熵与模糊集理论在洪水预报及水库调度中的应用研究博士论文.doc

博 士 学 位 论 文熵与模糊集理论在洪水预报及水库调度中的应用研究study on entropy and fuzzy net theory application in flood forecast and reservoir operation大连理工大学dalian university of technology独创性说明作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名： 日期： 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日大连理工大学博士学位论文教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要我国洪涝灾害频繁发生，每年防汛任务十分艰巨，但同时又面临着日趋严重的水资源短缺问题。在保证防洪安全前提下，开发利用洪水资源，实现防洪与兴利并举，是近年来水文学科重点研究的问题之一。本文从洪水预报和汛限水位动态控制两个研究方向着手，以汛限水位动态控制研究专题的试点水库为工程背景，运用模糊优选理论、极大熵理论、熵权多目标决策法、遗传算法等理论，研究了蒸散发计算和流域蓄水容量的模糊描述、洪水预报模型参数的模糊相似校正方法、流域非线性汇流模型、误差分布的极大熵模型以及考虑洪水预报和降雨预报动态控制水库汛限水位的风险计算方法。主要研究内容和成果如下：（1）对产流模型中采用分级简化计算蒸发和流域蓄水容量描述存在的问题，以大伙房模型为例，首先利用隶属度函数对蒸发和蓄水容量进行模糊描述，解决了原分级计算导致蒸发参数敏感，蒸发量计算不合理的问题。并通过分析流域下垫面和径流特点，考虑了土壤蓄水容量的变化，进一步认识流域水文循环变化规律，提高了洪水预报精度。在此基础上，利用场次洪水降雨前期因素之间的相似性，从误差形成的物理机制出发，利用场次洪水降雨前期因素之间的相似性，建立了洪水预报模型参数的模糊相似校正方法。通过修正模型参数，达到校正产流预报结果的目的。（2）对瞬时单位线流域汇流模型的非线性处理问题，通过考虑时段雨强和空间分布不均的非线性影响因素，提出了时变瞬时单位线非线性汇流模型。并针对规范中要求洪峰流量、峰现时间和确定性系数同时满足精度要求的多指标评价问题，提出两种目标评价函数模糊综合目标函数和熵权多目标决策法来确定模型参数。在观音阁葠窝水库的应用结果表明，对反推梯级水库区间汇流过程存在的负值、锯齿状和误差等问题，可采用区间洪水汇流和河道演进模型参数统一率定的方法解决。（3）针对目前采用正态、对数正态等常用分布描述洪水预报误差存在的问题，根据实际洪水预报误差出现在有限区域的特点，建立了洪水总量预报误差分布的极大熵模型，计算了不同预报方案的极限误差，与常用分布进行了对比分析。对模型中的误差上限确定问题，从防洪安全的角度给出了初步确定方法。最后利用模型计算得到的误差分布，对预报误差的不确定性进行了估计。（4）在桓仁水库和丹江口水库洪水预报与降雨预报精度分析的基础上，利用防洪预报调度方式和改进的预泄能力约束法，确定了桓仁水库与丹江口水库汛限水位动态控制域。在此基础上，联合降雨预报和洪水预报确定了桓仁水库动态控制汛限水位的上限。通过分析，在保证水库供水和发电效益的前提下，单独利用洪水预报、降雨预报信息以及两种预报信息联合应用，桓仁水库汛期最多分别可减少弃水30.21106m3、60.42106m3和90.63106m3；单独利用降雨预报信息，丹江口水库汛期最多可减少弃水4.1108m3。（5）研究分析了利用洪水预报和降雨预报信息动态控制汛限水位对水库的防洪风险。在王本德教授对汛限水位动态控制风险率定义的基础上，结合预报误差分布的极大熵模型，通过分析年频率与次频率的转换关系，建立了利用洪水预报以及洪水预报和降雨预报联合应用动态控制水库汛限水位的风险率定义及其计算方法。分析了桓仁水库和丹江口水库汛限水位动态控制的风险，并对采用不同误差分布计算得到的风险率进行了对比分析。最后给出了同一特征水位在不同控制汛限水位下的风险分布。最后对全文作了总结，并对有待进一步研究的问题进行了讨论。关键词：蓄水容量；模糊描述；模糊相似校正；时变瞬时单位线；误差分布；极大熵；汛限水位动态控制；风险分析abstractfloods disaster frequently occurs, and annual floods control is really challenging problem in china. on the other hand, the increasingly lack of water resources is a serious problem we are facing now. exploiting floods resources and realizing benefits and floods control are important research fields in hydrology science under the condition of guaranteeing the safety of floods control. in this dissertation, as for some problems in flood forecast and reservoir regulation, the research had been done based on the special research topic dynamic control on limit water level in flood season using theories of fuzzy optimizing theory, maximum entropy theory, entropy-weighted multi-objective decision making method, genetic algorithm etc. and the research focused on evaporation calculation, fuzzy description of catchment impoundage, fuzzy similarity calibration method, nolinear watershed concentration model and error distribution maximum entropy model and risk computation of dynamic control reservoir water level in flood season when the flood forecast and precipitation forecast are taken into consideration. the research mainly includes: (1) as for some existing problems in simplified graded-evaporation calculation and description of catchment impoundage, in the dissertation, taking dahuofang runoff model for an example, the function of membership grade was used to fuzzily describe the evaporation and impoundage. it can solve parameter sensitivity resulted from original graded-evaporation calculation and get a reasonable evaporation result. and according to the characteristics of underlaying surface of catchments and that of runoff, the variation of impoundage was taken into consideration in runoff model. furthermore, given the factors of the similarity prior to precipitation, a fuzzy similarity calibration method of flood forecast model parameters was established, which was given from physical mechanism of error production. after the modification of model parameters, the runoff forecast results was calibrated.(2) as for the treatment on nolinear problem in instantaneous unit hydrograph (iuh), the main nolinear factors including period precipitation intensity and its spatial distribution were investigated. and a new watershed concentration model named time variable instantaneous unit hydrograph (tviuh) was put forward. and as for the multi-objective decision-making (modm) problem that requiring flood peak discharge, time to peak and deterministic coefficient meet the requirements simultaneously, two objective evaluation functions: fuzzy combination objective function and entropy-weighted modm method were suggested to determined the parameters of the model. in application of guanyinge-shengwo cascade reservoir, the results show that the model parameters of interval flood concentration and channel progression model should be calibrated simultaneously, so that the negative value, indention shape and their error occurred in back-analysis interval concentration process of casacade reservoir could be avoided reasonably. (3) as for the existing problems in describing flood forecast error using normal distribution & logarithm normal distribution, the maximum entropy model of forecast error distribution of total flood discharge was established. the model takes the characteristic of forecast error lying a limit domain into consideration. the limit error of different forecast scheme was determined. and comparison analysis has been done error limits resulted from common error distribution functions. as for determination of upper bound of error, a primary method was suggested from the viewpoint of safety of flood control. and using the obtained error distribution from suggested model, uncertainty of forecast error has been evaluated.(4) the precision of flood forecast and precipitation forecast for huanren reservoir and danjiangkou reservoir were discussed firstly in this section. then using floods forecast regulation method and modified pre-discharge capacity constraint method, dynamic control domains of limit water level of huanren reservoir and danjiangkou reservoir in flood season were determined. combined with precipitaton forecast and flood forecast, the upper bound of dynamic control on limit water level of huanren reservoir in flood season was determined.analysis results show that when the reservoir water supply and power generation benefit are guaranteed, using flood forecast and precipitation forecast solely and using combination information of these two forecast results, huanren reservoir in flood season could save 30.21106, 60.42106 and 90.63106 cubic meter water resource respectively from discharging. as for danjiangkou reservoir, when using precipitation forecast results of individually, it could save 4.1108 cubic meter water resource from discharging.(5) if the flood forecast and precipitation forecast information is used to control water level of reservoir in flood season, the risk of it on flood control was analyzed in this section. then, transmission relationship between frequency for maximum flood discharge in a year and frequency for every flood in this year was established. and based on the risk rate of dynamic controlling reservoir water level in flood season defined by prof. b.d wang and maximum entropy model of forecast error distribution, the definition of risk rates when using flood forecast or combination of flood forecast and precipitation forecast to control limit water level in flood season were difined. and their corresponded calculation methods were given as well in this dissertation. after that, the risk of dynamic controlling limit water level in flood season was analyzed for huanren reservoir and danjiangkou reservoir respectively. and risk rates obtained from different error distributions were compared with each other. comparison results show the risk distribution for the same characteristic water level at different control limit water level in flood season. finally, the conclusions were drawn and further research perspectives were discussed. key words: impoundage; fuzzy description; fuzzy similarit calibration; time-variable instantaneous unit hydrograph; error distribution; maximum entropy; dynamic control on reservoir water level in flood season; risk analysisix目 录摘 要iabstractiii目 录v1 绪论11.1 选题背景11.1.1 我国的洪涝与干旱灾害11.1.2 我国水资源短缺问题21.1.3 提高洪水资源利用率31.1.4 实际工程背景41.2 水库洪水预报研究现状综述51.2.1 产流预报研究进展51.2.2 流域汇流模型研究现状61.2.3 洪水预报误差规律研究现状81.2.4 实时校正研究现状91.3 水库汛限水位动态控制及其风险分析研究现状101.3.1 洪水预报成果和降雨预报信息的可利用性101.3.2 水库汛限水位控制方法研究现状111.3.3 汛限水位动态控制风险分析研究现状131.4 本文主要研究内容141.4.1 本文研究内容151.4.2 论文研究框架162 蒸发和蓄水容量的模糊描述及参数校正方法研究182.1问题的提出182.2 蓄水容量和蒸发计算的模糊描述192.2.1 大伙房产流模型192.2.2 蒸散发计算的模糊描述192.2.3 土壤蓄水容量的模糊描述212.3 参数敏感性分析222.4 洪水预报模型参数的模糊相似校正222.4.1 洪水相似性分析的多指标体系232.4.2 相似洪水的多目标模糊优选识别模型242.4.3 洪水预报模型参数的模糊相似校正252.5 实例应用272.5.1 桓仁水库流域概况272.5.2 桓仁水库产流预报方案282.5.3 参数敏感性分析302.5.4 桓仁水库产流模型参数的模糊相似校正312.5.4.1 预报洪水相似性分析312.5.4.2 产流模型参数的模糊相似校正312.6 小结353 梯级水库区间流域非线性汇流模型研究363.1引言363.2 瞬时单位线汇流模型63373.3 时变瞬时单位线非线性汇流模型建立373.3.1 在瞬时单位线中考虑降雨的空间分布变化383.3.2 在瞬时单位线中考虑降雨强度的变化383.3.3 时变瞬时单位线模型结构383.4 时变瞬时单位线模型参数求解393.4.1 参数率定方法393.4.2 目标函数403.5 观音阁葠窝水库区间流域汇流预报方案研究433.5.1 葠窝水库流域概况433.5.2 葠窝水库区间产流预报方案443.5.3 观音阁葠窝水库区间汇流预报方案453.6 小结524 洪水预报误差分布规律分析及不确定性估计544.1引言544.2 极大熵原理554.2.1 熵的产生与发展554.2.2 极大熵原理564.3 洪水预报误差分布的极大熵模型建立与求解574.3.1 洪水预报误差分布的极大熵模型建立574.3.2 洪水预报误差分布的极大熵模型求解574.3.3 应用极大熵模型求解概率密度函数举例584.4 水库洪水预报误差分布规律分析594.4.1 水库洪水预报误差分布求解604.4.2 不同预报误差分布比较分析624.4.2.1 预报误差服从正态分布624.4.2.2 预报误差不服从正态分布644.5 预报误差分布上限确定654.6 误差的信息熵估计684.6.1 信息熵估计方法694.6.2 水库产流预报误差的信息熵估计694.7 小结705 水库汛限水位动态控制域的确定725.1引言725.2 桓仁水库汛限水位动态控制研究现状725.3 利用洪水预报确定桓仁水库汛限水位动态控制上限值735.3.1 利用洪水预报信息的可行性分析735.3.2 桓仁水库设计洪水调洪结果复核745.3.3 桓仁水库设计洪水净雨推求755.3.4 利用预报调度方式确定汛限水位动态控制的上限775.4 利用短期降雨预报确定水库汛限水位动态控制的上限值795.4.1 短期降雨预报精度分析795.4.2 不同量级降雨漏报条件下实际降雨分布规律分析805.4.3 改进预泄能力约束法确定桓仁水库汛限水位动态控制上限815.4.4 改进预泄能力约束法确定丹江口水库汛限水位动态控制上限825.5 降雨预报和洪水预报联合应用确定桓仁水库汛限水位动态控制上限835.6 小结836 水库汛限水位动态控制的风险分析856.1引言856.2 水库年频率与次频率转换关系866.2.1 桓仁水库次频率样本选取分析876.2.2 桓仁水库年次频率关系886.2.3 不同水库年频率与次频率的关系906.3 水库汛限水位动态控制风险率的定义916.3.1 水库设计风险率定义916.3.2 水库汛限水位动态控制风险率定义926.4 利用洪水预报动态控制水库汛限水位的风险分析926.4.1 利用洪水预报动态控制汛限水位的风险率计算方法936.4.2 桓仁水库利用洪水预报动态控制汛限水位的风险分析946.4.3 利用洪水预报各特征水位的风险分布986.5 利用短期降雨预报动态控制水库汛限水位的风险分析996.5.1 考虑无雨和小雨预报动态控制汛限水位的风险分析1006.5.2 预报中雨及以上量级降雨桓仁水库动态控制汛限水位的风险分析1056.5.3 大坝所能抵御洪水标准的变化分析1076.6 桓仁水库洪水预报和降雨预报联合应用动态控制汛限水位的风险分析1086.6.1 洪水预报联合无雨和小雨预报动态控制水库汛限水位的风险分析1086.6.2 洪水预报联合中雨及以上量级降雨预报动态控制汛限水位风险分析1156.7 小结1157 总结与展望1177.1 全文总结1177.2 展望119参 考 文 献121创新点摘要127攻读博士学位期间发表学术论文情况128致 谢129大连理工大学学位论文版权使用授权书130大连理工大学博士学位论文1 绪论1.1 选题背景由于气候、地理等因素的影响，我国水资源时空分布很不均匀，洪涝和干旱灾害频繁发生。随着人口增长，工业和城市用水的急剧增加，农业灌溉受水资源不足影响而发展停滞，洪涝灾害时有发生，再加上水环境的不断恶化，水资源问题日益成为我国社会经济发展的重要制约因素。面对严峻的水资源问题，在98年“三江”大水后，水利部按照中央确定的新时期水利工作方针，从中国的国情和水情出发，提出了实现从传统水利向现代化水利、可持续发展水利转变的治水新思路。防洪减灾作为水利事业的最重要组成部分，随着我国整体治水观念的变革，也要与时俱进地进行科学调整。总的来说，防洪减灾思路主要从三方面进行重大调整和转变。一是从单纯的抗拒洪水转变为在防洪抗洪的同时，要给洪水以出路。1998年的大洪水给了我们一个重要启示，就是人类不给水出路，水就不给人出路。二是从单纯的防洪工程体系转变为工程与非工程防洪措施相结合，社会共同参与的防洪减灾体系。三是从单纯的防洪减灾转变为在考虑防洪减灾的同时，如何充分利用雨洪资源，实现洪水资源化。近年来，水利部门结合各高校和科研院所开展了一系列的洪水资源化课题研究。对水库而言，实现洪水资源化就是要防洪与兴利并举，既要保证水库及上下游的防洪安全又要多拦蓄洪水。汛限水位是协调水库运行管理中防洪与兴利矛盾的结合点，调整水库汛限水位则成为洪水资源化的重要手段。为此，结合国家防办开展的“水库汛限水位动态控制方法”专题研究，本文将从洪水预报和水库调度方面研究通过抬高水库汛限水位提高洪水资源利用率，实现洪水资源化的问题。1.1.1 我国的洪涝与干旱灾害洪水灾害是当今世界上给人类带来损失最严重的自然灾害14。特有的自然条件和地理因素决定了我国洪涝灾害十分频繁。18401949年间，七大江河（松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江和珠江）相继发生了17次特大洪涝灾害，57次特大洪涝和大洪涝，全国受灾县数平均每年250个县。1931年长江、淮河洪水，淹没农田973万km2，受灾人口5217万，共死亡40万人57。据统计，20世纪我国主要江河100年间平均每年发生超过两次频率10%20%以上的洪水，且每两年至少发生一次频率5%10%的洪水，每三年左右就可能发生一次频率5%以上的较大洪水或大洪水，可见洪水的频繁程度（表1.1）。表1.1 我国20世纪主要江河洪水发生频次统计tab.1.1 frequency statistic on floods of main rivers in china in 20th century流域频率5%以上洪水频率5%10%以上洪水频率10%20%以上洪水合计长江（含太湖）6193358黄河441523淮河491427海河351018松花江341623辽河361726珠江551626浙闽地区33612合计3155127213建国以来，党和政府十分重视水利建设和防灾减灾工作。经过50多年的努力，主要江河的一般性洪涝灾害基本得到控制，“大雨大灾，小雨小灾，无雨旱灾”的局面已有明显改观。但是，一方面由于暴雨洪水不可能完全被消除，只能防御尽量减少灾害；另一方面，由于国民经济的快速发展，人口激增使自然环境遭到破坏，带来负面影响，因此当遭遇特大洪水时，灾情和损失仍然十分严重。如1954年长江特大洪水，造成直接经济损失100亿元；1975年8月淮河上游出现内陆罕见的特大暴雨，位于暴雨中心的板桥水库和石漫滩水库失事，数万人丧生；进入90年代，我国洪涝灾害更有加重的趋势，平均每年直接经济损失超千亿元。其中1991年，华东地区大面积水灾，直接经济损失779.4亿元；1994年洪灾损失1796.6亿元；1998年，长江、嫩江、松花江流域的特大洪水，直接经济损失超2000亿元8。我国不仅洪涝灾害严重，干旱灾害也十分突出。1949年以前，平均每2年发生一次较大干旱灾害。近50多年来，全国年均受旱面积2140万公顷，因旱损失粮食142亿kg，占各种自然灾害损失粮食的60%以上。19491990年因旱年均造成农业、工业和牧业三项直接经济损失204亿元。进入90年代以后旱灾有明显增加的趋势。受旱区域也由传统的北方和西部地区向南方和东部一些多雨区扩展。2001年长江流域发生了春夏秋连旱。2003年江南及华南地区发生了1991年以来最严重的夏伏旱。旱灾对经济、社会的影响已越来越大9。1.1.2 我国水资源短缺问题20世纪中叶以来，世界人口的爆炸性增长和工业经济的迅猛发展，对有限的水资源及水环境产生了巨大冲击。在全球范围内，水质污染、需水量的迅速增加以及部门间竞争性开发所导致的不合理利用，使水资源进一步短缺，严重地影响了全球经济的发展，威胁着人类的生存和进步。联合国水资源会议曾郑重向全世界发出警告：“水，将成为石油危机之后的下一个社会危机10”。我国多年平均水资源总量28124.4亿m3（其中地表水资源量27115亿m3，地下水资源量8287.7亿m3），虽居世界第6位，但人均占有水资源量不足2200 m3，仅为世界人均水资源量的四分之一；北方地区人均水量只有990 m3，不到世界人均的八分之一，被联合国定为13个贫水国之一11。据调查，到90年代末，全国600多座大中城市中，有400多个城市存在供水不足问题，其中130多个城市严重缺水，年缺水近60亿m3。不少地区因缺水引发城乡、地区之间的争水矛盾，影响社会稳定。近两年，我国北方连续干旱，造成全国18个省中有620座城市（含县级政府所在城镇）缺水，其中地级以上缺水城市117座。据预测，我国人口在2030年左右将达到峰值16亿，即使人均水消费量不变，届时对水资源的需求也将在现在的基础上增加1/3，比现在的供水能力增加2400亿m312,13。从长远趋势看，我国总体上属于严重缺水的国家。我国水资源的短缺还表现为分布不均匀。由于受气候、地理等因素的影响，我国水资源地区时空分布很不均匀，且与人口、耕地、经济布局不相匹配。在地域上，南方水多地少，北方水少地多。在时间上冬春少雨，夏秋多雨。汛期雨量过于集中，利用难度大，造成弃水；非汛期又往往缺乏水量，无水可用。降水和径流的年内分配很不均匀，年际变化大，丰水年与枯水年的水量相差悬殊，容易造成水、旱灾害。北方少雨地区，丰水年的降水量一般为枯水年的38倍，大部分地区汛期4个月的降水量占全年降水总量的60%80%。随着人口的不断增长，工农业生产的快速发展，水资源短缺已成为中国尤其是北方地区经济社会发展的严重制约。如果不加大水利设施建设力度，不采取强有力的水资源管理和保护措施，中国的可持续发展将会受到严重威胁。因此，对我国水资源短缺问题的解决途径和相应对策进行深入研究具有重大现实意义。1.1.3 提高洪水资源利用率一方面，我国洪涝灾害频繁发生；另一方面，又面临日趋严重的水资源短缺问题。我国大陆各河流入太平洋水系的年总径流量约2.0万亿m3，其中汛期洪水总量占河流总径流量的60%以上。7天洪量在长江主要支流可达年径流量的10%20%，在北方河流有的甚至高达30%60%。全国已建水库总库容为0.45万亿m3，但也只能控制年总径流量的22%14。特别是北方地区，是我国旱灾高发地区，汛期洪水峰高量大，大量洪水被迫排泄入海，洪水过后，又无水可用面临干旱。因此，如果将洪水非常合理有效地利用起来，不仅能减小洪涝灾害损失，而且是解决水资源短缺非常有效的途径。面对严峻的干旱缺水、生态环境恶化态势，一些学者和水资源管理者提出了“洪水资源化”的概念，并迅速达成广泛共识，成为新的治水思路。所谓洪水资源化，是指综合系统地运用水利工程措施和政策、规范、经济、管理、技术、调度等非工程措施，将常规排泄入海或泛滥的洪水在安全、经济可行和社会公平的前提下部分转化储存为可以利用的内陆水15。洪水资源化主要有两种形式：蓄于地表和补于地下，这两种形式通过工程措施和非工程措施来实现。工程措施耗资大，而且工期长，仅仅依靠工程措施解决水资源短缺状况是不现实的。随着科学技术的迅速发展，人们越来越认识到非工程措施的重要性和有效性。所谓非工程措施，是指在现有水利工程的基础上，通过科学规划和合理调度，最大限度的拦蓄洪水资源，补充回灌地下水。如洪水预测预报技术、水库调度运行与管理、洪水灾害预警系统、水库洪水优化调度、洪水保险和防洪基金、洪水风险管理等等。利用非工程措施不但能更加充分地发挥水利工程的效益，而且也是提高洪水资源利用的有效途径。近几年，我国在防洪通信、水雨情测报、洪水预报及调度、防洪抢险、洪水风险以及防洪法规等方面都取得了长足的进展，非工程措施在防洪中的作用日益凸现。因此，开展防洪非工程措施的研究具有重要意义。对水库而言，实现洪水资源化就是要防洪与兴利并举，既要保证水库及上下游的防洪安全又要多拦蓄洪水。汛限水位是协调水库运行管理中防洪与兴利矛盾的结合点，科学合理地设计与控制汛限水位，可以减少专用防洪库容，增加洪水资源利用量与提高供水保证率。随着水文气象预报科学理论的进展，流域水雨情自动测报系统和预报调度系统的建设，洪水预报及降雨预报精度的提高，为动态控制水库汛限水位，提高洪水资源和水能资源利用率，缓解我国水资源与水能资源供需矛盾提供了可能性。1.1.4 实际工程背景受季风气候的影响，我国水资源的空间分布极不均匀。很多地区一年内的降雨主要集中在汛期，尤其是北方干旱地区，汛期的降雨量占全年降雨量的70%80%16，水库如果不在汛期抓紧时机蓄水，汛末很可能蓄不到兴利蓄水位。而我国目前大部分水库仍采用设计不考虑预报的常规调度方式，整个汛期汛限水位静态控制在一个或几个（分期控制汛限水位）水位上，每年汛期当水库水位超过汛限水位时不能蓄水，致使水库形成汛期弃水，汛后又无水可蓄的局面，造成洪水资源浪费17。对北方地区，由于人多、地多、水少，这种水土资源组合使得单位水资源量较低，农业灌溉用水紧张，严重地制约农业经济的发展。因此，科学、合理地抬高水