跨流域調水理論和隨機配水模型研究——以南水北調西線工程為例.pdf

1、跨流域調水是解決水資源時空分布不合理的有力措施?？缌饔蛘{水是結構復雜、形式多樣涉及多水源、多目標、高維、跨學科、復雜的系統(tǒng)工程問題。由于跨流域調水的復雜性、涉及問題的多樣性以及跨流域調水工程的具體情況千變萬化,使得目前跨流域調水理論研究尚不完善。本文針對南水北調西線工程,以隨機動態(tài)的觀點,對南水北調西線跨流域調水系統(tǒng)中的缺水-輸水-配水環(huán)節(jié)進行深入研究,探索在這一領域尚未被充分研究,而對工程規(guī)劃、決策很重要的相關理論、方法和模型。本研究

2、不僅對南水北調西線跨流域調水工程的規(guī)劃論證有參考價值和指導意義,而且對其它跨流域調水項目的規(guī)劃、設計和管理運行也有重要參考價值。論文結合南水北調西線工程,在分析黃河干流徑流特性和各種影響因素的基礎上,對缺水-輸水-配水環(huán)節(jié)涉及到的理論、方法和模型進行了研究,從而為南水北調西線工程的規(guī)劃論證提供理論基礎。論文的主要研究內容和取得的成果有以下幾個方面:(1)提出了黃河干流各節(jié)點水文缺水分類預測和決策樹模型,在此基礎上,進一步推求了黃河干流各

3、節(jié)點水文缺水狀態(tài)轉移概率矩陣。水文缺水分類預測和決策樹模型基于數(shù)據(jù)挖掘和信息論方法,模型不僅可以用于計算各節(jié)點來水頻率的動態(tài)水文缺水量,而且還可以對各節(jié)點未來的水文缺水狀態(tài)進行識別、分類和預測。黃河干流節(jié)點水文缺水分類預測和決策樹模型,是黃河干流早期干旱預警系統(tǒng)的重要組成部分。(2)用時間序列理論證明了黃河干流節(jié)點水文缺水狀態(tài)轉移序列的平穩(wěn)性,并實現(xiàn)了對節(jié)點水文缺水狀態(tài)的分步預測。通過推求水文缺水狀態(tài)的n步轉移概率矩陣,分析得到了未來不

4、同狀態(tài)水文缺水的概率分布。時間序列理論也是預測未來水文缺水狀態(tài)的有力工具,它可為南水北調西線工程調水規(guī)模的決策提供理論基礎。(3)對南水北調西線工程輸水環(huán)節(jié),以前的文獻較少提及。本文針對黃河干流輸水能力的種種限制因素進行分析,得到了滿足各種限制條件下,西線可能最大調水量,可以給工程規(guī)劃、決策提供參考依據(jù)。(4)用Poisson過程推測了南水北調西線工程未來不同使用強度的概率分布情況,可供西線工程規(guī)劃、設計和管理參考。(5)建立了基于概率

5、的配水模型,并用鞅解決了復雜的概率模型計算的問題。配水模型涉及到復雜的條件概率計算問題,傳統(tǒng)的概率統(tǒng)計算法無法勝任多維、隨機、動態(tài)的配水模型計算,本研究引用隨機過程理論中的鞅,解決了高維隨機配水模型的計算。該模型雖然只能解決部分滿足一定條件的節(jié)點配水問題,但模型在求解過程中引用的鞅,為其它類似問題的求解提供了一個有益的探索。(6)用序列運算理論,得到了南水北調西線工程在三個隨機過程共同作用下的合理調水量,可以為南水北調西線工程調水規(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配水模型是一個實時、多維、動態(tài)隨機模型,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時動態(tài)隨機配置問題,能有效防止枯水年和平水年黃河流域水資源配置不當,造成的下游斷流問題。CMDS配水模型還是MDS模型傳統(tǒng)應用領域的重要拓展。CMDS配水模型的多維性、實時性和隨機性,可以實現(xiàn)黃河干流節(jié)點徑流實時配置。該模型具有靈活性和數(shù)據(jù)輸入的方便性,有廣闊的