第二节
系统工程规划法

一、系统工程规划法概念

从多年建坝实践经验来看，一个好的淤地坝坝系工程，应当是运用方便、安全可靠，拦蓄效益、经济效益最大，工程量和投资费用最小。要达到此目的，须解决好三个问题：一是布坝密度和工程规模；二是建坝时序；三是建坝间隔时间。但要同时解决好这三个问题并非易事，因为它们之间相互关联、相互制约，采用一般方法进行规划步骤较多、难以达到整体最优的目标，但如果应用系统工程学优化原理进行规划可以较好地解决上述问题。

系统工程规划法是利用系统工程学的优化原理，以建设工程获得最大经济效益为目标函数，根据参变数和约束条件，建立相关的数学模型，编制计算机程序，上机运算求解，获得最优规划方案的一种规划方法。

系统工程规划法适用于解决多因子、多层次复杂问题的流域坝系规划，可利用计算机技术等高科技手段，手段先进，计算速度快，在多种约束条件下，对极其复杂的系统问题进行优化处理，得到基本符合实际的优化规划方案。但是，采用系统工程规划法进行规划需要的参变数多，对工程技术人员计算机技术水平要求高。

从目前应用情况来看，系统工程规划法规划模型需要以下技术支撑：

1）遥感技术。利用彩红外航空遥感图像，结合样方调查及目视解译，进行已有坝库的分布、坝地数量等信息提取；

2）地理信息系统（GIS）技术。利用GIS技术进行流域地理特征信息的提取；

3）专业知识（水工、水文泥沙及规划等）及专家经验；

4）应用运筹学及线性代数差分方程等知识建立数学模型；

5）应用计算机技术等建立数据库。

二、规划技术路线

系统工程规划法的技术路线是：在初选坝址的基础上，以工程费用最小、收益最大作为目标函数，建立数学模型。当目标函数达到极小值时，说明工程费用极小而收益极大，相应的决策变量（各坝拦沙、滞洪库容）的取值最佳，以此确定淤地坝建设规模、布局和座数；并以总费用与总收益作为目标函数建立关系式，确定淤地坝建坝顺序和建坝间隔时间（图3-5）。

三、规划工作方法步骤

系统工程规划法的方法步骤与综合平衡规划法的方法步骤基本相同，区别是综合平衡规划法方法步骤的第三步、第四步拟定规划方案在系统工程规划法中由以下方法步骤完成。图3-6为系统工程规划法流程图。

（一）建立计算模块

系统工程规划的计算模块包括，坝址工程特性曲线的概化计算模块、坝址识别模块、坝系调洪计算模块和库容淤积计算模块等。

1 .坝址工程特性曲线的概化计算模块

即首先建立坝高-库容、坝高-淤地面积、坝高-工程量、坝高-工程造价计算关系式等概化曲线，或建立曲线查算表计算模块。

2 .坝址识别模块

坝系中某单坝的上游可能有多条支流，也可能有多个相邻坝，在优化规划的过程中，每个坝的存在与否可能是一个变数，将直接影响下游坝的计算。因此，必须建立一个坝址识别模块，解决坝址是否合理的识别问题。

3 .坝系调洪计算模块

调洪问题是坝系规划设计中的一个重要问题。当坝址识别问题解决后，建立坝系调洪计算模块，以解决系统工程规划中的布局方案所涉及的运行安全合理性问题。

4 .库容淤积计算模块

当计算坝的上游没有任何拦蓄泥沙的坝库时，所产生的全部泥沙将汇入计算坝的库容内；当上游有坝时，则计算坝的淤积情况将发生改变，须建立库容淤积计算模块，以求得反映这种变化规律和数据。

（二）决策变量选择

决策变量在这里系指对淤地坝规划起综合控制性作用的某一（或某些）因素变量因子。对淤地坝坝系规划而言，拦泥坝高（特别是骨干坝拦泥坝高）对坝系规划有控制性作用，拦泥、滞洪库容对建坝效益有控制作用，故可选其作为决策变量。对工程总体而言，工程布局、规模、建坝时序、工程结构等，可作为系统规划总的决策变量。

1 .工程布局

在分析每个预选坝建坝可能性的基础上，确定坝系的布局和数量。

2 .工程规模

根据坝系的布局和数量，确定每座坝的工程规模，包括淤积库容和滞洪库容。

3.建坝顺序

确定每一座坝的建设时间及建坝顺序。

4 .工程结构

确定每一座坝的工程枢纽组成。工程结构应综合地形条件、工程在坝系中所处位置和坝系整体投入产出确定。

（三）约束条件选择

约束条件包括坝高约束、控制面积约束、库容约束等。

1 .坝高约束

受地形条件影响，坝高不可能超过两岸山体的允许高度；当坝址处已有旧坝时，坝高不能低于现状坝高。

2 .控制面积约束

按照骨干坝和中小型淤地坝工程有关技术规范、标准关于控制面积的规定，坝的控制面积不能超出所允许的上限值和下限值。

3 .工程库容约束

工程的库容不能超出规范所允许的最大值。

4 .淤地面积约束

坝地面积不能少于流域规划所要求的面积值。

5 .淤满时间约束

一般来说，坝系中任何一座坝的拦泥库容淤满时间不应拖得很长，应给予必要的约束，不宜大于经济计算期结束的年份。

6 .坝系相对稳定约束

坝系中的坝地面积与控制面积的比值在1/20～1/25之间；一次暴雨（一般可取设计频率）坝地上的蓄水深度不超过0.7m，淹渍时间不超过7昼夜，坝地年泥沙淤积上升高度不超过0.3m；坝系的防洪标准100～200年一遇。

7 .特殊约束

根据流域地形及坝址周围建筑物的情况，为满足特殊要求而附加的约束条件，以及产粮（当地要求）、投资（小型工程为群众投资）等方面的约束条件。

（四）淤地坝建坝规模、布局和座数确定

建坝规模、布局和淤地坝座数的合理确定十分复杂，当以工程投资费用最小为目标函数时，可用优化规划法原理建立如下数学模型求解：

式中 n ——坝系坝址个数，座；

x _i ——为第 i 号坝的拦泥库容，万m ³ 。 i =1，2，...， n ；

x _{n + i} ——表示第 i 号坝址的滞洪库容，万m ³ 。 i = 1，2，... n ；

d _b 、 d _yt 、 d _yq ——坝体土方单价、溢洪道土方单价、溢洪道衬砌单价，元/m ³ ；

α _i 、 β _i ——第 i 号坝根据库容求坝体工程量的系数及指数；

δ _i 、 ε _i ——第 i 号坝根据溢洪道流量求溢洪道土方量的系数及指数；

φ _i 、 Ψ _i ——第 i 号坝根据拦泥库容求坝地面积的系数及指数；

q _p i ——第 i 号坝区间面积上频率为 P 的洪峰流量， m ³ /s；

W _pi ——第 i 号坝区间面积上频率为 P 的洪水总量，万m ³ ；

q _ui ——第 i 号坝区间面积上频率为 u 的洪峰流量， m ³ /s；

W _ui ——第 i 号坝在计算溢洪道流量达到最大值之前，相邻上游坝溢洪道下泄洪水总量，万m ³ ；

L _yi ——第 i 号坝的溢洪道长度， m；

B _i 、 h _ki ——第 i 号坝的溢洪道宽度及临界水深， m；

T _s ——坝系经济计算期，年；

B ——坝地单位面积产值，元/hm ² ；

P ——坝地保收率。

通过上式运算求解，求得工程投资费用最小时，相应决策变量（拦泥、滞洪等）的最佳值，从而决定其建坝规模、布局及淤地坝座数等。

（五）建坝顺序与建坝间隔时间确定

在确定建坝总费用项目（工程建设直接费和间接费两部分）和总收益项目（坝系增产、增收、拦沙折算值等）后，当采用动态计算法折算到基准年计算时，以总费用与总收益的现值差为目标函数的系统工程规划数学模型可表示如下：

式中 x _i ——决策变量，即第 i 号坝的建坝时间，年；

f （ x _i ）——目标函数，元；

n ——坝系中坝址的个数，座；

C _i ——第 i 号坝的总工程费用，元；

q ——贴现率，%；

B ——单位坝地面积上的净产值，元/hm ² ；

P ——坝地保收率，%；

A _i ——第 i 号坝的坝地面积， hm ² ；

T _s ——经济计算期，年；

——第 i 号坝的实际淤积期，年；

β _i ——第 i 号坝坝地面积～库容回归方程（ S = aV ^β ）中的指数；

j ——从基准年开始计算的年数，年。

通过此式运算求解，可确定建坝时序和建坝间隔时间。 mHiOh0qQNrEuBKnKPuxZUSWSbkNQOIvn3pE0G0PjBykTTNZi9KLPiLo8ZC8Rmjsk