《水资源系统分析及应用》课件-第一章 概论

水资源系统分析及应用第一章概论第一节课程的意义一、水资源及其分布1、水资源的含义广义：地球上水圈内的水量总体狭义：陆地上的淡水资源人类比较容易利用的淡水资源:河流水、淡水湖泊水、浅层地下水,储量只占全球水储量的十万分之七地球上水资源是有限的!(1)世界水资源分布不均影响因素：降水量的时间与空间分布不均衡量水资源丰歉程度的主要指标-多年平均径流总量(2)水资源的分布规律①从水循环角度看:降水量大、水循环活跃的地区，水资源丰富；反之,水资源贫乏.②从世界范围看：按大洲说，按国家说，③从我国看:2.水资源的分布从图中可以看出:亚洲的径流量(水资源)最多，南美洲次之，大洋州最少；径流量=降水量－蒸发量123456世界上水资源最丰富的国家径流资源比较从径流总量上看:巴西最多，俄罗斯次之，我国居世界第六。从人均径流量看:加拿大最多,其次是巴西,而我国只有世界平均的1/4左右.我国降水量的分布呈现自东南向西北递减的趋势,所以我国水资源的空间分布具有南多北少、东多西少的特点从图中我们可以看出,我国降水量的地区分布存在怎样的差异?我国水资源的特点数量上：总量丰富，人均不足分布上：空间分布东多西少，南多北少时间分布夏秋多，冬春少；年际变化大不均我国水资源的概况中国陆地水域总面积约2667万公顷，其中江河为1200万公顷，湖泊800万公顷，人工塘库667万公顷。92%分布在国土东半部。中国水资源总量约28000亿立方米，居世界第五位，但人均占有量不及世界人均的1/4.水土资源配合情况

☆

黄河、淮河、海河流域的耕地占全国耕地的38%以上，而水资源约占全国的6%。占全国土地面积的百分比径流量占全国径流量的百分比

南部40%80%

北部60%20%二、水资源与人类社会

1、水资源的数量影响经济活动规模的大小

2、水资源的质量影响一个地区经济活动的效益

3、在不同社会历史时期,水资源的数量和质量对人类社会的影响程度是不同的.我国水资源的分布和我国人口的分布有什么关系？水资源丰富的地区人口稠密，反之人口稀少（1）水资源的数量会影响经济活动的规模。崂山水青岛啤酒水是酒的血，名酿必有佳泉。崂山水制作出青岛人自豪、全世界惊叹的青岛啤酒。(2)、水资源的质量会影响一个地区经济活动的效益（3）、在不同社会历史时期,不同的生产力条件下,水资源的数量和质量对人类社会的影响程度是不同的.①在科学技术比较落后的时代,人们主要开发利用地表上的河湖水,所以世界主要文明发祥地也大多产生和发展于水资源丰富的大河流域.人类主要在沿河和沿湖地区发展.罗马人建造的蓬迪加尔输水渠，引用地表水发展农业生产。②在科学技术比较发达的近现代,人们不仅能开发利用浅层地下水,陆续开采深层地下水,而且还开发了海水淡化技术.这样人类生存和发展的空间大大拓展.抽取地下水海水淡化小结：从上述实例可以看出，科技的进步促进了人水关系的发展。科技落后的古代，人类只能局限于水资源丰富的大河流域发展。在科技发达的现代，人类通过修建跨流域调水工程和大型蓄水工程，来缓解水资源时空分布不均的矛盾。从而大大拓展了人类生存和发展的空间。看图思考1.以色列属于什么气候类型?它的自然环境适合发展农业吗?2.以色列是如何把水资源由“少”变“多”?3.我们可以得到什么启示?从以色列发展农业的奇迹中,我们看到了科学技术的力量.以色列通过“开源”和“节流”,使水资源由“少”变“多”.“开源”是把咸水和海水淡化;“节流”是采用先进的滴灌技术,提高水资源的利用率.减少浪费.以色列地处西亚,地中海沿岸有少量的地中海气候,大部分则是热带沙漠气候.全年干旱少雨,这样的自然环境不适合发展农业.那么我国西北地区与以色列比较，有哪些经验可以借鉴？归纳主要有这几个方面:①依靠科学技术的进步发展节水农业，如利用先进的灌溉技术来节水②依靠水资源的循环利用节水③通过人工增雨④积极开展咸水淡化研究不要让我们的眼泪成为最后一滴水！滴灌以色列插节水灌溉图片!草原节水灌溉插节水灌溉图片!管道节水灌溉广西节水灌溉第一章概论第二节系统与系统分析2.1系统的概念

请问下图中的自行车好使吗？我们在日常工作和生活中,经常使用“系统“这个名词。

例如，人体中的消化系统、神经系统；一个学校中的教学系统、德育系统、后勤系统；机器中的传动系统、润滑系统等等。

那么，究竟什么是系统呢？分析自行车各部件的作用2.1系统的概念

系统（system）是由相互作用、相互依赖的若干组成部分（元素）结合而成的具有特定功能的有机整体。水资源利用系统：在水资源开发利用中，由挡水建筑物、水库水体、泄洪设施、航运设施等组成的有机整体，可以实现防洪、发电、工农业供水、航运等功能等功能，称为水资源利用系统（水资源工程系统）。构成系统必须具备的三个条件：1、至少要有两个或者两个以上的要素（部分）才能组成系统。2、要素（部分）之间相互联系、相互作用，按照一定方式形成一个整体。3、这个整体具有的功能是各个要素（部分）的功能中所没有的。2.2系统的结构与功能系统结构：相互联系、相互作用

的组成部分环境：在系统之外与其有物质、能量、信息交换的事物。功能：把系统输入转换为输出水资源系统2.2系统的结构与功能结构：水资源水资源工程系统水资源管理系统环境：自然因素（气象、水文、地形、

地貌、植被等）

人为因素：水资源的开发利用功能：把天然径流量（输入）调节为人

类所需要的水量过程水资源系统2.3系统的基本特性（1）集合性:系统由至少两个可以区分的元素或子系统组成①X={xi|i=1,2,3…，n，n>2}X表示系统，xi表示第i个组成元素或子系统。2.3系统的基本特性（2）整体性：系统最基本的特性。①系统是一个整体，它不是各个要素（部分）的简单相加，系统的整体功能是各要素（部分）在孤立状态下所没有的。如一堆沙子、钢材、水泥和绳索散放在一起成就没有意义。如造成一座悬索桥就具有了交通的功能。②系统的整体功能大于各部分的功能之和。分析（1）“阿波罗”登月计划分析（2）巴尔扎克的塑像相关性是指组成系统的各要素之间或系统整体与部分之间的相互作用、相互联系。普遍联系（3）相关性任何系统都具有某种目的，都要实现一定的功能。系统的目的一般通过更具体的目标来实现。如：人们发明了数控机床。（4）目的性任何系统都是一个动态的系统，处在运动变体和发展之中。如医生根据病人的症状确诊治疗过程。台式计算机的CPU上安装的小风扇的转动过程。

（5）动态性系统元素在系统中是按照一定的层次排列的。（6）层次性（7）环境适应性一个系统与其所处的环境之间通常都有物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会引起系统特性的改变，并相应地引起系统功能和系统内各部分相互关系的变化。2.4系统的类型按属性分：自然系统：是自然形成的系统。人造系统：是由人工制造加工而成的系统按组成部分的形态：实体系统：是实物形态的。抽象系统：是非实物形态的。按系统与环境的关系分：

开放系统：与环境有物质、能量、信息交换

（开环、闭环）

封闭系统：与环境无物质、能量、信息交换按系统所处状态分：静态系统：要素不随时间变化

动态系统：要素随时间变化按规模分：小型、中型、大型、超大型系统

2.5系统工程1泡茶问题华罗庚先生的泡茶“想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有，开水壶要洗，茶壶茶杯要洗，火已升了，茶叶也有了，怎么办?”（1）问题描述1）目标：喝到一碗清新的热茶。2）条件：已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源。3）其它要求：以最节约资源的方式实现目标。4）系统工程研究任务：为解决喝茶问题设计一个行动计划系统(设计一个解决泡茶问题的行动计划)。

1泡茶问题（2）问题分析1）资源需求根据我们的日常经验，现代人类的活动通常需要人、财、物等类资源。在这个泡茶问题上，不涉及资金，所需的资源包括：凉水、茶壶、茶叶、茶碗、火炉。这些资源目前都已齐备，且假设除人外没有限制。1泡茶问题这个问题中，前面提到的各项资源除了人力资源外，都是没有限制的。但实际上，茶壶的大小是确定的，因而所用水是确定的。再假定炉火的发热量及热效率是确定的，那么，一旦装满水的茶壶放到火上，其消耗的能源也是确定的。茶叶使用量是有定额的。1泡茶问题2）

目标要求：以最节约资源的方式泡一壶好茶所以，在泡茶问题上，前述各项资源除随机干扰外，不存在节约问题。这个问题，唯一涉及的节约问题是关于一种既无限又有限的资源—时间的节约。3）系统工程研究任务界定设计一个解决泡茶问题的行动计划，要求合理安排各道工序，最大限度节约时间。1泡茶问题（3）定性策划几个备选方案1泡茶问题根据日常经验，对以上泡茶问题可以有以下三种解法：甲：⑴洗净水壶；⑵灌上凉水；⑶壶放在火上；⑷等水开；⑸水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；⑹泡茶，待茶泡好；⑺喝茶。乙：⑴洗净水壶；⑵洗茶杯；⑶找好茶叶；⑷灌凉水；⑸壶放火上；⑹等水开；⑺水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；⑻等待茶泡好；⑼喝茶。丙：⑴洗净水壶；⑵灌凉水；⑶壶放火上；⑷洗茶杯；⑸拿茶叶；⑹水开之前，可干一些其它事；⑺水开，泡茶；⑻喝茶。1泡茶问题（4）方案分析与比较(系统分析)1.列出泡茶所需的全部工序2.确定每道工序所需的时间3.确定各道工序之间的时间连接关系4.分析计算每种方案所需的总时间5.做出比较结论1泡茶问题工序列表序号名称紧前工序工序时间(分)1洗壶无12灌水10.53放壶20.34等水开3155洗杯无16找茶叶无17泡茶3，5，62.28喝茶71泡茶问题洗壶灌水放壶洗杯泡茶拿茶叶等水开115110.30.5喝茶2.20.3丙：洗壶洗杯找茶叶灌水等水开放壶泡茶1150.30.511喝茶2.2乙：洗壶灌水放壶等水开泡茶洗杯，找茶叶喝茶12.22150.30.5甲：图1泡茶系统工程备选方案工序图方案分析甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19分析结果：丙方案最节约时间。方案建议：丙1泡茶问题泡茶工程经验总结1泡茶问题几大步骤：确定问题目标分析需求分析方案策划系统分析（统计、计算、比较）决策建议方案实施系统原理：最优化、并行统筹、工序图法（1）系统思想及系统理论的产生与发展2系统工程的产生与发展系统思想的发展经历了三个阶段，

即：“只见森林”（朴素的系统思想）阶段→“只见树木”阶段

→“先见森林，后见树木”（科学的系统思想）阶段。古代中国和古希腊在系统思想的产生与早期发展中具有突出地位和贡献。

整体思想和联系思想是科学系统思想的核心与实质。一般系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学及自组织理论等是系统理论的重要内容和SE的理论基础。2系统工程的产生与发展（2）系统工程的发展概况2系统工程的产生与发展阶段年代（份）重大工程实践或事件重要理论与方法贡献I1930美国发展与研究广播电视正式提出系统方法（Systemsapproach）的概念1940美国实施彩电开发计划采用系统方法，并取得巨大成功美国Bell电话公司开发微波通讯系统正式使用系统工程（SystemsEngineering）一词II第二次世界大战期间英、美等国的反空袭等军事行动产生军事运筹学（MilitaryOperationsResearch）,也即军事系统工程本世纪40年代美国研制原子弹的“曼哈顿计划”运用SE，并推动了其发展1945美国空军建立兰德（RAND）公司曾经提出系统分析（Systemsanalysis）概念，强调了其重要性2系统工程的产生与发展III40年代后期到50年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现，为SE奠定了重要的学科基础IV1957H.Good和R.E.Machol发表第一部名为《系统工程》的著作系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇提出PERT（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。1965R.E.Machol编著《系统工程手册》表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念为现代SE奠定了重要的数学基础1961-1972美国实施“阿波罗”登月计划使用了多种SE方法，其成功极大地提高了SE的地位2系统工程的产生与发展V1972国际应用系统分析研究所（IIASA）在维也纳成立SE的应用开始从工程领域进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶段。70年代SE的广泛应用在国际上达到高潮VI80年代SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮2系统工程的产生与发展2系统工程在我国的发展及应用上世纪50至60年代，我国的一些研究机构和著名学者为SE的研究与应用作了理论上的探讨、应用上的偿试和技术方法上的准备。其主要标志和集中代表是钱学森的《工程控制论》、华罗庚的《统筹法》和许国志的《运筹学》。我国大规模地研究与应用SE是从70年代末、80年代初开始的。2系统工程的产生与发展90年代以来，系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。3系统工程学的研究对象与内容（1）系统工程的研究对象从实体研究对象看，系统工程学是关于系统工程实践的一般规律和技术方法的知识体系。从本质研究对象看，系统工程学是关于系统工程实践中目标需求与资源供给的矛盾关系的一般规律及其问题解决方法的知识体系。

3系统工程学的研究对象与内容（2）系统工程在科技知识体系中的位置哲学基础科学基础科学技术科学基础科学工程技术辨证法系统学基础科学运筹学、信息论、控制论基础科学系统工程（3）系统工程的基本内容3系统工程学的研究对象与内容1.系统工程的发展史和渊源；2.系统学的重要思想与理论；3.系统工程方法论；4.其它重要系统工程技术方法；5.典型系统工程案例。系统分析一词源于美国。它是指：从系统的观点出发，对问题进行分析与综合，提出多种可行方案供决策者选择。这种方法特别适合于大型系统工程，如MIS工程。1系统分析的概念

系统分析是系统开发的重要阶段。系统分析的目的是要弄清原系统正在做什么？回答新系统将要“做什么”这些关键性问题。

系统分析的任务是在现行系统的基础上建立一个满足用户需求的新系统的逻辑模型，实际上就是绘制新系统蓝图。它是一个反复调查、分析和综合的过程，是下一阶段工作的基础，是为下一阶段进行物理方案设计、解决“怎么做”提供依据。2.6系统分析

2系统分析工作内容与步骤

系统分析工作开始于用户提出新系统的要求，首先进行初步调查与可行性分析；确认新系统开发为可行，即可进行详细调查与分析，提出新系统逻辑模型；最后写出系统分析报告。系统分析工作步骤如所示。系统分析工作步骤

(1)内在性。系统分析是站在信息系统内部的角度，分析信息系统的要素、构成和结构。它与需求分析的区别是，需求分析是站在信息系统用户的角度，确定信息系统的功能和性能。

(2)概念性。所谓概念性，是指系统分析工作是站在较抽象的概念层次上讨论信息系统的内在要素和构成。

(3)一致性。系统分析所确定逻辑模型应该具有逻辑一致性，它要纠正需求模型中存在的冗余及错误。3系统分析工作的特点1．逻辑结构分析逻辑结构分析(LogicStructureAnalysis)要经过确定初步逻辑结构、分解并确定分析包、确定分析包关系等步骤。

2．用例分析用例分析(UseCaseAnalysis)是从概念层次上对分析包中的用例进行的分析。

3．概念类分析概念类分析(ConceptionClassAnalysis)是对所提取的各概念类的职责、属性、关系和特殊需求所进行的分析。4系统分析的主要工作第一章概论第三节水资源系统与水资源系统分析3.1水资源系统概念：处在一定环境下,为实现水资源的开发目标,由相互联系、相互作用的若干水资源工程单元(物质单元)和管理技术单元(概念单元)组成的有机整体构成水资源系统。水资源系统结构功能挡水建筑物输水建筑物通航建筑物电站物质单元防洪、除涝、发电、灌溉、供电、航运及综合利用概念单元3.2水资源系统分析及其步骤概念对象特点利用系统科学的理论和方法分析制定水资源合理开发、利用、保护和管理方案，使达到整体最优或最满意的综合效益。流域或区域水资源系统水资源工程系统防汛抗旱系统农业灌溉排水系统给排水系统水污染控制系统……多学科性、多目标性、层次性、不确定性、时空不均匀性、非线性

水资源系统分析步骤3.3系统分析方法在水资源系统中的应用水资源系统规划水资源系统专业规划大型水利水电工程规划设计水利水电工程建设组织管理水利水电工程运行调度区域水资源优化配置水利水电工程与生态环境第一章概论第四节水资源系统分析方法4.1系统模型化方法83系统模型1.系统模型概念:

■模型：主体反映客体（即研究对象）、揭示其性质和规律、并且利用和改造客体的手段。

-----好的模型应该反映出系统的或主要特征本质属性

■系统模型：是对于系统的描述、模仿和抽象，它反映系统的物理本质与主要特征，或系统运动过程的抽象描述。

84注意:从认识论角度,模型化过程如图852.模型分类:

86（1）按照模型的表达形式分类:

概念模型:

物理（实体）模型数学模型87

概念模型:

对某系统的定义、数学定理、运算定律等都属概念模型。88产品商品编号商品名价格内容类别被浏览数用户订购mn用户编号用户名密码性别住址E-mail邮编密码提示问题问题答案真名订单号订购数量订购时间订购价格购物车号帐户余额被浏览数概念数据模型（1）：前台E-R模型例如：基于.NET的网上商店Web程序设计和实例开发89物理（实体）模型采用实物本身、放大或缩小的系统、相似的替代系统做为模型。如:研究自行车的时速，可直接使用自行车本身进行试验；

建房模型、针灸用的人体、耳朵、地球仪、儿童玩具等比例模型：替代模型、程序模型等都属于物理模型。

数学模型★：函数模型、网络与流程图等都属于数学模型。90（2）按照模型的目的分类:功能模型：

结构模型：

计划模型：评价模型：预测模型：

91（3）按照模型反映的系统特性分类:静态和动态模型：

确定和非确定模型:

连续和离散模型:微观和宏观模型:线性和非线性模型:

923.模型的作用:

■便于了解系统的整体结构■便于研究系统的特征■便于预测未来的趋势■便于对方案进行评价和决策4.建模的几个主要阶段:

■明确目标■确定组成要素■构建模型■验证模型935.建模原则:

■目标切题

■层次清晰

■精