（水利水电工程专业论文）水库调整汛限水位风险效益问题的研究.pdf

摘要 海河流域水资源紧缺，但在汛期许多水库为了保证防洪安全，库水位必须维 持在一个较低水平，造成大量弃水，使汛期水资源得不到充分利用。为了协调水 库防洪和兴利的矛盾，开发利用汛期洪水资源，缓解地区水资源紧缺的状况，作 者在j 。泛阅读和分析国内外有关研究成果的基础上，基于风险效益分析的指导思 想，结合东武仕水库的实际情况，运用水文学的理论方法和技术手段，对东武仕 水库的暴雨洪水特征、汛期划分的规律进行了分析，并通过详细分析东武仕水库 调整汛限水位蓄水的防洪风险与兴利效益，进一步建立了调整汛限水位的风险效 益模糊综合评估模型，对水库的汛限水位调整方案进行了论证为其防洪和兴利 调度提供了科学依据。本文的主要内容和研究结果如下： ( 1 ) 在分析流域的自然地理特点、暴雨洪水特征的基础上，采用模糊集分 析理论，计算了汛期降雨量的隶属度，给出了流域汛期的划分规律。 ( 2 ) 结合水库实际情况，遥过对各种频率设计洪水的调洪演算，得出了最 高库水位情况，分析了调整汛限水位的洪灾淹没损失，建立洪峰流量与f 游洪灾 损失的统计关系，分析了调整汛限水位的洪灾期望损失和风险损失。 ( 3 ) 还研究了水库调整汛限水位对供水、发电部门的影响，并具体分析了 计算在各种可能的汛限水位调整方案下，水库可增加的供水效益和发电效益。并 通过投入产出分析，确定了可能的汛限水位调整方案。 ( 4 ) 在前述对风险效益研究的基础上，采用模糊综合评判法，构建了水库 调整汛限水位的综合评判指标体系，建立了水库调整汛限水位风险效益的综台评 判模型，给出了从风险效益角度合理选择水库汛限水位的评估方法。 ( 5 ) 通过上述分析论证，认为从风险效益角度，东武仕水库的汛限水位在 现状1 0 2 m 的基础上，可以适当调整到1 0 4 m 。而当汛限水位提商到1 0 4 m 以上时， 则洪灾风险相对较大，与可获得的效益相比得不偿失。 本文所提出的研究方法和所建立模型，可以为科学地评估论证水库调整汛限 水位问题提供参考。 关键词：汛限水位洪灾损失汛期隶属度风险效益模糊综合评价 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fw a t e rr e s o u r c ei sv e r ys e r i o u si nh a l h er i v e rb a s i n b u tf o rt h e s a f e t yo ff l o o dc o n t r 0 1 m a n yr e s e r v o i r sk e e pav e r yl o ww a t e rl e v e l i nf l o o ds e a s o n s ot h a tt h es t o r e dw a t e ri sv a r i o u s l yw a s t e d i no r d e rt om a k et h eb e s tu s eo ft h ef l o o d r e s o u r c e a sw e l la sn o tt oe n d a n g e rt h ed o w n s t r e a ma r e a ar e s e a r c ho nt h er i s ka n d b e n e f i to fa d j u s t i n gt h ef l o o dc o n t r o ll e v e li sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r , s o m em e t h o d s o fa n a l y z i n gt h er i s ko ff l o o dc o n t r o lh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e db a s e do i l r e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t sa n dt h ep r i n c i p l eo fr i s kb e n e f i ta n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h e a c t u a lc o n d i t i o n so fd o n g w u s h ir e s e r v o i r , s o m eh y d r o l o g i c a lt t l e o r i e sa n dm e t h o d s h a v eb e e np r o p o s e dt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef l o o da n dt h ed i v i s i o no ft h e f l o o ds e a s o ni nt h er e s e r v o i r f u r t h e r , w i t hd e t a i l e da n a l y s i so nt h er i s ka n dt h eb e n e f i t o fa d j u s t i n gt h ef l o o dc o n t r o jl e v e l ac o m p r e h e n s i v ef u z z ym o d e io fa s s e s s m e n ti s e s t a b l i s h e dt od e m o n s t r a t et h eb e s ta d j u s t i n g1 e v e l t h em a i nc o n t e n ta n dr e s u l t si n t h i sp a p e ra r e - ( 1 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eg e o g r a p h i c a lf e a t u r e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef l o o di nt h et a r g e ta r e a , f u z z ys e tt h e o r yi si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h e ：f u z z y m e m b e r s h i pg r a d eo f t h ef l o o ds e a s o n f 2 1b a s e do nt h ea c t u a lc o n d i t i o n so fd o n g w u s h ir e s e r v o i r , t h ec o n t r o lo ff l o o d o fd i 船r e n tf r e q u e n c i e si sm o d e l e d w i t ht h eh i g h e s tw a t e r1 e v e lt h a ta p p e a r si nm e f l o o dc o n t r o lm o d e l t h ef l o o d c a u s e de c o n o m i cl o s ti nt h er e g i o na r o u n dt h er e s e r v o i r i s a n a l y z e d f u r t h e r , t h es t a t i s t i c sr e l a t i o no ft h em a x i m u md o w n p o u r e dw a t e r q u a n t i t ya n dt h e1 0 s ta td o w n s t r e a ma r e ai se s t a b l i s h e 山s ot h a tt h em e a n1 0 s ia n dr i s k l o s ta td i f f e r e n tf l o o dc o n t r o ll e v e lc a nb ee s t i m a t e d ( 3 ) t h ei m p a c to nt h ew a t e rs u p p l ya n dp o w e rg e n e r a t i o no ft h er e s e r v o i ri s s t u d i e d ，a n dd e t a i l e dc a l c u l a t i o na b o u tt h ee x c e s sb e n e f i tc o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n t s i t u a t i o ni nd i f f e r e n tf l o o dc o n t r o ll e v e li sd o n e b yi n p u t o u t p u ta n a l y s i s ，p o s s i b l e p l a no f l e v e la d j u s t i n gi sd e c i d e d ( 4 ) b a s e do nt h er e s e a r c hd o n ea b o v e ，c o m p r e h e n s i v ef u z z ya s s e s s m e n tm e t h o d i si n t r o d u c e dt oe s t a b l i s ht h ea s s e s s m e n ts y s t e mt od e c i d et h eb e s ta d j u s t i n gl e v e l ( 5 ) t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e ri s ：f r o mt h ev i e w p o i n to f r i s ka n db e n e f i t ，t h e f l o o dc o n t r o ll e v e lo fd o n g w u s h ir e s e r v o i rs h o u l db ek e p ta tal e v e lo f10 4m e t e r , l f t h ew a t e rl e v e li sk e p th i g h e rt h a nt h a t ，t h er i s kw i l lr i s es of a s tt h a ti tw i l ls o o nw e i 曲 d o w nt h eb e n e f i t t h em e t h o d sa n dm o d e l su s e di nt h ep a p e rc a np r o v i d es c i e n t i f i ch e l pi n a s s e s s i n gt h ea d j u s t i n go f f l o o dc o n t r o ll e v e l k e y w o r d s ： f l o o dc o n t r o ll e v e l ；f l o o d c a u s e dl o s t ；f f t z z ym e m b e r s h i pg r a d eo ff l o o d s e a s o n ；r i s kb e n e f i t ；c o m p r e h e n s i v ef u z z ya s s e s s m e n tm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盎盘茔或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 沙厂年月z ，z ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权叁鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：诉， 导师签名 饧耷 签字日期：硼年1 月巧闷 第一章引言 1 ，1 硪究背景和意义 第一章引言 1 1 1 研究的背景 水库汛期防洪限制水位的设置，本质上是为了协调水库运行管理中兴利与防 洪之间的矛盾关系。该水位的设定，一般是规定各水库在每年汛期来i 临时期某固 定的时间，耍把库水位控制在某。固定水位以下。这样，当汛期洪水来临之蹦， 才有足够的库容调蓄洪水，为下游防洪做好准备。可以说汛期防洪限制水位的设 定对保障人民的生命财产安全起到了很大的作用。 但是，另一方面，水库在承担调洪的任务同时，也承担着供水兴利的任务， 这就要求防洪限制水位的设置不能太低，以保证一定的供水能力。 随着社会经济的发展和科学技术的进步，许多水库特别是运行时间较长的大 中型水库，设计条件与运行条件发生了很大变化，设计汛限水位在实际控制运用 中，暴露出一系列问题，为从事水库防洪管理与水库设计人受提出了许多亟待解 决的新课题，因此有必要对防洪限制水位的设置进行各方面的研究。其中有 个 突出的问题在于：汛限水位偏低，造成很多水库大量弃水，汛后又无法恢复到正 常蓄水位，而不弃水则又有可能造成防洪库容的不足，一旦特大洪水来临，很可 能给库区以及下游造成淹没损失。因此，合理调整汛期限制水位，提高水资源利 用率，成为水库防洪调度研究的一个重点。 在这个背景下，2 0 0 2 年，国家防办确定了全国1 2 座水库作为试点开疑汛限水 位研究工作，其目的就是通过对凌问题的研究，协调好防洪与兴利的矛盾，在保 证防洪必要的安全程度下，提高水库的供水能力。本文的应用实例东武仕水 库是河北省唯一一座试点水库，通过对该水库调整汛限水位风险效益的评估，可 为其管理调度提供科学依据。 1 1 2 研究的意义 东武仕水库初建时，主要是解决水库下游的农田灌溉问题，随着下游邯郸 第一章引言 市城市经济的发展，需水量越来越大，东武仕水库承担了城市的主要供水任务。 所以，研究汛限水位调整风险与效益，首先对邯郸地区意义重大。 邯郸市是一个水资源严重短缺，经济发展很快的中等城市，全市水资源总 量为1 9 7 亿m 3 ，入均占有量2 5 2 9 m 3 ，亩均1 9 4 7 m 3 ，低于水资源短缺的海河流 域和河北省的平均值。目前，全市供需缺口为1 3 8 7 亿m 3 ，主要靠超采地乎水 来维持。邯郸市是一个用水大市，不仅需要7 6 0 万亩有效灌溉面积的灌溉，而且 城市市区用水每年将近2 亿m 3 ，同时邯郸市又是一个两省边界城市，取水、引 水缺乏自主权，用水形势非常严峻。按照2 0 0 1 年5 月邯郸市编制的河北省邯 郸市区南水北调城市水资源规划报告，邯郸市区2 0 0 5 年需水量3 2 亿m 3 ，明 供水量1 1 亿m 3 ，保证率7 5 缺水量2 1 亿m5 ，保证率9 5 缺水量2 3 亿i t l 3 。 东武仕水库是邯郸市的主要水源地，东武仕水库供水直接关系邯钢、马电等七大 企业生产和邯郸市国民经济大局，如果用水企业停产一天，直接经济损失2 6 0 0 万元。 东武仕水库流域属半干旱、半湿润的太陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏 季炎热多雨，多年平均降水量仅5 6 0 m m ，而且在时间上分布不均。水库流域内 汛期降雨量和径流量占全年的7 5 以上，尤其是降雨集中在7 8 两个月，这是 集雨蓄水的黄金季节，但是东武仕水库原定汛限水位为1 0 2 米，相应蓄水量只有 5 2 0 0 万m 3 。由于防洪安全的需要，在7 - - 8 月汛期内，也就是在集雨蔫水的关 键时期，水库不得不将水位降至汛限水位，将宝贵的水源白自弃掉，这样就造成 了汛前弃水、汛期蓄不上水、汛后又无水可供的局面。如果汛期蓄不t 水，为保 证邯郸市用水，则又不得不花费大量资金从漳河或从岳城水库跨流域调水。1 9 8 0 年以后，东武仕水库引漳河水资源，最大的引水量是1 9 9 3 年，渠首2 4 5 7 2 亿 i l l 3 入东武仕水库1 4 0 5 亿m 3 ，多年平均入库o 9 0 2 6 亿m 3 ，同时，自1 9 9 1 年至 今，平均每年弃水3 4 0 0 万m 3 ，十年间已累计弃水3 4 亿m 3 ，大大加剧了邯郸市 水资源不足的矛盾。特别是1 9 9 9 年，水库在汛前弃水3 0 0 0 万t l l 3 ，结果汛期降 水只有常年的一半，汛末水库蓄水仅有3 1 0 0 万m 3 ，使全市工业供水出现严重危 机，供水缺口竟长达4 个多月。 但同时东武仕水库也是子牙河流域滏阳河水系滏阳河干流的控制性工程，其 下游直接关系到邯郸市、磁县和滏阳河中游洼地的防洪安全，防洪是水库的主要 第一章引言 任务之一。水库汛限水位的调整，应不能给水库防洪调度带来太大的影响。 由此可见，东武仕水库能否在保证防洪的前提下充分发挥蓄水效益，是当 前至关重要的问题。提高东武仕水库的汛限水位，减少汛期弃水是十分必要的， 但同时也要进行洪灾风险效益分斩，确定汛限水位调整的可行性。 其次，从整个海河流域的情况来看，调整汛限水位的研究也意义重大。海河 流域水资源严重短缺，人均总水资源占有量仅有3 0 5 m 3 ，为全国平均的l 7 ，世界 平均的1 2 7 ，远低于人均1 0 0 0 m 3 的国际水资源紧缺标准：亩均水资源量2 2 5 m 。， 为全国的1 8 。一方面是水资源的严重短缺，一方面是很多水库由于汛限水位的 限制，汛期不敢蓄水。因此，在海河流域，研究汛限水位合理调整的问题显得尤 为重要。初步的研究表n t l 】：改变执行多年的固定时间、固定汛限水位的调度方 式，海河流域3 0 座大型水库平均每年可增加兴利库容1 3 亿2 6 亿1 1 1 3 ，潜力 1 分 可观。但风险与效益并存，在努力发掘水库的蓄水能力同时，对于提高汛限水位 所带来的风险与效益进行综合的评估，使决策建立在更科学的基础上，是非常有 必要的。 1 2 研究问题的学科进展 1 。2 ，1 水库调整汛限水位的研究进展 1 9 9 5 年，冯平等人分析了水库联合调度下超汛限蓄水的风险效益，研究了岗 南水库运行中提高汛限水位对水库带来的各种影响，对引起的洪灾损失及兴利情 况进行了讨论，并且提出了具体计算方法，通过风险效益比较，定量地给出合理 的汛限水位限川。 】9 9 6 年，冯平等人根据风险决策理论，通过概率组合方法估算了水库的实 际防洪能力，然后与水库的设计防洪标准比较，判断水库提高汛限水位的可能性， 并通过风险效益的分析给出合理的汛限水位1 4 j 。 1 9 9 6 年，郭忠在分析河西内陆河流域洪水发生规律的基础上，对大中型水 库提高汛限水位运行的安全性、可行性进行了探讨f 5 】。 1 9 9 8 年，孙秀玲结合北方水库的特点，根据模糊数学理论和最小二乘法原 理，提出了确定水库汛限水位过程线的方法，并给出了门楼水库的实例1 “。 1 9 9 8 年，傅湘、纪昌明应用系统分析方法建立了大型水库汛限水位风险分 第一誊引言 任务之一，水库汛限水位的调整，应不能给水库防洪调度带来太大的影响。 由此可见，东武仕水库能否在保证防洪的前提下充分发挥蓄水效益，是当 前至关重要的问题。提高东武仕水库的汛限水位，减少汛期弃水是十分必要的， 但同时也要进行洪灾风险效益分析，确定汛限水位调整的可行性。 其次，从整个海河流域的情况来看，调整汛限水位的研究也意义重大。海河 流域水资源严重短缺，人均总水资源占有量仅育3 0 5 m 3 ，为全国平均的i 7 ，世界 平均的1 2 7 ，远低于人均l o d o m 3 的国际水资源紧缺标准：亩均水资源量2 2 5 m 3 ， 为全国的1 8 。一方面是水资源的严重短缺，一方面是很多水库由于汛限水位的 限制，汛期不敢蓄水。因此，在海河流域，研究汛限水位合理调整的问题显得尤 为重要。初步的研究表明i l 】：改变执行多年的固定时间、固定汛限水位的调度方 式，海河流域3 0 座大型水库平均每年可增加兴利库容1 3 亿4 2 6 亿m 3 ，潜力十分 可观。但风险与效益并存，在努力发掘水库的蓄水能力同时，对于提高汛限水位 所带来的风险与效益进行综合的评估，使决策建立在更科学的基础上，是j f 常相 必要的。 12 研究问题的学科进展 1 2 1 水库调整汛限水位的研究进展 1 9 9 5 年，冯平等人分析了水库联合调度下超汛眼蓄水的风险效益，研究了岗 南水库运行中提高汛限水位对水库带来的各种影响，对引起的洪灾损失及兴刹情 况进行了讨论，并且提出了具体计算方法，通过风险效益比较，定量地给出合理 的汛限水位1 2 1 眠 1 9 9 6 年，冯平等人根据风险决策理论，通过概率组合方法估算了水库的实 际防洪能力，然后与水库的设计防洪标准比较，判断水库提高汛限水位的可能性， 并通过风险敛益的分析给出合理的汛限水何1 4 j 。 1 9 9 6 年，郭忠在分析河西内陆河流域洪水发生规樟的基础上，对大中璺水 库提高汛限水位运行的安全性、可行性进行了探讨口】。 1 9 9 8 年，孙秀玲结台北方水库的特点，根据模糊数学理论和最小二乘法原 理，提出了确定水库汛限水位过程线的方法，并给出了门楼水库的实例1 。 1 9 9 8 年，傅湘、纪昌明应用系统分析方法建立_ r 大型水库汛限水位风险分 1 9 9 8 年，傅湘、纪昌明应用系统分析方法建立了大型水库汛限水位风险分 第一章引言 任务之一。水库汛限水位的调整，应不能给水库防洪调度带来太大的影响。 由此可见，东武仕水库能否在保证防洪的前提下充分发挥蓄水效益，是当 前至关重要的问题。提高东武仕水库的汛限水位，减少汛期弃水是十分必要的， 但同时也要进行洪灾风险效益分斩，确定汛限水位调整的可行性。 其次，从整个海河流域的情况来看，调整汛限水位的研究也意义重大。海河 流域水资源严重短缺，人均总水资源占有量仅有3 0 5 m 3 ，为全国平均的l 7 ，世界 平均的1 2 7 ，远低于人均1 0 0 0 m 3 的国际水资源紧缺标准：亩均水资源量2 2 5 m 。， 为全国的1 8 。一方面是水资源的严重短缺，一方面是很多水库由于汛限水位的 限制，汛期不敢蓄水。因此，在海河流域，研究汛限水位合理调整的问题显得尤 为重要。初步的研究表n t l 】：改变执行多年的固定时间、固定汛限水位的调度方 式，海河流域3 0 座大型水库平均每年可增加兴利库容1 3 亿2 6 亿1 1 1 3 ，潜力 1 分 可观。但风险与效益并存，在努力发掘水库的蓄水能力同时，对于提高汛限水位 所带来的风险与效益进行综合的评估，使决策建立在更科学的基础上，是非常有 必要的。 1 2 研究问题的学科进展 1 。2 ，1 水库调整汛限水位的研究进展 1 9 9 5 年，冯平等人分析了水库联合调度下超汛限蓄水的风险效益，研究了岗 南水库运行中提高汛限水位对水库带来的各种影响，对引起的洪灾损失及兴利情 况进行了讨论，并且提出了具体计算方法，通过风险效益比较，定量地给出合理 的汛限水位限川。 】9 9 6 年，冯平等人根据风险决策理论，通过概率组合方法估算了水库的实 际防洪能力，然后与水库的设计防洪标准比较，判断水库提高汛限水位的可能性， 并通过风险效益的分析给出合理的汛限水位1 4 j 。 1 9 9 6 年，郭忠在分析河西内陆河流域洪水发生规律的基础上，对大中型水 库提高汛限水位运行的安全性、可行性进行了探讨f 5 】。 1 9 9 8 年，孙秀玲结合北方水库的特点，根据模糊数学理论和最小二乘法原 理，提出了确定水库汛限水位过程线的方法，并给出了门楼水库的实例1 “。 1 9 9 8 年，傅湘、纪昌明应用系统分析方法建立了大型水库汛限水位风险分 第一章 l 言 析模型，并以三峡水库为研究对象，根据调度运行原则，计算出了不同汛限水位 与最大洪灾风险率的关系”。 1 9 9 8 年，田庆贺、刘德波利用流域降雨洪水的变化规律，采用模糊集理论， 将整个汛期划分为主汛期和后汛期，榷求了河南省大型水利工程自龟山水库的分 期汛限水位f 8 。 1 9 9 9 年，吴晋青、李文奇针对北京市严重缺水状况，对密云水库汛限水 位及汛期调度方式进行分析研究，提出抬高密云水库汛限水位，增加水库供水的 可能性【9 1 。 2 0 0 2 年，胡四一、高波、王忠静系统地论述了海河流域利用水库分期汛限 水位调控洪水资源的研究思路和技术框架。探讨了暴雨洪水季节特征和分期规律 以及水库分期汛限水位合理确定和安全运用的分析方法，并对水库运行的蓄水效 益和防洪风险的评价提出了建议。 2 0 0 2 年，凌桂珍、项丽媛根据辽河流域参窝水库一次洪水前的预泄能力， 提出了对汛限水位进行动态控制的调度方式，并通过对影晌水库预泄因素的分 析，计算了动态库水位的上限，并为水库进行动态控制提供依据 1 0 】。2 0 0 3 年， 李明宇、谷长叶、薏霞等人结合参窝水库的实际情况，阐述运用库群补偿防洪调 度的理论，使参窝水库的汛限水位得到补偿抬高，并分析了由此产生的供水效益 和发电效益【l l l 。 2 0 0 2 年，钟平安阐述了防洪限制水位物理意义、设置防洪限制水位的必要 条件以及防洪限制水位设计应考虑的主要因素、从洪水信息获取方式、设计运用 条件、调度运行规则等方面分析了防洪限制水位在水库设计与运行阶段的差异， 总结了在水库长期运行中由于社会经济条件、运行管理体制变化对变动防、洪限制 水位的客观需求，并从高新技术应用、风险分析、水库特性等角度论述了防洪限 制水位动态控制的可能性1 2 1 。 2 0 0 3 年，李成林针对察尔森水库及其所处流域的实际情况，应用模糊水文 学理论方法推求出水库汛限水位过程线，解决了水库在实际运行中难以实现分期 抬高汛限水位期望值的关键问题，进一步增加了水库蓄水量和汛后蓄满的几率， 更好地发挥了水库兴利效益。 上述各项研究针对的具体水库情况不同，水库所在地区包括了西部、海河流 第一耄引言 域、东北地区等，研究的角度也各有侧重，但是都强调在对水库所在地区的暴雨 洪水特性进行分析的基础上，对水库汛限水位进行调整。 1 22 水库防洪的水文风险研究进展 水库防洪的水文风险，是指可能造成水库设计水位等水文数据出现偏差的各 种不确定性因素。 我国现有的设计洪水估算方法，是对年最大流量进行独立抽样，再按适线法 估计得到一条频率曲线，此线就是对年最大洪水流量的总体分布的一个估计，所 以设计洪水频率的计算就是研究洪水年破坏概率( 年风险率) 的问题【l ”。而防 洪工程未来运行期n 年的破坏概率( n 年风险率) 多采用b e n c h i ey e n 用二项分 布式分布导出的洪水风险率。为克服此方法单纯在频率内考虑洪水特征的不足， 1 9 8 8 年，徐宗学、叶守泽研究了一类新的洪水风险率模型一一c s p p c ，即用随 机点过程理论研究风险率大小，把洪水序列视为随枫过程，以随机点过程( 如 p o i s s o n 随机点过程) 理论为依据，吸收时间序列分析方法的特长，研究洪水风 险率的大小。1 9 9 1 年，徐宗学进一步以n e y m a n s c o t t 成丛随机点过程模型为 依据，提出了一类新的洪水风险率模型c s p p n 模型 1 7 。 有学者研究了多变量影响下的防洪计算问题。1 9 8 6 年s a c k lb 和b e r g m a l m h a 曾在理论上研究过洪峰与洪量的联合随机模型，但为求解方便，是假定洪 峰和洪量均为正态分布，这与水文现象的实际特征相差甚远f ”l 。2 0 0 0 年，冯平 等人也探讨了多因素影响下的防洪计算问题，并给出了岗南水库暴雨和洪水的运 用实例，采用风险分析的方法，综合考虑了暴雨和洪水可能不同频率这4 普遍现 象，为现有水文资料情况下，合理估算防洪风险及确定设计洪水提供了条更符 合实际的有效途径 1 9 1 。 极限风险率的研究是水库防洪风险的重要内容。1 9 9 4 年，冯乎、李润苗采 用风险分析的概念，探讨了水库保护区内防洪堤的水文风险因素，以海河流域某 水库为例，分析了洪量与水位超过标准的可能性【捌。在水库调整汛限水位的研 究中，极限风险率分析的方法为科学决策提供了理论支持，相关的研究是很多的 拉卜【4 7 1 。 此外，蒙特卡罗法( 随机模拟法) 在水库防洪的水文风险分析中得到广泛的 第一章引言 应用。1 9 9 6 年，文献 2 1 1 系统介绍了该方法的应用情况。1 9 9 9 年，熊明通过对 特征水位推求方法现状的分析，提出了“假定防洪安全标准等于洪水设计标准缺 乏必要的依据”这一基本论点，给出了防洪安全风险计算的原则、方法及其适用 性条件，认为受人类活动影响的序列不能满足一般的理论分布函数，而随机模拟 方法是解决此类问题的晟有效的途径【捌。2 0 0 2 年，澳大利的内森等人，通过 在一个真实流域的假想大坝上的应用，验证了蒙特卡罗模拟法的优点，指出该方 法为用复杂的联合概率分析法估算极值洪水提供了一个可靠的范围 2 3 1 。文献 2 4 2 5 也给出了在实际中采用随机模拟法进行水文风险分析的例子。 1 2 3 洪灾损失评估的研究进展 据不完全统计，目前全球各类自然灾害所造成的损失中，洪涝占4 0 ，热 带气旋占2 0 ，干旱占1 5 ，地震占】5 ，其余占1 0 。可见水灾损失为各种 自然灾害之首泓1 。 我国也是世界上洪水灾害比较频繁的国家之一，随着社会经济的发展，物质 财产的丰富，洪灾损失几乎与经济发展是同步上升的。尤其是上个世纪8 0 年代 以后，我国洪涝灾害逐渐频繁和严重，9 0 年代至2 0 世纪末，洪水灾害越演越烈。 1 9 9 1 年我国洪涝灾害损失达7 7 9 亿元，1 9 9 4 年达1 7 9 6 6 亿元，1 9 9 5 年为1 6 5 3 亿元，1 9 9 6 年达2 2 0 0 亿元，到1 9 9 8 年竟高达2 5 0 0 亿元。 国外洪灾损失评估的研究开始于1 9 4 5 年渊，由政府与保险公司推动。评估 的方法从相对简单的“水深损失关系”到比较复杂的模型，这些复杂的模型可 能包含了基于流速、水深、建筑物特性、修理费用、人类行为以及间接经济损失 等方面的内容，在技术手段上，随着现代科技的发展，目前广泛采用了地理信息 系统、卫星成像等技术对洪灾损失进行评估1 29 1 。 对洪灾损失进行评估需要对损失的构成进行分析，进而研究洪灾损失的时空 分布规律以及计算方法。 1 。2 ，3 1 洪灾损失构成研究 美国在洪灾损失构成方面的研究起步较早。1 9 7 1 年，d o u g l a s 和r o b e r t 认 为，洪涝灾害损失应该分为三种，包括直接、间接和无形损失：直接损失包括洪 水淹没所造成的各项财产损失；间接损失包括由于洪水引起公用事业中断的损 第一章引言 失、受洪水影响地区内由于资金、经营和劳动力的正常利润及收入所受的净损失、 以及洪水预报、抗洪、灾民转移、修建灾民临时避难场所的费用；无形损失包括 生命的损失和水源污染对公共健康的损失、由于运输线路临时中断对国防线路的 不利影响等方面【姗。1 9 9 3 年，b r u c ee l l i n g w o o d 提出应该划分为：固定财产损失， 收入损失和无形损失【3 1 】；上述两种划分都没有考虑洪灾的政治、社会影响。1 9 9 4 年，n a n i 把洪灾损失划分为：社会损失；公共设施损失；农作物损失：交通设 施损失和环境影响3 2 1 。这个划分考虑了洪灾的政治社会影响指标，但是没有考 虑洪灾的间接经济损失。1 9 9 8 年，s u j i t 和r u s s e l l 认为损失的构成应该包括：个 人财产、商业、工业、公共设施、农业、间接及无形损失【3 3 。 我国学者也对灾害的损失构成等进行了大量研究。 1 9 9 3 年，赵阿兴、马宗晋提出了间接伤亡损失的概念并提出了灾害损失的 三个评价准则；科学性、实用性、可比性。 1 9 9 6 年，魏庆朝主要注意了经济上的损失，认为灾害的经济损失包括内部 和外部经济损失两部分：内部经济损失是指受灾地区或行业所蒙受的经济损失； 外部经济损失是指由于受灾地区或行业因灾停产是其他地区或行业所蒙受的经 济损失。作者对洪灾损失的划分，为用国民经济评价方法评估灾害损失奠定了基 础，但是也没有考虑洪灾的政治社会和生态环境影响【3 5 1 。 1 9 9 6 年，于庆东对灾害损失进行了分类，拟出了灾害的经济损失分类表， 但没有对非经济损失进行研究1 3 6 1 。 2 0 0 0 年，傅湘、纪昌明在分析洪灾损失评估特点的基础上，建立了洪灾损 失评估的统一指标，包括了人员伤亡损失、经济财产损失、生态环境损失与灾害 救援损失四部分 2 6 1 。 综合上述各方面的研究，可以看到，评估洪灾损失，基础是划分损失的种类， 进而建立洪灾损失评估指标体系，然后再在相应的指标框架下研究各指标的估算 方法。 1 2 ，3 2 洪灾经济损失评估研究进隈 ( 1 ) 直接经济损失评估 美国学者s m a r tj a p p e l b a u m 提出壹接经济损失的评估包括两个方商内容： 第一章引言 l 、承灾体的灾前价值评估：2 、确定直接经济损失率。 承灾体的灾前价值评估方法属于技术经济学研究范畴，各种评估方法的理论 及具体计算方法较为完善。如我国学者于庆东指出：应以重置成本法评估企业不 动产灾前价值。对于企业动产及企业的原材料，以市场价格法或重置成本法评估 灾前价值。当资产完全损坏时，损失为资产的灾前价值；当资产未资产完全损坏 且仍具有修复价值时，损失为资产的修复成本。修复成本为资产的灾前价值与损 失率的乘积。对于自然资源的价值，可按市场比较法、成本法或剩余评估法口“。 而关于洪灾直接经济损失率的确定，目前国内外比较通用的方法是关系曲线 法，即通过对住宅区、工业、农业和商业区等多个受灾单元的灾情调查，得出不 同财产洪灾直接经济损失率与洪水淹没水深的函数关系，利用这一函数关系再对 未来或过去的洪灾之际经济损失进行估算和预测。 1 9 9 8 年，美国的s u j i t 和r u s s e l l 等人在研究了传统的水深损失曲线方法后， 提出了“非传统的水深损失曲线”方法，拟合出六种不同财产类别的新曲线， 以计算特大洪水的经济损失。水深损失曲线方法在承灾体损失率建模时都采用 参数统计模型i ”】。 1 9 9 5 年，冯平利用参数统计方法建立了洪灾承灾体损失率模型，评估了水 库下游洪灾淹没损失旧。作为该方法的进步应用，在确定损失率的基础上， 针对我国的实际情况，冯平、崔广涛、钟昀于2 0 0 1 年建立了城市洪涝灾害评估 预测模型口8 i 。 参数统计的方法简便、实用，但是这方法存在的问题是：当参数统计模型选 择正确时，计算简便，当参数统计模型选择不当时，模型会存在较大的系统误差。 为了克服上述参数统计方法建模的缺陷，有学者利用神经网络理论对承灾体 的易损性进行了进一步的研究。1 9 9 8 年，金菊良指出，洪灾承灾体易损性模型 是非线性的、动态的，并构造了灾害损失的b p a g a 算法。但该模型没有考虑 洪水水位、流速的动态过程对洪灾承灾体易损性的影响【3 9 l 。1 9 9 9 年，武靖源对 影响洪灾承灾体易损性的因素进行了分析，提出了洪水灾害动态过程线性化方 法，建立了基于投影寻踪非参数回归模型的动态变结构神经网络模型投影哥 踪神经网络模型，并构造了基于投影寻踪神经网络模型的洪灾承灾体动态易损性 预评估模型以及直接经济损失预评估模型h o 】。 第一章引言 ( 2 ) 间接经济损失评估 洪灾间接经济损失比较难以界定和估算，目前国内外尚无公认的方法。 1 9 7 1 年，美国d o u g l a s 和r o b e r t 提出了分行业间接经济损失影响系数公式 ，。= k ，d 。，其中：，为第1 行业间接经济损失，世，为第1 行业间接经济损失率， d 为第1 行业直接经济损失1 3 0 l 。此公式简单实用，在实际工作中为多个圈家采 用1 4 1 i 。 1 9 9 4 年，黄渝祥等人【4 习研究认为，间接经济损失应包括：间接停减产损失、 中间投入积压增加损失和投资溢价损失。其评估利用了城市“投入产出表” 所表达的产业关联关系，并估计了由于生产的连锁性造成灾害的进步损失。 1 9 9 8 年，于庆东、迟可莲在文献【3 6 】的基础上，迸一步着重对自然灾害真接 经济损失和间接经济损失的评估理论和方法进行了探讨，提出了企业停减产损失 预测和评估模式积。 1 9 9 9 年，武靖源根据洪灾区灾后经济运行发展状况，从综合评价角度提出 了洪灾间接经济损失评估的方法及数学模型。并从国民经济整体效益出发，建立 了计算洪灾间接经济损失下限的多目标优化模型【4 0 】。 1 3 本文的主要工作 通过对该问题研究现状的分析，本文结合实际情况，利用洪灾风险损失评估 理论，对东武仕水库调整汛限水位的风险效益进行研究。本文所建立的综合评估 模型，可以为科学地评估水库调整汛限水位提供参考。本文研究的内容主要包括 以下几个方面： ( 1 ) 汛期模糊隶属度分析 首先介绍流域的自然地理情况，分析流域的暴雨洪水特征。在此基础上，采 用模糊集分析理论，计算汛期隶属度，对流域汛期的划分进行研究。 ( 2 ) 调整汛限水位的淹没损失分析 通过同频率放大典型洪水过程，对各种频率入库洪水进行调洪演算。然后根 据调洪得出的最高库水位情况，估算调整汛限水位的库区淹没损失情况；在调洪 得出水库下泄流量情况的基础上，建立各种频率洪水情况下不同汛限水位与洪灾 9 第一章引言 损失的关系，分析调整汛限水位的洪灾期望损失和风险损失。 ( 3 ) 调整汛限水位的供水、发电效益分析 介绍供水与发电效益的估算方法，研究水库调整汛限水位对供水、发电部1 7 的影响，并具体分析在各种可能的汛限水位调整方案f ，水库可增加的供水、发 电效益。 ( 4 ) 建立模糊综合评价模型 在前述研究的基础上，采用模糊综合评判法，构建水库调整汛限水位的综合 评判指标体系，分祈各评判指标的权重值，最后建立水库调楚汛限水位风险效益 的综合分析模型，给出从风险效益角度合理选择水库汛限水位的评估方法。 第二章洪灾风险损失评估的基本方法 第二章洪灾风险损失评估的基本方法 在海河流域，洪水预见期一般不足1 2 h ，而在东武仕水库，由于上游山坡陡、 植被差，河道源短流急，从降雨到产流、汇流、形成洪水，一般只需2 3 h 。 旦突发特大洪水，而汛限水位过高、防洪库容不足，则很有可能给水库大坝和水 库上、下游地区带来灾难。可见，在现今预报调度水平下，汛限水位的调整带有 一定的风险。这种风险既源于水文现象本身的不确定性、模糊性，也与水力、结 构等方面的不确定性有关。 2 1 风险分析的基本概念 2 1 1 风险的定义 韦伯字典把风险定义为“生命与财产损失或损伤的可能性”1 4 4 ，可e f x - l 险 本身是一个“概率”。但是关于风险的具体定义，没有得到统一。 1 9 8 1 年，美国风险分析协会成立不久，即组成了一个专门委员会来研究风 险的定义。然而，经过三、四年的工作，该专门委员会列出了多达1 4 种风险的 定义，指出不太可能取得完全统一。他们建议研究者根据各自的工作，选定适宜 各自领域的定义。 不过，对于回答“什么是风险? ”这一问题，现已基本达成以下共识，即它 包括三个方面的内容：在此项工程或运作过程中发生什么事放( 事故类型) ? 发生该类型事故的可能性有多大( 概率) ? 发生该类型事故的后果如何( 经 济损失、生态环境影响等) ? 任何一个关于风险的完整定义都应该是上述三方面 描述的集合体f 4 5 i 。 从工程角度，可以定义风险为：系统外来荷载l 大于系统本身抗力r 的概 率： 只= p ( l 卜露1 ( 2 - 1 ) 式中：p f 表示系统风险；事件( l 踯表示系统失效。 实际上，l 和r 的影响因素是很多的，可以分别表示为如下多元函数： l = j ( x 1 ，x 2 ，屯，x ，) ( 2 - 2 ) 第二章洪灾风险损失评估的基本方法 r = g ( y l ，y 2 ，y 3 ，y 。) 式中：x ，( i = l ，2 ，3 ，m ) 表示荷载l 的影响因素 y ，( j 2 1 ，2 ，3 ，n ) 表示抗力r 的影响因素。 此时，风险p f 以l 和r 的联合概率密度丘( ，) 表示 ( 2 3 ) o = f 肌p ，岫讲 ( 2 圳 式中：a 、b 分别表示荷载l 的上下限；c 表示抗力r 的下限。 在实际的分析中，上述荷载和抗力具有不同的物理含义。比如，对于防洪系 统，荷载可以表示为洪量、洪水位、洪峰流量等，抗力可以表示为防洪库容、防 洪高度、泄流能力等。当然，水文现象的概率分布实际t 是很难直接求得的， 般是选取适合的分布。在我国，河流洪峰流量一般采用p i i i 型分布。 2 1 2 风险的特征 风险具有自然属性、社会属性和经济属性。概括之，风险具有如下特征： ( 1 ) 客观性。客观性是指风险是由客观事物的自身规律所决定的，其客观 性不以人的主观意志为转移。无论是自然界中的洪水、台风，还是社会领域的战 争、瘟疫等，都是一些现存的客观事物，同样，与之相联系的风险也是由客观事 物的自身规律所决定的，其客观性不以人的意志为转移。 ( 2 ) 普遍性。客观事物虽然具有其各自的运动规律，但事物之间却又相互 联系、相互影响、相互制约、相互作用，具有普遍联系性。同样，与之相联系的 风险也广泛存在，这就是风险的普遍性。 ( 3 ) 动态性。风险的动态性是指在一定条件下，风险会发生变化的特性。 任何事物都处于运动变化之中，这些运动变化必然会弓 起相联系的风险的变化， 因此，风险具有动态性。 ( 4 ) 不确定性。不确定性的产生，一方丽是由于风险的影响因素众多，关 系复杂，风险分析不可能穷尽所