跨流域調(diào)水理論和隨機(jī)配水模型研究——以南水北調(diào)西線工程為例.pdf

1、跨流域調(diào)水是解決水資源時(shí)空分布不合理的有力措施?？缌饔蛘{(diào)水是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣涉及多水源、多目標(biāo)、高維、跨學(xué)科、復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題。由于跨流域調(diào)水的復(fù)雜性、涉及問(wèn)題的多樣性以及跨流域調(diào)水工程的具體情況千變?nèi)f化,使得目前跨流域調(diào)水理論研究尚不完善。本文針對(duì)南水北調(diào)西線工程,以隨機(jī)動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn),對(duì)南水北調(diào)西線跨流域調(diào)水系統(tǒng)中的缺水-輸水-配水環(huán)節(jié)進(jìn)行深入研究,探索在這一領(lǐng)域尚未被充分研究,而對(duì)工程規(guī)劃、決策很重要的相關(guān)理論、方法和模型。本研究

2、不僅對(duì)南水北調(diào)西線跨流域調(diào)水工程的規(guī)劃論證有參考價(jià)值和指導(dǎo)意義,而且對(duì)其它跨流域調(diào)水項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理運(yùn)行也有重要參考價(jià)值。論文結(jié)合南水北調(diào)西線工程,在分析黃河干流徑流特性和各種影響因素的基礎(chǔ)上,對(duì)缺水-輸水-配水環(huán)節(jié)涉及到的理論、方法和模型進(jìn)行了研究,從而為南水北調(diào)西線工程的規(guī)劃論證提供理論基礎(chǔ)。論文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的成果有以下幾個(gè)方面:(1)提出了黃河干流各節(jié)點(diǎn)水文缺水分類預(yù)測(cè)和決策樹(shù)模型,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步推求了黃河干流各

3、節(jié)點(diǎn)水文缺水狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣。水文缺水分類預(yù)測(cè)和決策樹(shù)模型基于數(shù)據(jù)挖掘和信息論方法,模型不僅可以用于計(jì)算各節(jié)點(diǎn)來(lái)水頻率的動(dòng)態(tài)水文缺水量,而且還可以對(duì)各節(jié)點(diǎn)未來(lái)的水文缺水狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別、分類和預(yù)測(cè)。黃河干流節(jié)點(diǎn)水文缺水分類預(yù)測(cè)和決策樹(shù)模型,是黃河干流早期干旱預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分。(2)用時(shí)間序列理論證明了黃河干流節(jié)點(diǎn)水文缺水狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列的平穩(wěn)性,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)節(jié)點(diǎn)水文缺水狀態(tài)的分步預(yù)測(cè)。通過(guò)推求水文缺水狀態(tài)的n步轉(zhuǎn)移概率矩陣,分析得到了未來(lái)不

4、同狀態(tài)水文缺水的概率分布。時(shí)間序列理論也是預(yù)測(cè)未來(lái)水文缺水狀態(tài)的有力工具,它可為南水北調(diào)西線工程調(diào)水規(guī)模的決策提供理論基礎(chǔ)。(3)對(duì)南水北調(diào)西線工程輸水環(huán)節(jié),以前的文獻(xiàn)較少提及。本文針對(duì)黃河干流輸水能力的種種限制因素進(jìn)行分析,得到了滿足各種限制條件下,西線可能最大調(diào)水量,可以給工程規(guī)劃、決策提供參考依據(jù)。(4)用Poisson過(guò)程推測(cè)了南水北調(diào)西線工程未來(lái)不同使用強(qiáng)度的概率分布情況,可供西線工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理參考。(5)建立了基于概率

5、的配水模型,并用鞅解決了復(fù)雜的概率模型計(jì)算的問(wèn)題。配水模型涉及到復(fù)雜的條件概率計(jì)算問(wèn)題,傳統(tǒng)的概率統(tǒng)計(jì)算法無(wú)法勝任多維、隨機(jī)、動(dòng)態(tài)的配水模型計(jì)算,本研究引用隨機(jī)過(guò)程理論中的鞅,解決了高維隨機(jī)配水模型的計(jì)算。該模型雖然只能解決部分滿足一定條件的節(jié)點(diǎn)配水問(wèn)題,但模型在求解過(guò)程中引用的鞅,為其它類似問(wèn)題的求解提供了一個(gè)有益的探索。(6)用序列運(yùn)算理論,得到了南水北調(diào)西線工程在三個(gè)隨機(jī)過(guò)程共同作用下的合理調(diào)水量,可以為南水北調(diào)西線工程調(diào)水規(guī)模決

6、策、論證提供重要理論依據(jù)。(7)建立了古典多維尺度(CMDS)配水模型。CMDS配水模型是一個(gè)實(shí)時(shí)、多維、動(dòng)態(tài)隨機(jī)模型,它是傳統(tǒng)一維配水模型的重要突破。該模型較好地解決了水資源實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)隨機(jī)配置問(wèn)題,能有效防止枯水年和平水年黃河流域水資源配置不當(dāng),造成的下游斷流問(wèn)題。CMDS配水模型還是MDS模型傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的重要拓展。CMDS配水模型的多維性、實(shí)時(shí)性和隨機(jī)性,可以實(shí)現(xiàn)黃河干流節(jié)點(diǎn)徑流實(shí)時(shí)配置。該模型具有靈活性和數(shù)據(jù)輸入的方便性,有廣闊的