涝河灌区地表水地下水联合调度模型及应用研究

摘要

水资源是人类生存发展的物质基础,是可持续发展的重要保障。水资源优化配置,事关社会、经济和生态环境的可持续发展,是水资源可持续利用和优化管理的重要内容,是解决水资源短缺,提高水资源利用率的有效手段。因此,对水资源优化配置的研究具有重要的理论价值和实践意义,特别是加强新理论和新方法的研究,显得尤为必要。随着社会和经济的不断发展,水资源日益短缺,灌区供需水矛盾日益突出,如何将灌区有限的水资源进行优化配置已成为众多学者研究的热点,而地表水地下水联合调配是解决灌区水资源紧缺有效途径之一。为此,本文以地表水地下水联合调配为出发点,从灌区作物优化配水模型、地表水地下水联合调度模型等方面入手,对灌区地表水地下水联合调配理论及应用进行了系统深入的研究。主要内容和研究成果如下：(1)简要介绍了我国水资源状况,分析了目前农业所面临的用水危机,论述了提高水资源管理水平和水资源利用效率的必要性,评述了国内外该领域的研究现状和发展方向,阐述了开展灌区地表水地下水联合调度研究的目的意义和基本思路。(2)采用系统聚类方法将灌区1959年～2002年降雨资料进行分类,用模糊相似优先比法确定灌区丰水年(25％)、平水年(50%)、枯水年(75%)降雨代表年份。同时采用BP神经网络对灌区规划年2020年不同水平年农田灌溉需水量进行了预测。(3)阐述了了大系统优化理论和非充分灌溉理论,重点阐述了大系统模型的结构及特点,深入分析了各种作物水分生产函数的分类、优缺点和适用条件。(4)建立了灌区作物优化配水模型。对作物优化配水基本概念及其优化配水体系进行了详细论述,研究提出了单一作物优化灌溉制度以及多作物间优化配水的二级模型,模型以作物非充分灌溉原理为依据,以充分利用降雨资源、节约水量、保证区域作物总体优产为原则。另外,模型将生育期灌水量与耗水量规律通过约束条件建立联系,使模型既实现了经济效益最大的目标又保证了作物的高产,使有限水资源在作物生育期内发挥最大的效率。(5)建立了灌区地表水地下水联合调度模型,该模型是具有三层谱系结构的递阶模型。模型第一层为非充分灌溉条件下的作物优化灌溉制度模型,作物灌溉制度的优化以作物水分生产函数为基础；模型第二层为作物间优化配水模型,模型第三层为灌区水资源优化配置模型,模型间的协调通过作物效益函数来解决。(6)研究了灌区地表水地下水联合调度模型的求解方法。对于三层大系统分解协调模型,采用自上而下逐层寻优,提出了利用动态规划求解方法,并给出了模型求解迭代步骤。(7)应用上述模型对涝河灌区进行了分析和研究,得出了现状供水水平下2020年不同水文年型的地表水地下水联合调配方案。

目录

摘要

Abstract

1 前言

1.1 研究背景、目的及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2 国内外研究概况及发展趋势

1.2.1 国外研究概况

1.2.2 国内研究概况

1.2.3 发展趋势

1.2.4 存在的问题

1.3 主要研究内容与方法

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 主要研究方法

1.4 技术路线

1.5 课题的重点与难点

2 灌区概况

2.1 自然概况

2.1.1 自然地理

2.1.2 气象水文

2.1.3 河流水系

2.1.4 水文地质

2.2 社会经济

2.2.1 产业结构

2.2.2 区域经济

2.3 水资源量及时空分布

2.3.1 水资源利用分区

2.3.2 水资源量

2.4 水资源开发利用现状

2.4.1 供水工程现状

2.4.2 现状年实际供水量与用水量

2.4.3 水资源开发利用程度分析

2.5 水资源开发利用存在的问题

3 灌区降雨代表年选取及农田灌溉需水量预测

3.1 灌区降雨聚类

3.1.1 聚类的定义及主要方法

3.1.2 系统聚类算法及步骤

3.1.3 灌区降雨聚类分析

3.2 降雨代表年的选取

3.2.1 模糊优先比法的基本原理

3.2.2 灌区降雨代表年的确定

3.3 农田灌溉需水量预测

3.3.1 BP网络模型

3.3.2 BP学习算法

3.3.3 应用BP模型进行需水预测

3.4 小结

4 灌区地表水地下水联合调度优化配水模型

4.1 论基础及方法

4.1.1 大系统优化理论

4.1.2 非充分灌溉理论

4.2 单一作物优化灌溉制度

4.2.1 作物灌溉配水系统概化

4.2.2 数学模型

4.3 多种作物间灌溉水量最优分配

4.3.1 灌溉水量在多种作物全生育期的最优分配

4.3.2 数学模型

4.4 地表水地下水联合调度模型

4.4.1 地表水地下水联合系统的分解

4.4.2 地表水地下水联合调度形式

4.4.3 地表水地下水联合调度原则

4.4.4 分区间大系统优化配水模式

4.4.5 数学模型

4.5 小结

5 模型求解及应用

5.1 模型求解所需资料分析

5.1.1 作物生育阶段划分

5.1.2 潜在腾发量

5.1.3 作物生育阶段内有效降水量的确定

5.1.4 地下水利用量

5.1.5 土壤计划湿润层深度

5.1.6 土壤适宜含水率及允许最大最小含水率

5.1.7 旱作物播前灌水定额确定

5.2 模型求解基本参数确定

5.3 模型求解及结果分析

5.3.1 单一作物优化灌溉制度结果分析

5.3.2 多种作物间优化配水方案

5.3.3 全灌区优化配水方案

5.4 供需平衡分析

5.4.1 供水工程

5.4.2 可供水量预测

5.4.3 水资源配置及供需平衡分析

5.5 小结

6 结论与建议

6.1 主要结论

6.2 建议

参考文献

致谢

附录