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门宝辉 著

图书标签:

• 水资源
• 系统优化
• 优化原理
• 优化方法
• 水文水资源
• 水利工程
• 运筹学
• 模型分析
• 决策支持
• 资源管理

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030571908

版次：31

商品编码：12350431

包装：平装

丛书名： 普通高等教育“十三五”规划教材

开本：16开

出版时间：2018-05-01

页数：284

字数：470000

正文语种：中文

内容简介

《水资源系统优化原理与方法》在介绍水资源系统优化基本原理的基础上，阐述了系统优化方法在水资源规划、设计和配置中的应用，并将 Excel优化工具、LINGO及Matlab优化工具箱引入例题的求解中，《水资源系统优化原理与方法》很多实例采用一题多解的方式来解决，为学生分析和处理复杂工程问题提供了思路和途径。

目录

目录
前言
第一章 绪论 1
第一节 概述 1
一、系统的概念 1
二、系统的结构与功能 2
三、系统的属性 3
四、系统的类型 4
五、系统的模型化方法 5
六、系统模型的优化方法 7
第二节 水资源系统的优化及其应用软件 7
一、水资源系统的概念 7
二、水资源系统的优化 9
三、水资源系统优化的研究进展 11
四、应用软件 12
第三节 本书的主要内容 27
习题 28
第二章 水资源系统线性规划模型及其应用 29
第一节 概述 29
一、线性规划模型的实例 29
二、线性规划模型的一般形式 31
三、线性规划模型的标准型 32
第二节 线性规划模型的有关概念及解的基本性质 33
一、线性规划的有关概念 33
二、线性规划的图解法 34
三、线性规划解的几种情况 36
四、线性规划的基本定理 37
第三节 单纯形法 38
一、单纯形法的基本思路 38
二、单纯形法的基本原理 38
三、单纯形法的计算过程 41
四、单纯形高斯消去法举例 41
五、单纯形表 42
六、确定初始基可行解的人工变量法 43
第四节 修正单纯形法 47
一、修正单纯形法的基本思路 47
二、修正单纯形法的计算步骤 47
三、可行基B 逆矩阵的求解方法 47
四、修正单纯形法的计算实例 48
第五节 随机线性规划模型 51
一、概率规划 52
二、机会约束规划 52
第六节 线性规划模型及其计算机求解的应用实例 54
一、流域规划问题 54
二、水库优化调度最优供水问题 58
三、水资源优化配置问题 62
习题 66
第三章 水资源系统线性规划的对偶模型及其应用 69
第一节 概述 69
一、线性规划对偶问题的数学模型 69
二、原问题与对偶问题数学模型的类型 72
三、对偶问题的性质 76
四、原线性规划(LP)与其对偶模型(LD)的对应关系 77
第二节 对偶单纯形法 78
一、对偶单纯形法的概念 78
二、对偶单纯形法的计算步骤 78
三、影子价格 80
第三节 灵敏度分析 82
一、资源向量的变化对线性规划模型解的影响 83
二、价值向量的变化对线性规划模型解的影响 85
三、约束条件中系数矩阵的变化对线性规划模型解的影响 86
四、增加决策变量对线性规划模型解的影响 86
五、增加约束条件对线性规划模型解的影响 89
第四节 对偶模型的实例应用 89
一、水电站发电的水价制定问题 89
二、水源地的供水问题 91
习题 92
第四章 水资源系统整数线性规划模型及其应用 94
第一节 概述 94
一、整数规划的概念与类型 94
二、整数规划的数学模型 94
三、整数规划的求解方法 95
第二节 分支定界法与割平面法 97
一、分支定界法 97
二、割平面法 100
第三节 0-1 型整数规划及指派问题 103
一、0-1 型整数规划 103
二、指派问题 107
第四节 整数线性规划的实例应用 112
一、投资建设项目的选址问题 112
二、投资建设项目选择问题 116
三、项目开发建设次序优化问题 117
四、工程建设中材料的优化问题 122
习题 124
第五章 水资源系统非线性规划模型及其应用 126
第一节 概述 126
一、非线性规划的数学模型 127
二、非线性规划的图解法 128
三、非线性规划的类型与特点 130
四、非线性规划的相关基础知识 130
第二节 一维最优化搜索方法 133
一、解析法 134
二、消去法 136
三、多项式插值法 137
第三节 无约束非线性规划的解析搜索法 138
一、梯度法 139
二、牛顿法 141
三、共轭梯度法 142
四、变尺度法 143
五、解析搜索法小结 146
第四节 无约束非线性规划的直接搜索法 146
一、坐标轮换法 146
二、模式搜索法 147
三、单纯形搜索法 149
四、共轭方向法 151
第五节 有约束非线性规划的求解方法 152
一、约束非线性规划的可行方向与起作用约束 153
二、拉格朗日乘子法 154
三、约束极值的最优性理论(Kuhn-Tucker 理论) 155
四、罚函数法 158
五、二次规划 162
第六节 非线性规划模型的实例应用 165
一、非线性回归分析问题 165
二、灌溉水量的合理分配问题 168
三、河流水质规划问题 169
四、城市排水方案的优化问题 170
习题 172
第六章 水资源系统动态规划模型及其应用 175
第一节 概述 175
第二节 动态规划的基本原理和基本方程 176
一、多阶段决策过程的数学描述 176
二、动态规划的基本概念 177
三、动态规划的基本原理 179
四、动态规划的基本方程 179
五、动态规划模型的基本形式 180
六、建立动态规划模型的一般步骤 180
七、动态规划的优越性和局限性 181
第三节 确定性动态规划模型及其实例应用 181
一、最优线路问题 182
二、资源优化分配问题 186
三、水库优化调度的动态规划模型 191
第四节 随机性动态规划模型及其实例应用 198
一、多阶段决策过程中的随机性 199
二、随机最优策略与基本方程 199
三、随机变量相互独立时的动态规划问题 201
四、随机变量具有马尔可夫链关系的动态规划问题 203
习题 205
第七章 水资源系统多目标规划模型及其应用 206
第一节 概述 206
一、水资源系统的多目标问题 206
二、多目标规划的数学模型及特点 207
三、多目标规划的解 207
四、多目标规划问题的求解方法 210
第二节 评价函数法 210
一、主要目标法 211
二、线性加权和法 213
三、理想点法 224
四、乘除法 225
五、功效系数法 226
第三节 分层求解法 228
一、分层序列法 228
二、重点目标法 234
三、分组序列法 234
第四节 目标规划法 234
一、目标规划法的基本思路 234
二、最小偏差法 234
三、线性目标规划 235
第五节 多目标线性规划的逐步法 237
一、逐步法的基本思路 237
二、逐步法的计算步骤 237
第六节 多目标规划模型及其实例应用 239
一、供水系统的目标规划模型 239
二、水资源优化配置的多目标规划模型 242
三、加权优序法在水质评价中的应用 246
习题 249
第八章 现代智能算法在水资源系统优化中的应用 251
第一节 概述 251
第二节 遗传算法 253
一、遗传算法的概念 253
二、遗传算法的主要参数 254
三、遗传算法的操作步骤 254
四、遗传算法的应用实例 257
第三节 人工神经网络 257
一、人工神经网络的基本概念 257
二、人工神经网络的网络类型 259
三、人工神经网络的应用实例 261
第四节 粒子群优化算法 265
一、粒子群优化算法的基本原理 265
二、粒子群优化算法的操作步骤 267
三、粒子群优化算法的两种模式 267
四、粒子群优化算法的应用实例 268
第五节 模拟退火算法 270
一、模拟退火算法的起源 270
二、模拟退火算法的基本原理 271
三、模拟退火算法的分类 272
四、模拟退火算法的操作步骤及参数选择 273
五、模拟退火算法的应用实例 275
第六节 混沌优化算法 276
一、混沌理论 276
二、混沌优化算法的概念 277
三、混沌优化算法的基本原理 277
四、混沌优化算法的分类 278
五、混沌优化算法的操作步骤 278
六、混沌优化算法的应用实例 279
习题 281
参考文献 282

《蓝色脉络：现代社会水资源的挑战与智慧》 在地球这颗蔚蓝星球上，水是万物赖以生存的基石，更是文明演进的动脉。然而，随着全球人口的激增、工业化进程的加速以及气候变化的严峻挑战，我们赖以生存的水资源正面临前所未有的压力。从干旱缺水的戈壁到洪水肆虐的冲积平原，从被污染的河流到地下水位的持续下降，水资源的供需矛盾日益尖锐，已经成为制约许多国家经济社会可持续发展、影响人民福祉的重大瓶颈。 本书并非一本探讨具体技术模型或算法的学术专著，而是旨在为广大读者，包括政策制定者、行业从业者、科研人员以及对水资源议题关心的普通民众，勾勒出一幅全面而深刻的现代水资源图景。我们将深入剖析当前全球及区域水资源所面临的复杂挑战，并在此基础上，探索一系列创新性的、具有前瞻性的解决思路与实践路径。 第一章：水：文明的源泉与现代的困境 水，是生命之源，也是人类文明的摇篮。从古埃及尼罗河的灌溉奇迹，到古代中国黄河两岸的农耕文明，无不印证着水对社会发展的重要性。然而，进入21世纪，我们面临的水挑战已然升级。本章将回溯水与人类文明的渊源，并重点梳理当前全球水资源分布不均、利用效率低下、水污染日益严重、地下水超采与海水入侵等一系列严峻现实。我们将通过具体案例，展示水资源短缺如何引发社会冲突，阻碍经济发展，以及环境退化如何进一步加剧水危机。同时，气候变化对水循环的干扰，如极端降雨、干旱频发、冰川融化等，也将作为重要的背景因素被深入讨论。 第二章：需求的迷局：人口、经济与生活方式的驱动 水资源的紧张并非简单的数量不足，更与不断变化的需求紧密相关。本章将深入分析驱动水资源需求增长的多元因素。首先，持续增长的人口是基础，每个新增人口都意味着对饮用水、食物生产（农业用水）以及能源生产（工业用水）的额外需求。其次，经济发展是另一大驱动力，工业化进程中，制造业、能源行业（尤其是火力发电和水电）对水的消耗量巨大且复杂；城市化进程则带来了生活用水量的大幅增加，以及对更高水质的要求。第三，生活方式的转变，如消费习惯的变化（例如肉类消费增加导致灌溉用水量上升）、对高品质生活的追求，也间接增加了对水资源的压力。我们将审视不同行业和生活领域的水足迹，揭示其背后隐藏的联系与相互影响。 第三章：污染的阴影：从源头到末端的水环境治理 水污染是与水资源短缺并行的另一大危机。本章将聚焦于水污染的各个环节与治理的挑战。我们将探讨工业废水、生活污水、农业面源污染（化肥、农药径流）以及畜禽养殖废水等主要污染源的特征与危害。从河流、湖泊到海洋，从地表水到地下水，污染的扩散与累积对生态系统健康和人类健康构成了严重威胁。本章将详细介绍不同类型的污染物及其治理技术，并重点讨论“从源头控制”的理念，强调预防性措施和清洁生产的重要性。同时，我们将探讨末端治理的挑战，包括污水处理厂的建设与运营、污泥处理等。此外，新兴的微塑料、药品残留等新型污染物问题也将有所提及。 第四章：生态的呼唤：河流、湿地与生物多样性的守护 水并非仅仅是人类可利用的资源，更是维系生态系统健康与生物多样性的命脉。本章将视角转向水与自然生态系统的关系。我们将深入探讨河流的自然流态、湿地生态系统的功能及其对水质净化、洪水调蓄、生物栖息地的作用。干涸的湖泊、萎缩的湿地、消失的鱼类，这些都是水资源过度开发和环境破坏的警示信号。本章将强调“生态用水”的概念，即保障河流、湖泊、湿地等水体自身维持健康生态功能所需的水量和水质。我们将讨论如何平衡人类用水需求与生态用水需求，并介绍相关的生态修复技术和生态保护策略，如构建健康的河湖生态系统、恢复湿地功能等。 第五章：气候变化的涟漪：水资源的不确定性与适应策略 气候变化正深刻地重塑着全球水循环，为水资源管理带来了前所未有的不确定性。本章将详细阐述气候变化对水资源系统的影响，包括降水模式改变、极端天气事件（干旱、洪涝）频发、海平面上升导致沿海地区咸水入侵、冰川退缩影响融水供应等。我们将分析这些变化对供水安全、农业生产、能源供应、城市运行以及防洪减灾带来的风险。在此基础上，本章将重点探讨水资源管理如何进行气候适应。这包括构建更具韧性的供水系统、发展耐旱作物、改进水利基础设施以应对极端事件、实施早期预警系统，以及加强跨区域和国际合作以应对气候变化带来的水资源挑战。 第六章：智慧的水管理：技术、政策与协同 面对复杂的水资源挑战，仅依靠传统手段已难以为继。本章将聚焦于“智慧的水管理”理念，探讨如何运用现代科技、优化政策设计以及促进多方协同，以实现水资源的永续利用。在技术层面，我们将介绍遥感、大数据、人工智能、物联网等前沿技术在水资源监测、预警、调度、漏损检测等方面的应用潜力。在政策层面，本章将探讨市场化机制（如水权交易、排污权交易）、价格杠杆、补贴与税收等经济手段在促进节水、减排、提高水资源利用效率方面的作用。同时，也将讨论法律法规的完善、监管体系的建立以及公众参与的重要性。最后，本章将强调跨部门、跨区域、跨国界的协同合作，因为水资源的流动性决定了单一区域或部门的努力难以彻底解决问题。 第七章：创新的足迹：节水、再生与替代的水源 节约用水是解决水资源问题的根本途径。本章将深入探讨节水技术的创新与应用。从农业高效灌溉（如滴灌、喷灌）、工业循环用水、城市节水器具到居民生活节水窍门，我们将展现全社会节水的广阔空间。同时，再生水（废水处理后回用）和海水淡化作为重要的补充水源，其技术发展、经济性、环境影响以及推广应用面临的挑战与机遇也将得到深入分析。此外，本章还将触及非常规水源的利用，如雨水收集、雾气收集等，以及未来水资源替代方案的可能性。 第八章：共享的未来：水治理的全球视野与区域合作 水资源的挑战跨越国界，解决之道亦需要全球性的视野与区域性的合作。本章将探讨水资源治理的国际维度。我们将分析国际水资源争端的原因与解决机制，强调和平利用水资源的必要性。同时，也将介绍不同国家在水资源管理方面的成功经验与教训。本章将重点关注跨界河流流域的管理合作，如共享水文信息、联合开发水资源、共同应对洪水与干旱等。此外，还将探讨国际组织、非政府组织在推动全球水资源可持续发展中的作用。 结语：水润万物，智启未来 “蓝色脉络：现代社会水资源的挑战与智慧”并非提供一套现成的解决方案，而是希望通过对当前水资源困境的深刻剖析，以及对未来解决路径的广泛探索，激发读者对水资源的重视，引导社会各界以更宏观、更长远的视角来思考和应对水资源挑战。水是生命之本，更是发展之源。唯有以智慧为指引，以创新为动力，以合作为基础，我们才能守护好这颗蓝色星球上的宝贵财富，为人类社会的可持续发展铺就坚实的基石。本书愿与您一同踏上这场探索水资源智慧与未来的旅程。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在水务部门工作的实践者，我更多地是从实际应用的角度来审视这本书。我最看重的是书中关于水资源管理政策与规划的内容。作者通过对不同国家和地区的水资源管理案例进行分析，揭示了在实际操作中可能遇到的挑战和机遇。例如，关于水权制度改革的讨论，书中详细阐述了不同水权模式的优缺点，以及在不同社会经济背景下的适用性。同时，对流域综合管理策略的分析也十分到位，强调了跨部门、跨区域协作的重要性，以及如何通过建立有效的沟通协调机制来解决水资源开发利用中的冲突。我尤其注意到书中关于水价改革和市场机制在水资源配置中的作用的探讨，这对于当前中国水价改革的推进具有重要的借鉴意义。书中还提到了如何利用经济学原理来评估水资源项目的效益与成本，以及如何将环境外部性纳入决策考量，这些都是我在工作中经常会遇到的难题。总的来说，这本书为我提供了一个更广阔的视野和更丰富的工具箱，有助于我更好地理解和应对实际工作中的复杂问题。

评分☆☆☆☆☆

我对书中关于“系统”这个概念的理解和应用印象深刻。作者并没有将水资源系统简单地视为一个独立的实体，而是将其置于一个更宏观的生态、经济和社会环境中进行分析。例如，在讨论水资源与能源、粮食之间的耦合关系时，书中运用了系统动力学的方法，模拟了不同因素之间的相互作用和反馈机制，这让我对水资源短缺可能引发的连锁反应有了更深刻的认识。书中还对水资源系统的韧性进行了探讨，分析了如何通过优化调度、工程措施和生态修复等手段来增强系统应对气候变化、极端事件等外部扰动的能力。这对于我们当前面临的全球气候变化挑战来说，具有非常重要的意义。我特别喜欢书中关于“多目标优化”的章节，它将经济效益、社会公平和生态安全等多个看似矛盾的目标有机地结合起来，并提出了一系列可行的解决方案。这种全局性的思维方式，对于解决复杂的水资源问题至关重要。

评分☆☆☆☆☆

我尝试着去理解书中关于“优化”的数学原理，虽然对我来说有些挑战，但整体感受还是非常积极的。作者在介绍数学模型时，并没有回避复杂的公式和推导，而是尽力用清晰的语言和直观的图示来解释它们。我尤其对书中关于“非线性规划”和“随机规划”的讲解印象深刻。作者通过生动的案例，例如如何根据不确定的未来降雨来优化水库的调度，让我看到了这些高级优化技术在实际水资源管理中的强大威力。虽然我不是数学专业的，但通过这本书，我感觉自己对这些概念有了一个初步但相对深入的理解。书中还提到了如何利用计算机软件来求解这些优化模型，这为实际应用提供了便利。我感觉这本书更像是开启了一扇大门，让我看到了水资源优化领域背后蕴含的科学与技术深度，也激发了我进一步学习的兴趣。对于那些想从数学和计算角度深入理解水资源系统优化的人来说，这本书绝对是一本不可多得的参考书。

评分☆☆☆☆☆

我个人对水文模型方面的内容特别感兴趣，所以在这本书里花了大量时间研读了相关的章节。作者在介绍传统的水文模型，例如集流模型和水动力模型时，不仅梳理了它们的发展脉络，还对其内在的物理过程和数学表达进行了深入浅出的解释。我尤其欣赏的是，书中并没有止步于介绍现有的模型，而是重点探讨了如何根据不同的研究对象和数据条件，选择和构建最优的水资源优化模型。例如，在介绍模型不确定性分析时，作者详细讲解了蒙特卡罗模拟、贝叶斯方法等技术，并结合实例说明了如何量化模型的不确定性，以及如何利用这些信息来辅助决策。此外，书中对模型验证和评估的标准也进行了详细的论述，包括各种统计指标的含义和适用范围，这对于检验模型的可靠性和适用性至关重要。我感觉作者在这方面下了很大的功夫，力求为读者提供一套系统性的模型构建和应用指南。对于那些希望在水文模型领域进行深入研究的学生和科研人员来说，这本书无疑提供了一个很好的起点和参考框架。

评分☆☆☆☆☆

这本书我大概翻了几页，感觉内容非常前沿，尤其是在关于大数据分析在水资源管理中的应用部分，让我耳目一新。作者引用了许多最新的研究成果和案例，例如如何利用遥感技术监测地下水位的变化，以及如何通过机器学习模型来预测降雨径流。这些技术不仅理论扎实，而且非常具有实际操作指导意义。书中对不同模型算法的阐述也相当细致，从基础的线性规划到更复杂的非线性优化，再到动态规划和博弈论的应用，都有深入的讲解，并配以相应的数学公式和图表，对于想要深入理解水资源系统优化模型背后原理的读者来说，无疑是一份宝贵的财富。而且，作者还探讨了如何将这些模型应用于具体的场景，比如优化灌溉策略以提高农业用水效率，或者协调不同用水部门之间的用水需求，以期实现水资源的公平分配和可持续利用。这些内容对于水利工程师、环境科学家以及政策制定者都具有重要的参考价值。总的来说，这本书提供了一个从理论到实践的全面视角，对于提升水资源管理水平，应对日益严峻的水资源挑战，具有重要的指导作用。