1水资源系统分析概论

1水资源系统分析概论绪论我国运筹学的发展20世纪50年代中期由钱学森等引入，1957年正式定名为运筹学（“夫运筹帷幄之中，决胜千里之外”—《史记》）。1970年后，在华罗庚的直接指导下，全国范围内推广统筹法和优选法，并取得了卓著成效。1980年，中国运筹学会于成立，1982年作为正式成员加入了国际运筹学联合会（IFORS）。绪论运筹帷幄：通过调查获取信息，进行加工整理后得出较优信息，获得编制计划，达到某种目的。非绝对，基于某个信息基础得出的最优。运筹学：以一种定量分析的方法为管理决策提供科学依据的方法。Operationsresearch:源于操作过程。一、运筹学概念绪论二、运筹学的发展史运筹学的萌芽可以追朔到20世纪初期，但主要产生于20世纪40年代中期的二战期间。创建阶段（1945~1951）1947年美国Dantzig提出了单纯形法1948年英国运筹学会（ORClub）成立1950年英国伯明翰大学正式开设运筹学课程《运筹学季刊》在英国创刊1951年美国Morse等著的《运筹学方法》一书出版绪论成长阶段（1952~1959）计算机技术的发展促进了运筹学的推广应用美国已有约半数的大公司应用运筹学解决管理运营中的生产计划、资源分配等问题更多学会和刊物的出现：10个国家、6种刊物1957年英国牛津大学召开第一次国际运筹学会议1959年成立国际运筹学联合会（InternationalFederationofOperationalResearchSocieties，IFORS，）绪论三、运筹学的特性及地位以管理决策为基点以数学模型为主要工具以科学方法论为依据以系统观点为指导科学理论：哲学基础学科：语文、数学技术学科：运筹学工程技术学科基本特性在科学技术体系中的地位绪论四、运筹学的分支数学规划（线性规划、整数规划、动态规划）决策论对策论图论排队论存储论绪论五、运筹学的工作步骤例：库存问题明确问题（提出、形成）建立数学模型求解结果分析（解的检验、控制、实施）绪论六、运筹学的应用与软件运筹学在水利工程中的应用•人水和谐－社会经济用水与生态环境用水的协调•流域规划－•水资源配置－地区、部门•工程设计－投资、效益、环境影响•工程施工组织－场内交通设计、施工场地布置、混凝土浇筑土石方调配，•工程运行管理－水库调度…绪论运筹学常用软件MSExcelSolverLINDO、LINGOCPLEX管理运筹学软件包Matlab……绪论•水资源系统工程：将系统分析的思想、概念、理论和方法应用于水资源系统的规划、设计、施工、管理的实践中–系统思想：全局、整体–一定的投入如何实现最好的目标？–如何能以最小的投入实现一定的目标？绪论•2011年中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》，提出“水是生命之源、生产之要、生态之基”，未来10年水利投资可能达到4万亿元•如何在流域、区域、水利行业内分配才能实现水利发展目标——从根本上扭转水利建设明显滞后的局面，到2020年：–基本建成防洪抗旱减灾体系–基本建成水资源合理配置和高效利用体系–基本建成水资源保护和河湖健康保障体系–基本建成有利于水利科学发展的制度体系绪论主要内容•系统与系统分析•水资源系统与水资源系统分析•水资源系统分析方法绪论•系统的概念•系统的结构与功能•系统属性•系统类型1.1系统绪论1.1.1系统的概念由相互作用、相互依赖的若干组成部分（因素）结合而成的具有特定功能的有机整体实例：系统：•教育系统、生产系统、生态系统、经济系统、水资源系统…1.1系统绪论1.1.2系统的结构与功能•1.系统结构：系统的相互联系、相互作用的组成部分（要素、子系统）水资源系统水资源水资源工程系统水资源管理系统地表水资源地下水资源河道、水库、湖泊潜水、承压水子系统：每个元素也可能由更小的系统组成系统结构越严密，系统整体性越强。1.1系统绪论1.1.2系统的结构与功能•2.系统环境：在系统之外与其有物质、能量、信息交换的事物构成系统的环境1.1系统输入系统反馈输出系统边界环境环境对系统的作用系统对环境的作用流域水资源系统的环境包括自然因素人为因素降水人类利用水量自然消耗水量外流河入境水量…绪论1.1.2系统的结构与功能•3.系统功能：将输入转换为输出。由系统结构和环境决定，由输入、输出间的关系体现。1.1系统水利枢纽的功能把天然径流量（输入）调节为人类所需要的水量过程（输出），水利枢纽的结构决定了在防洪、发电、供水等方面的功能。绪论1.1.3系统属性•目的性：系统具有其特定的功能•适应性：系统处于一定的环境中，通过输入、输出与环境进行物质、能量、信息交换•集合性：系统由至少2个可以相互区分的要素组成。例如水利枢纽系统•相关性：组成系统的要素是相互联系、相互作用的•层次性：系统－子系统－…•整体性：系统的各组成部分构成一个整体，系统功能是总体效果的反映•不确定性：系统中存在自然要素或不能用确定性方法描述其状态的构成要素1.1系统绪论•组成部分的属性：–自然系统–人工系统–复合系统•组成部分的形态：–实体系统–概念系统•系统与环境的关系：–封闭系统–开放系统•系统状态：–静态系统–动态系统•系统规模：–小、中、大、巨•系统复杂性：–简单、复杂•系统特性–线性系统–非线性系统1.1.4系统类型1.1系统绪论•定量化系统方法：–运筹学（OperationsResearch,OR）–管理科学（ManagementScience,MS）–系统工程（SystemEngineering,SE）–系统分析（SystemAnalysis,SA）–系统研究（SystemResearch,SR）–…•钱学森：以上学科中涉及工程实践的内容，均可以用系统的概念统一归入系统工程；而其数学理论和算法，可以统一地看成是运筹学1.2.1系统工程学1.2系统工程学与系统分析绪论1.2.1系统工程学•系统工程：是一门新兴的工程技术学科，是应用系统理论、近代数学方法、计算机技术等理论和工具来研究系统的规划、设计、组织、管理、运行、评价等问题的学科•用系统工程的方法适用于一般的系统，形成的相应的学科：–水资源系统工程–环境系统工程–农业系统工程–工业系统工程–经济系统工程–社会系统工程–军事系统工程…1.2系统工程学与系统分析绪论1.2.1系统工程学•系统工程与一般工程技术的区别：–一般的工程技术（如水利工程、机械工程）均有其特定的研究对象，称之为“硬”工程–系统工程的研究对象是一般的系统，除了以上各类“硬”工程外，还包括工程的组织与管理等软科学的内容。–系统工程是一门“软”技术，可以为具体的工程技术提供方法、程序和决策等，以实现系统的最优规划、设计、施工、控制和管理对不同的研究对象方法不同1.2系统工程学与系统分析绪论1.2.2系统分析•系统分析：是系统工程的量化和定性分析方法，它通过研究确定系统内有关要素、结构、功能、状态、行为等之间的关系及其与环境的相互关系，并通过推理和计算的定量途径，找出可行方案；再经过分析、综合与评价技术，选出可行方案的最佳者，供决策者参考•特点：–思想方法：强调整体性观点和协调精神–系统分析过程：注重多学科合作、分析者与决策者合作–系统分析技术：定性分析与定量分析相结合。专家系统（ES）、人工智能（AI）、决策支持系统（DSS）等技术的发展为定性与定量分析的结合提供了有力的工具–系统分析工具：以计算机为主要工具。网络技术、可视化技术的发展为系统分析提供了更为广阔的应用前景；注重人－机结合1.2系统工程学与系统分析绪论1.2.2系统分析•系统分析问题的类型：‒资源分配问题‒存储问题‒流通问题‒排队问题‒竞争问题‒排序问题‒综合问题•系统分析方法：数学规划、对策论、排队论、集合论、多目标决策技术、网络技术、模拟技术等。1.2系统工程学与系统分析绪论1.3.1水资源系统•水资源系统：处在一定环境下，为实现水资源的开发目标，由相互联系、相互作用的若干水资源工程单元（物质单元）和管理技术单元（概念单元）组成的有机整体。物质单元水体挡水建筑物泄水建筑物输水建筑物通航建筑物水电站1.3系统分析在水资源领域中的应用概念单元设计方案管理策略组织管理构成系统整体性的前提划分系统与环境、识别系统内部条件的必要条件复杂系统，巨系统功能：防洪、除涝、发电、灌溉、供水、航运、综合利用关系：结构决定功能，功能反作用于结构绪论1.3.1水资源系统•区域水资源系统（国家，省，市，县）•流域水资源系统•跨流域水资源系统•宏观经济水资源系统•子系统：水文系统防洪系统灌溉系统供水系统除涝排水系统水电能源系统水资源综合利用系统…实例1.3系统分析在水资源领域中的应用绪论•自然与社会相结合的开放性复合系统–结构、功能受自然规律的制约–对社会环境的影响效应受人类意识的支配–连接生态环境与社会经济的桥梁，三者构成水资源—生态环境—社会经济巨系统水资源系统的特征：1.3.1水资源系统1.3系统分析在水资源领域中的应用绪论1.3.2水资源系统分析•水资源系统分析：利用系统科学的理论和方法分析制定水资源合理开发、利用、保护和管理方案，使达到整体最优或最满意的综合效益1.3系统分析在水资源领域中的应用•对象：–流域、区域水资源系统–水资源工程系统–防汛抗旱系统–农业灌溉排水系统–给排水系统–水污染控制系统–宏观经济水资源系统–水资源－生态环境－经济系统…绪论•多学科性：水资源系统分析涉及到自然科学、工程技术、社会科学•多目标性：经济目标、社会福利、粮食安全、生态环境保护目标，矛盾、不可公度•层次性：全国－流域－省－市、县•不确定性：随机性、模糊性•时空不均匀性：降雨量蒸发量动态变化与地域分布特性•非线性：水资源系统中许多约束条件和函数都为非线性水资源系统分析中需要考虑的问题：1.3.2水资源系统分析1.3系统分析在水资源领域中的应用绪论1.2.2水资源系统分析•水资源系统分析步骤1.3系统分析在水资源领域中的应用系统描述目标选择方案确定约束分析模型建立模型求解模型检验与方案评价是否满意决策与实施NY结构、功能、环境及的相互关系反映系统整体性目的，不能只考虑局部确定系统中所有可执行的决策方案确定系统中所有约束条件，不遗漏，不矛盾数学模型、预测模型、优化模型、模拟模型、评价模型等求解，分析模型参数变化对结果的影响将模型结果与历史资料比较，看结果是否可靠决策并实施，对系统模型和方案进行必要的修正和调整绪论1.2.2水资源系统分析•1.水资源系统规划：1.3系统分析在水资源领域中的应用目的是根据流域或区域国民经济发展规划及生产、生活、生态环境对水资源的需求，结合区域水资源条件和特点，选择和制定水资源综合开发利用的最佳方案和实施计划，实现水资源的优化配置和高效利用。多目标优化和决策问题，规划成果是区域内各种水资源工程规划设计的基础流域水资源规划、地区水资源规划、跨流域调水系统规划…类型•系统分析方法在水资源系统中的应用范围绪论•系统分析方法在水资源系统中的应用范围•2.水资源系统专业规划：1.3系统分析在水资源领域中的应用以最小的投入实现预定的效果，或以一定的投入实现最大的经济效益防洪规划、水力发电规划、供水规划、灌溉规划、航运规划、水质规划类型防洪系统包括工程措施（如水库、堤防等）非工程措施（如洪水预报预警系统、洪水保险等）例如目的绪论•系统分析方法在水资源系统中的应用范围•3.水利水电工程规划设计1.3系统分析在水资源领域中的应用大型水利水电工程（如三峡工程、南水北调工程）规划设计中涉及各种复杂关系和目标，需要对不同方案下的工程投资、效益、淹没损失、移民等进行综合比较与评价，以确定合理的工程规模及设计方案绪论•系统分析方法在水资源系统中的应用范围•4.水利水电工程建设组织管理–施工管理：施工导流标准优选、施工设施选址、工程施工进度与造价控制等–物资管理：物