水资源管理学5-6章

水资源管理学（水资源规划与管理）张永祥2008年9月课程大纲•硕士研究生课程大纲--水资源管理学•硕士研究生课程简介--水资源规划与管理水资源管理第一章水资源及管理概述第二章中国水资源条件及问题第三章中国水资源供需趋势预测，水资源估算理论第四章水资源合理调配，水资源规划理论第五章节约用水的措施和方法，节水型社会的建立第六章水质评价、水污染防治与水资源保护第七章洪、涝、旱灾害的成因及其综合治理第八章水政的管理体制和经济体制水资源规划1第一章水资源系统分析方法（水资源的基本概念，效益—费用分析，规划方案，规划模型）第二章系统工程学在水资源管理中的应用（线性规划、多目标规划、动态规划，灰色系统理论）第三章地表水调度和规划（水库群调度与规划），河川流域的水量分配（河川径流量计算，水库库容计算），灌溉规划（土地、作物、肥料、机械、劳动力）第四章地下水水量管理模型（集中参数管理模型，分布参数管理模型（响应矩阵法，嵌入法））水资源规划2第五章水质污染控制规划地表水水质规划模拟模型和控制模型（河流和河口系统，湖泊和水库模型）第六章城市水资源联合调度和规划（地表水、地下水、外源水水量，工业、农业、生活，循环、再生水，水体水质，工业布局、农业结构、城市建设）第七章水资源模型建立步骤（管理问题确定，资料的收集，数学模型的建立，管理规划的综合评价，决策方案的实施运行，反馈信息的监测调控）。第八章水质管理信息系统（基于3S和实时监控的数据管理、河流水质管理、湖海和地下水水质管理、应用软件和资料服务、管理和预报服务）教材书目•1、李广贺、刘兆昌、张旭，水资源利用工程与管理，清华大学出版社，2002•2、汪承杰．水资源计算与评价．南京：南京大学出版社，1992•3、Adamson，A．W．水资源系统规划与分析．北京：科学出版社，1984参考书目1•1、现代水资源管理概论。吴季松。2002年10月第1版。北京：中国水利水电出版社•2、水资源学。陈家琦，王浩，杨小柳。2002年4月第1版。北京：科学技术出版社•3、水资源管理。赵宝璋。1994。中国水利水电出版社•4、水资源持续利用与管理导论。2000年7月第1版。冯尚友。北京：科学技术出版社参考书目2•1、付国伟，程声通．水污染控制系统规划．北京：清华大学出版社，1985•2、付国伟，程声通．水质管理信息系统的系统分析．北京：中国环境科学出版社，1988•3、朱党生，王超，程晓冰．水资源保护规划理论及技术．北京：中国水利水电出版社，2001第五章水资源系统分析方法5.1模型化和最优化5.1.1数学模型（一）数学模型是一组描述和代表真实系统的方程。120000()()()()()dDtKLtKDtdtLtLDtD＝式中：D(t)—时间t后溶解氧的饱和差；L(t)—有机质的需氧量；K1—脱氧率；K2—复氧率；动力学方程定解条件（二）数学模型分类线性模型和非线性模型1()TSQt＝线性模型和非线性模型。确定性模型的概率模型静态模型和动态模型集中参数模型和分散参数模型123567yxxx线性方程212356yxxx()HHTSrrt＝非线性方程()ccDRErrt＝5.1.2最优化（一）最优化过程：选择一组决策变量，在系统的约束条件控制下，使目标达到极值的过程。1212,,,1121212212max(,,,)(,,,)(,,,)(,,,)nnxxxnnmnmfxxxgxxxbgxxxbgxxxb式中：x1,x2,…,xn—决策变量；f(x1,x2,…,xn)—目标函数；b—已知值；目标函数约束条件（二）最优化技术分类微分法。线性规划非线性规划动态规划分解和多级分析法模拟（三）模拟模拟：时间里一个反映实际的数学模型，然后在模型上实验。根据实验条件，确定实验结果。系统识别：确定模型结构和参数。120000()()()()()dDtKLtKDtdtLtLDtD＝5.2动态规划5.2.1动态规划概念动态规划是用来解决多阶段决策过程最优化的一种数量方法。其特点在于，它可以把一个n维决策问题变换为几个一维最优化问题，从而一个一个地去解决。12n状态决策状态决策状态状态决策渠道最短路径问题AB1B2C1C2C3D24333321114211132112211122(,)(,,,)(,,,,,,)kkkksTsusTsususTsususu图示如下：状态转移方程是确定过程由一个状态到另一个状态的演变过程。如果第k阶段状态变量sk的值、该阶段的决策变量一经确定，第k+1阶段状态变量sk+1的值也就确定。状态转移方程如下（一般形式）12ks1u1s2u2s3skuksk+1能用动态规划方法求解具有无后效性的多阶段决策过程。式中:阶段变量k﹑状态变量sk﹑决策变量uk;如果状态变量不能满足无后效性的要求，应适当地改变状态的定义或规定方法。211132221(,)(,)(,)kkkksTsusTsusTsu动态规划中能处理的状态转移方程的形式。状态具有无后效性的多阶段决策过程的状态转移方程如下无后效性(马尔可夫性)如果某阶段状态给定后，则在这个阶段以后过程的发展不受这个阶段以前各段状态的影响；过程的过去历史只能通过当前的状态去影响它未来的发展；构造动态规划模型时，要充分注意是否满足无后效性的要求；状态变量要满足无后效性的要求；,1,,()(,,,)knkknkknkuufoptsVsus1,111[,,(,,,)]kkkknkknsuVsus状态转移方程),(1kkkkusTs指标函数),,,,,(111,,nkkkknknksususVV),,,,,(111,nkkkknksususV最优目标函数值指标函数可递推解:整个计算过程分三个阶段，从最后一个阶段开始。第一阶段（C→D）：C有三条路线到终点D。AB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3f1(C1)=1；f1(C2)=3；f1(C3)=45.2.2渠道最短路径问题从水库A的调水到水库D，可以经过B、C水库调节。图示输水渠道情况下，确定最短供水渠道。d(B1,C1)+f1(C1)3+1f2(B1)=mind(B1,C2)+f1(C2)=min3+3d(B1,C3)+f1(C3)1+44=min6=45第二阶段（B→C）：B到C有六条路线。AB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3B1B2(最短路线为B1→C1→D)d(B2,C1)+f1(C1)2+1f2(B2)=mind(B2,C2)+f1(C2)=min3+3d(B2,C3)+f1(C3)1+43=min6=35AB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3B1B2(最短路线为B2→C1→D)第三阶段（A→B）：A到B有二条路线。f3(A)1=d(A,B1)＋f2(B1)＝2＋4＝6f3(A)2=d(A,B2)＋f2(B2)＝4＋3＝7∴f3(A)=min=min｛6,7｝=6d(A,B1)＋f2(B1)d(A,B2)＋f2(B2)(最短路线为A→B1→C1→D)AB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3B1B2AAB1B2C1C2C3D24333321114DC1C2C3B1B2A最短路线为A→B1→C1→D路长为6从水库A的调水到水库D，可以经过B、C水库调节。图示输水渠道情况下，确定最短供水渠道。给定洛杉矶、长滩、圣地亚哥三个城市。可供水量Q=8亿立方米，各城市用水的收益函数（亿美元）如表。5.2.3供水最大收益问题qg1(q)g2(q)g3(q)0000165721214303354042475555058565606917070796757281008075Q为供应基本需求的剩余水量，没有最大最小要求。确定水量最佳分配。目标是总收入最大。最优化方程123112233,,maxg()g()g()xxxxxx1231238000xxxxxx约束条件。qg1(q)g2(q)g3(q)0000165721214303354042475555058565606917070796757281008075目标是总收入最大。第一阶段，只考虑一个城市1231,,()max1xxxfq城市收入确定分配洛杉矶效益最大。qx1f1(q)0001162212333544755585669177968810011110q0q8()maxg()xfqxQg1(q)g2(q)g3(q)0000165721214303354042475555058565606917070796757281008075目标是总收入最大。第二阶段，只考虑二个城市1232,,()max21xxxfq城市收入城市收入qx1f1(q)x2f2(q)000001160622122143335340447507555850856691091779631158810041302222120q0q8()maxg()()xfqxfqxqg1(q)g2(q)g3(q)0000165721214303354042475555058565606917070796757281008075确定分配洛杉矶4、长滩4效益最大。22221207(7)maxg()(7)xfxfxqf1(q)g2(q)00016521214335404755558565691707967581008021212121221212121g(0)(7)09696g(1)(6)59196g(2)(5)148599g(3)(4)4075115(7)maxg(4)(3)553590651277g(5)(2)706g(6)(1)750g(7)(0)fffffffff76752(7)115f*2x3目标是总收入最大。第三阶段，考虑三个城市1233,,()max312xxxfq城市收入城市和城市的收入qx1f1(q)x2f2(q)x3f2(q)0000000116061722122142303335340342447507507555850850856691091210577963115311788100413001303332230q0q8()maxg()()xfqxfqxqg1(q)g2(q)g3(q)0000165721214303354042475555058565606917070796757281008075确定分配洛杉矶4、长滩4、圣地亚哥0，效益最大。22222207(7)maxg()(7)xfxfxqg1(q)g2(q)g3(q)000016572121430335404247555505856560691707079675728100807522222222322222222g(0)(7)0130g(1)(6)5117g(2)(5)14105g(3)(4)4085(7)maxg(4)(3)55756542g(5)(2)7030g(6)(1)757g(7)(0)fffffffff3(4)130f*2x45.3多目标线性规划5.3.1水资源系统多目标（一）水资源系统的目标期限：短期、中期、长期。部门：工业、农业、生活、自然：水生生物、陆生生物范围：国家、区域、地方约束：立法、环境、社会、政治、经济技术：处理能力、供水能力例如：防洪与发电：发电损失极小；提高水位，增大库容洪水损失极小：降低水位，减少库容水质与水处理费用：水质好：水