（环境工程专业论文）西安市东郊梯级水库群水量调度及信息系统研制.pdf

摘要 随着工业的发展，人口的增长和城市化进程的加快，城市需水量日益增加，缺水问 题日趋严重。 西安是全国严重缺水城市之一，水资源短缺问题已成为影响社会、经济发展的瓶颈。 利用水库作为城市供水的主要水源，已成为西安市城市供水的主要组成部分。如何实施 水库联合调度，进行水库供水优化，满足多用户的用水需求，已成为目前研究的热点。 本文在借鉴国内外相关研究成果的基础上，结合“西安市东郊四库供水规划项目，对 西安市东郊梯级水库群水量的不同调度方案进行了研究，并在此基础上进行西安市东郊 水库群水量调度信息系统的研制。论文的主要研究内容及结果如下： ( 1 ) 在综述本领域研究动态与发展趋势、分析水库的设计资料、流域径流资料及 水库供水对象的需水状况的基础上，提出了研究思路和技术路线。 ( 2 ) 对于荆峪沟流域，由于入库径流量主要为地下水侧向补给，且随季节性变化 不大，采用三种方法计算了水库入库径流量：对岱峪水库的入库径流量确定，由于流域 内没有水文站，根据大峪水文站5 0 年实测径流资料，按面积比拟法分析计算，并对不 同水平年做典型年月分配。 ( 3 ) 在入库径流量分析计算的基础上，对水库群进行水量调度。零方案调度是根 据荆峪沟流域入库径流量和岱峪水库入库径流量，二者加和求得调度水量；方案一为常 规调度，在考虑水库调节、蒸发渗漏、农灌需水等影响，根据水库实际运行情况，人为 对水量进行调配，调度时根据荆峪沟流域入库径流量，联合岱峪水库进行水量调度。 ( 4 ) 利用相关资料，在m a p g i s 、a r c v i e w 3 2 和v b 等软件的支持下，开发具有实 用性、可靠性、开放性、可扩展性、功能丰富、便于操作和维护的西安市东郊梯级水库 群水量调度信息系统，实现水资源调度管理的信息化和可视化。 ( 5 ) 在方案一的基础上，通过建立水库群优化调度数学模型，采用动态规划法对 模型进行了求解，利用m a t l a b 软件编程计算，求得最优调度结果，并绘制出优化调度 图。 关键词：西安市，水量优化调度，地理信息系统，梯级水库群，动态规划，a r c v i e w 3 2 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o n ，p o p u l a t i o ng r o w t ha n du r b a n i z a t i o nh a v eb e e n a c c e l e r a t e d u r b a nw a t e rd e m a n dh a sb e e ni n c r e a s e da n dw a t e rs h o r t a g e sa r eb e c o m i n g i n c r e a s i n g l ys e r i o u s x i a ni so n eo ft h es e r i o u sw a t e rs h o r t a g ec i t i e s t h ep r o b l e mo fw a t e rs h o r t a g eh a s b e c o m et h ee i t y ss o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n tb o r l e n e c k t h eu s eo ft h er e s e r v o i ra st h e m a i ns o u r c e so fu r b a nw a t e rs u p p l yh a sb e c o m ea ni n t e g r a lp a r to ft h em a i nu r b a nw a t e r s u p p l yi n x i a nc i t y h o wt oi m p l e m e n tt h ej o i n tr e s e r v o i rs c h e d u l i n g ，t h eo p t i m i z a t i o no f w a t e rs u p p l y i n ga n dt om e e tw a t e rd e m a n df o rm u l t i u s e rh a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t i n t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fs t u d y i n gr e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a da n dt h r o u g h t h ec o m b i n a t i o no f ”w a t e rs u p p l yp l a n n i n go fn u m b e rf o u rr e s e r v o i ro fe a s t e r ns u b u r b so f x i a n p r o je c t ，ar e s e a r c ho nc a s c a d er e s e r v i o rg r o u p s t r e a md i s p a t c hh a sb e e nm a d ea n da l s o t h ei n f o r m a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n th a sb e e nd o n e t h em a i nr e s e a r c hp a p e r sc o n t e n t sa n d r e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nd e t a i l e dd e s c r i p t i o no fc u r r e n tr e s e a r c ht r e n da n dd e v e l o p m e n ti nt h i sf i e l d a n da n a l y s i so ft h eb a s i cd a t ao ft h er e s e r v o i ra n dt h ew a t e r s h e d ，t h ea i m s ，c o n t e n t sa n d m e t h o d so ft h i ss t u d yh a v eb e e np u tf o r w a r d ( 2 ) a st oj i n g y ur i v e rb a s i n ，d u et ot h ei n f l o wo fg r o u n d w a t e rr u n o f fm a i n l ys u p p l ys i d e a n dw i t hl i t t l es e a s o n a lv a r i a t i o n ，t h r e em e t h o d so fc a l c u l a t i o nf o rr u n o f fs t o r a g er e s e r v o i r w e r eu s e d ；f o rt h em e a s u r eo fr u n o f fo ft h ed a i y ur e s e r v o i r , b e c a u s et h e r ei sn os t a f fg a u g e s t a t i o ni nv a l l e y , t h er e s u l tw a sb a s e do nt h e5 0y e a r s r e c o r d sf r o ms t a f fg a u g es t a t i o na n d c a l c u l a t e db ya r e am i n i n gd o d u l u sa n a l o g y ( 3 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er u n o f fo ft h er e s e r v i o r , t h ed i s p a t c h i n go ft h es t r e a mw a s m a d e b a s e do nt h er u n o f fo ft h er c s e r v i o ri nj i n g y ur i v e rb a s i na n dt h er u n o f fo ft h e r e s e r v i o ri nd a i y ur e s e r v o i r , t h ez e r od i s p a t c h i n gp r o p o s a lw a sm a d e t h ep r o p o s a li sr e g u l a r d i s p a t c h i n g ，c o n s i d e r i n gt h er e s e r v i o ra d j u s t m e n t ，e v a p o r a t i o na n dl e a k a g e ，a g r i c u l t u r e i r r i g a t i o na n dt h er e s e r v i o r s i t u a t i o n ，t h ed i s p a t c hw a sm a d em a n u a l l y d u r i n gt h ed i s p a t c h i n g ， b a s e do nt h er u n o f fo ft h er e s e r v i o ri nj i n g y ur i v e rb a s i nt h er u n o f fo ft h er e s e r v i o ri nd a i y u r e s e r v o i rw a s d i s p a t c h e d ( 4 ) t ou s et h ei n t e r r e l a t e dd a t a ，w i t ht h eh e l po fm a p g i s ，a r c v i e w 3 2a n dv b ，s u c h s o r w a r e s ，ap r a c t i c a l ，r e l i a b l e ，a d v a n c e d ，o p e n ，s c a l a b l e ，f e a t u r e - r i c ha n de a s yt oo p e r a t ea n d m a i n t a i ns o f e w a r ea b o u tc a s c a d er e s e r v o i rg r o u ps t r e a md i s p a t c h i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m o fe s t e ms u b u r b so fx i a nc i t yw a s d e v e l o p p e d t h ei n f o r m a t i o n i z ea n dv i s u a l i z a t i o no ft h e d i s p a t c h i n gm a n a g e m e n to ft h ew a t e rr e s o u r c e sw a sr e a l i z e d ( 5 ) b a s e do np r o p o s a lo n e ，t h r o u g ht h em a t h e m a t i cm o d e lo fr e s e r v i o rg r o u pd i s p a t c h i n g o p t i m i z a t i o n ，a n da d o p tt h ed y n a m i cp l a n n i n gm e t h o dt ow o r ko u tt h em o d e la n d 哪et h e m a t l a bs o f t w a r et oc a l c u l a t ei no r d e rt og e tt h eb e s ts o l u t i o nf o rd i s p a t c h i n ga n dm a k et h e d i a g r a mo fd i a p a t c h i n g k e y w o r d s ：x i a ne i t y ：o p t i m a lo p e r a t i o no f w a t e r ：g i s ：c a s c a d er e s e r v o i r s ；d y n a m i c p r o g r a m m i n g ；a r c v i e w 3 2 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：多p 五乏 论文知识产权权属声明 江俸钼f 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝作者签名：乡p 易艺 导师签名： 删。 吖年乡月f 日 1 钆专f 甚 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 进入2 1 世纪，人类面临着许多挑战，其中最主要的是如何去满足庞大人口所需的 粮食、饮用水、卫生和健康等方面的问题，这些问题在当今6 0 亿人口的世界还远未能 成功地得以解决。随着地球上人口的膨胀，愈来愈需要更多的水。水资源已成为世界性 的问题，正引起社会各界的广泛关注。其中缺水、水质恶化以及水资源的调度管理又是 当前世界上讨论的几个热点问题。 要使水资源既满足经济社会的发展，又能实现可持续利用，这是一个非常复杂的问 题。如果用传统的手工方式，这是很难实现的，只能也必须采用现代化的手段，应用信 息技术、计算机技术、人工智能技术等，建立起水资源实时监测监控、调度管理系统， 实现水资源调度管理的信息化才能解决这样复杂的问题。这也是水利现代化的重要标 志。 1 1 问题提出的背景及意义 西安是举世文明的历史名城，历史上曾经有1 3 个王朝在这里建都，现为陕西省的 省会，是陕西的政治、经济和文化中心。西安的兴起和发展与水源密切相关。西安东有 灞河、沪河，西有沣河、皂河，南有漓河、濡河，北有泾河、渭河，素有“八水绕长安 之说。历史上，这些河流不仅灌溉了西安周围的农田，还为城市供水提供了充沛的水源， 造就了西安过去的辉煌。但由于历史、气候、人类活动等种种因素的影响，目前环绕西 安周围的这些河流中不少都曾断流或季节性断流，剩下的几条水量减小，污染严重。水 资源已成为影响西安市社会、经济发展的瓶颈。由于水资源严重短缺，供水始终停留在 较低水平上。城市用水曾长期依赖开采地下水供给，过度超采地下水，造成了地下水位 严重下降，并导致地裂缝、地面沉降等一系列环境地质问题。利用水库作为城市供水的 主要水源，已成为西安市城市供水的主要组成部分。如何实施水库水量联合调度，进行 水库供水优化，满足多用户的用水需求，已成为目前研究的热点。 岱峪、鹿塬、杨家沟和红旗水库是西安市东郊水厂的主要水源工程，是一项以城市 供水为主，兼顾灌溉、防洪等综合利用的小( 一) 型水利工程。2 0 0 1 年后，由于西安市 供水条件的恶化，水库由以农灌为主的目标转向城市供水。由于水库修建时没有考虑到 调蓄能力，多为库满自由溢流，故难以做到余缺调蓄，导致枯水年月水库供水量不能保 证用户需水要求，丰水年月则大量弃水。如何对水库群进行水量优化调度，对缓解西安 市供水紧张的局面以及实现社会经济的可持续发展和人民生活稳步提高都具有十分重 第一章绪论 要的意义和价值。 根据实际水库运行情况，建立水库群水量优化调度数学模型，用动态规划法对模型 进行求解。这有利于弥补水库调度理论研究与实际应用问的“鸿沟 ，促进水库优化调 度理论研究和生产实际的紧密结合，具有重要的理论意义和实际应用价值。 论文同时采用现代化的手段，应用信息技术、计算机技术、人工智能技术等，开发 具有实用性、可靠性、先进性、开放性、可扩展性，功能丰富，便于操作和维护的西安 市东郊梯级水库群水量调度管理信息系统，实现水资源调度管理的信息化。实现由传统 水资源调度管理向现代化、可视化、实时监控的水资源调度管理的转变。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 水库调度 水库调度是承担灌溉、发电、工业和城镇供水、航运等兴利任务的水库的控制运用， 在确保工程安全及满足下游防洪要求的前提下，运用水库的调蓄能力，有计划的对入库 径流进行蓄泄，以达到充分发挥防洪、兴利效益和最大限度的满足各用水部门的要求。 a 水库调度分类 水库调度可按不同用途、不同目的进行分类。一般有以下几种方式。根据水库运用 的周期长短可以分为长期调度和中、短期调度；按照所要调度的水库数目可以分为单一 水库调度和水库群的联合调度，对于水库群的联合调度根据其结构形式的不同又可以分 为并联、串联梯级水库群和混联三种形式：按照水库所承担的主要任务的不同又可以分 为防洪调度、兴利调度以及综合利用水库调度【1 】。 b 水库调度方法 水库调度始于2 0 世纪初，当时由于修建大量水库和水电站，促进了河川径流调节 理论的发展，开始应用经验的方法( 以实测水文要素为依据) ，利用水库对洪水和枯水 进行调节。2 0 世纪5 0 年代以来，由于现代应用数学，径流调节理论，电子计算技术及 控制技术的迅速发展，使得以最大经济效益或其他物理量为目标水库优化调度得到迅速 发展。随着数学规划理论的日渐完善和计算机技术的应用，优化调度方法更加丰富。 ( 1 ) 常规方法 常规方法是一种半经验和半理论的方法，其中较为常用的是列表法，直接利用己有 的实测水文资料绘制水库调度图。 该法计算简便、易于操作，同时能把其他影响因素计入其内，因此在水电站水库调 节计算中被广泛使用。但是，由于常规调度图依据的实测水文资料代表性不够，因此它 2 长安大学硕士学位论文 指导的水库调度方案通常只是一个可行解或合理解，而不是最优解。常规调度很难处理 多目标、多约束、多维变量等复杂问题，尤其对于水库群和复杂水利系统的调度更是如 此【2 】o ( 2 ) 优化方法 优化方法通过确定一组决策变量的值，使得目标函数在约束条件下取得最优值【3 1 。 优化模型大多基于数学规划技术运作的，可自动搜寻最优解。在水库优化调度研究中， 目前主要采用线性规划、动态规划等优化方法。 线性规划方法 线性规划方法于1 9 3 9 年提出，是在水资源领域中应用最早且最广泛的一种规划技 术，被认为是当代科学最重要的进步之一。自1 9 4 9 年g b d a n t i g 提出了单纯形法的求 解方法之后，线性规划在理论上趋于成熟，在实用中日益广泛与深入【4 】。6 0 年代起，线 性规划方法即开始应用于水资源系统规划、设计、施工和管理等方面。b e c k e r 和y e h 在 1 9 7 4 年用线性规划方法研究了水库最优控制问题，以直接寻求水库最优运行策略【3 1 。王 厥谋曾为丹江口水库建立了一个线性规划模型，可考虑河道洪水变形和区间补偿等，但 实施调度时需要长达7 天的入库和区间洪水过程【5 1 。1 9 9 0 年许自达给出了一个以线性规 划求解四水库并联的水库群系统防洪优化联合调度的算例【6 】。1 9 9 8 年伍宏中建立了水电 站群径流补偿调节线性规划模型，将非线性的目标函数和约束方程化为线性方程来求解 【7 】 o 线性规划求解成熟，处理方便，在满足线性和连续性等假定下具有广泛应用价值。 如何加大其研究力度，扩大其研究范围，是一个值得重视并具有重要现实意义的课题。 动态规划方法 自1 9 5 1 年美国数学家等人根据一类多阶段决策问题提出最优性原理以来，根据其 原理建立的模型，在水资源系统最优化问题中得到了非常广泛的应用。动态规划方法适 于水库调度的多阶段决策特点，供选算法也多，但求解都较繁琐复杂，实用上存在“维 数灾”问题，这就使其应用受到了一定限制，需要加以深入研究和细化。其模型可分为 确定性模型和随机性模型两大类。 随机性动态规划模型：国外最早把动态规划应用于水库优化调度的是美国的 j d c l i t t l e 8 1 ，他于1 9 5 5 年提出了径流为随机的水库优化调度数学模型，并用美国大古 力电站作了实例计算。1 9 5 8 年，g a e s s f o r d t 9 】等对该模型作了改进，提出机会约束条件下 的模型。r a h o w a r d 于1 9 6 0 年提出了动态规划与马尔柯夫过程理论( m d p ) ，使水库优 3 第一章绪论 化调度理论得到进一步完善。t u r g e o n a t l o 】于1 9 8 0 年运用随机动态规划和逼近法解决了 并联水库群水力发电系统的优化问题。在国内，吴沧浦【1 l 】于1 9 6 0 年首次提出了年调节 水库的最优运用d p 模型。张勇传【1 2 】于1 9 8 0 年建立了水电站水库有时段径流预报的无 折扣模型，并以湖南拓溪水电站为实例进行了计算。施熙灿【1 3 】于1 9 8 2 年提出无水文预 报条件下用罚因子法考虑调度图可靠性模型，并对广东枫树坝、新丰江水电站进行了实 例计算。黄强【1 4 】于1 9 9 4 年提出了同时考虑水库入流、灌溉用水随机特性的二元随机变 量、三维状态空间的水库随机优化调度模型及其求解方法，并将其用于陕西石门水库的 优化调度。贺北方【1 5 】于1 9 9 4 年在对径流采用混合随机描述，探讨了灌溉用水的随机性 和供水的可靠性约束的基础上，建立了考虑径流预报和可靠性约束的马尔可夫决策规划 模型，并以站鱼山水库为例进行了计算。随机动态模型能较好的反映径流实际，它以年 为周期进行循环计算，可得到稳定的运行策略和调度图。其缺点是计算工作量太大，尤 其当水库数目增加时，往往产生无法避免的的“维数灾。 确定性动态规划模型：其研究比随机性动态规划模型晚近十年，优点是计算工作量 相对较小，可选用的优化方法多，缺点是径流资料太短时，所获得的优化调度代表性差， 若用模拟法生成人工径流资料，可弥补其代表性差的缺点，同时也考虑了径流的随机因 素。1 9 6 7 年，y o u n g g k 【1 6 】提出了d p 模型并研究了确定性来水条件下的水库优化调度 d p 法，并开创了用确定性模型建立水库调度规划的途径。1 9 6 8 年，h a l l wa t r 7 】对y o u n g 的模型中时段费用函数的表达式进行了改进，并对加利福尼亚州的s h a s t a 电站进行优化 计算，获得了较为满意的效果。m u r r a y d 和s y o k o w i t s 1 8 】于1 9 7 0 年在微分动态规划的 基础上发展了约束微分动态规划，并以一个由1 0 个水库组成的水库群为例进行了验证。 确定性模型虽然对随机性模型的维数灾有所改善，但当水库数目增多时仍难避免维 数灾，为此，国外学者提出许多改进方案。h e i d a r i 等【1 9 】于1 9 7 1 年考虑了来水己知的4 个水库优化调度问题，提出了一种称为离散微分动态规划( d d d p ) 的计算方法，给出 了实际计算结果。l a r s e n 2 0 1 ( 1 9 6 8 年) ，t r o t t 和y e h 2 1 1 ( 1 9 7 3 年) ，g i l e s 和w u n d e d i c k t 2 2 】 ( 1 9 8 1 年) 先后应用增量动态规划( i d p ) 解决多库优化调度问题，h u r r a y 和y a k o w i t z 2 3 1 于1 9 7 9 年发展了微分动态规划( d i f rd p ) 方法，并以4 库为例，说明该法比d d d p 、 i d p 都好。同年，gw 道格斯等提出了一维多目标动态规划法( m o d p ) ，即将一个目标 作为主要目标，而将其余目标作为状态变量( 称为目标状态变量) 来处理。t u r g e o n a 【2 卅 ( 1 9 8 1 ) 年以h o w s o n 和s a n c h o 2 5 】( 1 9 7 5 年) 提出的逐步优化原理为基础，提出了梯 级水库群优化运行的逐步优化方法( p o a ) 。1 9 8 3 年m a r i n o 和m o h a m m d i 2 6 】针对加利福 4 长安大学硕士学位论文 尼亚中心河谷工程水库群，分别用l p ，d p ，n l p ，i d p ，d i f f d p 及p o a 法进行优化调 度研究，结果表明p o a 比其他方法都好。1 9 9 2 年v a l d e s ，s t r z e p e k 2 7 1 提出了由随机动态 规划和线性规划组成的多库系统时空聚集一解集方法。1 9 9 4 年v a s i l i a d i s ，k a r a m o u z 2 8 】 以所谓需求驱动随机动态规划方法和贝叶斯决策理论进行了探讨。 ( 3 ) 多目标分析方法 多目标分析的度量单位多不可公度，各目标之间利益相互矛盾和竞争。多目标分析 方法的解是一组非劣解，决策过程还需要考虑决策者偏好要求【2 5 1 。求解技术可以分为生 成技术、结合偏好的决策评价技术和交互式决策技术。由于水库群的目标除防洪之外， 还必然涉及到发电、灌溉、环保等其它问题，所以多目标分析方法的引入是很自然的。 1 9 8 2 年，b e c k o r 运用约束法研究了一个多目标水库群的优化决策问题【3 】。林翔岳、许丹 萍、潘敏贞研究了5 个水库的多目标分层序列优化建模问题。s m o h a n ，d m r a i p u r e 对印度包含5 个水库的的流域建立了一个线性多目标模型，以约束法求优化泄水方案【3 1 。 陈守煜、周惠成对黄河防洪调度方案应用了多目标多层次理论和模糊优选分析方法进行 研究，形成决策支持系统【2 9 1 。王本德、周惠成、程春田结合丰满一白山梯极水库群的洪 水联合调度，以调度方案为决策，以水库泄流为状态，应用模糊优选技术选择系统洪水 调度方案【3 0 1 。贺北方、丁大发、马细霞以自优化模拟技术求解了两水库多目标长系列运 行优化调度问题【3 l 】。 多目标分析方法与单目标分析相比，可考虑不可公度目标的组合以及更多的实际影 响因素，可明晰获得权衡系数，但就目前而言，理论与实际应用方法均需进一步完善。 ( 4 ) 大系统分解协调理论 2 0 世纪7 0 年代，大系统理论得到迅猛发展。大系统分解协调方法的基本思路是将 大系统分解成相对独立的若干个子系统，形成递阶结构形式，以便应用现有的优化方法 实现各子系统的局部最优，然后再根据大系统的总目标，使各子系统相互协调起来，以 获得整个大系统的全部最优。大系统具有高维性、不确定性、规模庞大、结构复杂、功 能综合、因素众多等特征，分解协调方法几乎贯穿于大系统理论的所有方面。目前，该 理论在水电站水库群系统优化调度领域渐受重视。 1 9 8 6 年董增) l l t 3 2 1 将大系统分解原理应用到水库群优化调度中。1 9 9 4 年万俊【3 3 】等以 澜沧江中下游梯级开发为背景，以大系统分解协调技术为理论基础建立了梯级水电站群 优化补偿调节的数学模型。1 9 9 8 年解建仓【3 4 】等以黄河干流水库群包括水电站实例，建 立了优化调度模型，采用大系统分解协调原理推导了模型的求解算法，并给出了详细的 5 第一章绪论 求解步骤。2 0 0 1 年刘俊萍等为了协调发电与航运之间的矛盾，建立了以日为计算时 段的汉江梯级水库优化调度模型，并采用大系统分解协调的原理和算法对模型进行了求 解。 ( 5 ) 其它方法 近年来，运筹学优化理论中的排队论、存贮论和对策论、模糊数学、灰色系统理论、 人工神经网络理论、遗传算法等多种理论和方法的引入，也大大丰富了水库群系统防洪 联合调度问题的研究手段和途径。 模糊数学方法 1 9 6 5 年由美国控制专家z a d e h 首先提出。国内陈守煜、王本德将之应用于水文水资 源系统和水库模糊优化调度。r u s e l l ，s a m u e l 等【3 6 1 认为水库调度研究之所以较少付诸实 践，原因之一是实施者不愿意使用复杂的优化模型，而模糊逻辑易于理解，所以模糊优 化是有前途的，但只能作为其他优化技术的补充，而非替代。b i j a y ae s h r e s t h a 等【3 7 1 人 于1 9 9 6 年提出一种基于模糊推理的求解水库调度规则的方法。t a n j ad u b r o v i n 等【3 8 】人 2 0 0 1 年将一种新的、有严格数学推导的方法一总模糊相似法( t o t a lf u z z ys i m i l a r i t y ) 用 于水库实时调度，并将其与传统方法结果进行了比较。程春田、王本德【3 9 】针对水库洪水 调度的实际情况和特点，考虑到实际洪水刚开始时难以拟定较好的方案，提出了建立启 发式和人机交互相结合的水库防洪模糊优化调度模型，针对各方案建立了多目标水库洪 水调度的模糊优选模型，由隶属度大小，对各方案进行优劣排序。程春田掣4 0 】还从长江 洪水系统的特点出发，建立了长江上中游防洪系统模糊优化调度模型，并对几个典型洪 水年对模型进行了模拟运行，表明采用多目标多阶段模糊动态规划及模糊优选模型，可 以较好的处理子系统多目标间、系统多目标间，以及子系统和系统间的相互关系。 神经网络方法 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r k - a n n ) 是一门新型的交叉学科，它以其大 规模并行处理、分布式存储、自适应性、容错性、冗余性等优良特点引起众多领域科学 家的广泛关注。胡铁松等【4 1 】基于h o p f i e l d 连续模型，建立了一般意义下的混联水库群优 化调度的神经网络模型，以水库群优化运行策略作为网络的训练样本，通过网络对样本 的学习得到水库群优化调度函数。r a m a n 和c h a n d r a m o u i 4 2 1 于1 9 9 6 年在求解水库调度 函数时将动态规划和人工神经网络相结合，提出所谓的d p n 模型，并将其计算结果与 用随机动态规划( s d p ) 及基于动态规划的多元线性回归( d p r ) 结果相比，发现d p n 模型的计数结果明显优于其它模型。2 0 0 0 年畅建霞等【4 3 1 人以网络b p 为基础，研究了西 6 长安大学硕士学位论文 安市供水水库优化调度函数的神经网络计算过程，网络训练时采用累积误差校正算法、 动态调整学习率和惯性系数法，实现了调度函数的隐式表达，不需要建立复杂系统的显 式关系式。2 0 0 3 年缪益平哗】等人利用神经网络强大的非线性映射能力建立了水库调度 函数的神经网络模型，并用该模型对湖南风滩水库调度进行了模拟。 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 由美国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算法。2 0 世纪8 0 年代中期获得迅速 发展。e a s t 和h a l l l 4 5 1 于1 9 9 4 年假设入库流量己知条件下使用遗传算法应用在线性规划 及动态规划上，求解4 个水库问题，并比较遗传算法与离散微分动态规划的计算时间与 记忆容量，发现遗传算法可将系统复杂性简化许多。l o u c k s 和o l i v e i r a 4 6 】于1 9 9 7 年利 用合成流量，将遗传算法应用在假想的并联2 个水库的操作策略上。m i l u t i n 4 7 1 于1 9 9 8 年曾以此模式应用在7 个水库最优化调度分析上。马光文等【4 8 1 使用基于二进制编码的遗 传算法对水库优化调度进行了研究。由于二进制编码存在的编码过长、效率低及需要反 复的数据转换等问题，畅建霞、王大刚分别提出了基于整数编码的遗传算法【4 9 - s o ，并将 g a 与动态规划的计算结果进行了比较。 另外，根据实际情况，将多种方法耦合也是一种研究水库群联合调度的途径。陈守 煜、邱林【5 1 1 将随机动态规划与非线性规划和模糊优选理论等有机结合，提出了多目标模 糊优选随机动态规划模型，并作于黄河梯级水电站的优化调度。加拿大s o l i m a n 、 c h r i s t e n s e n 5 2 1 综合了多种优化方法，对多水库水电站系统的长期运行提出了多变量空间 优化模型。 c 水库调度发展趋势 水库调度是一个涉及多学科知识、多部门问题的复杂问题，其研究不仅在理论上有 重要意义，而且在实际应用中具有重要价值，甚至关系到人民生命财产安全和国家的稳 定发展。由此，多学科交叉渗透、理论和实际的紧密结合、互相促进成为水库调度发展 的总趋势。具体表现在如下几个方面： ( 1 ) 加强水文水资源机理方面的研究。这是真正揭示本领域自然规律、掌握自然 现象成因的根本途径。只有在此基础上选用适合的数学方法研究本领域的问题，才能具 有强大的生命力。 ( 2 ) 新的数学方法的应用。随着国民经济的飞速发展，将不断向科学技术提出新 的问题，新的数学分支也将不断涌现，并且应当及时应用新理论来解决水文水资源方面 7 第一章绪论 的实际问题，以推动该领域的发展。 ( 3 ) 紧密联系实际，解决生产中出现的新问题。随着我国电力市场改革的不断深 入，电力交易系统不久将会诞生。由于我国国民经济的快速发展导致许多地区出现了供 水困难、设计阶段无防洪任务的水库被迫承担防洪任务等等方面的问题，需要开展大量 的理论研究和生产应用研究，以尽快实现科技成果向生产力的转化。 ( 4 ) 大系统分析和多目标问题的研究。当今水文水资源领域涉及众多领域，气象与 气候、天文、自然地理与地质、水利水电工程、基础数学与应用数学、水土保持与环境 保护、电力系统、计算机及网络以及“3 s 技术等，因此既需要某领域的学者进行相应 的基础理论和生产应用研究，同时也需要具有知识全面、在各相关领域具有一定研究的 学者进行复杂系统的分析与研究。 ( 5 ) 注重跨学科知识的综合应用。水文水资源学科研究的问题越来越复杂，从计 算机技术的发展过程可见，系统越来越复杂，但提供给用户的解决系统问题的方法却越 来越简单、直观和形象。 1 2 2g i s 及在水资源调度管理中的应用 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是以采集、存储、管理、 描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。它是以地理空间数据库 为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分 析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为 地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。 简而言之，地理信息系统是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型数 据管理系统，它是一种特殊而又十分重要的信息系统【5 3 1 。 对于研究的水文水资源系统，水文循环和水资源供需都是在一定空间范围内实现 的，具有明显的时间动态性和较强的空间变异性。而g i s 作为一种获取、存储、检查、 操作、分析、显示地球空间数据的计算机系统，具有强大的空间分析能力，能直观地反 映处理对象的空间分布及特征，并能对空间数据和属性数据进行综合分析。将g i s 技术 与描述水文过程的数学模型和表述决策的数学模型结合起来，将极大地增强模拟、预测 水文水资源变化的能力，提高水资源调度管理决策水平。 a 水资源调度管理与g i s 技术 水资源问题既具有自然属性，又具有社会属性，以系统观点看，则构成一个自然生 态系统和社会经济系统耦合的复合系统。因此，水资源调度管理不仅依赖于对系统中水 8 长安大学硕士学位论文 资源量与质变化等自然规律( 或过程) 的认识和描述，而且还涉及到人类开发、利用、 治理和保护水资源等全部环节及相关的价值判断问题。近年来，水资源调度管理出现若 干新趋势，如强调水资源调度需求管理、水资源调度集成化管理、面向生态环境的水资 源调度管理等，其根本出发点及目的是实现水资源可持续利用管理，即在实现水资源社 会经济目标的同时，强调维护环境和水文过程完整性。因此，水资源调度管理的研究对 象日益复杂，对研究手段和方法提出了更高要求【5 4 1 。 2 0 世纪6 0 年代初，计算机技术开始用于地图量算、分析和制作。之后，由于对大 量空间环境数据存储、分析和显示技术方法改进的要求，以及计算机技术及其在自然资 源和环境数据处理中应用的迅速发展，g i s 获得深入的研究和广泛应用。特别是，一批 商用地理信息系统工具的出现，极大地促进了g i s 技术的推广应用【5 5 1 。 水资源问题分析与g i s 技术在2 0 世纪6 0 、7 0 年代基本上是互不相干的平行发展。 只是到了2 0 世纪8 0 年代后期，随着g i s 的空间分析能力和建模能力得到很大改进，并 且水资源领域专家也希望能更精确、直观地表述地形和水的空间变异性，g i s 技术与水 文模型、水资源调度管理模型的集成研究与应用才得到迅速发展。g i s 技术的应用，对 于解决复杂的水资源系统规划与管理问题，提供了一种重要的很有潜力的途径【5 6 】。 ( 1 ) 通过g i s 获取和集成多类、多源数据 水资源调度管理不仅需要区域水文循环数据，如降水、各种地表水体、地下含水层、 土壤水变化等，而且需要获取水文循环赖以依存的环境数据，包括日照、温度、地形、 地貌、土壤、植被、生态系统等，还要获取开发、利用、治理、保护水资源的工程数据 包括水库、电站、机井、泵站、渠道、分蓄洪区等，及与水资源相关的社会、经济、环 境数据包括人口、工农业构成与用水特性、土地利用形式、城市化等。这些数据具有典 型的区域差异性、多维结构特性和动态变化特性，而且衡量动态性的时间尺度跨度很大。 如暴雨、洪水、地表水体、地下水体的更新周期从分、小时、天到季、年、多年不等。 这些数据的获取、处理、存储、检索、分析与显示、交互，都可以通过g i s 而实现。 在获取数据手段上，除传统的普查、调研、设站点监测外，遥感( r s ) 已成为主要 信息源和数据更新途径，区域面积越大，r s 在获取实时信息方面越重要。利用地球同 步卫星和轨道卫星，可以获得的地形、地貌、土壤、植被、水文和气象观测数据，利用 遥感微波技术可以估算土壤含水量、蒸散发量、土地覆盖信息等。此外，全球定位系统 ( g p s ) 可以快速提供地表特征的位置信息。因此，通过与r s ，g p s 集成，g i s 可以及 时更新数据，以反映系统的动态性和现势性。 9 第一章绪论 ( 2 ) 通过g i s ，增强对复杂水文过程及它与生态系统和人类活动相互关系的描述 能力，使水资源调度管理建立在更坚实的基础上 对水文循环及其相关的物质输移过程、能量转换过程等自然规律的认识和描述，特 别是流域降雨径流关系的建模，对提高水资源调度管理水平至关重要。过去1 0 年来， 一批研究者致力于改进g i s 的空间分析和建模能力，探讨基于g i s 的水文建模方法。目 前g i s 与水文模型集成有4 种途径【5 6 1 ，一是将类似g i s 功能嵌于水文模型包中；二是 将水文模型嵌于g i s 软件包中；三是松散耦合型，水文水利模型与g i s 软件并存，每 个拥有独立的数据库管理系统，二者通过数据交换集成起来；四是紧密耦合型，g i s 与 水文模型共享同一数据库，数据管理统一，通过软件的下拉式菜单调用用户开发的模型 库或子程序。其中，大多数研究者采用松散耦合和紧密耦合的组合途径。 从已有的g i s 技术应用研究来看，范围从简单数据处理和水文参数估计到测试分布 式水文模型有效性，从仅仅利用g i s 作为制图和可视化工具到利用g i s 建立综合性暴雨 径流模型。特别是，借助于g i s 和d e m ，可提取流域分水线、河网水系，提取流域地 貌参数，进一步通过流域地貌参数来研究流域水文机制，探讨水文现象的时空分布规律 性，建立分布式水文物理模型。这种方法已引起很多人的兴趣【5 7 】。 ( 3 ) 通过g i s 提高水资源调度管理决策能力 水资源调度管理的任务是协调天然水资源数量与质量时空分布与人们需求之间的 矛盾，最终实现水资源可持续利用，其基本功能是在时间和空间上对水资源进行再分配、 调节。水资源调度管理决策是一个涉及多重目标、多约束、多阶段的时空决策过程，往 往要求综合利用各种信息、规范性知识和领域专家知识判断。为此，发展了各种水资调 度源管理决策支持系统。基于g i s 的水资源调度管理决策支持系统是其最新发展之一。 通过g i s 可将空间维引入传统的水资源调度数据库，它通过描述水资源调度问题、空间 实体及相关的社会、经济和环境因素，从而在决策过程中从整体上把握水资源问题。应 用g i s 可视化显示能力，可丰富水资源调度管理系统的用户界面。特别是g i s 与水资源 调度管理模型的集成，可有力地改善水资源调度管理决策能力f 5 8 羽】。 为了使g i s 与水资源调度管理模型能紧密耦合，提出了面向对象方法【删。其出发点 是现实世界是由各种相互作用的空间对象和主题对象组成。空间对象表达现实世界实 体，这些实体具有地理、物理、环境和社会、经济属性。主题对象表达与空间对象相关 联的方法和论题，这里方法指