（环境科学专业论文）石羊河流域水资源调度决策支持系统.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：l 韦 日期： 2 小年月夕e 1 东华大学硕士学位论文 石羊河流域水资源调度决策支持系统 4 嘲 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：王帛 日期：砂b 年月一日 指导教师签名：格玄占妒 日期：抽年f 月7 日。 东华大学硕士学位论文 石羊河流域水资源调度决策支持系统 6 石羊河流域水资源调度决策支持系统 摘要 石羊河位于甘肃河西走廊东部，降雨稀少，生态环境脆弱。随着 流域社会经济的发展及灌溉面积的不断扩大，流域用水矛盾逐步加剧， 加上水资源的无序利用，生存环境迅速恶化。为使流域能够长久可持 续发展，必须建设良好的水资源利用秩序。流域水资源合理调度可以 实现对流域水资源的整体调控，是实现水资源可持续利用的重要手段。 本文以石羊河流域为研究对象，依据流域基本信息资料，对流域水资 源系统进行概化，建立流域来水预报模型、需水预测模型、流域水资 源调度模型和地下水模拟模型，构建一个集成数据与计算模型、基于 g i s 的石羊河流域水资源调度决策支持系统。本文主要内容如下： ( 1 ) 介绍了石羊河流域的基本情况，以及对石羊河流域水资源网络 图的概化。流域共划分了9 座水库、1 6 个灌区( 计算单元) 、1 个控 制节点、1 2 条地表水供水渠道、1 6 条地下水供水渠道，3 条调水渠 道、16 条退水渠道。 ( 2 ) 系统包含流域来水预报模型、需水预测模型、流域水资源调度 模型和地下水模拟模型。来水预报模块预报各个水库月来水量；需水 预报模块预测农业、工业、生活、生态需水量；水资源调度模块利用 来水信息和需水信息对面临调度期内的水资源量进行合理分配；基于 水资源调度模块对应的各单元取用水、地下水开采结果，调用地下水 模拟模块模拟预测地下水的时空变化动态。 ( 3 ) 建立了石羊河流域水资源调度系统数据库，包括基础属性数据 子库、中间数据子库和结果数据子库。基础属性数据子库主要包括社 会经济基本信息、用水单元信息、地下水信息、水利工程信息等基础 数据；中间数据子库主要包括模型需要用到的一些参数等。结果数据 子库包括来水预报数据、需水预测数据、水资源调度数据、地下水模 拟数据等。 ( 4 ) 对决策支持系统进行了总体设计，划分了各个子功能模块，并 对各个子功能模块进行了详细设计。 东华大学硕士学位论文 石羊河流域水资源调度决策支持系统 关键词：石羊河流域；水资源调度；来水预报；需水预测；地下水模 拟 d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mo fs h i y a n gr i v e rb a s i nw a t e rr e s o u r c e s m a n a g e m e n t a b s t r a c t t h es h i y a n gr i v e rb a s i ni si nt h ee a s to fh e x ia i s l ei ng a n s up r o v i n c e ，w i t hl i r l er a i n f a l l a n df r a g i l ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t w i t ht h es o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ec o n t i n u o u s e x p a n s i o no ft h ei r r i g a t e d a r e a ，t h ec o n f l i c t so fw a t e rr e s o u r c e se s c a l a t e ，l e a d i n gt ot h e d e t e r i o r a t i n ge n v i r o n m e n ti nt h eb a s i n w em u s tt a k em e a s u r e st oe n s u r et h ew a t e rr e s o u r c et ob e u s e d p r o p e r l y f o rl o n g - t e r ms u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t w a t e rr e s o u r c e ss c h e d u l i n gi st a k e n r e a s o n a b l ew h i c hc a na c h i e v et h eo v e r a l lr e g u l a t i o no ft h eb a s i nw a t e rr e s o u r c e sa n dw h i c hi sa n i m p o r t a n tm e a n st h a tc a nu s ew a t e rr e s o u r c e ss u s t a i n a b l y t a k i n gt h es h i y a n gr i v e rb a s i na st h e r e s e a r c ho b j e c t ，b a s e do nt h ed a t ao ft h i sb a s i n ，t h ew a t e rr e s o u r c e ss y s t e mi sg e n e r a l i z e d r u n o f f f o r e c a s t i n gm o d e l ，w a t e rd e m a n df o r e c a s t i n gm o d e l ，w a t e rr e s o u r c e ss c h e d u l i n g m o d e l ， g r o u n d w a t e rs i m u l a t i o nm o d e li st ob eb u i l d t h es h i y a n g r i v e rb a s i nw a t e r r e s o u r c e sd i s p a t c h i n g d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mi st ob eb u i l db a s e do ng i sw i t ha ni n t e g r a t e dd a t aa n dc o m p u t a t i o n a l m o d e l t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa sf o i l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cs i t u a t i o no ft h es h i y a n gr i v e rb a s i n t h i s b a s i nw a t e r r e s o u r c e ss y s t e mi sg e n e r a l i z e di n t ot h en e t w o r kn o d ec h a r t i nt 1 1 i sm e a n st h eb a s i nd i v i d e di n t o t h a ti n c l u d e sn i n er e s e l v o i r s ，16i r r i g a t i o nd i s t j i c t ，ac o n t r o ln o d e ，12s u r f a c ew a t e l s u p p l y c h a n n e l s ，16c h a n n e l so fg r o u n d w a t e l ls u p p l y ，t h i e ew a t e rd i v e r s i o nc h a n n e l s ，16w i t h d r a w a lo f w a t e rc h a n n e l s ( 2 ) t h ew a t e rr e s o u r c es y s t e mi n c l u d e sr u n o f ff b r e c a s t i n gm o d e l ，w a t e rd e m a n df o r e c a s t i n g m o d e l ，w a t e rr e s o u r c e ss c h e d u l i n gm o d e la n dp o u n d w a t e rs i m u l a t i o nm o d e l r u n o f ff o r e c a s t i n g m o d e lp r o v i d ef u t m em o n t hi n f l o wi n f o j n r a t i o nf o re a c hr e s e r v o i r t h es y s t e mw a t e rd e m a n d f o r e c a s t ij l gm o d e lp r o v i d ef u t u r ei n t o r m a t i o ni n c l u d i l l ga g j i c u l t t i r ew a t e rd e m a n d ，i n d u s t r yw a t e r d e m a n d ，l i f ew a t e rd e m a n da n de c o l o g i c a lw a t e rd e m a n d b a s e d0 nt h er t i n o f fp r e d i c t i o n i n f o l m a t i o na n dw a t e l 、d e m a n di n f o r m a t i o n ，t h ew a t e rr e s o u l c es c h e d u l i n gm o d e jp r o v i d ew a t e rt o i n d u s h y ，l i v i n g ，i r i i g a t i o na n de n v i l 4 0 n l n e l q tp i o t e c t i o l la c c u l l a t e l y o nt h eq u a n t i t yo f w a t e rf a c i n g s c h e d u l i n gp e j i o ( 1 住1 i a t i o n i l e n d s ；b a s e do ne a c l l t r a i ti n f o r m a t i o no fw a t e rr e s o u r c es c l l e d u l i n g i n o d e l ，t h eg r o u n d w a t e rs i m u l a t i o nm o d e ls i m u l a t eg r o u n d w a t e rt e m p o r a l s p a t i a lv a r i a t i o n s ( 3 ) 翻l es h i y a n gr i v e j b a s i nw a t e ri e s o u r c es c h e d u l i n gs y s t e n ld a t a b a s ei n c l u d i n gt h eb a s i s a t t r i b u t ed a t a ，t h em i d d l ed a t aa n dt h er e s i f i t sd a t ai se s t a b l i s h e d f h eb a s i ca t t r i b u t ed a t ai n c l u d e s s o c i o e c o n o l n i ci n f o r m a t i o n ，w a t e ru n i ti n 硒r m a t i o n ，g r o u n d w a t e ri n l b r m a t i o n ，w a t e rc o l l s e i v a n c y i n f o r m a t i o n t h em i d d l ed a t ai n c l u d e ss o l l eo ft h ep a r a m e t e j sf 1 ) rm o d e ln e e d e d l h er e s u l t sd a t a i n c h l d e st h el 、u n o | ff i ) r e c a s t i d a t a 1 1 1 e 、。a t e d e m a n df b l e c a s t i n gd a t a ，t h eu j a t e t i e s o u l c e s c h e d u l i n gd a t aa n d 嗣o t i n d t 。a t e rs h n t i l a t i o nd a t a ( 4 ) r h ed e c i s i o ns u p p o l ts ) j s t e n l i sc a l i i e do i lt h eo v e l a l ld e s i g n ，a n dd i v i d e di n t ov a r i o u s s u b f u n c t i o nm o d u l e sw h i c hi sd e t a i l e dd e s i g n e d w a n gw e i ( e n v i r o m e n t a ls c i e n c e ) 东华大学硕士学位论文石羊河流域水资源调度决策支持系统 s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rj i a n gy u n - z h o n g k e yw o r d s ：s h i y a n gr i v e rb a s i n ：w a t e rr e s o u r c e ss c h e d u l i n g ；r u n o f ff o r e c a s t ；w a t e r d e m a n df o r e c a s t ：g r o u n d w a t e rs im u l a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录i 第一章绪论1 1 1 研究背景及研究意义1 1 2 国内外研究动态2 1 2 1 水资源调度研究方法2 1 2 2 水资源调度研究历程5 1 3 研究内容及技术路线6 第二章 流域概况一6 2 。1 自然概况7 2 1 1 地理位置与行政区划7 2 1 2 地形地貌8 2 1 3 气候9 2 1 4 河流水系9 2 1 5 生态环境1 0 2 2 社会经济10 2 3 水资源及其相关问题1 3 2 3 1 地表水资源一1 3 2 3 2 地下水资源13 2 3 3 水资源总量1 4 2 3 4 地表水资源可利用量。1 4 2 3 5 水资源开发利用及问题1 4 第三章通用水资源优化调度模型w r o o m 18 3 1 通用水资源优化调度w r o o m 模型理论体系1 8 3 1 1w r o o m 模型对复杂水资源系统概化方法1 8 3 1 2 耦合模拟与优化技术的w r o o m 模型体系1 8 3 1 3 复杂水资源系统模拟规则多目标优化技术2 0 3 2w r o o m 模型详细定义2 1 3 2 1w r o o m 模型基本集合2 1 3 2 2w r o o m 模型参数2 3 3 2 3w r o o m 模型决策变量2 5 3 。2 4w r o o m 模型约束2 8 3 3w r o o m 模型建模及求解方法4 3 i 东华大学硕士学位论文 石羊河流域水资源调度决策支持系统 3 3 1w r o o m 模型构建流程4 3 3 3 2w r o o m 模型建模方法4 4 3 3 4w r o o m 模型求解方法4 5 3 4w r o o m 模型调配方案设置4 5 第四章流域水资源模型的建立4 7 4 1 来水预报模型4 7 4 1 1 神经网络模型4 7 4 1 2 逐步回归自回归模型5 0 4 2 需水预报模型5 2 4 2 1 农业需水预报5 2 4 2 2 生活需水预报5 6 4 2 3 工业需水预测5 7 4 2 4 生态需水预测5 7 4 3 水资源优化调度模型5 7 4 3 1 水库调度子系统5 8 4 3 2 水资源调度模型开发5 9 4 3 3 水资源调度模型输入输出5 9 4 4 地下水模拟模型6 0 4 4 1m o d f l o w 基本原理6 0 4 4 2 输入数据对应的模型文件6 3 第五章系统设计6 5 5 1 系统总体设计6 5 5 1 1 总体结构6 5 5 1 2 系统功能结构6 6 5 1 3 系统工作流程6 6 5 2 系统功能模块的设计6 7 5 2 1 基本信息模块6 7 5 3 2 方案管理模块6 8 5 3 2 来水预报模块6 9 5 3 2 需水预测模块7 0 5 3 2 水资源调度模块7 0 5 3 2 地下水模拟模块7 1 5 3 数据库设计7 2 5 3 1 数据库总体框架7 2 5 3 2 数据主题7 2 5 3 3 属性数据库的建设7 3 5 3 4 空间数据库的建设7 3 第六章石羊河流域水资源调度系统应用7 5 5 1 水资源系统概化7 5 5 2 来水预报7 6 5 2 1 b p 神经网络模型7 6 5 2 2 逐步回归自回归模型7 7 5 。3 需水预测8 3 5 3 1 社经指标8 3 5 3 2 系统需水预测结果8 9 5 4 水资源调度9 2 5 5 地下水模拟9 3 5 6 1 地下水基本信息9 3 5 6 2 模拟结果9 8 第七章结论和展望1 0 0 参考文献1 0 2 攻读学位期间参加的科研项目和发表论文情况1 0 6 致谢1 0 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是影响国民经济发展的物质基 础之一，是人类生产、生存不可缺少的资源，水资源的可持续利用，是经济和社 会可持续发展极为重要的保证【1 】。水资源既能促进国民经济的快速发展，又是保 障人类和生态环境系统得以生存的物质条件。在一定的区域范围内，水资源总量 基本上是定数，这体现了水资源的有限性；随着社会经济的发展，水资源用途和 用量的扩大，供需矛盾逐渐突出、水资源的稀缺性也愈来愈明显【2 】。 水资源调度是协调流域及区域内部各类用水矛盾、实现水资源合理配置、充 分发挥水资源利用的综合效益、促进社会经济可持续发展的有效“良方”【3 1 。流域 水资源调度可以实现对流域水循环及其影响的自然与社会诸多因素进行整体调 控。水资源调度按照调度方法可分为常规调度和优化调度；按照调度的时间可分 为年、月、旬调度甚至更加细化的周、日调度和实时调度；按照调度内容可分为 防洪调度、排涝调度、灌溉调度、供水调度、排沙调度、发电和生态调度等，也 可划分为综合调度和单一目的调度。无论水资源调度如何划分，其实质主要是围 绕水利工程和水量两个要素进行的调度，通常人们以水量调度或水利调度来代表 水资源调度【4 j 。 我国是一个水资源紧缺的国家，随着国民经济的迅速发展和人口的增长，用 水量不断攀升，缺水矛盾已经上升为水资源的首要矛盾；同时我国又是世界上洪 涝灾害最为频繁和严重的国家之一，洪涝灾害对社会经济造成的损失占各种自然 灾害的首位。流域水资源问题己成为严重制约经济、社会和生态环境持续发展的 瓶颈。解决这一问题的措施就是实现流域水资源统一调度【4 1 。我国北方流域地表 径流时空分布不均、水环境急剧恶化、水资源供给严重不足，近年来，我国成功 实施了以黄河、黑河和塔里木河调水为代表的多项水量调度工作，保持了这些地 区经济社会的可持续发展。黄河调度按照各省区全年配水总量固定比例、月配水 指标可调的原则，在确保黄河不断流和防洪减灾的前提下进行水量分配，提出了 维持黄河健康生命的构想；黑河、塔里木河调度以逐步恢复下游生态系统为主要 调度目标；引江济太力图通过水资源的合理调度改善太湖水生态环境；扎龙湿地 补水以维系扎龙湿地功能为目标；南四湖生态补水以及引岳济淀则直接立足于生 态抢救和恢复睁j 。逐步形成了抗旱应急、中期供需平衡、长期生态维系的综合调 度体系6 1 。 随着社会经济的快速发展，石羊河流域已成为甘肃省河西内陆河流域中人口 最多、经济较发达、水资源开发利用程度最高、用水矛盾最突出、生态环境问题 最严重、水资源对经济社会发展制约性最强的地区。石羊河位于甘肃河西走廊内 东华大学硕士学位论文 石羊河流域水资源调度决策支持系统 陆河流域，降雨稀少，生态环境脆弱，由于灌溉面积持续扩大，大中小企业迅猛 发展，耗水量猛增。据统计，中游灌溉面积由解放初期的1 6 5 万亩，增加到2 0 0 3 年的约2 7 8 万亩，增长了1 7 倍。总耗水量由解放初期的5 6 7 亿m 3 增加到2 0 0 3 年的1 0 亿m 3 ，增加近2 倍，尤以农业耗水量增加为甚。由于中游对水资源的过 度使用，进入民勤盆地的地表水量大大减少，己远远不能满足当地工农业生产的 发展需求，为了维持生产的正常发展，不得不过量掘井取水，使超采地下水的状 况愈演愈烈，目前年超采地下水大约3 5 亿m 3 ，造成地下水位每年以大约 o 5 1 0 m 的速度普遍而又持续地下降【7 1 。由于多年的超采地下水形成了漏斗区， 武威市漏斗区面积为1 0 k m 2 ，漏斗中心水位埋深达7 5 m ，永昌县漏斗面积为1 5 k m 2 ， 中心水位埋深达5 7 m 。 石羊河流域极度恶化的生态环境问题已引起国家领导同志的高度重视，温家 宝总理多次批示，强调“决不能让民勤成为第二个罗布泊”。抢救民勤迫在眉睫。 为加强石羊河流域水资源统一管理和流域综合治理，2 0 0 6 年甘肃省水利厅和甘 肃省发展和改革委员会组织编制了石羊河流域重点治理规划，2 0 0 7 年甘肃省 水利厅组织编制了石羊河流域水资源调度管理信息系统可行性研究报告，2 0 0 7 年1 2 月，水利部水规总院对石羊河流域水资源调度管理信息系统可行性研究 报告进行了审查并向水利部报送了关于报送石羊河流域水资源调度管理信息 系统可行性研究报告审查意见的报告，2 0 0 8 年6 月，水利部向国家发展和改革 委员会报送了关于报送石羊河流域水资源调度管理信息系统可行性研究报告审 查意见的函，同时，甘肃省发展和改革委员会将石羊河流域水资源调度管理 信息系统可行性研究报告上报到国家发展和改革委员会进行请求批复。2 0 0 9 年7 月，国家发展和改革委员会正式下达国家发展改革委关于石羊河流域水资 源调度管理信息系统工程可行性研究报告的批复。 基于上述背景，本次研究针对石羊河流域水资源特点，以及石羊河流域水 资源调度管理信息系统可行性研究报告，开展石羊河流域水资源调度，为流域 水资源高效利用，生态环境治理提供科技支撑。本论文通过流域水资源系统的概 化，以流域来水预报模型、需水预测模型、流域水资源调度模型和地下水模拟模 型为基础，完成基于g i s 的石羊河流域水资源调度决策支持系统设计和开发。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 水资源调度研究方法 水资源系统的运行调度主要采用常规方法和优化方法。常规方法是以调度准 则为依据，利用径流调节理论和水能计算方法，并借助于水库的抗洪能力图、防 洪调度图等经验性图表实施防洪调度操作，是一种半经验、半理论的水库调度方 法【8 1 ，自从1 9 2 6 年提出水电站水库调节概念以来，现在己形成了以水库调度图 第章绪论 为指南的水库调度方法。调度图制定方法通常是选择某一典型年( 或典型系列) ， 通过径流调节计算得到，运用时可充分融合调度管理者的经验，并且由于其简单 实用、易于操作的特点，成为目前应用最广泛的常规调度方式【9 】。但常规方法采 用的调度图指导水库调度没有考虑预报来水，难以达到全局最优和准全局最优等 一些不可避免的缺点。现在有很多学者对此进行了改进，优化调度图。l i c h e n i l 、 o l i v e i r a 和l o c k s 等人【1 将遗传算法用于具有综合利用要求的单一水库调度图 制定中；f ij o h nc h a n g 、l ic h e n 等人【1 2 】采用实数型编码的基因算法对基于规则 控制洪水的水库调度进行优化；i l i c h l t l 3 】采用人工神经网络优化模拟模型优化了 印尼某水库的调度线。 随着数学规划理论的日渐完善和计算机技术的广泛应用，优化方法被广泛使 用。优化方法通常将基本的需水需求，如生活需水、最小生态需水作为约束条件 首先满足，然后采用缺水量最小或者经济效益最大等目标函数进行优化 2 1 。优化 方法包括线性规划、非线性规划、动态规划、多目标优化技术等。 ( 1 ) 线性规划 线性规划的数学理论成熟、建模简单，有成熟的算法和应用程序，在水资源 流域应用最早且最广泛。一般首先根据研究问题的性质确定决策变量；根据问题 的目标，列出与决策变量有关的目标函数；根据问题的限制条件，列出与决策变 量有关的约束条件来建立数学模型【l 训。1 9 6 7 年，h a l l 等研究水库优化问题采用 了线性规划和动态规划的耦合模型【l5 | 。1 9 7 3 年，w i n d s o r 对水库群的联合调度采 用线性规划的方法，并利用单纯形法或混合整数规划法求解引。王厥谋建立了丹 江口水库线性规划模型【1 7 】。都金康等提出了利用线性规划法来求解并联水库群洪 水调度模型1 8 】。王栋等建立了淮河流域混联水库群最大防洪安全保证的线性规划 模型19 1 。 ( 2 ) 非线性规划 线性规划模型中的目标函数或约束条件是非线性的，计算过程也比较复杂， 现在还没有可行的解法和程序，通常将非线性问题转化为线性问题求解。u n d e r 等利用非线性规划理论和洪水演算原理，提出了实时调度优化模型及其算法 2 。 罗强等建立了水库群系统的非线性网络流规划法，并提出了逐次线性化与逆境法 相结合的求解方法 2 1 j 。 ( 3 ) 动态规划法 解决多阶段决策最优化问题的方法称为动态规划法。动态规划法根据最优性 原理，将一个复杂的问题分解成一个多阶段的决策过程，根据时问和空间特性， 逐次求出每段的最优决策，最终可以求得整个系统的最优决策方案。最早将动态 规划法应用于水库优化调度的是美国的l i t t l e l 2 2 ，他提出了基于随机径流的水库 优化调度数学模型。t u r g e o n 运用随机动态规划和逼近法解决了并联水库群的优 化问题【2 3 i 。a h m e d 对建立的5 个水库系统进行主成分分析，寻求一个降维模型， 1 东华大学硕士学位论文 石羊河流域水资源调度决策支持系统 然后使用随机动态规划对降维模型求解【2 4 1 。国内对动态规划法的研究也十分广泛， 虞锦江等基于最可能洪水概念提出了水电站水库洪水优化控制模型【2 5 】；李文家等 建立了3 个水库联合调度防御下游洪水的动态规划模型【2 6 】；付湘等用动态规划法 建立了一个多维动态规划单目标模型进行防洪调度【2 7 】。动态规划方法也有些不足 之处，当水库数目增加时，会产生维数灾问题，因此需要采用一定的方法来降维， 在建模时进行降维处理，或与其他规划方法联合会取得更好的效果。 ( 4 ) 多目标优化技术 一个复杂的水资源系统往往有多种开发目标( 如防洪、灌溉、发电等) ，使 流域水资源调度具有多目标特点，因此可以引入多目标优化法。b e c k o r 用约束 扰动法研究了水库群系统的多目标问题【2 8 j ；m o h a n 等对印度5 个水库群建立了 一个线性多目标模型【2 9 1 。我国的董子敖等提出了计入径流时空相关关系的多目标 多层次优化法【3 0 】；吴保生等提出了并联防洪系统优化调度的多阶段逐次优化算法， 成功地解决了河道水流的滞后影响【3 l 】；杨侃等应用多目标和大系统分解协调方法 对串联水库群水量宏观优化调度问题进行分析和研究，建立了基于多目标分析的 库群系统分解协调宏观决策模型【3 2 1 。多目标分析法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，因而有着更大的实用性。 ( 5 ) 大系统协调分解 大系统分解协调是把大规模复杂的系统分解成“独立”的子系统，分别建立模 型进行优化，然后子系统之间用藕合变量连接在第二级或更高级进行协调，以达 到全系统的最优化【33 1 。大系统分解协调方法具有结构灵活、计算速度快、效果优 的特点，克服了一般动态规划的维数障碍，在水库群系统调度领域受到重视。 j a m s h i d i 应用分解协调技术解决了g r a n d e 流域开发问题【3 引。张勇传利用大系统 分解协调的观点对2 个并联水电站水库的联合优化调度问题进行了研究，引入 偏优损失最小作为目标函数，对单库最优策略进行协调，以求得总体最优1 3 引。谢 新民等研究和提出一种基于大系统理论和传统动态规划技术的水电站水库群优 化调度模型与改进目标协调法【3 引。卢友华等根据大系统分解协调的原理，提出递 阶模拟择优的方法对义乌市水库系统模拟运行引进调度线，合理地解决了多水源、 多用户、多保障率的问题【j 。 ( 6 ) 现代启发式智能方法 现代优化算法包括禁忌搜索、模拟退火、遗传算法、神经网络等，涉及生物 进化、人工智能、数学和物理科学、神经系统和统计力学等概念，以一定的直观 基础而构造的算法，我们称之为启发式算法。启发式算法的兴起与计算复杂性理 论的形成有密切的联系，在常规优化算法求解复杂问题遇到困难时，现代智能优 化算法便开始体现其优势。目前，遗传算法和人工神经网络在水资源调度领域己 被广泛使用。e a s t 等使用遗传算法，应用线性规划及动态规划求解了4 个水库问 题【3 钔。o l i v e i r a 等利用合成流量，将遗传算法应用在假想的并联2 个水库的操作 第一章绪论 策略上【3 9 】。h u a n g 等将随机动态规划与遗传算法相结合求解2 个并联水库的优 化调度问题1 4 0 1 。黄强等将遗传算法与系统模拟相结合，制定梯级水库优化调度图 的理论及方法，并以乌江上游梯级水库为研究对象，绘制了梯级水库优化调度图 【4 。p a r k 等用分段二次费用函数逼近非凸费用函数，证明了神经网络用于非凸 费用函数的经济负荷调度的可能性1 4 2 1 。胡铁松等基于h o p f i e l d 连续模型，建立 了一般意义上的混联水库群优化调度的神经网络模型，通过b p 神经网络对样本 的学习得到水库群优化调度函数，并应用于3 个并联水库的调度【43 1 。缪益平等 利用神经网络建立了水库调度函数的神经网络模型，并模拟了湖南风滩水库调度 【4 4 】 o 1 2 2 水资源调度研究历程 国际上以水资源系统分析为手段，水资源合理配置为目的的实践研究，最初 源于2 0 世纪4 0 年代m a s s e 提出的水库优化调度问题，5 0 年代中期创立了系统 工程并在水库( 群) 优化调度中得到广泛应用【4 】。对于水资源调度的研究与应用 在我国起步较晚，水资源调度思想也源于水库、灌区等水资源系统的调度工作。 1 9 6 3 年，谭维炎建立了一个长期调节水库的优化调度模型，并应用于四川狮子 滩水电站水库。随着科学技术的不断发展，线性规划，动态规划，决策理论，神 经网络，遗传算法等在水资源调度中的广泛应用研究，不断促进水资源调度理论 向前发展。1 9 7 2 年，j a m i e s o n 和w i l k i n s o n 建立了水库防洪预报调度系统，根 据系统来水量进行了调度 4 5 , 4 6 1 。8 0 年代中期水利部水利调度中心开始研究水库 防洪系统实时调度，进入9 0 年代，国内在水资源调度方面的研究迅速发展。1 9 9 0 年，白宪台、龙子泉采用随机方法对平原湖区除涝系统的实时调度进行了研究【4 7 j ； 1 9 9 1 年，刘国纬等对多年调节水库系统的调度进行了研究【4 8 1 ：李占瑛等针对湖 区除涝排水系统的优化调度问题，建立了随机d p 和确定性d p 相结合的调度模 型【4 9 1 ；1 9 9 3 年，雷晓云等对水库群供水系统优化和调度进行了研究【5 0 j ；1 9 9 8 年， 邵东国等建立了南水北调中线工程的自优化模拟实时调度模型【5 i j ；2 0 0 2 年，何 新林、郭生练等开发了灌区灌溉实时优化调度决策支持水资源实时调度思想源于 水库、灌区等水资源系统的实时调度工作1 5 引。 近年来，对水资源调度工作开展和研究的不断深入，以黄河流域为代表的国 内流域水量调度模型研究，吸取了系统科学、控制科学和信息科学的先进理论、 方法和技术，不仅在理论研究方面有了长足的进步和创新，而且在实际应用中取 得了显著的经济和社会效益。1 9 9 6 2 0 0 0 年，黄河水利委员会完成了黄河三门峡 以下非汛期水量调度系统研究 5 3 1 ，2 0 0 2 年完成的黄河水资源实时水量分配研究 将黄河干流划分为上游子系统和三门峡小浪底子系统分别进行流域模拟，以潼关 流量进行耦合，采用系统递阶、长短嵌套、滚动修正的方法模拟水量调度过程， 第一次较为全面系统地研究黄河水资源实时调度问题【5 4 1 。清华大学王光谦等在黄 东华大学硕士学位论文 石羊河流域水资源调度决策支持系统 河和塔里木河水量调度方案编制研究中，参考各流域现行的水量调度方案编制工 作，提出了流域水量调度的自适应法和适度优化法 5 5 , 5 6 。中国水利水电科学研 究院在十五国家科技攻关计划重大项目黑河流域水资源调配管理信息系统研究 中提出了以模拟配置评价调度为基本环节的流域水资源调配四层总控结构、基 于流域二元水循环模式和面向水资源全属性功能的流域水资源合理配置理论与 方法和宏观总控、长短嵌套、实时决策、滚动修正的水资源实时调度方法【5 7 】，实 现了黑河流域强烈用水竞争条件下的国民经济发展和生态环境保护的双赢，为流 域水资源调配研究提供了较为完整的框架体系。一些发达国家在流域水资源调度 方面的研究比较深入，调度方法包括模拟、优化、模拟与优化相结合三类，同时 开发了一些具有较强实用性的软件产品用于水资源调度模拟，如r i v e r w a r e 、 m i k e b a s i n 、e m s 、w a t e r w a r e 、i q q m 、a q u a r i u s 等【5 8 】。 1 3 研究内容及技术路线 本次研究目标：在分析流域水资源系统特征基础上，通过流域水资源系统的 概化，建立流域来水预报模型、需水预测模型、流域水资源调度模型和地下水模 拟模型，构建一个集成数据与计算模型、基于g i s 石羊河流域水资源调度决策支 持系统。依据石羊河流域社会经济、水文、水资源开发利用、水文地质、调度方 案相关信息等资料，预测流域来水和需水，通过水资源调度模型，提出流域水资 源优化调度方案，通过地下水模拟模型分析流域地下水动态时空变化特征。 本研究的最终目的是构建一个服务于石羊河流域水资源管理的调度系统平 台，包括建立流域来水预报模型、社会经济生态需水模型、复杂性流域水资源调 度模型和地下水数值模拟模型，研究技术路线如图1 1 所示。 数据收集数据库建立 水资源利用、地质) g 质质h “；茹翥娑” 厶一7o r a c l e 地下水动态、调度方案 一 a r c s d e 、：岁7 调度模型开发与系统构建 ，、。 来水预测模型、水资源调度模型 鳃卷普s 需水预测模型、地卜水模拟模型 m o d f l o w 弋岁， 系统应用 水量调 各行政区水库蓄计算单元 地卜水 灌区水资源、放水地卜水外 度方案动态 供需平衡过程采过程 图1 - 1 技术路线 f i g 1 1t e c h n i c a lr o u t e 第二章流域概况 第二章流域概况 2 1 自然概况 2 1 1 地理位置与行政区划 石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，乌稍岭以西，祁连山北麓，东经 1 0 1 0 4 17 1 0 4 0 1 6 ，北纬3 6 0 2 9 - - 3 9 d 2 7 之间。东南与白银、兰州两市相连，西北 与张掖市毗邻，西南紧靠青海省，东北与内蒙古自治区接壤。流域行政区划包括 武威市的古浪县、凉州区、民勤县全部及天祝县部分，金昌市的永昌县及金川区 全部，以及张掖市肃南裕固族自治县和山丹县的部分地区、白银市景泰县的少部 分地区，共涉及4 市9 县，流域总面积4 1 6 万k m 2 ，占甘肃省内陆河流域总面积 的1 5 4 。流域地理位置及行政区划见图2 1 。 fr