灤河流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度及三維仿真

前言

中國(guó)是一個(gè)水旱災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，如何解決好水多、水少、水臟的問題，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用以支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，已成為社會(huì)普遍關(guān)心的問題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)建成了許多大型水利工程，研究在一定區(qū)域內(nèi)的水庫(kù)群聯(lián)合控制運(yùn)用，充分發(fā)揮水利工程在防洪和興利方面的作用，對(duì)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(guó)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(nèi)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(kù)平均年來水量?jī)H為7.43億m。，為多年平均年來水量的30％。由于潘家口水庫(kù)來水銳減，造成天津、唐山和秦皇島市供水不足，先后四次實(shí)施引黃濟(jì)津應(yīng)急調(diào)水，五次動(dòng)用潘家口水庫(kù)死庫(kù)容應(yīng)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(dāng)?shù)厮Y源以緩減水資源的供需矛盾是一個(gè)有現(xiàn)實(shí)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(huì)引灤工程管理局建議，由華北水利水電學(xué)院牽頭，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和南水北調(diào)中線建管局等多家單位協(xié)助，開展了灤河流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度及三維仿真研究。針對(duì)灤河流域的水文特征和地區(qū)的供需水特點(diǎn)，充分利用現(xiàn)有水利工程，實(shí)施潘家口、大黑汀、桃林口、陡河、于橋和邱莊等水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度。在系統(tǒng)分析不同子區(qū)發(fā)生洪水的時(shí)空特性基礎(chǔ)上，發(fā)揮本流域水庫(kù)群的聯(lián)合防洪功能，較好地實(shí)現(xiàn)了發(fā)生大洪水時(shí)減小洪水災(zāi)害損失，發(fā)生中、小洪水時(shí)，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(shù)提高了該成果的實(shí)用性。

內(nèi)容概要

本書是作者系統(tǒng)總結(jié)近年來項(xiàng)目研究成果和水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（200801015）相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)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(yù)測(cè)、徑流預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)、新安江模型及馬斯京根模型參數(shù)率定、水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度等方面的應(yīng)用；利用三維虛擬仿真技術(shù)在三維空間展現(xiàn)調(diào)度結(jié)果，構(gòu)建了一個(gè)完整的灤河流域水庫(kù)調(diào)度決策支持系統(tǒng)，取得了較好的應(yīng)用效果。    本書可供水文及水資源、水利工程、管理科學(xué)等專業(yè)的研究生、科研人員、大中專院校師生及關(guān)心水利行業(yè)發(fā)展的讀者參考使用，也可為水庫(kù)管理部門進(jìn)行水庫(kù)的調(diào)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(shì)  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(shù)路線  2.1  國(guó)內(nèi)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(yù)報(bào)    2.1.4  水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度    2.1.5  水庫(kù)模擬調(diào)度    2.1.6  流域數(shù)字化技術(shù)  2.2  水庫(kù)調(diào)度研究中存在的主要問題  2.3  研究的技術(shù)路線第3章  變化環(huán)境下的灤河流域水循環(huán)機(jī)理  3.1  二元驅(qū)動(dòng)下的流域水循環(huán)系統(tǒng)演進(jìn)  3.2  流域二元水循環(huán)過程模擬的實(shí)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(dòng)影響下流域水循環(huán)模型    3.3.1  模型結(jié)構(gòu)    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(dòng)影響下灤河流域水循環(huán)機(jī)理研究    3.4.1  參數(shù)處理    3.4.2  模型校驗(yàn)第4章  基于演化算法的洪水預(yù)報(bào)模型  4.1  基于混合遺傳算法的洪水預(yù)報(bào)模型    4.1.1  概念性水文模型    4.1.2  新安江模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)    4.1.3  混合遺傳算法  4.2  模型應(yīng)用    4.2.1  模型參數(shù)的率定    4.2.2  率定結(jié)果    4.2.3  洪水?dāng)M合成果  4.3  過程預(yù)報(bào)    4.3.1  雨水情勢(shì)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(yīng)用第5章  基于多目標(biāo)決策技術(shù)的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型  5.1  基于粒子群優(yōu)化算法的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型    5.1.1  基本粒子群算法    5.1.2  自適應(yīng)隨機(jī)慣性權(quán)策略    5.1.3  自適應(yīng)隨機(jī)慣性粒子群性能測(cè)試    5.1.4  限速粒子群算法    5.1.5  基于粒子群算法的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型    5.1.6  應(yīng)用實(shí)例  5.2  水庫(kù)多目標(biāo)調(diào)度的模糊決策方法    5.2.1  水庫(kù)調(diào)度的目標(biāo)    5.2.2  水庫(kù)調(diào)度的模糊優(yōu)選方法    5.2.3  評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定    5.2.4  陡河水庫(kù)調(diào)度方案的模糊決策  5.3  灤河下游水庫(kù)群聯(lián)合模擬調(diào)度    5.3.1  調(diào)度原則    5.3.2  調(diào)洪計(jì)算思路    5.3.3  調(diào)洪資料的選取    5.3.4  庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度計(jì)算方法    5.3.5  調(diào)度方案    5.3.6  方案實(shí)施  5.4  灤河下游水庫(kù)群聯(lián)合防洪實(shí)時(shí)調(diào)度第6章  區(qū)域水資源供需分析及供水調(diào)度  6.1  基于自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)的徑流預(yù)報(bào)模型    6.1.1  自適應(yīng)模糊推理系統(tǒng)    6.1.2  減法聚類及其在ANFIS結(jié)構(gòu)辨識(shí)中的應(yīng)用    6.1.3  應(yīng)用實(shí)例    6.1.4  預(yù)報(bào)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)    6.1.5  預(yù)報(bào)建模及結(jié)果  6.2  基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的需水量預(yù)測(cè)模型    6.2.1  神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型    6.2.2  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)    6.2.3  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于需水量預(yù)測(cè)的相關(guān)問題分析  6.3  灤河流域受水區(qū)需水預(yù)測(cè)    6.3.1  城市生活需水預(yù)測(cè)    6.3.2  城市工業(yè)需水量預(yù)測(cè)    6.3.3  城市生態(tài)需水量預(yù)測(cè)    6.3.4  需水預(yù)測(cè)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型——以天津市為例  6.4  水庫(kù)群聯(lián)合供水調(diào)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(diào)層優(yōu)化調(diào)水模型    6.4.4  庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模型    6.4.5  水庫(kù)群實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度    6.4.6  不同來水頻率的水庫(kù)調(diào)度結(jié)果及分析第7章  水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度決策支持系統(tǒng)及三維仿真  7.1  水庫(kù)調(diào)度決策支持系統(tǒng)簡(jiǎn)介  7.2  六庫(kù)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)  7.3  陡河水庫(kù)防洪供水調(diào)度系統(tǒng)    7.3.1  供水調(diào)度的操作    7.3.2  洪水預(yù)報(bào)的操作    7.3.3  洪水調(diào)度的操作    7.3.4  數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)調(diào)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(chǎng)景三維展示平臺(tái)    7.4.3  三維虛擬仿真平臺(tái)的整體架構(gòu)    7.4.4  數(shù)據(jù)處理  7.5  主要功能及其實(shí)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(jìn)與淹沒分析    7.5.5  供水調(diào)度結(jié)果的三維展示    7.5.6  系統(tǒng)的整體架構(gòu)    7.5.7  系統(tǒng)主要功能與界面結(jié)論發(fā)表的相關(guān)論文參考文獻(xiàn)附錄  書中的彩圖

章節(jié)摘錄

插圖：目前，國(guó)內(nèi)許多流域規(guī)劃及水資源研究項(xiàng)目中，已應(yīng)用了模擬技術(shù)，并且開發(fā)出了相應(yīng)的軟件。從國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的一些模擬軟件看，多數(shù)是針對(duì)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(huì)研究開發(fā)的黃河流域水資源經(jīng)濟(jì)模型，中國(guó)水利水電科學(xué)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(cè)設(shè)計(jì)研究院與清華大學(xué)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(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論建立了流域級(jí)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(jì)算機(jī)，復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)作用和過程，它可以用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述系統(tǒng)參數(shù)和變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，詳細(xì)地描述系統(tǒng)的物理特征和經(jīng)濟(jì)特征，并能在模型中溶人決策者的經(jīng)驗(yàn)和判斷，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算提出各種規(guī)劃方案比較時(shí)所必要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以幫助決策者對(duì)各方案的利弊得失進(jìn)行權(quán)衡比較，同時(shí)還能對(duì)決策中臨時(shí)提出的規(guī)劃方案及時(shí)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(duì)這些輸入的響應(yīng)，從而揭示系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。模擬模型不像數(shù)學(xué)解析法可直接求得最優(yōu)解，每次運(yùn)行只可得到一個(gè)響應(yīng)，需要用其他數(shù)學(xué)優(yōu)選法來確定最優(yōu)解。實(shí)際存在的水資源系統(tǒng)是極為復(fù)雜的，要想讓模型正確的識(shí)別系統(tǒng)，首先要對(duì)實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行概化，把水資源系統(tǒng)中的不同成分，如水源點(diǎn)、河道匯流點(diǎn)、蓄水設(shè)施、提水引水設(shè)施等，以及用水工程中的農(nóng)業(yè)灌區(qū)、工業(yè)用水及城市用水等，稱為節(jié)點(diǎn)，均可用特定的符號(hào)表示，節(jié)點(diǎn)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(hào)和線段組成的圖形，這樣的圖形稱為節(jié)點(diǎn)圖。將實(shí)際水資源系統(tǒng)概化為節(jié)點(diǎn)圖是進(jìn)行系統(tǒng)模擬的必要前提。對(duì)水資源系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)行準(zhǔn)則等用邏輯語(yǔ)言和數(shù)學(xué)公式表示出來，用數(shù)據(jù)描述水流在系統(tǒng)中的流動(dòng)情況。模擬時(shí)段的長(zhǎng)短視問題的要求而定，一般與模擬精度有關(guān)。在給定系統(tǒng)的初始狀態(tài)后，就可依時(shí)間先后順序逐年逐時(shí)段進(jìn)行模擬。

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