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1、集对分析在水资源系统工程问题中的应用 金菊良 合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥 230009； 13485607409， 0551-2903357；JINJL66 目 录 1 水资源系统工程的基本问题 2 水资源系统工程不确定性分析的集对分析法 3 基于集对分析的水资源系统预测方法 4 基于集对分析的水资源系统分析计算方法 5 基于集对分析的水资源系统评价方法 6 基于集对分析的水资源系统决策与调控方法 7 小结 1 水资源系统工程的基本问题 1.1 水资源系统工程的主要研究对象 v水资源过多洪灾 v水资源过少旱灾 v水资源短缺水资源与社会发展 v水资源污染水资源与生态环境 v水土资源流
2、失水资源与水土保持 v水资源系统与社会经济资源环境可持续发展 v水资源系统与数字社会 v水资源系统与人类文明（水文化，上善若水 ） 以水资源可持续利用支撑社会可持续发展 1 水资源系统工程的基本问题 1.2 水资源系统工程的具体研究领域（研究所研究方向） v水资源规划与管理：水资源规划与评价，水资源承载力 和安全评价，地表水地下水和外调水宏观调控，水资源 优化配置及其应用，水权水价水法及其在水管理中的作 用等。 v水环境和水生态：水资源短缺导致的生态环境恶化，水 环境模拟预测影响评价，水生态环境保护和恢复，污水 资源化技术，大坝建设跨流域调水对水资源的影响，水 库调度对生态环境的影响，泥沙与水
3、土保持，水文气象 与气候等。 v水灾害防治： “3S”技术在水文学中的应用，洪水预 报理论与技术，实时水库调度理论与方法，流域水文模 型进展，洪水灾害和风险评估，防汛抗旱指挥决策系统 ，水信息采集与处理集成系统等。 1 水资源系统工程的基本问题 研究水资源系统工程问题的水利科学领域 v水文学及水资源 v水力学及河流动力学 v水环境与水土保持 v水工结构工程 v水利水电工程 v港口海岸及近海工程 v水灾害、水安全 v防灾减灾工程及防护工程 v水环境工程、生态水利学、水美学、水哲学 v农业工程、岩土工程 v市政工程、城市水务、水利经济 v 1 水资源系统工程的基本问题 1.3 水资源系统工程的现有
4、理论体系 v现有理论体系一：各种运筹学方法在水资源 系统问题中的应用集合； v现有理论体系二：求解各种典型的水资源规 划与管理问题集合； v现有理论体系三：应用于水资源系统问题的 科学哲学中的方法论； v现有理论体系四：水资源系统分析=水资源系 统工程。 1 水资源系统工程的基本问题 （1）系统的定义 从组成角度看，系统由两个或两个以上相 互联系的要素组成的、具有整体功能和综合行 为的集合。系统的边界把系统与系统的环境区 分开来，环境的边界把系统的环境与非系统集 合区分开来。边界理论、边壳理论 从系统与环境相互作用角度看，系统是由 系统输入、系统转换和系统输出组成的集合。 1 水资源系统工程的
5、基本问题 （2）系统工程的定义 工程，是指服务于特定目的的工作程序 。 系统工程，是指服务于一般系统的开发 设计、组织建立和运行管理最优化的工作 程序的一门工程技术学科，它包括运筹学 、系统分析、系统研究、费用效果分析和 管理科学等中可用于工程实践的各种定量 方法和定性定量集成方法。 1 水资源系统工程的基本问题 （3）系统工程的现代科学技术体系结构 v系统工程的前沿是工程实践； v系统工程属于工程技术（方法论）； v系统工程的技术科学是运筹学、一般系统论 、 信息论、控制论、应用数学等； v系统工程的基础科学是尚在建设中的系统学 ； v系统工程的科学哲学是辨证唯物主义和历史 唯物主义。 现代
6、科学技术体系结构示意图 工程技术 工程实践 基础科学 科学哲 学 技术科学 系统工程研究者的可能成长道路示意图 1 水资源系统工程的基本问题 （4）水资源系统工程的现代科学技术体系结构 v工程实践：各种水问题实践。 v工程技术：水资源系统工程。 v技术科学：运筹学、系统论、信息论、控制论等； 水力学，工程水文学，水利计算学等 。 v基础科学：系统学；水资源学。 v科学哲学：辨证唯物主义(自然辩证法)，历史唯物 主义；水科学哲学。 1 水资源系统工程的基本问题 （5）水资源系统工程的方法论 系统工程的方法论就是处理系统问题的一般 方法，它介于哲学方法论和专门科学方法论之间的 一般科学方法论，它与
7、哲学方法、专门科学方法紧 密结合，沟通了哲学与各专门科学，推动了科学方 法论向整体性深刻性和普适性发展。 系统观点是系统工程思考问题的一般方式， 即任何研究问题都可视作一个系统，必须从时间上 动态长期的、空间上普遍联系的和属性上整体协调 的观点来最佳地分析、设计、组织和管理该系统。 1 水资源系统工程的基本问题 从基于研究对象的水资源系统问题分类角度，水资 源系统工程的主要研究内容包括（宣传）： v区域(河流/流域/行政/经济)水资源综合开发利用规划 管理与发展战略 v防洪/抗旱系统规划与管理 v农业灌溉系统规划与管理 v城市给排水系统规划与管理 v水力发电系统规划与管理 v航道运输系统规划与
8、管理 v水资源可持续利用与管理 v水安全系统规划与管理等 1 水资源系统工程的基本问题 从基于水资源系统问题处理过程(方法论)角度，水 资源系统工程的主要工作内容包括： v根据所研究的水资源问题确定水资源系统的目标、 功能和边界； v从水资源系统整体优化与协调出发，按照系统本身 所特有的性质与功能，研究系统与环境之间、系统 与各子系统之间、子系统与子系统之间、子系统与 各要素之间、各要素之间的相互作用、相互依赖和 相互协调的关系，建立相应的数学模型； v应用系统优化方法、建模方法、预测方法、模拟方 法、评价方法、决策与调控方法以及其它从定性到 定量综合集成方法等，定量地或半定量地求解水资 源系
9、统规划与管理方案的优选问题。 1 水资源系统工程的基本问题 综上所述，从方法论的角度看，水资源 系统工程实质上就是由一系列系统优化方法 、建模方法、预测方法、模拟方法、评价方 法和决策与调控方法组成的方法集，它们形 成当前水资源系统工程的理论体系。 这些方法用以最佳地处理各种水资源系 统问题。水资源系统工程的主要特征是整体 性、关联性、协调性、演化性、实践性以及 系统化、模型化、最优化。 1 水资源系统工程的基本问题 （6） 6类水资源系统工程方法的关系 优化方法是水资源系统工程实现最优化目 标的主要途径。水资源系统工程的其它方法的实现 过程从某种角度看，都是特定的优化过程。 如评价方法就是最
10、佳地把多层次多维评价指 标转换成单层次一维评价指标的过程;决策与调控 问题，等价于以益损值为目标函数、行动方案为优 化变量、自然状态为约束条件的复杂优化问题。 优化方法已成为水资源系统工程的“主线” 。遗传算法是一类优秀通用的新颖优化方法，在当 前水资源系统工程理论体系中具有重要作用。水资 源系统工程由于引入遗传算法而焕然一新。 建模方法为其它方法提供了简便而完备的 表达方式，规范了其它方法的实现途径，提高了其 它方法的泛化应用性能。 1 水资源系统工程的基本问题 作为表达工具和优化工具的优化方法和建模 方法，具有明显的偏方法论性，而面向实际应用的 预测方法、模拟方法、评价方法和决策与调控方法
11、 则具有明显的偏实践性。后4类方法都是基于某个 实际应用背景的需要而对系统的某个方面进行估计 。 水资源系统优化方法、建模方法、预测方法 、模拟方法和评价方法组成通常意义上的水资源系 统分析。 1 水资源系统工程的基本问题 系统评价是系统分析的后期工作和 决策与调控的前期工作，在水资源系统工 程中处于“枢纽”地位，也是当前理论和 应用研究中的热点和难点。 决策分析问题实质上是以行动方案 为评价对象的一类特殊的系统评价问题， 决策分析方法是实现水资源系统工程应用 价值重要途径的一类系统评价方法。系统 调控方法是目前研究的重要前沿、尚不成 熟。 预测方法 水 优化方法 资 水 源 资 系 模拟方法
12、 源 统 工 工 程 程 建模方法 评价方法 实 方 践 法 决策与调控方法 论 水资源系统工程的理论体系示意图 2 水资源系统工程不确定性分析的集对分析法 2.1 水资源不确定性关系的分析途径 长期以来，水文水资源工作者依据大量的实 测水文水资源资料，努力地尝试着寻求水文 水资源的各种关系：在时间演变过程中前 后的关系；与主要影响因素的关系；空 间分布上的关系。通过寻求的各种关系以达 到对水文水资源现象（对象）的计算、预测 和评价。 2 水资源系统工程不确定性分析的集对分析法 2.1 水资源不确定性关系的分析途径 例如，通过寻求降雨径流关系做径流预测；利 用河流上下游水文要素（水位、流量）的
13、关系 做下游洪水预报；根据水位流量关系做水文分 析计算；利用参证流域的水文要素和设计流域 的关系延展设计流域的水文要素序列，使其具 有代表性；通过洪峰和洪量的关系分析洪水变 化特性；根据设计规定的各种指标标准和相应 指标样本值的关系对水质和水资源的特征和特 性进行分类、评价、决策；等等。 2 水资源系统工程不确定性分析的集对分析法 v显然，为了利用水文水资源的各种“关系”，必须建立这些“ 关系”。 v要科学地建立水文水资源的各种“关系”，首要的问题在于剖 析和掌握“关系”的性质。在气候变化和人类活动的影响下， 连接大气、海洋、湖泊、河流、地下水、冰雪、陆地、生物 、人类等圈层的水文水资源现象存
14、在着错综复杂的关系。这 些关系可能是: v线性的，也可能是非线性的； v可能是动态的，也可能是静态的； v可能是随机性的，也可能是模糊性的、灰色性的； v可能是单一特性的，也可能是综合的多种特性的。 识别、处理和应用水文水资源的各种关系一直是水文水 资源领域的研究核心。 2 水资源系统工程不确定性分析的集对分析法 v水文水资源复杂关系的不确定性。受到众多 因素的影响，水文水资源现象（径流、洪水 等）变化极其复杂，具有很大的不确定性， 表现出随机性、模糊性、灰色性、未确知性 、分形、混沌等特性。如研究对象发生与否 表现为随机性，研究对象概念、边界的不确 定性表现为模糊性，研究对象信息量不充分 表
15、现为灰色性，研究对象形态和结构的自相 似表现为分形性，研究客观事物相互过渡的 各离散状态的不确定性表现为未确知性，等 等。 2 水资源系统工程不确定性分析的集对分析法 v水文水资源复杂关系的不确定性。因此表征 水文水资源现象的“关系”必然打上不确定性 的烙印，赋有不确定性特征的秉性。水文水 资源中形形色色的各种“关系”都可以看作是 一种不确定性关系。例如，降雨与径流间存 在一种统计关系；水质指标值与水质标准间 因边界不确定呈现一种模糊关系。当然，这 里指广义的不确定性关系。 2 水资源系统工程不确定性分析的集对分析法 v水文水资源不确定性关系的传统分析途径。当前水文水资源领 域出现了众多处理不确定性关系的途径，如随机分析途径、模 糊分析途径、灰色分析途径、分形与混沌分析途径、广义熵分 析途径、未确知数学分析途径。目前而言，较成熟的有三类： v一是基于概率统计理论的随机分析途径，通常以相关系数来表 示水文水资源现象间的关系； v二是基于模糊原理的模糊分析途径
