（水力学及河流动力学专业论文）漳泽水库汛期模糊划分及汛限水位的确定.pdf

太原理： 大学硕士研究生学位论文 f6 2 0 0 5 s 漳泽水库汛期模糊划分及汛限水位的确定 摘要 在水库防洪调度过程中，汛限水位是一个十分重要、敏 感的指标，合理的汛限水位可以更好地解决水库汛期防洪与 兴利之间的矛盾，进而达到减少洪灾损失、发挥系统最人效 益的目的。山西省长治市漳泽水库经过多年的运行，发现水 库在汛期弃水多，防洪与兴利矛盾十分突出。因此科学描述 漳泽水库的汛期、合理确定漳泽水库的汛限水位、研究汛限 水位的动态控制，是当务之急。 本文首先阐述了模糊集合的概念及理论，提出汛期具有 不确定性，属于模糊集合。然后针对漳泽水库的气象及工程 状况，从成因分析、数理统计分析、模糊集分析进行汛期分 期论证。本文在汛期分期指标选取时尝试了新的观点，即依 据漳泽水库流域一年中第一场洪水和最后一场洪水发生的时 问作为汛期分期的指标，依此进行汛期分期。从而订算汛期 各时间点的相对隶属度，并对隶属函数的参数进行曲线拟合 太原理工大学硕士研究生学位论文 求得拟合隶属度，作为最终的汛期隶属度，最后求得漳泽水 库的模糊汛限水位。 为了能更有效地利用水资源，本文根据漳泽水库工程状 况及洪水计算结果将漳泽水库汛限水位抬高，并对汛限水位 抬高后的模糊汛限水位进行了极限风险分析，这进一步完善 了模糊汛限水位过程线的控制方法。 用模糊集分析法确定防洪限制水位，并将其与实际运用 方案进行比较。为提高水资源的可利用量，缓解水库防洪与 兴利之间的矛盾提供了较新的观点和有效的途径。 关键词：模糊集理论，汛期分期，汛限水位，水库防洪调度， 风险分析 太原理t 大学硕士研究生学位论文 f u z z yp a r t i t i o no ff l o o ds e a s o na n d d e t e r m i n a t l o no fl i m i t e dv e a t e rl e v e l o nz h a n g z er e s e r v o i r a b s t r a c t t h el i m i t e dw a t e rl e v e lo f c o n t r o l l i n gf l o o di sa ni m p o r t a n t a n ds e n s i t i v ei n d e xi nr e s e r v o i rf l o o d - c o n t r o ld i s p a t c h i n g ，t h e r e a s o n a b l el i m i t e dw a t e rl e v e lc a ns o l v ee f f i c i e n t l yt h ec o n f l i c t b e t w e e nr e s e r v o i r sf l o o dc o n t r o la n di t sb e n e f i t ，a n dt h ea i mo f r e d u c i n gf l o o dd i s a s t e rl o s sa n dg e t t i n gm a x i m u ms y s t e mp r o f i t c a nb er e a l i z e d t h r o u g hm a n yy e a r sr u n ，z h a n g z er e s e r v o i r s c o n f l i c ti ss h a r p e n s oa c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld e m a n do fp r o j e c t ， i ti s v e r yu r g e n tt o d e s c r i b es c i e n t i f i c a l l yz h a n g z er e s e r v o i r s f l o o ds e a s o n ，t od e f i n er e a s o n a b l yi t sl i m i t e dw a t e rl e v e la n dt o f i n da d y n a m i c c o n t r o lm e t h o df o ri t sl i m i t e dw a t e rl e v e l i nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p t i o na n dt h et h e o r yo ff u z z ys e tw a s 3 太原理丁大学硕士研究生学位论文 f i r s t s t a t e d ，t h et h e o r yt h a t f l o o ds e a s o nh a s u n c e r t a i n t y a n d b e l o n g st of u z z ys e t sw a s a l s op r e s e n t e d t h e na c c o r d i n gt ot h e p r e s e n tm e t e o r o l o g ya n dp r o j e c tc o n d i t i o no fz h a n g z er e s e r v o i r , f l o o ds e a s o ns t a g i n gw a sd i s c u s s e du s i n gt h em e t h o d so f g e n e t i c a n a l y s i s ，m a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c s a n a l y s i s a n dt h e f u z z y s e t a n a l y s i s t h e n e wi d e aa b o u tt h es e l e c t i o no ff l o o ds e a s o n s t a g i n gi n d e xw a su s e di nt h i sp a p e r , t h a ti st os a y t h eo c c u r r i n g t i m eo ft h ef i r s ta n dt h el a s tf l o o di no n ey e a rw a su s e da st h e s t a g i n gi n d e xo f f l o o ds e a s o n t h e nr e l a t i v em e m b e r s h i pg r a d e o f e v e r yt i m ep o i n ti nf l o o ds e a s o nw a s c a l c u l a t e di na p p l i c a t i o n ， a n dt h ec u r v e f i t t i n g w a sm a d ef o rt h e p a r a m e t e r o ft h e m e m b e r s h i pf u n c t i o n s ot h a tt h ef i t t i n gm e m b e r s h i pg r a d ew a s g o t ，i ta st h ef i n a lm e m b e r s h i pg r a d eo f f l o o ds e a s o n ，a tl a s tt h e f u z z yl i m i t e dw a t e rl e v e l o f z h a n g z er e s e r v o i rw a s d e t e r m i n e d i no r d e rt ou s ew a t e rr e s o u r c e se f f i c i e n t l y , t h el i m i t e dw a t e r l e v e lo f z h a n g z er e s e r v o i rw a sh e i g h t e n e db a s e do nt h es t o r a g e r o u t i n gr e s u l t ，a n dt h e nt h el i m i tr i s ka n a l y s i sw a sm a d e f o rt h e l i m i t e dw a t e rl e v e lo ff u z z ys e t ，t h i sm a d et h eg r a p hc o n t r o l 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 m e t h o do ft h el i m i t e dw a t e rl e v e lm o r e p e r f e c t i nt h i sp a p e r ，t h el i m i t e dw a t e rl e v e lo fc o n t r o l l i n gf l o o d w a sd e t e r m i n e db yu s i n gt h ea n a l y s i sm e t h o do f f u z z ys e t ，a n di t w a s c o m p a r e d w i t ht h e a c t u a l o p e r a t i o n s c h e m e t h e nt h e c o n c l u s i o nw a sg o tt h a tt h er e s u l tc o u l di n c r e a s et h eu t i l i z a t i o n q u a n t i t y o fw a t e rr e s o u r c e sa n ds o l v er e a s o n a b l yt h ec o n f l i c t b e t w e e nr e s e r v o i r sf l o o d c o n t r o la n di t sb e n e f i t k e y w o r d s ：f u z z ys e tt h e o r y , f l o o ds e a s o ns t a g i n g ，l i m i t e d w a t e rl e v e lo f c o n t r o l l i n gf l o o d ，r e s e r v o i r f l o o d - c o n t r o l d i s p a t c h i n g ，r i s ka n a l y s i s 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 1 引言 一绪论 自然界中的一切现象都具有确定性和非确定性两个基本方面，经 典数学是表达确定性现象强有力的数学工具。在过去一个很长时期内， 现象的非确定性仅仅被理解为随机性的一个侧面。对于现象的模糊性， 由于长期受普通集合论只能描述“非此即彼”、“非0 即l ”二值逻辑框 架的束缚，而被长期忽视着。甚至有时这种忽视很不符合现象的实际 情况。对现象模糊性的忽视，在哲学上表现为对物质系统在演化过程 中所呈现的中介过渡性或中间性的忽视i l j 。 模糊集合概念的建立，使人们对于现象非确定性的理解有了拓广 与深化，现象的非确定性不仅有随机性，而且还有模糊性，且两者有 着本质上的区别。随机性是因果律破缺所造成的一种非确定性，随机 现象( 或事件) 本身有着明确的含义，仅仅是因为条件不充分，使得 条件与现象之间未能出现决定性的因果关系，因而在现象的出现与否 上表现出非确定性。模糊性主要是指客观现象的差异在中介过度时多 呈现的亦此亦彼性，是排中律破缺所造成识别或划分上的非确定 性川。因此模糊性作为一种基本事实而客观地存在着。如果说，在过去 的水文研究中由于模糊数学尚未建立，人们忽视水文现象识别的模 糊性，而仅考虑现象的确定性与随机非确定性方面，那么，在今天的 水文工作中，特别是在那些模糊性不容忽略的研究领域，忽视模糊性 的存在，将是研究方法论方面的一种欠缺。 太原理j i ：大学硕士研究生学位论文 当今，由于系统科学的发展，系统理论与方法渗透到各个学科领 域，经典优化技术是重要的基本的方法。但是水资源系统常常是一个 多因素、多层次、多目标、多功能、多阶段的复杂巨系统。经典的数 学优化理论与技术很难胜任。因此，需要寻求一种解决系统复杂化与 传统优化技术间难以适应的矛盾的新途径。由于优与劣概念之间，在 识别过程中并不存在绝对分明的界限，具有中介过度性，因而在水资 源系统分析中引入中介性，突破不考虑中介性研究方法论的束缚，建 立水资源系统的决策分析理论的新体系，给出求解水资源系统优化的 新思路。因此，水文水资源系统模糊性概念的建立与运用，在科研方 法论与实际应用上有着十分重要的意义。 模糊水文学新学科的建立，水资源系统模糊优化研究方向的提出， 不是偶然的，有着特定的时代要求与背景，自2 0 世纪6 0 年代中期开 始，新的数学学科模糊数学开始建立与发展。模糊数学就是用数 学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学分支吲。水文学从工程水 文学发展到水资源水文学阶段，要求水文学解决水资源开发利用中更 多的问题。例如模糊水文学关于汛期的描述与表达，突破硬性划分汛 期起讫时间的传统水文学观点，从而为提高水资源的可利用量，为缓 解水库防洪与兴利之间的矛盾提供了理论依据与新的研究途径。在国 内外水资源紧缺问题异常突出的情况下，具有重要的理论与现实意义。 “模糊水文学”是综合运用系统的成因分析( 必然性分析、确定性 分析) 、概率统计分析( 随机分析) 与模糊集分析( 可以与随机性分析 统称为非确定性分析或不确定性分析) 相结合的新的理论分析体系， 简称为模糊随机系统分析，研究此理论分析体系与方法的新的水文学 科，称为模糊水文学。因此，模糊水文学区别于其他水文学科的基本 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 特点在于它考虑水文现象、事件在中介过度段划分中的模糊性。而这 种模糊性是客观存在的。 我国广大的北方流域水资源十分贫乏，随着国民经济的不断发展， 水资源供需矛盾同益尖锐。研究提高水库水资源的利用水平，有着十 分重要的科学与实际意义。而其中不同水库汛期的模糊划分与汛限水 位的模糊研究是现实而又有实用价值的主要课题。 北方流域出于夏季太平洋副热带高压势力的加强，热带海洋气团与 极地大陆气团交凝，降雨增多。其中汛期6 月9 月集中了年降水量的 6 0 - - 8 0 ，特别是7 月份、8 月份的雨量常常占年降水量一半以上， 使得北方水库防洪与兴利的矛盾十分尖锐，汛期不敢蓄水，汛期过后 无水可蓄的情况经常出现。 2 项目背景 山西省水资源贫乏，随着日益增长的工、农业及城市用水的需求， 充分利用地面水资源对我省国民经济发展具有重要意义。而承担防洪、 灌溉、工业、城市供水等任务的太中型水库具有较强调节天然径流、 控制洪水的能力在时间上调节余缺，将所蓄的水量适时、适量地供 给各兴利部门使用。目前我省大、中、小型水库约8 4 2 座，其中大中 型5 8 座，总库容达4 2 6 亿立方米，是工农业及城市用水的主要来源， 但由于自然条件、水文条件、用水条件等的变化，沿用原来简单的水 库调度方式，已不能满足日益增长的用水需求，同时传统的调度方式 导致每年汛期产生大量“弃水”。因此，如何能够减少弃水，充分利用 当地地面水资源，缓解水库防洪与兴和之问的矛盾，是关系到我省国 民经济可持续发展急待解决的重大课题。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 漳泽水库位于浊漳河南源干流上，其上游共有六座中型水库，多 座小型水库，组成一水库群系统。它们共同承担对下游长治市及效区、 潞城、襄垣县等3 个县( 市、区) 8 个乡6 3 万人5 9 万亩耕地1 6 。9 亿 元财产以及长钢、五阳、漳村矿等厂矿企业的重要的防洪任务，并且 兼顾着长治钢铁厂、漳泽发电厂、太行锯条厂等九个国营大中型企业 供水和长治市4 3 万居民的生活用水，担负着下游1 9 4 万亩的农田灌溉 供水和发展水产养殖的任务。由于日趋紧张的水源，使得漳泽水库的 农业灌溉自9 0 年代以来，每年平均灌溉面积仅得1 万余亩，远未达到 设计水平，而下游工业供水及城市用水发展很快，从7 0 年代的年均供 水量1 0 0 0 余万m 3 到9 0 年代达到年实际供水4 5 0 0 万m 3 ，最高年供水 量达5 6 2 6 万m 3 。另外，漳泽电厂三期工程需水约1 4 6 0 万m 3 ，最近王 曲电厂又提出供水2 7 0 0 万m 3 的用水要求。但漳泽水库从1 9 8 1 年到1 9 9 8 年的1 9 年中有1 0 年弃水，平均每年弃水量达1 6 3 1 万m 3 ，弃水占出库 总水量的2 9 5 ，2 0 0 1 年水库弃水高达7 3 5 1 万m 3 ，仅2 0 0 1 年主汛期 7 月2 8f 1 至8 月1 3 日共弃水3 9 0 8 万m 3 。因此，在确保水库及其下游 防洪安全的前提下，研究漳泽水库汛期洪水的变化规律，进行汛限水 位动奁控制研究，论证逐步提高汛限水位的可行性，增加用水，减少 弃水，缓解防洪与兴利之间的矛盾具有重大的实际意义。本论文的研 究重点即在于此。 3 研究的必要性及其意义 特定的地理、气候条件决定了我国水旱灾害并存的基本水情。据 不完全统计，从公元前2 0 6 年到公元1 9 4 9 年的2 1 5 5 年中，我国发生 的水灾1 0 9 2 次，旱灾1 0 5 6 次。防止水害和开发利用水资源一直是关 4 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 系中华民族生存发展的大事。 就水库建设而言，在投资一定的情况下，除害与兴利就成为一对 矛盾。解决这一矛盾的出发点，是要把待建水库放在整个河流或区域 经济发展中去考察，若河流的洪水常泛滥并危及到相关地区的人民群 众生命财产和安全，水库的开发任务就一定要以除害为主：若河流上 己建有水库对洪水可进行有效控制，使其对相关地区的洪涝灾害大为 减轻，而相关地区经济社会发展要提供水资源和电力供应，水库的开 发任务就要以兴利为主。 在水库调度运用过程中，若一味地强调防洪，势必在整个汛期均 以较低的汛期水位迎汛，这样，往往导致水库汛期用水量受限，在汛 后无水可蓄，达不到水库兴利要求。反之，若过分强调洪水资源的有 效利用，势必要抬高汛限水位，汛期多蓄水，而在现代科技手段尚不 能在较长预见期内准确预报降水及径流的情况下，汛期限制水位的抬 高将冒极大的风险。如何使水库既能保证发挥防洪作用，同时也能兼 顾汛术蓄水兴利呢? 首先要改变传统意义上的汛期和非汛期划分的绝 对概念。传统意义上，北方汛期的时段是七、八、九三个月，以九月 三十日二十四时为分界线，在此之前为汛期，在此之后为非汛期。而 客观上，汛期与非汛期之间并不存在绝对的、十分清晰的界限。从严 格的物理意义上讲，二者存在一个连续变化的过程，而与之相应的防 洪库容也应该是一个连续变化的过程。按照这一思维去研究上述客观 存在的连续过程，基于模糊集合论，汛期中任意时间属于汛期的隶属 度是不同的，也就是说，汛期中不同时间所要求的防洪库容是不一样 的。据此，当我们己知主汛期所需的设计防洪库容，加之研究得出汛 期中任意时间对汛期的隶属函数，即可完整地勾划出汛期至非汛期过 太原理 ：人学硕十研究生学位论文 度段防洪库容的连续变化过程，再以此为指导，适时地、合理地调整 运用计划，除害与兴利的关系就有可能得到妥善处理。 汛期运用管理的合理与否直接关系到大坝、堤防等水利工程的安 全，涉及到国家资产和人民生命财产的安全，关系到各个兴利部门的t 用水要求。因此，人们总是极其重视水利工程汛期的运用管理工作。 但是对汛期的描述与表达，由于过去忽视了汛期现象的模糊性，使得 一些与汛期有关问题的处理与研究难以取得突破性的进展。从模糊水 文学的观点来看，传统汛期观念的改变是理所当然的。 实践证明，汛期洪水灾害对人民生命财产危害很大，造成大量的 国民经济损失所以研究汛期分期很有必要。汛期传统的普通集合论 方法是将水库水位控制在规定的汛限水位，直至汛期过后。事实上， 北方流域9 月中、下旬以后降水量很小，水库很难蓄到正常蓄水位， 这直接影响到水库的兴利效益。所以提出采用模糊集分期确定汛限水 位有一定的理论依据及实用价值。 “要么是汛期，要么不是”传统概念在半个多世纪以前对水的有 效利用影响不大。因为那时水的供需矛盾并不突出，水还没有被确认 是一种宝贵的“资源”。但在2 1 世纪的今天，情况就不同了。1 9 9 0 年 中共中央关于制定国民经济和社会发展十年规划和“八五”计划的建 议中，多次提到关于水资源紧缺或紧张的问题。水资源紧缺已成为制 约我国经济发展的因素，甚至是主要因素。尤其是北方地区，缓解或 解决水资源紧缺的矛盾，可以有多种途径，从认识观念的根本上是改 变“要么是汛期，要么不是”的传统观念，识别汛期的模糊性。现行 的硬性规定汛期的起讫时间的传统描述方式，是造成我国众多水库汛 期不敢蓄水，汛期过后又蓄不上水，防洪与兴利之间矛盾尖锐，有限、 6 太原理t 犬学硕十研究生学位论文 紧缺的水资源未能有效利用的一个重要原因。模糊水文学关于汛期的 描述与表达，突破了硬性划分汛期起讫时间的传统水文学观点，从而 为提高水资源的可利用量，缓解水库兴利与防洪之间的矛盾提供了理 论依据与新的研究途径。在国内外水资源紧缺的问题异常突出的情况 下，具有重要的理论与现实意义。 我国已建有8 万多座水库，如应用描述汛期的模糊集合论观点， 使其中部分水库在汛后多蓄白分之几的水量，其总和将是个很客观 的水资源量，对缓解我国水资源紧缺的现实有重要意义。例如：吉林 省大型水利枢纽二龙山水库应用关于模糊汛期的新观点，拟定水库汛 期限制水位，使水库汛末的蓄水量增加1 1 2 8 亿立方米( 6 ：i 宁省大伙 房水库、吉林省卡伦水库应用描述汛期的模撷集理论确定水库汛限水 位，使水库发挥更大经济效益和社会效益1 78 】；大连碧流河水库采用模 糊集原理确定水库的防洪共用库容，即将主汛期的部分防洪库容转化 为兴利库容( 共用库容) ，从而提高碧流河水库的供水能力，增加大连 市的供水量f 9 j 。 可以预见，2 l 世纪我国水资源紧缺的状况会更趋严重水库防洪 与兴利的矛盾将更为突出。但随着水文水资源系统模糊集理论与汛情 预报的发展，硬性划分汛期使成千上万座水库防洪与兴利矛盾更加尖 锐，有限水资源未能有效利用的困难局面将会得到改变，改变的基础 则是科学与社会的实践。因此，深入研究汛期的模糊描述有重要理论 与实际意义m 】。 4 国内外水库模糊调度综述 早在1 9 2 3 年著名哲学家伯特兰罗素就曾专门论述过模糊性闷 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 题。恩格斯更明确而又高度概括地指出“一切差异都在中间阶段融合， 一切对立都经过中间环节而相互过渡”。“辨证法不知道什么绝对分明 和固定不变的界限，不知道什么无条件的非此即彼，它使固定的形 而上学的差异互相过渡除了非此即彼，又在适当的地方承认办 此办彼，并且使对立互为中介”。这就是模糊性的哲学基础。1 9 6 5 年， 美国控制论专家l a z a d e h 发表了关于模糊集合的第一篇论文，因此产 生了一个新的数学分支模糊数学 1 2 i 。 模糊数学在水文水资源系统中的应用是八十年代初开始的，经过 很多人的努力，应用模糊控制、模糊近似推理、模糊动态规划和模糊 集理论等方法研究了水库调度问题，并取得了较好的成果。 1 9 8 3 年，吴信益将模糊数学应用到了水库调度中3 1 ，这作为模糊 数学在水库调度领域中的首次尝试。该方法根据模糊控制思想，制定 了乌溪江水库的模糊调度方案：首先把来水季节，水库水位，入库流 量，电站出力，水库水情预报等调度因素划分状态，并用模糊子集描 述出来。在此基础上设计模糊语句控制规则，建立起调度条件和出力 决策的关系。运行中根据调度条件和语句控制规则做隶属度计算，按 最大隶属准则决定运行决策。1 9 8 4 年鲁子林将模糊决策分析运用到综 合利用水库调度中，该分析根据综合利用水库来水预报结果具有模糊 性的特点，应用了模糊线性规划方法，优选调度决策。实例表明是一 种计算简单而比较符合当前实际预报情况的调度方法【l 。1 9 8 3 年张勇 传，邮风山等把模糊等价关系聚类，模糊影射和模糊决策的基本概念 引用到水库优化调度中，探讨了径流预报和运行决策等问题【1 “。1 9 8 7 年王本德，周惠成根据模糊近似推理的基本原理f 1 “，探讨了有多个影 响因素的水库与井群联合经济运行的模糊推理模式，其中应用特征展 8 太原理工人学硕士研究生学位论文 丌模糊推理法f ”i ，解决了多因素时推理计算困难的问题。1 9 8 5 年王本 德，周惠成将多因素模糊推理方法用于制定并联水库的放水决策，并 提出了确定保证率最大的经济放水模糊控制模式的思想方法。模糊近 似推理一类方法的特点是从实践运行经验中归纳整理出有效的多因素 推理运行模式，运行中根据影响运行因素的状念，确定运行决策【l “。 1 9 8 6 年刘剑钊通过对已有水库调度模糊数学方法的分析，进行了隶属 度，最优性和综合决策的讨论【1 9 1 。2 0 0 2 年，a t i l m a n t m v a n c l o o s t e r 等将模糊与非模糊水库优化调度决策进行了分析比较【2 0 】。同年， a t i l m a n t ，p f o r t e m p s 等研究了普通调度人员在水库模糊优化调度中的 影响口“。t a n j ad u b r o v i n ；a r i j o l m a 等提出了水库实时调度的模糊模 型吲。 进入8 0 年代后，陈守煜教授建立了模糊水文学原理，指出模糊水 文学是集成因分析、概率分析、模糊集分析为一体的新体系。它使用 精确的方式去处理和描述不易精确加以定量的模糊现象与事件，通过 构造隶属函数，将人的知识与经验比较科学地定量化，从而使含有不 少经验处理的水文分析计算与计算机为工具的现代计算技术相结合成 为可能f 2 3 l 。1 9 8 8 年陈守煜，赵英琪提出河流由非汛期逐步过渡到汛期， 经历一段时间后，再由主汛期逐渐过渡到非汛期是一个模糊现象，基 于这种认识，他们提出了完整的汛期模糊集模式，并得出了计算汛期 隶属度的隶属度函数。1 9 9 6 年蒋云钟将可靠性分析方法引入汛期描述， 提出了汛期的可靠度、可靠度分布函数、平均结束时间以及可靠结束 时间等可靠性分析概念( ”i 。2 0 0 0 年刘明首次提出了水库准汛期的概念， 并结合工程实际提出了水库准汛期汛限水位动态控制方法，建立了计 算水库准汛期汛限水位动态控制值模糊优选模型口4 i 。2 0 0 0 年陈守煜、 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 张文国提出直接模糊统计方法对模糊概念汛期进行了统计试验。根据 试验结果，对“汛期”的绝对隶属度稳定性进行了分析和实例证明， 取得了满意结果1 。2 0 0 3 年陈守煜、王淑英、王高英等提出用直接模 糊统计试验确定汛期相对隶属函数，并对试验进行了稳定性分析，毛宙 稳定性论证的基础上，得到当资料年限足够长时，汛期相对隶属函数： 可近似地作为汛期绝对隶属函数，为研究水库不同设计洪水标准下汛 限水位的动态控制提供了理论依据【2 6 i 。 模糊数学在水库调度中的应用是较新的课题，已有成果不多。由 于水库调度过程中涉及的因素很广，有一些是模糊性的，其中最主要 的是径流中长期预报结果目前只能提供模糊性的定性成果，这就使得 研究充分利用各种调度信息的调度方法成为必要。因此模糊数学在水 库调度中的应用研究是大有可为的。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 二汛期分期理论及方法 1 模糊集理论简介 模糊集理论从1 9 6 5 年札德提出的第一篇开创性论文模糊集 合至今，只有3 8 年的历史，却已经取得了举世瞩目的进展。应用的 触角已伸向工程技术、生态环境、交通、管理等领域的许多方面，发 展速度超过了许多应用数学的分支学科。例如：用模糊多因素、多层 次综合评价法优选城市防洪标准，为选择合理的城市防洪标准开辟新 的途径；模糊逻辑用于城市交通系统的控制，给城市交通控制的研究 带来了生气。但由于最重要的基本定义隶属函数定义的缺陷，实 际应用受到一定的限制。 陈守煜教授自8 0 年代初期开始，从事水文水资源系统模糊集分析、 工程模糊集理论与应用的研究工作。在研究中逐步创立了以相对隶属 度和相对隶属函数概念为基础的工程模糊集系统理论：建立直接模糊 统计试验概念与方法。用于确定绝对隶属度、绝对隶属函数，为模糊 集合论的基石隶属度、隶属函数的稳定性论证提供了科学的模糊 统计试验方法。从理论与试验两方面提出了解决工程模糊集合论长期 存在的难题科学、合理地确定隶属度、隶属函数，从理论上可以 期望消除对隶属度、隶属函数客观性与科学性的疑虑，从而进步促 进模糊集合论在工程技术领域的广泛应用。 模糊集理论是普通集合论的拓展。普通集合论中，一个元素要么属 于要么不属于某一普通集合，可用普通集合的特征函数来表示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 设u 是论域或全体讨论对象，a 是论域u 中的一个普通子集，a 的特征函数x 。定义为 x h ：u 哼 o ，1 xi 哼x ( x ) o ，1 ) ( 2 1 ) 且 驰，= 譬邕 c z l ， 在模糊集理论中传统是将上述特征函数定义简单拓广成为隶属函 数定义。设u 是论域，a 是u 的一个模糊子集，4 的特征函数u a 定义 为 u ：a 斗【o 1 】 ul 寸u 月( u ) 仨( o 1 】( 2 3 ) 此定义的缺点是概念的唯一性并未完整地反映模糊集理论的基本 特点中介过渡性。如果将上面定义中的论域u 变换为概率空间，a 为u 中的一个子空间，只要提法略做改变，就可描述事件发生的概率。 众所周知，随机性服从排中律，在每次随机试验中，某一随机事件要 么发生要么不发生，不存在第三种情况，是非次即彼的；作为排中律 破缺的模糊性不服从排中律，存在着许多甚至是无穷多种的中介状态， 是亦此亦彼的。因此，描述模糊性的隶属函数定义，仅简单地将普通 集合论的特征函数定义加以拓广，使隶属函数的具体确定成为实际应 用中的难点。为此，陈守煜教授根据辨证唯物论关于差异、共维、中 介、两极的概念，对隶属函数进行拓展，提出绝对与相对隶属函数定 太原理工大学硕士研究生学位论文 义。在应用中根据实际问题的性质，有时要求确定绝对隶属度、隶属 函数的唯一性概念与定义，发展成为非唯一性隶属度的定义，从而在 模糊集理论与应用上具有了重要意义。 模糊集理论中用隶属程度来描述中介过渡，是以精确的数学语言对 模糊性的一种表述。模糊集理论与应用研究中的一个关键问题，是如 何科学地、符合实际地确定模糊集合中每个元素对于模糊概念的隶属 程度。 2 模糊水文学建立的基础 恩格斯指出“一切差异都在中间阶段融合，一切对立都经过中间环 节而相互过渡”，“辩证法不知道什么绝对分明和固定不变的界限，不 知道什么无条件的非此即彼r ，它使固定的形而上学的差异互相过 渡，除了非此即彼，又在适当的地方承认非此即彼，并且使对 立互为中介”。这就是模糊水文学学科建立的哲学基础。 水文现象既有受控于流域的水文气象、自然地理和植被覆盖等确定 性因素影响的一面，又具有非确定性( 或不确定性) 随机性与模 糊性的一面。水文现象的随机性早已被人们所普遍接受，且在研究与 实际水文问题中广泛应用概率统计方法处理水文现象与水文过程的随 机性。但水文现象的模糊性作为一种基本的事实，目前还未完全被人 们所普遍认识。事实上，模糊性概念本身没有明确的外延，一个对象 是否符合这个概念难以确定，是由于概念外延的模糊而造成划分上的 非确定性。只考虑水文现象、水文事件的确定性与随机性分析，常常 还不能完善地分析、描述水文现象与表达水文系统的特征。事实上， 汛期与非汛期是不能简单地以某一个时刻来划分的。怎样科学地分配 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 水资源以达到整体工程运用方案的优化，这是模糊水文学建立的时代 基础。 3 模糊水文学的研究方法 水文现象、水文事件的模糊性出现在识别和判决过程中，它反映 了客观水文现象、事件差异的中介过渡性。由这种中介过渡性产生了 划分上的非确定性，从而出现了元素对集合隶属关系的非确定性。例 如一般定义山西6 月至9 月为“汛期”，但又不能绝对肯定这个时段是 汛期可能的全部，因为5 月与l o 月也发生过洪水，而多数情况下7 月 上旬又很少发生洪水。事实上，汛期与非汛期并不存在一个确定的界 限，“汛期”是某特定时期的一个模糊子集( 记为a ) 。对于这个集合， 不宜指明哪些元素t ( 时刻) 一定属于它，哪些元素一定不属于它。而 需对每个元素t 确定一个数1 - i a ( t ) ，用这个数来表示该元素t 对“汛期” 这个模糊集合爿的隶属度，即是用隶属度来描述处于非汛期向汛期( 或 汛期向非汛期) 中介过渡段的元素对差异一方所具有的倾向性，从“非 此即彼”中提取了“非此即彼”的信息。 设给定论域t 为一年，t 为t 中的任意元素，汛期是论域t 上的一 个模糊子集a 。a 可用隶属函数加以描述，即对于任意元素t ，t t ， 确定影射 u ：t 寸【0 ，l 】 t 斗u ( t ) 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 u a ( t ) 为元素t ( 时间) 隶属于模糊子集4 ( 汛期) 的隶属函数。根 据模糊子集4 ，由非汛期过渡到主汛期，此时u 。( t ) 由0 变到1 ，再由 主汛期过渡到非汛期，“( t ) 由1 变到0 的特点，可将汛期的隶属函数 u 。( t ) 用升半、降半正态分布函数表示如下： f 。科i b l 坩 u ( t ) _ 1 a l t 茎a 2( 2 4 ) 。l 。博b a 2 b ： 。 式中a i ，a 2 ，b i ，b 2 均为参数。其中a l 。a 2 分别为主汛期开始、结 束的时刻，可根据河流所在地区水文气象系统的洪水成因分析确定， 参数b l ，b 2 可按照河流所在地点水利工程的设计洪水标准，由洪水概 率统计分析( 随机分析) 确定。 根据水文随机分析方法，分别统计河流整个汛期、非汛期至主汛期 开始、以及主汛期结束至非汛期三个时期的洪水样本，进行洪水频率 分析计算，按工程设计洪水标准，分别确定相应各时期的设计值( 设 计洪峰、一定时段内的设计洪量、或设计防洪库容等) 。 设各时期的设计值依时间先后为序是x i 、x 、x 2 。显然应有x x l ， x x 2 ，则量= 真 l x 生= 磊 l 工 令夤，最分别等于非汛期至主汛期开始、主汛期结束至非汛期两个 分期时刻t l 、t 2 的隶属度，即善l - - - - l l _ ( t i ) ，乞= u ( t 2 ) 。隶属函数u a ( t i ) 、 0 4 ( t 2 ) 所对应的时间t l 、t 2 ，可以分析较大洪水发生的最早、最晚时间， 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 发生洪水次数相对较多的时间，以及综合考虑对工程的防洪安全要求 等因素后决定。于是参数b l ，b 2 可由( 2 4 ) 反求，其公式分别为： b 1 2 蔗 显然，由( 2 5 ) 确定的参数b l ，b 2 ，可使隶属函数式( 2 4 ) 符 合工程设计洪水标准，满足工程设计的安全要求。 由上述对汛期模糊集分析可见，描述模糊子集汛期爿的隶属函数 u 。( t ) 乃是综合运用所研究河流系统的成因分析( 如确定主汛期开始、 结束时间的参数a i ，a 2 ) 、随机分析( 如确定参数b l ，b 2 ) 与模糊集分 析( 确定汛期的隶属函数u ( t ) ) 相结合的结果。上述理论分析过程与 基本思路，可作为模糊水文学研究方法之一。 4 汛期分期方法 ( 1 ) 成因分析法 通常大、中型水库防洪安全与兴利蓄水矛盾突出防洪与兴利的 共用库容较大，如果主汛期后不能逐步抬高汛期水位，汛后蓄满水库 的几率就小，因此很有必要研究汛期分期问题。应根据水库防洪安全 和兴利蓄水要求、河道及水库工程状态，分析本流域“汛期”或“主 汛期”的规律，选用某一量级的暴雨量、入库洪峰等指标描述。分析 上述指标在一年内的变化规律，即集中程度、季节变化、各时段出现 】6 塑压 = b 太原理工大学硕士研究生学位论文 的规律，根据以上成因分析结果，以突变点作为汛期分期的划分点。 ( 2 ) 数理统计法 统计分析描述汛期的指标在年内的变化规律，目前常用的方法有 两种，按旬或更短的历时统计描述汛期指标( 暴雨量或洪峰流量) 频 率分布，或点绘指标的散布图取外包线，确定汛期分期。本方法与成 因分析法有共同之处，即所确定的汛期分期是以某特定日期为界，绝 对划分，不存在状态转移间的过渡性。 ( 3 ) 模糊集分析法 ( 1 ) 基本思路 汛期、非汛期、汛前期、主汛期、汛后期的划分等具有模糊性。 非汛期与汛期之间，或汛前期与主汛期之间存在差异，从差异的一方 向另一方变化，中间经历个渐变的连续过渡过程( 过渡时期) 中介过渡性；在这个过渡时期内的某一时刻具有“亦此亦彼”性。通 俗地讲，非汛期与汛期或汛前期与主汛期之间边界不清晰，很难用哪 一个具体日期来分界，客观上存在一个连续变化的过渡时期。这个过 渡时期内的某一时刻，既具有非汛期( 或汛前期) 特性，又具有汛期 ( 或主汛期) 的特性。描述这种隶属程度目前多数采用美国l a z a d e h 教授提出的模糊集合论。 按模糊集合论，因为汛期属于模糊概念，所以汛期可作为一年时间 论域t 中的一个模糊子集彳，非汛期亦是一个模糊子集一。可用隶属 函数u 。( t ) 来描述非汛期向汛期、汛期又向非汛期过渡时期中任何个 一 时刻t ( t t ) 属于汛期特性的程度，用u 一( 0 描述属于非汛期的程度。 隶属函数的取值范围：o u 。( 1 ) 引：l u ( t l l o ：或u 。 气象 流域海拔高程在8 8 7 5 - 1 6 4 6 8 m 之问，东以太行山为屏障形成较强 烈的大陆性气候，一年四季分明，冬季寒冷干燥，春季干旱多风，雨 量集中在夏季，流域平均气温8 6 0 c 。 每年1 0 月至次年5 月，干燥少雨，6 月以后，雨量增多，多年平 均降雨量为6 2 0 m m ，其中年内分配为：冬季( 1 2 2 月) 占3 ，春季 ( 3 5 月) 占1 4 ，夏季( 6 s 月) 占6 2 ，秋季( 9 - 1 1 月) 占2 1 。 其中汛期( 6 - - 9 月) 占全年的7 0 以上。 最大月降雨量多发生在7 月，次大月降余量发生在8 月，特别是在 7 月下半月及8 月上半月，雨量最为集中，即所谓“7 下8 上”，常降 暴雨，导致洪水不断发生。 流域多年年平均降雨量约6 2 0 m m ，年最大降雨量为9 1 3 m m ( 1 9 7 1 年) ，年最小降雨量为3 5 6 m m ( 1 9 6 5 年) ，暴雨以连续三日出现的机会 较多，据2 4 年的实测资料记载，最大三日降雨量为2 4 7 9 m m ( 1 9 7 1 年 8 月1 8 2 0 日) 。最大单站一日降雨量为2 0 9 5 m m ( 1 9 6 2 年7 月1 5 日) 。 ( 2 ) 问题提出 ( 1 ) 漳泽水库现运行情况和洪水情况 根据漳泽水库统计资料显示，水库1 9 8 1 1 9 9 8 年的1 9 年中有l o 年弃水，平均每年弃水量达1 6 3 1 万m3 ，弃水占出库总水量的2 9 5 。 2 0 0 0 年水库弃水达7 3 5 l 万1 1 1 3 ，其中4 月2 4 日至5 月7 日弃水2 6 0 2 万m3 ，6 月1 日至2 1 日弃水8 4 1 万m3 。本年主汛期7 月2 8 日至8 月1 3 日共弃水3 9 0 8 万m 3 ，最高水位9 0 1 4 6 m 。 漳泽水库建库以来共发生6 次较大洪水，其中1 9 6 2 年，1 9 7 1 年洪 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 水最大。据水库上游1 4 个雨量站统计，1 9 6 2 年7 月1 1 1 6 日全流域 平均降水1 3 6 2 m m ，暴雨中心在长子、壶关，降水量为2 1 0 m m ：1 9 7 1 年8 月1 7 2 1 日流域降水2 0 0 m m ，该次降水时间短，雨量集中，雨强 大。 ( 2 ) 水库现行调度方式存在的问题 水库现行的调度方式( 即传统调度方式) 存在的问题可概括为以下 几点： 1 ) 由于设计标准的洪水是基于洪峰、洪量同频率或同倍假定，由 带有人为主观因素所假定的典型洪水放大而推求的，其与水库运行中 实际发生的洪水存在较大差别； 2 ) 每年进入汛期，水库水位不得高于汛期限制水位。如果以后无 洪水发生，必然造成水库不必要的弃水，如果汛末没有洪水发生，水 库就会失去本年蓄水的机会； 3 ) 水库有下游防洪要求时，入库洪水与下游洪水的组成不能确定， 不能发挥水库最大大防洪效益。 在实践中，根据暴雨洪水出现进行概率统计分析，得到汛前、中、 后三个不同防洪限制水位，但由于各期防洪限制水位呈阶梯型变化， 所以运行中很难突然拾高或降低限制水位，导致汛后往往蓄不满水 不能满足兴利要求。 总上所述，漳泽水库在多年运行期间，不能很好地发挥其兴利效益， 如何较好地发挥其兴利效益，缓解防洪与兴利的矛盾，有必要对其现 行的调度方式、规则，特别是汛限水位做必要的改进：采用模糊集汛 期分期法确定汛限水位，一方面可评定现在运行方式的优劣程度，另 一方面可从理论分析出发为其提供合理的方案，缓解兴利与防洪的矛 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 盾。 2 确定汛期隶属函数的基础成因分析 根据模糊水文学关于成因分析、概率统计分析与模糊集分析相结 合的研究方法，先从成因分析入手来揭示汛期水文、气象规律。 ( 1 ) 天气系统分析 流域气候属暖温带大陆性气候，一年内季风环流交替明显，四季分 明，冬季寒冷干燥，春季干旱多风，雨量集中在夏季，流域全年月照 时数2 6 0 0 小时左右。随着夏季的来临，太平洋副热带高压西伸北上， 至盛夏，极锋位置跃移到华北北部，大量暖温空气输送到华北