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我国水资源时空分布不均,供需矛盾日益突出,水资源合理分配及可持续发展是实现社会、经济与生态环境可持续发展的关键问题。随着社会经济的发展、人口的增加,以及水资源时空分布不均等因素的影响,很多地区不同程度的出现了供水危机,而且水多、水少、水脏已成为我国社会经济发展重要的制约因素。合理调度水资源是维持水资源系统的良性循环和流域水管理的重大科学实践问题,日益严重的水资源短缺迫使研究水库群联合供水调度,采用非工程措施充分发挥各水库的调蓄能力,使库中水量得到最优化配置,蓄丰补枯增加枯水期缺水地区的供水量,从而既能保障城市生活用水又最大程度的确保工农业用水,尽量减少缺水造成的损失。
本论文结合滦河下游水库群,首先对水库径流规律、水库间丰枯补偿及水资源供需水进行了分析,建立了水库群供水优化调度模型,研究了能够提高计算效率与计算精度的模型求解方法,同时,对滦河下游水库群的中长期供水调度和实时调度进行了研究和计算,最后,对水库群供水预警系统进行了研究和分析,主要取得了以下研究成果:
(1)在介绍滦河流域自然地理情况和水文气象情况的基础上,对滦河六水库的地理位置、主要工程特性和各供水区的供给关系、供需水情势进行了简单分析,为水库群供水优化调度奠定了基础。
(2)分析了潘家口水库的径流变化规律;建立基于蚁群优化的神经网络模型,对滦河流域供需水情况进行了预测:建立混合Copula函数分布模型,对潘家口水库与下游几个水库的丰枯遭遇及相互补偿特性进行了分析。结果表明,滦河流域各水库问具有一定的丰枯补偿能力,为水库群联合供水调度提供了较有利的依据。
(3)建立了水库群中长期供水优化调度模型。论述水库群供水联合调度的的必要性与可行性,提出了水库群联合供水调度的原则;在此基础上,建立了水库供水的缺水量最小模型、最大缺水率最小模型和水库群供水经济效益最大模型,并且分别给出了各个模型的适应条件;结合水库群供水调度的特点,将粒子群优化算法和免疫进化算法进行有效地耦合,提出基于免疫的粒子群算法,并应用于水库群供水联合调度的模型求解中。
(4)滦河下游水库群供水调度的分析与计算。论述水库群供水配置的供水、用水次序;提出了滦河下游供水库群聚合-协调-分解模型和方法,建立了水库群聚合、分解和协调规则,计算了不同供水区的相对重要性;在比较免疫进化粒子群算法和协进化遗传算法的基础上,采用了免疫进化粒子群算法对聚合-协调-分解模型进行求解,得到水库供水优化结果和水库供水调度过程图。结果表明,水库群联合调度不仅可以充分发挥不同河流的水文补偿作用,而且更有利于发挥不同水库调节性能的库容补偿作用。
(5)水库群联合供水实时调度研究。基于自适应原理的水库实时调度理论,建立了短期水库群供水调度模型,并应用与中长期供水调度相同的算法对短期供水调度模型进行求解;采取“宏观总控、长短嵌套、实时决策”的模式,依据中长期调度的供水调度结果,计算水库在各供水区的实时供水过程;采用“预报-决策-实施-再预报-再决策-再实施”循环往复不断修正的策略,对水库群实时供水调度的偏差进行修正;对滦河水库群供水实时调度计算结果表明,实时调度更符合实际水库运行的需要,能较好的反映水库和供水区在面临时段的供需水状况。
(6)对水库群联合供水预警系统进行研究。建立了供水预警指标;提出了水库不同缺水情况下的预警灯号,以及不同预警灯号下的缺水预警指标SAI和供水预警系统的风险分析方法;给出了水库供水不足时采取的供水应变措施;应用于滦河水库群供水调度结果表明,本文建立的水库供水预警系统简单实用,可使供水区缺水损失最小,并提高水资源利用率,对实际生产调度具有一定的指导作用。