大型灌区水资源系统半分布式系统动力学模拟与智能优化调配研究

Facing the ever-increasing social and ecological demands on our water resources, one partial vital solution to the problem is optimal dispatch and allocation of available water in large-scaled irrigation districts. Based on the principle and methods of modern system engineering, and by use of simulation technique combined with the intelligent optimization methods, this project propose creatively a semi-distributed system-dynamics method which owns the property of time delay and spatial variability. With consideration of multi-water-source, multi-user, multi-objective, and coordination of society and environment, the proposed simulation model can represent separately micro-, meso-, and macro-process of the demanding, supplying and using of irrigation district water. Meanwhile, a system comprehensive assessment technique is embedded into the above simulation model to build an optimal dispatch and allocation model, with the objective of minimizing the total water-shortage, and with the constrains of a) water ensuring for urban productive and life; b) ecological water demanding for ponds and canals; and c)making full use of local precipitation. Ultimately, an experimental optimal design method based on genetic algorithms is studied and used to deal with the problem of dispatch and allocation for water resources in the irrigation district studied. The expecting results of this project would provide technical support for sustainable development of irrigation district water resources and scientific management of human-water harmony, and would have theoretical and practical significance for the optimal dispatch and allocation of area water resources.

面对社会经济发展和生态环境保护对水资源需求的持续增长，开展大型灌区水资源的优化调配研究是行之有效的重要措施之一。项目拟以现代系统工程理论和方法为基础，采用系统模拟与系统智能优化相结合的技术路线，提出并研制具有时间滞后性和空间差异性的半分布式系统动力学模拟方法，分别从宏、中、微观多层次描述灌区水资源的需水、供水和用水过程，构建基于多水源、多用户、多目标、环境与社会相协调的现代大型灌区水资源系统模拟模型。基此，结合系统综合评价技术建立灌区水资源系统综合缺水量最小为目标函数，以保障灌区城镇生产生活用水、保证灌区塘坝沟渠一定的生态需水、充分利用降雨资源等为约束，构建大型灌区水资源系统优化调配模型。最后，研制和运用基于遗传算法的大系统智能试验选优方法对该模型进行优化调配研究。项目成果将为灌区水资源可持续开发利用和人水和谐管理提供技术支撑，在区域水资源优化调配理论与实践方面具有重要意义。

大型灌区水资源的优化调配研究是保障现代社会经济发展和生态环境保护的重要措施之一。本研究提出并实现了基于田间灌溉实验、库塘田水资源耦合、骨干水库与干渠联结等微中宏三层次的灌区水资源系统模拟方法体系，研究的半分布式系统动力学模型方法，可在灌区自然属性上从物理机制角度描述水资源差异性结构特征和演化机制以反映灌区水资源时空特点，同时也能在社会属性上从系统反馈机制的角度刻画水资源对人类调水、配水管理措施的响应。本项目以上述构建的模拟模型方法体系为基础，以淠史杭灌区梅山水库为例，基于水库来水特性和用户需水特性，依据预警期水平衡原理初步确定梅山水库的旱警水位和旱枯水位，再基于模拟模型对比分析了有无旱限水位约束的水库灌区水资源系统运行效果，开展了梅山水库旱限水位下优化运行研究，为地方生产部门年均增加产230余万元，同时也为水利部门指导水库灌区抗旱运行，制订相应抗旱预案提供技术参考。项目以淠河灌区水资源系统模拟为基础，开展了气候变化下小水电群水能优化开发利用研究，模拟在各种系统约束条件下，优化调整区域内水利系统运行方案。结果表明，随着未来区域降雨和气温的微量增加，按现状工程运行方案系统不能满足设计期城市供水保证率要求，而水电站群年均总发电量增加几可忽略。经本项目研制的模拟优化模型优化设计后，使得佛子岭水库汛限库容提高6.2%，供水专线流量方案变更为25.7m3/s，非灌溉期充止库容0.98×108m3，灌溉期充止库容为0.59×108m3，水电站群年均可多发电115×104KW•h，灌区供水、发电系统获得可观的社会及经济效益。另外，项目研制的模拟优化方法在区域水环境治理、水资源承载力智能综合评价方面也得到成功应用，研究成果在区域水资源优化配置理论与实践方面具有重要意义，有利于促进系统工程与水利科学、智能科学和复杂性科学的交叉与融合，对促进灌区水资源系统的智能化运行配置这一交叉学科发展也具有重要意义。