（水文学及水资源专业论文）基于现代智能技术的灌区水资源优化调度研究.pdf

中文摘要 论文题目 基于现代智能技术的灌区水资源优化调度研究 学科专业 水文学及水资源 研究生 段春青 指导教师 黄强教授 邱林教授 摘要 篡箍签名 飞j 丝 签名 逝盛 随着我国人口增加和经济发展 水资源短缺问题日趋严重 灌区地表水与地下水的联 合调度与实时调度的地位和作用变得越来越突出 如何能够通过管理手段实现灌区水资源 的高效利用成为国内外学者们研究的热点和难点 本论文较为系统地介绍了灌区调度的研 究现状与发展趋势 引入现代的优化 预测和决策技术 建立了地表水与地下水联合调度 多目标模型 从不确定性和不完备性角度出发 研究了灌区中长期灌溉制度制定问题 并 采用了先进的数据挖掘技术建立了灌区实时优化调度模型 论文主要取得了以下成果 1 将混沌优化算法引入到作物灌溉制度优化设计之中 针对等式约束优化问题的特 点 对传统实码遗传算法进行改进 提出了超平面实码遗传算法 并基于此算法建立了灌 区灌溉制度优化设计的大系统分解协调模型 经实例验证该模型对求解等式约束的高维非 线性问题有较高的效率 能够得出精度更高的典型年优化灌溉制度 2 将地下水抽蓄变化等效地看作水库的调度 借助地下水运动的模拟技术和混沌优 化算法 在考虑地下水动态变化的基础上建立了地表水与地下水联合调度的多目标模型 并采用交互切比雪夫方法对模型进行求解 该方法具有全面性 高效性 实用性和客观性 等优点 使得取得决策者偏好这一比较困难的工作变得相当容易 充分发挥了人与计算机 的特长 通过建立多水源多目标联合调度模型 将地下水位控制在合理范围内 以期能在 最大限度获得效益的基础上实现地下水的可持续利用和避免环境问题的发生 3 建立了基于作物需水和来水过程的年型判别模型 根据作物需水和天然来水过程 的匹配程度定义年份的丰枯程度 避免了根据年总水量定义丰枯常常与作物实际生长情况 不符的缺陷 4 将云理论引入到灌区中长期灌溉制度制定问题的研究中 建立了基于云推理的灌 溉制度制定模型 该模型能够同时考虑年型预测中的随机和模糊不确定性 从历史数据中 挖掘不确定性知识 在年型的预测和灌溉制度的制定上取得了较好的效果 5 将信息扩散理论引入到资料较少条件下的灌区中长期灌溉制度制定问题的研究 中 建立了基于信息扩散近似推理的灌区灌溉制度制定模型 此模型能在资料较少 信息 西安理工大学博士学位论文 不完备条件下 尽可能地多利用和挖掘信息 得出比较符合实际的结果 6 建立了基于遗传程序设计的参考作物腾发量预测模型 借助云预测技术 从纵向 阶段降水数据和横向阶段降水比例两个角度 同时进行阶段降水预测分析 与传统预测方 法比较 该模型提高了预测的精度 在此基础上 结合渠村灌区资料建立了灌区实时优化 调度模型 实现了短期调度与中长期调度的耦合 关键字 灌区实时优化调度 多水源联合调度 混沌优化算法 超平面实码遗传算法 云理论 信息扩散 遗传程序设计 本研究得到河南省高校创新人才培养工程项 h n c x 2 0 0 3 1 7 的资助 i i 英文摘要 t i t l e r e s e a r c ho f f a t e ro p t i m a l0 p e r a t i o ni ni r r l g a t i o n a r e ab a s eo na d v r a n c e di n t e l l e g e n c et e c h n i q u e m a j o r w a t e rr e s o u r c e s a n d h y d r o l o g y n a m e c h u n q i n gd u a n s u p e r v i s o r p r o f q i a n gh u a n g p r o f u n q i u s i g n a t u r e 丝牡 s g n a t u r e 丝缮哆 s i g n a t u r e 也璺 w i t hr a p i de c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a t i o ni n c r e a s e i ti sm o r ea n dm o r ci m p o r t a n t f o ri r r i g a t i o na l c at ot a k ec o o r d i n a t i v ed i s p a t c ho fs u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w a t e ra n dr e a lt i m e o p t i m a lr e g u l a t i o n h o wt of e a l i z ce f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e si ni r r i g a t i o na r e ab y m a n a g e m e n t 眦i st h eh o t s p o ta n dd i f f i c u l t yi nw a t e rr e s o u r c e sf i e l d 撇p a p e re s t a b l i s h e s t h em u l t i p u r p o s em o d e lo fc o o r d i n a t i v ed i s p a t c ho fs u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w a t e ri ni r r i g a t i o n a r e ao nb a s i so ft h er e s e a r c ht r e n di nt h ew o r l d p u t sf o r w a r dm e t h o d sf o rf o o t i n g i r r i g a t i o n s c h e d u l eb a s e do ru n c e r t a i na n di n c o m p l e t et h e o r y a n ds u g g e s t sr e a lt i m eo p t i m a lm o d e lf o r i r r i g a t i o nr e g u l a t i o nw i t ht h et e c h n i q u eo fd a t am i n i n g 皿cm a i nr e s u l t so ft h i sp a p e ra l ea s f o l l o w s 1 c h a o sa l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oa n a l y z eo p t i m a li r r i g a t i o ns c h e d u l ef o rc r o p p u t f o r w a r dh y p e r p l a n er e a lc o d eg e n e t i ca l g o r i t h mw i t hw h i c ho p t i m a li r r i g a t i o ns c h e d u l ef o r i r r i g a t i o na r e ai sc s t a b h s h e d t h e s em e t h o d si m p r o v eg r e a t l yt h ea c c u r a c ya n ds p e e do f c a l c u l a t i o nf o r n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g b e t t e ri r r i g a t i o ns c h e d u l eo ft y p i 龆ly e a rc a nb eg o t t e n b yt h e s em o d e l s 2 e s t a b l i s hm u l t i p u r p o s ec o o r d i n a t i v ed i s p a t c hm o d e lo fs u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w m e r w i t hs i m u l a t i o nt e c h n i q u eo fg r o u n d w a t e rm o v e m e n ta n dc h a o sa l g o r t h m 啮m o d e lt a k e st h e d y n m i cv a r i a n c eo fg r o u n d w a t e rl e v e li n t oa c c o u n t a n di ss o l v e db yc h e b y s h e r sm e t h o dt h a t i se f f i c i e n t f e a s i b l e o b j e c t i v e a n dc o m p r e h e n s i v e b yc o n t r o l l i n gg r o u n d w a t e rl e v e lp r o p e r l y s u s t a i n a b l eu t f l i z a t i o n o fg r o u n d w a t e rc a nb er c a l i z c da n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e mc a nb e a v o i d e d 3 s u g g e s t j u d g m e n t m o d e l b a s e d o n p r o c e d u r e s o f p r e c i p i t a t i o na n d w a t e r d e m a n d i n g o f c r o p t h i sm o d e ld e f i n e sa g a i nt h ea d e q u a t ea n di n a d e q u a t ee x t e n to fy e a rh o mt h em a t c h i n g 西安理工大学博士学位论文 d e g r e eo f t w op r o c e d u r e s a v o i d i n gt h es h o r t c o m i n go f t r a d i t i o n a l j u d g m e n tm e t h o d 4 b a s e do nc l o u dt h e o r y m o d e lf o re s t a b l i s h i n gi r r i g a t i o ns c h e d u l eo fm i d d l ea n dl o n g t e r n ai sb r o u g h tf o r t h i tc a nc o n s i d e rr a n d o ma n df u z z y u n c e r t a i n t yi nf o r e c a s tp r o b l e m a n dg e t b e t t e rr e s u l t sb ym i n i n gu n c e r t a i nk n o w l e d g ef r o mh i s t o r i c a ld a t a 5 i n f o r m a t i o nd i f f u s i o nt h e o r yi su s e dt ot a k er e s e a r c ht oe s t a b l i s h i n gi r r i g a t i o ns c h e d u l e t o o m o d e lw i t hi n f o r m a t i o nd i f f u s i o nt e o l m i q u ec a nt a k ea d v a n t a g eo f m o r ei n f o r m a t i o nl m d e l t h ec o n d i t i o no f d a t as h o r t a g ea n dg e tb e t t e rr e s u l t st h a no t h c rc l a s s i cm e t h o d s 6 b r i n gf o 曲e v a p o r t r a n s p i r a t i o nm o d e lo f r e f e r e n c ec r o pb a s e d0 ng e n e t i cp r o g r a m m i n g a n a l y z et h ef o r e c a s tp r o b l e mo fp r e c i p i t a t i o ni ng r o w t hp h a s ew i t hc l o u dm o d e l c o n s i d e r i n g l e n g t h w a y sp r e e i l c l i t a t i o nv a l u ea n dt r a n s v c r s ep r e o i p r a t i o np r o p o r t i o n t h i sm o d e lw i t hc l o u d t h e o r yc a l lg e tb e t t e rr e s u l t st h a nt r a d i t i o n a lf o r e c a s tm e t h o d s b a s e do nt h ef o r e c a s tm o d e l r e a l t i m eo p t i m a lr e g u 蜥o nm o d e lo fi r r i g a t i o na r c ai sp u tf o r v a r d w h i c hr e a l i z e st h ec o u p l i n g b e t w e e n s h o r t r a n g er e g u l a t i o na n dl o n g r a n g er e g u l a t i o n k e y w o r d s r e a lt i m eo p t i m a lr e g u l a t i o ni ni r r i g a t i o na r e a c o o r d i n a t i v ed i s p a t c ho f m u l t i w a t e r r e s o u r c e s c h a o sa l g o r i t h m h y p e r p l a n er e a lc o d eg e n e t i ca l g o r i t h m c l o u dt h e o r y i n f o r m a t i o n d i f f u s i o n g e n e t i cp r o g r a m m i n g t h i ss t u d ys u p p o r t e db yt h ef o u n d a t i o no f c r e a t i v et a l e n t si nh a n a np r o v i n c e g r a n tn o h n c x 2 0 0 3 1 7 i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 本人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成果 尽我所知 除特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人的研究成果 与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢 本论文及其相关资料若有不实之处 由本人承担一切相关责任 论文作者签名 垄袭差吉护7 年 月 1 日 学位论文使用授权声明 本人丝羞吉在导师的指导下创作完成毕业论文 本人已通过论文的答辩 并 已经在西安理工大学申请博士 硕士学位 本人作为学位论文著作权拥有者 同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权 即 1 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文 学校可以采用影印 缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 2 为教学和 科研目的 学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆 资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读 浏览 本人学位论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权西安理工大学研究生部办 理 保密的学位论文在解密后 适用本授权说明 论文作者签名 敛壹羞导师签名 扩7 年5 月 日 l 绪论 1 绪论 1 1 研究目的和意义 随着人口的增加和工农业的发展 人类活动对自然界影响愈来愈大 世界一些地区水 资源正在出现危机 1 9 8 8 年世界环境与发展委员会提出的文件指出 水资源正在取代石 油而成为在全世界引起危机的主要问题 1 9 9 1 年国际水资源第七届大会上则进一步提出 警告 在干旱或半干旱地区 国际河流和其他水源地的使用权可能成为两国间战争的导 火线 1 9 9 2 年联合国环境和发展大会上通过的 十一世纪议程 中提到 淡水是一 种有限资源 不仅为维持地球陆上一切生命所必需 且对一切社会经济部门都具有生死攸 关的重要意义 这一切表明水资源危机正在深深地困扰着人类的生存与发展 1 1 我国水资源总量为2 8 1 0 0 亿m 3 总量居世界第六位 但从人均水资源占有量上来看 仅为世界人均水平的四分之一 居世界1 4 9 个国家的第1 1 0 位 2 到2 0 3 0 年 我国人口 将达1 6 1 7 亿 以1 6 5 亿人计算 届时我国人均水量仅为1 7 0 0 m 3 按国际上的通行标准 人均拥有水资源占有量2 0 0 01 1 1 3 为严重缺水边缘 那时我国将超出严重缺水边缘的界限 另外 从水资源总量的利用程度方面来看 我国面临的局面也不容乐观 1 9 9 8 年全国水 资源总量为3 4 0 1 7 亿m 3 用水总量为5 4 3 5 4 亿矗 利用程度达到水资源总量的1 6 1 9 9 9 2 0 0 0 年均为2 0 2 0 0 1 年为2 1 2 0 0 2 年为1 9 2 0 0 4 年已达到2 3 按照国 际经验 一个国家用水量超过其水资源总量的2 0 就很可能发生水资源危机删 这表明我 国水资源在丰水年利用量接近水资源危机的边缘 平水和枯水年份已超过了国际上公认的 水资源危机临界值 由此看来 我国属于水资源十分紧缺的国家 正面临着严重水危机 我国又是一个农业大国 农业是国民经济的基础 而水则是农业发展的命脉 水对农 业有特殊重要的意义 建国4 0 多年来 我国十分重视发展农田灌溉事业 并且取得了很 大的成就 在占全国总耕地面积约一半的灌溉面积上 生产了占总产量2 3 的粮食 基本 解决了十几亿人的温饱问题 这对促进工农业生产和国民经济的发展 起到了极为重要的 作用 4 1 然而 随着水危机的出现 农业用水也存在着严重的缺水问题 特别是社会经济 迅速发展 工业和生活用水开始不断挤占农业用水量 农业用水面临十分严峻的局面 另 一方面 我国灌溉用水浪费的现象十分严重 现存的灌溉方式仍然是大水漫灌的方式 使 得灌溉定额过大 北方大部分灌区的灌溉定额达到9 0 0 0 1 2 0 0 0 m 3 h m 2 高出实际作物需 要的2 5 倒5 6 1 目前我国每千克粮食的耗水量是发达国家的2 3 倍 此外 灌区中工程 老化问题突出 造成灌溉水的有效利用率比较低 全国农业灌溉水的利用系数平均仅在 0 3 0 4 和先进国家的o 7 加 8 相比 灌溉效率落后了3 0 巧0 年 我国的水分利用效率为 0 6 1 o k g m 3 以色列通过节水和高效用水 水分利用率已从1 9 5 5 年的1 2 k g m 3 提高到 1 9 9 8 年的2 6 k g m 3 我国山东桓台县1 9 9 7 1 9 9 8 年实施综合节水措施后 水分生产效率已 提高至2 0 2 k g m 3 北京南绍乡1 9 9 4 1 9 9 7 年冬小麦的水分生产效率已达2 3 2 4 k g m 3 山 西留屯 河南商丘 清丰等试验田 示范区的水分利用效率也都接近或超过2 k g m 3 这 西安理工大学博士学位论文 些资料表明 我国农业节水的潜力还很大 开展节水灌溉对缓解我国日益突出的水资源供 需矛盾具有十分重要的战略意义 7 9 1 节水灌溉是根据作物需水规律及当地供水条件 为了有效地利用降水和灌溉水 获取 农业的最佳经济效益 社会效益 生态环境效益而采取的多种措施的总称 我国长期以来 的灌溉工作的全过程都是围绕提高水的有效利用率 促使农业高产稳产进行的 只不过受 过去主观认识及客观条件的限制 没有把节水工作放到应有的地位 目前 我们正在建立 社会主义市场经济体制 加快实现 两个转变 普及节水灌溉就意味着实现农业灌溉从 粗放经营管理向集约经营管理的转变 在新的历史发展时期 大力发展节水灌溉 是进一 步改善农业生产条件 缓解农业用水供需矛盾的需要 是加强农业基础设施建设 促进农 业高产高效的有效措施 是农田水利基本建设的主要内容之一 发展节水灌溉的意义不仅 仅是节约灌溉用水 而且改变了传统的用水 管水方法 推行节水灌溉 所节省出的水用 在工业和城镇生活方面 缓解城市和工业用水供需矛盾 有利于国民经济快速 健康 持 续发展 此外 发展节水灌溉 还有利于促进人们在用水方面的思想观念更新 加快水费 改革 提高用水管理水平 促进建立适应社会主义市场经济体制要求的用水 节水 管水 新机制 因此 节水灌溉是农田灌溉乃至农业用水发展史上意义深远的一场重大变革 科学技术的进步和生产的发展 促进了人们对灌溉原理的认识不断深化 水资源的紧 缺给灌溉科学提出了新的目标和要求 为了既能节约用水 又能保持农业持续发展 即最 佳经济利用有限的水资源和最有效地进行灌溉 必须要有一定的节水灌溉理论作为指导 节水灌溉理论可分为两类 节水硬科学和节水软科学 节水硬科学 指从水源引 水到田间灌水的全部工程技术设备 如引水枢纽 输水和配水系统的防渗渠道和管道 地面灌溉方法和灌水技术 喷灌 微灌和管灌技术 灌溉效率测算和水费计量设施 土壤墒情监测 采集和传感系统 土地平整 农田整治和建设技术等 节水软科学 指土壤 作物 大气的水分关系研究和水管理理论 方法与实施 如作物节水灌溉的理论 有限水量在地区间 作物间及作物生育期内的时 空最优分配制度 计算机支持管理 系统的预测和决策理论 节水政策和灌溉效益 成本研究 水管理质量评估方法和指 标体系 灌溉管理组织改进和提高等 在全球发生水危机的大形势下 以振兴国民经济为大背景 本论文针对我国水资 源浪费与水资源紧缺并存的问题 从节水灌溉软科学的角度出发 研究如何科学合理 地调度与管理灌区水资源 以期提高其利用效率 节约用水 缓解水资源紧缺的矛盾 促进国民经济的可持续发展 本文将借助于先进的节水灌溉和实时控制理论 优化和 预测技术 模拟技术 以及计算机技术等 科学有效地控制灌水时间 灌溉水量 以 及地表 地下水分配量等 从而实现灌区水资源高效利用的目的 本论文研究的具体 意义如下 1 通过研究灌区地表水与地下水联合调度 不仅可以有效地控制灌区地下水位 防止地下水下降漏斗以及一系列相应环境问题的产生 而且可以充分利用有限水资源 2 1 绪论 量 最大限度发挥出水资源的效益 对地表水与地下水进行联合调度 实现在丰水季 节和丰水年分充分地利用降雨和地表水 枯水季节和枯水年份适当地多用地下水 即 充分利用天然降水 调节性使用地表水 保护性开采地下水 充分发挥地表水与地下 水之间的相互补偿作用 这对于缓解灌区水资源短缺及防止产生地下水下降漏斗以及 相应的环境问题均有重大意义 2 通过对灌区水资源进行联合实时调度 将有限水量的优化配置真正地应用于实 际 从而在水资源短缺情况下获得最大效益 针对目前灌区水资源浪费极其严重的问 题 在节水灌溉理论的基础上 采用现代优化方法对灌区进行典型年的水资源合理分 配 并以此基础上 结合先进的预测技术和实时控制理论 对灌区水资源进行实时优 化配置 以达到合理的控制灌水时间和灌溉水量的目的 这在实际中可以指导灌区管 理者改善灌溉方法 进行实时灌溉 使有限的水资源得到最合理的分配 提高灌溉面 积 降低灌溉成本 我国水资源比较缺乏 经济基础又比较薄弱 建设资金有限 因 此进行灌溉水量的实时优化配置 提高灌溉水的利用效率是有着相当重要的意义 本论文以河南省渠村灌区为典型区进行研究 其成果可以在大中型灌区中推广应 用 有较高的实用价值 1 2 国内外研究进展 1 2 1 地表水与地下水联合运行研究进展 随着水资源供需矛盾的日趋尖锐 单纯考虑和研究地表水或地下水均不能有效地解决 水资源紧缺问题 因此联合利用地下水和地表水资源的重要性逐渐引起人们的重视 国外早期主要将动态规划模型和线性规划模型以及模拟技术运用到地面水地下水联 合调度中 5 0 年代 人们就认识到地下水和地表水联合调度可以产生较高的经济效益或 提高稳定的可供水量 1 0 1 自n b u r a s 和w a h a l l t l q 用动态规划求解地表与地下水的分配 问题以来 地表水与地下水联合规划与管理问题的研究有了较大进展 解决了一些重要的 实际问题 同年 c a s t u 和l i n d c b o r y t l 2 首次将线性规划引入联合运用系统 解决了地面 水和地下水在两个农户之间的水量分配 w d l i s i l 3 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地表水地下水运行管理问题 p e r a i t a c a n f i l l e r 和t e r r y 在 美国阿肯色流域东北部建立了地面水和地下水模拟优化模型 目标为流域地下水 地表水 总供水量最大 决策变量为各时段 各单元地表水可供水量和地下水可供水量 优化方法 采用连续静态优化方法 j h y e n 1 4 1 在需水预测和可供水水量分析的基础上对台湾南部的 地下水和地表水联合运行进行了研究 m n a z a i e z o s l 建立了利用人工控制的地下水地表水 多阶段联合运用模型 将该模型通过假定例子进行了验证 讨论了最优决策方案以及它们 对一些因素的敏感性 由于地面水地下水是复杂的大规模系统 随着近代控制理论和大系 统理论的发展 大系统优化理论被广泛地应用到地表水地下水联合运用问题中 h a i m e s 和d r e i z i n 研究了由河流 含水层和下游水库组成的联合运用系统 各子系统操作上级分 3 西安理工大学博士学位论文 配的地表水量 并决定地下水开采量 目标是本区费用最小 上级协调器协调各区开采的 相互影响 随着各种优化模型的发展 复合模型也运用到了地表水和地下水联合运用中 j o h n s o n e 把动态规划和模拟技术结合起来 确定地表水和地下水联合系统的地表水库和地 下水库的最优容积 s a s l o i m a n 综合了许多优化方法 提出了离散变量空间的优化模型 总之在地表水和地下水联合运用方面 国外取得了较大的发展 国内也主要将动态规划 线性规划 非线性规划 模拟技术以及多目标规划与大系统 优化理论等方法运用到地表水地下水联合运用中 谢新民等 1 6 1 利用大系统理论和模糊数 学 应用数值模拟和响应矩阵法 研究了地表一地下水资源系统多目标管理模型与模糊决 策问题 建立了水电站水库群与地下水资源系统联合运行管理模型 并提出一种目标 协 调计算方法 丁瑞勇l l7 等针对缺乏水文地质参数的特点 采用二维单增量搜索动态规划 方法探讨了内陆河流下游干旱平原地区的地面水 地下水联合调度问题 方生 l 叫采用灌 溉需水量模型与潜水含水层水量调控模型的组合模型对地表水和地下水联合运用进行了 模拟计算 倪深海 1 9 应用水资源系统模拟模型 并利用计算机的数据处理功能 建立了 地表水地下水联合调度模拟模型 鲍卫锋 2 0 等采用单一函数作为水资源模拟模型的目标 即以地表水库和地下水库的月末库容最大同时缺水量最小为目标 对济南市各县的地表水 和地下水调度进行了研究 邵景力 2 u 在首先计算出地下水系统单位脉冲响应函数和最优 控制地下水位的基础上建立了地表水和地下水联合调度的多目标管理模型 缓解了包头市 水资源短缺问题 曾赛星吲等针对内蒙古河套灌区永联试区的具体情况 运用大系统分 解协调方法建立了灌区优化灌溉制度及地面水 地下水联合运用的谱系模型 模型中第一 层子系统优化采用动态规划方法确定各种作物的灌溉制度 第二层平衡协调模型通过线性 规划方法确定了各时段地面水引水量 地下水抽水量及最优种植模式 以求达到灌区效益 最大的目标 石玉波等 2 2 2 8 从不同角度对地表水地下水联合调度进行了研究 总之 随着社会经济的不断提高 人类对水的需求越来越高 地表水资源量严重不足 这已成为困扰社会经济发展的重要因素之一 并带来了一系列的生态环境问题 如何将地 表水和地下水联合运用 缓解地表水资源短缺及避免地下水漏斗的产生是目前人类亟待解 决的问题之一 1 2 2 降雨预测 降雨预测是实时调度中的一个重要部分 对于指导灌区制定合理的灌水计划及确 定未来年份的丰枯类型有至关重要的作用 因此确保实时调度顺利进行的关键之一在 于中长期降雨的准确预报 中长期降雨预测是自然与技术领域内的一项研究难题 有 着十分重要的理论和实际意义 目前就国内外的研究现状而言 由于其复杂性还处于 探索阶段 其存在的主要问题是预报精度较低 在实际工作中难以有效地指导生产实 践口9 早期降雨预测的方法主要有数理统计预测方法 数学物理模型预报方法 随着 数值计算技术的发展 水文预测同其他学科也有了交叉并产生了一些新方法 如人工 神经网络方法 灰色系统预测方法 投影寻踪方法及均生函数预测方法等 3 们 降雨预 4 1 绪论 测从传统的线性回归预测 确定型时间序列预测 随机型对阅序列预测 随机预测技术发 展到模糊预测 灰色预测 神经网络预测 混沌时间序列预测以及这些方法的组合混合预 测方法 以上预测方法均有各自的优缺点及适用条件 但由于影响降雨的因素众多且它们 之间的关系难以确定 因此如何提高它们的预测精度是目前研究的熟点之一 a 成困分析法 利用成因分析法对降雨进行预测 就是根据降雨的经纬度 大气环流 太阳辐射 等因素与降水量建立统计关系 在已知这些因素的规律和发展趋势后可以根据它们的 内在关系进行降雨预测 这种方法科学合理 在短期的天气预测以及水文预测方面都 取得了很好的预测效果 但是影响一个地区的降雨因素众多并且关系复杂 尤其是影 响降雨的其它相关因素同样难于预测 因此在目前科技条件限制下还难于达到满意的 预测结果 总之 联系大气环流 太阳辐射等长期演变及前后承替规律来进行降雨的中长期 预报是一条具有物理基础的重要途径 也是中长期降雨预报的发展方向 3 l j b 数理统计法 数理统计法是通过对历史资料的统计分析进行概率预测 可分为两类 一类是分析历 史降水序列自身随时问变化的统计规律 然后利用这种规律进行预报 如历史演变法 时 间序列分析法以及混沌时间序列法等 另一类是多元回归分析法 建立预报方案进行预报 多元回归分析常用的方法主要有聚类分析 主成分分析 逐步回归等 这些方法的主 要问题是如何合理选择因子个数 解决拟合效果和预报效果不一致的问题 时间序列分析 是应用历史降雨资料 寻找其自身的演变规律来进行预报 常用的有平稳时间序列中的自 回归模型 周期均值迭加 马尔可夫链等 6 0 年代以前主要采取把序列分解成趋势 周 期 平稳等项 然后再分项预测后进行迭加而得到预报结果 7 0 年代后 b o x 提出的a r m a 类模型逐步应用于中长期降水预报 同时具有非线性特点的t a r 模型也开始用于中长期 降雨预报叫 陈森法等 3 2 在n a k a k i t a 的确定性短期降雨预测模型的基础上 利用随机微 分方程理论 建立了预测降雨强度的随机模型 通过随机分析理论 得出了模型的解 同 时研究了求解的近似数值方法和利用f o u r i e r 变换转化该随机降雨模型方程为常微分方程 组的可行性 王立坤等f 3 捌j 利用长系列资料 通过趋势分析 建立了季节性周期预测降雨 模型 由于降雨过程中存在大量不确定 不精确的信息 孙才志等 3 5 1 针对降水量为相依 随机变量的特点 采取以规范化的各阶自相关系数为权重 用加权的马尔科夫链来预测未 来降水的丰枯变化情况 c 模糊预测法 模糊数学方法是一种研究和处理模糊现象的新型数学方法 可以用来表达和处理客观 存在的模糊信息 研究具有模糊信息的时间序列 这一方法有美国自动控制专家查德于 1 9 6 5 年首次提出来的口6 1 我国陈守煜首先将模糊数学运用到水文水资源系统中 并且创 立了模糊水文水资源学 陈守煜等 3 7 根据模糊控制的基本原理 以大伙房水库汛期入库 5 西安理工大学博士学位论文 流量为检验资料 提出了径流长期预报模糊推理模型 王本德 3 8 在传统历史演变的基础 上 应用模糊推理原理 提出了水文气象单要素预报模糊推理法 陈守煜1 3 9 j 提出了模糊 模式识别模型 模糊聚类模型 并在此基础上建立了模糊模式识别预测模型 d 人工神经网络预测 人工神经网络是基于连接学说构造的智能仿生模型 是由大量神经元组成的非线性动 力学系统 具有并行分布处理 自组织 自适应 自学习和兼错性等特点 人工神经网络 预测方法是目前预测运用较多的一种方法 其应用十分广泛 如智能控制 模式识别 知 识处理 非线性优化和机器人研制等领域 实际应用较多的主要有b p 神经网络及基于径 向基函数的神经元网络两种 h a l l 4 0 在1 9 9 6 年利用人工神经网络模型建立了降雨预测模 型 取得较好结果 张少文等 4 l 采用改进的b p 算法对黄河兰州水文站4 5 年的年降雨和 径流实测资料进行了分析 建立了基于人工神经网络的年降雨 年径流预测模型 研究结 果表明所建模型对下一时段的径流预测与传统的统计建模方法相比 预报精度较高 能较 好地反应黄河上游区的年降雨 径流规律 邱林等1 4 2 提出了模糊模式识别神经网络预测 模型 开创了神经网络拓扑结构建模的新思路 e 灰色预测 灰色系统理论是由我国学者邓聚龙1 9 8 2 年首创的一种系统科学理论 影响中长期降 雨的不确定性因素很多 并且各种因素的作用机理又难以严格区分 灰色系统就是将各种 因素的总合视为灰色特性 通过挖掘系统信息 逐步将其灰色特性淡化 白化 量化 模 型化 最后达到认识其变化规律 从中获取预测信息 由于影响降雨的因素众多 并且各 因素之间又有相当复杂的关系 因此对中长期降雨预测的结果精确度不高 李荣峰等 1 根据灰色系统理论得出作物生育期降雨序列的o m 1 1 微分方程 建立了作物生育期降雨 量的灰色自记忆模型 并将该模型应用于冬小麦和玉米生育期降雨量拟合及预测 结果表 明基于灰色微分方程的模型利用了多个观测信息 预测具有较高的计算精度 贾海峰等 4 4 1 根据灰色预测模型的优势恰好在反映现象变化的大趋势方面 提出了灰色一时序组合预测 法对年降水量进行预测 张闻胜等 4 5 j 基于时间序列分解法 引入灰色系统理论中的分离 趋势项 建立了降雨预报模型 并应用反馈模拟校正技术对预报结果做出实时校正 f 其它预测 随着遗传算法及混沌分析的广泛应用 它们也被运用到了中长期降雨预测中 针对流 域降雨时间序列的混沌性和随机性 黄国如等脚 采用基于混沌识别的的时间序列模型对 降雨预测进行了研究 张双虎等 4 刀基于混沌时间序列的重构相空间 遗传算法的良好全 局搜索和神经网络精确的局部搜索特性 以重构相空间中的饱和嵌入维数作为神经9 网络输 入层节点数 通过采用遗传算法优化神经网络初始权重 将重构相空间 遗传算法 神经 网络三者有机的结合 建立了相空间遗传b p 神经网络预测模型 由于影响降雨的因素众 多 有时一种预测方法并不能将预测结果达到一定精度 因此需要几种方法的结合进行预 测 t a k a s a o t 4 8 j 和n a k a k i t a 4 9 j 等提出了基于云物理学概念的降雨预测模型 模型利用雷达 6 1 绪论 反馈的三维分布信息来估计水蒸气转化为液态水的转化率 预测了降雨分布的产生 发展 衰退和雨带的推移等主要特征 w o n g s o l 在已有观测资料的基础上 利用每日降雨信息采 用空间内插的方法预测未知的降雨 提出了自组织地图 反馈神经网络以及模糊系统相结 合的方法预测降雨 f i j o h n 等人 5 l 将成因分析 统计分析以及模糊集理论同神经网络系 统有机的结合起来 建立了基于神经网络的模糊系统径流预测模型 1 2 3 作物需水量预测 作物需水量预报是实时灌溉预报的基础 也是拟定渠系动态配水计划的基础 由于作 物需水量和参照作物需水量之问的比值可以通过作物系数和土壤水分修正系数来表示 而 作物系数和土壤水分修正系数目前研究比较成熟 因此作物需水量的预测实际也就是参考 作物需水量的预测 其关键在于参考作物腾发量的预测 对于作物腾发量的中长期预报 一般根据其与气象因素的关系 采用线性回归预测法 对于作物腾发量短期实时预报以前 常用指数平滑预测技术 也有在短期气象预报的基础上采用线性回归预测方法 5 2 计算 参考作物腾发量的方法很多 主要有 经验公式法 水汽扩散法 能量平衡法和综合法等 其中以f a o 定义彭曼一蒙特斯方法为计算点瓦的首选方法 其具有较充分的理论依据和 较高的计算精度 为了使公式统一标准化 f a o 给出了参考作物的新定义 5 3 目前的研 究均在此基础上进行 由于影响作物需水量的因素较多 并且对于计算短时段内作物需水量时公式中的计算 参数难以准确测定 因此目前多是利用人工神经网络或其他方法对作物需水量进行预测 国外 a l e x a n d r i s 5 4 提出了仅需要太阳辐射 空气温度和相对湿度三个参数的逐小时参考 作物腾发量的计算经验公式 t r a j k o v i c 5 5 铡用人工神经网络建立参考作物需水量的预测模 型 结果表明人工神经网络预测模型有较高的精度 o d h i a m b 0 1 5 6 应用模糊数学的方法建 立了作物需水量模型 由于近几年模糊理论和神经网络的研究有了突破性进展 我国学者也将这些理论运用 到作物需水量预测中 郭宗楼 5 7 l 等利用灰色关联空间对影响作物需水量的主要气象因子 进行了分析 并通过g m i 1 建立作物潜在需水量灰色预测模型 取得了满意的精度 刘 钰 5 8 等根据1 9 7 9 年联合国粮农组织推荐的改进彭曼公式存在的一些弱点 采用彭曼一蒙 特斯方程及参照作物的新定义计算了作物的参考需水量 并将修正彭曼公式和彭曼一蒙特 斯两种公式进行对比 建议国内应推广使用标准化的彭曼一蒙特斯公式 董斌 5 9 等根据 彭曼公式中所需气象因素多数不能准确定量预报的缺点 采用天气修正系数在多年平均最 大旬参考作物需水量的基础上进行修改计算 对汉江平原棉花需水量进行实时预报计算 李远华d o l 等采用联合国粮农组织推荐的修正的彭曼公式分析计算了霍泉灌区长系列参考 作物的腾发量及其变化规律 在此基础上提出了该灌区作物需水量预测模型 分析了预测 模型中参数的变化规律 并在预报中进行修改 顾世祥 6 l j 等在充分利用实时信息的基础 上 利用径向基函数法对参考作物腾发量进行了预测 取得了较精确的结果 崔远来旧 等建立了基于进化神经网络的参考作物腾发量预测模型 张兵1 6 3 等应用l m 优化算法的 7 西安理工大学博士学位论文 b p 神经网络 通过多维气象数据 太阳辐射 空气温度 湿度 与作物需水量的相关分 析 确定网络的拓扑结构 建立作物需水量的人工神经网络模型 对作物需水量进行实时 预测时 峁智 6 4 6 6 1 等根据同一地区和相同年份内 相同天气类型条件下的e t o 数值十分稳 定这一理论 对于一个地区根据长系列气象记录 计算出各月晴云阴雨4 种天气类型条件 下的多年平均e 数值 在实时预报时可以直接利用多年平均值进行预报 峁智1 6 7 等提 出了根据天气类型 作物绿叶覆盖率 土壤有效含水率三项因素进行作物需水量实时预报 的方法和模型 介绍了具体的预报步骤与计算框图 改进了常规的预报方法 为实时预报 提供了准确的依据 1 2 4 灌区农业水资源实时优化配置 目前我国灌区农业灌溉水量还是依据历史资料 制定出典型年作物灌溉制度 以静态 的灌水计划为指导 这与作物实际所需水量有较大的出入 既没有达到高产高效的原则又 浪费了水资源量 水资源实时调度是根据短期的来水和用水预报 进行水资源系统的科学 调度 以确定短期的管理运行策略 并使其与中长期最优运行策略偏离最小嘲 水资源 实时调度在印度 巴基斯坦等一些国家的用水管理中已经得到了一定程度的应用 在澳大 利亚及西方一些发达国家 利用国际最先进的计算机技术和现代控制理论 对不同类型的 灌区根据不同目标进行实时自动控制 并进行多目标的优化 实现最优运行 灌区的节水 率都在3 0 以上 充分发挥了灌区自动化系统的效益 实时调度在我国多用于水库调度中 在农业水资源调度中应用的还很少 处于起步阶 段 实时调度应用于农业中开始与2 0 世纪9 0 年代以后 开始主要应用于水库灌区的调度 中 把灌溉效益作为一个效益函数 实质上还是水库调度问题 而后主要是侧重于实时灌 溉预报理论的研究 6 9 7 1 1 水资源实时调度就是要使得面临时段在中长期优化结果约束条件下达到最优调度 这 就要求我们兼顾中长期优化调度的规划指导作用和短期调度比较精确的特点 在中长期优 化调度的基础上建立短期实时调度优化模型 二者相互渗透 互为前提和约束条件 实时水资源优化配置是在中长期优化配置的基础上进行的 中长期水资源优化配置即 是典型年水资源优化配置 对典型年水资源优化配置主要是研究在作物种植比例一定的条 件下 对于非充分灌溉条件下的农作物问最优水量分配 也就是个作物之间在全生长期及 生长期的各个阶段的水量最优分配问题 目前该类问题的研究方法比较成熟 主要有线性 规划 非线性规划 动态规划 网络技术 多目标优化以及大系统分解协调理论 随着现 代科学方法的不断发展 混沌优化算法 遗传算法 蚁群算法