预报【l 】 国外较早的对中长期水文预报进行研究是从1 9 世纪末、2 0 世纪初才开始的。“世 界天气法 首先应用于尼罗河下游的春汛洪水预报，其后又广泛地应用到欧洲与北美 一些国家。我国对此的研究最早出现在上世纪3 0 年代，气象学家涂长望根据前期东亚 大气活动中心的特征作了预测后期长江水文状况的研究；5 0 年代，内蒙自治区水文总 站根据杨鉴初1 9 5 1 年提出的“历史演变法 做了黄河的长期洪水预报；长江水利科学 研究院根据东亚大气环流的前后期演变规律作了长江的中长期预报。6 0 年代后，由于 气象学、海洋学等其他相关学科的发展以及新的探测手段的出现，进一步发现了一些 影响江河水量变化的因素，概率统计的发展则为揭示要素自身规律、辨别各种影响因 素的显著性以及影响因素的相互关系方面提供了有力的工具。这些，都使中长期水文 预报得到了进一步的发展。但是，由于影响因素的复杂与目前科学水平的限制，中长 期水文预报仍处于探索、发展阶段。预报预测精度还远不能满足各个生产部门的要求。 中长期水文预报是介于水文学、气象学及其它学科之间的一门边缘学科。河川径 流主要来源子大气降水，与大气环流有密切关系。要提高其预报精度，就必须进一步 弄清影响长期水文过程各种因素的物理本质以及它们之间的内在联系。 用于中长期预报常用的传统方法有成因分析和水文统计方法。成因分析方法主要 分析影响中长期水文过程各种因素的物理本质，包括下垫面情况、太阳活动以及气象 因素等，即以水文学概念为基础，对径流的产流过程与河道演进过程进行模拟，从而 进行流量过程预报的方法。统计预报的基本方法是从大量历史资料中应用数理统计方 法去寻找分析水文要素历史变化的统计规律以及与其它因素的关系，然后用这些规律 来进行预报，即基本不考虑水文过程的物理机制，而以建立输入输出数据之间的最优 数学关系为目标的方法。在中长期预报中应用概率统计方法虽早已开始，但在上世纪 的前半叶，研究长期预报的工具几乎局限于一般的相关、回归分析。最近二三十年来， 由于随机过程、信息论、多元分析技术、时间序列分析以及计算机技术的迅速发展与 推广，使统计预报得到了很大的发展。近年来人们正积极探索将系统理论的新方法引 入到中长期水文预报中，如模糊数学法、随机系统理论、混沌动力学与分形学、灰色 系统理论、神经网络方法等。 ( 1 ) 成因分析法 成因分析法也大致可以分为两类，一类是模拟以地下水或其它慢反应水源为主要径 2 第一章绪论 流来源的枯季径流退水模型；一类是应用范围更广，可用于具有不同径流来源的流量 过程的概念性流域降雨径流模型。其中后者多用于实时或短期预报，其输入、输出量 的时间单位一般是小时或日。同理，在将概念性模型应用于中长期预报时，模型的输 入输出量要变为旬或月。但由于降水是该模型的必要输入，在将其应用于中长期预报 时，也必须对流域的降水有一个准确的预报。不难想象，当时间单位变为月或者更大 时，没有了输入资料精度的保证，这种预报模型得到的预报过程的精度自然不一定会 令人满意。 ( 2 ) 水文统计法【3 】 目前，国内外应用于水文预报方面的水文统计方法较多，其中主要包括以下几种 模型： a 、神经网络模型【4 】髑； 由于大部分水文时间序列都具有非线性的特点，因此，类似人工神经网络( a n n ) 等一系列具有良好非线性映射能力的模型也越来越受到了人们的广泛关注。它具有模 型构建方便和数据的适用性好等特点，因此，a n n 已被广泛应用与实时中长期水文预报 当中，常见的a n n 模型包括误差后向传播( b p ) 算法和多层感知器( m l p ) 神经网络。 但受自身的约束，应用于各类中长期水文预报的a n n 模型需重点关心以下几个问题： 网络输入数据的确定，过多的输入会造成网络收敛慢的问题，而过少同样会出现拟 和效果差的情况；网络结构的确定，最主要的即为中间层即隐含层的节点数；，尽 量选取代表性较好的输入样本，提高训练的质量；在应用b p 模型时，应当选择合适 的反向误差修改方法，提高训练速度，尽量避免出现假饱和现象。 b 、回归分析模型【6 】； 回归模型是径流中长期预报中应用较早、且比较广泛的方法之一，它的主要特点 在于简单、易于实现。但在应用时需要重点关注以下两个方面的问题：选取合适的 影响因子，尽量选取与预报目标相关性大的因子；影响因子与预报目标在哪个时间 尺度上的相关性最好。 c 、时间序列模型； 时间序列分析也是水文学研究的一个主要工具，在流量过程预报中用到的时问序 列模型也有很多，例如，自回归滑动平均( a r m a ) 模型及其衍生类型和传递函数噪声 ( t f n ) 模型等线性模型，门限自回归( t a r ) 模型【7 】等非线性模型。 d 、模糊数学模型； 3 河海大学硕士学位论文 城市供水水源系统优化调度 模糊数学模型在水文领域中的应用主要包括模糊模式识别预测法和模糊逻辑方法。 前者的基本思路是：以对历史样本模式的模糊聚类为基础，计算待测状态的类别特征 值，从而根据预报值与类别特征值之间的回归方程进行预报【引。后者则是根据变量之间 的模糊逻辑关系，建立模糊逻辑模型来进行径流预报。 e 、其他模型； 水文统计方法除了上面提到的这几种模型外，还包括灰色系统9 】【1 0 】- 【1 1 1 、m a r k o v 链 【1 2 】、混沌分形【1 3 1 、相空间重构1 4 1 和典型相关分析等一系列具有不同特点的模型。实践 证明，这些模型在不同的区域都可以取得较好的成果并受到了人们的广泛关注。 1 9 9 4 年，袁秀娟和夏军通过探讨径流中长期预报的灰色系统方法【9 】，应用灰色系 统理论的灰关联分析，并吸收混沌动力学及分形学所提出的相空间扩维新思路，提出 了一种全因果序列扩维的灰关联模式识别与预测方法，可直接根据原始径流序列进行 年月径流预报，预见期达一年以上；并将g m ( 1 ，1 ) 模型与残差信息模型耦合使用， 提出了g m r ( 1 ，1 ) 模型，对灾变年的时间进行预测，并提出灰参数线性模型。通过 海河流域潘家口水库资料验证，表明计算方法是可行的。 为了更客观地反映雨源型河川径流内在的随机特性和时历特性规律，较好地反映 河川径流的连续性，徐招才将中小型水库入库径流过程按连续随机过程处理，提出雨 源型水库的入库径流具有马氏链特性的条件，将十分复杂的径流关系简化为相邻时段 问的相关关系，使问题大为简化。根据马尔柯夫链方法，将径流转化成对应的另一变 量，按正态分布规律的频率密度分配微分方程，建立全年各时段的径流转移概率矩阵 数学模型，作为水库径流的数学描述。 1 9 9 5 年，蔡煜东等提出径流长期预报的人工神经网络方法，运用神经网络的“反 向传播 模型即b p 模型，以大伙房水库在补水期的径流状况作为研究对象，在已经选 定径流的前期影响因子集的前提下，对未来的径流值进行预报。 随着小波理论的形成和发展，它逐渐引起许多水科学工作者的重视，并逐步将其引 入到了水文学科中，取得了丰硕的成果塔】【1 6 1 。小波也逐步被应用到水文系统预测预报 中去。赵永龙、丁晶和王文圣等人先后将小波分析与混沌、神经网络等方法耦合建立 组合模型，对水文时间序列进行了预测预报【1 7 】f 1 8 】。与传统预测模型进行对比分析，研 究结果表明，建立的组合模型充分利用了现有信息，预测精度较高【1 9 】。 1 2 2 需水预测研究进展 ( 一) 国外需水预测研究状况【2 0 】 4 第一章绪论 用水需求预测始于大约l o o 年前的美副2 1 1 。美国内战结束后，城市重建和随后的 工业化进程中建设了不少城市供水系统，其中大部分都是服务于全部居民的，甚至超 前考虑到未来用水发展的需要。之后美国于1 9 6 5 年开始进行第一次全国水资源评价工 作，1 9 6 8 年完成评价报告，报告中提出了1 9 6 8 2 0 2 0 年全美国需水展望。1 9 7 8 年美 国又开始进行了第二次全国水资源评价，并重新对各类用水进行了需水预测。日本从 上世纪6 0 年代开始，每1 0 年进行一次国土规划，把需水预测作为规划的一个依据。 英国、法国、荷兰、加拿大等国也逐步开展需水预测工作，并以此作为宏观管理或指 定政策的手段。1 9 7 7 年联合国世界水会议在阿根廷马德普拉塔召开，并号召各国要进 行一次专门的国家级水资源评价活动。1 9 8 7 年联合国世界环境与发展委员会出版了我 们共同的未来，1 9 9 2 年2 1 世纪议程诞生，使水资源开始围绕着面向未来的可持 续发展这一中心问题展开，从而推动了需水量预测研究的深入进行，世界其他各国也 陆续开展了中长期供需水的预测工作，并对水资源需水管理进行了研究。 ( 二) 国内需水预测研究状况 我国需水研究的发展是与我国的用水历程分不开的。从阶段来看，我国用水历程 大致可分为4 个阶段：第一阶段为1 9 5 0 年以前，当时我国是一个落后的农业大国，工业 基础非常薄弱，城市供水系统低下，农业主要是依靠天然降水，基本没有开展需水预 测研究工作。第二阶段为2 0 世纪5 0 年代初期至6 0 年代中期，新中国成立后首先发展 农业，农业用水快速增加，灌溉面积与用水量翻了一倍。但其他各项用水相对于全国 用水总量的比重不大，故这一阶段需水预测研究主要体现是开展灌溉试验研究。第三 阶段为2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代末期，随着农田灌溉面积的大力发展，灌溉需水 增幅较大，而同时工业和生活用水也有较大增长。这一时期需水预测工作开始全面展 开，但很多工作并没有深入进行。除农业灌溉需水量采用一定的灌溉制度进行预测外， 其他需水预测基本上是趋势外延，大数估计。第四阶段为l9 8 0 年至今，随着改革开放 的进行，我国工业经济迅速发展，工业用水量急剧增加，城市化进程的加速也导致城 镇居民生活用水急增，城市与工业开始夺取农业水源，水资源供需矛盾日益突出，需 水预测工作开始得到各级部门的重视并深入开展，许多需水预测方法都是在这一阶段 出现并得以应用的。众多专家也在这段时间对我国未来需水情况进行预测，如姚建文， 徐子恺等预测2 0 l o 年我国需水总量为6 6 0 0 69 0 0 亿肌3 ，2 0 3 0 年需水量7 8 0 0 8 2 0 0 亿 胁3 ，2 0 5 0 年需水量8 5 0 m 9 0 0 0 亿小3 ；贾绍风等根据水库兹涅茨曲线判断出我国工业用 水的变化规律，并分析预测在2 0 3 0 年左右我国基本进入需水的“零增长 阶段；而陈家 5 河海大学硕士学位论文城市供水水源系统优化调度 琦等认为，到2 1 0 0 年我国用水量才可达到国内水资源可使用量的极限，称为受水资源 条件制约的零增长状态【2 2 】。 1 2 3 优化调度模型进展 最优化问题是在满足一定约束条件下，寻求一组参数值，以使某些最优性度量得到 满足，即，使系统的某些性能指标达到最大或者最小。实践表明，在同样条件下，经 过优化技术的处理，对系统效率的提高、能耗的降低、资源的合理利用及经济效益提 高均由显著的效果，而且随着处理对象规模的增大，这种效果也更加显著。传统的优 化方法根据问题的性质不同，通常将问题划分为线性规划( l i n e a rp r o 黟a | i ：吼i n g ) 问题、 非线型规划( n o l l l i n e a rp r 0 黟锄m i n g ) 问题、整数规划( i n t e g e rp r o 莎a i r 吼i n g ) 问题、几何规 划( g e o m e t r i cp r o g 姻m 瑚i n g ) 问题、多目标规划( m u l t i o b j e c t i v ep r 0 黟锄m i n g ) 问题等【2 3 1 。 优化调度是一种建立以水库为中心的水利水电系统的目标函数，拟定其应满足的约束 条件，然后用最优化方法求解由目标函数和约束条件组成的系统方程组，使目标函数 取得最优值的水库控制运用方式，它是近5 0 年来得到较快发展的一种水库调度方法。 1 9 5 7 年b e l l m a l l r 提出了最优化原理，为动态规划奠定了基础。此后动态规划作为 一种研究多阶段决策过程递推的最优化方法得到了极大的发展和应用，它把复杂高维 的原问题转化为一系列相对简单的低维子问题，具有原理简单、应用广泛的特点。d p 是较早应用于水库优化调度并成为应用最为广泛的优化方法之一【2 4 】【2 5 1 。但对于许多复 杂和庞大的系统分析问题，常有若干个状态变量，状态变量数目的增加，使每阶段各 状态的组合数目随状态变量的数目呈指数关系增加，即存在“维数灾 的问题。为了 克服多维问题在计算上的困难，提出了一些改进的方法。如增量动态规划( d p ) 、离 散微分动态规划( d d d p ) 和动态规划逐次渐近法( d p s a ) 等。1 9 7 5 年加拿大学者 h r h o w s o n 和n g f s 孤c h o 提出了逐步优化算法( p r o g 啷s i v e0 1 蛳m a l 时a l 鲥m m 简 称p o a ) 用于求解多状态动态规划问题，其优点是状态变量不必离散，可获得精确解， 并证明能收敛到总体最优解，p o a 在处理有后效性问题时有独特的优势。聚合分解 逐步优化算法( a d p o a ) 是对p o a 法的改进和发展【2 6 1 ，该法成功地解决水资源在时 间和空间上的最优分配问题，有效地克服了维数障碍，开辟了一条水库群系统优化调 度的新途径。1 9 8 8 年，张玉新、冯尚友运用逐步最优化原理，提出一种求解多目标动 态规划方法的迭代算法，为解决多维、多目标动态规划问题的维数障碍提供了途径。 虽然动态规划的改进方法在克服“维数灾”问题上有一定的进步，但由于传统动态 规划的局限性，难于从根本上消畔维数灾问题。随后发展起来的大系统优化理论【2 刀啦8 】 6 第一章绪论 和多目标决策理论为水库群优化调度中的研究和应用又开辟了一个新天地。水库群根 据其高维性、关联复杂性、多目标性等特点，可作为大系统优化控制问题来考虑，处 理大系统问题的最初尝试是由d 孤t z i n g 和w b l f 于1 9 6 0 年研究具有特殊结构的大型线 性问题开始的。早在1 8 9 6 年经济学家v p a r e t o 就提出了多目标决策问题，但直至1 9 5 1 年h w 和a w t u c k e r 证明了向量优化问题的非劣充要条件后，才具有标志性的 发展，到了6 0 年代又迅速发展了多属性效用理论。7 0 年代以后，多目标问题的求解技 术得到了极大的发展，并应用于水资源分配及水库群的优化调度中。7 0 年代初 m e s a r o v i c 提出了大系统递阶控制理论，其基本思路是将复杂的大系统分解为若干个简 单的子系统，以实现子系统的局部最优化，再根据大系统的总任务和总目标，使各子 系统相互协调配合，实现全局最优化【2 9 l 。多目标规划是将各种目标同时考虑。各目标 往往不能采用同一的度量单位，各目标之间往往存在彼此矛盾、相互竞争的关系，有 些目标甚至还不能定量。因此建立水库优化调度模型时，多目标决策将反映优化调度 方案的多种准则。多目标规划是近年来许多学者致力的一种理论上更严谨的决策方法。 对多目标线性规划问题，叶秉如教授从理论分析的角度研究了非劣解的直接生成问题， 将非劣解图解生成法理论化，并探讨了将其推广到非线性问题的可能性。并用图解直 接生成法及最佳协调解对一个综合利用水库的多目标优化模型进行了分析【3 0 】。 基于严格机理模型的开放式方程建模与优化成为国际上公认的主流方向，但是，基 于严格机理模型所取得的优化命题往往具有方程多，变量维数高，非线性强等特点， 这似的相关变量的存储，计算及求解都相当困难。上述的一些优化方法对这种大型问 题的已经束手无策，在计算速度，收敛性，初值敏感性方面都远远不能满足要求了。 随着数学与计算机的发展，人们从生命现象中得到启示，发明了许多智能的优化方法 解决复杂的优化问题。人们把遗传算法( g a ) 【3 、神经网络、模糊决策理论及风险决 策等理论引入水库群优化调度中。其中胡铁松等提出水库群调度函数的人工神经网络 方法- b p 网络方法，以水库群优化运行策略作为b p 网的训练样本，探讨了神经网 络的训练参数、训练方法和训练样本的改变对网络训练和应用效果的影响。遗传算法 基于由美国人j h h o l l a n d 吸取自然界中适者生存和基因遗传的思想而提出的一种全新 的优化搜索方法，解决了“维数灾 的问题【3 2 】。蚁群算法m tc 0 l o n yo p t i m i z 撕o n ) 【3 3 】 模仿了蚂蚁群体在路径选择和信息传递方面的行为，粒子群优化( p a n i c l es w 锄 0 1 ) t i l i l i z a t i o n ) 算法【3 4 j 【3 5 】模拟了鸟群和鱼群觅食前夕中个体与群体协调一致的机理等这 类借鉴模拟了生命系统的行为。这些新方法的研究与应用把水库群优化调度问题的求 7 河海大学硕士学位论文 城市供水水源系统优化调度 解推到了一个更高的台阶。 目前关于优化调度的不足可以从以下方面考虑【3 6 1 ： ( 1 ) 数学模型本身的局限性。一方面有些模型庞大复杂，操作烦琐，应用极不方 便，另一方面有些模型为克服“维数灾”问题又作了太多的假设和简化，使模型不能 很好地描述水库群的实际工况，优化结果偏离实际； ( 2 ) 研究问题的片面性。片面追求最优解，忽视了水资源系统的复杂、多变、动 态特性以及生产上许多因素的不确定性，较少考虑决策人员制定方案的主观偏好和维 护局部利益的现实思想，使研究结果难以被接受，因此常会导致决策部门的误解，认 为所谓的最优往往是在“纸上谈兵 ； ( 3 ) 研究实际问题的不彻底性。一些研究侧重理论探讨，片面追求高水平、深理 论，方法深奥，生产使用者难以理解，导致理论研究者多而实际应用者少； 1 3 主要论文研究内容 ( 一) 入库径流预测方法的研究 小波变换是8 0 年代后期发展起来的应用数学分支，它具有多分辨率( 多尺度) 逐 步观察信号的优点，能利用基本频率特性的滤波器在不同分辨率下对信号滤波。选择 适当的小波，可以使小波变换在时一频两域都具有表征信号局部的能力，因此小波变换 被人们誉为分析信号的数学显微镜。本文基于小波变换对入库径流时间序列进行多分 辨率分析，识别各种频率成份和提取局部信息，并与周期分析进行耦合，从中找出水 文时间序列一些内在的变化规律，最后利用这些规律还原并预测水库入库流量过程。 同时将小波周期分析预测得到的结果与周期均值叠加以及自回归模型同期预报值进行 比较分析，得出小波分析的合理性和准确性。 ( 二) 需水预测 本文对需水预测的方法研究从三个方面考虑，即，工业需水预测，农业需水预测， 生活需水预测。对于工业需水预测的研究，采用基于趋势预测与分块预测的综合预测 模型。农业用水的大小与用水过程，通常取决于两个因素，一个是灌区面积及作物的 组成( 即常说的种植结构) ，另个是灌溉期的降雨量，本文采用综合相关法进行农业需 水预测。 ( 三) 供水水源系统优化调度模型及其求解 深圳市供水水源联合调度系统，包括水源子系统、输水子系统和需水( 用户) 子系 8 第一章绪论 统三个部分。水源子系统包括本地水库于外引水，将水源子系统分解为若干各二级子 系统。需水子系统的用户以水厂计，按照水厂规划。输水子系统以各个关键点的输水 能力( 引，提水能力) 反应，作为约束条件引入到优化调度模型中。本文所建立的水 源系统优化调度模型，是一个多层次的的大系统模型，根据各层模型的特点，分别采 用不同的求解方法。水库子系统模型，完全符合动态规划求解的条件，可用动态规划 方法求解，但由于子系统模型在各协调级协调过程中，将被多次调用，计算工作量非 常庞大。本次研究从目标的本质入手，提出一种简化试算解法。为了保证子协调层协 调的有效性，子协调层分配模型求解分两大步进行。首先利用可供水总量在各受益用 户间分配，再根据分配的水量份额确定供水过程。总协调级的求解比较简单，采用单 变量优化或离散枚举法均可求得结果。 本文采用两种不同的方法进行供需平衡分析：时序法，长系列法。本文重点分析了 不同外引水条件对供需平衡的影响，以及调蓄能力和工程过水能力对供需平衡的影响。 并运用长系列法计算得出不同保证率下分区、分水源、分水厂的供水水源网络系统供 需分析成果。 9 第二章供水水库入库径流预测 第二章供水水库入库径流预测 径流预报是实现水库优化调度的有力手段和重要环节，有了准确可靠的径流预测 就可以用确定性的预测值及其估计误差来描述未来径流，有效拟定接近实际的水库运 行策略和调度计划。 成因分析法依赖于降水的输入，而降水结果的精度受时间影响较大，当时间大于 旬，月后，降水计算结果精度无法得到基本保证，导致成因分析法在中长期预报中得 不到广泛运用。由于成因分析法的局限性，作为基本不考虑水文过程的物理机制，而 以建立输入输出数据之间的最优数学关系为目标的方法水文统计法便应运而生 了。水文统计径流预报法，常见的模型方法为回归模型。随着近年来统计数学和计算 机技术的发展，水文统计径流预报也获得了长足的发展，人们正不断尝试将模糊数学、 系统理论等新方法引入其中。小波分析法是近年来兴起的一种新的信号分析处理技术。 在对水文时间序列的基本刻画中，常常采取时域和频域两种基本形式。时域分析 是从时间域上描述水文序列，具有时间定位能力，自相关分析和互相关分析就是常用 的时域分析方法，但它无法得到关于水文时间序列变化的更多信息( 如采样率、周期 等) 。1 8 2 2 年f o u r i e r 提出的频域分析法一f o u r i e r 变换，可以揭示水文时间序列不 同的频率成分，具有准确的频率定位能力。这样，许多在时域上看不清的问题，通过 频域分析就显得清晰了。但f 0 u r i e r 变换仅适合于平稳水文时间序列的分析。而在水 文学中，水文时间序列( 如暴雨、洪水、径流等) 几乎都是非平稳的，是随时问变化 的时间序列，它们的频域特征都随时间而变化。对于这一类非平稳序列，往往需要提 取某一时段( 或极小瞬问) 的频域信息，或某一频段所对应的时间信息，即所谓的时 域分析。显然时域分析和频域分析都无能为力f 3 7 1 。 2 0 世纪8 0 年代初由m o r l e t 提出的具有时频多分辨功能的小波分析( w a v e l e t a n a l y s i s ) 为更好分析水文时间序列变化特性奠定了基础。水文时间序列呈现各种各 样的特性。由于小波分析具有多分辨率分析的功能，而多分辨分析是指一种由粗及精 对事物逐级分析的方法，当尺度数尸较大时，视野宽而分析频率低，可以作概貌的观 察：当尺度p 较小时，视野窄而分析频率高，可以作细节的观察，但不同j p 值下分析 的品质因数( 指中心频率与带宽的比值) 却保持不变【3 8 】。对于水库的日流量过程，枯 期变化平稳，汛期变化剧烈，涨水落水之间发生一个峰点。此时就应当对汛期分析的 比枯期分析的精细。因此，小波分析的多分辨分析的特点就非常适用于水文时间序列 1 l 河海大学硕士学位论文城市供水水源系统优化调度 的分析。 总之，小波分析之所以在水文学中广泛的得到应用，是由于：( 1 ) 它对时域和频域 同时具有良好的局部性质；( 2 ) 能将信号分解交织在一起的多尺度成分，并对各种不同 尺度成分采用相应粗细的时域取同样步长，从而能够不断地聚集到所研究对象的任意 微小细节，同时在数学上具有严格意义上的突变点诊断能力。 随着小波理论的形成和发展，它的这些优势也逐渐引起许多水科学工作者的重视， 并逐步将其引入到了水文学科中，取得了丰硕的成果，其在水文学科中应用主要表现 在以下几个方面： ( 一) 在水文系统多时间尺度分析中的应用；2 0 0 4 年张少文、丁晶和廖杰等人用小 波分析法对黄河青铜峡2 7 0 多年( 1 7 2 4 1 9 9 7 年) 的年径流时间序列变化进行了多尺度 分析，展示了在不同时间尺度下黄河上游年径流丰、枯变化的过程，成功的揭示了其 年径流具有1 2 8 年、6 4 年和3 2 年左右的周期性变化【3 9 1 。 ( 二) 在水文序列变化特征性描述上的应用；王文圣和丁晶等人以三峡宜昌站年最 大洪峰序列和金沙江屏山站年平均流量序列为例，利用小波变换时一频局部化功能，将 水文序列的频率特征在时间域上展现出来，清晰地给出了各种周期的强弱和分布情况 以及突变点，而且还分析出其主要周期【加】。研究证明，小波分析在水文序列变化特性 描述上具有很好的优势。 ( 三) 在水文系统预测预报中的应用；赵永龙、丁晶和王文圣等人先后将小波分析 与混沌、神经网络等方法耦合建立组合模型，对水文时间序列进行了预测预报4 1 l 水】。 与传统预测模型进行对比分析，研究结果表明，建立的组合模型充分利用了现有信息， 预测精度较高。 ( 四) 在水文系统随机模拟中的应用；所谓随机模拟，即建立反映水文序列随机变 化规律的随机水文模型。文献【4 3 1 将小波分析与随机理论结合提出了基于小波变换的组 合随机模型。以屏山站年径流过程为例，采用该模型对其进行随机模拟研究，研究证 明，小波分析能充分展示水文序列的组成成分，可应用于水文系统随机模拟。 2 1 小波分析法的原理与概述 小波分析的主要基本理论包括连续小波变换、离散小波变换、二进小波变换和多 分辨分析等内容。由于在采用上述的这几种方法对水文时间序列进行分析时，都存在 着小波变化系数信息冗余，计算工作量大的弊端，因此，我们必须寻求相应的快速小 1 2 第二章供水水库入库径流预测 波算法。目前较常见的快速小波算法有m a l l a t 算法与a t r o u s 算法两种。同时，由于 在实际的编程过程中，在如何正确描述小波函数和它的一些特征性质方面存在一定的 困难，我们通常采用能反应小波函数特性的一系列滤波器组来替代它，对应的小波变 换则采用数字滤波算法实现。 2 1 1 快速小波算法 目前较常见的快速小波算法有m a l l a t 算法与a 呐l l s 算法两种，a 舡d u s 算法相对于 m a l l a t 算法，在分析水文时间序列的可操作性上存在一定的优势。 ( 一) 鑫们u s 算法【3 7 】- 【3 8 1 a t r o u s 算法主要分为分解和重构两个部分，它具有简单、快速、计算量小和无抽 取和平移时不变等优点，并且它对采用滤波器的要求较低，只需对应的小波函数满足 二进小波的条件即可。a t r o u s 算法共有两种计算框架，一种是对细节信号和背景信号 的计算分别采用高低通滤波器日和g ，另外一种只是对背景信号采用低通滤波器日， 细节信号则用背景信号的差值表示。本文主要介绍的为它的第二种框架。 设有初始输入的时间序列为蛾o ) ，重构后的序列为x o ) ，该算法的分解和重构 公式如下： 分解公式： 甄( f ) = 艺五( f 溉一。o + 2 卜，) ，= o d 晦o ) = 爿砖一。o ) 一j 毫o )o = 1 ，2 ，尸) 重构公式： ， x ( f ) = 瓜p o ) + 眺o )o = l ，2 ，“，尸) f 兰l ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：p 为小波变换的尺度数，j l l o ) 为离散低通滤波器，i l ( f ) 应满足五( f ) = 芝， 滤波器多采用d b 4 、c 0 i f 2 、s y m 4 小波对应的滤波器3 7 1 。溉( f ) 、珧o ) 称为在尺度门： 的尺度系数( 背景信号) 和小波系数( 细节信号) 。分解模型框图如图2 3 ，框图中础肘) ( 朋= 2 n ) 的含义是指在滤波器j i l ( ) 序列两点间插入朋一1 个零值。 1 3 河海大学硕士学位论文 城市供水水源系统优化调度 图2 3 尸= 3 时的分解模型框图 ( 二) 卷积算法【3 7 】【3 8 】 实际上，a t r o u s 算法在对时间序列进行分频率分析时，都是通过滤波卷积实现的， 因此，选择合适的卷积算法对快速小波算法分析得到得结果的好坏有决定性的作用。