（水工结构工程专业论文）水库防洪调度多目标风险分析模型及应用研究.pdf

郑州大学硕士学位论文中英文摘受 摘要 水资源是人类生存和经济社会发展的物质基础，是不可替代的重要自然资源。 随着经济社会的发展和城市化进程的加快，人们对水资源数量和质量的需求越来 越高，而可利用的淡水资源是有限的。匮乏的水资源不仅制约了经济社会的发展， 而且造成了水环境的不断恶化。水库作为重要的水利工程之一，研究水库的防洪 风险与兴利优化具有重要的理论与现实意义。 本文在学习和借鉴了前人研究工作成果的基础上，进行了水库防洪兴利风险 分析的理论探讨和实际应用研究。研究提出了水库风险分析方法与实施程序；建 立了水库调度风险分析的模型和水库兴利优化调度模型。以陆浑水库为实例，对 水库不同汛限水位方案的风险与兴利进行分析评价，从水库防洪风险的角度提出 了水库汛限水位的推荐意见。具体内容如下。 ( j ) 在系统查阅了国内处文献的基础上，综述了水库风险分析的国内外研究现 状。指出其存在的主要问题及今后努力方向。 ( 2 ) 阐明了水库防洪调度风险和风险分析的概念，在系统分析了水库防洪调度 的风险问题基础上，从风险与风险分析的概念出发，明确了风险分析的对象，研 究提出了包括由风险识别、风险估计、风险评价和风险决策组成水库防洪调度风 险评价的实施程序，拓展了水库防洪调度风险分析的研究思路和内容。 ( 3 ) 系统研究了水库调度风险分析技术，分析了蒙特卡罗( 如n 把一c a r l o ) 模 拟技术的原理，结合水库防洪调度风险分析的特点，设计了水库防洪调度多风险 因素、多风险目标风险分析蒙特卡罗( 朋。釉 一c a r l o ) 模拟技术的模拟流程。给 出了水库防洪调度风险分析中的主要风险因素分布的随机模拟公式，并设计了模 拟程序。研究提出了基于蒙特卡罗( m o n t e - - c a r l o ) 的多风险因素、多风险目标 风险分析技术和方法。 ( 4 ) 分析确定了水库防洪调度的风险目标，给出了水库防洪调度风险的定义。 在此基础上，确定以洪水典型选择、洪水预报误差和防洪调度滞时为主要风险因 素，分析确定了主要风险因素的风险估计方法，给出了相应的模拟公式，并编制 了相应的模拟程序。 ( 5 ) 在简述动态规划基本原理的基础上，建立了综合利用水库兴利优化调度模 型。针对水库兴利和调洪计算中，水位、库容和泄量的关系不易在计算机上实现 的问题，结合陆浑水库的实际，采用插值法，建立了水位、库容和水位、泄量的 关系。陆浑水库的应用研究证明采用的方法是有效的。 ( 6 ) 结合陆浑水库的实际，对陆浑水库进行了防洪调度风险分析，用v i s u a l b a s i c 计算机语言编制了防洪调度多因素、多目标风险分析蒙特卡罗 郑州大学碗上学位论文 中英文摘要 ( m o n t e - - c a r l o ) 模拟程序。用陆浑水库的实测洪水、水库特征、洪水预报成果 和水库防洪调度等资料，对陆浑水库的3 1 6 5 m 、3 1 7 5 m 、3 1 8 5 m 的不同汛限水位 方案，按设计洪水成果，对防洪目标的风险和兴利效益进行了大量的模拟计算， 得到了各种情况下的不同防洪目标的风险率和风险效益。通过系统全面的分析， 从防洪调度风险的角度得到陆浑水库汛限水位的推荐方案为3 1 6 5 汛限水位方案，该 方案的防洪调度的风险率是o 2 8 ，教3 1 5 5 汛限水位方案多年平均增加发电量1 1 0 6 k w h 。根据各汛限水位方案考虑不同不确定因素的风险分析结果的综合对比， 得出了在洪水典型选择、洪水预报和调度滞时等三个不确定性因素中，洪水预报 的不确定性是防洪调度的主要风险来源的结论。 关键词：风险风险分析风险率多目标水库防洪调度蒙特卡罗模拟 不确定性汛限水位水库兴利效益优化调度动态规划 邦州大学硕士学位论文中英文摘要 a b s t r a c t ，a t e ri st h em a t e r i a lb a s i so fh u m a nb e i n g s s u r v i v a la n ds o c i a la n de c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n di ti si m p o r t a n t n a t u r a lr e s o l l r g et h a tc a n tb er e p l a c e d w i t he c o n o m i c a n ds o c i a l d e v e l o p m e n ta n dw i t hm u n i c i p a lp r o c e s sq u i c k e n i n g ，p e o p l eh a v eh i g h e r d e m a n df o rw a t e rq u a n t i t ya n dw a t e r q u a l i t y b u tf r e s h w a t e rt h a tc a nb eu s e di sl i m i t e d s os c a r c cw a t e rn o to n l yr e s t r i c t se c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n tb u ta l s or e s u l t si n c o n t i n u o u sd e t e r i o r a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t a sr e s e r v o i ri so n eo fi m p o r t a n t h y d r a u l i cp r o j e c t ，s t u d yo n t h er e s e r v o i r sr i s ko f f l o o d p r e v e n t i o na n d u t i l i z a b l eb e n e f i t i si m p o r t a n ta n dh a st h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lm e a n i n g i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h er e s e r v o i r sr i s ko f f l o o d p r e v e n t i o na th o m e a n da ta b r o a di sa n a l y z e da n dt h es h o r t c o m i n g so fr i s ka n a l y s i so f f l o o d p r e v e n t i o na t p r e s e n ta r ep o i n t e do u t o n t h eb a s i so f c o n c e p t o fr i s ka n dr i s ka n a l y s i s ，t h er e s e r v o i r s r i s ka n a l y s i sm e t h o da n dp u t t i n gp r o c e d u r ei n t op r a c t i c ea r ep r e s e n t e d t h em o d e lo f r i s ka n a l y s i sa n dt h em o d e lo fu t i l i z a b l eb e n e f i tf o rr e s e r v o i ro p e r a t i o na r ee s t a b l i s h e d a ti a s t ，r i s ka n du t i l i z a b l eb e n e f i ta r es t u d i e da b o u tt h ed i f f e r e n ts c h e m ao fw a t e rl e v e l o fl u h t mr e s e r v o i ri nf l o o dp e r i o da n ds u g g e s t i o no fw a t e rl e v e li nf l o o dp e r i o di s p r e s e n t e df r o mt h ev i e w p o i n to ft h er e s e r v o i r sr i s ko ff l o o d - p r e v e n t i o n t h ec o n c r e t e c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h er e s e r v o i r sr i s ka n a l y s i so ff l o o d - p r e v e n t i o na th o m e a n da ta b r o a di ss u r a m a r i z e do nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gs o m el i t e r a t u r e s t h e s h o r t c o m i n g so ft h er e s e r v o i r s r i s ka n a l y s i so ff l o o d - p r e v e n t i o na t p r e s e n ta n dt h e w o r k i n gp i v o t si nl a t e rw o r ka r ep o i n t e d o u t ( 2 ) c o n c e p to ft h e r e s e r v o i r sr i s ka n dr i s k a n a l y s i s o ff l o o d - p r e v e n t i o na r e i l l u m i n a t e d c r i t i c i z e dp r o b l e mo ft h er e s e r v o i r sr i s ko ff l o o d - p r e v e n t i o n ，f r o m c o n c e p t o fr i s ka n dr i s ka n a l y s i s ，t h eo b j e c to f r i s ka n a l y s i si sd e f i n e da n dt h er e s e r v o i r s r i s ka n a l y s i sm e t h o da n d p u t t i n gp r o c e d u r ei n t op r a c t i c ei n c l u d i n gr i s ki d e n t i f i e s ，r i s k e s t i m a t e ，r i s ke v a l u a t i o n ，r i s kd e c i s i o na r cp u tf o r w a r d ( 3 ) t h er e s e r v o i r sr i s ka n a l y t i ct e c h n o l o g yo f f l o o d - p r e v e n t i o ni sr e s e a r c h e da n d m o n t e c a r l oi m i t a t i v e t e c h n i q u ei sa n a l y z e d i m i t a t i v ep r o c e d u r eo fm o n t e c a r l oo f m u l t i o b j e c t i v e a n dm u l t i - f a c t o rr i s k a n a l y s i s i s p l a n n e d i n l i g h t o fs p e c i a l t yo f r e s e r v o i r sr i s ko f f l o o d p r e v e n t i o n 。i m i t a t i v ef o r m u l ao fm a j o rf a c t o ra b o u tr e s e r v o i r s r i s k a n a l y s i s o ff l o o d p r e v e n t i o na l e g i v e n a n di m i t a t i v e p r o c e d u r e a r e d e s i g n e d m o n t e - c a r l oo f m u l t i - o b j e c t i v ea n dm u l t i f a c t o rr i s ka n a l y s i st e c h n i q u ea n dm e t h o da r e 郑州大学硕士学位论文 中，英文摘要 b r o u g h t f o r w a r d ( 4 ) r i s k o b j e c t i v eo f r e s e r v o i r f l o o do p e r a t i o na r ec e r t a i n e da n dt h er e s e r v o i r sr i s k o f f l o o d p r e v e n t i o n a r ed e f i n e d s ot h ec o n c l u s i o nt h a t f l o o d t y p i c a lc h o i c e ， f l o o d f o r e c a s te r r o r , f l o o d o p e r a t i o nd e l a ya r em a j o rr i s kf a c t o ra r ed e c i d e d m e t h o do f r i s ke s t i m a t ea b o u tm a j o rr i s kf a c t o ra r ep o i n t e d o u ta n df o r m u l aa n di m i t a t i v e p r o c e d u r eo f m a j o r r i s kf a c t o ra r ed e s i g n e d ( 5 ) b a s e do nd y n a m i cp r o g r a m m i n gp r i n c i p l e ，d y n a m i cp r o g r a m m i n gm o d e lf o r r e s e r v o i ru t i l i z a b l eb e n e f i ti se s t a b l i s h e d t h ep u tv a l u em e t h o di si n t r o d u c e d ，w h i c h r e a l i z er e l a t i o nb e t w e e nw a t e rl e v e l ，c a p a c i t yo fr e s e r v o i ra n dd i s c h a r g eo fr e s e r v o i ri n c o m p u t e r t h e m e t h o di sp r o v e de f f e c t i v eb ys t u d i e dl u h u nr e s e r v o i r ( 6 ) r i s ko ft h ef l o o d p r e v e n t i o ni sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h el u h u nr e s e r v o i ro f a c t u a la n di m i t a t i v ep r o c e d u r eo fm o n t e - c a r l oo fm u l t i - o b j e c t i v ea n dm u l t i _ f a c t o ri s d r e w e du pu s i n gv i s u a lb a s i c al o to fc a l c u l a t i o no fo b j e c t i v ef l o o d p r e v e n t i o na n d u t i l i z a b l ea r ei m i t a t e df o rd i f f e r e n tw a t e r1 e v e li nf l o o dp e r i o du s e dd a t u mo fl u h u n r e s e r v o i ra c t u a l f l o o d ，r e s e r v o i r c h a r a c t e r i s t i c ，f l o o d f o r e c a s ta n dr e s e r v o i r f l o o d p r e v e n t i o n ，a s ar e s u l t ，d i f f e r e n tr i s kp r o b a b i l i t yo ff l o o d - p r e v e n t i o na n dr i s k b e n e f i ta r ea c q u i r e di nt h ee v e r yh 1 1 do fc o n d i t i o n a f t e ra l l r o u n da n a l y z i n gt h er e s u l t s 。 s u g g e s t i o no f 3 1 6 5w a t e rl e v e li nf l o o dp e r i o df o rl u n h u nr e s e r v o i ri sp r e s e n t e df r o m t h ev i e w p o i n to ft h er e s e r v o i r sr i s ko ff l o o d p r e v e n t i o n m s kp r o b a b i l i t yo ft h e3 16 5 p r o j e c ti sp e r o 2 8a n dt h e3 1 6 5p r o j e c ti n c r e a s e1 1 0 0 k w ht h a nt h e3 1 5 5p r o j e c t o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ec o m p a r e dd i f f e r e n tu n c e r t a i nf a c t o ri nt h ep r o j e c t s ， f l o o d - f o r e c a s ti sc o n f i r m e dt h a ti sm a j o rr i s ks o u r c ea b o u tr e s e r v o i rf l o o d p r e v e n t i o ni n t h eu n c e r t a i nf a c t o r i n c l u d i n g f l o o d - t y p i c a lc h o i c e ，f l o o d - f o r e c a s t e r r o ra n d f l o o d o p e r a t i o nd e l a y k e y w o r d s ： r i s k ；r i s ka n a l y s i s ；r i s kp r o b a b i l i t y ；m u l t i o b j e c t i v e ；r e s e r v o i r f l o o d - p r e v e n t i o n ；m o n t e - c a r l o ；i m i t a t i o n ；u n c e r t a i n t i e s ；u t i l i z a b l eb e n e f i to f r e s e r v o i r ； o p t i m a lo p e r a t i o n ；d y n a m i cp r o g r a m m i n g 郑州i 大学顶 一学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 水库防洪调度风险分析的背景和研究意义 1 1 1 水库防洪调度风险分析问题的提出及研究的必要性 水是人类生存和社会发展的物质基础，是不可替代的重要的自然资源。是水 孕育了绿洲、滋润着生机，是水维系着繁荣。从古到今，多少文明兴衰无不于水 相关。随着人口的增长、社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对水的需 求与日俱增，有限的水资源供给量和不断增长的需求量之间形成尖锐矛盾，水供 需矛盾日益突出。 我国许多地区存在着水资源紧缺的问题。既使在许多已建水库的地区，也因水 库在运行管理中出现的一些问题而使水资源得不到充分利用 1 3 1 。为了防洪的需要， 一般水库采用的设计洪水很大，各大型水库在设计时都留了很大的防洪库容，以 保证水库工程及下游地区的防洪安全，这是必要的。但由此造成了在水库调度中 防洪与兴利的很大矛盾，在水库的设计和运用中防洪和水库安全一般都应该是首 要的任务。因此在汛期要严格控制水库蓄水位不超过设计汛期限制水位，留出较 大的防洪库容准备调蓄可能来的设计洪水和校核洪水。通常水库防洪运用方式是： 一旦水库蓄水位超过汛期限制水位时，就要将汛限水位以上的蓄水赶快泄掉。在 南方的许多水库，虽然在汛期也有汛期限制水位的约束，但在汛期以后，入库水 量还不少，在一定情况下可以蓄满或部分蓄满汛期限制水位以上的库容。但是在 北方的水库，由于汛期以后的来水很少，而水库在汛期限制水位以上的库容又很 大，汛期以后很大的库容是空的，很难有水蓄上去，这样的问题在北方地区是广 泛存在的。 因此为防洪安全，汛期不敢蓄水，以致汛后库水位常常达不到正常蓄水位， 影响了水库的供水，供需矛盾日益尖锐。随着社会经济不断发展，水资源作为重 要的战略资源，对水库的防洪安全与供水保障要求日益提高。在确保水库防洪安 全的前提下，合理调节水库防洪与兴利库容，是提高水资源承载能力的有效手段 之一【4 4 j 。另一方面，由于人类活动的影响使流域的产汇流条件发生了较大变化， 随着科学技术的进步和工作经验的积累，加深了对流域暴雨洪水规律的认识，有 必要对工程的设计洪水进行复核分析。因此，为了更好地发挥水库的综合利用效 益，对水库防洪调度风险分析研究是非常必要的。 由于在洪水设计计算中、洪水预报、水库调度等诸方面存在众多的不确定性 因素，这些不确定因素的存在，在提高水库兴利效益后，有可能导致水库防泱运 用过程中出现风险。为了实现兴利效益与防洪目标的最佳结合，需对不同兴利效 益方案相应的防洪风险进行分析，为兴利效益方案的正确选择和水库防洪调度提 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 供科学依据。 1 1 2 水库防洪调度的特点 水库防洪调度不仅涉及下游的防洪安全，也直接影响水库兴利效益的发挥。 因此，无论从防洪要求、水库工程安全还是为了取得更大的兴利效益，都必须搞 好水库防洪调度。水库防洪调度按其研究和实施阶段划分，有规划设计阶段的、 年度计划阶段的及实际调度运用阶段的。实际调度运用是指面临洪水，利用水库 工程，根据既定的调度规程实施蓄泄方案，是其以前阶段各种研究的实践，是取 得防洪、兴利效益好坏的关键过程。 水库实际防洪调度，与规划设计阶段研究制订的防洪调度方案有定联系， 但有很大差异，且具有更大的难度【 i o 】。在水库的规划设计阶段，对水库的防洪调 度虽曾进行一定深度的研究，但其主要目的是为了确定水库的防洪特征水位、主 要参数及防洪经济效益，并为兴利效益计算提出了水位的控制条件。当然也为水 库建成后，规定了在特定来水条件下的调度原则与调度方式。规划设计阶段要考 虑出现特大洪水，如1 0 0 年一遇、1 0 0 0 年一遇甚至更大的洪水；下游防洪标准要 考虑1 0 年一遇、2 0 年一遇、5 0 年一遇甚至1 0 0 年一遇洪水：兴利方面，则要考 虑出现7 5 、9 0 甚至9 5 频率的枯水。在安全及效益计算时，又是假定同年既 可能出现设计洪水，又可能出现设计枯水，并依此规定水库在任何实际年份的运 用方式。但在水库的实际运用中，大量面对的是一般年份，在这些年份中，洪水 没有设计的那样大，枯水没有设计的那样枯。换言之，在这些年份并不需要那样 大的防洪库容，或不需要按设计预留那样大的防洪库容，对兴利供水可提供较之 设计更多的水量及更充分的水位条件，以取得更好的效益。由于水库调度中存在 众多的不确定性因素，致使水库防洪调度中存在着风险。 1 1 3 水库防洪调度的风险问题 水库防洪调度的风险 1 1 - 1 7 1 主要来源于面临洪水、泄流能力及调度实施等方面 的不确定性。 ( 1 ) 面临洪水的随机性 在设计阶段，无论是为水库本身安全的水库调洪计算还是为下游防洪的调洪 计算，所依据的设计洪水，都是作为已知条件给定的；而实际防洪调度所面临的 洪水是未知的，或是预见期极短、预报精度不太高的预报洪水，在当前气象预报 水平条件下，其雨情预报仅能作为参考。对面临洪水未知或知之不确是实际洪水 调度面临的最主要的不确定因素。 ( 2 ) 泄流能力的不确定性 由于水库泄洪设施设计参数的选取和计算过程中存在一定程度的不确定性； 泄水建筑物施工误差和控泄设备的制造、操作等方面的不确定性，也会导致泄水 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 建筑物的泄流能力偏离设计值。这些不确定性的存在都将导致水库防洪调度中产 生风险。 ( 3 ) 防洪调度实施的不确定性 在设计阶段，对调洪演算的蓄泄过程一般是不计算决策用时和操作用时的， 但在实时调度时，从收集水情、做出方案、上报领导决策，下达操作命令和执行 及通知下游作好防汛准备等一系列过程，占时较多，常使泄洪不及时，壅高了调 洪水位，如后续洪水很大，会造成防洪目标破坏；设计阶段的调洪演算，当某一 时段或最终结果不符合要求时，可以调整蓄泄过程，重新演算，但实时洪水调度 是不可返回操作的，对上一时段的操作结果不论正确与否，都必须作为本时段操 作的初始条件。为改正上一时段的失当，只能在本时段及以后时段调整，这就可 能造成不应有的损失。 i i 4 研究的意义 在水库规划设计阶段，防洪限制水位的确定是以下游防洪标准对应的洪水和 设计洪水为基础进行的i l ”。而在水库运行阶段，为了防御出现防洪标准相应的洪 水不致造成防护区的洪灾损失，或遇设计洪水时保证大坝安全，在汛期运行时库 水位不能超过防洪限制水位。事实上，按此库水位运行只有设计洪水概率的可能 性水库才蓄到防洪高水位或设计洪水位，大多数年份，由于汛期来水不大，为了 满足防洪限制水位要求，汛期不得不强制性放水，很可能导致在汛末难以达到正 常高水位，水库不能得到充分利用，影响了综合利用效益。因此，水库防洪风险 分析的研究具有重要意义，主要体现在以下几方面： ( 1 ) 同时考虑洪灾损失和兴利效益 水库防洪调度风险分析是在水库现有的工程设备和来水条件下，提高水库的 蓄水量来增大兴利效益的同时充分考虑风险损失，从正反两方面论证提高水库蓄 水量的可能性，科学客观的挖掘水库兴利的潜力，最终达到水资源充分有效地利 用。 ( 2 ) 探讨多因素、多目标的风险分析方法 水库防洪调度，不仅受到自然规律影响，而且还受到人为的影响。因此，是 个复杂的多目标决策系统。所以，对多因素、多目标的风险分析方法的研究更具 有现实意义，同时拓展了水库防洪调度的思路提供了新的研究手段，对水库运行 的科学管理具有十分重要的意义。 ( 3 ) 对其它资源风险问题具有一定的参考价值 水资源是自然资源之一，任何自然资源都与水资源一样，具有一定使用价值 和价值，却又受到一定量的限制，同样在合理有效利用方面存在着风险问题。资 源利用风险问题有一定的相似性和差异性，水库防洪调度风险分析，对解决其它 郑州大学顶士学位论文第一章绪论 风险问题具有一定的参考价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外水库运用风险分析现状 针对水库调度中风险，1 9 7 6 年c o l o m i t 2 0 】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 9 8 0 年s i m o n o v i c t 2 1 1 等拓宽了上述可靠性规划模型，将一个可靠性约束增加到两个，即 考虑洪水与于旱可靠性水平，并将洪水风险损失函数与干旱风险损失函数加入目 标函数中；h o g a n 将可靠性以决策变量形式考虑，并引进风险损失函数，定量地表 示了目标偏离期望的代价，提出了水库可靠性规划理论；1 9 7 9 年，h o u c k 提出了 一个包含于未来径流预报有关的风险模型，该模型以预报可靠性作为输入，是一 个有机遇约束的线性规划模型；v o g e l 2 2 1 等考虑了决策者对风险所持的态度，构筑 了水库运行时防洪与兴利的效用函数，尔后利用对策论来制定水库运行策略：1 9 8 4 年h a s a ny a z i c i g i l 2 3 】等利用该模型研究了风险及可靠性对水库设计的影响；1 9 8 8 年h u 等进行了综合利用水库防洪与兴利矛盾的多目标风险分析，以多目标决策 理论为基础，并以分解和聚合方法为工具，建立了一个综合利用水库的模型系统； 1 9 9 2 年n a r d i n i 等针对水库的供水与防洪管理目标，利用风险厌恶和期望成本相结 合的方法，以此来确定水库的最优运行策略；同年，s i m o n o v i c 2 4 】等探讨了水文预 报可靠性与水库运行惩罚函数之间的两目标权衡问题，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 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。 1 2 2 国内水库运用风险分析现状 在国内，水库调度风险研究是随着系统工程理论的发展、应用和经济社会发展 雨展开的。 在8 0 年代初，水库运用风险问题在我国已经引起重视，经过2 0 多年的研究 到目前为止已取得了不少成果。根据问题的特点，范围、对象和规模的不同，可 以分以下几个类型。 ( 1 ) 水库来水预报风险分析 宋榜科f 2 5 】等以柴河水库为例，详细地介绍了水库雨情自动测报系统的风险分析 方法，首次将“重现期法”、“安全系数法”引进到水库雨情自动测报系统的风险 分析中：徐玉英【2 6 l 等将改进的一次二阶矩法应用于水库洪水预报子系统的风险分 析中。在改进的一次二阶矩法框架下，对水库洪水预报子系统的风险做了定义和 4 郑i ，i 1 大学硕士学位论文第一章绪论 描述；对风险率进行了定量计算；王本德【2 7 等将标准风险评估方法应用到水库洪 水标准的风险分析中，以柴河水库为例，说明水库洪水标准的风险分析方法是可 行的。 ( 2 ) 水库调度风险分析 水库调度由来已久了，对水库调度的风险进行分析和研究是近一二十年的事 情。田峰巍【2s j 等结合黄河干流水库调度，在调度规则的基础上，对采用的规则在 实施运用中的径流用水预报值、误差修正、风险决策等几个关键问题进行了研究： 冯平、陈根福 2 9 1 等针对岗南水库多年运行中库水位常达不到正常蓄水位这一问题， 在岗南水库和黄壁庄水库联合调度下，采用风险效益的分析法，对岗南水库提高 汛限水位的可能性进行了研究，切合实际地给出了合理的汛限水位，提高了水库 的兴利效益；冯平1 3 0 - 3 1 等根据风险决策理论，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，研究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效益提出了具体计算方法，并 通过风险效益比较，定量地给出合理的汛限水位；黄强【3 2 】等针对水库调度的风险 问题，探讨了定性风险分析方法和定量风险分析方法，着重探讨了定量风险分析 方法中的概率与数理统计分析法、模拟分析法、马尔柯夫过程分析法和模糊数学 分析法，引入了不同的风险决策方法：傅湘【3 3 等应用系统分析方法建立了大型水 库汛限水位风险分析模型，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，供决策者进行权衡比较，帮助决策 者在认真分析比较的基础上做出符合科学原则的风险决策；1 9 9 8 年国内专家采用 一维非恒定流模型进行了三峡一枝城河道水流演迸计算，并采用系统分析方法建 立了水库汛期限制水位的风险分析模型。 ( 3 ) 水库防洪泄洪能力风险分析 水库泄洪能力是根据泄洪建筑物的结构型式，分别按溢洪道的堰流公式或泄洪 洞的有压管流公式计算的，但其公式中变量的分布，由于目前缺乏实测资料，通 常只能分析假设。徐祖信口4 j 等提出了开敞式溢洪道水力设计中风险的计算模式， 首次将j c 法用于泄洪风险；郑管平p5 j 等综合考虑了水文和水工方面的不确定因素 对溢流坝泄洪能力的影响；姜树海 36 用j c 方法进行泄水构件免空化概率极限设计 的计算和分析；金明【37 j 系统研究了水力不确定性在防洪泄洪系统风险分析中的作 用；储祥元口8 】以f o s m 法进行参数估计，以m c 法结合拟优选择的办法求的泄流 能力的最佳概率模型；姜树海1 3 9 】推导了调洪演算i t o 方程，求解了与泄洪风险率紧 密相关的库水位过程的概率密度分布；朱元牲【4 0 等就水库安全设计与垮坝风险问 题进行了研究，认为设计标准应因地而异和因时而异；杨白银【4 卜4 2 】等研究了单一 郑卅i 大学硕士学位论义第一章绪论 和梯级水库两种泄洪风险分析模式，将j c 法引入水库泄洪风险分析计算中：王长 新【4 3 等对泄洪消能风险计算的j c 法和m c 法进行了对比；姜树海 4 4 1 建立了漫坝失 事的随机模糊风险分析模型；熊明【45 】提出了大坝防洪安全风险计算的原则、方法 及适用条件。 ( 4 ) 水库多目标风险分析 王本德【4 6 等建立了水库防洪实时风险调度模型，该模型考虑了水库下游防洪 效益与水库风险两个目标。1 9 9 1 年国内专家j 选用某水利工程防洪、发电、航运、 建设投资和移民费用等作为该水利枢纽经济风险分析的基本风险变量，采用三角 形分布法求得基本风险变量的概率分布，然后用蒙特卡洛法推求该工程总体经济 效益的概率分布；1 9 9 5 年针对期望值方法的不足，将分区多目标风险分析方法应 用到防洪系统的最优规模决策之中，充分考虑了防洪安全、经济发展和洪灾风险 之间的关系，以利于正确优选防洪体系和相应的规模；1 9 9 8 年结合水电工程的实 际，建立了经济评价多目标风险分析模型，提出利用风险概念，结合改进后的 e l e c t r e 2 方法，并利用随机优选法结合线性分配法来求解上述模型。然后再用 集结技术进行方案的最后排序，以利于好中取优。 1 3 水库防洪风险调度分析的不足及发展趋势 水库防洪风险调度分析是一门新兴学科，在世界各国水利专家、学者的共同努 力下，利用各种手段进行了广泛的探索，在水库调度风险分析方法研究取得了许 多可喜的进展和成果，但由于水资源系统结构复杂，涉及面广，影响因素众多等， 无论在理论、方法上，还是在应用上都尚未达到完善的地步。因此还需要付出更 多努力。现将目前水库防洪风险调度研究中存在的主要问题归纳如下： ( 1 ) 对多目标、多因素重视和研究不够 目前水库防洪调度风险分析只考虑单目标或者单因素，造成水库防洪调度风 险分析的结果缺少客观实用性。水库防洪风险调度，防洪目标和风险因素众多， 因此，今后在水库防洪调度风险分析中，综合考虑多目标、多风险因素，特别是 多因素联台作用下对水库防洪调度的影响需要迸一步的研究，使风险分析的结果 更好的指导水库的实际运用 ( 2 ) 未充分考虑主观人为因素 目前对主要风险因素中，只重视客观因素，忽视主观人为因素，造成分析结 果不合理，不能合理有效地利用水资源。在众多风险因素中，主观人为因素是不 可忽视的。因此，今后要合理的考虑主观人为因素，进一步研究确定在风险估计 中主观因素的概率分布，在主观估计的量化更贴近实际，从而使风险估计更加全 面、合理。 6 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 需要引进新的理论和方法 目前，水库防洪调度风险分析的方法多采用概率与数理统计分析法、马尔柯夫 过程分析法、模糊数学分析法等传统方法，这些方法应用于复杂大系统时受到一 定的限制。而随着科学技术的进步，各种学科相互渗透，把别的学科的科学成果 引用过来，如蒙特卡罗法、结构分析法、解耦理论等，对于随机现象、互相关联、 非线性等风险分析问题充分显示了优越性。若在水库防洪调度风险分析中应用这 些新的理论和方法，不仅能促进这些方法的实际应用，同时也是对风险分析理论 和方法的有益探讨。 1 4 本文的主要研究内容 本文是在水资源供需矛盾日益加剧、水资源短缺已成为制约社会经济发展的 制约因素的情况下，结合陆浑水库调度项目，以河南省陆浑水库作为研究背 景，进行水库防洪兴利风险分析的理论探讨和实际应用研究。 本文在学习和研究风险分析基本理论的基础上，建立了水库防洪调度的风险 分析模型和水库优化调度模型，研究了模型求解技术和方法，并以陆浑水库为实 例，进行水库防洪调度的风险分析的实例应用研究。 本文研究内容归纳起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 水库防洪风险分析 阐述了风险与风险分析的概念，明确了水库防洪风险的概念和风险分析的 对象，提出了包括由风险识别、风险估计、风险评价和风险决策组成水库 防洪调度风险评价的实施程序。 研究了水库调度风险常用的指定分布纯随机序列的模拟，给出了三角形、 梯形等分布的随机模拟公式及在计算机上实现的流程图。 分析水库调度风险分析技术的，结合水库防洪调度风险分析的特点，利用 蒙特卡罗( m o n t e c a r l o ) 模拟技术设计了水库防洪调度多风险因素、多风 险目标风险的模拟流程，提出了风险评价方法。 ( 2 ) 水库兴利调度分析 阐述了用于水库优化调度动态规划原理，建立了水库优化调度模型。 概述了调洪演算原理，编制了水库调洪演算程序。 ( 3 ) 陆浑水库风险分析研究 针对陆浑水库实际情况，编制了陆浑水库兴利动态规划模型的求解程序， 分析确定了陆浑水库防洪调度的风险目标，给出了陆浑水库防洪调度风险 的定义。在此基础上，确定了主要风险因素，分析确定了风险估计方法， 并给出了相应的模拟公式，编制了相应的模拟计算机程序。 用陆浑水库的实测洪水、水库特征和洪水预报成果等资料，对陆浑水库几 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 个汛限水位方案，按设计洪水成果，对不同的防洪目标进行了模拟计算， 得到了各种情况下的不同防洪目标的风险率。通过系统全面的分析，对风 险与效益进行了评价。 郏州大学硕士学位论文第二章水库骆洪调度多目标风险模拟模型 第二章水库防洪调度多目标风险模拟模型 水库风险分析要同时考虑风险损失和兴利效益，其中在计算风险损失时要考 虑大坝安全、征地水位、移民水位、下游防洪等一系列目标，所以水库风险分析 具有多目标性。由于各目标相互关联非线性关系，用数学规划模型很难准确的表 达出来。随着计算机技术的发展，模拟技术得到了长足的发展，模拟模型具有客 观、合理、实用等特点被广泛运用。 2 1 水库汛期风险调度模型 当来水量一定时，影响水库蓄水量的主要困素为1 3 1 】：汛限水位日。，正常高 水位日：，最高蓄水位j v 。，起蓄时间t 。2 乏n 蓄水位t ，即： w = f ( h ，h ：，汀。，。，t ) ( 2 1 ) 当。、t 一定时，最大蓄水量： 既。= f ( h 。，：，h 。) ( 2 2 ) 对已建成的水库，正常高水位日：和最高蓄水位日。主要与工程规模有关，基 本也是一定的，这样影响蓄水量的因素主要就是汛限水位日。提高汛限水位， 可以增加水库蓄水量，提高兴利效益，但会减少水库的防洪库容，带来防洪调度 风险。因而，在水库汛限水位的确定时，应兼顾兴利效益和防洪风险存在，实现 防洪与兴利的统一。 水库提高汛限水位后，从风险损失与兴利效益角度看，应是以较小的风险带 来较大的效益增值。其中水库提高的汛限水位所带来的效益要大于风险损失。 数学模型可表示为： m a x f ( x ) ；p ( x ) h 1 ( 2 - - 4 ) 在水库防洪调度中，可根据不同的研究目的选择不同的变量来表征荷载和抗 力，并依荷载与抗力的关系给出不同目标风险的具体定义。水库防洪调度风险问 题的荷载是由洪峰流量、不同时段洪量组成的洪水过程，抗力是在水库特定的泄 水系统和调洪运用规则下，不同等级洪水相应的防洪目标。如可选不同几率洪水 作为荷载，对应几率洪水的水库调洪高水位或水库最大泄量作为抗力等。 ( 2 ) 风险分析概念 风险分析是对水库防洪调度中存在的各种风险进行识别、估计、评价，并在 此基础上优化组合各种风险管理技术、做出风险决策【50 1 。风险分析的目的在于以 最少的成本实现最大安全保障的效能，能否实现这个目的，不仅取决于决策前识 别、估计、评价风险是否正确，而且还取决于选择的最佳风