（水利工程专业论文）山东省抗旱指挥管理信息系统平台开发研究.pdf

山东大掣墉炙士掌位论文 摘要 由于地理环境和自然气候等条件决定，山东省水资源短缺严重，“十年九旱” 是山东省的基本省情，干旱灾害始终影响着山东省农业的发展。随着经济社会的 不断发展，各行业对水资源的需求不断增大，水短缺的矛盾r 益突出，干旱的影 响正逐步向工业等其他领域蔓延。为提高水资源利用效率，减少干旱造成的损失， 结合山东省各项抗旱业务工作，丌发、建设山东省抗旱指挥管理信息系统，科学 抗旱，提高抗旱指挥管理水平。 山东省抗旱指挥管理信息系统开发是利用对水雨情数据、墒情数据、地下水 数据的同步与管理，为抗旱指挥提供了充分的数据基础，实现对基本信息的查询 与维护；通过建设神经网络墒情预测模型，对当前旱情进行分析评估，对未来旱 情进行预测。通过生动、直观的方式为用户提供信息查询、图形显示、报表输出 及分析决策服务，将现代化技术全方位导入工作中，完善信息处理功能，增强分 析预测能力，提高服务水平与质量。通过山东省抗旱指挥管理信息系统，可以实 时监视全省旱情发生、发展及演变过程，分析受旱范围、受旱程度，掌握抗旱动 态，预测下一步旱情的发展趋势，为各级抗旱决策部门提供及时、准确的旱情及 抗旱活动信息，为领导制定科学、j 下确的防旱、抗旱减灾决策提供可靠依据，也 为各级抗旱业务部门之间的信息交互提供了平台。 本系统以全省1 ：2 5 万数字地图为基础，通过建立完备的抗旱数据库基本结 构，结合对全省水库和闸坝的基础资料，通过网络环境下w e b g i s 方式的查询， 实现了山东省抗旱基本情况、气象雨水情实时信息、墒情信息、抗旱文件等抗旱 资料的查询和对当前旱情进行评估。系统将神经网络技术、地理信息系统、数据 库技术和i n t e r n e t 技术进行了有机集成，使系统在电子地图上实现实时监控墒 情变化并自动报警显示，展示墒情变化情况，实现半离线状态下的墒情预报，及 抗旱墒情会商的信息服务。为旱情的早期预报、预警和抗旱减灾各种预案的制定 和实施争取到宝贵的时i 日j ，町有效的提高抗旱减灾工作的效率。 关键词：山东抗旱神经网络墒情 山东大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n ta n dn a t u r a lc l i m a t ec o n d i t i o n s ，s h a n d o n g p r o v i n c ei si ns e r i o u ss h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s s oc a l l e d ”o n ed e c a d e s ，n i n e d r o u g h t ”i st h eb a s i cp r o v i n c i a lc o n d i t i o n si ns h a n d o n gp r o v i n c e d r o u g h td i s a s t e r s a l w a y sa f f e c tt h ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r e i n s h a n d o n gp r o v i n c e w i t ht h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n ds o c i e t y ，t h ed e m a n do fw a t e rr e s o u r c e si n v a r i o u ss e c t o r si s g r o w i n g ，w a t e rs h o r t a g e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ， a n dt h ee f f e c t so fd r o u g h ti sg r a d u a l l ye x p a n dt oo t h e ra r e a sw i t hs p r e a do fi n d u s t r i e s ， i no r d e rt oe n h a n c ew a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c el o s s e sc a u s e db y d r o u g h t ，c o m b i n e dw i t ht h ed r o u g h t - r e s i s t a n tt a s k si ns h a n d o n gp r o v i n c e ，i ti s n e c c e s s o r yt od e v e l o p ，c o n s t r u c ts h a n d o n gp r o v i n c ed r o u g h t r e s i s t a n ti n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，i no r d e rt os c i e n t i f i c l yr e s i s t a n td r o u g h t ，i m p r o v et h el e v e l eo f d r o u g h t - r e s i s t a n tm a n a g e m e n t s h a n d o n g p r o v i n c e d r o u g h t r e s i s t a n t i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m s y n c h r o n i z ea n dm a n a g et h ei n f o r m a t i o no f o fr a i n f a l l ，s o i lm o i s t u r ea n dg r o u n d w a t e r d a t a ，t h e np r o v i d e s a d e q u a t eb a s i c d a t af o rd r o u g h tr e s i s t a n c em a n a g e m e n t i t i m p l e m e n t st h eq u e r ya n dm a i n t e n a n c eo fb a s i ci n f o r m a t i o n ，t h es t a t i s t i c a la n a l y s i so f r e a l t i m ed a t a ，a n dt h ep r e d i c t i o no ff u t u r ed r o u g h t t h r o u g hl i v e l y ，i n t u i t i v ew a yt o p r o v i d eu s e r sw i t hi n f o r m a t i o ni n q u i r i e s ，g r a p h i c a ld i s p l a y ，o u t p u ta n da n a l y s i so f d e c i s i o n m a k i n gr e p o r ts e r v i c ew i l lb eaf u l lr a n g eo fm o d e mt e c h n o l o g yi n t ot h e w o r k ，a n di m p r o v ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s ，a n de n h a n c ea n a l y s i sa n d f o r e c a s t i n gc a p a b i l i t i e s ，i m p r o v es e r v i c el e v e l sa n dq u a l i t y d r o u g h ti ns h a n d o n g p r o v i n c e ，t h r o u g ht h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mt h a tc a nh a p p e ni nr e a l t i m e s u r v e i l l a n c eo ft h e p r o v i n c e sd r o u g h t ，d e v e l o p m e n ta n de v o l u t i o n ，a n a l y s i so f d r o u g h t - h i ta r e a sh a v eb e e na f f e c t e da n dt h ed e g r e eo fm a s t e rd r o u g h td y n a m i c s ， f o r e c a s tt h e d e v e l o p m e n t t r e n do ft h en e x t d r o u g h t i n o r d e rt o p r o v i d e d e c i s i o n m a k i n ga t a l ll e v e l so fd r o u g h tt i m e l ya n da c c u r a t ei n f o r m a t i o no nt h e a c t i v i t i e so ft h ed r o u g h ta n dd r o u g h t 1 e a d i n gt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，c o r r e c ta n d d r o u g h t d r o u g h tm i t i g a t i o na n dp r o v i d ear e l i a b l eb a s i sf o rd e c i s i o n m a k i n g b u ta l s o 山东大粤幽炙士掌位论文 f o ra l ll e v e l so fd r o u g h ti n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eb u s i n e s sd e p a r t m e n tt op r o v i d ea p l a t f o r m t h i ss y s t e mi sb a s e do n1 ：2 5m i l l i o nd i g i t a lm a p s ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fa c o m p r e h e n s i v ed a t a b a s eo ft h eb a s i c s t r u c t u r eo fd r o u g h t ，c o m b i n e dw i t ht h e p r o v i n c e sr e s e r v o i r sa n ds l u i c e so nt h eb a s i so fi n f o r m a t i o nt h r o u g ht h en e t w o r k e n v i r o n m e n tt h ew a yw e b g i si n q u i r i e s ，a c h i e v et h eb a s i cd r o u g h ti ns h a n d o n g p r o v i n c e s i t u a t i o n ，r e a l t i m er a i n f u l lw e a t h e ri n f o r m a t i o n ，s o i l m o i s t u r ec o n t e n t i n f o r m a t i o n ，s u c ha si n q u i r ya n da s s e s s m e n t o fd r o u g h ti n f o r m a t i o nd o c u m e n t s y s t e mu t i l i z e sn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y ，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 s ，d a t a b a s e t e c h n o l o g ya n di n t e r n e tt e c h n o l o g yf o rt h eo r g a n i ci n t e g r a t i o n ，a l l o w i n g t h es y s t e mt o r e a l i z eo ne l e c t r o n i cm a p si nr e a l - t i m em o n i t o r i n go fs o i lm o i s t u r ec o n t e n tc h a n g e s a n da u t o m a t i ca l a r md i s p l a y ，s h o w i n gt h ec h a n g e si nm o i s t u r e ，s e m i 。o f f l i n e i m p l e m e n t a t i o no fs o i lm o i s t u r ef o r e c a s ta n dd r o u g h ts o i lm o i s t u r ec o n t e n to ft h e c o n f e r e n c ed i s c u s s i o n si m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fi n f o r m a t i o ns e r v i c e s f o rd r o u g h t e a r l yw a r n i n g ，e a r l yw a r n i n ga n dd r o u g h tm i t i g a t i o n v a r i o u sf o r m u l a t i o na n d i m p l e m e n t a t i o no fp l a n st og a i nv a l u a b l et i m e ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e w o r ke f f i c i e n c ya n dd r o u g h tm i t i g a t i o n k e yw o r d s ：s h a n d o n g ，d r o u g h t r e s i s t a n c e ，n e u r a ln e t w o r k ，s o i lm o i s t u r ec o n t e n t 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 樽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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 文被查阅和借阅：本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一：蝉剥虢妞r 期趔监 山东大掌硕士学位论文 第一章山东省抗旱指挥管理信息系统开发的必要性分析 1 1 山东省水文特征及社会经济发展概况 1 1 1 水文特征 山东省位于华北暖温带季风气候区，除山东半岛东部沿海外，大陆性气候显 著。全省冬季完全在蒙古高压控制下，空气寒冷干燥，雨雪稀少：夏季亚热带太 平洋暖湿气团增强，冷暖气团在山东境内交绥的机会较多，雨量相对集中。 1 1 1 1 降水 ( 1 ) 降水量的年际变化很大 山东省多年平均降水量为6 8 0 9 i i l n l ，但年际变化很大，地区分布也很不均匀， 各地最大年降水量一般为最小年降水量的3 6 倍，极差值在6 5 0 1 3 0 0 唧之间。 如1 9 6 4 年全省平均降水量l1 7 0 5 唧，而1 9 1 9 年全省平均降水量仅3 4 9 m m ，从而 形成了严重的洪涝年( 1 9 6 4 年) 和严重的干旱年( 1 9 1 9 年) 。站点降水量的年际 变化大是造成水旱灾害年的主要原因。 ( 2 ) 降水量的年内分布很不平均 全省平均各月降水量的分配情况是：6 9 月降水量占全年降水量的7 4 ，其 中7 、8 两月降水量即占年降水总量的5 1 ，故在此期间常常发生洪涝灾害。3 5 月降水量只占年降水总量的4 ；9 1 0 月降水量仅占年降水总量的1 5 。无雨 日数和无效降雨同数一般年份为3 2 0 天，枯水年份可达3 4 0 天。故山东省具有“春 及初夏多旱、盛夏早秋多涝、晚秋又旱的特点。 1 1 1 2 蒸发 全省多年平均陆地蒸发量为4 5 0 6 0 0 舢，鲁西和鲁中南山前平原地区在 6 0 0 i f l m 以上，胶莱河谷和鲁北平原区为5 5 0 咖，鲁中山区和崂山山区为4 5 0 5 0 0 f n i l l 。多年平均水面蒸发量为1 0 0 0 1 4 0 0 m m ，自西北向东南递减，鲁北西部达 1 4 0 0 舢，胶南、闩照等沿海一带为1 0 0 0 舢左右。蒸发量的年内变化也比较大，3 6 月份占全年蒸发量的5 0 左右，蒸发量最大发生在5 月份。冬季蒸发量小，l l 2 月占年蒸发量的1 5 左右。 i i i 东省水旺玎蒸发量的季：h 变化特点是存及仞夏最大( 3 6 月) ，此时正是降 水量最小、。：热风最多的季：宵，故该时期早灾最为严重。 山东大萼明弧士学位论文 干旱指数为各地年可能最大蒸发量与年降水量的比值( e p ) ，是反映各地 区干湿程度的重要指标。山东省多年平均干旱指数，由鲁东南沿海的1 o ，到鲁 西北内陆逐步增大到2 4 ，最大年干旱指数可达6 0 。所以山东省属于半湿润和 半干旱的过度带。 1 1 1 3 径流 山东省多年平均径流深1 4 7 4 舢，但在地区分布上很不均匀。鲁南山溪性河 流的沂沭河中运河各支流，多年平均径流深2 7 8 8 2 8 2 6 咖，胶莱河以东半岛 区和同照市，多年平均径流深2 2 5 6 2 7 4 8 咖，而鲁北平原区仅4 7 i n ，湖西 平原区仅6 4 6 咖。 河川径流量的年际变化幅度也很大。1 9 5 6 1 9 9 2 年全省多年平均年径流量 为2 2 6 亿m 3 ，频率p = 2 0 的丰水年为3 2 8 亿m 3 ，频率为p = 5 0 的平水年为1 9 8 亿 m 3 ，频率p = 7 5 的枯水年为1 2 3 亿m 3 ，而频率p = 9 5 的特枯水年仅5 4 0 亿m 3 。1 9 6 4 年最大达6 9 0 亿m 3 ，1 9 8 1 年最小仅5 3 9 亿m 3 ，最大为最小年径流量的1 2 8 倍。 因而丰水年河川径流量大大超过了河道、湖泊河水库的调节能力，不得不大量废 泄入海或流出省外，甚至造成严重的洪涝灾害，而枯水年又干旱缺水，形成严重 旱灾。 1 1 2 社会经济概况 山东省是我国的重要省市之一，总体经济实力和社会发展水平走在全国前 列。山东省具有优越的地理位置、良好的丌发条件、丰富的生物和矿产资源、得 天独厚的海岸资源、悠久的文化历史、秀丽的自然风光和丰富多彩的旅游资源， 这些都为我省的社会经济发展创造了十分有利的条件。 山东省行政区现辖1 7 个地级市，分别是济南、青岛、淄博、枣庄、东营、 烟台、潍坊、济宁、威海、同照、莱芜、临沂、德州、聊城、滨州、菏泽，下设 3 1 个县级市、4 8 个市辖区、6 0 个县、2 2 9 1 个乡镇。 根据2 0 0 7 年统计资料，全省总土地面积1 5 6 7x1 0 k m ：，耕地面积6 8 5 5k h a ， 占全困总耕地面积的7 4 ，有效灌溉面积4 7 9 0 o k h a ，其中节水灌溉丽积1 8 7 9 7 k h a 。总人口9 3 6 7 万人。2 0 0 7 年底总产值为2 5 9 6 5 9 1 亿元，粮食总产量 4 1 4 8 7 6 x 1 0 t 。全省工业生产稳步发展，实现工、j k 总产值5 4 4 2 8 2 7 亿元。全省地 方预算内财政收入1 6 7 5 4 亿元。城镇居民人均可支配收入1 4 2 6 4 元，农民人均 山东大掌硕士掌位嵌譬 纯收入4 9 8 5 元，居全国前列，人民生活基本达n d , 康水平。 1 2 山东旱灾概况 山东省由于受地理位置、气候条件和水资源特点的影响，经常遭受旱灾危害， 旱灾居山东省各种自然灾害第一位。据统计，自1 2 6 4 1 9 4 8 年的6 8 5 年中，共 发生不同程度的旱灾4 6 5 次，平均每1 4 7 年发生一次。自1 9 4 9 2 0 0 8 年的6 0 年中，除1 9 6 4 年外，每年都有旱灾发生，全省干旱成灾面积大于5 0 0k h a 的年 份有2 5 年。尤其是二十世纪八十年代以来旱灾程度更加严重，干旱年、连续枯 水期连接发生，即使丰水年季节性干旱也会不断发生，春旱、秋旱几乎年年都有， 伏旱也常常出现。1 9 8 1 、1 9 8 9 、1 9 9 2 、1 9 9 7 、1 9 9 9 、2 0 0 2 年都出现了春、夏、 秋连旱，1 9 8 1 1 9 8 3 年、1 9 8 5 1 9 8 9 年、1 9 9 9 2 0 0 2 年连续出现干旱，干 旱缺水致使工农业生产遭受巨大损失，农村人畜、城市居民面临严重吃水困难。 2 0 0 3 2 0 0 8 我省降雨总体较多，属于降雨丰水周期，但由于降雨分配不均，雨 水重要集中在夏季，春秋两季仍经常出现大面积干旱。而春秋两季是农作物播种、 收获的重要季节，干旱对粮食的收成会产生巨大影响。所以说我省基本“十年九 旱”，旱灾成为影响我省农业乃至工业发展的重要制约因素。 1 9 8 1 年是严重的干旱年份，全省平均降阿量4 3 6 n 1 i f i ，较多年平均值少3 5 ， 是1 9 4 9 年以来除2 0 0 2 年外雨量最少的一年，从上年的1 1 月到本年的5 月降雨 量仅为6 6 m ，比历年同期少5 5 ，4 月份降水5 m l ，5 月份又连续出现干热风天 气，8 月份降雨不到常年的一半，9 月份降雨比常年少8 4 ，春、夏、秋三季连 续干旱，受旱面积达到4 1 2 3k h a ，成灾面积为2 2 9 5k h a 。 继1 9 8 8 年严重干旱以后，1 9 8 9 年旱情继续发展，全省年降雨量为4 4 9 m m ， 较常年少3 3 ，德州、潍坊、滨州、泰安、济南、淄博6 市的年阿量较常年少4 0 5 3 ，菏泽、威海1 3 2 4 ，其它地市3 2 3 9 ，又出现春、夏、秋三季连旱， 伏旱尤为，t f 重。全省受灾面积4 2 2 5k h a ，成灾2 3 0 7k h a 。 旱灾除了对农业生产的严重威胁外，对城市、工矿企业用水也带来了重大 影u 向。八十年代初期青岛就出现水荒：1 9 8 8 、1 9 8 9 年连续大早以后，潍坊、烟 台、威海、淄博等城市也都发生了用水危机。特别是1 9 9 8 1 9 9 9 年的干旱缺水， 尤其是胶东地i 蔓城i 狞出现了更加严重的供水危机，威海、烟台、济南、淄博、潍 坊、东营等3 0 多个城市( 含县城) 4 0 0 万人 钓水凼难；居民生活用水被迫实行 6 山东大掌硕士掌位论文 定时限量供水，威海、烟台每人每月限量2m 3 ，用水超过限量实行惩罚性水价 4 0 元每m ；工业用水不得不实行保重点和强制性措施，以水定产，关停部分高 耗水工矿企业，估计每年因供水不足造成的直接经济损失超过5 0 亿元 表1 - 11 9 8 0 - 2 0 0 5 山东省旱灾情况统计表 受旱面积成灾面积绝收面积受灾人口减产粮食 年份 ( k h a )( k h a )( k h a )( 万人)( 10 4 t ) 1 9 8 0l5 157 5 02 36 6 28 4 1 9 8 14 12 32 2 9 517 9210 13 8 7 1 9 8 23 0 5 51 8 4 823 91 6 8 83 3 2 1 9 8 33 5 0 31 8 232 9 917 173 5 0 1 9 8 415 6 99 6 81 139 2 418 7 1 9 8 510 136 2 15 65 5 71 4 0 1 9 8 6 2 6 0 3 1 6 5 91 8 7 1 2 5 63 6 8 1 9 8 7 17 8 710 4 812 99 232 9 6 1 9 8 83 17 22 0 2 22 1319 6 24 7 7 1 9 8 94 2 2 52 3 0 72 6 22 2 3 45 4 7 1 9 9 018 8 04 783 0 44 5 1 9 9 12 2 0 07 6 4 6 7 2 23 1 5 8 1 9 9 2 4 83 32 4 6 96 6 2 l5 3 3 4 2 6 1 9 932 8 6 78 5 97 54 2 213 0 1 9 9 43 8 0 01 2 0 05 74 8 71 8 0 1 9 9 52 4 0 06 342 5 08 0 1 9 9 6 117 0 6 7 1 5 8 3 2 82 4 0 1 9 9 7 3 6 2 773 323 3 4 6 5 4 8 0 1 9 9 81 4 0 04 6 04 86 0 42 10 1 9 9 92 3 3 36 5 13 5 76 5 62 8 9 2 0 0 019 2 73 3 3o4 7 45 8 3 2 0 0 153 0 02 0 0 02 2 223 54 0 2 2 0 0 23 6 132 5 73 7 1 2 2 2 08 2 4 2 0 0 320 2 77 2 84 11 44 0 2 0 0 418 5 72 7 0 1l 12 53 0 0 2 0 0 52 2 0 97 2 13 10 014 4 2 0 0 62 7 535 0 67 5 3 2 557 4 2 0 0 7 1 12 0 43 00 2 2 0 4 53 2 0 0 810 5 910 718 7 9 3 9 5 合计 7 4 9 4 03 0 2 7 7 4 3 6 1 2 1 0 8 89 1 2 l 平均 2 5 8 41 0 4 4 l5 0 7 2 731 5 在经历了四年1 e 重干旱之后，2 0 0 2 年我省又遭受了严重的四季连旱。全省 降雨严重偏少，平均降雨量4 13 m m ，比历年同期偏少3 9 ，为建闺以来降阿量最 少的年份。全省平均年降水量、汛期( 6 9 月) 降水量、主汛期( 7 8 月) 降 山东大掌硕士掌位论文 水量，均为新中国成立以来同期最少的年份，其中主汛期降水量为山东省1 9 1 6 年有降水资料记载以来同期最少。经频率分析计算，重现期为5 0 年一遇。其中， 汛期全省平均降水量为2 3 8 哪，比常年同期偏少5 2 ，相当于1 0 0 年一遇干旱年 份。济宁、泰安、临沂三市汛期降水量，均为新中国成立以来同期最少，经频率 分析计算，均相当于2 0 0 年一遇干旱年份。菏泽、枣庄、潍坊三市汛期降水量， 均为新中国成立以来同期最少，经频率分析计算，均相当于1 0 0 年遇干旱年份。 2 0 0 2 年的旱情持续时间长，受旱范围广，灾情较重，损失大，后患多。全 省农作物受旱面积最大达到3 6 1 3 k h a ，重旱2 5 7 3 k h a ；因缺水有5 0 0 多家工业、企 业实行定量供水、限量生产或停产：有7 9 0 万人、3 2 1 万头大牲畜发生临时饮水 困难：有6 0 个县级以上城市供水不足，影响人口2 0 7 力人：京航运河济宁段断航， 南四湖干涸，干旱给我省工农业生产、人畜吃水、城乡供水以及生态环境带来了 严重不利影响。据初步估算，全省因旱灾造成的直接经济损失达2 6 0 亿元。由于 连续干旱，两季绝收，群众只能靠救济粮和借粮度同。同时，地下水位大幅度下 降，造成漏斗区面积不断加大。缺水还造成污染加剧，海水入侵等问题，生态环 境也受到严重影响。 造成2 0 0 2 年特大干旱的原因主要有降水量严重偏少，全省平均降雨仅 4 1 3 m m ，比历年同期偏少3 9 ，是新中国成立以来最少的年份，经频率分析计算， 相当于百年一遇干旱年份。二是气温高。三是抗旱水源不足。资源性缺水是山东 省的基本省情，水资源总的趋势是降雨少、客水少、地下水少、可用水少，供需 矛盾十分突出。2 0 0 2 年全省8 0 以上的小水库、塘坝干涸，所有河道除部分引水、 排污河道外全部断流。南四湖上下级湖基本干洇，最低时蓄水仅有2 0 0 万m 3 ，是 历史上从未有过的现象。同时由于连年抗旱，地下水一直没有得到有效补充，水 位持续下降。沿黄及平原地区地下水位平均又下降3 m 以上，最大下降幅度达3 0 多m 。 由于2 0 0 8 年冬季到2 0 0 9 年春季，山东省降附持续偏少，比历年同期偏少 5 6 ，经测算为3 0 年一遇干旱年份。其中鲁北、鲁西北部分地方基本无有效降雨， 沿黄地区的旱情达到5 0 年一遇。全省农作物受旱面积一度达到3 4 1l 万亩。全省 启动了抗旱应急最高级的级响应，令省各级各有关部门全力投入抗旱救灾工 作。 8 山东大掣璃炙士掌位论文 我省在抗旱工作中，全面实施抗旱预案制度，及早对城市供水、工业用水 采取压缩用水计划、定时限量供水、关闭耗水大户、污水处理及中水利用等措施， 节约用水，充分发挥现有水资源的作用。同时，在搞好大中型水源工程建设的基 础上，积极引导群众搞好小型水源工程建设；通过兴建小型水库、坑塘扩挖及机 井建设等措施，做好拦、蓄、引、提的文章，增加可利用的水资源总量，为长期 抗旱储备水源。但随着我省工农业生产的发展，人口的增加，城市化水平的提高， 各方面的需水量的增加，若不采取强有力的措施，今后我省的干旱缺水形势将同 趋严峻，旱灾危害将会更大。 1 3 山东省抗旱指挥管理信息系统建设的必要性 由于山东省的地理环境和水文特征决定我省资源性缺水严重，是全国重点 抗旱地区，“十年九旱”是我省的基本省情。旱灾越来越成为制约我省经济社会 发展的一个重要因素，提高我省的抗旱能力和抗旱效率成为摆在我们面前刻不容 缓的重要工作。而抗旱信息管理技术的优劣，直接关系到我省抗旱工作的水平。 建立一套适应我省新世纪社会经济发展的、以数字化技术和信息技术为基础的我 省抗旱指挥管理信息系统，不仅符合我省经济发展的需求，符合国家防汛抗旱指 挥系统的需求，而且面向实际工作，满足各级政府对抗旱和水资源管理的要求， 满足从工程水利向资源水利转变的要求，满足实现抗旱减灾的数字化和信息化的 要求。 我省是旱灾频发的省份，为了及时准确的监测旱情，从六十年代丌始，我 省就丌始丌展了土壤墒情监测工作，建立全省的墒情检测网，多年来积累了丰富 的观测资料。但随着社会的不断发展，旱灾对经济的影响越发严重，这就要求我 们必须有一套新的对旱情能够更及时、更准确的旱情检测分析系统，为我们抗旱 工作提供科学的指导。近几年，我省建立连接全省1 7 市地的高速网络，这也为 我们丌发建立全省的旱情管理系统提供了条件。 9 山东大国明弧士掌位。论文 第二章山东省抗旱指挥管理信息系统开发的可行性 2 1 国内外抗旱管理系统和神经网络技术现状及趋势 当前，从国外情况看，防洪安全及洪水控制管理方面的研究较多，但抗旱指 挥信息管理方面的丌发研究较少。我国的抗旱信息管理系统是近几年才开始探索 新课题，由于相对于洪涝灾害，干旱影响的因素较多，设计的领域更为广泛，因 此各地开发的抗旱指挥信息系统都处于探索完善阶段。本系统主要结合计算机神 经网络技术用于对土壤墒情的变化进行分析和预测，进而指导抗旱工作的开展。 在神经网络方面，1 9 9 3 年，i l l i n o i s 大学的s r a n j i t h a n 等在地下水回灌方案 制定中，利用神经网络取得了较好的识别效果。在地下水资源管理中，一个主要 的不确定性因素就是多孔介质渗透系数的空间变化问题，由于含水层性质的空间 变异性以及在水文地质资料不足时，地下水管理研究中往往采用随机管理模型， 使得模型求解维数高、计算量大，模型求解十分困难。s r a n j i t h a n 等在模型中对 包含一个隐含层，1 3 9 个节点的b p 网络进行研究，在不影响地下水回灌方案可 靠性水平的前提下，大大减少了地下水优化管理整数规划模型的约束条件，简化 了计算方法，降低了计算量。 在采用抽水一处理方法对受污染的含水层进行治理时，通常要对抽水井和注 水井的位置及运行方案进行优化。污染物的运移除受地下水的运动影响外，还受 到自身性质及环境条件的影响，具有高度的非线性，常规方法对地下水运动与溶 质运移并行求解是十分困难的。l e a h 和f a r i d 19 9 4 提出了可并行处理溶质运移 问题地下水水质恢复优化管理神经网络模型，该模型利用b p 网络，首先对流量 与运移关系运行预测，之后又利用该网络对多个抽水方案进行寻优以求得最好的 井位布置与运行方案。该方法在优化过程中使流量与溶质运移具有更好的独立 性，并降低了计算量。模型训练和识别时使用了联合梯度算法和遗传算法。 在地下水管理中，由于水文地质参数具有空问离散分布特性，使得一些参数 和模型难以识别。d o n n am r i z z o 等( 1 9 9 4 ) 利用一个隐含层有2 6 个节点的三 层日订馈网络对试验区域含水层渗透性进行识别，网络训练采用反传播算法，输入 向最为观测点的坐标向毽，输出向量为渗透性评价。应用结果表明，人工神经网 络方法所具有的简单插值、统计颅测、条件模拟以及较快的计算速度等特点，使 1 0 山东大掌硕士学位论文 其在解决水文地质学中如含水层特性这类具有明确定义的问题方面成为一个十 分有用的工具。 陈彦昌等 1 9 9 6 乖1 j 用有两个隐含层的b p 网络，以水质评价实测指标作为输入 向量，水质污染级别作为输出向量，对沙市某水质受污染含水层进行污染评价，该 方法同n l n e m e r o w 综合指数法、模糊综合评判法以及灰色聚类分析法相比，避 免了评判结果的多解性，同时指出由于人工神经网络方法具有很强的自学习、自 联想及容错能力，从而使网络的输出结果具有更强的可判性，因此该方法在地下水 水质评价方面具有较好的应用前景。 刘国东等 1 9 9 7 1 利用b p 网络，根据泰斯公式中井函数w ( u ) 与降深s 的函数关 系，建立了以观测降深和流量为输入向量，以含水层参数( t ，s ) 为输出向量的神经网 络，利用这个网络计算的含水层参数( t ，s ) 与配线法结果一致，且速度快，同时避免 了配线法的人为随意性。 其他有关研究还有：m a r c e lgs c h a a p 和w i l l e mb o u t e n ( 1 9 9 6 ) 利用人工神 经网络技术，通过对2 0 4 个多孔介质样本的研究，建立了有机质含量( s o m ) 及干容重( b d ) 与非饱和带含水率的关系，敏感性分析表明，人工神经网络模 型具有较高的精度。陈昌彦( 1 9 9 6 ) 利用神经网络建立了地下水水质污染程度评 价模型，解决了综合指数法、模糊综合评判法的多解性问题。丁晶等( 1 9 9 7 ) 以 各时刻的观测降深与流量的比值作为输入向量，含水层的导水系数t 和储水系 数s 作为输出向量构成一个b p 网络，用t h e i s 公式生成2 0 0 个训练样本来训练 网络，然后用实际的抽水试验资料加入到训练好的网络中，输出的t 与s 与配 线法结果一致。杨荣富等( 1 9 9 8 ) 针对传统的b p 网络无法考虑各影响因素的强 烈的相关性以及b p 网络参数没有水文物理意义，建立了一个有水文基础的神经 网络h y m n ，对英国的i r w e l l 流域s a l f o r d 大学控制站的径流进行了预报。 陈志军( 1 9 9 8 ) 利用神经网络对灌溉宏观发展战略进行了定量研究，建立了粮食 总产与影响因子l 日j 的定量关系模型。刘国东等( 1 9 9 9 ) 对b p 网络结构的不唯一 性对水文预报的影响进行了研究，提出用线性相关系数作为问题复杂性指标，并 由此确定网络的隐含层。苑希民等( 1 9 9 9 ) 对人工神经网络对非线性动态系统的 模拟能力进行了研究。n l a m b r a k i s 和a s a n d r e o u 等( 2 0 0 0 ) 利用人工神经 网络技术对两腊i r a k l i o n 地区a l m y r o s 泉的流量和水质( 氯化物含量) 建立了短 山东大掌硕士掌位论文 期预报模型，研究表明，该方法能够较精确地反映a l m y r o s 泉的水量与水质动态， 该项研究为缓解i r a k l i o n 地区水资源紧张问题起到了积极作用。l o r r a im & s e c h i g ( 1 9 9 5 ) 的研究表明，人工神经网络可用于水文序列的模拟和预报，改进的 b p 网络可以对复杂的时滞系统进行模拟，其他研究者也得到类似的结论 2 2 山东省现有抗旱能力及信息化建设的现状 2 2 1 山东省现有抗旱能力 2 2 1 1 抗旱工程体系 全省现有大中小型水库共5 5 8 9 座，总库容1 5 5 0 6 亿m 3 ，兴利库容8 1 1 0 亿m 3 ，有效灌溉面积7 2 3 5 6 k h a 。其中大型水库3 2 座，净控制集水面积 1 8 1 2 4 k m 2 ( 酣h 除上游水利工程控制面积) ，总库容8 1 6 2 亿m 3 ，兴利库容3 9 6 5 亿m 3 ；中型水库1 5 2 座，总库容4 0 4 8 亿m 3 ，兴利库容2 1 6 4 亿m 3 ；小型水库 5 4 0 5 座，总库容3 2 9 6 亿m 3 ，兴利库容1 9 8 1 亿m 3 。塘坝3 4 6 7 6 座，总库容9 3 5 亿m 3 。在各级河道上修建各类水闸9 0 1 座，其中大型1 9 座，中型1 8 1 座，小型 7 0 1 座，总拦蓄能力4 9 亿m 3 。固定机电排灌站3 0 1 3 9 处，装机3 8 6 4 2 台，1 3 5 5 1 0 3 k w 。共有机电井9 8 8 9 力眼，其中配套8 5 2 3 万眼，配套机械9 8 3 6 万台， 装机7 7 5 2 7 1 0 3 k w 。 黄河水是山东省的主要客水资源，引黄事业已具有相当大的规模，引黄范围 已达11 个市的6 8 个县( 市、区) 。在黄河两岸建有引黄涵闸6 3 座，设计引水能 力2 4 2 3m 3 s ，设计灌溉面积2 3 2 8 k h a 。已建引黄蓄水平原水库8 8 座，设计总库 容7 8 亿m 3 。全省年均引黄水量7 0 7 亿m 3 ，约占全省总供水量的2 7 。全省 引黄灌区实际灌溉面积1 8 0 0 k h a ，同时为济南、青岛、淄博、滨州、东营等市工 业生产及居民生活用水提供了宝贵的水源，取得了显著的社会效益和经济效益。 2 2 1 2 抗旱非工程体系 ( 1 ) 全面实施抗旱预案制度，变被动抗旱为科学抗旱。 ( 2 ) 韦l j 定科学合理的抗旱水源调度方案，充分发挥现有水利工程的最大效益， 在摸清水源现状的基础e ，要求各地按照抗旱预案加强对水资源的统一管理和调 度。 ( 3 ) 加人投入，大力加强抗旱应急水源： 程建设。针对连续大旱暴蹯出来的 问题，构筑l ：程水网和信息水叫为重点的水利发展战略。 山东大学t | 甄士掌位论文 ( 4 ) 在峰持丌源与节流并重的自订提下，把节约用水作为解决山东干旱缺水矛 盾的根本性措施，放在更加重要的位置。将节水的各项措施层层分解落实到各个 部门和单位。在工业上，调整工业布局和工业结构，实行以水定项目、定规模的 思路，严格限制高耗水量的产业和企业的发展；把万元产值耗水量列入工业经济 考核的重要指标，制定各行业耗水标准，抓好造纸、煤炭、化工等耗水大户的技 术改造。在城市对各类用水逐步强制安装控制设备，制定用水标准，搞好城市清 污分流，在各类居民小区推广节水马桶。在农业方面加大农业结构调整力度，大 力推广应用旱作农业技术和措施。尽量少种高耗水作物，调整粮食作物和经济作 物种植比例关系，大力发展喷灌、微灌、滴灌等节水工程， ( 5 ) 搞好抗旱物资储备，加强抗旱服务组织建设。全省已建立市、县级抗旱 服务组织1 3 1 个，乡镇级抗旱服务组织1 1 8 6 个。 2 2 2 我省抗旱信息化建设的现状 2 2 2 1 信息采集方面 ( 1 ) 墒情信息：目前全省有1 5 0 个墒情测报站，覆盖全省1 7 个市地，定期 收集各地土壤墒情数据，使我们可以及时了解各地的土壤墒情变化，分析各地旱 情。 ( 2 ) 雨水情信息：目前全省在原有的1 3 0 多个人工南情测报站的基础上，在 全省1 4 个市地建设了1 0 0 0 多个雨情自动遥测站，补充了原有人工测报系统站点