（水利水电工程专业论文）水库分期汛限水位的风险与效益分析.pdf

中文摘要 我国水资源人均拥有量只有2 2 0 01 1 1 3 ，扣除难以利用的洪水径流和散布在偏 远地区的地下水资源后，人均可利用水资源量仅为9 0 0 m 3 ，属高度缺水。2 0 世纪 末，全国6 0 0 多座城市中缺水城市已由7 0 年代的几座扩展到现在的4 0 0 多座， 其中严重缺水的城市有1 0 8 座。我国的水资源问题已经成为影响我国经济发展和 社会稳定的关键问题。在现有水资源的基础上，积极治理污染，进行水资源优化 调度，充分挖掘水利枢纽的效益和潜力，刻不容缓! 在水库的汛期防洪调度过程中，汛限水位是一个很重要的指标，它是水库防 洪效益和兴利效益矛盾的结合点。我国北方地区的多数水库，在主汛期由于汛限 水位的制约经常发生汛期空库迎汛造成弃水，而汛后又无水可蓄的矛盾局面，使 得相当一部分雨洪资源不能得到很好的利用。本文在分析流域水情的基础上，运 用模糊集分析法和数理统计法对水库汛期进行分期，利用蒙特卡罗随机模拟方法 选取不同汛期水库汛限水位并对其风险效益进行分析，最终给出不同汛限水位方 案的风险和效益水平。 本文在风险分析过程中，同时考虑坝体自身安全和下游防洪安全。在不同起 调水位、不同下游安全泄量的条件下，对不同频率洪水的防洪风险进行计算。在 程序设计中，将洪水过程、起调水位、下游安全泄量限制均作为变量，提高程序 的通用性。本文以万家寨水库为例，对水库不同汛限水位方案的风险与兴利进行 分析评价，给出基于水库防洪风险确定汛限水位的方法，并对预报误差和调度时 滞涉及的主要参数进行敏感性分析。根据万家寨水库2 0 0 4 和2 0 0 5 的实际运行资 料，在后汛期控制汛限水位在9 7 4 o m 的条件下，发电效益约1 5 5 万元，增蓄水 量1 7 0 7 亿m 。 关键词：风险分析，汛限水位，防洪调度，蒙特卡罗方法，随机模拟，预报误 差，调度时滞 a b s t r a c t t h ep e rc a p i t ao w nq u a n t i t yo fw a t e rr e s o u r c e si so n l y2 2 0 0 m ji n0 1 1 1 c o u n t r y ， m o r e o v e rt h ep e rc a p i t aq u a n t i t yo fw a t e rr e s o u r c e sw h i e hc a l lb eu s e di s9 0 0m 3a f t e r r e c o u p i n gf l o o dr u n o f fa n dt h en e v e r = n e v e rl a n du n d e r g r o u n dw a t e rr e s o u r c e sw h i c h a r eh a r dt ob eu t i l i z e d b yt h ee n do f2 0 出c e n t u r y t h en u m b e ro fa n h y e t i s me i t yh a s r e a c h e d 呷t o4 0 0o rm o r ef r o mt w oo rt h r e eb y1 9 7 0 sa m o n gn a t i o n w i d e6 0 0c i t i e s ， t h e r e i n t o10 8o n e sw e r es e r i o u ss h o r t a g eo fw a t e r t h ew a t e rr e s o u r c ep r o b l e m sh a v e b e e nt h ek e yo fe c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a ls t a b i l i t y o nf o u n d a t i o no fw a t e r r e s o u r c e si ne x i s t e n c e ，w es h o u l df a t h e rp o l l u t i o na c t i v e l y ，p r o c e e dw a t e rr e s o u r c e s o p t i m i z i n gr e g u l a t i o na n dd i gt h eb e n e f i ta n dp o t e n t i a lo fh y d r o p o w e rp l a n tw i t h r e s e r v o i r 弱s o o n 鹊p o s s i b l e ! t h ef l o o dl i m i tw a t e rl e v e li sav e r yi m p o r t a n ti n d e xi nt h ec o u r s eo ff l o o d c e n t r e lo p e r a t i o n i ti st h eb o n d i n gp o i n to ff l o o dc e n t r e lb e n e f i ta n db e n e f i c i a lu s e 。 d u et ot h ec o n d i t i o no ff l o o dl i m i tw a t e rl e v e l m o s tr e s e r v o i ri nn o r t h e r na f t r ao fo u r c o u n t r yl e to u ts u b s t a n t i v ew a t e rr e s o u r c e si no r d e rt ov a c a t es t o r a g ea tf l o o ds e a s o n , m a tt h e r ei sl i m ew a t e rf o rs t o r a g e t h er e s u l ti st h a tq u i t em o i e t ys t o f i l lf l o o d r e s o u r c ec a l l tb eu t i l i z e da d e q u a t e l y o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y s e sd r a i n a g ea r e a , t l l i sa r t i c l ed i v i d e 血ef l o o ds e a s o ni n t os e v e r a ls t a g eb yh a n d l e sf u z z y s e ta n a l y s i sa n d m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s 也e l lo p t i m i z ef l o o dl i m i tw a t e rl e v e la n da n a l y z et h er i s kt o c o r r e s p o n d i n gf l o o dl i m i tw a t e rl e v e l f i n a l l yw o r ko u tt h er i s ka n db e n e f i tl e v e lo f d i f f e r e n tf l o o dl i m i tw a t e rl e v e ls c h e m e s i nt h ec o u r s eo fr i s ka n a l y s i s t h ea r t i c l ec o n s i d e r sd a mb o d ys e c u r i t ya n d d o w n s t r e a mf l o o dc o n l l o ls e c u r i t ya tt h es a m et i m e o n 也ec o n d i t i o no fd i f f e r e n t o r i g i n a lr e g u l a t i n gw a t e rl e v e la n dd i f f e r e n td o w n s t r e a ms a f e t yd i s c h a r g e ，c a l c u l a t e t h er i s ko fa c c o m m o d a t i n gd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sf l o o d t a k eb o t hf l o o dc o u r s e s o r i g i n a lr e g u l a t i n gw a t e rl e v e la n dd o w n s t r e a ms a f e t yd i s c h a r g e 嬲v a r i a b l ei n p r o g r a m m i n g ，s ot h a ti ti su n i v e r s a l a tl a s t ，t a k ew a n j i a z h a ir e s e r v o i r a sae x a m p l e ， a n a l y z ea n de s t i m a t e 也er i s ka n db e n e f i c i a lu s eo fd i f f e r e n tf l o o dl i m i tw a t e rl e v e l a n da s c e r t a i nt h em e t h o do fc h o o s i n gf l o o dl i m i tw a t e rl e v e l f u r t h e r m o r ep e r f o r mt h e s e n s i t i v i t ya n a l y s e so nf o r e c a s te r r o ra n dr e g u l a t i o nt i m el a g o nt h eb a s i so f2 0 0 4a n d 2 0 0 5f u n c t i o nd a t a , w h e nc h o o s e9 7 4 0 ma s 也ef l o o dl i m i tw a t e rl e v e lt h ep o w e r b e n e f i ti sa b o u t1 5 5m i l l i o ny u a n a n di n c r e a s i n gp o n d a g ei sa b o u t17 0 7m i l l i o nm k e y w o r d s ：r i s ka n a l y s i s ，f l o o ds e a s o nl i m i tw a t e rl e v e l ，f l o o d - p r e v e n t i o no p e r a t i o n ， m e n t o c a r l om e t h o d , s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n ，f o r e c a s tc i t e r ，r e g u l a t i o nt i m el a g 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，也不包含为获得墨鲞盘鲎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。 婵虢弓蟛一期：p 7 年乡二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞蠢堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘堂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： 。7 年 毛谢2 l 导师签名： 日签字日期 ，。 每勿 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在主汛期由于汛限水位的制约，我国北方地区的多数水库经常发生汛期空库 迎汛造成弃水，而汛后又无水可蓄的矛盾局面，使得相当一部分雨洪资源不能得 到很好的利用。随着先进技术和设备不断应用到水库调度中，洪水的预报水平和 精度都有很大的提高。分期控制汛限水位已在部分水库得到应用，明显提高水库 的发电、供水、灌溉等效益，分期控制汛限水位也引起水库防洪风险和下游淹没 风险的变化。在分期控制汛限水位的同时，将水库风险评估也实施动态控制，对 水库的安全和长期兴利运用都有十分重要的意义。 1 1 分期控制汛限水位及其风险分析的必要性和研究意义 1 1 1 我国水资源的严峻形势 虽然我国从总体上水资源拥有量地8 万4 l m 3 ，占全球水资源的6 ，仅次于 巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 2 0 0 m 3 人，扣除难以利用 的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后，现实可利用的淡水资源量则更 少，仅为1 1 万亿m 3 左右，人均可利用水资源量约为9 0 0 1 1 1 3 ) k 。至u 2 0 3 0 年，我国 的人口将达到1 6 亿，人均水资源量还将下降至u 1 7 0 0 m 3 人，接近国际公认的警戒 线( 1 7 0 0 3 0 0 0r n 3 为轻度缺水；5 0 0 1 0 0 0 m 3 为高度缺水；小于5 0 0 m 3 为极度缺水) 。 而且从人口和水资源分布看，中国水资源南北分布很不平均。长江流域及其以南 地区人口占我国总人口的5 4 ，但是水资源却占了8 1 ，北方人口占4 6 ，水资 源只有1 9 。【l 】 到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中缺水城市已由7 0 年代的几座扩展到现在的 4 0 0 多座，其中严重缺水的城市有1 0 8 座，沿海城市也不例外，甚至更为严重，全 国城市缺水总量为6 0 亿i n 3 。2 0 0 1 年汛前，辽宁、山东、河北、四川等省水资源形 势进一步恶化，山东济南、潍坊等城市缺水严重，不得不限制用水额度。陕西是 天津大学硕士学位论文第一章绪论 全国缺水最严重的省份之一，全省人均水资源量约1 2 6 0m 3 人，仅为全国平均水 平的i 2 ，特别是陕西关中地区的宝鸡、咸阳、西安、渭南、韩城经济带，人均 水资源量不足全国平均水平的1 6 。天津的主要水源地潘家口水库自1 9 9 4 年发生 1 5 年一遇的洪水以来，一直没有发生较大洪水，为满足天津用水，2 0 0 0 ，2 0 0 1 年 启用了水库死库容，还不得不花巨资，两次从黄河引水济津【2 3 】。 我国的水资源问题必然会成为影响我国经济发展和社会稳定的关键问题，在 。现有水资源的基础上，积极治理污染，充分挖掘水利枢纽的潜力，刻不容缓! i i 2 分期控制汛限水位及其风险分析的必要性 1 1 2 1 分期控制汛限水位的必要性 水库的汛限水位是水库遭遇洪水时，能确保大坝和大坝下游防洪对象安全， 利用防洪库容进行洪水调节的起调水位。 防洪法第四十四条明确规定：在汛期，水库不得擅自在汛期限制水位以上蓄 水，其汛期限制水位以上的防洪库容的运用，必须服从防汛指挥机构的调度指挥 和监督【4 】。 我国所面i 临的水资源严峻形势，迫使我们应尽可能挖掘现有水资源的潜力， 使之发挥更大的经济和社会效益。我国降雨量年内分配很不均匀，尤其是北方地 区。根据防洪法的规定，在汛期将发生大量弃水，以控制水位在汛限水位以下， 而汛后往往又无水可蓄，严重影响汛后水库的高水位运行，使次年城市供水和灌 溉用水难以保障【5 1 。这样的调度方式自然能保证水库的防洪标准，但与我国目前 面对的水资源严重短缺的情况相矛盾，因此有必要重新研究已建水库的汛限水位 的风险，结合近几年的实际水情对其进行优化，以达到在保证水库防洪安全的前 提下，最大限度的增加蓄水量，从而增加水库的供水、发电效益，并更好的满足 水库排沙及通航水深等其它方面的要求i s - s 。， 在汛期，分期控制水库汛限水位，为了防止两种现象的发生：“为保证下游 防洪安全而无限要求减少下泄流量导致汛限水位降低”和“为增加兴利蓄水而无 限抬高汛限水位”，为此有必要为水库研究一套符合实际水情的汛限水位控制方 案，以防止以上两种现象的发生【9 1 。 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 2 风险分析的必要性 对风险的理解，主要有以下几种解释： 1 ) 风险是不能按计划完成预期目标的可能性 2 ) 风险是发生非预期目标的可能性 3 ) 风险是非预期目标偏离预期目标的程度 根据以往的定义，本文认为水库风险是指水库在运行调度过程中，坝体自身 失稳或不能完成预期发电、供水目标，或增加上下游不必要防洪损失的概率。 水库实时调度过程中存在众多的风险因素，包括洪水发生的随机性、水文预 报误差、由于信息搜集和调令传达所造成的调度时滞等。正是由于众多风险因素 的存在，因此有必要针对汛限水位控制方案进行相应的风险分析，对各种风险因 素进行识别、估计和评价，并在此基础上对单一风险和风险组合进行严格控制， 以保证在不降低水利枢纽防洪标准的情况下，发挥最大的经济和社会效益【1 0 1 。 1 1 3 分期控制汛限水位及风险分析的研究意义 1 1 3 1 分期控制汛限水位的研究意义 汛期限制水位是根据设计洪水过程、水库的泄流能力和下游的防洪标准核算 制定的，其目的是为了可能发生的设计洪水而预留足够的防洪库容。然而， 1 ) 众多水利枢纽的建立，使流域的水文条件发生不同程度的改变； 2 ) 中短期水情预报的精度已经达到可以利用的程度； 3 ) 下游防洪标准和防御对象的重要程度不断发生变化。 因此，作者认为：根据下游防洪标准的提高或降低，根据下游地区防洪对象 重要程度( 人口流动和经济发展) 的变化，根据流域水情的变化( 天然和人为双 重作用) ，为充分发挥水资源效益，为保障流域内人口和财产的安全，应每八至 十年重新核算一次重要水利枢纽的汛期限制水位。 分期动态控制汛期限制水位的研究在国内已经有十几年的历史，不过根据调 查数据显示，大中型水库多数仍然按静态汛限水位进行防洪调度，部分水库采用 分期汛限水位调度方式。分析其原因：一是抬高汛限水位所带来的风险是难以计 算的，一旦发生风险其造成的经济损失和社会危害是难以估量的；二是动态控制 汛限水位从技术或实际操作角度，都存在一定的难度。因此，本文从实际应用的 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 角度出发，从对主汛期进行分期，到分期汛限水位的确定方法，最后给出汛限水 位风险分析模型。必须指出，在采取汛限水位分期控制方案的同时，必须建立相 对应的风险评价系统，此风险评价系统不仅要考虑不同频率洪水，且要考虑下游 防洪标准和防洪对象重要程度的变化，实时调整每一年的汛限水位分期控制方案 【1 1 】 0 1 1 3 2 风险分析的研究意义 进入2 0 世纪，我国的水电资源开发利用进入快速发展的黄金时期，水电能源 建设已成为我国现代化建设和国家可持续发展的重要内容之一【1 2 】。因此，需要将 风险分析引入到水电工程建设和管理之中，保证工程长久发挥效益。 水库调度风险不仅包括防洪过程中所造成的损失，还包括不能完成预期发电 和供水任务等风险。在汛期，为了防御设计级别的洪水而预留足够库容，在大多 数年份，汛末都难以达到正常高水位，水库库容不能得到充分利用，加大不能完 成发电和供水任务的风险。因此，有必要从统计的角度对洪灾风险和效益进行分 析，由决策者根据分析结果进行权衡。 风险分析的研究意义主要有： 1 ) 考虑多种不确定风险因素，并将其进行组合，计算不同频率洪水的风险； 2 ) 在防洪决策过程中，给决策者以定量风险的概念： 3 ) 风险分析的目标是最大的综合效益，有利于社会整体环境的发展； 4 ) 建立风险分析体系，有助于根据流域情况的变化，对汛限水位进行分期 控制。 1 2 分期控制汛限水位及其风险分析的研究现状 随着对水资源重视程度的不断加深，和水库优化调度理论的不断深入，国内 外一些专家和学者在汛限水位动态分期控制理论方面已经取得了一定的研究成 果，并将风险和统计等概念引入到其理论研究之中，极大的完善了水库调度理论 体系。j 近年来，风险分析理论越来越广泛的应用到水库调度中，涉及到调度的各个 方面，这对水库优化调度的进一步发展有着重要的意义。其中关于如何对水库汛 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 限水位进行动态分期控制及对其产生的风险和效益进行评价，国内外均取得一定 的成果。 1 2 1 国外研究现状 西方发达国家的水利水电开发一直在世界处于领先地位，早在上世纪其技术 水平和管理模式就已经比较成熟，水电在总能源供应中占有相当大的比重。与我 国相比，西方发达国家由于在人口规模及其分布、水资源供需矛盾、社会价值形 态取向和政法宏观政策等方面的不同，其防洪主要着眼于防洪效益和生态环境效 益。由于其在上世纪中期开发程度比较高，在9 0 年代以后，基本没有再建新的大 型水库工程。在水库优化调度领域中，西方发达国家有了很丰富的经验和成功实 例。如美国加利福尼亚中心流域工程优化调度系统( c v p ) 、田纳西流域机构( t v a ) 的水资源优化调度系统( h y d r o s i m ) 、加拿大s i m o n o v i c 等开发的水库调度分析 专家决策支持系引13 1 。 ， 国外将风险分析运用到水利工程的建设与管理的历史要早于我国很多，而且 体系比较完整，应用到实际的经验也比较丰富。其中，关于风险分析的概念包括： 1 ) 风险人口分析( p o p u l a t i o na tr i s k ) 所谓风险人口是指溃坝洪水淹没范围直接受到洪水影响的人口数。由于溃坝 洪水的极大破坏性和突发性，承担风险的人口的生命财产、住房等均可能受到极 大威胁。生命损失是溃坝产生的社会影响的最重要的一个参数。承担风险的人口 越多，生命损失也将越大。 2 ) 溃坝影响评价( f a i l u r ei m p a c ta s s e s s m e n t ) 溃坝影响评价( f 认) 是指由于大坝溃决对下游淹没区所产生影响的评价。 溃坝后果评价用于确定风险人员，通过现场检查、进行大坝溃决分析、确定溃决 情况、溃坝影响范围和不同情况下的风险人员。根据风险人员的数目，评价大坝 的安全程度。 3 ) 风险准则( r i s kc r i t e r i a ) “风险准则”是指在风险评价过程中用于确定计算风险分析结果是否可以接 受的一种准则。任何一个结构物总是有风险的，投入的增加可以减少风险，但有 投入和效益的平衡问题，也就是说必须面对和接受某种风险。 4 ) 风险分析和风险评价( r i s ka n a l y s i s & r i s ka s s e s s m e m ) 5 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 所谓风险是对生命、健康、财产和环境负面影响的可能性和严重性的量度， 是溃坝可能性和产生后果的乘积。“风险分析”是指描述确定大坝引起风险的方 法，这种分析可以是定性的或定量的。“风险评价”是指应用风险分析的结果来进 行决策的过程，以决定已存在的风险是否可以容忍，风险控制措施是否合适，如 何通过工程或非工程措施减少风险。 5 1 定量和定性分析 风险定量和定性分析通常是通过事件树或故障树的方法分析大坝风险。往往 列出水库大坝所存在的各种隐患，对隐患发生的可能性进行概率分析或专家判 断，再结合溃坝后果评价成果，计算和分析大坝破坏风险的大小。 6 ) 群坝风险分析 群坝风险分析是在每座坝风险分析的基础上，把某一管辖范围内大坝的风险 分析情况进行评价，确定资金流向和加固排序，提出经济高效的降低风险的策略。 7 ) 风险管理， 大坝风险管理实际上是大坝安全管理的延续和加强，包括一系列的决策和实 施过程f 川。 1 9 7 6 年，c o l o m i l 等将可靠性方法引入水资源系统的运行管理中，所建立的 水库运行管理模型不预先给定可靠性水平，而是将可靠性水平作为附加决策变量 来处理，并将该变量的效用函数加入风险损失函数中【1 5 】。 1 9 9 2 年，s i m o n o v i c 探讨了水文预报可靠性与水库运行惩罚函数之间两目标 权衡问题，并引入可靠性、回弹性和脆弱性作为确定两目标权重的风险准则1 6 】。 1 9 9 4 年j i 等利用大系统递阶分析基本原理，建立了水库系统管理多目标可 靠性规划数学模型，以求解包括防洪、发电和灌溉等在内的多目标决策问题，同 时提出了多目标决策的均变率法，得到了最优的均衡解。 ； 一 1 2 2 国内研究现状 上世纪中后期尤其是9 0 年代，中国的水利水电事业开始蓬勃的发展，很多专 家学者在水库的优化调度、运行管理及风险方面取得了丰硕的研究成果。 2 0 世纪6 0 年代以来，以线性规划、动态规划和非线性规划为代表的数学规划 技术从理论上解决了综合利用水库的优化调度问题，但由于不确定性因素( 如入 库流量的不确定性、调度模型的不确定性等) 的影响和算法的复杂性，数学规划 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 技术在实际调度中的应用仍需进一步探讨【1 7 j 9 】。 在文献【6 】中，冯平教授在分析水库调整汛限水位所涉及影响因素的基础上， 构建了调整汛限水位的综合评价指标体系，给出了各风险指标及效益指标的估算 方法。并以东武仕水库为例，计算了水库调整汛限水位所带来的风险和效益，通 过考虑各指标定量单位的不统一性，提出采用模糊综合评价法来合理选择水库的 汛限水位。 在文献1 2 0 中，郭生练在对水库汛限水位动态控制管理运用中关键问题进行 研究分析的基础上，提出在不降低水库原防洪标准的前提下，考虑短时气象降雨 和洪水实时预报信息的汛限水位动态控制方法。 在文献e 2 1 中，丁大发以实例为背景，系统分析了水库运行过程中常遇的洪 水风险事件、大坝安全风险事件及水库防洪调度的主要风险因素，提出了水库防 洪调度多因素组合风险估计的蒙特卡罗模拟方法。 在文献 2 2 中，刘晓琴结合陆浑水库实际情况，在分析影响水库防洪调度主 要不确定性因素的基础上，讨论了风险分析的计算方法，采用蒙特卡罗模拟技术 给出水库防洪调度风险分析的实施程序。采用陆浑水库分期运用方案，对不同频 率入库洪水在不同的汛限水位下造成的洪灾风险率进行了估计。 1 3 分期控制汛限水位及其风险分析中存在的问题 在过去的十几年中，汛期限制水位的动态分期控制理论及其风险分析，在国 内外都取得了不少研究成果，而且越来越多的水库采用分期汛限水位，并取得了 很好的综合效益。但由于水库调度系统涉及面广，影响因素复杂且随机性强，无 论理论研究还是实践经验，都存在很多不足。本文认为汛限水位分期控制理论及 其风险分析尚存在以下值得完善的方面： 1 ) 未充分考虑下游安全泄量、防洪标准及其变化 以往的研究中，大多将坝前最高水位作为控制标准，只给出调洪过程中最大 的下泄流量。在保证坝自身安全的情况下，要尽可能保证下游的防洪安全。 随着下游防洪对象经济发展、人口流动等社会因素的变化，其防洪重要程度 也需要及时进行调整。此外下游河道的堤防质量和防洪能力也是随时问而变化 的，以上两方面导致下游安全泄量的不确定性，因此需要水库调度决策者在防洪 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 调度之前予以考虑【2 3 】。 2 ) 未充分考虑中小洪水的防洪调度方式及风险 选择汛期限制水位，首先需要对设计和校核洪水进行调洪演算，通过控制最 高水位和最大下泄流量，保证大坝的防洪标准没有降低。而往往忽视中小洪水的 调度风险。中小洪水不会危及大坝自身安全：但对应不同量级的洪水，水库需要 控制不同的安全泄量，以保证下游的防洪安全，尽量减少下游和蓄滞洪区的淹没 损失。因此小量级洪水的调度风险分析更需要给予足够的重视【2 4 1 。 3 ) 设计洪水过程的离散化方法研究不够完善 无论量级还是过程曲线，汛期洪水都存在很大的随机性，以单一的设计洪水 对汛限水位进行校核，可信度比较低。随着计算机的广泛应用，很多学者通过建 立数值模型计算汛限水位，多数情况下均在保证量级不变的情况下，对原设计洪 水过程进行离散，并对流量进行随机调整。而对离散的方法尚欠缺深入的研究， 离散后的洪水过程是否仍遵循实际水情且具有足够的代表性，值得进一步探究和 论证。 4 ) 超出安全泄量的情况下，难以准确计算下游的淹没损失 计算淹没损失首先需要详细的水文资料，计算不同下泄流量的淹没程度，其 次需要搜集下游地区经济发展、人口数量及分布、工业发展程度等详细资料，以 上材料具有很强的实时性且搜集困难【2 5 】。随着时间的推移，这些材料就失去其真 实性和代表性，因此在一次调洪过程中，难以计算下游的淹没损失。、 1 4 本文的主要研究内容 本文在总结以往汛限水位动态分期控制和风险分析理论的基础上，结合万 家寨防洪调度风险分析项目，以万家寨水库为背景，进行水库汛限水位分期控 制及风险分析理论的探讨和实际应用研究。本文的具体研究内容有以下几方面： 第一章：首先分析我国水资源现状，指出我国水资源严重不足的严峻形势， 并论证了洪水资源化的必要性和可行性。在阐述国内外汛限水位动态分期控制和 ： 风险分析的研究现状及其中存在不足的基础上，提出针对汛限水位分期控制存在 的问题及其产生的风险变化进行深入研究的必要性。 1 _ 第二章：介绍风险和效益分析的基本概念和水库汛期分期的几种方法，并结 8 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 合水利工程的特殊性，对水库汛期调度风险和效益进行识别。建立汛限水位风险 分析模型，并给出程序编写流程图及具体的风险分析方案。 第三章：介绍蒙特卡罗( m e n t o - - - c a r l o ) 随机模拟理论，及洪水调度过程中 风险因素的模拟方法，结合m c 法简述程序设计的思路及优点。 第四章：介绍万家寨水库的基本情况，在对水库汛期进行分期的基础上，利 用蒙特卡罗法建立万家寨分期汛限水位风险分析模型，并计算不同频率洪水的坝 身风险和下游防洪风险，及抬高到不同水位下的效益，最后根据风险效益评价原 则进行评估。 第五章：结合万家寨分期汛限水位风险分析模型，分别计算预报误差和调度 时滞对调度风险的敏感性，并给出万家寨水库的预报误差和调度时滞敏感性评 价。 第六章：总结与展望。总结本文的主要研究内容及取得的成果，并指出有待 进一步研究的问题及其研究的前景。 9 天津大学硕士学位论文第二章水库汛限水位风险分析模型 第二章水库汛限水位风险分析模型 我们所面临的水形势，使我们不得不严肃而认真的审视我们对水资源的利 用。基于汛期限制水位进行的水库优化调度本质上是围绕的风险与效益这个矛盾 体进行的，在不同的领域，风险和效益的具体定义相差甚远，而其影响因素又是 各不相同。本章在明确以上概念的基础上，对风险源进行识别，进而建立汛限水 位风险分析模型。在前人理论研究的基础上，进一步探讨如何在下游河道防洪标 准和沿河防御对象重要程度不断变化的情况下，调整水库的运行方式和汛期限制 水位。 2 1 风险的概念 2 1 1 广义风险的概念 通俗地说，风险是可能发生的损失和失败。严谨地说，风险是完成某项工作 的特定主体将要发生不利情况的可能性。对风险认识的角度不同，产生了不同的 风险学说。贝叶斯框架下的风险定义为由一个精确定义的失事事件所引起的期望 损失。随机水文学的观点是一个失事事件发生的概率等。目前针对风险主要有以 下几种定义： ( 1 ) 风险是产生损失的可能性：该定义探讨了风险与损失的内在联系，强调 风险是损失发生的可能性，表明风险的存在，但没有说明损失发生可能性的大小 及损失程度。 ( 2 ) 风险为失事的概率或系统处于非良好状态的概率，进一步讲就是系统在 规定的时间和规定的条件下不能完成特定功能的概率。 ( 3 ) 风险为产生不利结果剧烈程度及发生的概率，该定义包含损失的程度和 相应发生的概率，它将风险表示为事件发生的概率和损失的函数。 ( 4 ) 风险为事件发生的后果与预期后果相背离的程度及其概率，该定义没有 说明背离的性质或方向，这种背离可能带来风险损失，也可能带来效益。 1 0 天津大学硕士学位论文第二章水库汛限水位风险分析模型 综上所述，广义风险包含两方面的含义：其一是风险事件出现的概率，用风 险率表示。其二是风险事件带来的损失，用风险事件函数表示【2 1 。 2 1 2 水库汛期防洪调度风险定义 对水库调度系统而言，风险是指水库在调度、运行期间不利于水库自身、下 游防洪安全及兴利任务的事件发生的可能性或概率。各种风险有不同的控制指 标，如：坝身安全的控制指标为校核洪水位、下游防洪安全的控制指标为不同频 率洪水对应的下游安全泄量、兴利任务的控制指标为水库非汛期兴利水位等。 由于我国在防洪调度风险领域的研究时间尚短，因此在防洪风险计算方法方 面没有统一的标准。文献 2 6 】提出了基于调洪最高水位来确定风险率的方法，该 风险率确定方法首先在所选控制水位下，对不同频率洪水进行调洪演算，某一频 率洪水调洪最高水位正好等于水库的校核水位，该频率即是所选控制水位水库安 全的风险率。在文献 2 6 】的基础上，文献 2 7 1 给出汛限水位分期控制极限风险率 的概念和计算方法。文献 6 在分析水库调整汛限水位所涉及影响因素的基础上， 构建了调整汛限水位的综合评价指标体系，给出了各风险指标及效益指标的估算 方法。文献 2 8 】给出了汛期模糊集分期确定防洪限制水位的方法。 在总结前人成果的基础上，作者认为：确保水库自身安全是水库防洪调度的 基本前提，在日常调度过程中，坝身安全受到威胁的可能性很小，因此关注点应 转向水库超出下游防洪标准进行泄洪的风险，且在考虑设计洪水典型选择、洪水 预报误差和水库调度时滞等不确定因素的情况下对此风险进行动态评估。 2 2 水库汛期防洪调度风险效益识别 2 2 1 风险源识别 根据历史资料所选取的设计洪水，对于水库控制流域的水文条件具有一定的 代表性，然而洪水过程和量级均存在随机性和两极的不确定性，这无疑将增加水 库防洪兴利调度的复杂性，并成为水库调度方案设计的主要风险源。设计洪水的 单一性和历史局限性，可以通过将不同频率的设计洪水进行同频率或同倍比放 大，增加设计洪水过程的数量来解决，如有必要可将设计洪水过程进行离散和重 天津大学硕士学位论文第二章水库汛限水位风险分析模型 组，生成同一量级的设计洪水。 调度过程中存在大量的数据搜集、汇总和传输的过程，由于技术水平和人为 原因的存在，必然会对数据的真实性造成影响。最终数据对真实数据的偏离，由 流量预报误差加以模拟。 决策者调度经验的局限性以及实时调度过程中上报、决策、下达调令所耗时 间，往往会使库水位发生不必要的抬高，从而增加水库调度的风险，在模型中将 通过随机时滞加以模拟。 2 。2 2 风险识别 在实时防洪调度中，由于不同的起调水位、洪水预报误差、调度时滞导致的 潜在风险主要包括： ( 1 ) 水库本身防洪风险。当选择较高的起调水位时，可能导致防洪调度过程 中最高水位偏高，对水库本身防洪安全不利，甚至可能影响水库大坝的安全，其 控制标准一般为水库校核水位。其中包括：威胁坝身安全风险、溃坝风险。 ( 2 ) 水库上游淹没风险。在汛期选择较高的运行水位，由于顾及下游防洪风 险，而控制下泄流量，必然增加小量级洪水超出库区移民水位和征地水位的风险。 ( 3 ) 水库下游防洪风险。选择较高的起调水位，当遇到较大洪水就必须加大 下泄流量，下游防护点的组合流量超过安全泄量的风险就增大，对下游防洪安全 不利。其中包括：水库应急加泄风险、动用蓄滞洪区风险。 ( 4 ) 水库泥沙淤积风险。抬高汛期限制水位，降低汛期低水位冲沙的可能性， 增加库区泥沙淤积的风险。 ( 5 ) 降低水库兴利效益风险。目前多数水库均具备水文预报系统，当预报 将来会发生洪水的情况下，水库会提前泄水，尽量为预报洪水留出足够的库容。 由于水文预报水平的限制，一旦发生虚报，不仅大大浪费资源，而且导致水库存 在汛末不能蓄到正常水位的风险，影响其发电、灌溉、供水任务1 2 9 1 。 2 2 3 效益识别 抬高汛期限制水位，给水库带来风险的同时，也使得水库具有进一步挖掘效 二 益潜力的可能。主要包括以下效益： ： ( 1 ) 发电效益。抬高汛期限制水位，在汛期可使水库保持相对较高的运行 1 2 天津大学硕士学位论文第二章水库汛限水位风险分析模型 水位，同样水量能发出更多的电量，而且为汛后抬高到正常水位运行做好准备。 ( 2 ) 供水和灌溉效益。北方多数水库都存在汛后无水可蓄的情况，使汛后 和次年的供水和灌溉任务难以完成，而提高汛期水位后，可以在汛期加蓄部分水 量，保证水库供水和灌溉任务。 ( 3 ) 生态效益。近些年很多河道出现断流的情况，而水库若在汛期增蓄一 定水量，增加水库下游河道的枯期径流，对保障河道生态用水、缓解下游河道断 流发挥一定的作用【3 0 , 3 1 。 2 3 汛限水位风险分析模型的优点 有关汛期限制水位及其风险分析的研究，已经有几十年的历史。我国传统的 汛期限制水位选取的步骤如下所示：根据现行的水库设计规范规定，先选定水库 大坝枢纽的设计标准和校核标准、水库上游的淹没标准、水库下游的安全度汛标 准及上下游防洪标准、允许最大安全泄流量、回水允许淹没高程等指标。对于水 库有实测径流与暴雨资料时，采用年最大法取样组成样本系列，必要时应用相关 分析、洪水调查考证、古洪水分析等方法延长资料系列；再应用频率分析法推求 不同设计频率( 标准) 的设计洪峰、洪量及洪水过程，或先求设计暴雨，然后应用 产汇流模型推求设计洪水过程；对于无资料的地区可应用区域水文手册推求概化 洪水过程。然后根据坝址地形给出泄流建筑物尺寸；依据泄流建筑物类型、形状 与尺寸按照水力学公式或模型实验推求水位泄流关系；使用库区地形图推求水位 库容关系：再假定一个“水库泄流方式及其规则”方案和一个“汛期限制水位”方 案，对应某一假定方案，调洪计算水库及其上下游防洪标准洪水过程，求得水库 校核、设计、下游防洪、上游淹没高程等设计特征水位。最后再根据水工建筑物 的工程量，坝址地形、上游允许淹没高程、下游河道安全泄流量，从政治、经济、 安全、环境等角度综合分析，选择一个汛期限制水位、水库泄流方式及其规则和 泄流建筑物尺寸【2 7 1 。 简化上述方法即为：首先选取设计洪水位以下的某一起调水位，根据调度原 则对设计洪水进行调洪演算，记录其最高水位，如此进行试算，直至最高水位等 于设计洪水位时，该最高水位所对应的起调水位即为汛期限制水位。 随着高新技术不断发展，在水库调度领域出现很多新的理论和方法。近几年， 1 3 天津大学硕士学位论文第二章水库汛限水位风险分析模型 多数学者均利用计算机建立水库调度风险分析模型，对不同调度方式进行模拟， 根据模型计算结果对水库的现行调度原则进行调整和评估【3 2 】。汛限水位风险分析 模型有以下几个优点： ( 1 ) 对洪水过程进行放大或离散重组，避免设计洪水过程单一 自然界的一大特点就是随机性，根据历史资料推求的设计洪水对该流域洪水 过程具有一定的代表性。而实际发生的洪水过程必然与设计洪水过程存在差别， 因此需要选取多条设计洪水过程进行调洪演算，使水库的调度原则经受不同洪水 过程的检验。 ( 2 ) 考虑洪水预报误差对防洪调度的影响 在实际防洪调度过程中，洪水预报误差是必然存在的。其主要来自于以下几 个方面： 1 ) 资料误差：包括资料的测验误差、水位流量关系转换误差、降雨资料空间 代表性的误差以及各种流域水文特性资料代表性的误差； 2 ) 水文模型概化引起的误差； 3 ) 模型参数率定引起的误差； 4 ) 人类活动和水利工程影响引起的误差； ， 5 ) 实时洪水预报中，未来预见期内的降雨不确定性引起的误差。 洪水预报误差使实际洪水过程在设计洪水过程的基础上发生不可预期的波 动，因此会增加防洪调度的风险【3 3 】。 c 3 ) 考虑下游安全泄量的变化对防洪调度的影响 水库调度原则规定，对上游不同量级洪水，下游有相应的最大下泄流量限制。 而下游防洪重要程度、堤防防洪能力都是随时间而变化的，因此需要结合下游安 全泄量的变化对调度原则进行动态控制。针对下游安全泄量，存在以下两种风险： 1 ) 对某一频率洪水，由于受下游安全泄量限制，而使水库自身安全受到威 胁的风险： 2 ) 由于受下游安全泄量限制，水库在自身安全出现危险的情况下，超出安 全泄量进行泄水的风险。 i ( 4 ) 考虑信息传输和人为因素对防洪调度时间的影响 在水库防洪调度过程中，决策者根据预报结果制定调度方案、会商、上报决 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章水库汛限水位风险分析模型 策和实际操作的过程，必然会对实施调度方案造成时间延误。在汛限水位风险分 析模型中，采用水库调度时滞来综合反映该时间延误。 ( 5 ) 考虑不同频率洪水的防洪调度风险 设计洪水和校核洪水的发生概率很小，而小量级洪水过程( 如百年、五十年、 二十年一遇洪水) 对于防洪调度更具有现实性。，因此，有必要对中小洪水过程的 防洪调度风险进行系统分析。 2 4 水库汛期分期方法 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，因此研究 汛期分期问题具有很重要的实际意义。 2 4 1 成因分析法 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 述指标在年内和年际的变化规律，即集中程度、季节变化、各时段出现的规律， 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 4 2 数理统计法 统计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 4 1 。 j 2 4 3 模