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河流流域水量调度技术方法应用研究摘要本文首先分析了题目条件与表中数据，根据表中数据和所给的条件建立了有关串并联、混联和优化调度的几种模型，并对其进行误差分析，逐步改进，找出比较优秀的模型。运用数据拟合，最小乘法等常用方法对数据进行分析和建立模型，同时还利用MATLAB 的强大图形处理功能，进行数据的可视化，根据可视化的结果做出分析和判断。并运用回归分析对所建立模型进行有效检验，最后进行模型的评价和推广。同时提出了一些实用性的建议.问题1：我们根据题目的要求和图形的分析建立了串并联的模型，模型的建立有利于水资源的调度.问题2：在分析水库群联接方式及特点的基础上，根据各水库库容大小、调节程度和水文上的差别等因素，建立模型为. 在对模型改进的基础上建立了模型II。对模型进行了合理的理论证明和推导，所给出的理论证明结果大约为.，然后借助于.数学算法和MATLAB和lingo等软件，对附件中所提供的数据进行了筛选，去除异常数据,对残缺数据进行适当补充,并从中随机抽取了3组数据（每组8个采样）对理论结果进行了数据模拟，结果显示，理论结果与数据模拟结果吻合。问题3：我们建立在对问题二深入的分析，建立.关键字：1 问题重述（1）针对抚河流域水资源调度问题，建立干流串联或混联模型及支流并联模型。（2）根据划分区域分析典型的控制断面，利用分析得到的影响因素、相关信息，应用干流、支流两个模型，以1月作为开始调度期，建立合理的数学模型，实现水库群的联合调度解决方案。（3）对于旱季（7月-9月），给出水量调度整体的指导性意见2 问题分析（1） 问题一：这是一个类似物理电路中各用电器的连接的问题.题目中主要研究的是：针对抚河流域水资源调度问题，搞清楚各水库的关系有利于在干旱时期能给予需要合理调配用水，充分调动各方面水利资源，动态分配用水量. 要分析个水库或河段之间的串并联之间的关系,关机那是看,它们是否有水力上的直接联系.如果个河段或水库是布置在同一条河流，形如梯级的水库群。各水库有各自的开发目标，同时各库的径流之间通过人工（天然）河渠形成上下联系.,则为串联方式.如果各水库是位于相邻的几条干支流或不同河流上的一排水库，它们有各自的集水面积，故无水力上的联系。当为同一目标共同工作时，才有水利上的联系，则为并联方式.（2）问题二： 本问题是一个优化问题。目的是要求在满足题目要求先满足生活用水，后满足农业用水，其次是工业用水，兼顾生态环境，进行区域性的限制用水，并启动相应水库调度措施，进而实现对相应河段的水量进行实时调控、均匀分配水量资源。取得优先分配原则和用水总量最小.为了便于分析，所以把整个流域分化成了六个区域。区域S1s1:控制断面1以上区域S2s2:控制断面1-3及2以上区域S3s3：控制断面3-4区域S4s4：控制断面4-9及6、7、8 以上区域S5s5：控制断面5以上区域S6s6：控制断面6以上 通过对降雨量、水库水量损失、水库的调节能力和需求量等因素的分析与限制，本题就变成了一个带约束条件的优化问题。（2） 问题三：我们通过对问题二建立了.模型，分析了.3 模型的假设（1）假设每月按三十天计算（2）4 定义与符号说明（1）为各测试站点同期降水量（mm）（2）P流域平均降水量（mm）（3）n测站数（4）计算时段 内库区水面蒸发强度，以水层深度（mm）计；（5）计算时段 内库区陆面蒸发强度，以水层深度（mm）计；（6） 计算时段 内水库平均水面面积（km2）（7）水面蒸发皿折算系数，一般为0.650.80。5 模型的建立与求解5.1我们通过对题目的理解与图形的分析得到了问题一的两个模型如下图所示.（图一、图二）5.1.1 干流串联模型图二 从图一可看出：四个控制段面把A河分为三个河段分别为S1、S2、S3。我们把这三个部分是干流上的串联方式.由此我们建立串联模型如图一. 干流串联方式最主要的特点是上下河段的水力联系，主要表现在以下几方面：（1）位于上游的、较高调节程度的河段对天然来水起了调节作用，改变了下游河段的流量在时间上的变化过程。（2）串联的河段的天然入流往往同步性较好，因而上游河段枯水期调节而提高的下泄流量及洪水期减少的下泻流量，多半对减轻下游河段的调节任务有利。（3）当串联的各河段为同一用水部门服务时，它们的工作便具有互为补充的关系。5.1.2 支流并联模型图 二从图二中我们可以看出：大型水库1、中型水库4、中型水库5、C河、D河，这五的关系就属于支流上的并联方式，由此我们建立支流上的并联模型如图二.支流并联最主要的特点是各库间与河流间的水利联系，主要特点如下：（1）并联水库群和与河流的天然入流往往同步性较差，因而水库间“水文补偿”的调节作用更明显。（2）当并联水库群与河流为同一开发目标服务时，它们的工作便具有互为补充的关系。5.2要实现水库群的联合调度解决方案，供水量与需水量必须满足必须满足一定的约束条件。 5.2.1 流域降雨量的计算聚雨量对优化的影响.流域平均降水量的计算方法主要有：算术平均法、加权平均法、泰森多边形法、等雨量线法等。在面积较大的流域，最好用泰森多边形法，计算流域的平均降水量：小流域常用加权平均法；在平地上可用算术平均法和等雨量线法。.我们通过对上表的分析计算出了各月的聚雨量，见图三 图三.我们所知道的降雨量计算方法中算术平均法，即：对于地形起伏不大，降雨分布均匀，测试站布设合理或较多的情况下，算术平均法简单、而且也能获得满意的结果。式中：为各测试站点同期降水量（mm）P流域平均降水量（mm）n测站数故我们以下采用算术平均法计算河流流域各控制断面的聚水量。结果分析：根据数据表的数据得出多年平均降水量为1705.382mm。降水的年内、年际分配极不均匀。年内降水主要集中在46月份，占全年的47.22%以上.（太少）5.2.2 水库的水量损失水库建成蓄水后，因改变河流天然状况及库内外水力条件而引起额外的水量损失，主要包括蒸发损失和渗透损失。 水库蓄水后，使库区形成广阔水面，原有的陆面蒸发变为水面蒸发。由于流入水库的径流资料是根据建库前坝址附近观测资料整编得出，其中已计入陆面蒸发部分。因此，计算时段t（年、月）水库的蒸发损失是指由陆面面积变为水面面积所增加的额外蒸发量 （以m3计），即 （21） 式中：计算时段 内库区水面蒸发强度，以水层深度（mm）计； 计算时段 内库区陆面蒸发强度，以水层深度（mm）计； 计算时段 内水库平均水面面积（km2）； 1000单位换算系数，1 mmkm2=106/103 m3=103 m3。 水库水面蒸发可根据水库附近蒸发站或气象站蒸发资料折算成自然水面蒸发，即 （22）式中：水面蒸发皿实测水面蒸发(mm)； 水面蒸发皿折算系数，一般为0.650.80。陆面蒸发，尚无较成熟的计算方法，在水库设计中常采用多年平均降雨量和多年平均径流深之差，作为陆面蒸发的估算值。有我国各个地方的观测资料，由蒸发皿实测的水面蒸发量为1506mm，蒸发皿折算系数K=0.8，流域多年平均年降水量H= 15348.44mm。解: （1）陆面蒸发量：降雨量 - 径流量 （2）水面蒸发量： （3）水库的各月额外蒸发损失量:如下表：月蒸发量（降水量-径流量）（亿/m3）月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年蒸发量s1:控制面1以上1.462.74.44.865.965.532.1862.581.671.361.10.834.5s2:控制面 1-3及2以上-1.5-2-4-6.5-7.9-10-5.56-2.8-2.6-2.4-2-2-49s3:控制面3-4-2.9-4-8-13-16-19-11.2-5.5-4.7-4.4-3-3-95s4:控制面4-9及6、7、8以上-7.2-11-21-32-39-45-25.3-13-11-9.3-8-7-228s5:控制面5以上2.23-3-5-7.7-8.7-9.8-5.07-2.9-2.5-1.9-2-1-51s6:控制面6以上0.36-0-0-0.7-0.8-0.9-0.51-0.3-0.2-0.2-0-0-4.7另一方面，建库之后，由于水库蓄水，水位抬高，水压力的增大改变了库区周围地下水的流动状态，因而产生了水库的渗漏损失。水库的渗漏损失主要包括下面几个方面：（l）通过能透水的坝身(如土坝、堆石坝等) 的渗漏，以及闸门、水轮机等的漏水；（2）通过坝基及绕坝两翼的渗漏；（3）通过库底、库周流向较低的透水层的渗漏。一般可按渗漏理论的达西公式估算渗漏的损失量。计算时所需的数据(如渗漏系数、渗径长度等)必须根据库区及坝址的水文地质、地形、水工建筑物的型式等条件来决定，而这些地质条件及渗流运动均较复杂，往往难以用理论计算的方法获得较好的成果。因此，在生产实际中，常根据水文地质情况，定出一些经验性的数据，作为初步估算渗漏损失的依据。若以一年或一月的渗漏损失相当于水库蓄水容积的一定百分数来估算时，则采用如下数值：（l）水文地质条件优良(指库床为不渗水层，地下水面与库面接近)，010%/年或01%/月。（2）透水性条件中等，10%20%/年或1%1.5%/月。（3）水文地质条件较差，20%40%/年或1.5%3%/月。在水库运行的最初几年，渗漏损失往往较大(大于上述经验数据)，因为初蓄时，为了湿润土壤及抬高地下水位需要额外损失水量。水库运行多年之后，因为库床泥沙颗粒间的空隙逐渐被水内细泥或粘土淤塞，渗漏系数变小，同时库岸四周地下水位逐渐抬高，渗漏量减少。现根据四水库的水文地质条件得出其透水性条件为每月渗透1.25%。得出以下表格：水库名称正常蓄水位(m)有效库容(亿m3)死水位(m)死库容(亿m3)调节库容(亿m3)1月份初始水位（m）一月份初库容量(亿m3)平均每月渗透量(亿m3)大型水库111404.49710761.1363.36110851.43320.17915大型水库29704.649361.742.99392.080.26中型水库38370.6688220.1010.5678240.1720.0215中型水库47600.8147200.1120.7027230.1650.0206255.2.3 水位和流量 原始数据给出的表格中只是包含了：大型水库一：9761007；大型水库二：836871；中型水库三：760.5794；中型水库四：626670；但是未能给出各大水库的正常水位对应的流量。于是运用了二次项拟合，得出了以下的数据和表格：水位与流量图水位与流量的关系大型水库1 水位（m）976977978979980981982983984985流量 （m3/s）2762.41161872763875276808381020水位（m）986987988989990995998100010051007流量（m3/s）1220142016301870211034504520523071608000水位（m）1010101510201025103010351040104510501055流量（m3/s）9502 12155 15128 18421 22034 25967 30220 34793 39686 44899 水位（m）1060106510701075108010851090109511001105流量（m3/s）50433 56286 62460 68953 75767 82901 90355 98129 106223 114637 水位（m）1110111511201125113011351140流量（m3/s）123371 132425 141800 151494 161509 171844 182498 大型水库2水位（m）836836.5837837.5838838.5839840842845流量（m3/s）01025355580105180420900水位（m）847850852855857860862865871877流量（m3/s）12501850225057706870867010030121301662023865 水位（m）883889895901907913919925931937流量（m3/s）31403 39970 49568 60195 71852 84539 98255 113002 128778 145583 水位（m）943流量（m3/s）163419 中型水库3水位（m）760.5761763765767769771773775777流量（m3/s）2626.965.3104153211277353445564水位（m）779781783785787788789790794798流量（m3/s）70384910001160132014101500159019502443 水位（m）802806810814818822826830834838流量（m3/s）2943 3489 4083 4722 5409 6142 6921 7747 8620 9539 水位（m）842流量（m3/s）10505 中型水库4水位（m）626626.5627628629630631632633634流量（m3/s）621372234306769351210150018002110水位（m）635636637639640642650660670680流量（m3/s）2420274030803810420050008400123001650021772 水位（m）690700710720730740750760770780流量（m3/s）27283 33245 39659 46524 53840 61609 69828 78499 87622 97196 水位（m）790流量（m3/s）107222 5.2.4 径流调节 （不是很清楚想干嘛，说的不明白）众所周知，河川径流在一年之内或者在年际之间的丰枯变化都是很大的。我国河流年内洪水季的水量往往要占全年来水总量的70%80%。河川径流的剧烈变化，给人类带来很多不利的后果，如汛期大洪水容易造成灾害，而枯水期水少，不能满足兴利需要。因此，无论是为了消除或减轻洪水灾害，还是为了满足兴利需要，都要求采取措施，对天然径流进行控制和调节。图四为年调节示意图。图上表明，只需一部分多余水量将水库蓄满（图中横线所示），其余的多余水量（斜线部分），只能由溢洪道弃掉。图中竖影线部分表示由水库放出的水量，以补充枯水季天然水量的不足，其总水量相当于水库的调节库容。 水库的兴利库容能够蓄纳设计枯水年丰水期的全部余水量时，称为完全年调节；若兴利库容相对较小，不足以蓄纳设计枯水年丰水期的全部余水量而产生弃水时，称为不完全年调节，或季调节。这是规划设计中划分水库调节性能所采用的界定。必须指出，从水库实际运行看，这种划分是相对的，完全年调节遇到比设计枯水年径流量更丰的年份，就不可能达到完全年调节。供水 蓄水 弃水 供水Q(m3/S) （月）图四 q 5.2.5生活用水、工农业等用水所占比列（用饼形图画出来接着还要分析）5.2.6 水库的调节能里要分析（要用数据和图形说明）5.27 模型求解模型一： 接下来根据已知条件建立联合调度的数学模型，找出最准则与目标函数来是想水库群的联合调度解决方案。研究库群联合优化调度必先确定最优准则。这里根据州河流域四库水文特性及水资源利用现状，确定最优准则为：四水库控制并利用水资源量最大；四水库内水面蒸发量最小；四大水库自起始调度（一月）月起，河流各月平均水面面积分别记作：S1，S2，S3；S4，S5，S6。各月平均水面蒸发系数与蒸发量分别记作：K1，K2，K6。E1，E2，E6；于桥水库各月出库水量分别记作：QO1，QO2，QO4。则由最优准则可写出求解四库水量损失的数学表达式，亦即目标函数如下：Min【（S1+S2+S3+S6）KE/10+QOj】1，2，6, j=1,2,3,4约束方程（1）蓄水量约束PwQj 1，2，3,4；1，2，12式中，w为j水库第个月份的库蓄水量；P、Q分别为j水库第个月份的答应最小、最大库蓄水量。（2）需供水量约束P+Uw 1，2，3；1，2，12式中，U为水库第个月份需供水量，其它同上。（3）起调蓄量约束W111085; w21939; w31824; w41723; 式中，w1为水库第1个月份库蓄水量，均为起调蓄量。先确定四库联合调度的决策变量为：起调蓄量w1、入库水量QIw、需供水量Uw、蒸发系数K、蒸发量E，则综合目标函数及约束方程，可获得流域四库联合调度的优化数学模型如下：MINEQMin【（S1+S2+S3）KE/10+QO3i】St w1w13W+UwW式中，1，2，3；1，2，12。由州河流域四水库水文资料，可确定四水库平均每年的起调蓄量、入库水量、需供水量、蒸发系数及蒸发量等参数。根据已知资料，可确定大型水库一、大型水库二、中型水库三、中型水库四起调蓄量分别为： 1.4332、939.0、0.172、0.165（108m3）。运用轮库寻优算法，可算得实现联合调度时似水库平均每年最小水量损失为81915.23(104m3)，最小蒸发量10960.25 (104m3)，于桥水库最小放水量70954.98(104m3)。三库优化调度方案中蓄量、水位及水库放水量(表.4)。 州河流域尽管有较强的产流能力，却因流域面积中型水库三和中型水库四两水库库容相对较小，联合调度的难度较大。这里，从径流调节及流域水资源联合调度角度出发，运用数学模型与轮库寻优算法，编写计算机程序对流域内三库进行寻优计算，使流域水资源损失减至最小，也为库群联合调度提供了实用的计算方法。模型二：设有4个水库(大型水库1、大型水库2、中型水库3、中型水库4)，有15个区域记为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15。区域地段需水量1月2月3月4月5月6月区域1控制断面1以上0.0619370.0619370.0619370.0619370.0619370.061937区域1控制断面1控制断面30.2383610.2383610.2383610.2383610.2383610.238361区域1控制断面3控制断面40.4737610.4737610.4737610.4737610.4737610.473761区域1控制断面4控制断面90.19030.19030.19030.19030.19030.1903区域1控制断面2以上0.08850.08850.08850.08850.08850.0885区域1控制断面2河口0.0748010.0748010.0748010.0748010.0748010.074801区域1控制断面5以上0.261210.261210.261210.261210.261210.26121区域1控制断面5河口0.1172930.1172930.1172930.1172930.1172930.117293区域1控制断面6以上0.0584280.0584280.0584280.0584280.0584280.058428区域1控制断面6河口0.0332160.0332160.0332160.0332160.0332160.033216区域1控制断面7河口0.2542680.2542680.2542680.2542680.2542680.254268区域1控制断面8河口0.3357840.3357840.3357840.3357840.3357840.335784区域1灌溉区10.2153130.2153130.2153130.2153130.2153130.215313区域1灌溉区20.2110140.2110140.2110140.2110140.2110140.211014区域1灌溉区30.2328670.2328670.2328670.2328670.2328670.232867区域地段需水量7月8月9月10月11月12月区域1控制断面1以上0.258190.258190.258190.0619370.0619370.061937区域1控制断面1控制断面30.721250.721250.721250.2383610.2383610.238361区域1控制断面3控制断面41.6563831.6563831.6563830.4737610.4737610.473761区域1控制断面4控制断面90.7287670.7287670.7287670.19030.19030.1903区域1控制断面2以上0.3071670.3071670.3071670.08850.08850.0885区域1控制断面2河口0.2695970.2695970.2695970.0748010.0748010.074801区域1控制断面5以上1.0030371.0030371.0030370.261210.261210.26121区域1控制断面5河口0.449120.449120.449120.1172930.1172930.117293区域1控制断面6以上0.216050.216050.216050.0584280.0584280.058428区域1控制断面6河口0.1226870.1226870.1226870.0332160.0332160.033216区域1控制断面7河口1.0558631.0558631.0558630.2542680.2542680.254268区域1控制断面8河口1.3943131.3943131.3943130.3357840.3357840.335784区域1灌溉区11.167061.167061.167060.2153130.2153130.215313区域1灌溉区21.155291.155291.155290.2110140.2110140.211014区域1灌溉区31.1977331.1977331.1977330.2328670.2328670.232867水库入库量1月2月3月4月5月6月大型水库10.946081.062721.0964161.2545282.28614412.49344大型水库21.7889981.8348771.7921092.3734944.7179589.400147中型水库30.246240.2410560.1399680.2306882.877126.2208中型水库40.142560.8786880.3188160.622081.477445.9616水库入库量7月8月9月10月11月12月大型水库111.508483.991685.339522.1720961.9206721.194912大型水库215.171244.173124.224962.151361.87921.757376中型水库34.66561.373761.03680.362880.51840.274752中型水库48.29440.6481.632960.414720.959041.01088