（水文学及水资源专业论文）洪水资源利用模式及风险效益评估.pdf

摘要 本文针对我国水资源短缺问题，开展洪水资源利用模式及风险效益评估。但 是目前洪水资源利用体系还不完善。本文在总结国内外洪水资源利用各种措施的 基础上，从系统工程的角度尝试建立洪水资源利用的模式体系。 体系包括三个部分：基础规划、单元利用模式和流域总体利用模式。洪水资 源利用基础规划是对洪水资源利用系统的总体设计，是洪水资源利用的基础。单 元利用模式以水库和蓄滞洪区为例，详细总结了水库和蓄滞洪区洪水资源化过 程。 水库单元利用模式，水库汛限水位的调整和汛末蓄水是洪水资源化的两个关 键问题。详细总结了水库汛限水位从分期到动态控制的过程，并对水库调整汛限 水位进行风险效益分析；水库汛末蓄水主要包括蓄水时间和蓄水方案。最后以东 武仕水库为例，对水库调整汛限水位的风险进行了分析，表明该水库汛限水位从 现行1 0 2 m 调整到1 0 4 m 的方案是比较合理和切实可行的。 蓄滞洪区单元利用模式，总结了河网非恒定流模型、洪水演进模型、蓄滞洪 区洪灾损失评估、效益评估方法和蓄滞洪区蓄水优化研究方法。并以天津市北系 河网四个蓄滞洪区为例，对大黄铺洼、黄庄洼、西七里海和淀北应用基于最大离 差和熵的多目标评价方法进行最优蓄水位研究，蓄水位优选中考虑了淹没损失、 供水成本、防洪效益、供水效益和生态效益五个指标，结果表明四个蓄滞洪区的 最优蓄水位分别是：3 0 m ，3 0 m ，3 0 m ，3 9 m ；然后在这四个蓄滞洪区之间进行 方案优选，采用多层次模糊优选系统，对四个蓄滞洪区进行方案模糊优选，方案 优选中考虑9 项定量与定性指标，结果表明四个蓄滞洪区方案从优到劣依次为黄 庄洼、大黄铺洼、西七里海、淀北。 流域总体利用模式，根据北三河系实测资料对流域中各个河系的可调水量进 行分析，对北三河系水利工程功能进行评价，结合各蓄水单元风险效益分析的结 果和调度原则，提出北三河系洪水资源合理调度方案，并根据已经建立的北三河 系产流模型、河网模型和洪水演进模型对流域洪水资源进行实时调度。 关键词：洪水资源利用；水库：蓄滞洪区；流域；风险；效益 a b s t r a c t b a s e dn ot h ep r o b l e mo fw a t e rr e s o u r c e s ，t h ep a p e rd e v e l o p st h er e s e a r c ho f m e t h o do ff l o o du t i l i z a t i o na n dr i s k - b e n e f i ta s s e s s e n th o w e v e r ，t h i sr e s e a r c hs y s t e mi s n o tp e r f e c ta tn o w o nt h eb a s eo fs u m m a r i z i n gm e a s u r e so ff l o o dr e s o u r c e sa th o m e a n da b r o a d ，t h i sp a p e rh a dc r e a t e dam o d e ls y s t e mo ff l o o dr e s o u r s eu t i l i z a t i o n t h es y s t e mi n c l u d e dt h r e ep a r t a ：t h et h eb a s i so fp l a n n i n g ，t h eu s eo fm o d e lu n i t a n dt h eo v e r a l lu s eo fw a t e r s h e dm o d e l s f l o o dp l a n n i n gi ss h et o t a lr e s i g na n dt h e b a s i so f 也ef l o o du t i l i z a t i o n a b o u tt h eu n i tm o d e l s ，f o rt h ee x a m p l eo fr e s e r v o i r sa n dw a t e rs t o r a g ei nf l o o d s t o r a g er e g i o n s ，t h ep a p e rs u m m a r i e dt h e i rp r o c e s so ff l o o dr e s o u r c e s f l o o dc o n t r o l w a t e rl e v e la n dw a t e rl e v e la tt h ee n do ff l o o ds e a s o na r et w o k e yi s s u eo fr e s e r v o i r , s o s u m m a r i e dt h ep r o c e s sf r o mt h er e s e r v o i ri ns t a g e st od y n a m i cc o n t r o la b o u tt h ef l o o d c o n t r o lw a t e rl e v e l ，a n d a n a l y si t sr i s k - b e n e f i t f i n a l l y , t a k e dt h ed o n g w u s h i r e s e r v o i ra sa ne x a m p l e ，c a l c u l a t e dt h er i s k - b e n e f i tb ya d j u s t i n gf l o o dc o n t r o lw a t e r l e v e l b e c a u s en o n - u n i f o r m i t yo fi n d i c a t o r ，t h i sp a p e rc h o s e dt h er e a s o n a b l ef l o o d c o n t r o lw a t e rl e v e lb yu s i n gf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d , t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tf l o o dc o n t r o ll e v e lo ft h er e s e r v o i ra d j u s tf r o m10 2 mf r o m10 4 mi s m o r er e a s o n a b l e a b o u tw a t e rs t o r a g ei nf l o o ds t o r a g er e g i o n s ，s u m m a r i e d t h er i v e rn e t w o r km o d e l ， f l o o dr o u t i n gm o d e l ，f l o o dd a m a g ea n de f f e c t i v e n e s sa s s e s s m e n t ，o p t i m i z a t i o no f f l o o dw a t e r t h i sp a p e rt a k e dt h ef o r ew a t e rs t o r a g ei nf l o o ds t o r a g er e g i o n so fr i v e r n o r t ho ft i a n j i na s 觚e x a m p l e r e s e a r c h e dt h eo p t i m a lw a t e rl e v e lb yu s i n gf u z z y o p t i m i z a t i o nt h e o r y t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h e o p t i m a l w a t e r l e v e l a r e ：3 0 m ，3 0 m ，3 0 m ，4 1 5 m t h eo v e r a l lu s eo fw a t e r s h e dm o d e l s ，a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t ao ft h e b e i s a n h er i v e r s ，t h i sp a p e re s t a b l e dt h er e a s o n a b l es c h e d u l i n gb ya n a l y s i n gt h e d i s c h a r g eo fs t r e a ma n de v a l u a t i n gt h ef u n c t i o no ft h ed e p a r t m e n to fh y d r a u l i c e n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：f l o o du t i l i z a t i o nm o d e ；r e s c r v o i ；w a t e rs t o r a g ei nf l o o ds t o r a g e r e g i o n s ；r i v e rb a s i n ；r i s k ；b e n e f i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在水利部河北水利水电勘测设计研究院 工作期f 、日j 研究开发的项目，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，也不包括为获得天津大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。指导教师及我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的蜕明并表示了谢意。 学位论文作者签名：韩之四签字同期：砷年多月肜同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼大堂有关保留、使用学术论文的规定。特授 权天津大学可以将学术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、汇编以供查阅或借阅。同意学校向因 家有关部l 、j 或机构送交论文的复印件或磁盘。 ( 保密的学术论文在解密后使用本授权说明) 学术论文作者签名： 韩鹚 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 水资源的短缺是一个严重影响我国经济发展的关键因素，尤其是在现阶段形 式更为严峻。随着社会经济的迅速发展，各个领域对水资源的需求也越来越大。 目前对地表水、地下水及天然降水等易得水资源的开采利用己经远远不能满足生 产生活的需要，开发利用新的淡水资源己经成为了当前迫在眉睫的任务。 本章首先说明了洪水资源的双重特性，并结合其特性分析了洪水资源利用的 必要性及可行性，然后介绍了国内外洪水资源利用的现状和发展趋势，最后就本 论文的主要内容做出了说明。 1 1 问题的提出 洪水是洪灾形成的前提条件，但洪水并不等同于洪灾，它是大量降水在短时 间内汇入河槽，而形成的特大水流，其本质中具有淡水资源的属性。洪水具有灾 害性和资源性的双重特性 1 1 1 洪水的灾害性 洪灾是由洪水引起的江、河、湖、库水位猛涨，堤坝漫溢或溃决，使客水入 境而造成的灾害。洪水灾害是当今世界上给人类带来损失最大的自然灾害，最具 危险性和破坏性。 1 1 2 洪水的资源特性 洪水本质中具有淡水资源的属性，可被开发利用为人类造福，是一种重要的 水资源。洪水的资源特性是指洪水所具有的提供水土资源、生态环境资源的属性。 暴雨形成的洪水资源是构成干旱地区水资源的重要组成部分 洪水资源在恢复河流及湖泊、洼地的水面景观、冲洗盐碱，弥补湿地水源不 足和保持生物多样性等方面都起着重要的作用。 此外，还可以利用洪水输送水库和河道的泥沙和污染物，将洪水作水调沙用 水和驱污用水。 第一章绪论 1 2 洪水资源化 洪水资源化指综合系统地运用工程的和政策、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资利用的内陆水。根据这一定义，洪水资源化有以下主 要内涵：洪水资源化的对象是那些在现有工程常规运用和规范调度情况下排泄入 海或泛滥的洪( 涝) 水，包括工程防洪标准内和超标准的河道洪水，防洪工程常 规调度所不能蓄留的洪水，以及河道泛滥洪水和内涝水等。洪水资源化是对洪水 常规运动或存在状态的改变，改变洪水状态必须运用工程( 已有的和新建的) 措 施和调整洪水调度模式。 1 2 1 洪水资源化的必要性 干旱缺水十分严重，不仅影响农业、而且影响工业，不仅影响农村、而且影 响城市，不仅影响生产、而且影响生活，甚至造成河道断流、湖泊干涸、地面沉 降，已成为国民经济发展和社会进步重要制约因素。 经济社会可持续发展对水的需求是全面的提升，不仅是量的增加，更是供水 的保证率、均衡性以及符合要求的水质的提高。用传统的思路、办法解决不了我 国水资源短缺问题。目前通过大规模增加新的水利工程来提高洪水资源化利用的 水平已不太现实。 1 2 2 洪水资源化的可能性 开发利用洪水资源是有潜力的，据统计分析，全国江河平均每年入海水量约 为1 6 0 0 0 亿m 3 ，且主要集中在汛期以洪水形式入海。 经济实力的增强、科学技术的进步、人员素质的提高、治水理念的变化，使 洪水资源化成为可能。 许多大型水库建立了与水情遥测系统紧密结合的洪水调度系统；随着卫星云 图和测雨雷达的应用，中、短期降雨预报手段、方法已有很大提高，基本达到可 利用程度；“3 s ”技术可较准确地评价地下水资源和土壤含水量的监测，不仅可 提高降水产流及洪水过程的能力，而且可以从多角度辅助防洪调度、蓄滞洪区运 用和洪水调度，可全面辅助计算洪水资源化的效益，使得洪水资源化技术进入信 息化时代。 2 第一章绪论 1 3 洪水资源利用现状 1 3 1 国外洪水资源利用现状 国外对洪水资源化利用工作很重视。在澳大利亚，由于气候干燥，河流稀少 且变化不稳，地下水超采也比较严重，地下水回灌的研究及应用受到了重视。昆 士兰地区人工回灌工程运行良好，效益也相当显著：摩洛哥为保证首都丹吉尔的 供水要求，利用注水井将姆哈河洪水注入地下以回灌地下水，已获得成功；2 0 0 1 年9 月我国政府和德国政府间的科技合作项目“城区水资源可持续利用一雨洪控 制和地下水回灌”在北京召开了通报会，专家指出雨洪利用要以将雨水留在地 面、地下为目标，建立雨洪相关产业。目前德国在新建小区( 无论是工业、商业、 居民区) 时均要设计雨洪利用项目，否则政府将征收雨洪排放设施费和雨洪排放 费；日本利用雨水作为生活杂用水的技术已经比较成熟，正大力实施雨水回灌以 补充地下水；以色列由于严重干旱缺水，雨水资源的利用率已达到了9 8 ；美国 也大量建造渗滤田，用于补充地下水或在暴雨洪水时起汇集和调节雨水的作用。 在与华北类似的美国西部半干旱地区，人工回灌地下水已得到广泛应用。仅加州 每年就开采地下水18 0 亿m 3 ，目前共有7 0 个水管理机构使用5 0 0 座设施进行地 下水回灌，年回灌量在1 3 4 0 亿m 3 。在加州，利用地上蓄水与输水系统对由于 超采而产生的6 3 亿m 3 地下空间进行地下水回灌，己成为主要的一项水利工程而 得到重视：俄罗斯也一直在努力开展人工回灌地下水的研究及应用，且已根据不 同的自然条件把全国划分为不同的回灌区，对各回灌系统的概况、工程设计及运 行管理等情况进行汇总，编制了临时指南，给出指导和建议，并对国内外的回灌 经验及其发展进行了汇编。这些对进一步开展洪水资源化利用研究及推广应用都 有积极的意义。 1 3 2 国内洪水资源利用现状 目前，国内外对水资源短缺问题都给予了相当的重视，针对洪水资源化利用 的方法也日趋成熟，在不同地区、不同条件下都有了相应的利用方法。 我国许多地区己开展了洪水资源化利用的工作，尤其是北方地区，如河北、 山东、北京及河南等地。目前许多地区性甚至国家的科研项目已经完成或正在进 行当中，而且许多地区结合当地情况已投入运行，并取得了良好效益。淮河干流 洪水资源化的主要途径是利用行蓄洪区洼地蓄水，其目的是增加沿淮的调节能 力，减少蚌埠闸总弃水量，提高水资源的利用率。淮河洪水资源化对缓解沿淮淮 北地区的水资源短缺状况有一定的作用，增加的调节库容多年平均利用率可以达 第一章绪论 到5 0 - - 6 0 ；黄河下游自1 9 8 6 年以来水沙过程变异与河道严重淤积的状况引 起了很多的关注，解决这一问题的新途径就是从水资源可持续利用战略出发，实 施洪水资源化策略，大胆利用汛期淮河流域的洪水资源，并结合有关建设地理方 面的优势，调引淮河流域洪水用于黄河下游冲淤；长江洪水资源化对长江防洪和 流域可持续发展意义重大，也是解决我国最大的资源环境问题的重要途径。长江 中下游洪水资源化基本思路是：蓄长江汛期洪水，在达到防洪目的的同时，用 于长江中、下游地区抗旱、湿地生态环境保护和跨地区调水的水源，以弥补枯水 期、旱年水资源的短缺及长江经济发展对水资源的需求；引长江汛期洪水，调 往北方，补偿其它地区或冲洗长江中、下游某些严重污染的湖泊；塔里木河流域 的洪水资源化利用方式主要是抢洪灌溉、引洪充蓄平原水库等：海河流域由于挖 掘水资源潜力的需求驱动，2 0 0 0 年，水利部天津勘测设计研究院对岳城、潘家 口、密云等水库调整汛限水位、挖掘洪水预报调度潜力进行了典型分析，并已部 分付诸实施，取得了较好的实效，是洪水资源化利用方面开拓性的探索。分析结 果表明，实施预报调度可产生“三大效益”，即增大可供水量，提高水库的保坝 标准，提高水库下游河道的防洪标准。根据初步推算，改变执行多年的固定时间 固定汛限水位的调度方式，海河全流域3 1 座大型水库平均每年可增加兴利库容 1 3 亿m 3 - - 3 6 亿m 3 ，潜力十分可观。随着水文测报技术的飞跃发展及气象产品 的广泛应用，洪水预报水平将会大幅度的提高，洪水预见期还会延长，因此，水 库防洪预报调度的潜力还有进一步挖掘的可能。 1 4 本文主要内容 本文主要内容包括： ( 1 ) 总结国内外洪水资源利用各种措施，区域洪水资源利用需研究其可利用 措施，建立区域洪水资源利用系统，在洪水资源利用模式定义的基础上从系统工 程的角度尝试建立区域洪水资源利用模式体系，包括基础规划、单元利用模式和 流域总体利用模式三部分。 ( 2 ) 单元洪水资源利用模式中，以水库和蓄滞洪区为例，详细总结了水库、 蓄滞洪区洪水资源化的过程。 1 ) 水库单元洪水资源利用模式，因汛限水位设计和汛末蓄水问题是水库洪 水资源化中的两个关键问题，所以主要总结汛限分期的方法：分期汛限水位的确 定方法；汛限水位动态控制域及动态控制方法；水库调整汛限水位风险效益分析； 汛末蓄水方式及蓄水时间选定。并以东武仕水库为例，对调整汛限水位的风险进 行分析。 4 第一章绪论 2 ) 蓄滞洪区单元洪水资源利用模式，总结了目前河网非恒定流模拟、洪水 演进模拟方法；蓄滞洪区洪灾风险评估的方法和计算过程；蓄滞洪区蓄水效益评 估方法；研究了在风险和效益分析基础上对蓄滞洪区蓄水位优选和蓄水方案进行 优选的方法。并以天津市北系河网四个蓄滞洪区为例进行蓄水优选。 ( 3 ) 流域总体利用模式，分析流域可调水量；依据流域调度原则，和各单元 风险效益分析，提出以洪水的资源特点和其效益发挥模式为核心的流域洪水资源 合理调度方案；最后，由适合流域降雨和下垫面特点的产流模型、洪水演进模型 以及蓄滞洪区淹没模型对区域洪水资源进行实时调度。 第二章洪水资源利用模式体系 第二章洪水资源利用模式体系 2 1 洪水资源利用措施 正如洪水资源化利用定义一样，洪水资源利用措施也多种多样。从广义范围 讲，若我们将人们利用天然水的方法都归为对洪水资源的利用，那么，现在所有 发生的水资源利用方法，也就是洪水资源利用方法。从狭义范围讲，若我们仅将 人们利用超过河川平均径流或超过平均降水强度的水称为洪水，那么，经过水利 工程调蓄而改变天然流量形态的水资源利用方法，就是洪水资源化利用方法。目 前，在国内开展的洪水资源化实践工作中，利用措施各不相同，但从总体上说， 可分为工程措施和非工程措施两大类，具体措施见图2 一l 所示。 图2 - i 洪水资源化利用措施 洪水资源化利用的工程措施包含绝大多数水利工程。如大型水库工程、河道 整治工程、拦河闸坝工程、蓄滞洪区建设工程、农田水利工程、水土保持工程等。 在城市化进程中，还包括许多雨洪利用的市政工程，如城市绿地建设、透水路面 改造、雨水集流工程等。洪水资源化利用的非工程措施则包含了水利工程调度与 6 第二章洪水资源利用模式体系 管理的大多数措施。例如通过水库分期洪水调度技术解决预防性弃水问题，利用 洪水预测预报技术、水库预泄与河网联调技术、蓄滞洪区主动运用技术等增加洪 水资源的蓄水量，还有诸如合理规划土地利用，通过天然地形地貌和水土保持规 划，充分利用雨水资源等。从洪水资源利用措施涵盖的范围可以看出，现有的大 多数水利工程和调度管理技术都可以成为洪水资源化的有利工具和实践基础，这 也表明了洪水资源利用模式的选择余地非常广泛，为利用模式的优化提供了可 能。 2 2 洪水资源利用模式定义 本文基于国内外洪水资源利用研究与实践处于起步阶段、有意识的洪水资源 利用模式尚未形成体系、当前没有可实际指导洪水开发利用的成熟策略体系的现 状，总结大量洪水资源化研究，从洪水资源化的内涵出发，从洪水资源的利用措 施和利用目标两个方面，对洪水资源利用模式进行定义。 。本人认为，洪水资源利用模式的确定离不开两方面的因素，一个是洪水资源 的利用目标，一个是可能采取的利用措施。其中，洪水资源利用措施是确定利用 模式的基础；洪水资源的利用目标是确定利用模式的指导原则。利用措施是为利 用目标服务的，也就是说，我们在选择利用措施时要以能够实现利用目标为前提。 但对于一个流域而言，洪水资源的利用目标具有多样性，而一种利用措施其效益 的发挥也并不是唯一的，为此，就需要在各种目标和措施之间进行优化，寻找出 一套符合流域特点，切实可行的利用措施。 2 3 洪水资源利用模式体系 洪水资源利用是一个既涉及技术上可行、经济上合理，又涉及生态环境的容 许和防洪安全保障问题的复杂系统工程，洪水资源不同于常规水资源，为达到安 全、高效利用，应建立完善的开发利用体系。 洪水资源利用是一个复杂的系统工程，该过程主要包括的工作如图2 2 所示。 7 第二章洪水资源利用模式体系 l 流域洪水资源实时调度 图2 - 2 洪水资源利用模式体系 将以上主要过程进行分类，洪水资源开发利用的过程可分为基础规划、单元 利用模式和流域总体利用模式三个部分。 2 3 1 基础规划 洪水资源利用基础规划是对洪水资源利用系统的总体设计，是洪水资源利用 的基础。基础规划主要是在分析区域内水文、水资源状况、水利工程现状、社会 经济状况的基础上，根据安全与效益并重的原则，确定区域内的洪水资源利用措 施，建立洪水资源利用系统； 2 3 2 单元利用模式 单元利用模式是洪水资源利用系统中各单元通过工程和非工程措施进行洪 水资源化的过程，通过风险效益分析，制定单元利用方案。 第二章洪水资源利用模式体系 2 3 3 流域总体利用模式 流域洪水资源利用模式是对各单元措施利用风险效益分析的基础上制定流 域洪水资源合理调度方案，在产流模拟、河网模拟和洪水演进模拟的基础上对流 域洪水资源进行实时调度，对原有的调度方案进行修正。保证洪水资源安全高效 利用。 2 3 4 洪水资源利用模式体系策略关系 洪水资源利用体系中三者之间是紧密相连的。洪水资源利用基础规划是根据 区域特点建立措施体系的过程，是单元利用模式与流域总体利用模式的基础；单 元利用模式方案的制定为流域洪水资源调度方案提供依据，并且洪水资源化合理 调度方案的制定是在单元措施风险效益分析的基础上的；通过实时调度对调度方 案进行修正，并且反馈到基础规划，对工程措施进行调整。 第三章水库单元洪水资源利用模式 第三章水库单元洪水资源利用模式 水库洪水资源化途径主要包括如图3 1 所示，汛限水位设计和汛末蓄水问题 是水库洪水资源化中的两个关键问题【1 】。科学设计、控制水库汛限水位，在保证 防洪安全的前提下，充分利用洪水资源，是实现洪水资源化的关键技术和重要途 径之一；水库汛末蓄水直接影响枯水季节的正常供水，如何选定开始蓄水时间以 及相应的蓄水方式，是变汛期水为非汛期水的重要途径，也是洪水资源化调度的 重要内容。 图3 1 水库洪水资源化研究内容结构图 3 1 水库汛限水位研究 3 1 1 水库汛限水位研究进展 从水库汛限水位研究进展可以看出，讯限水位的研究经历了从“静态控制” 到“动态控制”的过程。“静态控制”是从规划设计的角度出发，考虑最不利的 设计洪水确定的汛限水位控制方法，主要包括传统的固定汛限水位控制、基于水 文统计信息的汛限水位分期控制；“动态控制”是从实施调度的角度，根据实时 水、雨、工情和水文气象预报综合信息，控制汛限水位的方法。水库汛限水位动 1 0 第三章水库单元洪水资源利用模式 态控制的核心内容属于实时调度阶段的问题，它以规划设计的汛限水位上下包线 为约束域。 3 1 2 水库分期汛限 3 1 2 1 汛限分期方法的总结 总结汛限分期的方法有： ( 1 ) 成因分析法【2 ，3 】：选取流域某一量级暴雨量、防护断面洪峰、河道水位 高度、入库洪峰等指标，分析其在一年内的变化规律，寻求其与天气系统、大气 环流之间的相关密切程度，并根据成因分析结果，以变化点作为汛期分期的划分 点。 ( 2 ) 数理统计法【4 5 】：利用实测历史流量( 雨量) 资料，选择统计指标，分 析指标在年内( 或汛期) 的变化规律，最后通过分析统计特征值的季节性特征得 出汛期的变化规律。根据统计不同的特征值，数理统计法可分为：统计极值： 按旬( 月) 统计描述汛期的指标( 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；选定一定的频率标准并分析其合理性，来确定汛期分期的划分点。 统计均值：统计各旬( 月) 的降水量或平均流量，分析其变化规律，选定一定 的标准划分汛期的划分点。 ( 3 ) 模糊集合分析【6 7 】：采用模糊集理论，使用融成因分析、数理统计、模 糊统计为一体的模糊集合综合分析法对水库的汛期划分进行研究。其实质就是如 何确定描述汛期( 或非汛期) 的中介过渡性和此性质的隶属函数形状或参数。 ( 4 ) 分形分析方法【8 】：水文过程具有非线性和相似性等特性，因此可用分 形理论来研究汛期分期，通常采用容量维数来分析。对于时序性刀个样本序列， 根据其时间跨度确定时段长丁，取能反映该时段样本特性的特征值( 一般取平均 值) ，计算不同时间尺度的相对度量值n t ( c ) ，通过绘制i n n t ( e ) l n e 相关线， 计算其中直线部分的斜率b 得到容量维数d b = 2 一b 。若容量维数d b 在某一时段 丁内基本相等，则这个时段丁即为确定的一个分期。 ( 5 ) 系统聚类法【9 】：系统聚类法的基本思想是：规定样本之间的距离和类 与类之间的距离，先选择距离最小的一对并成新类，计算新类和其他类的距离， 再将距离最近的两类合并，这样每次减少一类，直至所有的样本都成一类为止。 取一定的截度，则可得相应的分类结果。对于汛期内的各个时段，抽取能描述汛 期变化特性的指标，计算指标各时段之间的相似系数，基于相似系数构成相似矩 阵，利用直接聚类法或传递闭包法进行聚类，在一定的截度下得分类关系矩阵， 即可将时段划分为不同的分期。 第三章水库单元洪水资源利用模式 ( 6 ) 变点分析方法【lo 】：变点分析法是一种基于统计理论、用于检测时间序 列突变性质的划分时间序列的方法，一般包括均值变点和概率变点分析。均值变 点是使得分割前后序列的均值发生明显变化的一些点，可用最小二乘法估计、局 部比较法、极大似然法等得出。对于一个时序性样本序列，初步估计出变点的个 数和大体位置，然后基于最d - 乘法原理定义一个极小化函数，取其值达到极小 时的点作为均值变点的估计。 ( 7 ) 动态聚类法】：其基本思想是：先给定一个初始分类，然后用距离最 近原则进行修改，直至分类较合理为止。对于一个样本系列，先从中选取k 个初 值，作为k 个类的聚类中心，计算其他样本与这些中心的距离( 可取样本的离差 绝对值或平方值) ，并按距离最小原则归入相应的类。对上述每个类按其所含样 本，求出每个类的均值，以此为新的聚类中心，重复上述过程，直至相临两次分 类没有区别为止。 ( 8 ) f i s h e r 最优分割法1 1 1 , 1 2 ：是对有序样本进行分类的一种统计方法。该 方法用来分类的依据是样本的离差平方和，而进行分割的原则是：使得各段( 类) 内部样本之间差异最小，而各段( 类) 之问的差异最大。对于有序样本序列，首先 定义类的直径，一般以类内样本的离差平方和表示。若将n 个样本分成k 类，则 以所有类的直径之和定义极小化函数b ( n ，k ) 。当分类数k 固定时，曰( ，z ，k ) 越小， 分类就越合理，其最小值表示为曰+ ( 胛，k 1 ，对应的分类方式为最优类分割。建立 召( ，z ，k ) 口k 相关曲线，取曲线开始趋向平缓处的k 值为最优分类数。 3 1 2 2 汛限分期方法优缺点 总结以上各个方法：成因分析法和数理统计法都是定性分析方法。成因分析 法和物理概念明确，可综合地区气候特征，得出的结果比较合理可靠，可以为汛 期分期提供客观依据，实际中应用最多最普遍。但由于水库流域特别对于大流域 而言，形成暴雨的成因错综复杂，因此工作量非常大，同时分期有一定的主观性， 也难于将汛期分得很细。数理统计法简单实用，但在分析过程中，对临界值的选 取带有主观性，同时很难将汛期划分得很细。 综合对比各种定量分析方法的适用性，如表3 1 。 1 2 第三章水库单元洪水资源利用模式 表3 1 各种定量分析方注综合对比 采用指考虑时确定最优 方法优点缺点应用情况 标序性分类数 模糊集合物理背景强利用函数指标阈值、隶属度阀值的选择存在一定的 单指标考虑无 表达式描述汛期主观性 水文上有应用 分析法 无法考其他学科使用较多，水 。系统聚类法 多指标 无 不必给定指标阈值 聚类结果不是最优解 文上较少应用 虑 受序列样本的容量限制较大。样本固定值 分形法单指标考虑 无 物理背景强 的选取存在一定的主观性 水文上有应用 变点分析法需要严格的数学假定表点个数的选取存 多指标考虑 无 物理背景强 水文上有应用 在一些主观性 无法考方法简单实用。聚类结 动态聚类法多指标无初值的选取任意性较大水文上有应用 虑果为最优解 f t s h e r 最数学概念清晰聚类结其他学科实用较多水 多指标考虑有计算繁琐 优分割洼果为最优解文上未见应用 1 3 第三章水库单元洪水资源利用模式 模糊集合分析和分形法只能处理简单单指标的聚类问题：系统聚类和动态聚 类虽然能够考虑多指标的综合作用，但无法考虑时序性，聚类结果随参数阈值的 选择而改变：变点分析法能够考多指标和时序性，但无法给出最优的聚类数目及 其相应的聚类结果；f i s h e r 最优分割法能够同时满足3 个条件。 从讯限分期的发展过程看，对汛期分期的研究是一个从定性分析向定量方法 应用的转变过程，也是一个从主观性认识向客观性分析的转交过程。研究趋势是 在不断寻找普适性的定量分期方法的基础上，将定性分析与定量计算相结合，建 立一套完善的汛期分期理论和方法。在汛期分期实践中，需要采用多种方法进行 计算、比较，经综合分析方可得到合理、可行的汛期分期方案。 3 1 2 3 确定分期汛限水位方法的总结 目前确定分期汛限水位的方法有： ( 1 ) 设计洪水过程线法 1 3 。1 5 】 在规范中，确定分期汛限水位的方法是以汛期分期为基础，先推求各期同频 率分期设计洪水过程。然后按水库运行原则分期进行调洪演算，从而确定水库分 期汛限水位。当按分期设计洪水定出的最大防洪库容小于按全年最大设计洪水过 程线算出的防洪库容时，采用前者进行防洪调度会降低防洪标准，一般处理方法 是以全年最大设计洪水代替各分期设计洪水最大者，或经过分析，将全年最大设 计洪水用于汛期中洪峰发生最频繁、量级最大的时段，其余各期则仍用分期设计 洪水的计算成果。至于分期设计洪水标准，一般均取与全年最大设计洪水相同的 标准。 ( 2 ) 模糊分析法【l 6 】 模糊分析法引用模糊数学理论，根据其隶属于汛期的程度来给出相应的防洪 库容。首先需要确定汛期模糊子集隶属函数，根据属于汛期的隶属度大小来决定 所需的防洪库容，直接求出汛期分期的各时段旬或日汛限水位。 ( 3 ) 多目标优化法旧 水库的防洪和兴利是一对矛盾体，汛期调度既要追求风险的最小化，又要满 足效益的最大化，因此，汛限水位确定实际是防洪风险与兴利效益等多目标的优 化问题，可以采用数学规划的方法进行求解。其目标函数就是防洪、兴利等综合 效益的最大化。多目标优化法利用了数学规划的相关理论成果，通过综合分析汛 限水位调整给防洪、兴利等目标带来的影响，经寻优得出使不同汛期分期综合目 标函数达到极值时的汛限水位方案集。该方法思路清晰，理论成熟，具有其他方 法所不具备的优势。 ( 4 ) 其他方法：包括容积一历时曲线法【l 引，即将历史资料中各分期历次洪水 1 4 第三章水库单元洪水资源利用模式 过程取出，计算需预留的防洪库容的频率曲线，根据防洪标准得到所需的防洪库 容和分期汛限水位。一 3 1 2 4 确定分期汛限水位方法的总结 ( 1 ) 设计洪水过程线法虽然在理论上没有得到充分论证，但由于考虑了汛期 水文特性的分布规律。在实际运用中还是有效的。通过多年的发展，该方法取得 了一定的发展，但其思想依然基于水文频率计算。因此，在运用中必然受防洪标 准制定、洪水样本资料选取、频率曲线线型选用以及参数估计确定方法等多种带 有较强的经验性特征的因素制约，不利于在理论上的突破和进展。 ( 2 ) 模糊分析法考虑了汛期在时间上的模糊性，在理论上有了较大的发展， 具有先进性。但该方法只是在经验汛限水位过程线的基础上进行理论曲线拟合， 并未进行相应风险因素的风险分析。对于全年降雨过程为“双峰”型的流域，尚 需进一步研究隶属度函数的非凸性描述方法。虽然在描述汛期的指标选取、过渡 期隶属函数模型建立及其参数确定、汛期样本跨期取样等方面，该方法已有较多 的研究成果，但仍没有形成完善的结论，因此，需要在理论上继续进一步探讨。 ( 3 ) 多目标优化法因其复杂的水文信息具有高维特性，运用确定性数学方法 进行计算时不可避免会遇到很大的困难。针对这种情况，解决的办法往往是通过 建立结构简单的模型对原问题进行简化处理。因此，尽管优化方法有完善的理论 支持，但在处理复杂的水文信息时，为了建立相对简化的模型，不得不舍弃部分 信息，致使存在问题过于理想化的可能。 ( 4 ) 容积历时曲线法从另一个角度对水库的汛限水位作了探讨，具有一定 的理论意义，但忽略了入流之间的相关性，且难于确定防洪库容的上下界，方法 尚有待完善。 3 1 3 水库讯限水位动态控制 水库防洪调度中，汛限水位动态控制的方法是针对于传统汛限水位或分期汛 限水位( 可称为汛限水位静态控制) 在实施阶段保持不变所提出的，属于实时调度 的范畴。根据国家防办制定的汛限水位动态控制方法实施导则，它的基本理 念 1 9 2 0 】是从成因分析与统计学的条件概率事件出发，综合利用现代科学技术提供 的一切有用的信息，并通过弥补措施预防预报的小概率误差与稀遇洪水事件发 生，安全经济地确定一个允许动态控制域，并在此约束域内对汛限水位实施动态 控制。汛限水位动态控制的主要内容包括：洪水预报及降雨预报可利用性分析； 确定汛限水位动态控制域；确定实时调度中动态控制汛限水位方法。 3 1 3 1 洪水预报信息利用的可行性分析 第三章水库单元洪水资源利用模式 这是讯限水位动态控制方法可行的关键。主要分析洪水预报精度( 包括退水 预报方案) 、确定其误差分析规律，评定短期洪水预报误差对防洪安全的影响程 度等，研究提出预报误差的弥补措施。分析研究区域性降雨预报产品可利用水平、 确定降雨预报的实际降水概率分布规律及预报误差的弥补措施。依据 ( d l t 5 0 5 1 1 9 9 6 ) 水利水电工程水情自动测报系统设计规定、s l 2 5 0 2 0 0 0 水文情报预报规范评价水库实时降雨自动遥测、洪水预报调度及通信系统运 行的稳定性和可靠性，最后依据“精度达到规范要求，预报误差分布规律性强， 误差有弥补措施，可承受风险”等要求综合分析降雨预报、洪水预报成果的可利 用性。鉴于降雨预报信息可利用性分析涉及的概念与内容较多，可参考文献 2 0 ， 在此不详细总结。 3 1 3 2 汛限水位动态控制域 “汛限水位动态控制约束域”的确定主要是调度规划设计阶段的任务【2 2 】。为 了防止“保证下游防洪安全而减少下泄流量，导致汛限水位过于降低”和“增加 兴利蓄水而过于抬高汛限水位”的现象，有必要研究设计允许动态控制汛限水位 的范围( 即“汛限水位动态控制约束域”) ，作为实时调度阶段的汛限水位动态控 制的约束。上述两种现象都有增加水库的防洪风险和减少兴利效益的可能，因此 安全、经济、合理地确定一个汛限水位动态控制约束域具有重要的理论和实际意 义。目前，确定汛限水位动态控制域的方法有防洪预报调度方法、计年内洪水统 计特征法、改进的预泄能力约束法、库群补偿法、包线法以及考虑工程措施的汛 限水位动态控制域方法等【2 0 1 ，各方法采用的信息、手段不尽相同，在确定最终的 汛限水位动态控制域中需要综合分析。 3 1 3 3 汛限水位动态控制方法 影响汛限水位动态控制的因素很多，如入库洪水预报和降雨预报的预见期、 预报精度，误差分布；水库的预泄能力；洪水的涨落规律；下游河道允许预泄的 流量等。误差分析是利用预报信息动态控制汛限水位，进行风险分析的基础。对 于一些流域洪水预报的预见期较长，精度较高，为利用洪水预报动态控制汛限水 位提供了可能性；此外，定量降水预报、天气预报可获得更长的预见时间，为汛 限水位动态控制提供了更为广阔的空间。预泄能力受下游河道允许预泄流量、水 库当前水位以及水库泄流设备泄流能力的约束，受预见期制约。洪水的涨落规律 分析关系着汛限水位在规划值以上运行，汛后能否蓄至兴利蓄水位，或能否回充 至规划的分期抬高的汛限水位值。对于水库汛限水位动态控制，目前采用的方法 有： 1 6 第三章水库单元洪水资源利用模式 ( 1 ) 累计净雨信息法 2 0 1 ：根据落地雨信息，推求产生的净雨总量，利用总量 原则提前判断洪水的级别大小，因而可提前采取预泄措施，争取防洪的主动性。 这种方法采用净雨总量作为判断条件，可大大减小由降雨预报流量过程的不确定 性，较为安全稳妥。但因为只考虑整个总量，因而忽略了在水库控制中洪峰带来 的水库漫顶的风险，在小水库或对洪峰起支配作用的水库中难以应用。 ( 2 ) 实时预蓄预泄法：预蓄预泄法的基本思想是有多大泄流能力就将汛限水 位上浮动多少，且留一定余地；退水过程有多大的余富水量，就将汛限水位下浮 动多少，亦留一定的余地。该法可操作性强，但与洪水涨落规律关系较大。 ( 3 ) 综合信息推理模式法【2 0 1 ：所谓的综合信息，是指实际洪水的起调水位、 落地实测降雨及6 h ，1 2 h ，2 4 h 降雨预报，预报未来4 8 h ，7 2 h 降雨信息；历史同 期不同量级发生的统计概率；调度专家及决策者防洪调度经验等，上述信息是影 响水库汛限水位动态控制的主要因素( 因子) 。基于上述诸因子的历史资料建立推 理模式称为“大前提”。若已知面临时刻t 的上述诸因子( 称小前提) ，则可通过 大前提推理出未来2 4 h 汛限水位动态控制值。这就是综合信息推理模式法。其具 体方法就是将面临时刻的实际水情、雨情、工情和预报的降雨形成的径流综合用 几个参数描述，简化推理模式的结构，提高推理输出的速度，引入几个与水位、 库容、工农业供水、发电流量、安全泄量有关的综合状态参数来描述控制因子， 分析影响未来2 4 h 库水位控制值( z 。) 的因子，分析因子的特性及论域，根据调 度及决策人的实践经验或风险分析，用逻辑推理方法，建立z 。值确定的推理模 式。 ( 4 ) 前后关联控制法叫：对于某些流域，由于每年( 或整个汛期) 的降雨总量 一般变化不大，可假定前一段时间发生了暴雨( 或洪水) ，则后一段时间发生较大 洪水的概率会变小，由此可适当的提高汛限水位。方法对于水库的效益发挥，尤 其是北方水库的蓄满有一定意义。该方法需假定前后来水为负相关( 甚至为互斥 事件) 关系；事实上水库经常出现丰、平、枯的年份，说明前后来水之间具有一 定的正相关性，此外流域前后各场暴雨一般为相互独立事件。因此，方法必须在 前后来水统计上负相关的情况下，方有一定价值。 ( 5 ) 防洪风险调度模型方法【2 2 1 ：水库的防洪标准实质是一个可接受风险程度 指标，如果可以将防洪标准转化为实际可以接受的风险概率，那么通过水库调度 控制风险低于这个可接受风险，从统计意义上水库调度就不会降低防洪标准。该 方法通过建立防洪风险调度模型，可从理论上说明水文、气象预报精度与可抬高 的汛限水位之间的关系，避免在确定有效预见期长度时的主观性。 1 7 第三章水库单元洪水资源利用模式 3 1 4 水库调整汛限水位的风险效益分析 关于水库在汛期如何确定合理的汛限水位，以及不同汛限水位下所产生的风 险和效益等问题，国内外均取得了一定的成果。如m u r o t a 等【2 3 】首先综合分析了 影响水库汛期蓄水和弃水的主要因素，并将风险理论应用于水库汛限水位的设计 当中。郭忠【2 4 】通过分析暴雨洪水特征，探讨了河西内陆河水库提高汛限水位的可 能性。冯平掣2 5 】也曾通过风险效益的分析方法，探讨过岗南水库进行超汛限蓄水 的问题。李明宇等【2 6 3 结合莅窝水库的实际情况，阐述运用库群补偿防洪调度的理 论，使萑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。 3 1 4 1 风险效益评价体系的建立 调整汛限水位，既会对发电、供水效益产生影响，又会使库区淹没范围情况 发生