灤河流域水庫群聯(lián)合調度及三維仿真

前言

中國是一個水旱災害頻發(fā)的國家，如何解決好水多、水少、水臟的問題，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用以支持國民經濟的可持續(xù)發(fā)展，已成為社會普遍關心的問題。隨著社會經濟的迅速發(fā)展，我國建成了許多大型水利工程，研究在一定區(qū)域內的水庫群聯(lián)合控制運用，充分發(fā)揮水利工程在防洪和興利方面的作用，對保證水利工程的防洪安全、地區(qū)防洪安全以及水資源的高效利用有著極其重要意義。灤河是我國北方地區(qū)水資源較豐沛的河流之一，多年平均年徑流量為46.94億ms，但河川徑流年際、年內分配不均，具有連豐連枯的水文特性。自1999年以來，灤河流域連續(xù)多年持續(xù)干旱少雨，潘家口水庫平均年來水量僅為7.43億m。，為多年平均年來水量的30％。由于潘家口水庫來水銳減，造成天津、唐山和秦皇島市供水不足，先后四次實施引黃濟津應急調水，五次動用潘家口水庫死庫容應急供水的窘迫局面。如何更好地發(fā)揮本地區(qū)水利工程的作用，更好地利用當?shù)厮Y源以緩減水資源的供需矛盾是一個有現(xiàn)實意義和理論意義的課題。在這種背景下，由水利部海河水利委員會引灤工程管理局建議，由華北水利水電學院牽頭，中國水利水電科學研究院和南水北調中線建管局等多家單位協(xié)助，開展了灤河流域水庫群聯(lián)合調度及三維仿真研究。針對灤河流域的水文特征和地區(qū)的供需水特點，充分利用現(xiàn)有水利工程，實施潘家口、大黑汀、桃林口、陡河、于橋和邱莊等水庫聯(lián)合調度。在系統(tǒng)分析不同子區(qū)發(fā)生洪水的時空特性基礎上，發(fā)揮本流域水庫群的聯(lián)合防洪功能，較好地實現(xiàn)了發(fā)生大洪水時減小洪水災害損失，發(fā)生中、小洪水時，充分利用洪水資源，緩解了該地區(qū)的防洪壓力和水資源供需矛盾。三維仿真技術提高了該成果的實用性。

內容概要

本書是作者系統(tǒng)總結近年來項目研究成果和水利部公益性行業(yè)科研專項資助項目（200801015）相關研究成果的基礎上編寫而成的。全書共分7章，圍繞如何更好地發(fā)揮灤河流域水利工程的作用，較深入地研究了現(xiàn)代智能算法在需水預測、徑流預報、洪水預報、新安江模型及馬斯京根模型參數(shù)率定、水庫群優(yōu)化調度等方面的應用；利用三維虛擬仿真技術在三維空間展現(xiàn)調度結果，構建了一個完整的灤河流域水庫調度決策支持系統(tǒng)，取得了較好的應用效果。    本書可供水文及水資源、水利工程、管理科學等專業(yè)的研究生、科研人員、大中專院校師生及關心水利行業(yè)發(fā)展的讀者參考使用，也可為水庫管理部門進行水庫的調度工作提供參考、借鑒。

書籍目錄

前言第1章  灤河流域概況及水資源開發(fā)利用中存在的問題  1.1  流域概況    1.1.1  自然地理    1.1.2  水文氣象    1.1.3  工程概況    1.1.4  主要受水城市水資源供需情勢  1.2  水資源開發(fā)利用中存在的問題第2章  研究現(xiàn)狀綜述及技術路線  2.1  國內外研究現(xiàn)狀    2.1.1  二元水循環(huán)理論    2.1.2  流域模型參數(shù)優(yōu)選    2.1.3  徑流預報    2.1.4  水庫群優(yōu)化調度    2.1.5  水庫模擬調度    2.1.6  流域數(shù)字化技術  2.2  水庫調度研究中存在的主要問題  2.3  研究的技術路線第3章  變化環(huán)境下的灤河流域水循環(huán)機理  3.1  二元驅動下的流域水循環(huán)系統(tǒng)演進  3.2  流域二元水循環(huán)過程模擬的實現(xiàn)    3.2.1  基于二元模式的流域水循環(huán)研究    3.2.2  流域二元水循環(huán)過程的模擬  3.3  人類活動影響下流域水循環(huán)模型    3.3.1  模型結構    3.3.2  模擬要素    3.3.3  能量過程模擬    3.3.4  水文過程模擬  3.4  人類活動影響下灤河流域水循環(huán)機理研究    3.4.1  參數(shù)處理    3.4.2  模型校驗第4章  基于演化算法的洪水預報模型  4.1  基于混合遺傳算法的洪水預報模型    4.1.1  概念性水文模型    4.1.2  新安江模型結構與參數(shù)    4.1.3  混合遺傳算法  4.2  模型應用    4.2.1  模型參數(shù)的率定    4.2.2  率定結果    4.2.3  洪水擬合成果  4.3  過程預報    4.3.1  雨水情勢分析    4.3.2  洪水過程  4.4  馬斯京根河道洪水演算模型    4.4.1  馬斯京根模型    4.4.2  馬斯京根參數(shù)優(yōu)選方法    4.4.3  模型應用第5章  基于多目標決策技術的水庫優(yōu)化調度模型  5.1  基于粒子群優(yōu)化算法的水庫優(yōu)化調度模型    5.1.1  基本粒子群算法    5.1.2  自適應隨機慣性權策略    5.1.3  自適應隨機慣性粒子群性能測試    5.1.4  限速粒子群算法    5.1.5  基于粒子群算法的水庫優(yōu)化調度模型    5.1.6  應用實例  5.2  水庫多目標調度的模糊決策方法    5.2.1  水庫調度的目標    5.2.2  水庫調度的模糊優(yōu)選方法    5.2.3  評價指標權重的確定    5.2.4  陡河水庫調度方案的模糊決策  5.3  灤河下游水庫群聯(lián)合模擬調度    5.3.1  調度原則    5.3.2  調洪計算思路    5.3.3  調洪資料的選取    5.3.4  庫群聯(lián)合防洪調度計算方法    5.3.5  調度方案    5.3.6  方案實施  5.4  灤河下游水庫群聯(lián)合防洪實時調度第6章  區(qū)域水資源供需分析及供水調度  6.1  基于自適應模糊推理系統(tǒng)的徑流預報模型    6.1.1  自適應模糊推理系統(tǒng)    6.1.2  減法聚類及其在ANFIS結構辨識中的應用    6.1.3  應用實例    6.1.4  預報結果評價指標    6.1.5  預報建模及結果  6.2  基于神經網絡的需水量預測模型    6.2.1  神經元和神經網絡模型    6.2.2  BP神經網絡    6.2.3  BP神經網絡用于需水量預測的相關問題分析  6.3  灤河流域受水區(qū)需水預測    6.3.1  城市生活需水預測    6.3.2  城市工業(yè)需水量預測    6.3.3  城市生態(tài)需水量預測    6.3.4  需水預測的BP神經網絡模型——以天津市為例  6.4  水庫群聯(lián)合供水調度研究    6.4.1  來水系統(tǒng)    6.4.2  需水系統(tǒng)    6.4.3  協(xié)調層優(yōu)化調水模型    6.4.4  庫群優(yōu)化調度模型    6.4.5  水庫群實時優(yōu)化調度    6.4.6  不同來水頻率的水庫調度結果及分析第7章  水庫群聯(lián)合調度決策支持系統(tǒng)及三維仿真  7.1  水庫調度決策支持系統(tǒng)簡介  7.2  六庫聯(lián)合調度系統(tǒng)  7.3  陡河水庫防洪供水調度系統(tǒng)    7.3.1  供水調度的操作    7.3.2  洪水預報的操作    7.3.3  洪水調度的操作    7.3.4  數(shù)據(jù)庫管理的操作    7.3.5  圖片資料管理的操作    7.3.6  視頻資料管理的操作    7.3.7  文本資料管理的操作  7.4  水庫調度三維仿真    7.4.1  數(shù)字流域與三維仿真概述    7.4.2  基于Skyline的大場景三維展示平臺    7.4.3  三維虛擬仿真平臺的整體架構    7.4.4  數(shù)據(jù)處理  7.5  主要功能及其實現(xiàn)    7.5.1  三維信息的展示    7.5.2  三維信息的查詢    7.5.3  空間數(shù)據(jù)分析    7.5.4  洪水演進與淹沒分析    7.5.5  供水調度結果的三維展示    7.5.6  系統(tǒng)的整體架構    7.5.7  系統(tǒng)主要功能與界面結論發(fā)表的相關論文參考文獻附錄  書中的彩圖

章節(jié)摘錄

插圖：目前，國內許多流域規(guī)劃及水資源研究項目中，已應用了模擬技術，并且開發(fā)出了相應的軟件。從國內現(xiàn)行的一些模擬軟件看，多數(shù)是針對具體流域或地區(qū)的特定情況研制的，僅適用于自身的模擬需要。如水利部黃河水利委員會研究開發(fā)的黃河流域水資源經濟模型，中國水利水電科學研究院研發(fā)的華北水資源規(guī)劃模擬模型，水利部東北勘測設計研究院與清華大學聯(lián)合開發(fā)研究的松遼流域水資源系統(tǒng)規(guī)劃模擬模型等。趙建世、王忠靜等（2004）基于復雜適應系統(tǒng)理論建立了流域級的水資源系統(tǒng)整體模型，該模型可用于分析研究流域的水資源管理。模擬模型通過計算機，復現(xiàn)系統(tǒng)的實質作用和過程，它可以用數(shù)學關系式描述系統(tǒng)參數(shù)和變量之間的數(shù)學關系，詳細地描述系統(tǒng)的物理特征和經濟特征，并能在模型中溶人決策者的經驗和判斷，通過計算機模擬計算提出各種規(guī)劃方案比較時所必要的評價指標，以幫助決策者對各方案的利弊得失進行權衡比較，同時還能對決策中臨時提出的規(guī)劃方案及時提供模擬成果。一旦提供必要的系統(tǒng)輸入，程序就可生成系統(tǒng)對這些輸入的響應，從而揭示系統(tǒng)的運行規(guī)律。模擬模型不像數(shù)學解析法可直接求得最優(yōu)解，每次運行只可得到一個響應，需要用其他數(shù)學優(yōu)選法來確定最優(yōu)解。實際存在的水資源系統(tǒng)是極為復雜的，要想讓模型正確的識別系統(tǒng)，首先要對實際的系統(tǒng)進行概化，把水資源系統(tǒng)中的不同成分，如水源點、河道匯流點、蓄水設施、提水引水設施等，以及用水工程中的農業(yè)灌區(qū)、工業(yè)用水及城市用水等，稱為節(jié)點，均可用特定的符號表示，節(jié)點之間的水力聯(lián)系，如天然河道和人工河渠等，可用線段表示。這樣就可以把水資源系統(tǒng)表示成由符號和線段組成的圖形，這樣的圖形稱為節(jié)點圖。將實際水資源系統(tǒng)概化為節(jié)點圖是進行系統(tǒng)模擬的必要前提。對水資源系統(tǒng)進行模擬，還需要把系統(tǒng)中各用水和供水工程的工程特征、運行準則等用邏輯語言和數(shù)學公式表示出來，用數(shù)據(jù)描述水流在系統(tǒng)中的流動情況。模擬時段的長短視問題的要求而定，一般與模擬精度有關。在給定系統(tǒng)的初始狀態(tài)后，就可依時間先后順序逐年逐時段進行模擬。

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