水資源系統(tǒng)工程(研2015)

水利水電學(xué)院水資源系統(tǒng)工程邵東國2013年5月水利水電學(xué)院第一章水資源系統(tǒng)工程概論邵東國3h（第10周）第二章水資源系統(tǒng)評價與模擬邵東國3h（第10周）第三章水資源系統(tǒng)優(yōu)化配置胡鐵松6h（第11周）第四章水資源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度付湘6h（第12周）第五章水資源系統(tǒng)風險分析付湘6h（第13周）第六章水資源系統(tǒng)復(fù)雜性羅強6h（第14周）復(fù)習3小時（第15周三）羅強考試3小時（第15周五）羅強主要內(nèi)容2012-04-18水利水電學(xué)院1.馮尚友，水資源系統(tǒng)工程，湖北科技出版社，1996年2.許國志，系統(tǒng)科學(xué)，上?？平坛霭嫔纾?0003.袁宏源、邵東國、郭宗樓，水資源系統(tǒng)分析理論與應(yīng)用，武漢水利電力大學(xué)出版社，20004.郭元裕、李壽聲,灌排工程最優(yōu)規(guī)劃與管理,水利水電出版社,1996年5、翁文斌、王忠靜、趙建世，現(xiàn)代水資源規(guī)劃理論、方法與技術(shù)，清華大學(xué)出版社，20036、邵東國等，水資源復(fù)雜系統(tǒng)理論，科學(xué)出版社，2012教學(xué)參考書2012-04-18水利水電學(xué)院水資源系統(tǒng)工程問題工程規(guī)劃問題：選址、線路、規(guī)模、范圍、結(jié)構(gòu)、布局、影響評估、投資工程管理問題：管理體制、運行機制、沖突分析、效益均衡、調(diào)度規(guī)則、價格體系、規(guī)章制度、預(yù)測預(yù)警、應(yīng)急預(yù)案水資源系統(tǒng)概化圖2012-04-18水利水電學(xué)院水資源系統(tǒng)規(guī)劃目標水文學(xué)：極端事件安全保障率最大資源學(xué)：用水總量控制經(jīng)濟學(xué)：用水效率最大生態(tài)學(xué)：生態(tài)流量穩(wěn)定環(huán)境學(xué)：水功能區(qū)達標率最大社會學(xué)：利益公平分配2012-04-18水利水電學(xué)院水資源系統(tǒng)規(guī)劃管理技術(shù)工程技術(shù)信息技術(shù)管理技術(shù)生態(tài)修復(fù)技術(shù)環(huán)境保護技術(shù)生物技術(shù)新型材料系統(tǒng)分析技術(shù)2012-04-18水利水電學(xué)院2012-04-18水利水電學(xué)院系統(tǒng)思想是關(guān)于事物整體性觀念、相互聯(lián)系的觀念、演化發(fā)展的觀念系統(tǒng)思想2012-04-18水利水電學(xué)院系統(tǒng)是相互作用的多元素的復(fù)合體（貝塔朗菲）S=<A,R>式中：A為系統(tǒng)S的元素集，R為元素間的關(guān)系集特點多元性：多樣性的統(tǒng)一，差異性的統(tǒng)一相關(guān)性整體性非線性多目標性非確定性環(huán)境適應(yīng)性系統(tǒng)定義2012-04-18水利水電學(xué)院系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：組分及組分之間的關(guān)聯(lián)方式當系統(tǒng)規(guī)模太大時，必須對元素進行“分片”管理，把系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，但不同子系統(tǒng)具有相同的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)特點：局域性系統(tǒng)性可分性相對獨立性2012-04-18水利水電學(xué)院現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)：使系統(tǒng)思想定量化，定量處理系統(tǒng)各組成部分相互聯(lián)系計算機技術(shù)：為定量化系統(tǒng)思想的應(yīng)用提供了強有力工具社會實踐活動的大型化和復(fù)雜化：要求系統(tǒng)思想方法定性與定量相結(jié)合2012-04-18水利水電學(xué)院耗散結(jié)構(gòu)理論（普利高津，1969）開放且遠離平衡系統(tǒng)和環(huán)境進行物質(zhì)與能量交換某個參量變化達到一定的閾值從原來無序狀態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)變到在時間、空間和功能上的有序狀態(tài)水利水電學(xué)院協(xié)同學(xué)理論（哈肯，1969）一個系統(tǒng)從無序到有序的關(guān)鍵：在一定條件下，能自發(fā)產(chǎn)生在時間、空間和功能上穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在臨界點附近的行為僅由少數(shù)慢變量決策，系統(tǒng)的快變量由慢變量（序參量）支配，即役使原理水利水電學(xué)院非線性理論一個系統(tǒng)不僅是其部分的總和一個系統(tǒng)的性能如何隨時間變化？有沒有穩(wěn)定的終態(tài)？在非線性動力學(xué)中，就是定常狀態(tài)、分岔、不動點、振蕩、混沌問題2012-04-18水利水電學(xué)院系統(tǒng)分析方法

系統(tǒng)分析：是運用邏輯思維推理和定量分析相結(jié)合的方法，對系統(tǒng)問題進行的分析基本要素：目標、可行方案、費用、模型、效果、準則、結(jié)論定量方法：投入產(chǎn)出模型、數(shù)學(xué)規(guī)劃法等定性方法：因果分析法、德爾菲法等2012-04-18水利水電學(xué)院系統(tǒng)評價對系統(tǒng)開發(fā)提供的各種可行方案進行綜合考察，全面權(quán)衡利弊得失，為系統(tǒng)決策選擇最優(yōu)方案提供科學(xué)依據(jù)難點：指標難量化、不同方案難取舍原則：指標數(shù)量化、歸一化、客觀性、可比性、系統(tǒng)性和政策性2012-04-18水利水電學(xué)院水資源評價技術(shù)模糊數(shù)學(xué)灰色系統(tǒng)非線性理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)小波分析信息技術(shù)2012-04-18水利水電學(xué)院模糊數(shù)學(xué)概念的亦此亦彼性、非排他性豐、中、枯不同年型模糊識別汛期與非汛期劃分隸屬度函數(shù)模糊綜合評價模糊聚類分析模糊控制模糊優(yōu)化模糊不確定性2012-04-18水利水電學(xué)院灰色系統(tǒng)理論灰色系統(tǒng)理論把自然界中已知的信息視為白色系統(tǒng)，把未來的信息視為黑色系統(tǒng)，而把介于兩者之間的系統(tǒng)叫做灰色系統(tǒng)信息封閉性、不完全性、可部分確知性關(guān)聯(lián)度水情預(yù)測、規(guī)劃、調(diào)度、控制、決策、評價、不確定性分析2012-04-18水利水電學(xué)院分形理論研究自然界不規(guī)則現(xiàn)象及其內(nèi)在的規(guī)律當尺度改變時，他的結(jié)構(gòu)具有不變性，具有這種特點的幾何圖形稱為分形2012-04-18水利水電學(xué)院灌區(qū)灌溉渠道系統(tǒng)分形特征研究圖8-2漳河灌區(qū)渠系布置圖2012-04-18水利水電學(xué)院一般常用三種維數(shù)來描述一種分形結(jié)構(gòu)，即：豪斯道夫維數(shù)D，信息維數(shù)關(guān)聯(lián)維數(shù)應(yīng)用：（1）分析水文過程形態(tài)特征（2）用分形理論劃分洪水分期圖3-3時間序列轉(zhuǎn)換為點集示意圖2012-04-18水利水電學(xué)院灌區(qū)灌溉渠道系統(tǒng)分形特征研究渠道總干渠二干渠三干渠一支渠二支渠一分干渠二分干渠一分干渠二分干渠三分干渠四分干渠五分干渠一支干渠二支干渠一分干渠二分干渠三分干渠一分干渠二分干渠維數(shù)1.2451.1751.2191.0091.0331.2471.0451.0811.1911.1031.0931.1961.0081.002表8-1漳河灌區(qū)渠系盒維數(shù)分析

結(jié)論：分形維數(shù)能反映分形體的結(jié)構(gòu)特征。渠道空間分布的分形維數(shù)值越大，表明渠道的彎曲程度越高，渠道能均勻地布置在其控制范圍內(nèi)2012-04-18水利水電學(xué)院混沌分析混沌是確定性系統(tǒng)中出現(xiàn)的一種貌似規(guī)則、類似隨機的現(xiàn)象非周期性對初始條件的敏感性長期不可預(yù)測性具有分形性質(zhì)普適性遍歷性基本特征：初值微小變化，長期演變過程大不不同參數(shù)取特定數(shù)值，系統(tǒng)在某一范圍內(nèi)遍歷2012-04-18水利水電學(xué)院舉水流域柳子港站1956-2000年的徑流量混沌特性分析最大Lyapunov指數(shù)計算方法最大Lyapunov指數(shù)Wolf法0.2664小數(shù)據(jù)量法0.0550小數(shù)據(jù)量改進算法0.0868平均值0.13612012-04-18水利水電學(xué)院舉水流域1956-2000年共45年的灌溉用水量分析最大Lyapunov指數(shù)計算方法最大Lyapunov指數(shù)Wolf法0.1903小數(shù)據(jù)量法0.0051小數(shù)據(jù)量改進算法0.0067平均值0.0674水利水電學(xué)院舉水流域麻城站1956-2005年的月徑流量數(shù)據(jù)進行混沌預(yù)測預(yù)測方法預(yù)測值

(萬m3)實測值

(萬m3)相對誤差

(%)二項式回歸預(yù)測2105.11483.841.9灰色預(yù)測1833.91483.823.6時間序列分解預(yù)測1669.41483.812.5混沌預(yù)測1375.51483.87.32012-04-18水利水電學(xué)院

有向信息傳輸指數(shù)特征圖4-1韶山灌區(qū)有向信息傳輸示意圖圖4-2雙牌灌區(qū)有向信息傳輸示意圖結(jié)論：有向信息傳輸指數(shù)隨距離增加而減少，表明隨距離增大，站點之間ET0信息傳遞將減少，關(guān)聯(lián)程度降低參考作物潛在騰發(fā)量的信息熵理論2012-04-18水利水電學(xué)院

遺傳算法是模擬自然界生物進化機制的一種算法特點：是對參數(shù)進行編碼運算,不需要有關(guān)體系的任何先驗知識沿多種路線進行平行搜索,能在許多局部較優(yōu)中找到全局最優(yōu)點2012-04-18水利水電學(xué)院大系統(tǒng)多目標優(yōu)化大系統(tǒng)遞階分析原理與方法多目標決策的基本原理與求解技術(shù)大系統(tǒng)多目標遞階分析與方法2012-04-18水利水電學(xué)院大系統(tǒng)研究方法多重建模與分析基本思想是對有多個互聯(lián)子系統(tǒng)的大系統(tǒng)，采用分解和多重建模的方法分解是把系統(tǒng)整體建模處理為各子系統(tǒng)的建模問題，然后再建立關(guān)聯(lián)模型，組成大系統(tǒng)的整體模型2012-04-18水利水電學(xué)院大系統(tǒng)控制形式遞階控制：象金字塔式的結(jié)構(gòu)特性：由一定優(yōu)先和從屬關(guān)系的決策單元構(gòu)成有一個總目標，一個或多個單元目標存在垂直向的多級間信息交換2012-04-18水利水電學(xué)院分散控制對多輸入多輸出的大系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)負責整體系統(tǒng)中的一部分單獨運行動態(tài)系統(tǒng)控制器1控制器22012-04-18水利水電學(xué)院遞階控制的結(jié)構(gòu)形式在遞階控制系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)的地位、作用、功能、相互聯(lián)系方式、信息交換不同，結(jié)構(gòu)形式也不同多級遞階控制結(jié)構(gòu)多重遞階控制結(jié)構(gòu)多層遞階控制結(jié)構(gòu)多段遞階控制結(jié)構(gòu)2012-04-18水利水電學(xué)院大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理尋優(yōu)步驟：1、建立數(shù)學(xué)模型2、按模型性質(zhì)、特點和便于求解的原則，選擇適當?shù)倪f階結(jié)構(gòu)形式，進行分解3、對各子系統(tǒng)按各自的目標、約束尋優(yōu)4、通過各級協(xié)調(diào)關(guān)系尋求整個大系統(tǒng)的最優(yōu)化2012-04-18水利水電學(xué)院關(guān)聯(lián)平衡原理選用適當協(xié)調(diào)變量，對各局部控制子系統(tǒng)優(yōu)化，使子系統(tǒng)局部最優(yōu)反復(fù)修正協(xié)調(diào)變量值，使協(xié)調(diào)偏差逐步減少，達到關(guān)聯(lián)平衡，實現(xiàn)大系統(tǒng)的全局最優(yōu)不考慮關(guān)聯(lián)約束，只將關(guān)聯(lián)變量作為獨立變量處理，讓子系統(tǒng)自動尋優(yōu)，又稱不可行法水利水電學(xué)院關(guān)聯(lián)預(yù)估原理（模型協(xié)調(diào)法）協(xié)調(diào)器預(yù)估各子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)輸入與輸出變量以預(yù)估關(guān)聯(lián)量作為協(xié)調(diào)變量,使各子系統(tǒng)局部最優(yōu)將子系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果反饋回給協(xié)調(diào)器，修正關(guān)聯(lián)預(yù)估值，直達總體目標最優(yōu)為止由于這種方法的中間結(jié)果都可用于實際系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)約束總是滿足的，又稱為可行法2012-04-18水利水電學(xué)院多目標評價技術(shù)非劣解生成技術(shù)：權(quán)重法、約束法、線性多目標規(guī)劃法、多目標動態(tài)規(guī)劃結(jié)合偏好的決策技術(shù)：目的規(guī)劃法，理想點法，替代價值權(quán)衡法，淘汰篩選法、加權(quán)平均法、字典序法、廣義理想點法等2012-04-18水利水電學(xué)院目的規(guī)劃法

對一個高級決策單元和若干子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)，總存在一個理想目標，為實現(xiàn)這個理想目標，可以不斷通過信息交換，調(diào)整總體理想目標在各子系統(tǒng)間的分配，逐步達到總體理想目標，達到整體最優(yōu)2012-04-18水利水電學(xué)院自優(yōu)化模擬技術(shù)逆時序模擬：水庫反映下游利益的防破壞線、反映水庫多目標綜合利用效益最大的經(jīng)濟蓄水線順時序模擬：水庫實際水量分配方案

2012-04-18水利水電學(xué)院（1）逆時序推求丹江口水庫防破壞線

防破壞線是指考慮了各時段的來水后，丹江口水庫為滿足漢江中下游及清泉溝各時段的用水要求，運行時必須遵循的過程線。計算公式：

2012-04-18水利水電學(xué)院（2）逆時序推求丹江口水庫經(jīng)濟蓄水線

經(jīng)濟蓄水線是保證北調(diào)水最大，發(fā)電效益最大的控制線。計算公式：

2012-04-18水利水電學(xué)院（3）順時序模擬調(diào)度計算

在防破壞線和經(jīng)濟蓄水線，以及調(diào)度圖的共同約束下，從時段初開始，逐步向時段末方向進行模擬計算。計算公式：

漢江流域簡介上游：丹江口水庫以上干流長925km

集水面積9.52萬km2中下游：丹江口以下

河道長652km面積6.4萬

km2中游：丹江口至碾盤山河長270km區(qū)間面積4.68萬km2

耕地面積193.22km2

人口350萬下游：碾盤山至漢口河長382km區(qū)間面積1.7萬km2

耕地面積877.22km2

人口1079.73萬興建引江濟漢工程，補充漢江興隆以下的水資源南水北調(diào)中線補償工程措施水資源系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖

124375681391014121511丹江口長江長江東荊河南河蠻河滾河、敖水興隆樞紐引江濟漢干渠漢江中下游水資源系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖

頻率河段2000年2010年需補給水量

(108m3/a)需補給流量(m3/s)需補給水量(108m3/a)需補給流量(m3/s)p=75%沙洋－澤口0.00.032.3102.4澤口－仙桃1.96.035.9113.8仙桃－漢口0.00.013.843.8p=95%沙洋－澤口0.00.047.8151.6澤口－仙桃24.577.749155.4仙桃－漢口0.20.636.8116.7多年平均沙洋－澤口0.00.010.232.3澤口－仙桃0.00.0928.5仙桃－漢口0.00.01.65.1漢江中下游分段河道生態(tài)環(huán)境需補給水量和流量表2012-04-18水利水電學(xué)院自優(yōu)化模擬成果與分析東荊河灌區(qū)：耕地面積138.3萬畝城市人口14.24萬人農(nóng)村人口83.29萬人灌區(qū)耕地面積（萬畝）城市人口(萬人)城市人口(萬人)謝灣灌區(qū)26.4430.8517.09澤口區(qū)144.33