复杂系统水资源合理配置理论与实践 ——以南水北调中线工程河南受水区为例

论文摘要

水资源合理配置研究是目前水科学研究的热点之一,对复杂水资源系统的认识及描述方法等理论研究还不能适应实践的要求。本文针对复杂系统水资源动力学特征、水文水资源要素预测和水资源合理配置等问题进行了系统研究,主要开展了复杂系统水资源动力学特征分析的理论与方法、水文水资源要素预测模型、复杂系统水资源配置的理论与方法、水资源配置优化模型与模拟模型的有机耦合技术和耦合模型等的研究,并应用于南水北调中线工程河南受水区水资源合理配置,取得了如下主要成果:(1)完善了复杂系统水资源动力学特征分析的理论体系,运用混沌理论和相空间重构技术,探讨了水资源系统的混沌现象,提出了水资源系统动力学特征的测度,即:Hurst指数、Kolmogorov熵、Lyapunov指数、关联维数。并以南水北调中线工程河南受水区为例,系统地研究大气降水子系统、地表水子系统、浅层地下水在系统和深层地下水子系统的动力学特征,给出了各子系统的分形特征、复杂程度和演化规律,各子系统动力学特征指标和水循环之间的定性关系。(2)提出了水文水资源要素预测的相空间重构神经网络预测模型、加权一阶局域法多步预测模型和偏最小二乘回归神经网络预测模型,并将模型应用于南水北调中线工程河南受水区的水文水资源要素的预测,取得了较满意的结果。(3)完善了复杂系统水资源配置的理论与方法,建立了复杂系统水资源多目标优化配置模型。将大系统分解协调理论和遗传算法相结合,较好地解决了复杂系统水资源中多水源多用户多目标配置模型的求解问题。从水资源合理配置的任务、原则、目标出发,研究了水资源配置模拟模型与优化模型的优点和不足,提出了水资源配置优化模型与模拟模型的有机耦合技术,通过优化与模拟模型的不断反馈和调整,可获得不同水平年、不同频率条件下的水资源合理配置方案。(4)将本文提出的复杂系统水资源合理配置理论与方法应用于南水北调中线工程河南受水区的水资源合理配置研究。将优化与模拟的优点相结合,生成由优化模型和模拟模型组成的模型系统,克服单一模型由于过分概化造成的失真和成果得不到有效验证的缺陷。优化和模拟有机耦合的应用,实现了水资源合理配置时间和空间的有机耦合,得出符合实际、具有可操作性的合理配置结果。耦合模型系统,描述复杂问题更真实、灵活、简单、便于修改,有利于进行交互式程序分析是今后水资源配置研究的一个发展方向。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 复杂水资源系统动力学特征及系统要素预测
• 1.2.2 水资源配置研究
• 1.3 研究存在问题及发展趋势
• 1.3.1 研究存在问题
• 1.3.2 发展趋势
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 拟采用的技术路线
• 1.6 主要创新点
• 2 水资源系统动力学特征分析方法研究
• 2.1 水资源系统
• 2.1.1 水资源系统的内涵
• 2.1.2 水资源系统动力学
• 2.1.3 水资源系统中的混沌
• 2.2 混沌理论
• 2.2.1 混沌的内涵
• 2.2.2 吸引子
• 2.2.3 混沌时间序列相空间重构
• 2.2.4 相空间重构参数的选取
• 2.2.5 相空间重构的作用
• 2.3 动力学系统混沌特征及测度
• 2.3.1 混沌特征
• 2.3.2 混沌特征的测度
• 3 南水北调中线工程河南受水区水资源系统动力学特征分析
• 3.1 系统特征指数计算
• 3.1.1 大气降水子系统
• 3.1.2 地表水子系统
• 3.1.3 浅层地下水子系统
• 3.1.4 深层地下水子系统
• 3.2 系统动力学特征分析
• 3.2.1 系统的分形特征
• 3.2.2 系统的复杂程度
• 3.2.3 系统的演化
• 3.3 本章小结
• 4 复杂系统水文水资源要素预测模型
• 4.1 相空间重构神经网络预测模型
• 4.1.1 神经网络的基本原理
• 4.1.2 相空间重构与神经网络耦合的径流量预测模型的建立
• 4.1.3 应用实例
• 4.1.4 小结
• 4.2 加权一阶局域法一步及多步预测模型
• 4.2.1 加权一阶局域法一步预测模型
• 4.2.2 加权一阶局域法多步预测模型
• 4.2.3 实例计算
• 4.2.4 小结
• 4.3 偏最小二乘回归神经网络预测模型
• 4.3.1 偏最小二乘回归的原理
• 4.3.2 偏最小二乘回归的算法
• 4.3.3 偏最小二乘回归神经网络模型
• 4.3.4 应用实例
• 4.3.5 小结
• 4.4 本章小结
• 5 复杂系统水资源合理配置理论体系研究
• 5.1 水资源合理配置的内涵
• 5.1.1 水资源合理配置的概念
• 5.1.2 水资源合理配置与供需平衡的关系
• 5.1.3 水资源合理配置的主要任务
• 5.2 水资源配置的原则及目标
• 5.2.1 水资源配置的原则
• 5.2.2 水资源配置的目标
• 5.3 水资源合理配置机理
• 5.3.1 优化配置目标的度量与识别
• 5.3.2 合理配置中的平衡关系
• 5.3.3 水资源合理配置模型
• 5.4 本章小结
• 6 复杂水资源系统多目标优化配置模型及求解
• 6.1 复杂系统水资源多目标优化配置模型的建立
• 6.1.1 水资源优化配置模型概述
• 6.1.2 区域水资源优化配置模型的建立
• 6.2 模型求解方法——遗传算法
• 6.2.1 遗传算法的特点
• 6.2.2 遗传算法的基本结构
• 6.2.3 遗传算法的操作步骤
• 6.3 遗传算法求解水资源多目标优化配置模型
• 6.3.1 大系统分解协调优化过程
• 6.3.2 多目标优化技术
• 6.3.3 单目标优化方法
• 6.3.4 模型求解方法—大系统分解协调的多目标遗传算法
• 6.4 本章小结
• 7 南水北调中线工程河南受水区水资源合理配置
• 7.1 南水北调中线工程河南受水区概况
• 7.1.1 自然地理概况
• 7.1.2 社会经济状况
• 7.1.3 水资源状况
• 7.1.4 现有供水工程设施及供水能力
• 7.1.5 现状供用水情况及存在问题
• 7.1.6 2010 水平年供水规划
• 7.2 水资源合理配置的基本条件
• 7.2.1 水平年
• 7.2.2 水资源配置基本单元
• 7.2.3 水资源系统概化
• 7.2.4 基本数据与资料
• 7.3 水资源优化配置模型
• 7.3.1 模型目标函数
• 7.3.2 约束条件
• 7.3.3 模型参数和计算条件
• 7.3.4 优化配置结果及分析
• 7.4 水资源配置模拟模型
• 7.4.1 基于优化成果的水资源模拟配置规则
• 7.4.2 各类水源具体运行规则
• 7.4.3 水资源模拟模型的建立及求解
• 7.5 优化与模拟的耦合
• 7.5.1 模拟思想在优化模型中的应用
• 7.5.2 优化和模拟相结合的关键技术问题处理
• 7.6 配置方案结果比较与推荐方案分析
• 7.6.1 配置方案结果比较
• 7.6.2 水源供水结构
• 7.6.3 用户缺水结构
• 7.6.4 南水北调水分水结果
• 7.7 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 研究成果
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录