流域水量调控模型与应用

　　本书以流域水量调控为主线，结合黄河、塔里木河流域水量调度重大的科学与实践问题，对流域水量调控的理论、模型及应用进行了系统深入的研究；针对流域水量调控涉及内容广、影响因素多、来水和用水具有不确定性和随机性的特点，提出并建立了自适应控制模型和基于复杂适应系统的水量优化配置理论，这一理论在流域水资源管理、水量统一调度等方面具有推广应用价值。 本书可供从事水利工作特别是流域水资源管理和调度的人员参考，也可作为高等院校师生及科研院所技术人员的参考书。 前言 合理配置和调度有限水资源是流域水管理重大的科学与实践问题。流域径流时空分布不均，年际和年内来水变化大，且大部分径流集中在源流区或中上游地区，降雨的多年变化和年内集中程度均很大，导致一级流域年际间来水量可相差数倍，年内最大四个月来水可达全年径流的80％。水资源不利的先天条件，造成我国许多地区农业灌溉的巨大用水缺口，生态环境脆弱，下游可利用量十分有限，甚至引起季节性断流。流域水资源短缺已严重制约了社会、经济和生态环境的可持续发展。 以黄河流域为例，黄河承担着我国西北、华北大部分地区的供水任务，其流域面积约占全国面积的8％，但其河川径流量仅占全国的2％，却承担了流域和下游引黄灌区占全国15％的耕地和12％的人口的供水任务。20世纪70年代以来的黄河下游断流，对流域工农业生产和居民生活、下游河道的排洪能力、生态环境等均产生严重影响，是流域水资源供需矛盾的集中体现。类似的情况在我国内陆河同样存在。塔里木河干流为纯耗散性内陆河，自身不产流，其水资源全部来自源流补给。由于源流对干流补给量的减少，致使干流面临着严重的生态环境问题：尾闾湖泊罗布泊和台特玛湖相继干涸，具有战略意义的下游绿色走廊濒临毁灭，流域生态环境问题已成为举世瞩目的重大问题。 水量调控是要维持水资源系统的和谐，保证系统的良性循环。系统科学原理揭示出协调与有序是内在联系的，比如经济系统协调、稳定发展就是有序，经济发展失调就是无序；维持生态平衡就是有序，否则就是无序。对于水资源系统，如果经济、社会、生态子系统都能够保持一定的秩序，而且在组合上协调、适度，那么整个系统就是有序的。因此，对水资源系统进行调控使之协调，也就是要提高水资源系统的有序性，实现向有序方向的演化。但是如何在较高的层次上来分析系统的演化，如何来衡量系统的有序性，理论上是系统科学研究的领域，应用上也是流域水量调控要解决的问题。充分利用流域骨干调蓄工程，合理调度流域上、中、下游的生活、生产和生态用水量非常重要。如何综合运用工程措施和非工程措施，特别是采用现代化的调控手段，实现流域水资源的合理调配，发挥水资源的最大效益，缓解水资源供需矛盾，是流域水资源面临的重大的理论和实践问题。 水量调控作为流域水资源管理的一种手段，有其可靠的理论基础。全书运用系统工程的理论方法，在分析流域水资源变化情势和国内外流域管理模式的基础上，提出流域水量调控的理论框架和模型体系，并在黄河和塔里木河流域水量调度中得到应用。全书共12章，第1章分析了国内外流域管理的现状和发展趋势。第2章提出流域水量调控的理论框架、模型体系，形成流域水量调控的方法。第3章分析了流域自适应水量调控问题，基于自适应控制的理论，建立了具有"总量控制、轨迹跟踪和滚动修正"功能的流域水量自适应调控模型。第4章基于复杂适应性理论，通过分析水资源开发利用与社会、经济和环境之间的相互关系，建立整体优化模型理论，提出流域水资源整体优化调控方案。在分析流域水资源系统的基础上，论述了复杂适应系统理论框架及模型构建，建立了流域水资源配置整体模型。第5章至第8章将水量调控模型应用于黄河流域。其中第5章论述了黄河流域水量时空演化规律，提出黄河流域水量调控的必要性和可行性。第6章建立了黄河流域整体调配模型，在分析流域用水主体特征和水资源模拟计算的基础上，优化出各用水单位用水指标，作为年调度参考指标。第7章针对黄河水量调度中来水、用水过程随机性的特点，基于自适应控制的理论和方法，利用状态识别和系统模拟技术，建立了水库调度与河道演进耦合的水量调控模型，通过对流域内水位、水量调控，根据控制断面的最小流量要求，自适应地调节水库入库和出库过程，以满足各省区和生态用水需求。第8章建立了全干流一维水力学模型、重点河段日调控模型和CARMA模型。第9章在计算河口最小生态需水量和河流生态基流量的基础上，对黄河水量统一调度前后的效果进行了对比研究，利用遥感等多种技术方法，对河口生态恢复进行了评价。第10章至12章研究了塔里木河流域水量调控模型。其中第10章分析了塔里木河流域水资源特点和干流水资源消耗特征。第11章介绍了塔里木河流域水量调度系统和自适应调控模型。第12章建立了塔里木河流域农业和生态用水优化调度模型，并对模型结果进行了对比分析。 本书的研究成果得到国家重点基础研究发展规划（973）项目"黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理"第七课题（G1999043607）、国家自然科学创新研究群体基金项目"流域水沙过程与临界调控机理"（50221903）以及黄河水量调度管理系统、塔里木河流域水量调度管理系统等重大生产课题的资助。 参加本项研究的主要人员除本书作者外，还有翁文斌、赵建世、张长春、夏军强、傅旭东、蔡治国、孙金辉、陈志祥、刘家宏、李铁键、刘荣华、李海红、陈良程、王晓霖等。 鉴于流域水资源管理的复杂性，流域水量调控涉及内容广泛，影响因素众多，而且诸多不确定因素相互制约、相互矛盾，加之作者水平和时间有限，书中难免会有疏漏或不足之处，恳请读者批评指正。 作者 2005年10月于清华园

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