流域水量調(diào)控模型與應用

　　本書以流域水量調(diào)控為主線，結(jié)合黃河、塔里木河流域水量調(diào)度重大的科學與實踐問題，對流域水量調(diào)控的理論、模型及應用進行了系統(tǒng)深入的研究；針對流域水量調(diào)控涉及內(nèi)容廣、影響因素多、來水和用水具有不確定性和隨機性的特點，提出并建立了自適應控制模型和基于復雜適應系統(tǒng)的水量優(yōu)化配置理論，這一理論在流域水資源管理、水量統(tǒng)一調(diào)度等方面具有推廣應用價值。 本書可供從事水利工作特別是流域水資源管理和調(diào)度的人員參考，也可作為高等院校師生及科研院所技術(shù)人員的參考書。 前言 合理配置和調(diào)度有限水資源是流域水管理重大的科學與實踐問題。流域徑流時空分布不均，年際和年內(nèi)來水變化大，且大部分徑流集中在源流區(qū)或中上游地區(qū)，降雨的多年變化和年內(nèi)集中程度均很大，導致一級流域年際間來水量可相差數(shù)倍，年內(nèi)最大四個月來水可達全年徑流的80％。水資源不利的先天條件，造成我國許多地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的巨大用水缺口，生態(tài)環(huán)境脆弱，下游可利用量十分有限，甚至引起季節(jié)性斷流。流域水資源短缺已嚴重制約了社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。 以黃河流域為例，黃河承擔著我國西北、華北大部分地區(qū)的供水任務，其流域面積約占全國面積的8％，但其河川徑流量僅占全國的2％，卻承擔了流域和下游引黃灌區(qū)占全國15％的耕地和12％的人口的供水任務。20世紀70年代以來的黃河下游斷流，對流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活、下游河道的排洪能力、生態(tài)環(huán)境等均產(chǎn)生嚴重影響，是流域水資源供需矛盾的集中體現(xiàn)。類似的情況在我國內(nèi)陸河同樣存在。塔里木河干流為純耗散性內(nèi)陸河，自身不產(chǎn)流，其水資源全部來自源流補給。由于源流對干流補給量的減少，致使干流面臨著嚴重的生態(tài)環(huán)境問題：尾閭湖泊羅布泊和臺特瑪湖相繼干涸，具有戰(zhàn)略意義的下游綠色走廊瀕臨毀滅，流域生態(tài)環(huán)境問題已成為舉世矚目的重大問題。 水量調(diào)控是要維持水資源系統(tǒng)的和諧，保證系統(tǒng)的良性循環(huán)。系統(tǒng)科學原理揭示出協(xié)調(diào)與有序是內(nèi)在聯(lián)系的，比如經(jīng)濟系統(tǒng)協(xié)調(diào)、穩(wěn)定發(fā)展就是有序，經(jīng)濟發(fā)展失調(diào)就是無序；維持生態(tài)平衡就是有序，否則就是無序。對于水資源系統(tǒng)，如果經(jīng)濟、社會、生態(tài)子系統(tǒng)都能夠保持一定的秩序，而且在組合上協(xié)調(diào)、適度，那么整個系統(tǒng)就是有序的。因此，對水資源系統(tǒng)進行調(diào)控使之協(xié)調(diào)，也就是要提高水資源系統(tǒng)的有序性，實現(xiàn)向有序方向的演化。但是如何在較高的層次上來分析系統(tǒng)的演化，如何來衡量系統(tǒng)的有序性，理論上是系統(tǒng)科學研究的領(lǐng)域，應用上也是流域水量調(diào)控要解決的問題。充分利用流域骨干調(diào)蓄工程，合理調(diào)度流域上、中、下游的生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水量非常重要。如何綜合運用工程措施和非工程措施，特別是采用現(xiàn)代化的調(diào)控手段，實現(xiàn)流域水資源的合理調(diào)配，發(fā)揮水資源的最大效益，緩解水資源供需矛盾，是流域水資源面臨的重大的理論和實踐問題。 水量調(diào)控作為流域水資源管理的一種手段，有其可靠的理論基礎(chǔ)。全書運用系統(tǒng)工程的理論方法，在分析流域水資源變化情勢和國內(nèi)外流域管理模式的基礎(chǔ)上，提出流域水量調(diào)控的理論框架和模型體系，并在黃河和塔里木河流域水量調(diào)度中得到應用。全書共12章，第1章分析了國內(nèi)外流域管理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。第2章提出流域水量調(diào)控的理論框架、模型體系，形成流域水量調(diào)控的方法。第3章分析了流域自適應水量調(diào)控問題，基于自適應控制的理論，建立了具有"總量控制、軌跡跟蹤和滾動修正"功能的流域水量自適應調(diào)控模型。第4章基于復雜適應性理論，通過分析水資源開發(fā)利用與社會、經(jīng)濟和環(huán)境之間的相互關(guān)系，建立整體優(yōu)化模型理論，提出流域水資源整體優(yōu)化調(diào)控方案。在分析流域水資源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，論述了復雜適應系統(tǒng)理論框架及模型構(gòu)建，建立了流域水資源配置整體模型。第5章至第8章將水量調(diào)控模型應用于黃河流域。其中第5章論述了黃河流域水量時空演化規(guī)律，提出黃河流域水量調(diào)控的必要性和可行性。第6章建立了黃河流域整體調(diào)配模型，在分析流域用水主體特征和水資源模擬計算的基礎(chǔ)上，優(yōu)化出各用水單位用水指標，作為年調(diào)度參考指標。第7章針對黃河水量調(diào)度中來水、用水過程隨機性的特點，基于自適應控制的理論和方法，利用狀態(tài)識別和系統(tǒng)模擬技術(shù)，建立了水庫調(diào)度與河道演進耦合的水量調(diào)控模型，通過對流域內(nèi)水位、水量調(diào)控，根據(jù)控制斷面的最小流量要求，自適應地調(diào)節(jié)水庫入庫和出庫過程，以滿足各省區(qū)和生態(tài)用水需求。第8章建立了全干流一維水力學模型、重點河段日調(diào)控模型和CARMA模型。第9章在計算河口最小生態(tài)需水量和河流生態(tài)基流量的基礎(chǔ)上，對黃河水量統(tǒng)一調(diào)度前后的效果進行了對比研究，利用遙感等多種技術(shù)方法，對河口生態(tài)恢復進行了評價。第10章至12章研究了塔里木河流域水量調(diào)控模型。其中第10章分析了塔里木河流域水資源特點和干流水資源消耗特征。第11章介紹了塔里木河流域水量調(diào)度系統(tǒng)和自適應調(diào)控模型。第12章建立了塔里木河流域農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水優(yōu)化調(diào)度模型，并對模型結(jié)果進行了對比分析。 本書的研究成果得到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目"黃河流域水資源演化規(guī)律與可再生性維持機理"第七課題（G1999043607）、國家自然科學創(chuàng)新研究群體基金項目"流域水沙過程與臨界調(diào)控機理"（50221903）以及黃河水量調(diào)度管理系統(tǒng)、塔里木河流域水量調(diào)度管理系統(tǒng)等重大生產(chǎn)課題的資助。 參加本項研究的主要人員除本書作者外，還有翁文斌、趙建世、張長春、夏軍強、傅旭東、蔡治國、孫金輝、陳志祥、劉家宏、李鐵鍵、劉榮華、李海紅、陳良程、王曉霖等。 鑒于流域水資源管理的復雜性，流域水量調(diào)控涉及內(nèi)容廣泛，影響因素眾多，而且諸多不確定因素相互制約、相互矛盾，加之作者水平和時間有限，書中難免會有疏漏或不足之處，懇請讀者批評指正。 作者 2005年10月于清華園

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