跨流域调水理论和随机配水模型研究 ——以南水北调西线工程为例

论文摘要

跨流域调水是解决水资源时空分布不合理的有力措施。跨流域调水是结构复杂、形式多样涉及多水源、多目标、高维、跨学科、复杂的系统工程问题。由于跨流域调水的复杂性、涉及问题的多样性以及跨流域调水工程的具体情况千变万化,使得目前跨流域调水理论研究尚不完善。本文针对南水北调西线工程,以随机动态的观点,对南水北调西线跨流域调水系统中的缺水-输水-配水环节进行深入研究,探索在这一领域尚未被充分研究,而对工程规划、决策很重要的相关理论、方法和模型。本研究不仅对南水北调西线跨流域调水工程的规划论证有参考价值和指导意义,而且对其它跨流域调水项目的规划、设计和管理运行也有重要参考价值。论文结合南水北调西线工程,在分析黄河干流径流特性和各种影响因素的基础上,对缺水-输水-配水环节涉及到的理论、方法和模型进行了研究,从而为南水北调西线工程的规划论证提供理论基础。论文的主要研究内容和取得的成果有以下几个方面:（1）提出了黄河干流各节点水文缺水分类预测和决策树模型,在此基础上,进一步推求了黄河干流各节点水文缺水状态转移概率矩阵。水文缺水分类预测和决策树模型基于数据挖掘和信息论方法,模型不仅可以用于计算各节点来水频率的动态水文缺水量,而且还可以对各节点未来的水文缺水状态进行识别、分类和预测。黄河干流节点水文缺水分类预测和决策树模型,是黄河干流早期干旱预警系统的重要组成部分。（2）用时间序列理论证明了黄河干流节点水文缺水状态转移序列的平稳性,并实现了对节点水文缺水状态的分步预测。通过推求水文缺水状态的n步转移概率矩阵,分析得到了未来不同状态水文缺水的概率分布。时间序列理论也是预测未来水文缺水状态的有力工具,它可为南水北调西线工程调水规模的决策提供理论基础。（3）对南水北调西线工程输水环节,以前的文献较少提及。本文针对黄河干流输水能力的种种限制因素进行分析,得到了满足各种限制条件下,西线可能最大调水量,可以给工程规划、决策提供参考依据。（4）用Poisson过程推测了南水北调西线工程未来不同使用强度的概率分布情况,可供西线工程规划、设计和管理参考。（5）建立了基于概率的配水模型,并用鞅解决了复杂的概率模型计算的问题。配水模型涉及到复杂的条件概率计算问题,传统的概率统计算法无法胜任多维、随机、动态的配水模型计算,本研究引用随机过程理论中的鞅,解决了高维随机配水模型的计算。该模型虽然只能解决部分满足一定条件的节点配水问题,但模型在求解过程中引用的鞅,为其它类似问题的求解提供了一个有益的探索。（6）用序列运算理论,得到了南水北调西线工程在三个随机过程共同作用下的合理调水量,可以为南水北调西线工程调水规模决策、论证提供重要理论依据。（7）建立了古典多维尺度（CMDS）配水模型。CMDS配水模型是一个实时、多维、动态随机模型,它是传统一维配水模型的重要突破。该模型较好地解决了水资源实时动态随机配置问题,能有效防止枯水年和平水年黄河流域水资源配置不当,造成的下游断流问题。CMDS配水模型还是MDS模型传统应用领域的重要拓展。CMDS配水模型的多维性、实时性和随机性,可以实现黄河干流节点径流实时配置。该模型具有灵活性和数据输入的方便性,有广阔的拓展空间,可以适应大型流域复杂的配水问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 跨流域调水的作用和意义
• 1.2 古今中外跨流域调水计划和成功案例
• 1.3 国内外跨流域调水研究概况
• 1.4 存在问题
• 1.5 本文的研究内容和技术路线
• 2 黄河流域水资源及南水北调西线工程概况
• 2.1 黄河流域水资源概况
• 2.1.1 黄河流域河段划分
• 2.1.2 黄河流域分区
• 2.1.3 2000 年黄河流域各分区社会经济概况
• 2.1.4 黄河流域水资源供需形势分析
• 2.2 南水北调西线跨流域调水工程概况
• 2.2.1 南水北调西线工程主要功效
• 2.2.2 南水北调西线工程调水区概况
• 2.2.3 南水北调西线工程可调水量概况
• 2.3 本章小结
• 3 黄河干流水文缺水分析
• 3.1 黄河干流节点划分
• 3.2 黄河流域需水量分析
• 3.2.1 黄河流域需水量分析
• 3.2.2 黄河流域未来需水量分析预测
• 3.3 黄河干流各节点年径流量分析
• 3.3.1 节点年径流量分析
• 3.3.2 黄河干流各节点年径流特性分析
• 3.4 黄河干流各节点年径流量年内分配特性
• 3.4.1 黄河干流各节点月径流过程线
• 3.4.2 黄河干流各节点月径流量超越机率分析
• 3.5 黄河干流节点水文缺水分析
• 3.5.1 黄河节点年水文缺水分析
• 3.5.2 黄河各节点水文缺水年内分配
• 3.6 黄河干流节点水文缺水分类模型研究
• 3.6.1 黄河干流节点水文缺水等级划分标准
• 3.6.2 黄河节点水文缺水分类模型
• 3.6.3 黄河干流节点水文缺水状态转移概率
• 3.7 水文缺水状态时间序列分析研究
• 3.7.1 时间序列理论与方法简介
• 3.7.2 水文缺水状态时间序列分析研究
• 3.7.3 黄河节点水文缺水状态预测
• 3.8 黄河干流节点水文缺水决策树模型研究
• 3.8.1 决策树模型简介
• 3.8.2 黄河干流节点水文缺水决策树
• 3.8.3 黄河干流节点水文缺水决策树的应用
• 3.9 本章小结
• 4 黄河干流输水能力对南水北调西线调水量的影响分析
• 4.1 黄河干流输水能力限制因素分析
• 4.1.1 黄河干流河段防凌流量约束
• 4.1.2 黄河干流河段城市防洪流量约束
• 4.1.3 黄河干流平滩流量约束
• 4.2 西线可能最大调水量估算
• 4.3 本章小结
• 5 随机配水模型研究
• 5.1 随机过程理论相关概念简介
• 5.1.1 随机过程
• 5.1.2 鞅
• 5.1.3 Poisson 过程
• 5.2 调水次数的概率模型
• 5.3 基于概率的西线工程随机配水模型
• 5.3.1 配水概率的随机分布
• 5.3.2 模型的截尾概率算法
• 5.3.3 随机配水模型讨论
• 5.4 随机配水模型序列运算研究
• 5.4.1 序列运算理论简介
• 5.4.2 随机配水模型的概率性序列构造
• 5.4.3 随机配水模型的序列运算
• 5.5 本章小结
• 6 多维尺度配水模型研究
• 6.1 多维尺度模型简介
• 6.1.1 多维尺度模型起源和分类
• 6.1.2 古典MDS 模型
• 6.1.3 复MDS 模型
• 6.1.4 权重MDS 模型
• 6.1.5 测度MDS 模型的算法实现
• 6.2 MDS 配水模型
• 6.3 MDS 配水模型算例
• 6.3.1 模型输入数据
• 6.3.2 典型年配水计算结果
• 6.3.3 模型不同需水方案的影响分析
• 6.3.4 模型结果讨论
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 附录