（管理科学与工程专业论文）西安市多种水源联合供水调度管理系统.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名纽2 3 年；只立rb 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理。【大学。 学校有权保壁送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位沦文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：奎皇当导师签名：垂竺竺兰豫j 年岁月力日 摘要 题目： 专业：管理科学与工程 学生姓名：李文莉 指导教师：崔俊凯副教授 签名： 签名： 度管 摘要 “州安市多种水源联合供水优化调度管理系统”是西安市水电局、曲安市公 川事业局和k 安大学联合开展的“群峪协井，两水井用，西安市中近期供水最佳方 略”研究项目的组成部分。系统结合西安市水资源的特点，将水资源联合优化调配， 以保证竹安市区的供水。达到水资源可持续和协调利用，以及西安市环境、经济和 衬会的持续、协凋发展的目标。本系统设计先进，功能齐全、实川，为西安市供水 管理人员提供了雨、水、一1 。清全面信息支持以及城市供水调度的管理信息。 本系统运刚水文学的方法分析了西安市地表水资源和地下水资源的可坍量和 水资源供需平衡关系，在此基础上，建立了水量预测模型，实现了对西安市可用水 量和城市需水量预测。 在多水源优化调度决策方面，以水量预测为基础，利用系统理论的基本方法， 结合西安市水资源系统结构的特点，确定供水调配原则，在考虑系统综合效益的基 础上，引入利_ 【f j 成本系数，建立优化调度线性规划模型，并利用m a t l a b 强大的数 值计算功能对优化模型进行求解，实现了城市供水调度的辅助决策。为了使决策更 加符台实际情况，本系统还通过专家、计算机的交互决策来生成决策方案。 经验证，利用优化调度模型进行优化调度的结果，完全满足城市的供水需要， 达到了水资源供水综合费用虽小，综合效益晟火的目标。实现了对地表水源的加人 引入 l 对地f 水源的保护性开采，从社会、经济和环境等方面综合发挥了水资源的 效茄。 本系统采川了多种技术，提高了系统的可扩展性、可复用性和可维护性。系统 具有很强的实j ；4 ：j 性和一定的先进性，为水资源优化调度系统的设计提供了新的思 调水供厶口联源水种多 市统安系西理 西安理工大学硕士学位论文 路。 本文的研究成果得到了有关专家的认可和好评。 关键词：优化调度，系统理论，数值计算城市供水 t h e s i st b p i c ：0 p t i m i z e dc o n t r o ls y s t e mf o r m u i t i 诮l t e rr e s o u f r c eo fx i a nc i t y m a j o r ：m a n a g e m e n ts c j e n c ea n de n g i n e e r i n g s t u d e n t ：l i 、m e n l i t u t o r ：c u jj u n k a iv i c e p r o f e s s o r a b s t r a c t s i g n a t u r o s i g n a t u r e “o p t i m i z e dc o n t r 0 1s y s t e mf o rm u l t i w a t e rr e s o u r c eo fx i a nc ；t y ”i st h ec o n t r o l s y s t e mf o rx i l a nc j t yw a t e rs u p p l y i n gs y s t e m m u l t i p l ew a t e rr e s o u r c e sa r ee x c e l l e n t l y c o n ”0 1 1 e db yi h i ss y s t e mi np r a c t i c e t h es y s t e mi sa d v a n c e di nd e s i g na n dp r a c t i c e j t p r o v i d e sp e r f e c ti n f o r m a t i o na b o u tr a i n ，r i v e r sa n dg r o u n d w a t e ro fx i a n t h eu s e a b l ea m o u n io fs u r f a c ew a t e rr e s o u r c ea n dg r o u n dw a t e rr e s o u r c ei nx i a n c i t ya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rs u p p l y i n ga n dn e e d i n ga r ea n a i y z e di nt h e s y s t e m b a s e do ni h ea n a l y s i s ， w a t e rq u a n t i t yf o r e c a s tm o d e it h a tf o r e c a s tw a t e r s u p p l y i n ga n dn e e d i n ga m o u n ti se s t a b l i s h e d 1 no p t i m i z e dc o n t r o lo fm u 】t i p l ew a t e rr e s o u r c e s ，b a s e do nw a t e rq u a n t j t yf o r e c a s t a n ds c r u cc u r eo fw a c e rs u p p l ya n da i j o c a c i o np r i n c i pj e ，o p t i m i z e dc o n t r o im o d ejo f m u i t l p i ew a t e rr e s o u r c e si se s t a b l j s h e d ，w h i c hi sh e l p f u it oe c o n o m yo fx i a n i no r d e r t om a k et h ed e c i s i o nr e s u l tp r a c t i c a i ，t h ew a y su t i z e dt h a tt h ed e c i s i o nr e s u l t i s p r o d u c e dt h r o u g ht h ec o n s u l to ft h ee x p e r t sa n dt h ec o m p u t e r 0 p t i m a ia 】l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sj sr e a l i z e d ，b e c a u s en u m er i c a lc a l c uj a t e j n m a l l a bj sa p p l l e di nr e s o i v i n gt h ec o n i r o im o d e 】t h er e s u l tt h a tt h ec o n ”o lm o d e i s e x a m p l e di st a l i yw i t hp r a “i c e t h i ss y s t e mw a si m p l e m e n t e dw i t hv a o u st e c h n o l o g i e s ，w h j c hm a k e si te a s i e rf o r e x t e n d e d ，r e u s e d a n dm a i n t a i n e d ， k e yw o r d s ：o p t i m a ic o n i r o l ，s y s t e mt h e o 吼n u m er j c a ic a l c u l a t e ，t o w nw a t e r s u p p l y 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 水是生命的源泉、农业的命脉、工业的血脉，是人类赖以生存和发 展不可缺少的自然资源。人口的剧增和社会经济发展所造成的需水量增 加使世界上许多国家和地区出现了“水荒”。 我国的水资源总量在世界各国中占第四位，但人均水资源只为世界 平均的四分之，而且水资源时空分布很不均匀。水旱灾害频繁、水 资源短缺、水质恶化等问题制约着我国的经济发展和人民生活水平的提 高。近年来，以城市为主体的区域经济得到迅速发展，城市化、工业化 进程逐步加快，伴随这一过程，城市供水的水资源短缺和水环境恶化越 来越严重。地下水是北方地区的重要水源，由于地下水源长期过量开发， 致使采补失衡，地下水位不断下降，已造成了许多不良后果，如单井出 水量减少，采水成本加大，海水入侵，水质恶化，发生地沉地裂等。 西安市是陕西省的省会城市，位于八百里秦j 1 i 的腹地。南与长安、 蓝阳相接于少陵塬、白鹿塬、横岭塬，北与咸阳、高陵隔渭河相望，东 与临潼区毗邻，西界长安、成阳，面积8 5 4 k m2 ，如图1 1 所示。 西安是历史文化名城和旅游胜地，是我国的重要工业和科学教育基 地，是联结中国东西部的纽带，是国家“十五”重点建设的“关中高新 技术产业带”的重要组成部分，具有重要的社会、政治、经济地位，在 实施西部大开发事业中占有举足轻重的地位。随着工业生产迅速增长， 城市人口急剧增加，截至1 9 9 5 年底，西安市区共有人口2 7 5 8 6 万人，其 中非农业人口2 0 9 5 2 力1 人，农业人口6 6 3 4 万人，人口密度达3 2 3 0 人 k m2 。 西安理工大学硕士学位论文 幽1 1 两安市地理位置图 西安市各区面积及人口分布见表1 1 。 表i 1 晴安市城区面积及人口分布状况表 城市规模的扩大，需水量不断增加，到2 0 世纪后期，城市供水建设 跟不上需水量的增长速度，供水差距逐年扩大，用水矛盾非常尖锐，成 为我国水荒最严重的城市之一。这种供水情况制约了西安市的经济发展， 给人民生活造成许多困难。西安的城市供水长期以地下水为供水水源， 山于对地下水长期过量开采，造成大面积水位下降，诱发和加剧了地面 沉降及地裂缝的发展。西安市严重缺水问题引起了各方关注。 概括地讲，西安的城市供水经历了六个阶段旺1 ，如表l 一2 和图1 2 所示。 表1 2 西安市区白来水工程建设及供水量情况表 西安理工大学硕士学位论文 p 亭擎擎擎擎擎s 拿擎$ 聋$ 擎擎擎9 擎擎擎擎 一系列l 系列2 幽1 2 西安市供水能力及人均用水量历年变化圜 系州i 为供水能力：系列2 是人均日用水量。纵坐标值对系列l 单位为万m3 ，对系列2 为1 ，2l 。 西安市2 0 世纪8 0 9 0 年代严峻的供水形式，迫使西安市政府和人 民寻求新的供水途径，为了解决西安水荒这一重大课题，李佩成于1 9 9 2 年提出了在西安实施“群峪协井，两水并用”的建议，并从1 9 9 3 年起由 原西安地质学院、西安市水电局和西安市公用事业局联合开展了“群峪协 井，两水并用，西安市中近期供水最佳方略”研究。以期利用西安市有利 的地表水资源条件，联合地下水源，共同用于城市供水，摆脱多年来依 赖单一的地下水源的供水模式。1 9 9 5 年起西安市采纳“群协供水”的指 导方略，先后引入石头河、黑河等有调蓄工程的地表水库和无水库调控 的峪河等地表水源，和地下水源实现联合供水，使西安每日新增地表水 供水量4 0 万立方米，从而摆脱了供水的困境。随着西安市供水条件的改 善，西安市逐步关闭部分自备水源井，加大城市的集中供水，来满足西 安市的用水需求。西安市的供水形势明显好转，水荒得到基本缓解。 但是，随着西部大开发的实施，西安市的用水量还将增大，西安市 必须得到水资源的可持续利用和供水的安全保证。特别是在西安市这种 典型的多种水源供水条件下，如何使西安的水源调配更加合理，如何使 绪论 水资源管理更加合理、更加经济，如何使用计算机对供水系统进行管理 便成为急需研究的课题，这正是本文选题的主要背景。 1 2 国内外研究的历史和现状 1 2 1 地下水与地表水联合运用研究概况 在国外，自2 0 世纪6 0 年代起，地下水与地表水的联合运用受到重 视。b a n k s 于1 9 5 3 年指出地下水与地表水联合运用会产生经济效益”1 ； f e i n e r m a n 和y a r o n t 于1 9 7 2 年提出了一个掺混不同程度含盐量的各种灌 溉水源联合运用的线性规划模型1 ；y u 和h a i m e s 于1 9 7 4 年运用大系统 分解协调技术研究地表水和地下水的联合管理运行问题”1 ：w i l l s 于1 9 8 4 年应用线性规划方法求解了一个地表水库与四个地下水含水单元构成的 系统运行管理问题哺1 ：n a t h a n t 和b r u a s 于1 9 9 3 年在6 个区域、2 个水库 和一条河流组成的复杂水资源系统中，应用了系统动态的优化控制模型 “1 。经过近4 0 年的发展，已有许多学者将线性规划、动态规划、随机优 化和大系统理论等方法应用到地表水与地下水联合运用领域，并且在农 业灌溉、河流、含水层、人工回灌、水库调度等方面取得了进展。 中国学者在这方面也作了卓有成效的研究工作，李佩成于1 9 6 3 年提 出排灌结合，灌溉与供水相结合的思想，并应用于陕西省泾惠渠等灌 区的实践中，取得了显著的效益，不仅扩大了有效灌溉水源，而且使土 壤盐碱化得到防治。栗宗嵩等多位专家学者对农田灌溉领域的土壤盐渍 化、作物需水和水源优化调度等地表水和地下水利用问题都进行了卓有 成效的研究酩1 。李寿生于1 9 8 3 年分析了地表水和地下水联合利用的灌溉 模型“1 ，研究既考虑灌溉排水、降低地下水位，又考虑多种水资源联合 管理的线性规划模型。唐德善于1 9 9 2 年以黄河中游莫灌区为例，研究了 水资源量在工业和农业之间的分配问题 1 ；沈佩君等利用线性和非线性 西安理工大学硕士学位论文 规划1 ，袁宏、翁文斌等利用模拟技术“，石玉波等利用大系统优化 理论对地下水与地表水联合运用问题进行研究”，此外，还有许多学者 将对策论、灰色理论、模糊理论和管理信息系统用于地下水与地表水联 合运用方面，取得了许多成果。 1 2 2 西安市供水问题研究概况 对于西安市的水荒问题，以及与水资源利用直接相关的许多问题， 已由许多专家学者进行过研究，对此问题的解决途径趋同于地下水与地 表水的联合运用，丌发地表水源的同时，控制地下水的丌采。李佩成于 1 9 9 5 提出的“群峪斜井，两水并用”供水方略中。，沈冰、李佩成主持 了西安市水资源系统优化调配研究课题。在此项研究中，冯国章于 1 9 9 9 年对西安市各地表水源水文分析和水资源评价作了大量的基础性分 析”工作。黄强等对在建的“黑河引水工程”分别考虑按各种供水情况， 利用水库模拟调度对不同的供水方案进行了计算分析：薛惠锋、贾蝾等 于1 9 9 8 年研究了西安市水资源的开源、节水、污水回用和地下水利用潜 力及开发方案，以及水资源合理利用对西安市经济可持续发展的影响等 问题钔：李云锋等还研究了保证调出水区经济可持续发展和保证生态安 全的水源调配问题。 总之，水资源调度是一个涉及学科门类广泛，牵涉利益和部门众多 的复杂大系统管理和决策问题，其研究无论在理论和生产实际中都有着 重要价值。其发展趋势是理论与实际紧密结合，紧跟现代科学、技术发展， 引进现代计算机高科技，开发功能强，界面友善，便于操作应用的水资 源调度系统软件，如d s s 、e s 、i d s s 、地理信息系统软件和r e a lw o r l d 等软件系统，并在生产实际中推广应用。 绪论 1 3 课题的目的及意义 本论文主要研究城市供水条件下，西安市水资源的优化调度管理方法。 本论文的目的在于实现水资源的可持续供水，满足西安市居民对水的需求。 同时，促进西安市水资源、环境和经济、社会协调持续发展。 水是生命之源，水资源是人类赖以生存的自然环境的基本要素之一，是 生态环境系统结构与功能的重要组成部分。水资源是一个国家和地区发展的 重要条件，是经济和社会发展的一项重要物质基础。 对西安市水资源的综合管理、合理利用，能够使西安有限的水资源更好 地服务于人民的生产和生活，推进西安现代化发展的速度，促进西安经济、 环境和社会协调持续发展。 本论文的研究成果对其它城市也有一定的参考价值。 1 。4 研究方法 本论文以系统科学理论为基础，结合水文学中使用的频率分析、随机模 拟、线性规划等传统理论和方法，将系统分析与人的经验相结合、定性分析 与定量分析相结合、理论与实际相结合，综合研究和解决了用于城市供水的 水资源管理问题。本论文的研究以水资源供水为主体，应用管理信息系统的 技术，达到西安供水的可持续性和稳定性，促进西安经济、社会和水资源、 环境的协调发展。 西安市多水源联合调度管理系统是围绕西安市供水问题，通过对西 安市周围地质、地表水、地下水资源量等情况进行调查、分析和评价， 建立优化模型，运用计算机对水资源进行优化调度管理，来提高水资源 利用效率。 系统的丌发能更好地服务于西安市的供水系统，以保证西安市经济 的可持续发展和供水的安全保障：系统的开发能合理而经济的利用各种 西安理工大学硕士学位论文 水源，充分利用地表水而减少地下水的开采，从而缓解了低沉和地裂缝 的发生，提高了供水的经济效益，具有定的生态环境价值。 西安市的水资源管理是一项系统工程，系统包括数据库、水量预测、 优化调度、报表输出、信息查询等多项内容，论文根据调度系统的特点， 初步探讨了采用多种技术实现自动化管理的途径，提高了系统的可扩展 性、可复用性和可维护性，为开发大型水资源综合管理系统提供了思路。 1 5 主要研究内容和思路 西安市多水源联合调度管理系统设计包括以下几个内容： 1 信息接受与预处理研究与开发。利用各种技术和手段在各个测站 采集数据，对其进行加工和预处理，去除各种错误和异常的数据，将所 得数据存储入水资源综合数据库为以后服务。 2 西安市水资源信息服务的研究与开发。为综合数据库提供全面及 详细的查询支持；具有水资源信息查询功能：具有水情、雨情查询功能； 具有工程信息查询功能；支持多媒体数据的查询等。 3 西安市可用水量和城市需水量预测的研究与开发。对西安市的 自然地理概况进行调查研究，对用于城市供水的各地表水源和地下水源 进行水文分析，分析合理的可用水量和需水总量，建立水量预测模型， 预测城市的可用水量和总需水量。 4 西安市多水源联合调度的研究与开发。确定西安市多种水源调 配原则，在尽可能掌握各水源和城市需水变化规律的基础上，建立线性 规划优化调度模型，用量化的方法对西安市水资源进行优化管理。 论文理论结合实际，在调查西安市的自然地理、社会经济和供水情 况的基础上，评价分析可用于城市供水的各水源的资源量。在研究过程 中，将工业用水、农业用水、生活用水和市政用水量的总和以需水量表 示，对城市的需水状况进行评价，预测不同时期的需水量，进行水资源 供需平衡分析。按照供需分析的结果，在水资源量基本满足需水量的条 绪论 件下，确立水资源调配原则，对水资源进行量化调配，来满足优化调度 需要。在此基础上，对系统进行设计和实现。 本论文主要对水量预测、水资源优化调度进行了研究，并开发了其 相应的系统。 西安理工大学硕士学位论文 2 系统总体分析 2 1 西安市的水资源环境及特点 西安市是我国特大型综合性城市之一，改革开放以来，西安的大部 分行业都得到长足发展，尤以商贸、通讯、旅游等为代表的第三产业发 展更为突出，使西安经济跃上了一个新的台阶。 2 1 1 水资源分布 a 地表水系分布 西安市区内水系为黄河流域渭河水系，如图2 1 所示。渭河是区界 内的最大过境河流，源于甘肃乌鼠山，向东流经西安的北界，在潼关汇 入黄河，区界河长2 6 k m 。据咸阳水文站资料，渭河多年平均径流量为4 6 9 1o8 m3 ( 1 4 9 m 3 s ) 。 灞河是渭河的一级支流，源于蓝田县的灞源镇，在蓝田县城附近接 纳辋川河后流向西北，在兴东村一代汇入渭河，河长1 0 4 k m ，流域面积 2 5 8 l k mz ( 包括汇入的沪河部分) 。据马渡王水文站资料，灞河多年平均径 流量50 5 1 08 m3 ( 1 6 m3 s ) 。 沪河是灞河的一级支流，源于蓝田县境内的秦岭山区，由南向北偏 西流经4 7 k m 后，在上桥子口汇入灞河，河长6 4 6 k m ，西安市内河长近 1 8 k m ，流域面积7 6 0 k m2 。 皂河源于长安区，全长3 3 5 k m ，大部分河段在西安市区，流域面积 3 15 k m2 。现在皂河由于污染等原因，实际已成为一条排污河沟。 沣河源于长安区南侧的秦岭山区，流向由南向北，河长7 8 k m ，流域 面积1 3 6 8 k mz 。沣河全程在长安及成阳境内，未进入西安市区，因其周 围分布有西安市傍河水源地，且距西安市区的西部边界较近约3 k m ，所 系统总体分析 以纳入西安市的范围。 上述五条河均有西安市的傍河水源地分布。 瞄2 1 西安市水系和弓i 水渠线分布，h 总幽 b 地下水源分布 西安市供水开采的地下水源由城市集中水源地和各单位自备井丌采 水源组成。随着城市供水的系统化和规范化，西安市已逐步取缔自备井 供水，而采取统一供水的方式，所咀本文中的地下水源是指集中开采地 下水的水源地。西安市共有五处地下水水源地，分别是：灞泸水源地、 渭滨水源地、沣皂河水源地、西北郊水源地和东北郊水源地，如图2 2 所示，各水源地都傍河而建，分布在渭河、灞河、沪河、沣河等河流漫 图2 2 西安市集中供水水源地分布图 西安理工大学硕士学位论文 滩或一级阶地上。 受干旱少雨的气候条件和长期过量开采地下水的影响，整个西安地 区的地下水位持续大幅度下降，1 9 8 6 1 9 9 7 年的地下水潜水位埋深平均 值见表2 1 “”，从表中可以看出，1 9 8 8 1 9 9 7 的十年间，平均地下水位 几乎逐年下降，累计下降了4 ，5 9 m 。 表2 1 戗安市潜水位埋深平均值 年份 19 8 61 9 8 719 8 81 9 8 919 9 019 9 1 埋深( m )9 9 8 9 8396 49 9 l 1o 2 510 7 7 年份 19 9 219 9 31 9 9 41 9 9 519 9 6 19 9 7 埋深( m )1o 7 51 12 01 1 3 413 2 612 ，8 414 2 3 西安市城区是自各井开采地下水的集中地区，也是地下水位下降幅 度最大的地区，由于自备井的水源主要来自承压含水层，长期过量开采 不但造成承压水头逐年下降，而且已导致出现了大面积的承压水位降落 漏斗。西安市承压水位漏斗是从1 9 7 3 年开始明显出现的，以后不断扩大 和加深，到1 9 9 1 年漏斗面积已达9 4 k m2 ，到1 9 9 7 年漏斗面积已增加至 2 3 4 7 5 k m2 ，1 9 8 6 年市中心的承压水位埋深为8 2 m ，现在己超过l o o m ”1 【】8 】 2 1 2 气候概况 西安市地处内陆，属于暖湿带大陆性季风气候。特点为四季分明， 夏冬较长，春秋较短；冬季寒冷干燥，春秋气温波动大；降雨时程分布 不均，夏季常出现暴雨和旱情等。 根据西安市北郊的肖家村气象站资料，市区多年平均气温1 3 4 。c ， 一月最低，位一0 6 7 。c ，七月最高，为2 6 8 。c ，极端最低气温2 0 6 。c ， 极端最高气温4 2 5 。c 。最近四十多年来，气温有升高的趋势，由1 9 5 0 一 19 8 0 年的年均1 3 3 。c 上升到1 9 8 5 1 9 9 5 年的年均1 3 6 。c ，年均气温上升 o3 。c 。 系统总体分析 西安市区多年平均年降水量5 6 9 m m ( 1 9 5 6 1 9 9 5 年) ，但降水无论 年际或是年内都分布不均，变化较大。区内多年最大年降水量9 0 3 2 m m ( 1 9 8 3 年) ，最小年降水量仅3 1 2 2 m m ( 1 9 9 5 年) ，且多出现连续3 4 年干旱少雨的情况。近十多年来，降水量明显减少，在8 6 9 5 年的1 0 年问，年平均降水量已降到5 1 9 m m 。如果在延续到1 9 9 7 年 ，则持续 干旱少雨的时间长达四年之久，平均降水量将进一步降低。年内降水也 很不均，多集中在7 l o 月，这期间的降水量占到全年的6 0 以上。而 1 、2 及1 2 月连续三个月的降水量仅占全年的3 7 ，这种年内与年际的 分布不均，为供水的调节带来了严重影响。 西安地区多年平均蒸发量较大，接近于区内降水量的3 倍。据西安 市肖家村气象站及灞河水源地的资料，1 9 8 6 1 9 9 5 年多年平均蒸发量 l5 2 8 8 m m 。以七月份蒸发量最大，超过2 5 0 m m ，元月最小，不足4 0 m m ， 春秋各月近似对称。 2 1 3 西安市水资源的特性 西安市水资源概括地讲具有以下五个特性： a 地表水年内分配不均，年际变化大 地表径流主要受降雨影响，导致年内分配不均，年径流量的5 0 6 0 集中在汛期，枯水季节一般在冬春或春夏之间。地表径流年际变化也很 大，各河径流量枯水年和丰水年相差4 7 倍，形成干旱和洪涝灾害，尤 其是连续的枯水年，使地表水径流量和地下水补给量锐减，加剧了本市 水资源的供需矛盾。 b 地下水资源在区域上分布不均 渭河及其支流的阶地和冲积平原区地下水资源量为1 3 5 9 亿ms ，占全 市地下水资源量的7 9 ，丘陵和黄土台塬地区地下水资源量3 6 8 亿m ， 占全市地下水资源量的2 1 ，形成台塬地区干旱缺水的局面。 出于水资源总量的不足，西安市的经济发展受大了严重的制约，人 西安理工大学硕士学位论文 民生活受到很大影响，如何使水资源利用同社会经济发展相协调是西安 市面i 临的重大问题。 c 水资源工程供水能力落后，供水可靠性差 提高水资源利用程度，水利工程不可少。而目前西安市供水设施不 足，蓄水工程滞后。全市水库有效库容仅占可开发地表水资源量的5 左 右，远低于世界及全国水平。 d 环境恶化1 9 1 ( 1 ) 地下水超采，带来严重环境地质问题 西安市区地下水开发量已达可采量的1 3 5 ，特别是沣河、皂河、沪 河、灞河水源地范围内漏斗不断加深扩大，使农用井吊空，井群集中开 采区出水量同趋衰减。市区自备水源井日超采承压水1 4 万m ，使承压水 大幅度持续下降，如市东南郊承压水位下降到5 0 1 4 0 m ，导致地面下沉， 诱发和加剧了地裂缝的发展。据统计，市区现有地裂缝1 0 多条，总长达 5 52 4 k m 。给城市建设带来灾害和困难。 ( 2 ) 水资源污染加剧，水质恶化 水质标准是供水f 常与否的重要指标之一，西安市城区污水排放量 约7 0 万m ，d ，除西北郊有一个邓家村二级污水处理厂和北郊几个小型 水库外，其余污水都未经处理就近排入河道，主要经沪河、灞河、沣河、 皂河、涝河等及幸福渠、漕运渠流八渭河。由于部分工业布局，尤其是 乡镇企业布局不完全合理，加之对污水排放及垃圾堆的监控不严，流经 市郊的各主要河流已受到不同程度的污染。据陕西省水文局提供的9 5 年 地表水水质资料分析，全市各主要河流，除各河流源头外，只有灞河全 长水质良好，其它水体中下游均有污染( 主要是有机型污染) 。被污染的 地表水以直接或间接的方式渗入潜水和承压水，特别是各沿河水源地水 质恶化( 含硝酸盐、氮、氯化物、氟化物和挥发酚) 。有些水井带有异味 ( 如西郊电工城一带) 。由于水环境日益恶化，一部分水资源不能利用， 使原本已不富裕的水资源变得更趋紧张。 系统总体分析 e 水资源相对贫乏 全市地表总量2 1 7 8 亿m ，按9 5 年末全年人口，耕地面积计算， 人均占有地表水资源量3 3 6 m ，为全国人均地表水资源占有量的l3 ， 为全省人均地表水资源占有量的2 3 4 ；亩均占有水资源量4 6 7 m3 ，为 全国亩均水资源量的2 6 ，全省亩均水资源量的5 8 。大大低于国际公 认的维护一个地区社会、经济环境所需的人均5 0 0 一1 0 0 0 m3 的临界值“”。 2 2 系统开发的必要性 经过对西安市水资源的调查分析，认识到西安市周围虽然水源地众 多，地表水丰富，但由于气候、地域、污染等多种因素，可供城市居民 引用的水资源还是相对贫乏。因此对西安市水资源的科学管理就显得尤 为重要。 目前，在西安市城市供水中使用了一些简单的信息系统，这些系统 也只是局限于小的范围，完成一些简单的功能，如信息的查询，报表的 输出。在供水系统中，信息采集周期长、难度大，数据传输方式落后， 准确性也较差，难以满足城市供水工作的需要。 在数据处理方式上，数据输入方式原始、数据于处理功能落后，大 部分数据处理过程是手工处理，不仅处理速度慢，而且准确性也差。系 统对专业的依赖性也大。由于处理方式很大程度上依赖于手工，则处理 的结果精度差，表现形式单一。 水量的模拟和计算及水资源调度过程主要依赖于具有丰富经验知识 的专业人员，计算调度过程缓慢，效率低，不准确，结果不能完全令人 满意。 2 3 系统开发目标 为了科学地管理水资源，给西安市供水系统以全面的水资源信息支 西安理工大学硕士学位论文 持，从根本上改善现有供水系统的状况，提高供水系统的性能，为了确 实能及时准确地为供水人员提供水资源信息支持，为领导决策提供水资 源调度方案支持，西安市多水源联合调度管理系统应达到以下基本目标： 1 提供功能齐全、界面友好、运行快速的信息服务系统。以提供 水、雨、工情各种实时信息、历史数据和工程管理信息。 2 提高水量预测的效率和精度。能够让用户方便、快捷地查看各 水源的水文信息，并且根据现有的水文资料预测未来各水源的 径流量。 3 提高水资源调度的合理性和经济性。系统中建立了水资源调度 模型，采用计算机对模型进行求解，使水资源利用更合理、更 经济，并及时为领导决策提供调度方案支持。 4 提高系统的可扩展性、可复用性和可维护性。本系统的开发采 用了多种技术，有利于系统的升级、复用和维护。 2 4 系统结构和功能 西安市多水源联合供水管理系统面向西安市实际的供水问题，在全 面凋查、分析和评价西安市地区地表水、地下水资源量等情况基础之上， 主要研究了多水源优化调度的问题。通过建立线性规划供水模型，运用 计算机综合管理，来解决该问题。 其水量调度模式是：首先根据年度可用水预报和需水预报，通过供 水优化模型模拟调度，制定供水的中长期运行策略，制定水量调度的年 度预案，然后滚动更新预报，滚动制作月调度方案。 根据水量调度模式，西安市多水源联合供水系统可分为四个子系统： 1 、信息收集与处理子系统，2 、信息服务子系统，3 、可用水量和需水量 预测子系统，4 、多种水源联合调度子系统。系统功能结构图如图2 3 所 系统总体分析 幽2 - 3 系统功能结榭图 1 、信息接收与处理子系统 信息接收与处理子系统的主要功能是：利用遥测技术和各种通讯手 段从各个测站采集数据，并且对所采集的数据进行初步的加工和预处理， 剔除其中的错误数据和异常数据，然后将数据存储到水资源综合数据库 中，为其它子系统提供各类基础数据。 2 、信息服务子系统 信息服务子系统的主要功能是：为综合数据库提供全面及详细的查 洵支持：具有水资源信息查询功能；具有水情、雨情查询功能：具有工 程信息查询功能：支持多媒体数据的查询等。 3 、可用水量和需水量预测子系统 可用水量和需水量预测子系统的主要功能是：可以随机模拟地表径 流，预测地表径流不同频率的年径流量；可以计算地下水的可开采量； 预测可用于西安市城市供水的水资源量，预测中近期需水量；进行水资 源供需平衡分析。 4 、多种水源联合调度子系统 多种水源联合调度子系统的主要功能是：根据水量预测和供需平衡 分析，利用优化模型对多种水资源进行调度，得出供水方案供管理人员 西安理工大学硕士学位论文 参考。 根据系统功能结构图，可以绘出系统的数据流程图。如图2 4 所示。 圈2 4 西安市供水系统数据流程图 水量预测子系统的设计与实现 3 水量预测子系统的设计与实现 西安市的可用水量包括地表水源和地下水源两部分。西安市的地表 水源均发源于植被良好的秦岭山地北麓，水量丰富，水质优良，是十分 理想的城市供水水源。“西安市黑河引水工程”将石头河水库、泥峪( 河) 、 骆峪( 河) 、黑河( 金翁水库) 、田峪( 河) 、沣河、石砭峪水库等水源连 接起来供应西安市曲江池水厂，是地表水源的主体部分。 产河和辋川河 供应泸河水厂，沪河按照协议供水，辋川河在李家河水库建成后也可按 有控水峪对待，本次研究暂不纳入供水水源。如表3 - 1 所示。 表3 一l柏安市供水地表水源基本情况表 叫名流域面积w 流k 度 平均比降距水厂距 备注 ( k m2 ) ( k m )( )离( k m ) 泥峪6 2 珊刮柏莉搬0 骆峪8 3 2 7o3 62 黑 l i 2 2 58l25 8888 43名捌唰i 建 峪2 9 85 262 0 57 50，制蛔i 酣瓠戈0 沣 l l i l3 867 80822 63 “砭峪 27 84 6l2 l33 23 头河7 7 96 842 00l4 l3 协议供水 泸州 7 6 06 4689 协泌供水 3 1地表径流的随机模拟 3 1 1 水文模拟理论概述 水文现象是许多因素相互作用的结果。在探讨各种水文过程的客观 规律的同时，也可以通过建立模型近似模拟，通过模型来仿制水文过程 的某些重要特性。在年径流模拟中，多采用平稳自回归a r ( p ) 模型。其模 型形式为： 西安理工大学硕士学位论文 x ，= + 妒1 ( 工h 一) + 妒2 ( x 卜2 一) + + 妒，( 石卜p 一) + s f ( 3 - 1 ) 式中：x ，径流量水文序列 “径流量均值 妒l ，妒2 ，妒。一模型参数 ，纯随机项 p 一模型阶数 由于水文过程同时具有确定性和随机性，故用统计的方法来探讨其 随机性，水文分析中，是通过实际观测资料的统计来研究水文随机变量 的各种取值的可能性。根据实际经验，年径流随机变量符合皮尔逊3 型 概率统计分布。此型分布具有如下的概率密度函数： 似) = 啬( 卜妒咧) ， ( b “o 。) ( 3 2 ) 式中：a o o ，r ) 为口的伽玛函数。 ”等) ( 3 - 3 ) a = 二 ( 3 4 ) c 。 肛矗 式中：c 。一离差系数 c 。一偏差系数 ( 3 5 ) 模型中的参数采用矩法初步估计，再采用适线法调整，最后进行假 设检验。 3 1 2 随机模拟数学模型的建立 水量预测子系统的设计与实现 本系统采用一阶自回归模型模拟西安市周围河川径流序列。随机模 型首先模拟出不同年份之间的径流量的相互关系，这里假定年径流为一 阶平稳随机过程，即年径流当前状态y w 只与其前一个状态y 。有关，则 有 m “= 咖r + 研+ l( 3 - 6 ) 上式就是一阶自回归模型，研+ t 是纯随机变量。若用年表示， 则( 3 6 ) 式可写为： q ，= q o + y i ( q 一一q o ) + n 勋1 一”2 ( 3 7 ) ( 3 7 ) 式中，q ，q j 一为年径流随机量，或为年径流量的平均值， 为相邻年径流量之间的相关系数，s 。为年径流量的均方差，f ，为标准化 f 态分布随机数。式中参数根据实测年径流系列，用下面公式估计： q 02 吉善9 ( 3 _ 8 ) s f ) 2后藜面 舻警 n 鲁“7 善= 去叶譬卜簪卜去 妊蒜c 阳 ( 3 9 ) ( 3 1o ) ( 3 1 1 ) ( 3 一l2 ) c 砌= _ i 与窆( q ，一q 0 ) ， ( 3 _ 1 3 ) 一( h 一1 ) ( n 一2 ) 函智 、 t ，、t ：可根据下式变换为偏态分布的随机变量： 西安理工大学硕士学位论文 ，1 ：、f 瓦而i c o s 2 柑2 f 2 ：、j z 面is i n 2 彬2 ( 3 1 4 ) ( 3 15 ) 其中，u 是( 0 ，1 ) 上均匀分布的随机数， f 是一个标准化的具有一定偏差系数的随机变数， c 。，是年径流的偏差系数， c 。；是f 的偏差系数 n 是年径流序列的长度。 利用上述模型所得的年径流量减去当地灌溉需水量和河道环境需水 量，可按比例计算出逐日可供水量。对于没有实测资料的泥、骆、罔等 诸峪，可用黑河可供水量的9 3 推算求得诸峪的供水量值。 3 1 3 年径流量频率分析 在进行地表水资源的规划和调配时，需要分析年径流量的发生概率， 即进行频率分析。一般情况下选取具有一定代表性的、足够长的实测资 料系列作为径流系列代表期，用来分析地表水资源各要素，线形选用皮 尔逊3 型分布，采用适线法估计参数。 各水文测站所得到的是流量数据，利用代表期流量的算术平均值计 算平均年径流量，如下式： 彳丢喜a q 0 = 可3 6 5 2 4 3 6 0 0 式中：可一流量平均值( 州3 ) ： g ，一f 时刻流量值( m3 扣) ； q 0 一平均年径流量值( 3 ) 。 ) ) 6 7 l 1 一 _ 3 3 ( ( 水量预测子系统的设计与实现 适线法具体步骤如下： ( 1 ) 将流量资料按大小顺序排列，并计算各对应的累积频率p ，点 绘在机率格纸上； 尸：l 1 0 0 n + 1 式中：p 一累积频率， m 一流量在系列中按递减排列的序数 n 一系列的长度。 ( 2 ) 按( 3 1 7 ) 式计算年流量均值； ( 3 ) 计算模比系数，及对应的( 匠一1 ) 2 值： k j ：坠 可 ( 4 ) 计算变差系数c ，值； ( 3 1 8 ) ( 3 。19 ) ( 3 2 0 ) ( 5 ) 假定几组偏差系数巳和变差系数c ，值( 年径流量计算一般取 c 。= 2 c 。) ，线型选取皮尔逊i i i 型曲线，按照假定的几组统计参数计算出 各方案概率p 及对应的g ，值，在机率格纸上绘出各方案的理论频率曲线 ( 6 ) 比较分析理论频率曲线，选出与( 1 ) 中经验频率点相吻合的 一条曲线作为计算成果。 ( 7 ) 利用( 6 ) 选定的曲线，求得对应不同频率的年径流量。 3 1 4 可供利用的地表水量计算原则 本文所说的地表水可利用水量，是指各可供水河流的河川径流量， 在扣除当地生产和灌溉用水及河道内环境用水后可能向城市提供的水 2 3 西安理工大学硕士学位论文 量。参考文献【2 】 1 3 】的研究内容，可利用水量按下列原则确定： ( 1 ) 与各水源所在地政府或管理部门达成供水协议的水源，按协 议水量确定可利用水量： ( 2 ) 无供水协议的河流，正常年份或季节应保证当地用水，特殊 干旱年份或季节以城市供水为重点。 ( 3 )各河流留有适宜的环境用水量，以保持引水口以下河流生态 系统的生物多样性和环境质量。根据水源区特点，以p = 9 5 的1 0 d 最小 枯水流量或依此数据按比例计算值作为标准。 ( 4 )只计算多年平均年径流量大于0 2 5 0 1 0s m 3 的河流。 3 2 地下水合理开采量计算 地下水的开采量必须遵循“适度开采”旺2 1 的原则，也就是开采地下 水后可以得到补充，包括当年和一个小的气象一水文周期内得到补充。 实际上就是利用地下含水介质的巨大存贮容量作为“地下水库”，调节在 当地或附近入渗的大气降水和地表水，控制地下水位在合理的范围内上 下波动，即满足供水的水量需求，又不致引起相应的环境问题。 水量均衡法是地下水数量评价的基本方法，用于确定某一时问段内 地下水系统的补给量、排泄量和储存量之间的关系。即： q ，一q d = 删h ( 3 - 2 1 ) 式中：9 一均衡期内地下水天然补给量( m3 ) ， q ，一均衡期内地下水天然排泄量( m3 ) ， “一给水度或贮水系数， a 一均衡区含水层分布面积( mz ) ， h 一均衡期内地下水位变化量( m ) 。该值可能为正值、负值 或者零。 在丌采条件下，由于改变了地下水的水利坡度，也就必然改变了地 水量预测子系统的设计与实现 下水的补排条件，在一定条件下会产生激发补给量j 在这种情况下，地下水的可开采量可以用下式表示 q ，n = q ，+ q o + 也就是人工激发量。 ( 3 。2 2 ) 式中：q ，一地下水开采量( m3 ) ， q ，一开采条件下地下水补给增加量( 激发储量) ( m3 ) ， q ，一开采条件下地下水排泄减少量( m3 ) 。该值可能 为零。 其它符号的意义同式( 3 2 1 ) 。 地下水位的变化能够反映出地下水的采补关系，如果开采量持续大 于地下水的补给量，则地下水位将持续下降，使贮水量不断减少；如果 丌采量不超过地下水的可能补给量，则会形成相对稳定的降落漏斗，其 水位在一定幅度内上下波动，即埘= o ，所以地下水的实际开采量和开 采引起的水位变化，可以用于评价地下水的安全开采量。 因开采条件限制，在本系统中，参照文献 2 的分析，采用2 o 1 0 8 m 3 a 的丌采标准为丌采