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水利工程

水资源系统分析与规划

作者：常娟，刘德地

出版社：科学出版社出版时间：2022-04-01

开本： 16开 页数： 208

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版权信息
本书特色
内容简介
目录
节选

水资源系统分析与规划版权信息

ISBN：9787030720894
条形码：9787030720894 ; 978-7-03-072089-4
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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水利工程

水资源系统分析与规划本书特色

水文与水资源工程和水利水电工程等相关专业的本科生、研究生的教学用书

水资源系统分析与规划内容简介

本书介绍了水资源规划和管理的系统分析方法，包括线性规划、整数规划、非线性规划、动态规划、多目标规划、随机规划以及近年来应用较为广泛的遗传算法等。本书结合简单的应用实例，阐述系统分析方法的原理及其在水资源系统规划、设计、管理中的应用。本书可作为水文与水资源工程和水利水电工程等相关专业的本科生、研究生的教学用书，亦可供从事水资源评价、规划、设计、管理等相关工作的技术人员和研究人员参考。

水资源系统分析与规划目录

目录
**章　绪论　1
**节　水资源及其利用现状与问题　1
第二节　水资源管理与可持续发展　5
第三节　水资源系统分析概述　7
一、系统分析方法概论　7
二、水资源规划导论　7
三、水资源系统分析的特点及步骤　8
第四节　水资源系统分析的应用和发展　10
第二章　水资源管理与规划方案概论　12
**节　规划与管理方案　12
第二节　规划与管理模型　12
第三节　目标函数与约束条件　14
一、目标函数　14
二、约束条件　15
第四节　多目标问题　16
一、多目标规划的特点和数学表述　16
二、多目标规划解的概念和非劣解集　17
第三章　线性规划　21
**节　线性规划的基本理论　21
一、线性规划问题的提出及模型的建立　21
二、线性规划的数学模型及其标准形式　23
第二节　线性规划的图解法　27
一、线性规划解的概念　27
二、线性规划的图解法原理　27
第三节　用单纯形法求解线性规划问题　30
一、单纯形法　30
二、单纯形法的矩阵表示　33
三、人工变量法　36
第四节　线性规划的对偶问题　40
第五节　线性规划的灵敏度分析　45
一、资源数量变化的分析　46
二、目标函数中价值系数cj的变化分析　48
三、技术系数aij的变化分析　50
第六节　线性规划的应用　54
一、流域水资源规划问题　54
二、合理利用材料问题　56
三、农作物种植计划问题　57
四、水资源优化分配问题　58
习题　60
第四章　整数规划　62
**节　整数规划问题的提出及其数学模型　62
第二节　分支定界法　64
第三节　割平面法　67
第四节　0-1型整数规划　72
一、引入0-1变量的实际问题　72
二、0-1型整数规划的解法　75
第五节　IP问题解法的讨论　78
第六节　整数规划问题的应用　79
一、资源分配问题　80
二、投资项目的选择问题　80
三、项目开发次序的优化问题　81
习题　82
第五章　非线性规划　85
**节　非线性规划的基本理论　85
第二节　无约束条件的非线性规划　86
一、单变量函数*优化　86
二、多变量函数*优化　87
第三节　有约束条件的非线性规划　88
一、等式约束条件下多变量函数的寻优方法　88
二、不等式约束条件下多变量函数的寻优方法　92
第四节　分解协调法　100
一、分解协调的分类　100
二、分解协调的一般表达式　100
三、可行分解法与不可行分解法　101
第五节　非线性规划的应用　107
一、灌溉用水的合理分配问题　107
二、河流水质处理的规划问题　108
习题　110
第六章　动态规划　112
**节　动态规划的基本方法　112
一、基本概念　112
二、基本术语　115
第二节　动态规划的*优化原理和递推方程　117
一、*优化原理　117
二、动态规划的递推方程　117
三、动态规划的数学模型　118
四、动态规划的计算步骤　118
第三节　函数迭代法与策略迭代法　122
一、函数迭代法　123
二、策略迭代法　126
第四节　动态规划和静态规划的关系　128
习题　133
第七章　多目标规划决策的分析理论　135
**节　规划决策问题的基本概念　135
一、决策与决策过程　135
二、决策问题的分类　136
第二节　多目标规划决策问题　138
一、多目标规划与单目标规划的区别　138
二、多目标规划的求解方法　139
第三节　目标规划问题　143
一、目标规划的概念　143
二、评价函数　144
三、目标规划模型　145
四、目标规划的求解方法（单纯形法）　148
习题　154
第八章　随机规划　155
**节　概述　155
第二节　随机线性规划　156
第三节　随机动态规划　158
一、基本方程式　160
二、应用实例　161
第四节　马尔可夫决策过程　164
一、什么是马尔可夫决策过程　164
二、马尔可夫预测模型　165
三、马尔可夫决策过程实例　169
习题　176
第九章　水资源系统的智能优化　178
**节　概述　178
第二节　遗传算法　178
一、遗传算法的发展与基本概念　178
二、基本遗传算法的应用步骤与算法结构　179
第三节　第二代非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ算法）　192
第四节　模拟退火算法　194
一、物理退火过程与模拟退火模型　195
二、模拟退火算法的步骤与结构　197
第五节　粒子群优化算法　198
一、粒子群优化算法的基本原理　199
二、基本粒子群优化算法的步骤与流程　200
习题　204
参考文献　206

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水资源系统分析与规划节选

**章绪论 **节水资源及其利用现状与问题水是地球上昀重要的资源。水资源主要是指与人类社会和生态环境保护密切相关而又能不断更新的淡水、地表水和地下水，其补给来源主要为大气降水。根据世界气象组织（WMO）和联合国教育、科学及文化组织（UNESCO）出版的International　Glossary　of　Hydrology（《国际水文学名词术语》，第三版，2012年）中有关水资源的定义，水资源是指可以利用或有可能被利用的水源，这个水源应具有足够的体积和合适的质量，并满足某一地方在一段时间内具体利用的需求。在许多人的印象里，地球是一个蓝色星球，这是因为其表面的70%被水覆盖，但现实是，其中的97.5%为咸水，淡水仅占2.5%（胡明秀，2004）。近70%的淡水分布在南极和格陵兰岛的冰层中，其余多为土壤水或深层地下水，不能被人类利用。地球上只有0.007%的水可为人类直接利用（胡明秀，2004），主要分布在湖泊、河流、水库和地表浅层。1977年3月在阿根廷马德普拉塔召开的联合国水会议上，有人打了一个非常生动的比方：如果用一个2L的瓶子能装下地球上所有的水，那么能利用的淡水只有半勺，在这半勺的淡水中，河水只相当于一滴水，其余都是地下水。由此可见，地球上的淡水十分稀少。目前世界许多地方对淡水资源利用都是不可持续的。水制约了人类社会经济和社会的发展。同时，保留足够的清洁水用于保护水生生态系统和陆生生态系统也是至关重要的。早在2001年3月22日召开的第九个“世界水日”，联合国环境规划署在内罗毕发出报告，强调世界水危机已严重威胁人类生存。资料显示，目前我国淡水资源总量约为28000亿m3，虽然水资源总量丰富，在世界各国中排第6位，但是人均只有2200m3，仅为世界水平的1/4，排在了第121位，因此也被列入13个水资源匮乏国之中（高云芳等，2020）。目前，我国多数城市地下水都受到不同程度的污染，且有逐年加重的趋势。而在几大淡水河流域，包括淮河、长江、松花江、珠江、黄河以及淡水湖，也都存在严重的污染情形。城市用水中，以首都北京为例，2009年人均水资源占有量不足300m3（吴春艳等，2009），近年来，由于年降水量逐年下降，北京地区地下水深度也随之逐年下降。统计资料显示，全国600多个城市中有400多个城市存在供水不足的情况，比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿m3（金笙，2011）。随着“美丽中国”建设和城市化进程加快，可以看出人工生态环境补水和生活用水增加明显，而农业用水和工业用水在节水政策措施及先进技术引领下正在逐年减少。就目前而言，水资源短缺已经成为生态文明建设和经济社会可持续发展的瓶颈，迫切需要从国家层面统筹推动节水工作。根据国家发展和改革委员会与水利部联合印发的《国家节水行动方案》，到2022年，全国用水总量控制在6700亿m3以内，节水型生产和生活方式初步建立；到2035年，全国用水总量严格控制在7000亿m3以内，水资源节约和循环利用达到世界先进水平。从全球范围来看，农业用水占淡水消耗量的70%以上，主要用于农业作物的灌溉。农业对水的需求预计还将大幅度增加。我国农业需水量较大，占据了总用水量的62.4%，并且其利用效率低，水资源浪费十分严重，单位水量生产的粮食量与世界领先水平差距较大（杨春杰，2010）。在城市地区，生活用水需求增长速度非常快，特别是在发达国家或发展中国家（张华和鹿爱莉，2002）。欧洲和北美洲是目前仅有的两个工业用水量超过农业用水量的地区。目前大约20%的人口缺乏安全的饮用水，大约50%的人口缺乏安全的卫生设施系统。普通的水位下降带来严重的问题，它造成水短缺，又造成沿海地区的海水侵蚀。许多大城市都存在饮用水的问题，密集使用农药和化肥在许多地方已经导致化学品渗漏到淡水供应当中。全球淡水供应量不会增加，越来越多的人口依靠这一固定的供应，而越来越多的水源被污染。水安全将像粮食安全一样，在今后几十年中将成为世界上许多国家和区域的重点问题。我国早期水资源利用不合理导致的生态、环境与可持续发展问题较多。目前，主要表现为以下几个方面的问题。 1.干旱内陆流域中下游土地荒漠化在干旱半干旱区，由于气候干旱、降水稀少、水资源短缺，水资源已经成为生态环境发展昀主要的限制性因子。“有水是绿洲，无水是沙漠，多水是盐渍化”，水资源空间格局决定着生态环境的基本格局与差异性。由于干旱区平原绿洲区降水稀少，地表水资源主要是来自山区的地表径流，随着人口的增长和社会经济的发展，农田灌溉面积大幅度增加，用水量不断增加，水资源开发利用过度。在地表水开发利用的同时，地下水的开采利用量不断增加，出现了地下水超采的现象，导致地下水位连续下降。人类开发利用水资源和水利等工程建设，不仅干扰了原有的水循环路径，还造成水资源的区域再分配，由于水资源过度地开发利用，水环境发生很大的演变。随着水环境的变迁，河湖干涸断绝或减少了地下水的补给，地下水补给量的不断减少加剧了地下水位的下降。在干旱区特定的生态环境条件下，干旱区气候干旱，蒸发极为强烈，而天然降水不能满足自然植被生长耗水的要求，自然植被生长完全依靠地下水与土壤水，地下水埋深及包气带水分运动状况是主要生态环境指标，保持合理的生态地下水位是防治植物死亡和土地荒漠化的关键。一旦地下水的环境条件发生改变，自然植被便不可避免地发生变化，地下水位的不断下降使得土地干旱化以及自然植被不断地萎缩、衰败甚至死亡，继续恶化就可发展成为沙漠化土地，形成土地的沙化与沙漠的扩大。干旱半干旱区由水资源短缺引发的土地荒漠化问题不仅与水资源自身的循环转化机理有关，而且与人类活动有密不可分的关系，与流域水资源管理不善亦关系密切。要科学解决水资源开发利用引起的土地荒漠化问题，必须在深刻认识流域水循环机理和水资源转化规律的基础上，进一步进行科学的、准确的水资源管理及调度，重新进行水资源的配置规划，强化全流域地表水和地下水资源的统一管理、水量与水质的统一管理。 2.河口湿地萎缩、海水入侵以及海岸带污染湿地是指地表积水或过湿且生长湿地生物的地区，以滨海湿地、湖泊湿地、沼泽湿地为主，是地球三大生态系统之一，在调节气候、涵养水源、净化环境、供应资源、防控灾害、维持生态等方面起着重要作用。然而，受自然和人类活动的双重影响，全球已有接近50%的湿地消失。近年来，对湿地资源盲目开垦，扩大农业种植，过量开采地下水资源，引发水位急剧下降，湿地水资源得不到及时补充。随着全球气候变暖，频繁出现的持续性高温与干旱天气，导致一些地方的地表水面积出现了大量锐减，引发了沼泽水量明显降低，出现了严重的枯水状况，富集了大量的湿地矿物质，增加了水的矿化程度，导致盐碱化，湿地面积不断增加，对沼泽和河流水质造成了很大影响。随着经济社会建设和现代农业的发展，很多水利控制工程建成，很多下游沼泽湿地汛期洪水补给能力大大削弱，对湿地生态环境造成很大影响，引发了湿地盐碱化，更甚者出现了严重的干枯问题。上述这些问题都对湿地生态环境造成很大影响，致使湿地面积不断减小，人为因素对湿地资源造成的破坏性非常严重。海水入侵是滨海地区人为超量开采地下水，引起地下水位大幅度下降，海水与淡水之间的水动力平衡被破坏，导致咸淡水界面向陆地方向移动的现象。海水入侵是各国沿海地区面临的昀严重的环境问题之一，全球范围海水入侵的普遍性已经引起国际社会的共同关注，海水入侵已经成为制约海岸带经济、资源和环境可持续发展的重要因素。由于气候变化带来的海平面上升、降水减少以及人类活动加剧，使海岸带含水层系统中原有的各种物理、化学平衡被打破，从而导致区域地下水循环规律和地下水环境发生显著变化，海岸带地下水动力平衡的改变正在严重影响着该生态系统服务功能的发挥。据估计到2100年海平面上升将可能高达100cm，由此导致的海水入侵将会对海岸带生态系统造成多方面的影响，如陆向运移的物质造成直接的毒性效应、动植物生活环境的退化以及营养物质循环的改变等。海岸带是海陆相互作用的焦点区域，陆地与海洋环境中各种因素的不断变化和相互作用，一方面，为人类的生存和发展提供了丰富的资源，促进了沿岸经济发展，但另一方面，海岸带地区包括了全球面积的15%、人口的60%、世界主要城市的2/3，人类活动的过分集中，对海岸带资源环境产生了巨大压力，生态环境极其脆弱。随着社会经济活动的不断加剧和发展，海岸带作为陆海交汇的生态过渡地带，其污染问题日益突出，对区域生态环境产生显著的负面影响，导致海岸带这一地球关键带功能的退化。海陆物质交换使得泥沙、营养盐、重金属、有机污染物等物质以水为载体进行迁移、沉积和转化，对沿岸和近海地貌、水文、生物等产生影响，并进一步影响生态系统演替、质量与功能的相应变化。日益加剧的海岸带环境污染和生态退化已经成为制约海洋经济和海洋产业发展的主要因素。因此，需要综合运用规划、设计、工程、管理、政策等多学科交叉手段，建立主要污染物的陆海界面通量以及水环境容量，为从根本上改善海岸带生态环境提供依据。 3.水电站开发引发的流域水生生态系统退化和物种消失水电是国际公认的可再生能源，具有调度灵活、运行成本低等特点，在优化能源结构、减排温室气体、防洪减灾、实现节能减排目标、促进可持续发展等方面均发挥着重要作用。但是随着水电事业的蓬勃发展，许多河流系统都受到了人为干扰。水电开发会改变流域的原始地貌，从而带来生态环境问题，其中对流域下垫面的影响是水电开发产生生态效应昀显著的表现之一，主要包括对土地利用、植被、地貌和土壤的影响，尤其是正在建设中的水电站对环境的影响更明显；水电开发会致使河道水量发生变化，部分河段断流、生态环境恶化，水体出现富营养化，下游流量峰值、洪水的影响范围和频率降低，同时改变了河流的日流量、月流量和季节流量，阻止了河流下游的矿物质沉积和有机质扩散，使下游防洪和用水安全受到严重影响，还会导致上游水位上升；水电开发影响下的河岸带、河岸带植被、重要的环境进程和河岸植物的多样生境都会发生显著变化。另外，河流水文是影响河岸植被结构和组成的主要因素，水电工程建设必定会对植被产生直接的破坏及间接的影响，同时会降低河岸植物的多度、多样性、成功繁殖和存活的概率。更重要的是，水电工程建设会不同程度地破坏生境，改变河道的自然水文过程，影响河流廊道系统的空间连通性，对河流廊道的自然动态造成严重干扰，影响河流生态系统的物种构成、栖息地分布，引起河流生态系统的结构和功能变化。如何协调水电开发和生态环境保护之间的关系、如何处理水电开发对河流生态系统的影响是值得关注的重要课题。因此，应统筹设计全流域生态环境保护制度，统筹管理水、岸线、生物等资源要素的开发与保护，统筹推进水资源开发利用、水生生态环境修复、特殊枯水年与突发重大水污染事件应急调度。大型水利水电工程要在满足防洪功能的前提下，确保生态保障功能，兼顾发电、航运功能，并相应优化和调整管理体制。地下水为全球大约1/3的人口提供用水，地下水的抽取量大于蓄水层的自然补充量，在阿拉伯半岛、中国、印度、墨西哥和美国等地区和国家都普遍存在。其中一些地方，地下水位已经下降了数十米。地下水位下降迫使土地下陷加剧，造成海水侵入地下水和地面沉降。地下水有限的供应能力，污染和用水需求增加，已经使抽取地下水的成本越来越高。同时我们也越来越清楚地看到，良好的水资源管理可以解决许多水资源污染和短缺方面的问题。例如，在世界上“水荒”昀严重的两个国家——约旦和以色列，通过实施有效的灌溉策略，大多数居民都已经得到了足够的安全用水。由此可见，合理开发利用水资源有深远的意义。　　　第二节水资源管理与可持续发展所谓“可持续发展”，英文为“sustainable　development”，其一般性概念是由于近三四十年来世界人口的不断膨胀以及社会生产力的极大提高，造成不少自然资源的过度开发消耗和污染物质的大量排放，从而导致社会全球性的资

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