（农业水土工程专业论文）水库抬高汛限水位方案的风险效益评估研究.pdf

摘要 随着我国社会经济的快速发展，许多地区对地表水、地下水等常规水资源的开采 利用己经达到了极限，开发利用新的淡水资源己经成为当前迫在眉睫的重要任务。在 此背景下，洪水作为一种非常规水资源，越来越多的进入了人们的视野。 洪水给人类带来过巨大的灾难，但洪水并不是只具有灾难属性，在某种程度上它 还具有资源的属性。2 0 0 3 年，国家防汛抗旱总指挥部办公室正式提出了“洪水资源 化”的概念，要求在承担适当的、可控制风险的前提下，尽可能利用洪水资源。而合 理抬高水库汛限水位作为一种有效挖掘洪水资源潜力的措施和方法，也开始越来越受 到人们的重视。 本文作者在广泛阅读和分析国内外相关研究成果的基础上，以洪水资源化研究为 背景，以水库抬高汛限水位的风险效益综合评估为主题，建立了基于直接积分法( d c ) 和蒙特卡罗法( m c ) 的水库防洪极限风险率计算模型和基于b p 神经网络的水库汛 限水位方案风险效益综合评估模型；结合张河湾水库的实际情况，通过对张河湾水库 的暴雨洪水特征、汛期划分规律、水库调洪过程进行详细的分析和计算，利用本文建 立的模型从风险和效益两个角度对张河湾水库的汛限水位调整方案进行了综合评估， 弥补了传统评估方法没有从风险角度进行评估的缺点。本文的主要内容和研究结果如 下： ( 1 ) 由汛期隶属度的计算结果得出张河湾水库汛期隶属度在7 ，8 月达到最大值， 传统的汛期分期方法对张河湾水库是适用的。水库主汛期向非汛期过渡的“后汛期” 比较明显，在抬高汛限水位蓄水过程中，必须加强对暴雨洪水的监控。 ( 2 ) 通过分析水库防洪极限风险的各种不确定性影响因素，推导出水库防洪极 限风险率的概率分布公式，然后基于蒙特卡罗法( m c ) 建立计算模型，进行模拟计 算。整个模型充分利用了d c 法理论性强和m c 法计算方便的优势。计算结果表明： 张河湾水库汛限水位提高到4 8 0 5 m 后，水库所增加的防洪风险仍在可承受范围之内。 ( 3 ) 通过水库调洪模拟演算结果表明，在发生校核洪水情况下，4 8 0 5 m 方案可 能出现的最高洪水位4 8 8 3 m 低于张河湾水库库区移民水位线4 8 8 5 m ；同时对4 8 0 5 m 方案进行回水计算后结果表明，该方案满足水库回水不进入山西省的设计原则。因此 张河湾水库抬高汛限水位对库区淹没的影响非常小，淹没风险可以忽略不计。 ( 4 ) 综合考虑张河湾水库抬高汛限水位的风险与效益指标，通过b p 网络建立的 综合评估模型对各方案进行了综合评估，结果表明：4 8 0 5 m 方案优于4 7 8 5 m 方案。 将此结果与原方案评估结果进行比较，通过实例计算，证明了本文所提方法的有效性。 关键词：汛限水位；汛期模糊划分；防洪风险率；蒙特卡罗法；风险效益综合评 估；b p 网络 s t u d yo nt h er i s ka n db e n e f i te v a l u a t i o no ft h ep r o j e c to fr a i s i n g f i o o dc o n t r o ll e v e li nr e s e r v o i r n a m e ：g u a l li c e 1 、i t o r ：l u 删 m a j o r a 鲥c i - l t i i i a ls o i la n dw a t e re n g i n e e t i d g a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m yo ft h ec o u n t r y e x p l o i m f i o na n d u s i n go fs u r f a c ew a t e r , g r o u n d w a t e ra n dp r e c i p i t a t i o nh a v ea l r e a d yr e a c h e dt h el i m i t , e x p l o i t i n g a n du s i n gt h en e wf l e s hw a t e rr e s o u r c e sh a sa l r e a d yb e c o m et h ec u r r e n t i m m i n e n td u t y i nt h i si n s t a n c e ，a sn o n - r o u t i n ew a t e rr e s o u r c e sf l o o dh a sc o m ei n t o p e o p l e sf i e l do fv i s i o ng r a d u a l l y f l o o db r o u g h te n o r l n o n sd i s a s t e rt op e o p l e , b u tf l o o di sn o to n l yd i s a s t e ra t t r i b u t eb u t a l s or e s o u r c ea t t r i b u t e i n2 0 0 3 ，t h en a t i o n a lf l o o dp r e v e n t i o n a n d 石g h t ad r o u g h t h e a d q u a r t e r sp r o p o s e do f f i c i a l l yt h ec o n c e p to f ”f l o o dr e s o n r c i n g t h a tr e q u e s t e d t ou s et h e f l o o dr g s o u r , sa sf a ra sp o s s t h l eo nt h ep r e m i s eo ft a k i n gs u i t a b l ea n dc o n t r o l l a b l er i s k r a i s i n gf l o o dc o n t r o ll e v e lo ft h er e s e r v o i rr e a s o n a b l ya sak i n do fe f f e c t i v em e a s u r ea n d m e t h o dw h i c he x c a v a t e df l o o dr e s o u r c e sp o t e n t i a l ，i th a sb e e nr e g a r d e d b yp e o p l e g r a d u a l l y a u t h o rr e a da n da n a l y z e dr e s e a r c hr e s n l tw i d e l y ，u n d e rt h eb a c k g r o u n do ff l o o d r e s o u c i n g , a sr i s kb e n e f i ta n a l y s i so fr a i s i n gr e s e r v o i rf l o o dc o n t r o ll e v e lt h es u h j e c t , r e s e r v o i rf l o o dp r e v e n t i o nr i s kr a t ec o m p u t a t i o nm o d e lb yt h em e t h o do fd ca n dm c ，a n d r i s kb e n e f i ts y n t h e t i c a l l ya p p r a i s a lm o d e lo ff l o o dp r e v e n t i o nl e v e lb yt h em e t h o do fb p n e t w o r kw e r ee s t a b l i s h e d t h ea c t u a ls i t u a t i o no fz h a n g h c w a nr e s e r v o i rw a si n t e g r a t e d , r a i n s t o r i l if l o o dc h a r a c t e r i s t i c , f l o o ds c a s o 2d i v i s i o nr u l ea n dr e s e r v o i ra d j u s t m e n tf l o o d c o l n s eo fz h a n g h e w a nr e s e r v o i rw e a n a l y s i s e da n dc a l c u l a t e d f l o o dc o n t r o ll e v e l a d j u s t m e n tp r o j c c tw a sa p p r a i s e ds y n t h e t i c a l l yb a s e do nt h em o d e l sf r o mt h et w oa s p e c t so f r i s ka n db e n e f i 4t h ed i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a la p p r a i s e m e n tm e t h o dt h a td o n ta p p r a i s e f o r mr i s kw a sf e t c h e du p m a i nc o n t e n ta n dr e s u l to ft h i sa r t i c l e 岱f o l l o w s ： ( 1 ) z h a n g h c w a nr e s e r v o i rf l o o ds c a 湖s u b o r d i n a t i o na r r i v e dt h eh i g h e s tv a l u e b e t w e e nt h em o n t h7a n d8 ，t h et r a d i t i o n a lf l o o ds e a s o nm e t h o di ss u i t a b l eb a s e do n c a l c u l a t i n gr e s u l to ff l o o d s e a s o ns u b o r d i n a t i o n r e s e r v o i r ”t h el a s tf l o o ds o a s o n 。i s o b v i o u sd u r i n gt r a n s i t i o nf o r mm a i nf l o o ds e a s o nt oa f t e rt h en o n f l o o ds e a s o n i nt h e p r o c e s so fr a i s i n gf l o o dc o n t r o ll e v e lt h em o n i t o r i n go fr a i n s t o r ma n df l o o dm u s tb e s t r e n g t h e n e d ( 2 ) r e s e r v o i rf l o o dp r e v e n t i o nr i s kr a t ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf o r m u l ao fr e s e r v o i r f l o o dp r e v e n t i o nr i s kr a t ew a sd e d u c t e db ya n a l y z i n gn od e t e r m i n a t ei n f l u e n c ef a c t o r so f r e s e r v o i rf l o o dp r e v e n t i o nr i s k , c o m p u t a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e da n dc o m m u t a t e db a s e d o n ( m c ) t h ew h o l cm o d e lh a sf u f l yu s e ds n p 盯i o d t yo ft h ed cw i t hs t r o n gt h e o r ya n d t h em cw i t hc o n v e m e mc o m p u t u f i o n t h ec o m p u t i n gr e s u l ti n d i c a t e dt h a t , a f t e r z h a n g h e w a nr e s e r v o kf l o o dc o n t r o l l e v c lr a i s e dt o4 8 0 5 m t h ef l o o dp r e v e n t i o nr i s kw h i c h t h er e s e r v o i ri n c r e a s e dw a sc o n t r o l l e di nt h es c o p eo fw i t h s t a n d i n g ( 3 ) s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o nr e s u l to fr e s e r v o i ra d j u s t i n gf l o o di n d i c a t e d , i nt h e s i t u a t i o no fe x a m i n a t i o nf l o o d , i nt h ec a s eo f4 8 0 5 mp l a n , h i g h e s tf l o o dw a t e rl e v e l 4 8 8 3 mi sl o w e rt h a ni m m i g r a n tw a t e rl e v e l4 8 8 5 mo f 瑚e 曲d i s t r i c t ；b a c k w a t e r c o m p u t a t i o nw a sc a r r i e do nb a s e do n4 舳5 mp l a n ；r e s u l t si n d i c a t e dt h a lt h i sp l a ns a t i s f i e d t h ed e s i g np r i n c i p l eo fr e s e r v o i rb a c k w a t e rn o tt oe n t e rs h a n x ip r o v i n c e t h e r e f o r e 。 i n f l u e n c ew a sv e r ys m a l la d j u s t i n gf l o o dc o n t r o ll e v e lt ot h er e s c r v o rd i s 缸i ds u l m a e r g e n c e , s t o r i n gw a t e rs u b m e r g e n c er i s ko fr e s e r v o i rd i s t r i c tc a nb en o tc o n s i d e r e d ( 4 )r i s ka n db e n e f i t t a r g e to fr a i s i n gf l o o dc o n t r o ll e v e lw e r ec o n s i d e r e d s y n t h e t i c a l l y ，e v e r yp l a nw a sa p p r a i s e ds y n t h e t i c a l l yb yt h em o d e lb a s e do nb pn e t w o r k , t h er e s u l t si n d i c t e d ：t h e4 8 0 5 mp l a ns u r p a s s e dt h e4 7 8 5 mp l a n c o m p a r e dt h i sr e s u l tt o o r i g i n a lp l a n , v a l i d i t yo ft h em e t h o di nt h i sp a p e rw a sp r o v e db yi n s t a n c ec a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：f l o o dc o n t r o ll e v e l ；f l o o ds e a s o nf u z z yd i v i s i o n ；f l o o dp r e v e n t i o nr i s kr a t e ； m o n t e c a r l o ( m c ) ：s y n t h e s i sa p p r a i s a lo fr i s kb e n e f i t ；b pn e t w o r k 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及取得的研究成果。 据我所知，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 写过的研究成果，也不包含为获得塑些壅些盘堂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己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：荚珂 签字日期：西刁年月眵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑韭盘些盘茎有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权塑些盔些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，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 美珂 签字日期：矽中年厂月) 字日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：纠年月缪日 电话： 邮编： 水库抬高汛限水位方案的风险效益评估研究 1 1 研究背景和意义 1 引言 水资源可定义为：人类生产生活及生命生存不可替代的自然资源和环境资源，是在一定的 经济技术条件下能够为社会直接利用，或待利用，参与自然界水分循环，影响国民经济的淡水 1 1 。我国是一个严重缺水的国家，人均水资源占有量2 2 0 0 岔，仅为世界平均水平的1 “，是世界 上1 3 个贫水国之一与此同时，我国又是世界上用水量最多的国家之一，据统计，仅2 0 0 2 年 全国淡水取用量已达到5 4 9 7 亿一，约占世界年取用量的1 3 i ”j 水资源紧缺已成为制约我国 社会经济可持续发展的主要因素之一，严重妨碍了我国社会经济的快速发展。以海河流域为例， 天津、邯郸、沧州、德州等城市在干旱年都出现过水资源危机，许多地区为了维持城乡居民用 水和工业生产用水，不得不压缩灌溉面积，超量开采地下水。据1 9 9 1 1 9 9 8 年统计资料，全流 域年平均地下水超采量达加余亿一，其中1 9 9 7 年( 枯水年) 超采多亿n ，；与5 0 年代末 相比，全流域平原地区地下水储量减少9 0 0 亿n ，超采区面积8 万余k m 2 ，漏斗区面积达1 8 万k m 2 ，由于缺水，工农业之间、地区之间的争水矛盾日益尖锐。 正如上文所述，目前我国许多地区对地表水、地下水及天然降水等常规水资源的开采和利 用己经远远不能满足人们生产、生活的需要，开发利用新的淡水资源成为了当前迫在眉睫的重 要任务；如何高效合理利用水资源进一步挖掘水资源利用潜力，以水资源可持续利用支撑经 济社会发展，成了人们共同关心的重要问题 在这个背景下，洪水作为一种过去没有得到充分利用的非常规水资源，越来越多的进入了 人们的视野。洪水给人类带来过巨大的灾难，但洪水并不是只具有灾难属性，在某种程度上它 还具有资源的属性。2 0 0 3 年，国家防汛抗旱总指挥部办公室在该部门组织召开的全国性会议上， 正式提出了“洪水资源化”的概念。要求在承担适当的、可控制风险的前提下，尽可能利用浃 水资源，并提出要实现从。洪水控制”到“洪水管理”的治水思路的改变。 水库是控制地表径流最主要的工程措施。水库在汛期把部分洪水存储起来，通过控制下泄 流量，减轻洪水对下游的威胁，降低防洪风险；在非汛期，利用汛期的蓄水发展灌溉、发电等 兴利事业。建国后，我国的水库建设事业取得了很大的成就，截至1 9 9 8 年，全国已建成水库 8 4 9 万座，总库容4 9 2 4 亿岔，其中大中型水库3 0 5 6 座总库容4 3 3 3 亿一。这些工程的兴建， 大大提高了水资源的开发利用能力目前，我国已建成的水库累计解决了2 1 亿人的饮水困难， 配套建成了4 0 0 多万h m 2 以上的灌区，农田灌溉面积从1 9 4 9 年的1 6 0 0 万h m 2 发展到目前的近 5 3 0 0 多万h m 2 ，其中有3 3 0 0 万h m 2 为早涝保收的高产、稳产田科水库对我国工农业发展、缓 解重点缺水地区的供需矛盾，起到了重要的作用。 但是与此同时我们必须注意到，随着我国社会经济的快速发展，城市化进程日益加快，许 多以防洪灌溉功能为主的水库，变为了以发电和城市供水为主，人们对水库的防洪安全和供水 保障提出了更高的要求。而与之相反实际情况却是一许多水库因为水库调度管理方法不合理、 汛限水位制定偏低等原因，造成了水资源的大量浪费；特别是运行时间较长的大中型水库，由 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 于设计条件与运行条件发生了很大变化，设计汛限水位在实际控制运用中，暴露出一系列问题。 这其中最突出的问题就是：汛限水位设置偏低，加之在洪水实时调度过程中又机械的按照单一 汛限水位进行控制，不管实际水情、雨情如何，只要库水位超过汛限水位便立即弃水，致使很 多年份形成“汛期弃水，汛后不能蓄至正常蓄水位”的局面，洪水资源浪费很大。 随着水资源供需矛盾的加剧和国家重视力度的加强，越来越多的水利专家、学者开始关注 洪水资源化问题。抬高水库汛限水位、增加水库汛期蓄水，作为一种能有效挖掘洪水资源利用 潜力的措施和方法，越来越受到人们的重视。以海河流域为例，该地区水资源严重短缺，全流 域水资源总量3 7 2 亿n ，人均总水资源占有量仅有3 0 5 一，为全国平均值的1 厂7 ，世界平均值 的1 2 7 ，远低于人均1 0 0 0o 的国际水资源紧缺标准；亩均水资源量2 2 5m 3 ，为全国平均值的 1 8 流域一般年份城市和农村缺水总量达亿一，缺水情况严重；水资源开发利用程度高， 地下水己严重超采，地表水利用己达9 0 。水资源短缺已经到了非常严重的地步。而据有关研 究表明：若能合理抬高流域内各水库汛限水位，该流域3 0 座大型水库平均每年可增加兴利库容 1 3 亿2 6 亿i 一可以有效的缓解本地区水资源供需紧张的局面。因此若能在保证水库防洪安全 的前提下，合理提高水库汛限水位、充分利用洪水资源，将具有十分重要的理论和现实意义 水库汛限水位的设置，本质上是为了协调水库运行管理过程中兴利与防洪之间的矛盾关系 【4 】，一方面，它是水库汛期允许兴利蓄水的上限水位；另一方面，它也是汛期水库防洪调度时 的起调水位，是决定水库防洪库容大小的重要因素。汛限水位的确定和调整涉及到很多因素， 如水文、工程、下游保护对象及蓄水兴利要求等等在一次洪水过程中，汛限水位的高低关系 到水库调洪过程中坝前最高洪水位的高低：关系到水库及其下游防洪风险的大小；同时也关系 到水库所承担的供水兴利任务是否能够完成。如果汛限水位的设置过低，虽然可以保证水库的 防洪安全，但同时也会造成汛期的大量弃水，使洪水资源大量浪费造成。汛期弃水，汛后不 能蓄至正常蓄水位”的局面，这与水资源可持续利用的理念是相悖的因此，防洪限制水位的 设置不能过低，而是应该在保证水库防洪安全的前提下，尽可能的抬高水库的汛限水位，最大 限度地增加蓄水量从而增加水库的供水、发电效益，同时也能更好的满足水库的排沙及通航 水深等其它方面的要求。 综上所述，在水资源日益匮乏的情况下，协调兴利与防洪之间的矛盾，合理调整水库汛限 水位，在保证防洪安全的前提下充分发挥蓄水效益，是有效解决我国( 尤其是北方缺水地区) 水资源紧缺问题的重要途径之一；同时对水资源可持续利用也具有现实而又深远的意义。 但是防洪和兴利是一对矛盾，抬高水库汛限水位、增加兴利效益的同时必然会导致水库防 洪风险的提高。为了确保能优选出合理的汛限水位调整方案、充分利用洪水资源，就必须从风 险和效益角度对汛限水位调整方案进行综合评估，否则所确定方案可能会导致得不偿失的可怕 后果。因此，本文作者以洪水资源化研究为背景。对水库抬高汛限水位的风险效益综合评估进 行系统的研究，希望为合理确定水库汛限水位调整方案、充分利用洪水资源，做出一些有价值 的探索。 2 水库抬高汛限水位方案的风险效益评估研究 1 2 涉及问题的研究现状和发展趋势 1 2 1 汛期分期研究 传统习惯上，北方汛期的时段为7 、8 、9 三个月，以9 月3 0 日2 4 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， 而且从严格的物理意义上讲，= 者之间应存在一个连续变化的过程；与之相应的防洪库容也应 该是一个连续变化的过程。因此，为了提高水库综合利用效益，国内外学者对如何利用暴雨洪 水的季节性变化特征来缓解水库防洪与兴利的矛盾进行了许多有益的探索。 陈守煜等首次提出了河流由非汛期逐步过渡到汛期，经历一段时问后，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，他提出了完整的汛期模糊集模式；并提出用直接 模糊统计试验确定汛期相对隶属函数，经过对试验进行稳定性分析，证明在稳定性论证的基础 上，当得到资料年限足够长时，讯期相对隶属函数可近似地看作是汛期绝对隶属函数，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i l l 。 侯玉等研究得出了在年中的一定时期内，洪水的发生具有较相似的机制，以此作为分形 理论应用于汛期分期的初步依据。提出了应用分形理论划分洪水分期的方法并以雅垄江小得 石站洪水分期为实例。验证了洪水洪峰点据的分形是客观存在的，分形方法适用于洪水分期的 研究。该方法物理背景强，具有广阔应用前景，但方法中样本固定值的选择带有不确定性i l 川 蒋云钟等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 结束时问以及可靠结束时间等可靠性分析概念l l “ 刘攀等针对三峡水库汛期分期问题。提出利用变点分析法进行定量分析。分别利用变点分 析的均值变点和概率变点分析法，基于宜昌站的洪水资料，将三峡水库汛期划分为三个分期， 并验证了其合理性呻i 。 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玎j 高波等分析了汛期分期问题实质上是一个多指标控制的聚类问题，因此将基于模糊相似关 系的系统聚类法应用于汛期分期，并以滦河流域潘家口水库为实例，在综合考虑反映降水、径 流特性的多个指标的基础上，将汛期划分为四个分期。模糊聚类法能综合考虑天气、降水及径 流等多种因素对汛期分期的影响，消除了采用单一指标的片面性i l “ 从整个发展过程来看，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变过程。其研究趋势是：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，建立一套完善的最期分期理论和方法。 1 2 2 水库防洪的风险分析 在水库的设计、运行过程中存在着大量的不确定因素，如水文的不确定性、水力的不确定 性、数据的不确定性、计算中的不确定性等嗍，由于这些不确定因素的存在，使水库防洪存在 着一定风险。为此，在对水库汛限水位的方案进行优选决策时，必须将水库的防洪风险作为一 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 项重要指标参与决策，从而使所选方案更加准确和符合实际。 早在1 9 7 8 年，美国总统卡特在对美国水利资源委员会的工作指示中，强调了对水资源工程 进行风险分析的必要性和重要性。世界各国对水资源工程中的风险决策以及水资源系统的风险 分析都高度重视开展了广泛的研究。 水库防洪风险率计算方法主要包括：频率分析法、随机模拟法、随机微分方程法等。频率分 析法是发展最早，也是最简单的方法。该方法假定水库年调洪最高水位与年最大洪水出现频率 相同。以年调洪最高水位刚好等于不破坏水利工程极限指标水位的洪水频率作为极限风险率。 若利用设计洪水推求该极限风险率，则风险率的大小为对应设计洪水重现期的倒数，因此频率 分析法有时也称重现期法频率分析法在计算风险上具有简单易行的优点，但其缺点也是显而 易见的：首先该方法将水库防洪安全标准同设计洪水标准完全等同起来，其合理性尚待考证； 其次是只考虑了洪水的作用。将与荷载和抗力有关的其它不确定性因素完全忽略了。随机模拟 法作为一种重要的风险率推求方法，在水库防洪的水文风险分析中得到广泛的应用。 熊明通过对特征水位推求方法现状的分析，提出了。假定防洪安全标准等于洪水设计标准缺 乏必要的依据”这一基本论点，给出了防洪安全风险计算的原则、方法及其适用性条件，认为受 人类活动影响的序列不能满足一般的理论分布函数，而随机模拟方法是解决此类问题的最有效 的途径i l “。 梅亚东等综合考虑了水文、水力不确定性及调洪起始水位、调洪规则可选择性等对大坝防 洪安全的影响，采用随机模拟法计算大坝防洪安全综合风险率。即应用一阶季节性自回归模型 对入库洪水进行模拟，应用三角分布和正态分布描述水力不确定性对泄洪能力的影响，给定调 洪起始水位和调洪规则，经过水库调洪演算。得出了水库最高调洪水位的随机分布和洪水漫顶 风险率【”。 澳大利亚的内森等人，通过在一个真实流域的假想大坝上的应用，验证了蒙特卡罗模拟法 的优点，指出该方法为用复杂的联合概率分析法估算极值洪水提供了一个可靠的范围【l “。 徐宗学等研究了一类新的洪水风险率模型c s p p c ，即用随机点过程理论研究风险率大 小，把洪水序列视为随机过程，以随机点过程理论为依据，吸收时间序列分析方法的特长，研 究洪水风险率的大j j l 9 丁大发等系统分析了水库运行过程中常遇洪水风险事件、大坝安全风险事件及水库防洪调 度的主要风险因素，提出了基于蒙特卡罗模拟技术的水库防洪调度多因素组合风险估计模型， 对汛限水位进行比较选择。该方法打破了传统风险率计算方法中只考虑洪水不确定性的弊端， 将水库大坝防洪风险的研究建立在综合分析的基础上闭。 冯平等人也探讨了多因素影响下的防洪计算问题，并给出了岗南水库暴雨和洪水的运用实 例，采用风险分析的方法，综合考虑了暴雨和洪水可能不同频率这一普遍现象，为现有水文资 料情况下，合理估算防洪风险及确定设计洪水提供了一条更符合实际的有效途径【丑j 。 总结了几十年水库防洪风险的研究和发展历程，不难发现其发展趋势应包括以下几个方面： ( 1 ) 深入探析水库防洪风险的形成机理，找出主要影响因子重点研究 ( 2 ) 从物理机制和统计分析两方面研究各种不确定性因素的随机分布。 ( 3 ) 应用风险分析理论，汲取各种风险估算方法的优点，构建一套水库大坝防洪风险分析 体系。 4 水库抬高汛限水位方案的风险效益评估研究 1 2 3 汛限水位的调整与运用 汛限水位是水库的重要特征参数，是为协调防洪与兴利之问的矛盾而确定的汛期防洪起调 水位。在工程设计阶段，传统的汛限水位确定方法是通过设计洪水调洪演算途径得出的。即在 水库某一防洪标准下，通过计算各种频率的设计洪水过程，经水库调洪演算反推得求出随着 水资源供需矛盾日益突出，为挖掘水库潜力，充分利用洪水资源，许多专家学者针对传统汛限 水位在水库运行管理中的不足，从汛限水位的确定与调整、汛限水位的动态控制等方面展开了 许多积极有益的探索。 r 蚰p h aw u r b s 等在上世纪8 0 年代针对得克萨斯州水资源短缺的状况，对水库库容的重 新分配问题进行了一系列的研究工作，总结了两方面的内容；一是水库库容应该根据对水资源 的需求和洪灾风险的变化来重新进行评估和合理调整；二是应充分利用河川径流的季节性变化 规律来合理确定不同时期的水库的防洪与兴利水位p 卅 冯平等分析了水库联合调度下超汛限蓄水的风险效益，研究了水库运行中抬高汛限水位对 水库带来的各种影响，对引起的洪灾损失及兴利情况进行了讨论，认为调整水库汛限水位首先 应分析决定汛限水位的主要影响因素。剔除有关工程因素外。影响水库汛限水位的非工程措施 方面因素主要有：设计洪水入库洪水预报方案，防洪调度方式，上下游防洪标准，上游移民 淹没及土地退赔线，库区泥沙淤积，水库长期运行的效益和风险分析等，并且提出了具体计算 方法，通过风险效益比较，定量地给出合理的汛限水位【2 s 铡： 陈守煜研究提出了利用模糊集方法确定汛限水位。该方法通过确定时间对汛期或主汛期的 隶属度，在防洪库容己知的情况下，求得水库动态汛限水位过程线 2 9 1 。 傅湘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0 0 l 。 郭忠在分析河西内陆河流域洪水发生规律的基础上，对大中型水库抬高汛限水位运行的安 全性、可行性进行了探讨m j 凌桂珍等根据辽河流域参窝水库一次洪水前的预泄能力，提出了对汛隈水位进行动态控制 的调度方式，并通过对影响水库预泄因素的分析，计算了动态库水位的上限，并为水库进行动 态控制提供依据吲。 吴晋青针对北京市严重缺水状况。对密云水库汛限水位及汛期调度方式进行分析研究，提 出抬高密云水库汛限水位增加水库供水的可能田l 。 胡四一系统地论述了海河流域利用水库分期汛限水位调控洪水资源的研究思路和技术框 架，探讨了暴雨洪水季节特征和分期规律以及水库分期汛限水位合理确定和安全运用的分析方 法。并对水库运行的蓄水效益和防洪风险的评估提出了建议。 钟平安阐述了防洪限制水位物理意义、设置防洪限制水位的必要条件以及防洪限制水位设 计应考虑的主要因素、从洪水信息获取方式、设计运用条件、调度运行规则等方面分析了防洪 限制水位在水库设计与运行阶段的差异，总结了在水库长期运行中由于社会经济条件、运行管 理体制变化对变动防洪限制水位的客观需求，并从高新技术应用、风险分析、水库特性等角度 论述了防洪限制水位动态控制的可能性阱j 。 高波等通过对水库汛限水位主要影响因素的系统分析，从洪水资源交全利用的角度出发， 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 阐明了水库汛限水位调整综合分析论证所应遵循的原则，提出了风险设计分析论证的框架、定 量分析方法和合理调整汛限水位的论证，最后以海河流域潘家口水库为分析实例，从设计洪水、 预报预泄、洪水预报调度方式、上下游防洪设计标准、上游移民淹没及土地退赔线、水库长期 运行的风险和效益等多个方面分析论证了水库汛限水位的合理调整方案p 6 l 。 邵东国等以河北洋河水库汛限水位分析为例，采用水库洪水调度多目标动态规划模型模 拟计算了不同频率入库洪水下水库不同汛限水位所对应的蓄、泄洪关系，在此基础上建立了综 合考虑入库洪水、水库安全运行、下泄洪水超下游地区防洪标准、下泄洪水减少导致下游生态 环境破坏等不确定性因素的水库汛限水位抬高风险评估模型与多目标风险决策模型，并对不同 汛限水位下洪水资源化利用效益进行了计算，得出了不同频率入库洪水下的水库最优分期汛限 水位方案 3 7 1 。 综合上述研究可以发现，汛限水位的调整必须建立在洪水资源安全利用基础之上，通过分 析影响汛限水位调整和确定的主要因素，对各影响因素进行合理的风险效益分析是汛限水位研 究的新趋势 1 3 本文主要工作 水库的防洪和兴利是一对矛盾，抬高水库汛限水位提高水库兴利效益的同时，必然会导致 水库防洪风险的增加。如何对各汛限水位调整方案进行全面综合的评估使决策者对各方案的 风险、效益有更加明确的认识，从而能在更加科学的基础上优选出最佳的调整方案，使水库在 适当的防洪安全前提下发挥出最大的兴利效益是本领域的热点研究问题之一 为此，本文以洪水资源化研究为背景，以水库抬高汛限水位的风险效益分析为主题在综 合分析现有研究成果及其所存在问题的基础上，对水库汛期分期的合理的确定、从风险和效益 角度对汛限水位的调整方案进行综合评估等内容进行深入的研究，为合理、科学的优选水库汛 限水位提供参考。 本文研究的主要工作如下： ( 1 ) 分析张河湾水库所在流域的自然地理情况和流域的暴雨洪水特征，对张河湾水库汛期 分期进行综合分析，采用定性分析和定量分析相结合的模糊集分析理论对汛期划分进行研究， 得出合理的汛期划分结果。 ( 2 ) 通过分析水库防洪过程中的诸多不确定因素，建立基于m o n t e - c a r l o 法的防洪风险计 算模型，并将该模型运用于张河湾水库汛限水位抬高方案的风险率计算，综合分析汛限水位抬 高后对水库防洪风险的影响。 ( 3 ) 将b p 网络理论应用于水库汛限水位抬高方案的优选决策，建立基于人工神经网络 b p 算法的风险效益综合评估模型。 ( 4 ) 通过对张河湾水库抬高汛限水位的实例进行计算，证明本文所提出方法的有效性、合 理性 6 水库抬高汛限水位方案的风险效益评估研究 2 水库汛期分期研究 分析水库所在流域的自然地理情况和流域的暴雨洪水特征，合理的确定水库汛期分期方案 是水库进行防洪调度，协调防洪与兴利矛盾的前提，同时也是汛限水位调整方案综合评估的基 础 2 1 水库汛期的分析确定方法研究 2 1 1 传统方法剖析 汛期的传统确定方法主要是通过对水库所在流域的水文气象条件、暴雨洪水特征等资料的 分析。硬性规定讯期的起止时间。依据我国政府根据主要江河涨水情况规定的。七大江河一的汛 期起止时间 3 8 1 ，张河湾水库( 海河流域) 汛期的起止时间为6 月1 日毋月3 0 日。 这种硬性规定汛期起止时段的方式，是长期的实践与观察的结果，对防洪减灾起到了一定 的作用。但是这种方式也存在着许多不合理的地方它硬性规定汛期的开始时间珏和结束时 间瑟以非此即彼的普通集合论为理论基础。要么是汛期，要么不是汛期”绝不存在模棱两 可的汛期表示方式。设论域r 为一年的时间( 以天为单位) ，t 为r 中的任意元素即t e t , 汛期 4 是论域r 中的一个普通子集，则这种传统汛期描述方式用普通集合理论表达为： ，f l , t a z t t j 。1o ，f 譬4 2 。1 式中x a i tj 为元素t 关于汛期彳的特征函数 硬性规定汛期起止时间的描述方式，是造成我国部分地区、尤其是北方缺水地区水库汛期 不敢蓄水、汛期过后又蓄不上水的主要原因之一致使洪水资源不能得到有效利用。 汛期属于水文事件一般认为水文事件不仅具有不确定性，可表现出很大的随机性；而且 汛期还具有中介过渡性，即在某时段，水库所处的阶段亦此亦彼，一定程度上可称之为汛期而 又不属于汛期，对于这种情况，传统方法无法表示因此有关学者采用模糊水文学的概念和方 法，对汛期作量化的研究 2 1 2 水库汛期分期的模糊分析方法 进行汛期模糊集分析的主要任务就是推求汛期隶属函数，该函数概念定义如下：将汛期表 示为论域，中的一个模糊集合彳，用隶属函数进行描述。即对于任意元素t ，( t eu ) 确定映 射： 以：t l o a j t一心【fj(2-2) ，- ( f ) 为元素t ( 时间) 隶属于模糊集合一( 汛期) 的隶属度【3 9 j 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 隶属函数肛j ( f ) 可用直接模糊统计实验法来确定，所谓直接模糊统计试验法可概括为： 以现象的物理成因分析为指导，根据现象的成因与物理机制，选择适当的物理指标与指标的数 量标准，对现象的隶属性质进行模糊统计试验得到试验隶属函数的基本轮廓。然后配以合适 的模糊分布( 理论隶属函数) 作为绝对隶属函数逼近函数。 汛期直接模糊统计实验的基本步骤为： ( 1 ) 收集流域内i n 年的实测降雨资料，给定论域【r ，以及【，内的固定元素u j ，( ，= 1 ，2 ，3 露) ( 2 ) 定义进入汛期的降雨量标准曲，曲可用成因分析法和数理统计法得出。 ( 3 ) 对于任意一年的实测降雨量，根据大于或等于品的起始时间f l 和终止时间f 2 ，可以 确定出该年的汛期区间即j = p “，红1 彳l 称为汛期模糊集合的一次实验结果，m 年就有m 个 实验结果，一f = p ，蜘( i = 1 ，2 ，) 模糊数学把一次试验结果称为一次显影m 次可得m 个显影样本 ( 4 ) 设在论域，中，某一时问蜥被 个汛期显影样本覆盖的次数为z ，则这一时间蛐属 于汛期模糊集爿的隶属频率f _ ( f ) 细，当实验次数足够大时，就可以得到经验隶属度： 心( f ) “m ”一所， 如上所述，通过汛期模糊统计实验可求得汛期的经验隶属函数，但由于受资料年限较短等 因素的影响，求得的隶属函数不够稳定，隶属函数曲线呈折线状因此，有必要使用适合的模 糊分布函数对实验曲线进行拟合。根据我国北方地区大多数流域洪水发生、发展的时序变化趋 势，确定主汛期向非汛期过渡的后汛期绝对隶属函数，用降半正态分布拟合；非汛期向主汛期 过渡的前汛期绝对隶属函数，用升半正态分布拟合；主汛期则为矩形分布： 儿( f ) - f c n l吼 0 4 l f a 2 f a 26 2 ，0 ( 2 - 3 ) 4 l 、4 2 主汛期开始、结束时间，6 j ，b 可用最小二