水资源系统工程(研2015)

水利水电学院水资源系统工程邵东国2013年5月水利水电学院第一章水资源系统工程概论邵东国3h（第10周）第二章水资源系统评价与模拟邵东国3h（第10周）第三章水资源系统优化配置胡铁松6h（第11周）第四章水资源系统优化调度付湘6h（第12周）第五章水资源系统风险分析付湘6h（第13周）第六章水资源系统复杂性罗强6h（第14周）复习3小时（第15周三）罗强考试3小时（第15周五）罗强主要内容2012-04-18水利水电学院1.冯尚友，水资源系统工程，湖北科技出版社，1996年2.许国志，系统科学，上海科教出版社，20003.袁宏源、邵东国、郭宗楼，水资源系统分析理论与应用，武汉水利电力大学出版社，20004.郭元裕、李寿声,灌排工程最优规划与管理,水利水电出版社,1996年5、翁文斌、王忠静、赵建世，现代水资源规划理论、方法与技术，清华大学出版社，20036、邵东国等，水资源复杂系统理论，科学出版社，2012教学参考书2012-04-18水利水电学院水资源系统工程问题工程规划问题：选址、线路、规模、范围、结构、布局、影响评估、投资工程管理问题：管理体制、运行机制、冲突分析、效益均衡、调度规则、价格体系、规章制度、预测预警、应急预案水资源系统概化图2012-04-18水利水电学院水资源系统规划目标水文学：极端事件安全保障率最大资源学：用水总量控制经济学：用水效率最大生态学：生态流量稳定环境学：水功能区达标率最大社会学：利益公平分配2012-04-18水利水电学院水资源系统规划管理技术工程技术信息技术管理技术生态修复技术环境保护技术生物技术新型材料系统分析技术2012-04-18水利水电学院2012-04-18水利水电学院系统思想是关于事物整体性观念、相互联系的观念、演化发展的观念系统思想2012-04-18水利水电学院系统是相互作用的多元素的复合体（贝塔朗菲）S=<A,R>式中：A为系统S的元素集，R为元素间的关系集特点多元性：多样性的统一，差异性的统一相关性整体性非线性多目标性非确定性环境适应性系统定义2012-04-18水利水电学院系统结构结构：组分及组分之间的关联方式当系统规模太大时，必须对元素进行“分片”管理，把系统分成若干子系统，但不同子系统具有相同的结构子系统特点：局域性系统性可分性相对独立性2012-04-18水利水电学院现代科学技术：使系统思想定量化，定量处理系统各组成部分相互联系计算机技术：为定量化系统思想的应用提供了强有力工具社会实践活动的大型化和复杂化：要求系统思想方法定性与定量相结合2012-04-18水利水电学院耗散结构理论（普利高津，1969）开放且远离平衡系统和环境进行物质与能量交换某个参量变化达到一定的阈值从原来无序状态自发转变到在时间、空间和功能上的有序状态水利水电学院协同学理论（哈肯，1969）一个系统从无序到有序的关键：在一定条件下，能自发产生在时间、空间和功能上稳定的有序结构系统在临界点附近的行为仅由少数慢变量决策，系统的快变量由慢变量（序参量）支配，即役使原理水利水电学院非线性理论一个系统不仅是其部分的总和一个系统的性能如何随时间变化？有没有稳定的终态？在非线性动力学中，就是定常状态、分岔、不动点、振荡、混沌问题2012-04-18水利水电学院系统分析方法

系统分析：是运用逻辑思维推理和定量分析相结合的方法，对系统问题进行的分析基本要素：目标、可行方案、费用、模型、效果、准则、结论定量方法：投入产出模型、数学规划法等定性方法：因果分析法、德尔菲法等2012-04-18水利水电学院系统评价对系统开发提供的各种可行方案进行综合考察，全面权衡利弊得失，为系统决策选择最优方案提供科学依据难点：指标难量化、不同方案难取舍原则：指标数量化、归一化、客观性、可比性、系统性和政策性2012-04-18水利水电学院水资源评价技术模糊数学灰色系统非线性理论神经网络小波分析信息技术2012-04-18水利水电学院模糊数学概念的亦此亦彼性、非排他性丰、中、枯不同年型模糊识别汛期与非汛期划分隶属度函数模糊综合评价模糊聚类分析模糊控制模糊优化模糊不确定性2012-04-18水利水电学院灰色系统理论灰色系统理论把自然界中已知的信息视为白色系统，把未来的信息视为黑色系统，而把介于两者之间的系统叫做灰色系统信息封闭性、不完全性、可部分确知性关联度水情预测、规划、调度、控制、决策、评价、不确定性分析2012-04-18水利水电学院分形理论研究自然界不规则现象及其内在的规律当尺度改变时，他的结构具有不变性，具有这种特点的几何图形称为分形2012-04-18水利水电学院灌区灌溉渠道系统分形特征研究图8-2漳河灌区渠系布置图2012-04-18水利水电学院一般常用三种维数来描述一种分形结构，即：豪斯道夫维数D，信息维数关联维数应用：（1）分析水文过程形态特征（2）用分形理论划分洪水分期图3-3时间序列转换为点集示意图2012-04-18水利水电学院灌区灌溉渠道系统分形特征研究渠道总干渠二干渠三干渠一支渠二支渠一分干渠二分干渠一分干渠二分干渠三分干渠四分干渠五分干渠一支干渠二支干渠一分干渠二分干渠三分干渠一分干渠二分干渠维数1.2451.1751.2191.0091.0331.2471.0451.0811.1911.1031.0931.1961.0081.002表8-1漳河灌区渠系盒维数分析

结论：分形维数能反映分形体的结构特征。渠道空间分布的分形维数值越大，表明渠道的弯曲程度越高，渠道能均匀地布置在其控制范围内2012-04-18水利水电学院混沌分析混沌是确定性系统中出现的一种貌似规则、类似随机的现象非周期性对初始条件的敏感性长期不可预测性具有分形性质普适性遍历性基本特征：初值微小变化，长期演变过程大不不同参数取特定数值，系统在某一范围内遍历2012-04-18水利水电学院举水流域柳子港站1956-2000年的径流量混沌特性分析最大Lyapunov指数计算方法最大Lyapunov指数Wolf法0.2664小数据量法0.0550小数据量改进算法0.0868平均值0.13612012-04-18水利水电学院举水流域1956-2000年共45年的灌溉用水量分析最大Lyapunov指数计算方法最大Lyapunov指数Wolf法0.1903小数据量法0.0051小数据量改进算法0.0067平均值0.0674水利水电学院举水流域麻城站1956-2005年的月径流量数据进行混沌预测预测方法预测值

(万m3)实测值

(万m3)相对误差

(%)二项式回归预测2105.11483.841.9灰色预测1833.91483.823.6时间序列分解预测1669.41483.812.5混沌预测1375.51483.87.32012-04-18水利水电学院

有向信息传输指数特征图4-1韶山灌区有向信息传输示意图图4-2双牌灌区有向信息传输示意图结论：有向信息传输指数随距离增加而减少，表明随距离增大，站点之间ET0信息传递将减少，关联程度降低参考作物潜在腾发量的信息熵理论2012-04-18水利水电学院

遗传算法是模拟自然界生物进化机制的一种算法特点：是对参数进行编码运算,不需要有关体系的任何先验知识沿多种路线进行平行搜索,能在许多局部较优中找到全局最优点2012-04-18水利水电学院大系统多目标优化大系统递阶分析原理与方法多目标决策的基本原理与求解技术大系统多目标递阶分析与方法2012-04-18水利水电学院大系统研究方法多重建模与分析基本思想是对有多个互联子系统的大系统，采用分解和多重建模的方法分解是把系统整体建模处理为各子系统的建模问题，然后再建立关联模型，组成大系统的整体模型2012-04-18水利水电学院大系统控制形式递阶控制：象金字塔式的结构特性：由一定优先和从属关系的决策单元构成有一个总目标，一个或多个单元目标存在垂直向的多级间信息交换2012-04-18水利水电学院分散控制对多输入多输出的大系统，每个子系统负责整体系统中的一部分单独运行动态系统控制器1控制器22012-04-18水利水电学院递阶控制的结构形式在递阶控制系统中，各子系统的地位、作用、功能、相互联系方式、信息交换不同，结构形式也不同多级递阶控制结构多重递阶控制结构多层递阶控制结构多段递阶控制结构2012-04-18水利水电学院大系统分解协调原理寻优步骤：1、建立数学模型2、按模型性质、特点和便于求解的原则，选择适当的递阶结构形式，进行分解3、对各子系统按各自的目标、约束寻优4、通过各级协调关系寻求整个大系统的最优化2012-04-18水利水电学院关联平衡原理选用适当协调变量，对各局部控制子系统优化，使子系统局部最优反复修正协调变量值，使协调偏差逐步减少，达到关联平衡，实现大系统的全局最优不考虑关联约束，只将关联变量作为独立变量处理，让子系统自动寻优，又称不可行法水利水电学院关联预估原理（模型协调法）协调器预估各子系统的关联输入与输出变量以预估关联量作为协调变量,使各子系统局部最优将子系统优化结果反馈回给协调器，修正关联预估值，直达总体目标最优为止由于这种方法的中间结果都可用于实际系统，关联约束总是满足的，又称为可行法2012-04-18水利水电学院多目标评价技术非劣解生成技术：权重法、约束法、线性多目标规划法、多目标动态规划结合偏好的决策技术：目的规划法，理想点法，替代价值权衡法，淘汰筛选法、加权平均法、字典序法、广义理想点法等2012-04-18水利水电学院目的规划法

对一个高级决策单元和若干子系统组成的大系统，总存在一个理想目标，为实现这个理想目标，可以不断通过信息交换，调整总体理想目标在各子系统间的分配，逐步达到总体理想目标，达到整体最优2012-04-18水利水电学院自优化模拟技术逆时序模拟：水库反映下游利益的防破坏线、反映水库多目标综合利用效益最大的经济蓄水线顺时序模拟：水库实际水量分配方案

2012-04-18水利水电学院（1）逆时序推求丹江口水库防破坏线

防破坏线是指考虑了各时段的来水后，丹江口水库为满足汉江中下游及清泉沟各时段的用水要求，运行时必须遵循的过程线。计算公式：

2012-04-18水利水电学院（2）逆时序推求丹江口水库经济蓄水线

经济蓄水线是保证北调水最大，发电效益最大的控制线。计算公式：

2012-04-18水利水电学院（3）顺时序模拟调度计算

在防破坏线和经济蓄水线，以及调度图的共同约束下，从时段初开始，逐步向时段末方向进行模拟计算。计算公式：

汉江流域简介上游：丹江口水库以上干流长925km

集水面积9.52万km2中下游：丹江口以下

河道长652km面积6.4万

km2中游：丹江口至碾盘山河长270km区间面积4.68万km2

耕地面积193.22km2

人口350万下游：碾盘山至汉口河长382km区间面积1.7万km2

耕地面积877.22km2

人口1079.73万兴建引江济汉工程，补充汉江兴隆以下的水资源南水北调中线补偿工程措施水资源系统概化网络图

124375681391014121511丹江口长江长江东荆河南河蛮河滚河、敖水兴隆枢纽引江济汉干渠汉江中下游水资源系统概化网络图

频率河段2000年2010年需补给水量

(108m3/a)需补给流量(m3/s)需补给水量(108m3/a)需补给流量(m3/s)p=75%沙洋－泽口0.00.032.3102.4泽口－仙桃1.96.035.9113.8仙桃－汉口0.00.013.843.8p=95%沙洋－泽口0.00.047.8151.6泽口－仙桃24.577.749155.4仙桃－汉口0.20.636.8116.7多年平均沙洋－泽口0.00.010.232.3泽口－仙桃0.00.0928.5仙桃－汉口0.00.01.65.1汉江中下游分段河道生态环境需补给水量和流量表2012-04-18水利水电学院自优化模拟成果与分析东荆河灌区：耕地面积138.3万亩城市人口14.24万人农村人口83.29万人灌区耕地面积（万亩）城市人口(万人)城市人口(万人)谢湾灌区26.4430.8517.09泽口区144.33