水利水電學院水資源系統工程邵東國2013年5月水利水電學院第一章水資源系統工程概論邵東國3h（第10周）第二章水資源系統評價與模擬邵東國3h（第10周）第三章水資源系統優化配置胡鐵松6h（第11周）第四章水資源系統優化調度付湘6h（第12周）第五章水資源系統風險分析付湘6h（第13周）第六章水資源系統復雜性羅強6h（第14周）復習3小時（第15周三）羅強考試3小時（第15周五）羅強主要內容2012-04-18水利水電學院1.馮尚友，水資源系統工程，湖北科技出版社，1996年2.許國志，系統科學，上海科教出版社，20003.袁宏源、邵東國、郭宗樓，水資源系統分析理論與應用，武漢水利電力大學出版社，20004.郭元裕、李壽聲,灌排工程最優規劃與管理,水利水電出版社,1996年5、翁文斌、王忠靜、趙建世，現代水資源規劃理論、方法與技術，清華大學出版社，20036、邵東國等，水資源復雜系統理論，科學出版社，2012教學參考書2012-04-18水利水電學院水資源系統工程問題工程規劃問題：選址、線路、規模、范圍、結構、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、調度規則、價格體系、規章制度、預測預警、應急預案水資源系統概化圖2012-04-18水利水電學院水資源系統規劃目標水文學：極端事件安全保障率最大資源學：用水總量控制經濟學：用水效率最大生態學：生態流量穩定環境學：水功能區達標率最大社會學：利益公平分配2012-04-18水利水電學院水資源系統規劃管理技術工程技術信息技術管理技術生態修復技術環境保護技術生物技術新型材料系統分析技術2012-04-18水利水電學院2012-04-18水利水電學院系統思想是關于事物整體性觀念、相互聯系的觀念、演化發展的觀念系統思想2012-04-18水利水電學院系統是相互作用的多元素的復合體（貝塔朗菲）S=<A,R>式中：A為系統S的元素集，R為元素間的關系集特點多元性：多樣性的統一，差異性的統一相關性整體性非線性多目標性非確定性環境適應性系統定義2012-04-18水利水電學院系統結構結構：組分及組分之間的關聯方式當系統規模太大時，必須對元素進行“分片”管理，把系統分成若干子系統，但不同子系統具有相同的結構子系統特點：局域性系統性可分性相對獨立性2012-04-18水利水電學院現代科學技術：使系統思想定量化，定量處理系統各組成部分相互聯系計算機技術：為定量化系統思想的應用提供了強有力工具社會實踐活動的大型化和復雜化：要求系統思想方法定性與定量相結合2012-04-18水利水電學院耗散結構理論（普利高津，1969）開放且遠離平衡系統和環境進行物質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自發轉變到在時間、空間和功能上的有序狀態水利水電學院協同學理論（哈肯，1969）一個系統從無序到有序的關鍵：在一定條件下，能自發產生在時間、空間和功能上穩定的有序結構系統在臨界點附近的行為僅由少數慢變量決策，系統的快變量由慢變量（序參量）支配，即役使原理水利水電學院非線性理論一個系統不僅是其部分的總和一個系統的性能如何隨時間變化？有沒有穩定的終態？在非線性動力學中，就是定常狀態、分岔、不動點、振蕩、混沌問題2012-04-18水利水電學院系統分析方法

系統分析：是運用邏輯思維推理和定量分析相結合的方法，對系統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、結論定量方法：投入產出模型、數學規劃法等定性方法：因果分析法、德爾菲法等2012-04-18水利水電學院系統評價對系統開發提供的各種可行方案進行綜合考察，全面權衡利弊得失，為系統決策選擇最優方案提供科學依據難點：指標難量化、不同方案難取舍原則：指標數量化、歸一化、客觀性、可比性、系統性和政策性2012-04-18水利水電學院水資源評價技術模糊數學灰色系統非線性理論神經網絡小波分析信息技術2012-04-18水利水電學院模糊數學概念的亦此亦彼性、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模糊綜合評價模糊聚類分析模糊控制模糊優化模糊不確定性2012-04-18水利水電學院灰色系統理論灰色系統理論把自然界中已知的信息視為白色系統，把未來的信息視為黑色系統，而把介于兩者之間的系統叫做灰色系統信息封閉性、不完全性、可部分確知性關聯度水情預測、規劃、調度、控制、決策、評價、不確定性分析2012-04-18水利水電學院分形理論研究自然界不規則現象及其內在的規律當尺度改變時，他的結構具有不變性，具有這種特點的幾何圖形稱為分形2012-04-18水利水電學院灌區灌溉渠道系統分形特征研究圖8-2漳河灌區渠系布置圖2012-04-18水利水電學院一般常用三種維數來描述一種分形結構，即：豪斯道夫維數D，信息維數關聯維數應用：（1）分析水文過程形態特征（2）用分形理論劃分洪水分期圖3-3時間序列轉換為點集示意圖2012-04-18水利水電學院灌區灌溉渠道系統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1.2451.1751.2191.0091.0331.2471.0451.0811.1911.1031.0931.1961.0081.002表8-1漳河灌區渠系盒維數分析

結論：分形維數能反映分形體的結構特征。渠道空間分布的分形維數值越大，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2012-04-18水利水電學院混沌分析混沌是確定性系統中出現的一種貌似規則、類似隨機的現象非周期性對初始條件的敏感性長期不可預測性具有分形性質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取特定數值，系統在某一范圍內遍歷2012-04-18水利水電學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指數計算方法最大Lyapunov指數Wolf法0.2664小數據量法0.0550小數據量改進算法0.0868平均值0.13612012-04-18水利水電學院舉水流域1956-2000年共45年的灌溉用水量分析最大Lyapunov指數計算方法最大Lyapunov指數Wolf法0.1903小數據量法0.0051小數據量改進算法0.0067平均值0.0674水利水電學院舉水流域麻城站1956-2005年的月徑流量數據進行混沌預測預測方法預測值

(萬m3)實測值

(萬m3)相對誤差

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

有向信息傳輸指數特征圖4-1韶山灌區有向信息傳輸示意圖圖4-2雙牌灌區有向信息傳輸示意圖結論：有向信息傳輸指數隨距離增加而減少，表明隨距離增大，站點之間ET0信息傳遞將減少，關聯程度降低參考作物潛在騰發量的信息熵理論2012-04-18水利水電學院

遺傳算法是模擬自然界生物進化機制的一種算法特點：是對參數進行編碼運算,不需要有關體系的任何先驗知識沿多種路線進行平行搜索,能在許多局部較優中找到全局最優點2012-04-18水利水電學院大系統多目標優化大系統遞階分析原理與方法多目標決策的基本原理與求解技術大系統多目標遞階分析與方法2012-04-18水利水電學院大系統研究方法多重建模與分析基本思想是對有多個互聯子系統的大系統，采用分解和多重建模的方法分解是把系統整體建模處理為各子系統的建模問題，然后再建立關聯模型，組成大系統的整體模型2012-04-18水利水電學院大系統控制形式遞階控制：象金字塔式的結構特性：由一定優先和從屬關系的決策單元構成有一個總目標，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水利水電學院分散控制對多輸入多輸出的大系統，每個子系統負責整體系統中的一部分單獨運行動態系統控制器1控制器22012-04-18水利水電學院遞階控制的結構形式在遞階控制系統中，各子系統的地位、作用、功能、相互聯系方式、信息交換不同，結構形式也不同多級遞階控制結構多重遞階控制結構多層遞階控制結構多段遞階控制結構2012-04-18水利水電學院大系統分解協調原理尋優步驟：1、建立數學模型2、按模型性質、特點和便于求解的原則，選擇適當的遞階結構形式，進行分解3、對各子系統按各自的目標、約束尋優4、通過各級協調關系尋求整個大系統的最優化2012-04-18水利水電學院關聯平衡原理選用適當協調變量，對各局部控制子系統優化，使子系統局部最優反復修正協調變量值，使協調偏差逐步減少，達到關聯平衡，實現大系統的全局最優不考慮關聯約束，只將關聯變量作為獨立變量處理，讓子系統自動尋優，又稱不可行法水利水電學院關聯預估原理（模型協調法）協調器預估各子系統的關聯輸入與輸出變量以預估關聯量作為協調變量,使各子系統局部最優將子系統優化結果反饋回給協調器，修正關聯預估值，直達總體目標最優為止由于這種方法的中間結果都可用于實際系統，關聯約束總是滿足的，又稱為可行法2012-04-18水利水電學院多目標評價技術非劣解生成技術：權重法、約束法、線性多目標規劃法、多目標動態規劃結合偏好的決策技術：目的規劃法，理想點法，替代價值權衡法，淘汰篩選法、加權平均法、字典序法、廣義理想點法等2012-04-18水利水電學院目的規劃法

對一個高級決策單元和若干子系統組成的大系統，總存在一個理想目標，為實現這個理想目標，可以不斷通過信息交換，調整總體理想目標在各子系統間的分配，逐步達到總體理想目標，達到整體最優2012-04-18水利水電學院自優化模擬技術逆時序模擬：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水利水電學院（2）逆時序推求丹江口水庫經濟蓄水線

經濟蓄水線是保證北調水最大，發電效益最大的控制線。計算公式：

2012-04-18水利水電學院（3）順時序模擬調度計算

在防破壞線和經濟蓄水線，以及調度圖的共同約束下，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中線補償工程措施水資源系統概化網絡圖

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概化網絡圖

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環境需補給水量和流量表2012-04-18水利水電學院自優化模擬成果與分析東荊河灌區：耕地面積138.3萬畝城市人口14.24萬人農村人口83.29萬人灌區耕地面積（萬畝）城市人口(萬人)城市人口(萬人)謝灣灌區26.4430.8517.09澤口區144.33