灌区水量优化配置理论及计算机管理决策系统研究

论文摘要

灌区水量优化配置是实现合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境的有力手段和措施。因此改进灌区水量优化配置方法,对水资源在灌区和各用水部门间进行合理调配,实现有限水资源的经济、社会和生态环境综合效益最大,以及水质和水量的统一和协调具有重要的现实意义。研究遗传算法、自由搜索算法、神经网络算法等在灌区水量优化配置中的应用,是对灌区水量优化配置理论的有益补充。本文结合国家科技部863计划“数字渠系平台建设与精准用水管理决策应用”(2003AA209040)、西北农林科技大学科研专项“渠灌区时空配水管理通用模型库研究与开发”(04ZM070),以冯家山灌区为研究对象,进行了灌区优化配置若干理论和计算机管理决策系统研究。以提高水量优化配置效果为目的,深入研究了灌区水量优化配置的理论、优化配置模型,灌区用水管理评价、以及遗传算法和自由搜索算法对水量优化配置的应用。主要研究内容和取得的结论如下:(1)依据遗传算法理论,在配水求解中,摈弃传统的二进制编码,采用了和人们处理问题思路一致的十进制编码,用依次配水的顺序排列来表示各个个体的编码串,有效地提高了编码效率并降低了程序设计的难度。针对传统基因编码中基因不能很好反映渠道技术参数的问题,采用了复合基因编码技术,基因组编码中包括多个位码,既有表示渠道编号的位码,还有表示渠道流量、渠道配水优先级别等信息的位码。比以往用传统基因编码方法求解得到的优化信息更加完备,优化结果更加贴近实际。(2)针对遗传算法的某些局限性,本文采用自由搜索算法克服了传统基因编码方法容易陷入局部最优解的缺陷,扩大了算法的搜索空间,从而提高了基因序列的质量;同时由于对各个渠道流量调节采用了自由搜索算法,使各渠道的流量在其允许的范围内调节到最佳值,从而使各个渠道在同一时间关闭,不但减少了渠道弃水,而且在目前灌区的管理条件下还减少了人工管理的劳动时间,这对整个渠系水量调度具有很好的理论和现实意义。(3)灌区调度的目的在于将适时、适量的水分分配给各种作物,使得有限的水资源能产生最大的经济效益。对于水库灌区,若能将水量优化调度和土地资源以及人们不同优化目的有机地结合起来,将会使灌溉水资源真正得到有效合理的分配。本文构造了灌区不确定条件下多目标灌水定额模型并与渠系优化配水模型进行了实际验证。(4)针对目前综合评价中存在主观确定权重、最优值选取不准、评价函数不尽合理等问题,对灌区用水管理评价时采用主观法确定权重,多元相关分析法(Multivariate Correlation Analysis (MCA))客观调整权重,并预测参数的数值分布区间,最后用综合距离法(CP,也称折衷法)对指标进行综合评价。实例表明,该评价方法是科学的、可行的,是对综合评价理论有益的探索。(5)在市场经济条件下,无论是供水者还是需水者,利润对他们至关重要。充分拉动经济杠杆,对供水、需水及节水将具有重要的影响。本文从利益激励机制出发,给出了农业水价的合理范围,为科学制订水价提供了有益的参考。(6)基于灌区水量优化配置理论、方法、模型研究的基础上,采用面向对象模块化的设计方法,开发出了计算机管理决策系统。该系统能够实现灌区水情信息、渠系信息的查询、分析;能够根据实际情况制定出优化配水计划;对配水计划随时调整;也可对灌区用水计划管理进行综合评价。实例结果表明该系统具有很好的的通用性、实用性和可扩展性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 水资源配置软件研究现状
• 1.2.4 水资源优化方法发展趋势
• 1.2.5 水资源优化配置研究特点及存在的问题
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 论文的研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 灌区水量优化配置理论
• 2.1 遗传算法理论
• 2.1.1 遗传算法生物学基础
• 2.1.2 遗传算法特点
• 2.1.3 遗传算法的数学基础
• 2.1.4 遗传算法的实现步骤
• 2.2 神经网络理论
• 2.2.1 BP 神经网络及其算法
• 2.2.2 BP 算法存在的问题
• 2.2.3 BP 算法的若干改进
• 2.2.4 BP 网络的设计
• 2.3 Free search 理论
• 2.3.1 Free search 原理
• 2.3.2 Free search 算法结构
• 2.4 小结
• 第三章 灌区水资源优化配置模型
• 3.1 灌区水量整体配置模型
• 3.1.1 模型的建立
• 3.1.2 不同利益激励下数学模型的建立
• 3.1.3 数学模型的求解
• 3.1.4 实例计算
• 3.1.5 结果分析
• 3.2 灌区渠系优化配水调度模型
• 3.2.1 灌区不确定条件下多目标灌水定额的确定
• 3.2.2 数学模型建立的前提
• 3.2.3 配水数学模型的建立
• 3.2.4 配水遗传算法的构造过程
• 3.2.5 配水遗传算法的实现
• 3.3 小结
• 第四章 灌区计划用水管理评价研究
• 4.1 灌区计划用水管理评价的意义
• 4.1.1 灌区计划用水管理评价的现实意义
• 4.1.2 灌区计划用水管理评价的理论意义
• 4.2 灌区计划用水管理评价过程
• 4.3 灌区运行综合评价方法评析
• 4.3.1 AHP 方法
• 4.3.2 专家打分法
• 4.3.3 模糊聚类法
• 4.3.4 主成分分析法
• 4.3.5 综合距离法
• 4.3.6 评价方法评析
• 4.4 评价指标体系的建立
• 4.4.1 综合评价指标建立的原则
• 4.4.2 评价指标选取
• 4.5 灌区计划用水管理评价
• 4.5.1 多元相关分析
• 4.5.2 多元统计方法确定各目标最优值
• 4.5.3 灌区计划用水管理综合评价
• 4.6 实例应用
• 4.7 小结
• 第五章 灌区整体利益下水价模型研究
• 5.1 水价在水资源管理中的重要作用
• 5.2 水资源的属性
• 5.2.1 水资源的自然属性
• 5.2.2 水资源的经济属性
• 5.2.3 水资源的社会属性
• 5.3 水资源的价值
• 5.3.1 水资源的理论价值
• 5.3.2 自然水资源的价值
• 5.3.3 商品水资源价值
• 5.4 水价的构成要素
• 5.4.1 综合成本
• 5.4.2 盈利率
• 5.4.3 国家社会经济发展水平
• 5.5 水价与水量的需求关系
• 5.6 采用合理价格体制，确定合理、合适的水价
• 5.6.1 水管单位收入
• 5.6.2 农户灌水效益
• 5.7 神经网络对降雨量的预测
• 5.8 实例分析
• 5.9 小结
• 第六章 灌区水量优化配置管理决策系统研制
• 6.1 系统需求分析
• 6.1.1 系统功能需求
• 6.1.2 系统信息需求
• 6.2 系统设计方法与原则
• 6.2.1 系统设计方法
• 6.2.2 系统设计原则
• 6.3 系统设计
• 6.3.1 系统用例图
• 6.3.2 静态结构模型
• 6.3.3 动态结构模型
• 6.4 功能模块设计
• 6.5 系统开发平台及数据库技术
• 6.5.1 系统开发工具
• 6.5.2 数据库技术
• 6.6 系统运行
• 6.6.1 系统登陆
• 6.6.2 系统主界面
• 6.7 运行实例
• 6.7.1 配水计划制订
• 6.7.2 优化配水
• 6.8 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介