關(guān)于獲得并優(yōu)化新卡里巴水壩系統(tǒng)的詳細(xì)分析

楊舒涵

摘 要：贊比西河上的卡里巴水壩是非洲的大水壩之一。但它的建設(shè)是有爭(zhēng)議的，南非風(fēng)險(xiǎn)管理研究所在2015年的報(bào)告中曾說：警告大壩急需維護(hù)。贊比西河管理局（ZRA）提供了若干選擇以解決這一問題。其中一個(gè)選項(xiàng)為：拆除卡里巴水壩，并用沿贊比西河的10～12個(gè)較小的水壩替代它。該文將提供該選項(xiàng)的詳細(xì)分析，即在新的水壩系統(tǒng)與現(xiàn)有的卡里巴水壩具有相同的對(duì)水的管理能力的同時(shí)，提供給卡里巴湖相同或更高水平的保護(hù)和水管理選擇的前提下，給出沿贊比西河的新壩的數(shù)量和位置。并在安全和成本方面為新水壩的水流量系統(tǒng)提供合理的策略。除了解決已知或預(yù)測(cè)的正常水周期，此策略同時(shí)可以解釋和證明正確處理應(yīng)急水流情況時(shí)應(yīng)當(dāng)采取的行動(dòng)，該分析可以在一定程度上為ZRA使用該選項(xiàng)解決問題提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：卡里巴水壩 拆除 替代 詳細(xì)分析 新的水壩系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TV631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（a）-0095-04

Detailed Analysis of the Acquisition and Optimization of the New Kariba Dam System

Yang Shuhan

（The Dalian university of technology， Dalian Liaoning， 116024， China）

Abstract： The Kariba Dam on the Zambezi River is one of the larger dams in Africa. Its construction was controversial， and a 2015 report by the Institute of Risk Management of South Africa included a warning that the dam is in dire need of maintenance. A number of options are available to the Zambezi River Authority （ZRA） that might address the situation. One of the options is： Removing the Kariba Dam and replacing it with a series of ten to twenty smaller dams along the Zambezi River. This paper provides the detailed analysis of this option. That is under the condition that this new system of dams have the same overall water management capabilities as the existing Kariba Dam while providing the same or greater levels of protection， giving water management options for Lake Kariba that are in place with the existing dam. The analysis includes a strategy for modulating the water flow through the new multiple dam system that provides a reasonable balance between safety and costs. In addition to addressing known or predicted normal water cycles， the strategy should explains and justifies the actions that should be taken to properly handle emergency water flow situations （i.e. flooding and/or prolonged low water conditions）. This paper can provide guidance to the ZRA if they choose this option to solve the problem to some extent.

Key Words： The Kariba Dam； Removing； Replacing； Detailed analysis； New system of dams

在大壩的使用期間，故障是不可避免的。而且，有必要強(qiáng)調(diào)的是，卡里巴水壩在南非數(shù)千人的日常生活中是非常重要的。因此許多組織都非常注意卡里巴大壩的問題。2008年2月6日，BBC報(bào)告說，大雨可能會(huì)導(dǎo)致水從大壩中被釋放出來，這將迫使下游的50 000居民進(jìn)行疏散。上升的水平線導(dǎo)致了2010年3月閘門的開閘，這需要居住在洪泛區(qū)的13萬人疏散，并且洪水可能蔓延到附近地區(qū)引起了廣泛的關(guān)注[1]。

為了方案的順利實(shí)施，我們考慮了盡可能多的方面。從新壩的選址到對(duì)周圍環(huán)境的影響，從建設(shè)成本到這些小水壩的收益，從新壩建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估到所需動(dòng)力和水量的最低要求等。下面將通過設(shè)置適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⒛Ｐ团c實(shí)際結(jié)合給出細(xì)節(jié)分析，并借用虛擬數(shù)據(jù)來體現(xiàn)我們?cè)谟?jì)算機(jī)程序中的想法。我們最終目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)是達(dá)到合理性和可行性。

1 詳細(xì)分析過程的概述

首先，有幾個(gè)解決卡里巴大壩故障問題的相關(guān)要點(diǎn)：卡里巴湖的水容量調(diào)節(jié)能力；居民財(cái)產(chǎn)和生命安全；新壩系統(tǒng)的防洪能力；優(yōu)化新壩的位置；得到的所有方案的比較；變量和一般規(guī)律；結(jié)果和事實(shí)之間的關(guān)聯(lián)程度。

然后，基于這些想法，我們確認(rèn)了我們工作的順序。

（1）根據(jù)假設(shè)找到所需數(shù)據(jù)。

（2）使用已有數(shù)據(jù)和我們的想象力建立模型。

（3）驗(yàn)證模型并在要點(diǎn)的基礎(chǔ)上改進(jìn)缺點(diǎn)。

（4）總結(jié)所有所得，給出一個(gè)或多個(gè)解決方案。

2 假設(shè)

在建模后，通過調(diào)整變量，找出隨著資金總數(shù)的增加，水庫(kù)蓄水能力達(dá)到最優(yōu)時(shí)所對(duì)應(yīng)的建壩位置、規(guī)模、數(shù)量之間隱含的變化關(guān)系。從所有可行方案中選取成本合適、對(duì)水資源調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的一組，通過查找數(shù)據(jù)模擬河流以年為周期的水流變化情況，制定合理的調(diào)水方案，在保證水庫(kù)安全的情況下盡量少放水、均勻放水，同時(shí)保證人們用水。

3 模型描述

3.1 一級(jí)模型

3.1.1 理想河

根據(jù)當(dāng)?shù)夭糠盅睾映鞘械暮０螖?shù)據(jù)，我們做出了一定范圍內(nèi)河流海拔高度與距離源頭距離的擬合曲線，將整條河流模擬成了理想化的形式。

河道為平滑的梯形：為了使河流寬度貼近真實(shí)數(shù)據(jù)，在保證河道寬度的最大值、最小值和平均值的情況下，通過隨機(jī)數(shù)模擬河道寬度；假定在不存在大壩干擾河流水量的情況下，河流單位面積的水流量相同，且水面與河道底部平行。

3.1.2 理想壩

理想壩是一個(gè)建在梯形河道上的大壩，其在正常蓄水位下便可以把水完全攔截，不必?fù)?dān)心水從河道中溢出。正常蓄水位以下均為水壩可調(diào)節(jié)庫(kù)容。

3.2 二級(jí)模型

在理想河模型上我們共獲得了45個(gè)等距的可以建造水壩的點(diǎn)。我們可以在此基礎(chǔ)上獲取每個(gè)可選壩址的信息并通過下面提及的公式與函數(shù)大致算出不同大小、不同位置的大壩的性能及成本。隨后，我們利用退火算法得到最優(yōu)的解決方案，即在同一工程造價(jià)下收益最多的方案。

3.3 三級(jí)模型

在我們找到新壩群合適的位置和規(guī)模后，原有水量將根據(jù)水庫(kù)現(xiàn)有水量和規(guī)模分配給每個(gè)水庫(kù)。在電腦上模擬徑流是通過基于多年最大徑流量，最小徑流量和平均徑流量的隨機(jī)數(shù)法。為計(jì)算各壩的月流入量、月流出量和現(xiàn)有存儲(chǔ)量并給出適當(dāng)?shù)姆峙浜瓦\(yùn)輸水的方法，我們?yōu)樗畮?kù)設(shè)置了最高和最低安全水位。

4 模型建立

4.1 一級(jí)模型

根據(jù)我們的理解與假設(shè)，我們首先要能夠得到壩址以解決選址問題。所以我們的初級(jí)任務(wù)是基于數(shù)據(jù)模擬河流情況。該模型建立后，探索各變量之間的聯(lián)系以得到最優(yōu)解。

根據(jù)公式計(jì)算庫(kù)容：

V=BLH/K （1）

式中：V為水庫(kù)總庫(kù)容；B為壩址的河道寬；L為回水長(zhǎng)度；H為正常蓄水量；K為常數(shù)。

根據(jù)公式計(jì)算回水長(zhǎng)度：

L=H/C （2）

式中：C為河道平均坡度。

根據(jù)公式計(jì)算平均坡度：

C=（d1-d2）/S （3）

式中：d1、d2為海拔高度；S為1和2間的河道長(zhǎng)度。

4.2 二級(jí)模型

二級(jí)模型，見表1。

4.3 三級(jí)模型

（1）使用搜索到的信息限制釋放水的體積；（2）建立線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型；（3）通過隨機(jī)數(shù)法生成合適的引水方案。

5 模型的檢測(cè)和敏感性分析

5.1 參數(shù)的探討

一些參數(shù)是在討論和查找信息后合理創(chuàng)造的。通過查找大量的材料我們盡可能多的使用了已有數(shù)據(jù)，在確實(shí)無法獲得實(shí)際值的情況下才會(huì)自己設(shè)置參數(shù)。我們花費(fèi)了大量的時(shí)間尋找我們建模的數(shù)據(jù)，因?yàn)槲覀兿嘈鸥嗟膶?shí)際數(shù)據(jù)，意味著更準(zhǔn)確和符合現(xiàn)實(shí)的預(yù)測(cè)。

5.1.1 理想河的參數(shù)

用矩形代替梯形河道的行為魯棒性較差并且根據(jù)自然河道的情況，很容易判斷矩形河道是不合理的、無法使用的。

5.1.2 二級(jí)模型的參數(shù)

正常蓄水量和成本都有著低魯棒性。這是兩個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼈兣c水壩性能和總成本相關(guān)。

5.1.3 三級(jí)模型的參數(shù)

（1） 對(duì)干旱和洪水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整；（2）增加隨機(jī)數(shù)的波動(dòng)范圍來影響河流徑流量。被增強(qiáng)的水庫(kù)調(diào)節(jié)能力達(dá)到了足以抵抗洪水的程度，也就是等于擁有了優(yōu)越的魯棒性。

5.2 規(guī)律

通過對(duì)3組不同造價(jià)的建造方案在組內(nèi)進(jìn)行比較和進(jìn)行組間比較之后得出以下結(jié)論。

（1）隨著造價(jià)的提升，相應(yīng)的最大蓄水量前期變化明顯，后期上升較為緩慢，在造價(jià)約為2.96億時(shí)，性價(jià)比較高，且對(duì)水的調(diào)節(jié)能力有顯著的提高。

（2）在所討論的適宜造價(jià)范圍內(nèi)，造價(jià)相同時(shí)，建較多的大壩性價(jià)比較低，通過對(duì)性價(jià)比較高的方案的分析，推薦建壩數(shù)量為12～14個(gè)。

（3）通過對(duì)每個(gè)可建壩點(diǎn)的建壩次數(shù)的累加，可以優(yōu)化適合建壩的位置，在理想模型下，考慮到我們需要大蓄水量，因此推薦選擇河道較為寬闊的地方建壩，且在這樣的位置建立水壩的規(guī)模也往往較大。

（4）通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大壩如果建得過于密集，其蓄水能力將大打折扣，因此在實(shí)際選擇建壩位置時(shí)，不宜過密。

6 總結(jié)

6.1 建模結(jié)果

建模結(jié)果見圖1、圖2、表2、表3。

6.2 模型優(yōu)勢(shì)

（1）通過線性規(guī)劃得到解決方案，如果在這個(gè)問題中我們可以得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，那么方案將更加準(zhǔn)確，這就意味著此算法有改進(jìn)的空間。

（2）退火算法和線性規(guī)劃的方法使解決方案更具有普遍性。類似的問題可以通過僅改變少數(shù)參數(shù)解決。

（3）通過隨機(jī)數(shù)模擬的方法，可以使模型多變，這便能幫助我們找到一般規(guī)律，這說明此模型具有較強(qiáng)的解決問題的能力。

（4）所用模型都很易建立。

6.3 模型劣勢(shì)

（1）盡管模型已得到改進(jìn)，它仍然與現(xiàn)實(shí)不同。

（2）信息的缺乏使一些數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確并會(huì)影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6.4 未來工作的展望

（1）對(duì)卡里巴水庫(kù)大壩的實(shí)地考察以獲得更多實(shí)際數(shù)據(jù)。

（2）使用新數(shù)據(jù)優(yōu)化方案。

（3）更新不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

（4）在情況變得更糟糕前盡快執(zhí)行最佳方案。

7 結(jié)語

該文通過數(shù)學(xué)建模的思想給出了建造大壩隨著資金增加的變化傾向于一般規(guī)律和調(diào)節(jié)水量的一般方法。經(jīng)過討論、查閱資料合理制定了一些參數(shù)，提升預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。該文給出的方案可以在安全和成本方面為卡里巴新水壩的水流量系統(tǒng)提供合理的策略。解決已知或預(yù)測(cè)的正常水周期，解釋和證明了正確處理應(yīng)急水流情況應(yīng)當(dāng)采取的行動(dòng)。為日后卡里巴的修繕工程提供一定的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] Kariba Dam[EB/OL].https：//en.wikipedia.org/wiki/Kariba_Dam#cite_note-21.

[2] River Flows [EB/OL].http：//www.zaraho.org.zm/hydrology/river-flows.

[3] Kariba risk Report of 2016[Z].