本書基于天然水循環(huán)和人工側支用水過程耦合模擬的思想，利用數字高程模型和數字河湖網資料，構建了基于“天然-人工”雙拓撲結構的數字河網和分布式水資源模擬模型。針對大流域配水供需單元之間往往存在時延性的情況，利用等流時帶概念，通過空間上等流時帶的平移反映調蓄工程放水在時間上的滯后性影響，建立流域水資源優(yōu)化配置模型。利用大系統優(yōu)化的分解協調方法進行求解，實現整體系統不同層次的優(yōu)化。所建模型，不僅可用于模擬土地利用/土地覆被變化等不同下墊面條件對水資源形成轉化的影響，而且可用于模擬人工側支用水對水資源形成轉化與利用的影響，以及大流域水資源的優(yōu)化調控。
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目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 分布式水資源模擬 3
1.2.1 國外分布式水資源模擬研究進展 3
1.2.2 我國分布式水資源模擬研究進展 5
1.3 水資源配置 6
1.3.1 國外水資源配置研究 7
1.3.2 我國水資源配置研究 10
1.4 本書的主要內容 14
1.5 技術路線 15
第2章 水循環(huán)過程 17
2.1 天然狀態(tài)下的水循環(huán)過程 17
2.2 人類活動影響下的水循環(huán)過程 18
2.3 “天然-人工”雙驅動因素相互影響與耦合 19
2.3.1 人工驅動因素對天然狀態(tài)下水循環(huán)過程的影響 19
2.3.2 天然驅動因素對人工側支用水的影響 21
2.3.3 “天然-人工”雙驅動因素的耦合 21
2.4 基于“天然-人工”雙驅動因素的徑流演化 22
2.5 本章小結 23
第3章 “天然-人工”雙拓撲結構數字水系構建 24
3.1 地理信息系統 24
3.1.1 地理信息系統的概念 24
3.1.2 數字地面模型概述 26
3.1.3 地理信息系統在分布式水資源模擬模型研究中的應用 29
3.2 傳統的基于DEM提取流域排水結構方法 30
3.2.1 基于DEM的單元劃分方法 30
3.2.2 DEM的預處理 31
3.2.3 流向判斷 32
3.2.4 河網提取 35
3.3 基于“天然-人工”雙拓撲結構建立數字水系 37
3.3.1 雙拓撲結構數字水系構建流程 37
3.3.2 基于DEM與DRLN自動提取河網 38
3.3.3 基于等流時帶的子流域劃分方法 46
3.3.4 引入人工影響因素的數字河網的構建 50
3.4 土壤類型和土地利用分布概化 54
3.4.1 下墊面條件變化對水循環(huán)的影響 54
3.4.2 遙感信息反演 54
3.4.3 土壤類型和土地利用在子流域內的概化 61
3.5 本章小結 61
第4章 基于“天然-人工”雙拓撲結構的水資源模擬 63
4.1 建模思路及整體框架 63
4.1.1 建模思路 63
4.1.2 整體框架 64
4.2 地表能量平衡 67
4.2.1 太陽輻射量 67
4.2.2 大氣對太陽輻射的影響 68
4.2.3 日凈輻射 69
4.3 氣象資料模擬 70
4.3.1 實測資料生成 70
4.3.2 自動生成資料 73
4.3.3 氣象資料的高程修正 74
4.3.4 降雪和融雪 75
4.4 天然因素的模擬 77
4.4.1 蒸散發(fā) 77
4.4.2 截留 81
4.4.3 下滲與土壤水分運動 82
4.4.4 地表徑流 85
4.4.5 匯流 88
4.5 人工影響因素的模擬 89
4.5.1 灌區(qū)水循環(huán)模擬 89
4.5.2 城鎮(zhèn)地區(qū)水循環(huán)模擬 92
4.5.3 水利工程調蓄作用模擬 95
4.5.4 其他用水模擬 96
4.6 本章小結 97
第5章 分布式水資源模擬模型參數率定 99
5.1 目標函數及評價指標 99
5.1.1 模型率定目標函數 99
5.1.2 模型模擬效率評判準則 100
5.2 分布式水資源模擬模型參數率定方法 102
5.2.1 試錯法 102
5.2.2 傳統數學優(yōu)化方法 103
5.2.3 幾種常用的全局優(yōu)化算法 105
5.3 分布式水資源模擬模型參數靈敏度分析 113
5.3.1 擾動分析法 113
5.3.2 RSA方法 113
5.3.3 GLUE方法 114
5.4 本章小結 114
第6章 用水部門需水預測 115
6.1 需水概念及分類 115
6.2 需水要素的預測 117
6.2.1 生活需水 117
6.2.2 工業(yè)需水 119
6.2.3 建筑業(yè)和第三產業(yè)需水 125
6.2.4 農業(yè)需水 126
6.2.5 生態(tài)需水 131
6.2.6 綜合需水分析與計算 143
6.3 需水要素的時間展布 144
6.3.1 生活需水 144
6.3.2 生產需水 144
6.3.3 生態(tài)需水 145
6.4 需水要素的空間展布 145
6.4.1 沒有輔助數據的面插值 146
6.4.2 有輔助數據的面插值 148
6.4.3 需水要素的空間展布 148
6.5 用水效益計算方法 149
6.5.1 農業(yè)用水效益計算 149
6.5.2 工業(yè)供水效益計算 154
6.5.3 其他部門用水效益計算 156
6.6 本章小結 157
第7章 流域水資源優(yōu)化配置模型的構建 159
7.1 水資源優(yōu)化配置的概念 159
7.1.1 水資源優(yōu)化配置的目標 159
7.1.2 水資源優(yōu)化配置的原則 160
7.1.3 水資源優(yōu)化配置的手段 161
7.2 基于“天然-人工”雙拓撲結構的水資源系統基本框架 163
7.2.1 系統概化方法 163
7.2.2 系統框架 165
7.2.3 供水的時延性 166
7.3 流域水資源優(yōu)化配置模型 168
7.3.1 全流域水資源優(yōu)化配置數學模型 168
7.3.2 計算單元水資源優(yōu)化配置數學模型 170
7.4 本章小結 171
第8章 流域水資源優(yōu)化配置模型的求解 172
8.1 大系統概述 172
8.1.1 大系統優(yōu)化的分解協調技術 172
8.1.2 大系統優(yōu)化方法概述 175
8.1.3 水資源大系統優(yōu)化 179
8.2 分解協調方法 181
8.2.1 系統描述 181
8.2.2 系統分解與協調 183
8.2.3 非線性耦合的推廣 189
8.3 水資源優(yōu)化配置大系統遞階結構 190
8.3.1 水資源優(yōu)化配置模型分析 190
8.3.2 各層目標函數的選取 191
8.4 協調步驟 192
8.4.1 空間分解法分解協調 192
8.4.2 混合法分解協調 195
8.5 本章小結 196
第9章 實例研究 197
9.1 流域概況 197
9.1.1 自然地理 197
9.1.2 地形地貌 197
9.1.3 土壤植被 198
9.1.4 氣候 199
9.1.5 河流水系 200
9.2 資料分析 200
9.2.1 地理信息 200
9.2.2 氣象資料 202
9.2.3 水文資料 202
9.2.4 宏觀經濟資料 205
9.3 黃河流域基于“天然-人工”雙拓撲結構數字河網的建立 210
9.3.1 黃河流域數字河網的生成 210
9.3.2 等流時帶的劃分及參數率定 212
9.3.3 人工影響因素的引入 212
9.3.4 子流域間拓撲關系的建立 213
9.4 黃河流域基于“天然-人工”雙拓撲結構分布式水資源模擬 213
9.4.1 模型參數率定 213
9.4.2 模擬結果及分析 214
9.5 黃河流域水資源優(yōu)化配置 219
9.5.1 系統概化 219
9.5.2 情景選取 220
9.5.3 配置結果 228
9.6 本章小結 238
第10章 結論與展望 239
10.1 結論 239
10.2 展望 242
參考文獻 243
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