（农业水土工程专业论文）河网化地区除涝排水实时优化调度研究.pdf

摘要 摘要 我国是涝灾多发的国家之一。随着国民经济的发展，涝害造成的经济损失愈 来愈严重。本文结合当前先进的预报技术，建立一种适合河网化地区的除涝排水 实时优化调度模型，该模型能准确及时地作出面临时段的调度运行决策，使系统 处于较佳的运行状态，充分发挥工程效益和节省运行费用。本文的主要内容如下： ( 1 ) 系统地分析了我国涝灾产生的原因及影响，从减灾、解决水资源短缺等 方面论证了对除涝排水系统进行优化调度的必要性。论文对国内外除涝排水系统 研究及主要成果进行了阐述，总结了目前除涝排水系统研究中存在的问题，提出 了平原河网地区除涝排水的研究方向。 ( 2 ) 对常规除涝排水系统优化调度模型进行了分析与评价。根据除涝排水系 统的特点，分析了系统概化图，选取了适合河网化地区的除涝排水优化调度模型。 ( 3 ) 探讨了两层除涝排水实时调度模型的建模思路，建立了河网地区两层除 涝排水实时优化调度模型。第二层模型确定虚拟湖泊的排湖流量；第一层模型确 定排湖流量的方式。对模型求解方法进行了改进，第二层模型采用h o p f i l d 神经 网络和模拟退火算法相结合的随机神经网络方法进行求解，第一层模型采用动态 规划的方法进行求解。 ( 4 ) 将模型应用到江苏省里下河腹部地区，通过对大涝年和中等涝水年两种 典型年进行分析、计算，验证模型的合理性与精度。成果表明，本模型调度精度 高，减灾效果好，易于组织实施，可供类似地区决策参考。 关键词：涝水、河网地区、实时调度、随机神经网络、动态规划 a b s t r a c t a b s t r a c t c h i n ai so n eo ft h ec o u n t r i e sw h e r ef l o o da n dw a t e r - l o g g i n go f t e nh a p p e n s b y t h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y , e c o n o m i c a ll o s sd u et of l o o da n d w a t e r l o g g i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s ak i n do fr e a lt i m eo p t i m i z i n ga n d o p e r a t i o nm o d e lo fw a t e r - l o g g i n gd r a i n a g ew h i c hi s s u i t a b l et ob eu s e di nr i v e r n e t w o r kr e g i o ni sf o u n d e db yc o m b i n i n gw i t hc u r r e n ta d v a n c e dt e c h n o l o g yo ff o r e c a s t t h em o d e lc a l lm a k eo p e r a t i o nd e c i s i o n si nt i m ea n dt r u l y , m a k et h es y s t e ma ti t sb e s t a n da c q u i r e sb e t t e rp r o j e c tb e n e f i ta n ds a v ec h a r g eo fr u n n i n g t h ep r i n c i p a lc o n t e n t s o ft h i sp a p e ra r ca sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec a u s e sa n di n f l u e n c eo ff l o o da n dw a t e r - l o g g i n ga r ea n a l y z e ds y s t e m l y , t h en e c e s s i t yo fo p e r a t i o no fw a t e r l o g g i n gd r a i n a g ei sd e m o n s t r a t e db yd e c r e a s i n g d i s a s t e r s ，s o l v i n gt h el a c ko fw a t e rr e s o u r c ea n d s o m eo t h e ra s p e c t s a l s ot h e p r i n c i p a lw o r k sa n dt h e i rp r o d u c t i o no fw a t e r - l o g g i n gd r a i n a g ed o n eb ys c h o l a r sa t h o m ea n da b r o a di sd e m o n s t r a t e di nt h i sp a p e r , t h ep r o b l e m se x i s t e di nt h es y s t e mo f w a t e r - l o g g i n gd r a i n a g ea tp r e s e n ta r ec o n c l u d e d ，i ti ss u g g u s t e dt h a t t h ea s p e c to f s t u d yo f t h i sp a p e ri st oa n a l y z ea n ds t u d yt h es y s t e mo fw a t e r - l o g g i n gd r a i n a g eo nt h e r i v e rn e t w o r kr e g i o n ( 2 ) t h er o u t i n em o d e l so fo p t i m i z i n ga n do p e r a t i o no fw a t e r l o g g i n gd r a i n a g ea r e i n t r o d u c e da n de v a l u a t e d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e r - l o g g i n gd r a i n a g es y s t e m ， t h eg e n e r a l i z e dm a po ft h es y s t e mi sa n a l y z e da n dak i n do fm o d e lw h i c hi ss u i t a b l et ot h e r i v e rn e t w o r kr e g i o ni se m p l o y e d ( 3 ) t h em e t h o d so ff o u n d i n go ft w o - l a y e rm o d e lo fr e a l t i m eo p t i m i z i n ga n d o p e r a t i o no fw a t e r - l o g g i n gd r a i n a g ea r es t u d i e d ，a n dt h et w o - l a y e rm o d e li sf o u n d e d f o r t h er i v e rn e t w o r kr e g i o n t h ef l u xe x c l u d e df r o mt h ed u m m yl a k ei sd e c i d e di nt h e s e c o n dl a y e rm o d e l ，a n dt h em a n n e ro ff l u xe x c l u d e df r o mt h el a k ei sd e c i d e di nt h e f i r s tl a y e rm o d e l t h em e t h o do fs o l v i n go ft h em o d e li si m p r o v e d ，t h er a n d o m m e t h o do fn nc o m b i n i n gw i t hh o p f i l dn na n ds i m u l a t i o n a n n e a lc a l c u l a t i o ni s e m p l o y e di nt h es e c o n dl a y e r , m e t h o do fd y n a m i cp l a n n i n gi se m p l o y e di nt h ef i r s t l a y e r ( 4 ) f r o mt h ea p p l i c a t i o no ft h em o d e li nt h ev e n t r a lr i v e rn e to fl i - x i ah ei n j i a n g s up r o v i n c e ，t h r o u g ha n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f t h et w or e p r e s e n t a t i v ey e a r so f b i gi n u n d a t i o ny e a ra n dm i d d l i n gi n u n d a t i o ny e a r ，t h er a t i o n a l i t ya n dp r e c i s i o no ft h e m o d e li sv e r i f i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e c i s i o no ft h i sm o d e li sh i g h ，t h ee f f e c t o fd i s a s t e rr e d u c t i o ni sb e t t e rt h a nr o u t i n em o d e l sa n di ti se a s ye n o u g ht ob ec a r r i e d o u t s oi ti sa b l et og i v er e f e r e n c et ot h ed e c i s i o n m a k e r si ns i m i l a ra r e a s k e yw o r d s ：f l o o da n dw a t e r l o g g i n g ，r i v e rn e t w o r kr e ：g i o n ，r e a lt i m eo p e r a t i o n ， r a n d o mn n ，d y n a m i cp l a n n i n g i i 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国的涝水问题 在各种自然灾害中，洪、涝、渍是主要灾害，受害面积广，出现频率高。我 国大部分处在季风气候控制下，加上东西台阶式地形，这都决定了我国洪涝旱频 繁发生的必然性，也决定了治水是我国可持续发展的战略重点。据不完全统计， 从公元前2 0 6 年到1 9 4 9 年的2 1 5 5 年期间，我国发生较大的水灾1 0 9 2 次，也 就是几乎每两年就有一次较大的水灾，其中，尤以黄淮海平原和长江中下游最为 严重，对国民经济和社会生活影响较大。从统计资料可知，我国洪、涝、渍害造 成的受害面积一般年份约1 1 0 0 0 万公顷，成灾面积6 5 0 0 万公顷，而且随着国民经 济的发展，洪、涝、渍害造成的经济损失将愈来愈严重。这主要是因为随着农田 高产高效、小城镇和乡镇企业的普遍发展，对减灾的要求越来越高，衡量统计受 灾面积的标准也越来越严格，反映了经济发展后在更高层面上对防洪除涝保障提 出的新要求。 对于我国大部分地区来说发生涝渍水的机率要比发生洪水的机率大得多，地 域也更加广泛。由中国年鉴可知我国的易涝面积为2 4 5 0 万公顷左右，且随着 经济的发展呈现扩大的趋势。涝渍造成的灾害有滞后性、隐蔽性，人们往往只看 到洪水带来的瞬时危害而忽视了涝水灾害，因此在排水历史上历来都侧重于防洪 排水。实际上在我国很多地方很多时候其涝灾损失要比洪灾的损失要大，如洞庭 湖地区，1 9 4 9 年1 9 9 8 年期间它的洪灾和涝灾的累计面积分别为5 5 4 2 万公顷和 2 4 5 9 2 万公顷，直接经济损失分别为2 8 4 9 亿元和3 3 7 9 亿元。直到近几十年来 对涝水问题有了重新的认识，排除地下水和土壤水等科学技术发展比较快，对涝 渍灾害的研究也渐渐地多了起来，如国内外很多专家学者对涝渍对作物如棉花、 小麦、水稻、大豆等的危害做了很多研究。人们开始认识到消除涝水灾害的重要 性【卜2 1 。 1 1 2 涝灾成因 涝灾形成的原因与自然环境、农田抗灾能力、管理水平以及人类社会经济活 第一章绪论 动等都有密切的关系。涝灾一般由当地的降雨或以地表径流的形式流入本地区的 外来水形成，当降雨或外来水所形成的地表径流模数超过了农田排水模数，田间 的积水时间和水层深度超过农作物的耐涝能力便造成农田受淹，使农作物减产而 形成灾害。简单地讲，所谓“涝”就是由于降雨过多使旱田地块积水、稻田淹水 过深造成农业欠收的现象。我国主要易涝地区有三江平原地区、江汉平原地区、 里下河平原地区等 3 - 5 ，这些地区涝渍灾害发生频繁、危害严重决不是偶然的， 是由这些地区特殊的地理位置、水文气候、水利工程、人为因素等造成的。 ( 1 ) 天气气候因素 气候对降雨形成有着非常重要的影响，而暴雨尤其是连续暴雨是涝灾发生的 主要因素之一。连续暴雨的历时和连续暴雨的强度与洪涝灾害的发生有着直接地 联系【6 1 。像里下河地区气候属于亚热带向暖温带过渡地带，它的涝灾主要是由6 月左右的梅雨和7 、8 、9 月份的台风形成的暴雨造成。根据统计资料分析1 9 5 1 年1 9 8 8 年间的降水水位受涝面积关系，可以得出1 3 个较为严重的涝灾中， 7 7 是由江淮之间特有的梅雨造成的，9 3 是由连续暴雨造成的。1 9 9 1 年就是由 于梅雨强度大、延续时间长致使里下河地区7 2 的耕地受涝【卜9 1 。 ( 2 ) 地形地貌因素 特殊的地形地貌也是涝灾形成的重要因素之一。我国主要的易涝地区多为平 原地区，这是因为平原地区地势平坦低洼，河流、湖泊、湿地较多，河流坡降较 缓，地下水位较高，一到雨期河流宣泄能力差，积水不易排除，产生涝灾。像江 汉平原其地理位置背山面水，背山即是背部有山丘区中小河流注入；面水即是既 有长江、汉水汛期高水位封堵。后面背部来水，又受到江水倒灌封堵，因此容易 发生涝灾。而里下河地区是凹周高，中间低，呈碟型俗称“锅底洼”，加上7 、 8 月份海潮高潮位顶托，导致积水不易排出而发生涝灾。 ( 3 ) 农业、水利工程因素 我国的雨季大多发生在每年的5 1 0 月，更多出现在每年6 9 月，这个时期 正是农作物生长的关键时期，早稻正值孕穗开花期，中稻正值分孽孕穗期，一旦 渍涝，轻则减产，重则绝产。如果有足够的排水设备，可及时把农田积水排出， 无论暴雨发生在任何时期，可避免涝灾的发生。若排水设备能力不足，虽不能及 时抢排涝水，但滞后一段时问后排出涝水，仍可减轻灾情。如暴雨发生时期在6 、 7 月份的梅雨期，即使部分稻田受淹，颗粒无收，仍可种一季双晚，取得一定收 河海大学硕士学位论文 成，弥补一季损失，如果受涝发生时期延到7 月2 日以后乃至8 月，再播双晚， 在季节上己来不及，灾情将无法挽回和补救。因此涝灾的产生和农业因素、水利 工程因素也有一定的关系。 ( 4 ) 人为因素 人类活动不断地改变着人类自身的生存环境，其对涝灾的影响可归纳为：一 是人地关系日益紧张导致大量开垦荒地，垦区的排水标准又较低，随着农垦面积 不断扩大，涝灾面积也相应增加。像湖北省已建一级电力排水站4 1 4 处，装机6 5 万千瓦，排水流量约7 1 0 0 m 3 s ，但分配到需要提排的4 3 1 4 5 平方公里集水面积上， 则排模每平方公里约o 1 7 m 3 s 。二是人与水、草争地，湖泊周围的高滩地逐渐被 垦殖，农业生产线逐渐向湖中延伸，一部分被种植业所掠占，一部分成为养殖的 场所，加上泥沙淤积，造成湖面进一步缩小，湖泊萎缩严重，有的湖泊甚至已消 失，使可蓄水的容积减少，严重破坏了蓄泄平衡的排水条件，原规划的排水设计 标准大幅度降低，加大了洪涝灾害的威胁。自宋代以来江汉平原进行了三次大规 模的围湖造田，这些围垦使得江汉平原成为我国著名的粮、棉、油生产基地。但 这也使得江汉平原的湖泊水面锐减，上世纪5 0 年代到8 0 年代，江汉平原的湖泊 水面减少了6 5 左右，调蓄水量减少了1 x 1 0 9 m 3 ，造成常年有3 x 1 0 8 6 x l o s m 3 的 内涝渍水难以排出 6 2 1 。三是江湖关系失调，抗灾能力相对变弱，同时由于要保护 重点城市的安全，修建堤坝，把一些河流的出口堵住，加长了排水的路径，加重 了洪涝灾害的发生。四是城镇化的迅速发展，使得不透水地面增多，导致暴雨径 流系数加大，回流时间减少，洪水过程线交陡，这也使得涝水问题加重。同时大 量的城镇防洪滞涝区和乡村圩区的建设，使得很多的水域纳入圩区，这也在一定 程度上减少了水域的调蓄能力m 1 4 1 。 1 2 除涝排水优化调度研究的意义 我国是一个农业大国，农业生产区域分布广泛，但耕地资源紧缺。9 6 0 万平 方公里的国土中已利用和可利用耕地约1 3 3 4 4 万平方公里，占1 3 9 。全国耕地 面积中，低洼易涝农田面积2 2 6 8 万平方公里，已初步治理2 0 万平方公里，其中 半面积达到五年一遇的除涝标准，可见在除涝排水方面已取得了显著的成就， 产生了巨大的经济、社会、生态效益。但存在的问题也不少，除涝排水始终没有 像灌溉那样给予足够的重视，尤其是除涝排水调度、管理方面。我国传统的治水 活动往往表现出“大灾之后大治”“重建轻营”的特点，一般都是在遭受到严重的 第一章绪论 水旱灾害之后才痛定思痛，形成一阵水利工程投入与建设的高潮【l 扣1 6 】。而这期间 又往往强调工程的建设，很少考虑如何进行工程管理使工程发挥更好的作用。许 多的除涝排水工程设施就是因为管理调度缺乏科学性、实用性而不能发挥应有的 作用，从而造成严重损失。因此，除涝排水优化调度问题是一个值得高度重视的 问题，对这一闷题的进一步深入研究具有重要意义。 ( 1 ) 良好的除涝排水优化调度是提高原有工程抗灾能力、减轻灾害的有效途径。 新中国成立以来的前3 0 年，全国灌溉面积每年增加1 0 6 9 7 万平方公里，我 国的灌溉排水设施大都建于那个年代，建设标准较低。经过四五十年的运行，工程 普遍老化，失修严重。机电设备长期带病运行，处于低能高耗状态，排水沟道排水不 畅，泵站达不到预定流量。据统计单灌区已有1 0 的工程丧失了功能，6 0 的工 程设旌受到不同程度的损坏。盲目围湖造田，减少了湖泊的调蓄能力，例如里下 河地区湖荡面积1 9 6 5 年为1 0 7 3 2 平方公里，现仅剩5 8 5 平方公里【1 7 。8 1 。河湖水 域的大幅减少，不仅极大地削弱了抗洪除涝能力，而且破坏了资源环境。生产线 的调整蓄水量也发生了变化；河网排水能力不配套；水土流失造成湖泊、河网、 渠道淤塞，使得这些工程的功能减退，致使除涝能力低于原来的设计标准，造成 涝灾、旱灾频繁发生，加重了水系内的早涝灾害。采用什么办法来提高或恢复原 设计标准，减轻灾害是水利部门急待研究和解决的重大课题，优化调度正是解决 这一个问题的有效途径。 ( 2 ) 良好的除涝排水优化调度对水资源短缺问题有一定的缓解作用。 除涝不仅关系到及时排除多余水量， 度可以综合协调“排”与“蓄”的矛盾， 也关系到雨水资源的高效利用，优化调 实施资源与环境的高效利用和保护。我 国水资源特点是时空分布不均，年内、年际变幅大，像里下河地区6 9 月份的降 雨量约占年降雨量的5 0 6 0 ，其中7 月份降水占全年的1 8 2 5 ，经常 出现春季严重干旱少雨，忙于抗旱；突然连续几场大雨，洪涝成灾。因此我国以 往除涝排水工程的主要目标就是把来水尽快、尽可能多地排出受涝区。如果能够 通过合理的实时调度将涝水在经济可行的情况下滞蓄起来，那么就可以在一定程 度上缓解非汛期水资源短缺的矛盾。国外已有不少的学者对这方面进行了研究， 如1 9 9 9 年e r i kr i s t e n p a r t 应用系统分析的方法建立城市排水模型，这个模型以可 持续发展理念为指导，与以往尽快的排除涝水的传统设计目标不同，其主要是考 虑到如何的储蓄涝水，经过处理加以利用。这个模型在美国、德国等很多国家得 以应用，效益十分显著。 4 河海大学硕士学位论文 随着我国农村经济的发展，农业生产结构也发生着变化，农村经济已不再是 单一的农业经济，乡镇企业、城市经济已得到了蓬勃的发展，农业用水、工业用 水、生活用水、环境用水、蓄排水要求已相应发生了变化，这都为研究除涝排水 优化调度提出了新的课题。同时随着经济的发展，对传统水利提出了新的要求， 即要求遵循人与自然的和谐相处原则，以现代科技为支撑，优化配置和高效利用 水资源，提高水资源的承载力，改善生态环境，建立供需协调发展机制和决策科 学化、信息化的管理体制。这也是除涝排水优化调度的新要求。除涝效益计算， 排涝标准是否需要提高及如何提高才最具经济效益，这些都是有待进一步研究的 问题。 ( 3 ) 除涝排水工程在实际调度中存在很多问题有待进一步研究。 我国除涝排水工程在实际调度中暴露出很多的问题，因此对调度工作还要进 一步的进行研究。实际调度中出现的问题主要有：盲目提前抢排。我国很多地 区经常发生由旱转涝或由洪转早的情况，洪涝灾害和旱灾在一年之内同时发生。 有些地方在梅雨时节为了避免发生涝灾进行了提前抢排，而到了台风时节却无雨， 从而导致该年又发生旱灾。多排水，造成水稻泡田期缺水。里下河地区既怕集 中降雨也怕连绵淫雨，特别是麦子抽穗扬花季节涝渍灾害就会导致减产。因此在 该时候如果下雨该地区就会排水，但往往因为没有进行预测造成排水过多以至后 期缺水。盼待自排，形成涝水，一部分内排站在其受益范围内的农田受涝的情 况下该起排时不起排，而是等待大型外排站排水，从而导致受涝。高低地矛盾 仍没有很好解决。如里下河地区沿灌溉总渠三米以上的高地有两千三百六十平方 公里，每逢暴雨涝水迅速注入圩洼地区，占河抢荡后缓慢下泄。1 9 6 5 年8 月的一 场暴雨，由于没有很好地调度，高地涝水先占射阳河，据估计高水占射阳河总出 水量9 0 以上的持续时间达1 2 小时，占5 0 的有三天。排水量小于来水量， 排水出路不足，在需要分蓄一部分洪水时，不能有效地实行损失最小原则，使纳 洪流量相等而损失较小的民堤分洪蓄水，往往形成弱者溃口，随意性很大，造成 较大的损失。里下河腹部地区为了减少涝渍灾害这几年圩区内部动力增加了很多， 加上自流灌区回归水，全里下河地区的最大流量可达到6 0 0 0 7 0 0 0 m 3 s ，大部分 经过盐城四港排出，而现在的排涝出路即使兴化水位涨到3 m 也只有2 0 0 0m 3 s 左 右( 1 9 8 0 年的情况) ，因此往往形成弱者溃口。对于功能联合运用的大型水资 源系统，缺乏科学的调度运用规划和操作规划，遇到稀遇情况难以及时地做出科 学决策，现有工程达不到预期的抗灾能力。在除涝排水中不解决好上述问题，是 第一章缮论 无法傲到优化调度“讲究效益”的。 1 3 国内外除涝排水优化调度方法的研究动态 除涝捧水优化规划、调度的基本方法多为系统分折方法。因此对除涝排水优 化规划调度方法的研究实质上是对系统分析方法的研究。系统分析方法是为确定 系统的组成、结构、功能、效用而对系统各种要素、过程和关系进行考察的方法， 系统思想在我国古代水利工程中就已得到了体现。举世闻名的四川i 省都江堰工程 就是一个杰出的例证。系统分析方法和传统的分析方法是一脉相承的，但它有刨 新的一面。除涝排水工程系统如灌区内部的排水系统、南方水网圩区的除涝系统、 北方平原地区的旱涝碱综合治理系统，都可看成是水资源系统。而把系统分析引 进水资源系统的规划、设计和运行管理的工作之中是上世纪五十年代的事。在这 五十年中取得了很多的成就。 1 3 1 国外除涝排水工程系统方法的研究 在公元前5 世纪中叶，希腊历史学家希罗多德就记载了尼罗谷的排水工程。 荷兰的农田排水历史悠久，在世界上享有盛名。英国的排水始于1 3 世纪。美国于 1 8 4 91 8 5 0 年建立了沼泽地法案，广泛开展了农田排水工程。但把系统分析应用 于灌排工程是从2 0 世纪5 0 年代末开始的。1 9 5 0 年美国水资源委员会的报告中最 早综述了水资源的开发、利用和保护问题，引起了美国各大学的兴趣。1 9 5 5 年美 国哈佛大学制定了一个水资源大纲，从而使系统工程不但具有基本的工程学性质， 而且具有经济学和社会学的色彩。同时期加利福尼亚州立大学也开始研究水资源 系统的优化问题。从1 9 5 9 年开始美国科罗拉多州的几所大学每年召开年会，讨论 水资源刀：发和利用问题【5 “ 。1 9 6 2 年m a a s s 等人的著作 d e s i g no f w a t e r r e s o u l c e s y s t e m 出版后，系统工程和系统分析方法在灌溉排水工程的应用日益广泛，诸 如1 9 6 8 年竣一 的美国马什兰工程( t h e m o r t h r u n w a t e r 一一s h e d p r o j e e t ) 、加州 中央河谷的部分工程，都把系统工程分析的方法用于灌溉供水、排除涝水。日本 利应用系统分析方法对其湖区的除涝排水进行了可行性研究。1 9 7 7 年y y h a i m e s 等人把大系统分析方法应用于水资源系统。这标志着系统分析方法在水资源方面 的应用中发展到了一个新的阶段。1 9 8 0 年h a i m e s 和l o p a r o 把多目标分析的方法 应用到圩区排水系统设计，提出了代用价值权衡法和统计方法相结合的多目标统 计方法。1 9 8 4 年a d i g u z e l r j 等发表了ad e s c r i p t i v ed e c i s i o np r o c e s sm o d e lf o r h i e r a r c h i c a lm a n a g e m e n to f i n t e r c o n n e c t e dr e s e r v o i rs y s t e m s 使非线性大系统模型 h i e r a r c h i c a lm a n a g e m e n to fi n t e r c o n n e c t e dr e s e r v o i rs y s t e m s 使非线性人系统模型 6 河海大学硕士学位论文 的梯度法广泛地得以应用。1 9 8 5 年s i a v a s h 和y u n 对美国k a n s a s 州和e l kc i t y 湖的优化调度进行了研究，取得了较为满意的结果。1 9 8 5 年波兰学者和意大利学 者运用直观判定方法研究了意大利北部湖泊的运行决策。可以说到现在，系统分 析在灌排系统的规划设计和管理运行以及灌排区的水土资源开发利用和环境保护 等各领域都有广泛的研究和应用。一些技术先进的国家如日本、美国还将系统分 析与自动控制结合起来，进行灌排系统优化供水、配水和排水的自动化。国外对 系统分析在城市排水管网和农田田问排水沟( 管) 网优化设计方面研究比较多， 如s k a g g sr w 在1 9 8 2 年对排水系统最优化规划设计进行了论述；1 9 9 9 年e r i k r i s t c n p a r t 应用系统分析的方法建立城市排水模型。对于除涝排渍标准的研究也有 许多创新，如r o j a s 和w i l l a r d s o n 以作物受淹历时加表层土壤通气率达1 0 的时 间作为总排水时间建立作物减产关系，将农田的除涝与排渍统一起来进行排水工 程规划的设计。但在大规模除涝系统优化方面，应用尚不多见【l 4 1 。 1 3 2 国内除涝排水工程系统分析方法的研究 系统工程在我国水利水电工程中得到比较广泛的研究和应用是在上世纪7 0 年代。虽然起步较晚，但近几年的发展速度并不慢，无论是应用研究的广度和深 度、理论方法的进展和创新以及给生产实践带来的效益等方面，都取得了显著的 成果。许多的专家学者都致力于将系统分析方法应用于除涝排水方面。1 9 8 0 年以 郭元裕为首的武汉水利电力学院平原水资源研究小组首次应用动态规划的方法研 究了浙江沿海海涂围垦的最优化问题【6 6 1 。1 9 8 2 年该小组又将d d d p 方法应用于 南方平原湖区最优水面率的研究，发挥湖区除涝系统截、蓄、排各种工程措盍甑的 综合作用，把工程项目作为级变量，利用水力学方程改善了河网和挡潮闸之间的 后效性问题。同年，管声明发表了用线性规划方法推算平原湖区最优除涝方案。 1 9 8 3 年郭元裕、白宪台、钱绪来在武汉水利电力学院学报上发表了确定南 方平原湖区最优水面率的线性规划模型及其求解方法1 3 5 - 3 7 1 ；同年丁孟春从总体 晟优着眼寻求一个效益相同工程总投资最小的排涝最优规划方案，建立了动态规 划模型并把该模型应用于洞庭湖区圩垸的排涝规划中 3 8 1 。1 9 8 4 年郭元裕等人运用 大系统理论，建立了湖北省四湖地区除涝排水系统规划的大系统体系结构及其数 学模型，在该模型中联合运用了d p 、l p 及模拟技术求解并应用于实践。同年， 白宪台等建立了平原圩区除涝系统最优规划的非线性模型。1 9 8 5 年白宪台等人建 立了大系统模拟与数学规划相结合的数学模型，运用已发生的水文资料提出了湖 第一章绪论 北省四湖地区的水资源系统汛期除涝调度规划规则，将大系统分析方法首次应用 于湖区除涝系统的优化调度。1 9 8 6 年郭元裕、邹时民等在水利学报发表了大 系统多目标优化理论在洞庭湖区圩垸排涝规划中的应用，将多目标优化理论运用 到除涝排水系统中，建立了垸区内除涝排水系统规划的逐级优化模型。在非线性 大系统模型中应用比较广泛的拉格朗日乘子法和梯形法只能适用于目标函数和约 束条件能构成函数表达并且可以求导的情况，对于通常不能用函数表达的除涝模 型它是无能为力的，郭元裕等用线性逐时段协调的方法首先以一种具有实际意义 的物理量即除涝排水中可供调配的时段水量作为协调变量，以各子系统蓄、排单 位水量所需的费用作为下一层子系统向上一层的反馈，然后逐层优化反复协调， 确定时段内涝水在各子系统间的最优分配。这一方法巧妙地解决了除涝系统数学 模型不可导时的递阶协调问题，取得了满意的结果。从而使大系统这种系统方法 在除涝排水这方面有了很快的发展。1 9 8 7 年陈晓平等人在大通湖圩垸区除涝排水 系统汛期优化调度的研究中建立了大系统逐层优化的模型，提出了“时、空双重 协调方法”。并于次年和郭元裕等一起发表了大通湖垸除涝系统汛期优化调度的 研究【3 9 j 。1 9 8 8 年龙子泉、白宪台等对平原圩区除涝优化调度的l p d p 模型及 求解方法进行了研究。1 9 9 0 年白宪台、龙子泉等对平原湖区除涝优化调度的随机 方法进行了研究 4 0 , 4 5 】。白宪台、关庆滔等建立了平原湖区除涝系统优化调度的大 系统模拟模型。河海大学和南京地理研究所对太湖流域的优化调度也有不少的研 究【3 弦5 7 1 。 可见系统分析方法如线性规划法、非线性规划法、动态规划法、大系统分解 协调、模拟技术及多目标规划法等各种常规的系统分析方法已广泛地应用于平原 湖区除涝排水系统，同时各种方法都建立了比较好、通用的数学模型和电算程序， 在结合生产、解决实际问题上已发挥了重要作用 5 8 - 6 3 1 。 研究运行规划或调度的目的是为了指导现在和未来的运行，使优化调度的成 果更加地符合实际。国内外的经验表明，一个好的水资源系统的调度运行决策， 经常是运行规划模型和实时优化调度模型结合运用。到目前为止，国内外对除涝 排水系统优化调度大多侧重于平原湖区的运行规划研究，对于平原河网低洼区域 的除涝排水优化调度方面研究较少，在成果应用的可行性上也有待进一步地研究。 此外，目前在众多领域有广泛应用的神经网络优化方法在实时调度方面应用还不 是很多，尤其是除涝排水领域中的应用还处在刚刚处在起步阶段 6 4 , 6 7 】，本文将在 前人的研究基础上结合里下河地区的具体情况应用神经网络方法，对河网化区域 河海大学硕士学位论文 水资源系统的除涝排水优化调度做一些有意义的尝试。 1 4 对里下河地区进行除涝排水优化调度的必要性 里下河地区位于江苏省受灾最严重的淮河下游，其特殊的地形( 四周高，中 间低，呈碟型俗称“锅底洼”) 更是加剧了该地区的洪涝灾情。据统计，历史上 平均二、三年出现一次水旱灾害。新中国成立后的5 0 年中( 1 9 5 0 1 9 9 9 年) ，曾出 现水旱灾害2 2 次，其中1 9 5 4 年、9 6 2 年、1 9 6 5 年、1 9 9 1 年出现大洪大涝。总体 上看，里下河地区由于地势低洼，洪涝渍害的损失和影响都比较大。虽然该地区 已经过多次的洪涝治理，如开辟苏北灌溉总渠入海水道、修建王河闸扩大淮河入 江水道、整治了里下河平原入海诸河港以及其他渲泄洪水的河道，对防治淮河下 游的洪水灾害发挥了巨大作用，但特大梅雨导致的1 9 9 1 年洪涝灾害还是让我们看 到在除涝排水这方面的弱点与不足。尤其是调度方面的问题如盲目性、缺乏科学 性更让人担忧。据里下河地区1 2 个县区统计，1 9 9 1 年的洪涝灾害导致破圩1 0 2 4 处，受涝面积8 8 5 1 平方公里，损失粮食1 9 9 亿斤，各市( 县) 城镇普遍受淹，直接 经济损失6 8 亿元。如果当时能对除涝排水工程进行合理的调度，那么损失将得到 大幅度的降低。 里下河地区是江苏省重要的商品粮基地、商品棉生产基地、新兴的水产养殖 基地，随着江苏省开发京杭运河经济带和沿海经济带进程，该区工业产值上升较 快，并带动国内生产总值的增长与三次产业结构的调整，城乡人民生活水平得到 显著提高。农业用水、工业用水、生活用水、蓄排水要求已相应地发生了变化， 因此要求有新的除涝排水效益计算、新的优化调度方案来解决这些新问题。同时 经济社会的高速发展对防洪除涝提出了更高要求，历来以保护农田为主的防洪除 涝工程体系已经不再适应国民经济的全面发展要求。捧涝标准是否需要提高及如 何提高才最具经济效益，这些都需要采用新的计算内容和方法。 里下河地区地区河道众多，水网密布，全区水域面积占总面积的十分之一， 是我国典型的河网化地区。从国内外除涝排水优化调度方法的研究中可以知道对 河网化地区的除涝排水优化调度的研究很少，而河网化地区往往又是涝灾多发地 区，因此对河网地区进行除涝排水调度研究具有重要的意义。本文以里下河地区 为例，结合当前先进的预报技术，建立一种适合河网化地区的除涝排水实时优化 调度模型，这个模型能准确及时地作出面临时段的调度运行决策，使得系统处于 较佳的运行状态，能充分发挥工程效益和节省运行费用。 9 第一章绪论 1 5 本文研究内容 本文的研究内容包括以下几个方面： 1 、对以往的除涝排水系统优化调度模型：确定型模型、随机模型、实时调度 模型进行研究与评价。结合河网地区降雨具有变动性的特点，本文将采用有短期 预报的确定性实时调度模型对河网地区除涝排水系统进行调度研究。 2 、根据河网地区的特点建立适合河网地区的两层除涝排水实时优化调度模 型：模型的第二层以排湖流量偏差为目标，确定一个排湖流量；模型的第一层以 费用最小为目标，确定排湖流量的排除方式。 3 、针对河网地区除涝排水实时优化调度模型中某些约束单调连续但导数不易 求得或不存在的情况，借鉴前人提出的一类具有多元不可导约束的规划神经网络 优化模型，提出采用h o p f i l d 神经网络与模拟退火相结合的一种算法，使得模型 得到全局的最优点，有效的求解优化及满足约束条件。 4 、分析里下河地区的水系情况，对其进行河网概化，同时应用河网地区除涝 排水实时优化调度的模型来解决该地区的涝水优化调度问题。从分析的结果看所 建立的实时调度模型合理，计算方法可行，能够对该地区除涝排水系统的优化调 度起到决策参考作用。 5 、最后，对本文研究成果的不足以及今后的改进进行了论述。 1 0 河海大学硕士学位论文 第二章除涝排水优化调度模型及评价 2 1 除涝排水系统的组成及特点 除涝排水系统一般包括排水区内的排水沟系、蓄水设旌、出口的排水枢纽、 防止高地洪水入侵的撇洪沟及排水区外的容泄区等。根据系统中各类工程的功能， 系统组成可概括为图2 1 的模式。 除 涝 排 水 田间排水系统由农沟及农沟以下田间工程组成，主要用 于排涝和防渍 r 干、支、斗沟：起输水和调蓄作用 l i 滞涝湖泊：包括常年蓄水的湖，用于大水年的 输水、蓄水工程 限 剖一o ，等， 这一项表示的是湖泊预报时段末湖蓄水位距经验湖蓄水位的偏差的罚函数。 式中l i 一一逐日排湖流量p ( f ) 距离经验排湖流量c f ) 引起的惩罚； 厶r 时段中湖泊高水位引起防涝隐患的罚函数； 厶一一向备滞涝蓄区分涝水引起的惩罚； 厶一一r 时段末湖蓄水位未降至经验蓄水位引起的惩罚数； 也堂堕兰塑圭堂焦笙皇 p o ) 一一第t 天的实际排潮流量： z 潮一一湖泊允许的最高水位； 滞一一湖泊最高水位对应的湖泊水量加上未来，天向分滞涝区滞蓄的水 量所对应的湖泊水位： z 湖，一一调度计算求得，时段末的湖泊蓄水位： z 潮。r 时段末湖泊的经验蓄水位； 2 湖设一一湖泊设定的一个水位高，可根据实际情况进行选取。 4 、约束条件 ( 1 ) 虚拟湖出湖排水闸、泵站的水量平衡约束 乃，。+ q ，= p ( f ) ( 3 - 1 5 ) 式中 y ”时段f 第，河道上湖泊排水闸的实际排湖流量： q 。一一时段t 第f 泵站的排湖流量。 ( 2 ) 湖泊水连续性约束 彬2 “+ 像t + 姥t 姥t 一巨f = w h + ( 一e p ( r ) 一q 分滞( f ) ) 出 ( 3 1 6 ) 又因 q 分精e ) 2 m a x o ，+ 化一p ( f ) 一局) 址一； ，缸 则式( 3 - 1 8 ) 可改写为： 彬= l i n + ( 一骂一芝一童q ，) 越。 ( 3 - 1 7 ) o， 。 j 式中f 和t + l 的间隔是一天，其它的符号意义如下： 矿。、矿。一一湖泊时段，始末的蓄水量： q 降。一除涝时段内的湖面降雨产生的水量( m 3 ) ： q 汇。一区间汇入的水量( m ) ： q 泻：一湖内水泻入河网的水量( m 3 ) ： 一一时段珀q 入湖流量，包括直接入湖的降雨流量q ( f ) 和集水区的入湖流 量“) ； 第三章除涝排水系统实时优化调度模型研究 e 一一时段f 湖治的蒸发折算流量； q 分滞o ) 一一时段f 湖泊向滞蓄涝区分滞的涝水量； 一湖泊最高水位对应的湖蓄水量。 ( 3 ) 湖泊水位约束 z ( f ) z 起 | ( 3 1 8 ) ( 4 ) 湖泊库容约束 s 。自s o ) s 一( 3 - 1 9 、 式中 z o ) 时段f 湖泊的水位： 磊捧一一湖泊的起排水位。 ( 5 ) 湖泊出湖闸过流能力约束 t 时段湖泊实际向河道排水的流量小于能向排水河道捧水的闸的最大排水流 量，即： y ，f y j ，一，j = l ，2 ，m ( 3 - 2 0 ) 式中 y j 。一一一时段f 第j 河道上的湖泊排水闸的最大排湖流量。 ( 6 ) 河道水位约束 各排水河道的水位不应高于其自身河道的允许最高水位，即： h s 。t o ) h j 一，j = l ，2 ，m ( 3 2 1 ) 式中h j 。o ) 一一时段f 第，河道在第| 断面的水位； ，。一一一第u ，河道在第| j 断面的允许最高水位。 ( 7 ) 排水系统出口过流能力约束 各排水闸或排水泵站的排水流量应小于该排水设旌的最大排水能力，即： g ，。g 一，= 1 ，2 ，m ( 3 -