灌区规划应用实例 PPT课件

2 7应用实例一 灌区规模的最优规划实例2 1长江中游某支流上游 拟建年调节水库一座 多年平均来水量为21400万m3 可控制最大灌溉面积64万亩 根据地形 土壤 水资源状况等条件 灌区可划分为三部分 见图2 12 北灌区 位于灌区北部 属深丘区 地形起伏 土地分散 因地面高程较高 故必须从水库提水灌溉 土壤肥力较差 灌溉效益较低 为提高当地群众生活水平 北灌区开发面积应不小于9 5万亩 中灌区 属浅丘区 可自水库引水自流灌溉 土壤条件稍优于北灌区 以种植水稻 小麦为主 根据地形 水源状况分析 中灌区的开发面积至少应为16 8万亩 南灌区 地形起伏较小 南部平坦 港汊较多 进入平原圩区 作物以水稻 棉花为主 这里水资源条件比较优越 对于水库不能提灌的耕地 可从外河逐级提水解决干旱问题 因此 南灌区的开发面积 可视水库水源状况确定 2 E 北灌区 中灌区 南灌区 F A C D B Q 42 5 Q 28 0 Q 8 0 灌溉面积 9 5年毛灌定额 600月毛灌定额 100年增产值 240配套投资 168 0运行费 16 0 灌溉面积 年毛灌定额 610月毛灌定额 130年增产值 360配套投资 89 6运行费 6 0 灌溉面积 16 8年毛灌定额 600月毛灌定额 100年增产值 300配套投资 89 6运行费 6 0 水库供水量 21400万m3利用当地径流 1 3 总用水量 总灌溉面积 64万亩水源工程投资 8000万元 根据灌区规划资料 各段渠道的设计流量 各部分灌区的灌溉用水定额和灌溉增产值见表2 12和表2 13 灌区中 当地地面径流 包括塘堰及小型水利设施 的供水能力为总用水量的1 3 根据相似灌区历年产量资料和调查资料分析 灌区效益分摊系数为0 4 表2 12渠道设计流量 按照概算编制办法计算得水库及渠首工程的净投资为8000万元 灌区配套工程及田间工程的投资 以相似地区的扩大指标进行估算 北灌区的投资为168 0元 亩 包括泵站 渠道 配套工程和田间工程等 中 南灌区的投资为89 6元 亩 全部建设资金于建设的第一年投入 工程一年建成 次年即可投入运用 根据类似灌区资料分析 北灌区的年管理和运行费用为16元 亩 中 南灌区的管理和维修费用为6元 亩 以折算率为12 分析期为40a计算 问如何开发北中南三部分的灌溉面积 使工程投产年初的净效益现值为最大 解 1 建立数学模型设该水库开发北 中 南三灌区的灌溉面积分别为x1 x2 x3万亩时 基准年的净效益现值为最大 1 目标函数 根据三灌区的投资 运行费用及兴修水利工程后的增产效益来建立目标函数 1 基准年的确定 按题意 以建设年初为基准年 2 资金流程图 以效益或费用为纵坐标 箭头向上表示效益 箭头向下表示费用 以年份序号为横坐标 画出效益费用的资金流量图如图2 13 3 建立目标函数 以折算率为12 灌溉效益分摊系数为0 4 分析期为40a 以净效益现值最大为目标建立目标函数为 0 1 2 3 4 40 6 上式中 i 12 n 39 化简后得目标函数为 maxZ 438 09x1 758 04x2 934 46x3 7143 2 2 约束条件1 灌溉面积约束 根据题意 北灌区的开发面积应不小于9 5万亩 中灌区的开发面积至少应为16 8万亩 全灌区最大灌溉面积为64万亩 于是建立约束条件为 x1 9 5x2 16 8x1 x2 x3 642 水库供水量约束 水库年来水量为21400万亩m3 北 中 南三灌区的多年平均灌溉毛定额分别为600 600 610m3 亩 塘堰及小型水利设施的供水能力为灌区总用水量的1 3 于是 2 3 600 x1 600 x2 610 x3 21400 3 渠道输水能力约束 根据用水高峰月 7月份 的灌溉用水量及渠道的输水能力 建立渠道输水能力的约束为 100 x1 8 31 8 64 2143 x1 21 43 100 x2 130 x3 42 5 31 8 64 11383 x1 x2 1 3x3 135 130 x3 28 31 8 64 7499 x3 57 69 4 非负约束 所有决策变量均为非负实数 即x1 0 x2 0 x3 0 对约束方程组进行分析可知 水库供水约束整理后为x1 x2 1 02x3 53 5 一定可以满足灌溉面积的第三个约束x1 x2 x3 64 对上述数学模型进行化简和整理后 可得目标函数maxZ 438 09x1 758 04x2 934 46x3 7143 2约束条件x1 9 5x2 16 8x1 x2 1 02x3 53 5x1 21 43x1 x2 x3 0 2 求解根据解算结果 当折算率为12 分析期为40年时 北灌区设计灌溉面积应为9 5万亩 中灌区设计灌溉面积应为16 8万亩 南灌区设计灌溉面积应为26 67万亩 基准年的最大净效益现值为34675 78万元 实例2 2 长江中游某圩垸 图2 14 由于汛期 5 9月 外江水位高于垸内田面高程 除少数年份江水短期回落有可能自排外 一般均需利用垸内湖泊 河网滞蓄和泵站抽排 该地区排水面积 原有水利设施 规划标准及有关经济指标见表2 16 要求在规定的10年一遇三日暴雨排完得除涝标准下 确定该圩垸的最优湖泊水面率x1 河网水面率x2和相应排涝装机容量x3 以使工程总费用为最小 11 12 解 1 建立数学模型 1 目标函数 这一问题的目标函数可写为 式中 C1 单位面积湖面的全部支出现值 元 km2 C2 单位面积河网的全部支出现值 元 km2 C3 单位千瓦抽排装机全部支出现值 元 kw F 圩垸总面积43 4km2 x 2 专门用于排涝输水的河网水面率 13 1 C1的计算 C1 C1a C1b C1c C1d式中C1 单位面积湖面的全部支出现值 元 km2C1a 湖面多年农业产值损失现值 元 km2C1b 湖泊修筑围堤的成本现值 元 km2C1c 农田基本建设成本现值 元 km2C1d 湖面多年养殖收入现值 元 km2 其中C1a A1 lyPr 1 r P A I n C1b LaCl Ca P A I n C1c A1 lCc Cf P A I n C1d A1FfPf 1 f P A I n 式中 A1 平方公里的亩数 l 土地利用系数 y 单位耕地面积粮食 稻谷 产量 kg 亩 Pr 1980年粮食 稻谷 的单价 元 r 粮食 稻谷 生产成本占其产值的百分数 La 湖泊的围堤长度 m km2Cl 围湖土堤的单位长度造价 元 mCa 围湖土堤的年运行费用 元 mCc 圩垸农田基本建设投资 元 亩Cf 圩垸农田基本建设的管理和运行费用 元 亩Ff 湖泊鲜鱼单产 kg 亩Pf 鲜鱼单价 元 kg f 养鱼成本占鲜鱼产值的百分数 P A I n 等额年金计算现值时的复利系数 根据给出的资料数据 代入上述公式中 则 C1a 1500 0 7 500 0 3 1 0 5 124 11 万元 km2 C1b 7500 3 7500 3 4 3 67 万元 km2 C1c 1500 0 7 100 1500 0 7 100 10 27 05 万元 km2 C1d 1500 50 0 8 1 0 5 47 28 万元 km2 C1 C1a C1b C1c C1d 124 11 3 67 27 05 47 28 53 45 万元 km2 16 2 C2的计算 C2 C1a C1c C2aC2a C2k C2c式中C2 开挖单位面积河网的全部支出现值 元 km2C2a 开挖单位面积河网的成本现值 元 km2C2k 开挖河网的投资现值 元 km2C2c 河网系年运行管理费用现值 元 km2根据经验统计 河网提供的滞涝容积 大约需要开挖的土方 而每平方公里河网水面可提供滞涝容积为 故相应需开挖土方 如开挖每土方单价为元 则开挖河网投资为元 所以开挖河网的成本现值C2a为 C2a 80 80 4 130 43 万元 km2 故C2 C1a C1c C2a 227 50 万元 km2 1 C3的计算c3 c3a c3b c3c c3d式中C3 单位千瓦抽排装机全部支出现值 元 KW C3a 单位千瓦抽排装机的投资 元 KW C3b 抽排站每千瓦更新费 元 KW C3c 单位千瓦装机多年管理运行费用现值 元 KW C3d 单位千瓦装机多年运行电费现值 元 KW 把数据代入上述公式中 则c3 0 23万元 kw 18 将以上确定的各项参数值和有关的给定值代入目标函数方程式 经整理得目标函数minZ 23 2x1 98 7 x2 x 2 0 23x3 2 约束方程1 水量平衡约束 这一约束即相应于规划水面率为和的湖泊 河网滞蓄容积 以及装机容量为的泵站在设计排涝历时内的抽排水量之和 应等于设计频率降雨所形成的径流量 即H湖Fx1 H河Fx2 T x3 104 W式中H湖 H河 湖泊和河网滞涝有效水深 取0 8m T 设计排涝历时 d 单位装机容量每天抽排的水量 886m3 KW d W 设计频率降雨产生的总径流量 104m3 W 0 1F P E 田h田 0 1 43 3 235 10 0 5 50 868 104 m3 2 最小河网水面率约束 规划的河网水面率应大于圩垸排涝输水所必需的河网水面率x2 x2 式中x2 专门用于排涝输水的河网水面率 可按经验确定 长江中游湖区可取2 3 故x2 33 最小抽排装机约束 湖区设计暴雨 在汛期往往前后两次相继出现 为了保证湖泊 河网能滞蓄第二次暴雨径流 因此必须足够的抽排装机容量使滞蓄于湖泊 河网中的第一次暴雨径流在第二次暴雨到来之前抽排出去 即x3 x3 980 4 最大湖泊水面率约束 南方平原圩区 一般地少人多 为了保证必要的农田面积 所规划的湖泊水面率x1应该有一定的限度 不应大于允许的最大湖泊水面率x1 即x1 x1 式中x1 允许的最大湖泊水面率 一般取10 15 取x1 155 最小湖泊水面率约束 有时为了满足湖区养鱼 供水等多种经营和综合利用的要求 所规划的湖泊水面率x1应不小于最小湖泊水面率x1 即 x1 x1 式中x1 最小湖泊水面率 按该圩区具体情况 确定为2 x1 2 把上述目标函数和约束条件写在一起 则其数学模型可完整写出如下 目标函数minZ 23 2x1 98 7x2 0 23x3 98 7x 2约束条件34 72x1 34 72x2 0 27x3 868x2 3x3 980 x1 15x1 2x1 x2 x3 0 2求解 x1 14 45x2 3x3 980minZ 560 4 第二阶段 以原规划的约束条件及目标函数为数学模型 并把表2 16中x 2 3 代入目标函数中 于是原规划的目标为 minZ 23 2x1 98 7x2 0 23x3 98 7 3即minZ 23 2x1 98 7x2 0 23x3 296 1为使极小值问题变为极大值问题 目标函数改写为 maxZ 23 2x1 98 7x2 0 23x3 296 1以辅助规划的最优解作为第一个基可行解