（水文学及水资源专业论文）水库防洪预报调度及灾情评价理论研究与应用.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 我国不仅洪水灾害频繁、洪灾损失严重，而且干旱缺水问题突出。为实现防汛抗旱 并举，开发利用洪水资源，减害增利，更好地促进人与自然和谐共存，近年来水利部门 联合各高校和科研院所开展了一系列的洪水资源化课题探索性研究，其中水库汛限水位 动态控制方法研究即是这些研究课题之一。本文以1 2 个试点水库中典型代表水库群项目 的莅窝水库作为工程背景，研究库群中水库的防洪预报调度方式及相应的风险、实时预 报调度汛限水位控制方案优选、灾情综合评价。主要研究内容和研究成果如下： ( 1 ) 根据莅窝水库所处的太子河流域水文、气象预报水平分析禳窝水库是否具备实 施防洪预报调度方式的基本条件。在分析得出对莅窝水库调度起控制作用指标为洪量后， 分析了观莅区间及汤河水库的产流预报精度，得出观莅区间和汤河水库产流预报信息在 莅窝水库调度中可利用的结论；通过对莅窝水库短期气象预报资料分析，得出菠窝水库 无雨和小雨预报信息可利用于水库调度的结论。这两个结论为莅窝水库防洪预报调度方 式和风险研究以及汛限水位动态控制研究提供基础资料和依据。 ( 2 ) 针对獯窝水库所处库群的特点，在分析镬窝水库防洪预报调度方式研究需要考 虑的区间和洪水组成后，研究了一种适用于库群水库的根据洪水组成信息进行分类调度 的防洪预报调度规则。规则中为保证水库下游防洪安全，考虑逐级控制泄量并为预报指 标增加一定的安全余地；同时为保证水库及上游防洪安全，增加水库实际入流和水位作 为辅助判别指标。在观音阁水库和汤河水库按常规调度方式下，莅窝水库实施防洪预报 调度方式，可将汛限水位由8 6 2 0 m 提高到8 8 9 0 m ，在提高水库兴利效益的同时，将水 库下游防洪标准由2 0 0 年一遇提高到3 0 0 年一遇。分析计算了观音阁水库和莅窝水库补 偿调节时，莅窝水库汛限水位最大能抬高到9 2 1 0 m ( 3 ) 研究分析了水库实施防洪预报调度方式相对于常规调度方式对水库及其上、下 游的防洪风险。根据王本德教授对汛限水位风险率、大坝安全最大风险率和期望误差风 险率的定义，分析计算了预报调度方式下莅窝水库的汛限水位风险、大坝安全最大风险 率和期望误差风险率；根据产流预报误差和流域设计洪水总量的分布规律，以二者的联 合概率分布计算了产流预报误差对水库下游的风险；由于洪水过程和预报误差的组合关 系复杂，着重采用随机模拟方法系统地计算分析了防洪预报调度方式相对于常规调度方 式的风险，给出一种处理产流预报误差的方法，并针对莅窝水库缺少多个典型洪水的情 况，提出一种以多种洪水组成代替多个历史典型洪水的方法。 水库防洪预报调度及灾情评价理论研究与应用 ( 4 ) 研究了水库汛期允许的汛限水位动态控制域并建立了一个水库实时调度汛限水 位动态控制优选模型。根据预泄能力约束法，留有余地的确定出莅窝水库汛期汛限水位 允许动态控制的上限，形成一个以防洪预报调度方式确定的汛限水位为下限，以预泄能 力约束法确定的汛限水位为上限的动态控制域。以典型洪水为例，建立了一个实时调度 中根据实时信息、预报信息和决策者对效益风险偏好的汛限水位控制方案优选模型。 ( 5 ) 建立了一个基于投影寻踪技术的洪水灾情综合评价模型。投影寻踪是一种直接 由样本数据驱动的探索性数据分析方法，具有逼近一般非线性映射和分类的能力，建立 了基于投影寻踪的洪水灾情综合评价模型，并将决策者对某个( 些) 指标的偏好干预加 入到模型中，使模型能在考虑决策者偏好的情况下寻求客观权重。着重对模型的目标函 数优化问题进行了研究，本文模型目标函数为多峰函数且包含多个约束，传统优化方法 和常规遗传算法都难以寻求其全局最优解，通过建立一种基于传统优化方法和常规遗传 算法的混合遗传算法，有效地解决了本文模型的优化问题，并为多约束、多峰函数优化 问题提供了一种有效算法。 最后对全文作了总结，并对有待于进一步研究的问题进行了展望。 关键词：水库群；汛限水位：防洪预报调度方式；风险调度；随机模拟；洪水灾情综合 评价；投影寻踪 大连理工大学博士学位论文 a b s t r a c t n o to n l yd os e v e r ef l o o dd i s a s t e r sk i p p e nf r e q u e n t l y , b u ta l s ot h e r ea r ea l a r m i n gd r o u g h t p r o b l e m si no u rc o u n t r y i no r d e r t oc o n t r o lf l o o da n dr e l i e v ed r o u g h ts i m u l t a n e o u s l y , t om f l k e g o o du s eo ft h er e s o u w ) e so faf l o o d , a n dt op r o m o t et h eh a r m o n i o u sc o e x i s t e n c eb e t w e e n h u m a na n dn a t u r e ，o u rd e p a r t m e n to fw a t e rc o n s e r v a n c yh a sr e c e n t l yc a r r i e do u tas e r i e so f e x p l o r i n gr e s e a r c ho nt h es u b j e c to fu d l i z i n gf l o o dr e s o l l r e 鼯t o g e t h e rw i t hs o m eu n i v e r s i t i e s a n d i n s t i t u t e s , o f w h i c h t h e r e i s o d ec a l l e d d y n a m w c o n t r o l o f l i m i t e d w a t e r l e v e l o f a r e s e r v o i r 础sp a p e rc h o o s e ss h e n w or e s e r v o i r , at y p i c a lr e p r e s e n t a t i v eo fr e s e r v o i rg r o u pp r o j e c i , a sa p r o j e c tb a c k g r o u n d , t os t u d yt h em e t h o do ff l o o dr 脚e n f i o nf o r e c a s to p e r a t i o na n dt h e c o r r e s p o n d i n gr i s k so f ar e s e r v o i ri nag r o u p ，t h eo p t i m a lc h o i c eo f l i m i t e dw a t e rl e v e lp l a n si n r e a l - t i m eo p e r a t i o n , a n dt h ei n t e g r a t e de v a l u a t i o no fad i s a s t e r n l em a i nc o n t e n t sa n d a c h i e v e m e n t sa r eb e l o w ： ( 1 ) h a v i n ga n a l y z e dw h e t h e rs h e n w or e s e r v o i rh a st h eb a s i cc o n d i t i o n st oa c t u a l i z ef l o o d p r e v e n t i o n f o r e c a s t o p e r a t i o nm e t h o do rn o t , t h r o u g ha n a l y z i n gt h eh y d r o l o g i c a l a n d m e t e o r o l o g i c a lf o r e c a s td e c i s i o no ft a i z i h eb a s i n , w h e r es h e n w or e s e r v o i ri sl o c a t e d t h e c o n c l u s i o nt h a te o n t r o li n d e xt os h e n w or e s e r v o i ro p e r a t i o ni sf l o o dv o l u m ei sd r a w nt h r o u g h a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n a f t e ra r l a l y z m gt h ep r e c i s i o no f r u n o f f f o r e c a s ti ng u a u s h e na r e aa n d t a n g h er e s e r v o i r , w ed r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ei n f o r m a t i o no f r u n o f f f o r e c a s ti ng u a n s h e n a r e aa n dt a n g h er e s e r v o i rc a l lb eu t i l i z e di ns h e n w or e s e r v o i ro p e r a t i o n i na d d i t i o n , t h r o u g h t h ea n a l y s i so fs h o r t - t e r mm e t e o r o l o g i c a lf o r e c a s td a t ao fs h e n w or e s e r v o i r , w ek n o wt h a tt h e f o r e c a s ti l l ：f b n n a 廿o no ff l u r r yo rn or a i nc a nb eu s e di ns h e n w or e s e r v o i ro p e r a t i o n t h e s et w o c o n c l u s i o n sp r o v i d ef u n d a m e n t a lm a t e r i a l sa n db a s i sf o r t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ( 2 ) a f t e ra n a l y z i n gt h ea r e a sa n df l o o dc o m p o s i t i o nw h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e dt os t u d y f l o o dp r e v e n t i o nf o r e c a s to p e r a t i o nr u l eo f s h e n w or e s e r v o i r , ak i n do ff o r e c a s to p e r a t i o nr u l e w h i c hc a no p e r a t er e s e r v o i ri na g r o u pa c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o no ff l o o dc o m p o s i t i o n i n o r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t yo fs h e n w or e s e r v o i ra n di t sd o w n s a e a m , t h er u l eh a sc o n s i d e r e d c o n t r o l l i n gt h ed i s c h a r g eb yd e g r e e s ，a n da d d i n gc e r t a i ns a f el e e w a yt ot h ef o r e c a s ti n d i c e s ；a t t h es a m et i m e t om a k es u r et h es a f e t yo ft h eu p s t r e a m , t h er u l et a k e st h ea c t u a li n f l o wa n d w a t e rl e v e lo fs h e n w or e s e r v o i ra st h ea u x i l i a r yi n d i c e s t h r o u g hr e g u l a t i n gt h er e s e r v o i rg r o u p i n t e g r a l l yw i t ho u a n y i n g er e s e r v o i ra n dt a n g h er e s e r v o i ra c t u a l i z i n gt h ec o n v e n t i o n a lo p e r a t i o n m e t h o da n ds h e n w or e s e r v o i ra c t u a l i z i n gf l o o dp r e v e n t i o nf o r e c a s to p e r a t i o nm e t h o d , t h e l i m i t e dw a t e rl e v e lo fs h e n w or e s e r v o i rc a nb er a i s e df r o m8 6 2 0m e t e rt o8 8 9 0m e t e r a l t e r s h e n w or e s e r v o i ra c t u a l i z i n gf l o o dp r e v e n t i o nf o r e c a s to p e r a t i o nn l d 吼n o to n l yc a nt h e 水库防洪预报调度及灾情评价理论研究与应用 w a t e rs u p p l yp r o f i t sb er a i s e d ，b u ta l s ot h ef l o o dp r e v e n t i o ns t a n d a r do f d o w n s t r e a m c i t yc a nb e r a i s e df r o mar e c u l t e n c eo f 2 0 0 y e a r st o3 0 0y e a r s t h el i m i t e dw a t e rl e v e lo f s h e n w or e s e r v o i r c a l lb er a i s e dt o9 2 1 0m e t e rm a x i m a l l yw h e nc o n s i d e r i n gt h ec o m p e n s a t o r ys t o r a g eo ft h e u p r i v e rg u a n y i n g e r e s e r v o i ra n dr e g t a a t i n gt h et w or e s e r v o i r si n t e g r a l l y + ( 3 ) t h er i s k so fr e s e r v o i rs e l fa n di t su p s t r e a m & d o w n s t r e a ma r es t u d i e dw h e nr e s e r v o i r a c t u a l i z i n gf l o o dp r e v e n t i o nf o r e c a s to p e r a t i o nm e t h o d t h er i s k so fl i m i t e dw a t e rl e v e l ，d a m s a f a ya n da n t i c i p a n te r r o r sa r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no f l i m i t e dw a t e rl e v e la n d d a ms a f e t yw h i c hi sb r o u g h tf o r w a r db yp r o f e s s o rw a n gb e n d e t h er i s k so fd o w n s t r e a m c a u s e db yr u n o f ff o r e c a s te l l o r sa r ec a l e n l a t e da c c o r d i n gt ot h ea s s o c i a t e dp r o b a b i l i t y d i s l r i b u l i o no fr u n o f ff o r e c a s te r r o r sa n dd e s i g nf l o o dv o l u m e c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo f c o m b i n a t i o no ff l o o dc o m p o s i t i o na n dr u n o f ff o r e c a s te r r o r s ，s t o c h a s t i cs i m u l a t i o nm e t h o di s u s e dt oa n a l y z et h er i s k so f f l o o dp r e v e n t i o nf o r e c a s to p e r a t i o nm e t h o dr e l a t i v et oc o n v e n t i o n a l o p e r a t i o nm e t h o d am e t h o dt 0d e a lw i t hr u n o f ff o r e c a s te r r o r si sp u tf o r w a r d t or e s o l v et h e p r o b l e m o f l a c ko f e n o u g ht y p i a df l o o dd a m , am e t h o dw h i c ht a k e st h ep l a c eo f s e v e r a lh i s t o r i c t y p i c a lf l o o d sw i t hv a r i o u sf l o o dc o m p o s i t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d ( 4 ) h a v i n gs t u d i e dt h ep e r m i s s i v ec o n t r o lr a n g eo fl i m i t e dw a t e rl e v e lo far e s e r v o i ra n d b u i l tu ps tm o d e lo fo p t i m a lc h o i c eo fl i m i t e dw a t e rl e v e lc o n t m lp l a n s t h eu p p e rl i m i to f p e r m i s s i v ec o n t r o lr a n g eo fl i m i t e dw a t e rl e v e li sa s c e r t a i n e da c c o r d i n gt ot h er e s t r i c t i o no f p r e - d i s c h a r g ee a p a b i l i t y ap e r m i s s i v ec o n l r o lr a n g eo fl i m i t e dw a t e rl e v e lh a sb e e nf o r m e d w i t ht h el i m i t e dw a t e rl e v e la s c e r t a i n e db yf l o o dp r e v e n t i o nf o r e c a s tm e t h o da st h el o w e rl i m i t a n dt h el i m i t e dw a t e rl e v e lc a l c u l a t e db yp r e - d i s c h a r g ec a p a c i t y 嬲t h eu p p e rl i m i t t a k i n gt h e t y p i c a lf l o o df o ra ne x a m p l e , am o d e lo fc h o o s i n go p t i m a lw a t e rl i m i t e dl e v e lp l a nw h i c hc a n c o n s i d e rr e a l - t i m ei n f o r m a t i o n , f o r e c a s t e di n f o r m a t i o na n dt h ed e c i s i o n - m a k e r f a v o rt op r o f i t s a n dr i s k si nr e a l - t i m eo p e r a f i o m ( 5 ) h a v i n gb u i l tu pa 1 1i n t e g r a t e de v a l u a t i o nm o d e lo ff l o o dd i s a s t e rb a s e do np r o j e c t i o n p u r s u i tt e c h n i q u e p r o j e c t i o np u r s u i ti sa n ne x p l o r a t o r yd a t aa n a l y s i sm e t h o d , w h i c hi sd r i v e n d i r e c t l yb yt h es w a t c hd a t a , a n dh a st h ea b i l i t yo fa p p r o a c h i n gg e n e r a ln o n l i n e a rm a p p i n ga n d d a s s i f y i t l g a ni n t e g r a t e de v a l u a t i o nm o d e lo ff l o o dd i s a s t e rb a s e do np r o j e c t i o np u r s u i t t e c h n o l o g yi sb u i l tu p ，w h i c ht a k e st h ed e c i s i o n - m a k e r sp e r s o n a li n t e r f e r e n c ew i t ho n eo rs o m e i n d e x e si n t oc o n s i d e r a t i o n t h em o d e lc a nr e s o l v et h e w e i g h tb yc o n s i d e r i n g t h e p r e c i s i o n - m a k e r sf a v o r t h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo f o b j e c t i v ef u n c t i o no f t h em o d e l i ss t u d i e d e m p h a t i c a l l y s i n c et h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni sm u ! t i - p e a kf u n c t i o na n dc o n t a i ns o m er e s t r i c t i o n s i ti sd i f f i c u l tt og e tt h eo p t h n a ls o l u t i o nb yu s i n gt h et r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o do rr e g u l a r g e n e t i ca l g o r i t h m a ni n t e r m i x e da l g o r i t h mw h i c he m b e d st r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o di n 一一 大连理工大学博士学位论文 t h er e g u l a rg e n e t i ca l g o f i f l m li sb u i l tu p t h ei n t e r m i x e da l g o r i t h mr e s o l v e st h eo p t i m i z a t i o n p r o b l e mo ft h em o d e le f f e c t i v e l ya n dp r o v i d e sa i le f f e c t i v ea l g o r i t h mt or e s o l v et h ep r o b l e m w h i c hi sm u i t i - p e a ka n dc o n t a i n ss e v e r a lr e s t r i c t i o n s i nt h el a s tp a r t , h a v i n gm a d et h es u m m a r yo ft h ew h o l ep a p e ra n db r o u g h tu ps o m e e x p e c t a t i o n sc o n c e r n i n gt h er e s e a r c h e si nt h ep a p e r k e yw o r d s ：r e s e r v o i rg r o u p ；l i m i t e dw a e rl e v e l ；f l o o dp r e v e n t i o nf o r e c a s to p e r a t i o nm e t h o d ； r i s kr e g u l a t i o n ；s t o e h n s t i cs i m u l a t i o n ；i n t e g r a t e de v a l u a t i o no f f l o o dd i s a s t e r ；, p r o j e c t i o np u r s u i t v 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：握正雄 水库防洪预报调度方式及其风险理论研究与应用 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 导师签名 亟五_ 年卑月半日 1 1 8 ， 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 由于降雨时空分布差异较大，使得我国不仅洪水灾害频繁、洪灾损失严重，而且 干旱缺水问题突出。为实现防汛抗旱并举，开发利用洪水资源，减害增利，更好地促 进入与自然和谐共存，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 源化课题探索性研究。洪水资源化就是从我国实际情况出发，按照新时期治水思路和 理念，全过程、全方位、多角度地转变“入海为安”的思想，统筹防洪减灾和兴利， 综合运用系统论、风险管理、信息技术等现代理论、管理方法、科技手段和利用工程 措施，对洪水实施有效管理，对洪水资源进行合理配置，在保障防洪安全的同时，努 力增加水资源的有效供给，维系良好的生态环境。近年来对洪水资源化开展了如下课 题研究【1 j ：充分利用汛期洪水，进行流域水量的配置，即通过上游汛期拦蓄洪水， 集中向下游干旱地区输水，恢复下游生态系统；利用于流汛期洪水，引水到支流， 有效保护支流湿地，维系生态环境；进行跨流域配置洪水资源，解决区域性缺水问 题；提高水库调度水平，合理拦蓄洪水，实现丰水枯用；对于稀遇洪水，主动、 合理运用蓄滞洪区分洪，给洪水以出路，达到减轻干流压力的同时，蓄、滞和利用洪 水的目的。 其中第个课题是为解决流域降雨时间分布不均而展开研究的。我国很多地区， 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 7 0 8 0 心。因此，如果不在汛期抓紧时机蓄水，汛末水库很有可能蓄不到兴利蓄水 位。我国目前绝大部分已建水库采用的仍是不考虑洪水预报的常规调度方式，汛期需 要较大的防洪库容，因此汛限水位过低，同时整个汛期汛限水位静态控制在一个或几 个( 汛限水位分期控制) 水位上，致使常常出现汛期大量泄洪，汛后无水可蓄的现象。 汛限水位过低和“汛限水位静态控制”造成洪水资源大量浪费，科学、合理地抬 高汛限水位和对汛限水位实施动态控制是提高洪水资源利用率、解决水资源时间分布 不均的重要措旌之一，它需要理论的创新、技术的支撑和实践的探索，为此，2 0 0 2 年以来国家防办在全国选择了1 2 座有代表性的水库进行了汛限水位设计与运用研究 试点，并开展了国内外水库设计洪水理论和防洪调度方法分析评价、设计洪水方法分 析研究、水库汛期分期设计洪水研究和水库汛限水位动态控制方法研究等4 个专题的 研究嘲。 基于上述研究背景，本文结合试点水库中典型代表水库群项目的莅窝水库，重点 对上述4 个专题中的第4 个专题“水库汛限水位动态控制方法研究”开展研究，研究 水库防洪预报调度及灾情评价理论研究与应用 水库考虑洪水预报信息的防洪预报调度方式、考虑降雨预报信息的风险调度方法。 洪水资源化是在现有防洪工程措施的基础上，充分利用非工程措施，加强洪水资 源有效利用，降低洪水对人类造成的损失，实现人与洪水和谐共处，而并非也不可能 从根本上消灭洪水和消除洪水灾害，可见，稀遇洪水风险依然存在。洪灾损失不可避 免。而对洪水灾情等级综合评价既是减灾决策的重要依据，同时也对救灾和灾后重建 具有重要的指导意义，为此，本文在以上研究基础上对洪水灾情综合评价模型进行了 研究。 1 1 我国面临的水资源问题 l _ 1 1 我国面临的水资源短缺问题 我国是世界上1 3 个贫水国之一，年均降水量6 3 0 r n m ，低于全球陆地面积的年均 降水量8 0 0 r t m a 【4 l 。我国年均水资源总量为2 8 l 万亿立方米，虽居世界第六位，但按 1 9 9 8 年1 2 4 8 亿人口计算，人均水量为2 2 5 1 立方米，仅为世界人均水平的四分之一， 在联合国可持续发展委员会统计的1 4 9 个国家和地区中，排第1 1 0 位。按国际上的 通行标准，人均拥有水资源2 0 0 0 立方米为严重缺水边缘，人均拥有水资源1 0 0 0 立方 米为起码的要求线【4 】，到2 0 3 0 年，我国人口将达1 6 1 7 亿。以1 6 5 亿人口计算，届 时我国人均水量仅为1 7 0 0 立方米。也就是说，从长期趋势看，我国总体上属于严重 缺水的国家。 目前，我国干旱缺水的地区涉及2 0 多个省市区，其中1 8 个省市区接近或处于严 重缺水边缘，有1 0 个省市区在起码的要求线以下，缺水地区面积约5 0 0 万平方公里， 占我国陆地面积的5 2 ，缺水耕地面积占全国的6 4 ，缺水地区人口占全国的4 5 。 在全国6 0 0 多座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中缺水严重的城市达1 3 0 多个， 全国城市每年缺水6 0 亿n 1 3 ，日缺水量已超过1 6 0 0 万m 3 t , l 。缺水给城市工业产值造 成的损失在1 2 0 0 亿元以上，且呈增长之势。 缺水已成为制约我国社会经济进一步发展和人民生活不断改善的重要因素。 1 1 2 我国洪水资源的大量浪费现象 我国大陆各河流每年流入太平洋水系的总径流量约2 0 万亿i 一，其中汛期洪水总 量占河流总径流量的6 0 以上，7 日洪量在长江的主要支流可达年径流量的1 0 2 0 ，在北方河流有的甚至高达3 0 6 0 【5 】。全国已建水库总库容为0 5 2 万亿矗， 2 大连理工大学博士学位论文 只能控制年总径流量的2 6 ，约是美国径流控制能力的3 0 ，特别是我国北方地区， 洪水控制能力更4 、，同时又是我国旱灾高发地区，人均占有水资源量约占全国的1 ，6 ， 年降雨量的7 0 左右集中在汛期两三个月，洪水峰高量大，大量洪水被迫排泄入海， 洪水过后，随之而来的是干旱。 方面，我国水资源严重匮乏且日趋紧张，另一方面，在来洪水时，为确保河流 和大坝安全，不得不全力以赴地护送洪水下泄入海，使大量没有得到充分利用的宝贵 水资源白自流失。在水资源日趋紧张的今天，人们为之感叹之余，更多的是需要思考a 而从上述数字可以看出，假如我们能够将每年流入大海的洪水利用0 _ 3 ，就能每年 增加6 0 亿m 3 的水资源，从而可以解决我国城市缺水问题，如果能利用其中的1 ， 就能每年增加2 0 0 亿m 3 的水资源，从而能基本缓解我国的用水紧张状况( 我国2 0 0 0 年缺水量为1 8 0 亿m 3 ) 。可见，为解决我国缺水状况，利用洪水资源将具有很大的潜 力。为此，如何在保障防洪安全的同时，提高洪水资源的利用率是我国水利科技工作 者的一项重大研究课题。 1 2 解决我国水资源短缺问题的对策 1 2 1 洪水的双重属性 洪水是自然界的一种异常现象，其成因主要是暴雨或急剧融冰融雪，其表现特征 为河流水位明显上升、流量明显增大、水体总量明显增多 6 】。因而洪水资源不具有长 期可利用的特性，供水保证率低，开发利用洪水资源的难度、风险比常规水资源要大， 甚至会造成灾害，具有水利和水害双重属性 ”。由于洪水的水害属性，使得目前洪水 资源利用率较低；由于洪水的水利属性，使得洪水资源具有很大的利用潜力。在水资 源日趋匮乏的今天，研究在保障防洪安全的前提下，利用现代先进的科学理论和技术 手段，提高洪水资源利用率具有重大理论意义和经济价值。 1 2 2 解决水资源短缺的措施 利用洪水资源的措施包括工程措旌( 新建水库、加高加固大坝等) 和非工程措施 ( 提高水库调度水平等) 两种。众所周知，工程措施需要巨大的资金和人力投入，在 我国目前的经济水平下，完全靠工程措施解决水资源短缺问题是不现实的，而人们在 抗洪斗争的实践中也意识到非工程措旋具有投资少、见效快的特点。因此，我们今后 的防洪调度重点是在充分利用现有的工程措旖条件基础上，综合运用目前的先进设 一3 水库防洪预报调度及灾情评价理论研究与应用 备、科技手段和管理方法，提高调度水平，在保证防洪安全的条件下，努力提高洪水 资源利用率，增加水资源有效供给。水库作为重要防洪工程措施的同时，主要承担着 供水和灌溉等兴利任务，因此，提高洪水资源利用率对水库调度水平提出了更高的要 求。 1 2 3 提高洪水资源利用率的手段 本文评述水库提高洪水资源利用率的手段。对于有防洪和兴利库容的水库，汛限 水位是防洪和兴利的结合点。水库汛限水位是为预防可能出现的洪水，确保太坝及下 游安全，在防汛期间水库允许兴利蓄水的上限水位。我国初期的水库调度基本全部采 用固定汛限水位法，整个汛期内都不允许超汛限水位进行蓄水，时时刻刻预防超标准 洪水。这种方法在实际运行中很快暴露出了它的弊端，由于忽略了汛期洪水时程的分 布规律，使得多数水库，特别是北方水库汛末水位不能及时抬高拦蓄洪水，造成水资 源的浪费。随着水资源供需矛盾的日益紧张以及科学技术的发展，该方法逐渐被分期 汛限水位法取代。分期汛限水位法由于考虑了汛期水文特性的规律，逐渐显示出其思 想的先进性，陆续运用到实践中。 分期汛限水位法仍然属于静态控制法，由于没有考虑洪水和降雨预报信息，没有 充分挖掘水库兴利潜力。特别是对北方水库，主要来水集中在主汛期，汛限水位分期 控制仍不能充分利用共用库容提高洪水资源利用率。随着科技水平的发展，水库流域 水雨情自动测报系统和预报调度系统精度的提高，许多水库流域的洪水预报信息和降 雨预报信息达到可利用的程度，相当部分水库具备了修改原调度方式，实施防洪预报 调度方式的条件。常规调度方式通常以库水位作为判别洪水级别和改变水库泄量的依 据，而相对于常规调度方式，防洪预报调度方式可以以降雨预报的降雨信息和洪水预 报的累积净雨量、预报洪峰信息作为判别洪水级别和改变水库泄量的依据，因而较常 规调度方式提前判别洪水级别、改变水库泄量，达到需要较小防洪库容的目的，也因 此可以抬高水库的汛限水位。 同时，在一场洪水之后，水库水位从调洪最高水位开始下降时，常规调度方式是 将库水位迅速降到汛限水位，以预防设计、校核洪水，不管面临时刻是否万里晴空， 更不考虑气象部门预报未来几天内持续晴天无雨的信息。在水库水位降到汛限水位以 下后，到下一场降雨之前的一段时间内，水库仍然需要供水、发电和灌溉，因此实际 在下一场降雨之前的库水位已经低于汛限水位。假如此后，一直没有大的降雨发生。 水库将蓄不到兴利蓄水位，因而将会面临供水、灌溉等兴利用水紧张状况。如果在水 4 大连理工大学博士学位论文 库水位从调洪最高水位下降时，能够利用洪水预报与降雨预报信息，控制水位缓慢下 降，可以达到提高洪水资源利用率的目的。 从以上分析可知，研究利用洪水预报和降雨预报信息抬高水库汛限水位和对汛限 水位实施动态控制是目前利用防洪非工程措施提高洪水资源利用率的一个重要研究 方向。 1 2 4 洪水资源化的风险 通过几千年的防洪减灾实践，特别是对1 9 9 8 年大洪水灾害的反思，人们更清楚 地认识到，人类无法从根本上控制洪水，而只能与洪水和谐共处，实现从试图消除洪 水灾害到承受适当风险的观念上的转变。利用洪水预报和降雨预报信息进行水库调度 属于风险调度的一种，它在实现洪水资源化的同时，使水库防洪调度承受一定的风险， 如何在获得洪水资源化效益的同时，将其风险降到最低程度，并处在可接受的风险范 围之内，这是洪水资源化必须解决的重要课题之一，也是本文主要研究内容之一。 1 3 防洪及防洪措施概述 防洪是人类与洪水灾害作斗争的控制手段，其目的在于设法防治、减缓洪灾损失， 保护人民生命财产，促进工农业生产发展，取得生态环境和社会经济的良性循环。防 洪措施分为两大类：防洪工程措施和防洪非工程措施。大量防洪减灾实践证明，只有 将这两类措旌合理配置、相互协调，组成完整的防洪系统，才能充分发挥其作用。 1 3 1 防洪工程措施 防洪的工程措旋是指为控制或抵御洪水以减少洪灾损失而修建的各类工程的一 种措施。修建的工程设施主要包括水库、堤防、防洪墙、蓄滞洪区、泵站、水闸、河 道整治工程等。工程措旌是一种直接作用于洪水的防洪手段，可以说是硬措施。防洪 工程措施依据其措旌的本质可以划分为拦、蓄、泄、分、滞五类。 各类工程措施在人类抵御洪水的斗争中发挥了巨大作用。但是，任何防洪工程措 施的防洪能力总是有限的。因为在一定的技术经济条件下，工程设施只能防御一定标 准的洪水，不可能抵御超标准的稀遇洪水。此外，防洪工程设施的建设对生态环境会 产生一定的负面影响。 采取工程措施防洪，要全面考虑现有条件下的利弊得失，选择一种经济合理、技 术可行的防洪标准才是合理的，否则标准过高既不合理也不现实。但是，由于洪水的 5 水库防洪预报调度及灾情评价理论研究与应用 随机性，出现超过工程防洪标准的稀遇洪水也是可能的。因此，在实施防洪工程措施 的同时，采用各种可能的非工程措施是必不可少的【b j 。 1 3 2 防洪非工程措施 防洪非工程措施主要通过科技、教育、经济、管理、法律、政策等手段削弱、消 灭和回避灾源，削弱疏导和转移受害体，保护和充分发挥工程措旖的作用，减轻次生 灾害和衍生灾害的危害，最大限度地减轻洪灾损失。与工程措施相比，非工程措施是 一种不直接作用于洪水的防洪手段，主要是管理措施，也可以说是软措施。防洪的非 工程措施主要包括以下几类： ( 1 ) 蓄滞洪( 行洪) 区土地的合理利用。根据自然条件和地理特征，对蓄滞洪 ( 行洪) 区土地、工农业生产、产业结构、人民生活居住条件进行全面规划，合理布 局，不仅可以直接减轻当地的洪灾损失，而且可使行洪通畅，减少下游洪灾损失。