水库正常蓄水位选择中的多目标模糊决策方法

　1999年12月系统工程理论与实践第12期　

水库正常蓄水位选择中的多目标模糊决策方法

张　跃1,彭全刚2

(1.清华大学自动化系,北京100084;2.清华大学水电工程系,北京100084)

摘要:　就三峡水利枢纽正常蓄水位的决策问题,采用模糊决策方法对其进行了详细的分析Λ通过

对四个方案的对比研究,决定了最优方案Λ模糊决策在水利行业的应用,将使工程技术指标的选择更加科学化,更趋向于合理,使水利工程创造出更大的经济效益Λ

关键词:　模糊决策;三峡水利枢纽;正常蓄水位　　中图分类号:　O159;TV21319α

Multi2PurposeFuzzyDecisionMakingMethodintheSelectionofReservior’sNormalWaterLevel

12

ZHANGYue,PENGQuan2gang

(DepartmentofAutomation,TsinghuaUniversity,Beijing100084;DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)

Abstract:　Inthispaper,thedecisionmakingproblemoftheThreeGorgesMulti2purposeProject’snormalwaterlevelisdiscussedbyusingfuzzydecisionmethod.The

.Theintroductionbestonewasselectedthroughthecomparisonofthefouralternatives

offuzzydecisionmethodtohydraulicengineering,willinevitablymaketheselectionoftechnologicalparametersmorescientificandreasonable.Andthehydraulicprojectwillproducegreatereconomicbenefit.

Keywords:　fuzzydecisionmaking;theThreeGorgesMulti2purposeProject;normalwaterlevel

1　引言

决策是对某一事物所采取的对策和策略;是人对系统进行调控,或者人为地安排一个系统使之能对自身或其他系统进行调节Λ现实生活中,对客观事物所进行的决策多数是模糊决策Λ而人们在做决策的过程中,一方面往往只是凭经验进行,并不依据科学的方法和步骤;另一方面,人们又把一些问题过分绝对化,依赖数学公式的严格推导来决定最终的选择Λ以上这两种方法所作出的决策往往不是最优的Λ模糊数学的出现,提供了在模糊环境下或者在模糊系统中进行决策的数学理论和方法,使人们对一些问题的决策更加科学化Λ

正常蓄水位的确定是确定坝高、库容等指标的基础Λ正常蓄水位定得较高,可以有较大的防洪库容和兴利库容,充分地利用水资源,但同时也会有较多的淹没、移民等问题Λ正常蓄水位的确定涉及到水库移民、泥沙淤积、航运、发电效益、生态环境等很多方面,对小的工程,可以根据其主要功能进行决策,但对于三峡、葛州坝这样的大型水利枢纽,只有充分考虑各方面的影响,才能作出正确的选择,这实际上是多目标模糊决策问题Λ

收稿日期:1997203220

资助项目:国家自然科学基金资助(项目编号:59778015)

α

100系统工程理论与实践1999年12月

本文以三峡水利枢纽正常蓄水位的选择作为实例,说明多目标模糊决策方法在水利工程中的应用Λ

2　正常蓄水位多目标模糊决策的影响因素分析

在水库正常蓄水位的确定工作中,所要达到的目标和限制目标实现的因素很多,下面对这些因素分别进行分析,然后确立正常蓄水位多目标模糊决策的数学模型Λ

1)水库地震(f1)

水库诱发地震的预测目前在世界上尚无成熟的方法可资借鉴,但一般认为水库诱发地震与坝高和库容、地质构造和岩性、渗漏条件、应力状态及区域地质活动背景等因素有关Ζ水库蓄水之所以诱发地震,主要原因是由于库水的渗透、孔隙水压力的扩散和水的软化等物理化学作用,降低了断层和其他不连续结构面的抗剪强度,使处于不稳定或接近不稳定状态的岩体失稳而诱发地震Ζ

从水库诱发地震的实例来说,据统计,世界上已经修建的315万座水库中,产生水库诱发地震的只有

120座Ζ我国也有10余座水库发生过水库诱发地震Ζ实际记录对大坝造成严重损害的只有我国的新丰江和

印度的柯依纳两例Ζ

国内外研究水库诱发地震的科学工作者普遍认为只有存在发生较强的构造地震背景的工程,才可能诱发较强的水库地震Ζ但由于强烈的地震往往引起毁灭性的灾难,且很难预防,因而水库诱发地震依然是水利地质工作者的主要研究内容之一Ζ

2)人防问题(f2)

大型水库的人防问题,实质上是对未来战争的风险分析和研究对策问题,虽然全世界和平力量进一步发展,争取比较长的和平期是可能的,但战争的危险依然存在Ζ大型水利枢纽,建成后对国民经济发展有重大的作用,必然会成为敌人战略袭击的重要目标之一Ζ目前世界各国研究人防问题的着眼点,都是针对核袭击,着重研究核袭击时的最不利破坏情况,及其造成的影响和采取的必要防御措施Ζ

3)防洪问题(f3)

防洪是修建水库的主要目的之一Ζ我国的主要河流尤其是长江上,出现洪水时,峰值大,洪水来量多,如果水库没有足够的防洪库容,在巨大的洪峰流量作用下,水位迅速抬高,造成堤防漫溃决口,将对人民造成巨大灾难Ζ据文献记载和调查分析,长江从西汉初年至清末的2096年中,共发生水灾214次,平均约

10年一次Ζ1921年以来,共发生较大水灾11次,约6年一次Ζ1998年的大洪水不仅造成巨大的直接损失,

而且严重影响了全国的经济建设和人民生活Ζ因而,在决策中防洪应作为主要因素来进行考虑Ζ

4)泥沙淤积问题(f4)

含沙量大是中国河流的特点,长江的平均含沙量约112千克每立方米,年输沙量513亿吨Ζ黄河平均含沙量3719千克每立方米,年输沙量16亿吨Ζ泥沙淤积不仅会使水库的可用库容减少,而且在尾水处由于水的流速减慢,泥沙沉积下来,会很大地抬高水位,形成更多的淹没Ζ三门峡水库由于在设计时忽略了泥沙问题,造成了运行很短时间后水库就几乎被泥沙淤满的不良后果Ζ因此,泥沙问题是必须要考虑的问题Ζ

5)航运问题(f5)

水运与铁路、公路运输相比,具有运输能力大,成本低的特点Ζ在有条件的地区,应该大力发展航运,以缓解我国铁路运输压力过大的问题Ζ修建水库以后,可以提高上游水位,淹没一些险滩,改善航道和航运条件;同时可以使一些原来的浅水港,在修建水库后适于大吨位的船舶停靠Ζ水位抬高,还可以使在枯水期不能到达的地方由于水库的调节作用而延长可通航时间Ζ因而,在有航运条件的河流上,尤其是大江大河上应充分考虑航运的问题Ζ6)发电效益(f6)

我国国民经济发展速度近二十年来一直很快,这对电力提出了很高的要求Ζ如果不能很好地解决电力问题,其有可能成为工业发展乃至全国经济腾飞的瓶颈环节Ζ我国水电资源丰富,有很大部分还未开发出来,水电又有着对环境无污染,可再生等优点Ζ相比较而言,发展火电要使用大量原煤,发电用煤的缺口很大,而且即使有足够的煤炭资源,由于我国的煤炭分布不均,运输也将很难满足要求:发展核电,成本较高,

第12期水库正常蓄水位选择中的多目标模糊决策方法101

不可能在很短时期内形成很大规模Ζ从目前来看,修建水利枢纽,发电效益是必须要考虑的问题Ζ

7)工程投资(f7)

水电工程的特点是初期投资量大,建设期长,但运行维护费用低,特大型的枢纽工程,往往与国民经济的实力有很大关系Ζ三峡工程从20世纪初开始论证,但迟迟未能上马,一方面是技术问题,另一方面也与经济实力有关Ζ国家基本建设投资的规划,往往成为决定大水电工程生死的决定因素Ζ

8)移民问题(f8)

移民分为自愿移民和非自愿移民两种Ζ非自愿移民主要是由于国家经济建设,兴修水利工程等原因,或为了某种特殊需要,居民的房屋土地等主要的生产、生活资料和生存条件被水淹没,必须动员迁移的人口Ζ鉴于这类性质的移民不是出于自愿,因此,迁移和安置的难度就大很多,政策性也很强,如果安置不妥,既影响工程进度,也会给社会带来一些不安定的因素Ζ现在移民工作的方针是:必须把移民工作从单纯安置补偿的传统做法中解脱出来,改消极赔偿为积极创业,变救济生活为扶助生产,使移民安置与库区建设和发展结合起来,走开发性移民的道路Ζ

9)生态与环境(f9)

建坝所引起的淹没和河流水文、水力情势的变化是建坝产生各项生态与环境影响的基本原因Ζ大坝修建后,上游水位抬高、水深加大、水面增宽、流速减慢、泥沙淤积、土地被淹,并将大量人口迁移;在坝的下游,则因水库调节引起径流年内分配的变化,以及水流中含沙量的改变等Ζ国外对大坝修建的影响环境非常重视,国内也在采取相应的措施Ζ水库修建对生态与环境的影响内容有:局地气候,水文水质,陆生动植物资源,水生生物,环境地质,人群健康等各方面Ζ10)上游的衔接梯级(f10)

水电资源开发是一个大的系统,应该贯彻“统一规划,全面发展,适当分期进行”的原则,尤其是大江大河的开发,不能仅考虑一项工程,而应该充分考虑与其他工程衔接的问题Ζ这也是评价水利工程决策优劣的重要指标Ζ

根据以上的分析,我们可以看出水电工程的正常蓄水位的决定是一个多目标的决策问题,针对不同的工程,以上各个目标可以根据重要程度决定取舍Ζ

3　多目标模糊决策的数学原理

设决策论域U是评价方案的集合

U={方案1,方案2,…,方案m}

={u1,u2,…,um}(1)(2)(3)

对所研究问题起重要影响作用的目标函数或者因素指标的集合为:

V={f1,f2,…,fm}

因此,各方案的因素指标向量为:

uj=(f

1j

,f2j,…,fmj)T,j=1,2,…,m

我们把第j个方案的第i个因素指标记为fij,则得到m个方案的n个因素指标矩阵F;

f11f12…f

1m

F=

ff

21

ff

12

…f

　1999年12月系统工程理论与实践第12期　

水库正常蓄水位选择中的多目标模糊决策方法

张　跃1,彭全刚2

(1.清华大学自动化系,北京100084;2.清华大学水电工程系,北京100084)

摘要:　就三峡水利枢纽正常蓄水位的决策问题,采用模糊决策方法对其进行了详细的分析Λ通过

对四个方案的对比研究,决定了最优方案Λ模糊决策在水利行业的应用,将使工程技术指标的选择更加科学化,更趋向于合理,使水利工程创造出更大的经济效益Λ

关键词:　模糊决策;三峡水利枢纽;正常蓄水位　　中图分类号:　O159;TV21319α

Multi2PurposeFuzzyDecisionMakingMethodintheSelectionofReservior’sNormalWaterLevel

12

ZHANGYue,PENGQuan2gang

(DepartmentofAutomation,TsinghuaUniversity,Beijing100084;DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)

Abstract:　Inthispaper,thedecisionmakingproblemoftheThreeGorgesMulti2purposeProject’snormalwaterlevelisdiscussedbyusingfuzzydecisionmethod.The

.Theintroductionbestonewasselectedthroughthecomparisonofthefouralternatives

offuzzydecisionmethodtohydraulicengineering,willinevitablymaketheselectionoftechnologicalparametersmorescientificandreasonable.Andthehydraulicprojectwillproducegreatereconomicbenefit.

Keywords:　fuzzydecisionmaking;theThreeGorgesMulti2purposeProject;normalwaterlevel

1　引言

决策是对某一事物所采取的对策和策略;是人对系统进行调控,或者人为地安排一个系统使之能对自身或其他系统进行调节Λ现实生活中,对客观事物所进行的决策多数是模糊决策Λ而人们在做决策的过程中,一方面往往只是凭经验进行,并不依据科学的方法和步骤;另一方面,人们又把一些问题过分绝对化,依赖数学公式的严格推导来决定最终的选择Λ以上这两种方法所作出的决策往往不是最优的Λ模糊数学的出现,提供了在模糊环境下或者在模糊系统中进行决策的数学理论和方法,使人们对一些问题的决策更加科学化Λ

正常蓄水位的确定是确定坝高、库容等指标的基础Λ正常蓄水位定得较高,可以有较大的防洪库容和兴利库容,充分地利用水资源,但同时也会有较多的淹没、移民等问题Λ正常蓄水位的确定涉及到水库移民、泥沙淤积、航运、发电效益、生态环境等很多方面,对小的工程,可以根据其主要功能进行决策,但对于三峡、葛州坝这样的大型水利枢纽,只有充分考虑各方面的影响,才能作出正确的选择,这实际上是多目标模糊决策问题Λ

收稿日期:1997203220

资助项目:国家自然科学基金资助(项目编号:59778015)

α

100系统工程理论与实践1999年12月

本文以三峡水利枢纽正常蓄水位的选择作为实例,说明多目标模糊决策方法在水利工程中的应用Λ

2　正常蓄水位多目标模糊决策的影响因素分析

在水库正常蓄水位的确定工作中,所要达到的目标和限制目标实现的因素很多,下面对这些因素分别进行分析,然后确立正常蓄水位多目标模糊决策的数学模型Λ

1)水库地震(f1)

水库诱发地震的预测目前在世界上尚无成熟的方法可资借鉴,但一般认为水库诱发地震与坝高和库容、地质构造和岩性、渗漏条件、应力状态及区域地质活动背景等因素有关Ζ水库蓄水之所以诱发地震,主要原因是由于库水的渗透、孔隙水压力的扩散和水的软化等物理化学作用,降低了断层和其他不连续结构面的抗剪强度,使处于不稳定或接近不稳定状态的岩体失稳而诱发地震Ζ

从水库诱发地震的实例来说,据统计,世界上已经修建的315万座水库中,产生水库诱发地震的只有

120座Ζ我国也有10余座水库发生过水库诱发地震Ζ实际记录对大坝造成严重损害的只有我国的新丰江和

印度的柯依纳两例Ζ

国内外研究水库诱发地震的科学工作者普遍认为只有存在发生较强的构造地震背景的工程,才可能诱发较强的水库地震Ζ但由于强烈的地震往往引起毁灭性的灾难,且很难预防,因而水库诱发地震依然是水利地质工作者的主要研究内容之一Ζ

2)人防问题(f2)

大型水库的人防问题,实质上是对未来战争的风险分析和研究对策问题,虽然全世界和平力量进一步发展,争取比较长的和平期是可能的,但战争的危险依然存在Ζ大型水利枢纽,建成后对国民经济发展有重大的作用,必然会成为敌人战略袭击的重要目标之一Ζ目前世界各国研究人防问题的着眼点,都是针对核袭击,着重研究核袭击时的最不利破坏情况,及其造成的影响和采取的必要防御措施Ζ

3)防洪问题(f3)

防洪是修建水库的主要目的之一Ζ我国的主要河流尤其是长江上,出现洪水时,峰值大,洪水来量多,如果水库没有足够的防洪库容,在巨大的洪峰流量作用下,水位迅速抬高,造成堤防漫溃决口,将对人民造成巨大灾难Ζ据文献记载和调查分析,长江从西汉初年至清末的2096年中,共发生水灾214次,平均约

10年一次Ζ1921年以来,共发生较大水灾11次,约6年一次Ζ1998年的大洪水不仅造成巨大的直接损失,

而且严重影响了全国的经济建设和人民生活Ζ因而,在决策中防洪应作为主要因素来进行考虑Ζ

4)泥沙淤积问题(f4)

含沙量大是中国河流的特点,长江的平均含沙量约112千克每立方米,年输沙量513亿吨Ζ黄河平均含沙量3719千克每立方米,年输沙量16亿吨Ζ泥沙淤积不仅会使水库的可用库容减少,而且在尾水处由于水的流速减慢,泥沙沉积下来,会很大地抬高水位,形成更多的淹没Ζ三门峡水库由于在设计时忽略了泥沙问题,造成了运行很短时间后水库就几乎被泥沙淤满的不良后果Ζ因此,泥沙问题是必须要考虑的问题Ζ

5)航运问题(f5)

水运与铁路、公路运输相比,具有运输能力大,成本低的特点Ζ在有条件的地区,应该大力发展航运,以缓解我国铁路运输压力过大的问题Ζ修建水库以后,可以提高上游水位,淹没一些险滩,改善航道和航运条件;同时可以使一些原来的浅水港,在修建水库后适于大吨位的船舶停靠Ζ水位抬高,还可以使在枯水期不能到达的地方由于水库的调节作用而延长可通航时间Ζ因而,在有航运条件的河流上,尤其是大江大河上应充分考虑航运的问题Ζ6)发电效益(f6)

我国国民经济发展速度近二十年来一直很快,这对电力提出了很高的要求Ζ如果不能很好地解决电力问题,其有可能成为工业发展乃至全国经济腾飞的瓶颈环节Ζ我国水电资源丰富,有很大部分还未开发出来,水电又有着对环境无污染,可再生等优点Ζ相比较而言,发展火电要使用大量原煤,发电用煤的缺口很大,而且即使有足够的煤炭资源,由于我国的煤炭分布不均,运输也将很难满足要求:发展核电,成本较高,

第12期水库正常蓄水位选择中的多目标模糊决策方法101

不可能在很短时期内形成很大规模Ζ从目前来看,修建水利枢纽,发电效益是必须要考虑的问题Ζ

7)工程投资(f7)

水电工程的特点是初期投资量大,建设期长,但运行维护费用低,特大型的枢纽工程,往往与国民经济的实力有很大关系Ζ三峡工程从20世纪初开始论证,但迟迟未能上马,一方面是技术问题,另一方面也与经济实力有关Ζ国家基本建设投资的规划,往往成为决定大水电工程生死的决定因素Ζ

8)移民问题(f8)

移民分为自愿移民和非自愿移民两种Ζ非自愿移民主要是由于国家经济建设,兴修水利工程等原因,或为了某种特殊需要,居民的房屋土地等主要的生产、生活资料和生存条件被水淹没,必须动员迁移的人口Ζ鉴于这类性质的移民不是出于自愿,因此,迁移和安置的难度就大很多,政策性也很强,如果安置不妥,既影响工程进度,也会给社会带来一些不安定的因素Ζ现在移民工作的方针是:必须把移民工作从单纯安置补偿的传统做法中解脱出来,改消极赔偿为积极创业,变救济生活为扶助生产,使移民安置与库区建设和发展结合起来,走开发性移民的道路Ζ

9)生态与环境(f9)

建坝所引起的淹没和河流水文、水力情势的变化是建坝产生各项生态与环境影响的基本原因Ζ大坝修建后,上游水位抬高、水深加大、水面增宽、流速减慢、泥沙淤积、土地被淹,并将大量人口迁移;在坝的下游,则因水库调节引起径流年内分配的变化,以及水流中含沙量的改变等Ζ国外对大坝修建的影响环境非常重视,国内也在采取相应的措施Ζ水库修建对生态与环境的影响内容有:局地气候,水文水质,陆生动植物资源,水生生物,环境地质,人群健康等各方面Ζ10)上游的衔接梯级(f10)

水电资源开发是一个大的系统,应该贯彻“统一规划,全面发展,适当分期进行”的原则,尤其是大江大河的开发,不能仅考虑一项工程,而应该充分考虑与其他工程衔接的问题Ζ这也是评价水利工程决策优劣的重要指标Ζ

根据以上的分析,我们可以看出水电工程的正常蓄水位的决定是一个多目标的决策问题,针对不同的工程,以上各个目标可以根据重要程度决定取舍Ζ

3　多目标模糊决策的数学原理

设决策论域U是评价方案的集合

U={方案1,方案2,…,方案m}

={u1,u2,…,um}(1)(2)(3)

对所研究问题起重要影响作用的目标函数或者因素指标的集合为:

V={f1,f2,…,fm}

因此,各方案的因素指标向量为:

uj=(f

1j

,f2j,…,fmj)T,j=1,2,…,m

我们把第j个方案的第i个因素指标记为fij,则得到m个方案的n个因素指标矩阵F;

f11f12…f

1m

F=

ff

21

ff

12

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