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技术适应选择当前水库操作规则曲线Inanda水库

Nkwonta OI^1*Dzwairo B²Otieno粮农组织³和Adeyemo JA⁴

¹大学土木工程学系Mangosuthu技术,雅各布斯12363年德班,南非

²研究和创新,德班理工大学,南非德班- 1334

³Masinde Muliro大学的科学和技术,有190 - 50100年,肯尼亚

⁴德班理工大学土木工程部门,南非德班- 1334

*通信:

Nkwonta OI大学土木工程学系,Mangosuthu技术,雅各布斯德班- 12363,南非,电话:27318199280,电子邮件: (电子邮件保护)

文摘

有效的管理水资源是非常重要的,因为它确保水资源的供应可能支持不断变化的水需求选择规划周期,以可持续的和具有成本效益的方式。从本质上讲,水资源规划过程的目的是平衡系统中可用的水资源与水需求和系统遭受损失。本文涵盖了对通用的规划过程和程序适用于复杂的水文系统。其目的是改善供水和预计的需求之间的平衡,可以由水需求管理选项和/或基础设施的发展。得出水库规划的应用是非常重要的,在规划的流程和过程描述的手稿是通用的,因为它是不可能处理所有复杂水资源系统的复杂性。因此,得出的结论是,水资源的收益模型有一个管理优于其它模型吗模型运行时,开发一个代表性的系统网络,汇水区增量建模,创建各种标准系统特性,特殊的建模功能,运行结果输出选项。

关键字

水资源收益模型;成本有效的管理;通用的规划;南非的WMA;南非的主要盆地

介绍

原水在南非被认为是国家战略资源,与对其负责管理在三层。这些都是首先中央政府,其次省级和地方政府,包括其他指定部门、第三地方当局。的水资源的价值被认为应该反映社会价值观、伦理和这个复杂的具体特征的资源。给出了水资源的生态完整性,它的韧性,是一个重要的组成部分的价值资源。南非管理其水资源使用22主要水文流域(图1)。的数字图1显示了在南非盆地。

行政和经济上,原始资源管理19水管理地区(图2)。

水管理地区(wma)和水文流域边界在许多地方(图3)。重要的是要注意,上述行政WMA制度是全国独有的南非和一个复杂的水转移组织结构和方案。这些支持商业和工业增长的新宪法(1996年第108号法案)和新水法》(1998年法案36号)。

南非作为一个发展中国家,在转型,迫切需要经济发展,许多人依靠自然资源和农业来维持他们的生计。的必要性评估大坝的主要意义是必要的,由于水资源系统的复杂性(1]。奥利维拉和劳克斯2)表示,定义有效的操作规程为特定的供水系统是一个具有挑战性的决定,特别是那些适用于多个水库,用于多种目的和目标。同时指出,优化模型是扮演一个非常重要的但仍然非常次要角色识别可能的实时水库操作规程。对健壮的模型更多的研究是必要的。

在流域研究中,水库系统有其独特的方面和多种机制用于定义他们的操作规则。大部分的水资源优化问题涉及冲突的目标(3]。水库可以提高供水的可靠性在促进生计、提高农业生产率,减少农民的易受干旱。极端水文事件的频率和强度变化高度在南非(4),这显然限制了水的有效利用,造成供水不足。为了克服时期供水不足的问题低流,注意力一直集中在改善水资源管理,特别是在优化水库操作(3,5]。

大部分的水资源研究致力于开发满足人类水需求的方法,虽然环境流的显式包含目标尚未引起足够的关注。最近,关于水资源工程师经常面临批评管理由于缺少细心造成的环境影响评估水库操作。为了减少这些负面影响,必须考虑相关环境方面的管理水的储存设施(6- - - - - -8]。

在过去的几十年,最低环境流目标得到了科学家们的注意,工程师,经理(9- - - - - -12]。目标是为了保持最小流流维持水生生态系统。它提供了一个值,可以很容易地实现另一个目的是在水中进行了优化管理项目。实现一个流,然而,发现消除流变化维持健康和多样化的水生社区。最近,出现了大量的精力致力于评估环境流的识别需求和需要维护生态流保护淡水生物多样性(13- - - - - -15]。模拟组件的重要性自然流态为目标的管理流大小,频率和时间变量现在更好的理解(13,15]。然而,流态包含太多的变量,这使得它很难实现水资源管理。此外,将一般hydrologic-ecological原则和知识转化为具体管理规则为特定流域和达到始终是一个令人畏惧的挑战。

哈曼(16]提到,只有少数发表的研究明确地描述环境流程目标之间的联系和大坝的操作规则。解决河流管理导向型的投资问题和桥之间的差距,一个简单的最小流量目标和伟大的自然流动机制的复杂性,研究提出了一个现实和可行的方法,包含了人类需求与自然流动变化的最重要的方面(如季节性基流需求)的关键目标寻找油藏经营管理的最佳策略。

水资源规划的过程

有效的管理水资源是很重要的,以确保水资源的供应,以支持不断变化的水需求选定规划地平线和可持续且经济有效的方式。从本质上讲,水资源规划过程的目的是平衡系统中可用的水资源与水需求和系统遭受损失。这个过程包括很多方面,下面简要地讨论了这些。第一个方面涉及到水资源的评估系统的能力,供应相关的保证,当前和预计的水需求,non-supply用户优先级和可接受的风险,以及各种水质标准。

第二个考虑的系统操作,因为这直接影响其资源能力,包括等方面的详细操作规程水库和跨流域转移计划,水源和物资的优先级,特殊的操作规程与水的混合会议为目的的特殊水质标准,运营成本节约和系统维护时间表。第三方面可能需要包括调度干预,以确保未来的水资源和水平衡需求在系统维护。这类干预措施可能包括,一方面,通过基础设施开发和增加可用资源,另一方面,通过节水和需求降低需求管理(WCDM)计划,水重用,将资源重新配置到高优先级的用户和流域管理。最后,水资源规划过程的一个重要方面需要仔细监测系统的各个组件为了评估预测的准确性和措施已经成功实现的程度。

水库的应用规划

分配资源的问题,比如水储存在储层系统是一项复杂的任务,特别是由于流入系统的随机性质。作为复杂供水系统建立,从单一水库的河流系统然后到多个存储,替代方式的操作系统数量的增加和操作方法变得不再适用。大多数多水库系统的操作反映了一个事实,有时相互矛盾,有时互补的多种用途的水从水库中存储和释放。复杂系统与大量的水库和沟渠,尝试搜索即确定最佳操作政策。反复试验,模拟模型已发现了数字计算机上运行需要大量的计算时间。因此,决策者需要工具来操作他们的水库系统优化,或者更确切地说,最好的方式。

在过去的二十年里,最重要的一个领域的进步水资源工程是应用程序的开发和采用系统分析的方法规划、设计和管理复杂的水资源系统。快速进化电脑连同他们的频繁使用管理和控制也导致了系统分析应用领域的发展。系统分析无法用一个短语定义,因为它涉及到多个学科和大量的行动。斯托纳克(9]定义了系统分析简单如下:“系统分析是一套协调的程序,可以用来解决问题的项目规划、工程设计和管理。系统分析是一个决策工具。一个工程师可以使用它来确定如何使用资源最有效地实现特定目标或目标。成功的决策,技术和经济因素必须在分析就业。”

水资源系统建模

水资源系统的建模是一个重要组成部分水资源规划过程,因为它提供了一个测试环境来评估一个系统的行为在任何数量的实际经验之前选择的场景。因此模型提供了重要依据测试计划实施基础设施发展的可能影响,管理和操作选项和其他措施,从而提供一个可靠的依据在这方面做出重要的决定。大量的水资源应用建模工具在世界各地,大多数是基于复杂的分析技术的应用和计算机程序(软件)与数学模拟水资源系统的行为主体。然而,由于其本身的性质,所有这些模型有一定的局限性,可能包括下列部分或全部:

•模型本质上是一个简化的现实世界。

•模型是assumption-dependent。

•结果的可靠性在很大程度上是视。

•通常很难选择一个合适的模型或标准化的一个特定的建模方法。

•建模软件通常需要配置和专家解释,广泛的检查和测试,并采用相对较小的用户组。

模型的作用

水资源系统模型(WRSM)开发复杂水资源系统和建模的目的是与其他仿真模型一起使用,预处理程序集成和公用事业管理水资源(17]。本质上讲,模型提供了决策支持系统的能力来评估现有的能力,并提出了水资源系统模拟的物理,统计、操作和水质方面影响这样的系统的能力。WRSM的结构设计与维护的目的用途广泛和普遍的适用性。的主要力量模型因此在于,它允许用户配置最水资源系统网络使用基本构建块,这意味着网络和系统的配置的关系其元素之间通过定义输入数据,而不是通过固定算法嵌入到复杂模型的源代码。一旦WRSM被配置为一个特定的水资源系统模型可以用于进行两种不同的分析类型取决于研究问题的目的。这些收益率分析和规划分析和下面在这方面提供更多的信息。

产量分析

收益分析的目的是评估总长期和短期资源能力或收益率在一个特定的点在水资源系统选择一个固定的发展水平和系统操作规程。可以确定系统的收益率历史收益率的分析为基础,在这种情况下,收益率通常表示为一个历史公司收益,或基于随机收益分析,在这种情况下,保证供应的风险(或non-supply)可能会决定不同的收益率。

规划分析

一般来说,进行规划分析的目的是分析量化动态改变水资源系统的能力,确定操作规程和进度的实现开发选项使用网络仿真过程和实际分配策略。这包括确定水资源系统的能力,以满足水分布在地理上和随时间变化的要求。水需求由两个组件,体积和供应的可靠性要求,而另外两个变量也考虑建模、水质的形式总溶解固体(TDS)和硫酸盐以及水力发电能力。

缩减战略是一个过程,是限制用水在干旱时期为了保护高优先级用户的资源。的实施是一项基本的限制管理主要嵌入式的操作规程在南非主要水资源系统(4]。随着时间的推移,变化也可能出现在水资源系统本身,与水库和传输管道可能激活或不激活模拟调试或解除水资源基础设施。计划水库的蓄水和交付日期,以及交付模式随着时间的推移,代表开发选项的实现要求。这个计划的日期确定目标推迟任何实现尽可能不超过可接受的风险并非是由预定义的标准。

此外,框架内最优长期inter-reservoir inter-sub-system模拟的操作规则模型的目标实现均衡的相互依赖的水资源利用问题。操作规则可能还包括水质量相关规则,即。,by imposing TDS concentration limits, which are achieved through blending and/or dilution. In order to elaborate on the purpose of the模型发展规划和运营规划的过程如下所述。

发展规划

发展规划是指过程确定干预的需要和时间的水资源系统。干预在这种情况下是指任何措施,可以实现改善供水和预计的需求之间的平衡,可以由水需求管理选项和/或基础设施的发展。持续供应和增加赤字可能需要长期措施,概率实现由一系列的选项,虽然短期赤字问题,随着时间的消失,例如增加返回流,只需要临时措施的实施。最后,提出干预措施的实施进度可能发达。一般来说,这些措施最低的单位成本将实现第一次推迟更昂贵的解决方案。

的模型链接所有水资源系统彼此依赖,实现选择的分配策略,占增加的用水需求,介绍了物理系统的机会在特定时间点上,如果需要模拟盐度稀释或混合规则。分析系统通过这种方式确保所有相关方面被认为是在和集成方式和结果,因此,反映所有相关方面的相互依赖(17]。

业务规划

运营计划包括分析确定最优的操作规则对于水资源系统通过模拟和场景分析。这个过程包括以下组件:

•Inter-reservoir操作规则优化子系统。

•评估inter-sub-system转移操作规程;

•水质混合操作规程。

•年度运营分析来确定短期操作规程考虑储层水平在一个给定的时间点。

•结合水资源系统运行与水力发电和供水用户竞争。

•评估通常是基于场景分析的目标:最大化收益或扩展进一步干预的要求尽可能的未来。

•降低运营成本(注入能源)期间,全系统存储水平偏离长期操作规则。这只能被视为如果供应的长期可靠性逢凶化吉。

•优化系统操作对水质(盐度)标准。水质量和供应之间的平衡的可靠性必须实现。

•最大化发电没有危害供水的可靠性,反之亦然。

模型开发和用户支持

WRSM目前正在开发由南非水事务和林业主管部门(DWAF)和结合了三种建立水资源模型的功能,已经使用了20多年来管理国家的水资源。这些都是:

•水资源产量模型(WRYM)用于进行收益分析。

•水资源规划模型(WRPM)用于进行规划分析。

•水质量和硫酸盐模型(wq)用于建模

的浓度总溶解固体(TDS)和硫酸盐在水资源系统(18]。同时,水资源信息管理系统(WRIMS)最近发展提高的性能和易用性模型通过提供一个数据库来管理WRSM数据集,以及一个接口,它允许系统配置和运行结果的解释在Microsoft Windows环境中。

DWAF,理事会:水资源规划系统的托管人模型并负责其持续的更新和细化开发框架中包括所有水文和软件系统的维护部门和其所使用的服务提供者。开发过程包括几个步骤,包括:

•业务过程分析。

•详细需求规范的发展。

•软件开发和测试。

•转出。

•软件维护和更新18]

水文分析

详细的水文分析提供任何评估的基础,旨在确定水资源系统的能力和水平的信心,可以放在这类评估的结果很大程度上依赖于数据的质量。典型的水文分析包含许多方面,这些都是总结如下:

•评估考虑排水区内部的历史发展和发展的流流的影响。这些可能包括用水并返回流相关城市和工业地区,灌溉,流量减少(sfr)和采矿,以及物理排水特性的影响,如水体、转移计划,流流改道和湿地。

•水文气象数据分析,包括选择、整理、评估、和修正历史降雨、蒸发和流量数据。

•模拟降雨和径流之间的动态关系。

•扩展可用的历史流量数据和时间序列的生成定义的自然月度历史流流内汇水区面积考虑

下面是一个总结WRSM水文气象数据的应用程序。

降雨量数据

降雨数据用于计算,每月:

•降雨对流域发展的影响,如灌溉用水需求和返回来自大城市。

•降雨直接在流域水体的面积,包括主要的水坝,小水坝、堰、砾石坑、湿地和污染控制大坝(pcd)用于煤炭开采活动。

蒸发数据

蒸发数据用于计算,每月:

•蒸发损失(通过蒸散和其他机制)流域发展和身体的排水特性,比如灌溉庄稼,湿地和煤炭开采活动。

•通过蒸发损失直接从流域的表面积的蓄水池,包括主要的水坝,小水坝,堰,砾石坑、湿地和纤毛运动。

流数据流

流流动数据用于WRSM为基础:

•确定每月的历史顺序流入水库和考虑水资源系统内的其他节点点,从而允许模拟系统的行为。

•随机水文分析和后续代随机(或合成)河川径流序列应用随机收益率和规划分析。

为了达到适当的建模WRSM决议,研究区域一般分为许多小汇水区。这个细分为基础,首先,研究区域的地形,其次,在其物理布局,包括位置等方面的主要支流河集水区,流量测量站,用水和回流中心和水体。的确切边界定义sub-catchment可以以不同的方式决定,包括手动分析查证的等高线地形图或通过使用数字地形模型(dtm)和地理信息系统(GIS)。

定义的增量过程最终形成代表系统网络的基本结构模型并确定,最重要的是,位置在水文流入水库的水资源系统和其他节点点发生。

每个增量sub-catchment的名称在系统中定义的统计参数文件,PARAM.DAT。例如,如果一个Umgeni河系统正在进行的分析,增量过程可以定义Midmar,阿尔伯特,纳格尔和集雨Inanda大坝,在这种情况下,相应的流域名称参数。DAT-file可能是中期,铝青铜、唠叨和艾娜。此外,系统中的每个增量sub-catchment总流域面积(以公里为单位²)也是PARAM.DAT-file中定义。这个变量是在内部使用的模型计算为目的的自然之物的自然部分每个sub-catchment后占合并后的区域灌溉程度,河川径流减少流域部分地区和煤炭开采活动。

建立水库

水库有能力留住水随着时间的推移和建模的WRSM使用特殊储层节点类型。变量用于定义一个水库有关它的物理特性,包括存储区,规则曲线和刑罚结构(用来控制水库操作)的方式,这些将在以下部分中讨论。WRSM模拟储层的行为涉及到一个简单的计算与存储水的体积在水库在每月月底模拟。如果知道水库的存储卷的开头仿真,然后存储在第一个月计算基于存储发生的变化。后者是基于一个简单的质量平衡原理,计算可表示如下:

改变存储=流入-流出(1)

第二个原则是为了提供应用之间的联系的状态存储在第一和第二个月。储存在水库的原则声明的一个月必须等于储存在水库在月底前。这是所示。通过应用这一原则,开始为第二个月决定存储。

端存储(x) =开始存储月(x^{+ 1})(2)

同样,通过应用这些原则,反过来,在仿真期间,每个月储存在水库可能会决定在任何时候。

规划分析结果

规划分析结果通常呈现的形式“box-and-whisker”情节,这些都是用来描述一个特定的系统元素的预测概率行为。最重要的从下面列出计划分析箱形图,加上信息的情节问题产生:

•预测年度系统水并非使用LTPLT绘制。EXE和WRPBOX。EXE后处理工具基于* SYS.OUT-file规划分析结果。

•预测年度系统水需求与供应使用LTPLT也绘制。EXE和WRPBOX。从* RES.OUT-file EXE。

•预测年度系统存储卷使用LTPLT也绘制。EXE和WRPBOX。从* SYS.OUT-file EXE。

•预测水库存储卷使用WPLT_10绘制。EXE和WRPBOX。从* PLT EXE。OUT-file,以及一个特殊的“控制”——文件详细描述个人* PLT的位置。把文件从单独的序列运行集包含信息。

•预测通道流使用PMP_10绘制。EXE和WRPBOX。从* PMP EXE。OUT-file,以及一个“控制”——文件详细描述个人* PMP的位置。把文件从单独的序列运行集包含信息。

•预测inter-sub-system支持卷使用LTPLT绘制。EXE和WRPBOX。从RES.OUTfile EXE。绘制图表所示的示例图4,5,6。

讨论

所示图4,5,6从存储,存储系统存储泄漏如果能力允许,而在真实的系统,其中的一些泄漏不能存储。同样,蒸发损失不能显式地建模的表面积和存储体积之间的关系不能令人满意地为集中存储定义模拟单个存储的蒸发损失。损失浪费或未使用的水在真实的系统。水的浪费或闲置的水包括无法使用的需求从底端集雨区和追求。此外,航空公司不考虑能力约束的系统。这是特别重要的在某些情况下,当需求限制不能提供,因为运营商的问题(如能力不足),在一些水库造成干旱。由于某水资源短缺也可能发生在特定的水库。如果忽略这些影响在限制规则的推导过程,分析提供了一个错误的解决方案。

WRYM Umgeni系统被用来优化运行计算水库的水系统的操作和浪费,在当前操作规则。这种优化还考虑运营商的能力的影响。水库运行和浪费的水从系统视为流出。不足不应提供系统中的需求,因此,不足被认为是作为一个系统流入。即限制需求优化运行降低了相应的不足。这些资金流入和流出系统的操作(计算真正的供水系统在当前操作规则)间接允许蒸发损失水库、泄漏从系统中,总需求不足和其他影响由于载体容量约束

结论

不同的研究人员已经开发出的基于计算机的DSSs管理水库和河流系统和操作。罗素(19报道,这些主要集中在物理方面的系统。他们经常基于简单的大坝工程原则操作,如保持水库充分供水或空防洪。目前,绝大多数的水库系统规划和操作使用进行模拟和优化模型。因此,他们提供了大量的灵活性在系统操作的规范在不同流,存储和需求状况。

许多规则很大程度上都是基于经验或实验成功,决定从实际操作性能,性能模拟研究和优化结果。这些experimentally-supported规则是常见的大型多用途的项目。模拟和优化技术要求管理“问题”,无论是长期计划或一个操作问题,制定明确的数学算法。虽然许多大坝计划和操作相关的问题可以以这种方式表达,所以被称为“结构化”,很多人不能。所谓的半结构化或非结构化的问题发生在缺乏数据或知识,不可计量变量或非常复杂,也许是不可知的,交互。大坝,缺乏对环境影响的复杂性的理解,以及生物物理变化之间的联系和社会经济影响,意味着很多管理问题是,在最好的情况下,只有半结构化。

增加了困难,不同的利益相关者有不同的值往往会以不同的方式看待现实问题。在某些情况下,他们甚至不会在这个问题上达成一致,这样可以更多的社会问题公式化过程不是一个技术问题。在这种情况下,水资源的收益模型可以用来解决这些困难。它有一个由管理优于其它模型模型运行时,开发一个代表性的系统网络,汇水区增量建模,创建各种标准系统特性,特殊的建模功能,运行结果输出选项等。

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