（水文学及水资源专业论文）基于防洪预报调度的水库汛限水位设计与控制研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 我国不仅洪涝灾害频繁，洪灾损失严重，而且水资源短缺和水环境恶化问题突出。 面对这一系列的水问题，依赖科技进步，充分发挥水利工程体系的作用，在确保防洪安 全的前提下，提高洪水资源利用率是重要的缓急之举。对水库而言，科学合理的汛限水 位控制方法是提高洪水资源利用率的关键技术。本文从规划设计和实时调度两个角度出 发，将优化方法、模糊优选方法、信息熵、遗传算法等理论融合入水库汛限水位控制理 论与方法中，系统研究了水库( 群) 防洪预报调度方式的确定方法、水库防洪预报调度 方式的风险分析方法、汛限水位实时动态控制方法以及水库防洪多目标决策方法。主要 研究内容和成果如下： ( 1 ) 研究了利用防洪预报调度方式抬高汛限水位的风险分析方法。首先，基于不 同预报误差对调洪结果的影响程度，将水库洪水预报误差域划分为超设计风险误差域、 不超设计风险误差域和决策不变误差域。并依托仿真模拟调度法，给出不同预报误差域 的推求方法。其次，在比较分析防洪预报调度方式的防洪风险与原规划设计风险的基础 上，给出不同汛限水位时采用防洪预报调度方式的超设计风险率定义。结合不同预报误 差域，建立相应的计算方法。最后以白龟山水库为例验证此方法的合理性，并对风险分 析方法在实际调度中的应用进行探讨。 ( 2 ) 针对防洪预报调度方式确定过程中忽略预报误差随机性的问题，将风险分析 引入防洪预报调度方式的确定过程中，从洪水资源安全利用的角度出发，给出一种从多 个可行预报调度规则中选取满意预报调度规则的方法。结合于桥水库和昭平台水库的防 洪预报调度方式研究进行实例应用，并对两库采用防洪预报调度方式抬高汛限水位的关 键性条件进行讨论。 ( 3 ) 针对库群联合防洪预报调度方式规划设计比较复杂的难点，将优化调度与规 划调度方式相融合，提出一种确定梯级水库联合防洪预报调度方式的优化方法。首先， 对于选定的调度目标，采用优化手段寻求梯级水库不同频率设计洪水的最优联合泄流方 式，综合归纳最优泄流方式的特点。其次，对各库的防洪预报调度潜力进行分析，结合 最优泄流方式的特点选择预报判别指标，在不考虑预报误差的情况下拟定理想联合防洪 预报调度规则。然后对预报判别指标的误差进行分析，在理想联合防洪预报调度规则的 基础上制定满意的联合防洪预报调度规则。将此方法应用到昭平台白龟山梯级水库的 联合防洪预报调度方式规划设计中，结果表明此方法有效减弱了确定库群联合调度方式 的复杂性，而且使制定的调度规则更切合实际优化调度过程，增强了调度规则的实效性。 基于防洪预报调度的水库汛限水位设计与控制研究 ( 4 ) 提出一种汛限水位实时动态控制方法，并给出相应的风险计算方法。基于汛 限水位实时动态控制的新理念，利用退水预报计算入库洪量，根据上、下游面临时刻的 工情、雨情、水情、灾情预测洪水预见期内的预蓄预泄能力。同时，依托短期降雨预报， 在保证大坝与下游防洪不成灾的前提下估算后续起调水位。在此基础上，将实时预蓄预 泄能力与后续起调水位相耦合，建立汛限水位实时动态控制模型。最后利用概率组合法 对其可能产生的风险进行计算。 ( 5 ) 针对水库多目标评价决策中指标权重确定的难点，引入熵权法确定各指标的 数学权重，将其与经验权重线性组合，建立基于熵权的水库多目标模糊综合评判模型。 改进已有的由熵值推求熵权的计算式，并从数学推导和实例计算两方面验证改进式的合 理性，结果显示改进式解决了当熵值处于一定区间时，其相互间的微小差别可能引起熵 权成倍数变化，使熵权与熵值所传递的信息不一致的问题，增强了熵权计算式的适用性。 对指标经验权重的灵敏度分析方法进行探讨，确定指标经验权重在什么范围内变化会对 方案的排序结果产生影响及如何影响。 最后对全文作以总结，并对有待进一步研究的问题进行了展望。 关键词：水库；汛限水位；防洪预报调度方式；风险分析；多目标决策 大连理工大学博士学位论文 d e s i g na n dc o n t r o lf o rt h el i m i t e dw a t e rl e v e lo fr e s e r v o i r s i nt h ef l o o ds e a s o nb a s e do nf 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 n 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 sh a p p e nf r e q u e n t l y ，b u ta l s os h o r t a g eo fw a t e f r e s o u r c e sa n dd 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 th a v eb e e nb e c o m i n gw o r s ei ne k i n a f a c e d 谢t has e r i e so fw a t e rp r o b l e m s 。m a n ym e t h o d sh a v eb e e ns t u d i e dt om a k es a f e l yu s eo ff l o o d r e s o u r c e s o n eo ft h e mi st od e s i g na n dc o n t l 0 1 s c i e n t i f i c a l l yt l l e1 i m i t e dw a t e rl e v e lo f r e s e r v o i r si nt l l ef l o o ds e a s o n i nt h ed i s s e r t a t i o n , a sf o rs o m ep r o b l e m so fr e s e r v o i ro p e r a t i o n f o rt o o dr e s o u r c e s ，t h er e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nd e s i g na n dc o n t r 0 1t h el i m i t e dw a t e r1 e v e l i nt h ef l o o ds e a s o nu s i n go p t i m a lr e s e r v o i ro p e r a t i o nm e t h o d ，f u z z yo p t i m i z i n g t h e o r y ， i n f o r m a t i o ne n 仃o p yt h e o r ya n dg e n e t i ca l g o r i t h m se t c n ea s p e c t sf o c u so nf l o o dp r e v e n t i o n f o r 渊to p e r a t i o nm a n n e rf o rb o t hs i r 【g l er e s e r v o i ra n dc a s c a d er e s e r v o i r s r i s ka n a l y s i sf o r f l o o dp r e v e n t i o nf o m c a s to p e r a t i o nm a n n e r , c o n t r o l l i n gd y n a m i c a l l yt h el i m i t e dw a t e rl e v e lo f r e s c l v o i r si nt h ef l o o ds e a s o na n dm u l t i - o b j e c t i v ed e c i s i o nm a k i n gf o rr e s e r v o i ro p e r a t i o n t h er e s e a r c hm a k m yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： ( i ) f l o o dp r e v e n t i o nr i s ka d o p t i n gf l o o de o n 仃o lf o r 邮to p e r a t i o nm a n n e ra tv a r i o u s l i m i t e dw a t e r1 e v e lo fr c s e r v o k si nt h ef l o o ds e a s o ni ss t u d i e d f i r s t l y f l o o df o r e c a s te l t o r s c o p ei sd i v i d e di n t os e v e r a li n t e r v a l s a n dt h ed e f m i f i o na n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fe v e r y f o r e c a s te r r o ri n t e r v a la r ep r e s e n t e do nt h eb a s i so fa n a l y z i n g 也ei n f l u e n c eo ff l o o df o r e c a s t e n o ro nf l o o dc o n t r 0 1o p e r a t i o n c o n t r a s t i n gt h ed i f f e r e n c eo ft h er i s kb e t w e e nf l o o d p r e v e n t i o nf o r e c a s to p e r a t i o nm a n n e r sa n dp l a n n i n g ，t h ed e f i n i t i o no fo v e r d e s i g nr i s kr a t eo 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 a n n e ri sg i v e na n dt h ec o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d i se s t a b l i s h e d t a k e nb a i g u l s h a nr e s e r v o i r 髂衄e x a m p l e t h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o di st e s t i f i e d ( 2 ) a sf o rt h er a n d o m i c i t yo ff l o o df o r e c a s te r r o ri g n o r e di nd e t e r m i n i n gf l o o d p r e v e n t i o nf o r e c a s to p e r a t i o nm b n n e r ，r i s ka n a l y s i si sa p p l i e dt od r a w i n gu pf o o dc o n t r o l f o r e c a s to p e r a t i o nn i l e m o r e o v e r ，am e t h o do fs e l e c t i n gas a t i s f i e df l o o dc o n t r o lf o r e c a s t o p e r a t i o nr u l ef r o ms e v e r a lf e a s i b l ef l o o dc o n t r o lf o r e c a s to p e r a t i o nr u l e si sp r o p o s e d s u b s e q u e n t l y ，t h em e t h o di su s e dt od e t e r m i n i n gt h ef 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 e s o f y u q i a or e s e r v o i ra n dz h a o p i n g t a ir e s e r v o i r a n dt h ek e yc o n d i t i o n so f e l e v a t i n gt h el i m i t e d w a t e rl e v e lo fr e s e r v o i r si nt h ef l o o ds e a s o nb yf l o o dc o n t r o lf o r e c a s to p e r a t i o nm a n n e l a r e d i s c u s s e d 基于防洪预报调度的水库汛限水位设计与控制研究 ( 3 ) a no p t i m i z a t i o nm e t h o dh a sb e e ns t u d i e d t od e s i g nf l o o dp r e v e n t i o nf o r e c a s t o p e r a t i o nm a n d _ e rf o r c a s c a d er e s e r v o i r s b yc o m b i n i n go p t i m a lo p e r a t i o nm e t h o da n d p l a n n i n go p e r a t i o nm a n n e r f i r s t l y ，t om e e tt h eg i v e no p e r a t i o n a lo b j e c t i v e ，o p t i m i z a t i o n m e t h o di sb et a k e nt os e a r c ht h eo p t i m a ld i s c h a r g em a n n e rf o rd i f f e r e n tf r e q u e n c yd e s i g n f l o o d so fc a s c a d er e s e r v o i r sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo p t i m a ld i s c h a r g ef l o wb e e n c o n c l u d e d s e c o n d ，t h ep o t e n t i a lc a p a c i t yo fe a c hr e s e r v o i ra n dt h eo p t i m a ld i s c h a r g ep r o c e s s a r ec o n s i d e r e dt oc h o o s ef o r e c a s ta s s e s s m e n ti n d e x e s ，a n dt h ei d e a lj o i n tf o r e c a s to p e r a t i o n m l ei sm a d ew i t h o u tt a k i n gi n t oa c c o u n tf l o o df o r e c a s te r r o r s f i n a l l y ，b a s e do nt h i si d e a l j o i n tf 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 e ，ap r a c t i c a l f l o o dp r e v e n t i o nj o i n tf o r e c a s t o p e r a t i o nr u l ei sf u r t h e rm a d ew i t hf o r e c a s te r r o r sb e i n gc o n s i d e r e d ( 4 ) a na p p r o a c hi sp r o p o s e dt oc o n t r o l l i n gd y n a m i c a l l yt h el i m i t e dw a t e rl e v e lo f r e s e r v o i r si nt h ef l o o ds e a s o n t h ea m o u n to fi n f l o wi se s t i m a t e db yf l o wf o r e c a s ti nf l o o d r e c e s s i o ns t a g e a n dd i f f e r e n tf a c t o r sa r et a k e ni n t oa c c o u n tt of o r e s e et h ep r e s t o r a g ea n d p r e - d i s c h a r g ec a p a c i t y ，s u c ha sc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n , p r e c i p i t a t i o na n df l o o dd i s a s t e re t c t h es u b s e q u e n ts t a r t i n go p e r a t i o nl e v e lc a l lb ed e t e r m i n e dw i 血s h o r tr a i nf o r e c a s ti n f o r m a t i o n t om a k es u r et h es a f e t yo ft h ed a ma n dd o w n s t r e a m b a s e do nt h ea b o v e ，am o d e li sd e s i g n e d f o rc o n t r o l l i n gd y n a m i c a l l yt h el i m i t e dw a t e rl e v e lo fr e s e r v o i r si nt h ef l o o ds e a s o n a n dt h e r i s ka n a l y s i sm e t h o di sg i v e nb yu s i n gp r o b a b i l i s t i cc o m b i n a t i o n ( 5 ) a i ma tt h ed i f f i c u l t yc o m b i n i n ge x p e r i e n c ew e i g h t 谢也m a t h e m a t i cw e i g h t ，e n t r o p y w e i g h tm e t h o di si n t r o d u c e dt od e t e r m i n em a t h e m a t i cw e i g h t a n dt h em u l t i - o b j e c t i v ef u z z y c o m p r e h e n s i v ej u d g i n gm e t h o di sp r e s e n t e d , i nw h i c hm a t h e m a t i cw e i g h ti sl i n e a rc o m b i n e d w i t he x p e r i e n c ew e i g h t f u r t h e r m o r e a ni m p r o v e m e n ti sm a d et os o l v et h ep r o b l e me x i s ti n t h ec u r r e n te n t r o p yw e i g h tc a l c u l a t i o n , w h i c hi si n c o n s i s t e n tb e t w e e ne n t r o p yv a l u ea n d e n t r o p yw e i g h t f i n a l l y ，as e n s i t i v 时a n a l y s i sm e t h o do fe x p e r i e n c ew e i g h ti sd i s c u s s e dt o d e t e r m i n et h es c o p eo fe x p e r i e n c ew e i g h t , i nw h i c he x p e r i e n c ew e i g h tc a l li n f l u e n c et h e schemes s o r t i n g f i n a l l y ，t h ec o n c l u s i o n s a r ed r a wa n dt h ep r o b l e m st ob ef u r t h e rs t u d i e da r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：r e s e r v o i r ；l i m i t e dw a t e rl e v e l p r e v e n t i o nf o r e c 魍to p e r a t i o n d e c i s i o nm a k i n g o fr e s e r v o i r si nt h ef l o o ds e a s o n ；f l o o d m a n n e r ；, r i s ka r i a l y s i s ；m u l t i - o b j e c t i v e - i 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 工大学或者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己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理l 大学博士学位论文 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。 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景 水资源危机作为二十一世纪全球热点资源问题已引起国际社会的极大关注。曾在 1 9 7 7 年，联合国环境署和水资源会议就向全世界发出了郑重警告：“水，将成为石油危 机之后的下一个社会危机【lj ，。 我国是水资源短缺国家之一，总量不丰富，人均占有量更低。水资源总量居世界第 六位，人均占有水资源量约为2 2 0 0 立方米，仅为世界人均水资源量的1 4 【2 1 。加之我国 水资源时空分布极不均衡，南方多、北方少，夏秋多、冬春少，丰水年和枯水年的水量 相差悬殊，使得水资源短缺问题更加突出，特别是北方干旱和半干旱地区。随着人口增 长和社会经济的发展，水资源需求量增加。而水环境日趋恶化，导致水资源的可利用率 降低，水资源短缺问题进一步加剧。目前，水资源短缺问题已成为我国尤其是北方地区 社会经济可持续发展的瓶颈。 我国不仅水资源短缺，而且洪涝灾害比较频繁。自2 0 世纪以来，七大江河共发生 特大水灾3 1 次，大水灾5 5 次，一般性水灾1 2 7 次【3 】。洪水一方面可能造成财产损失和 人员伤亡，一方面又是宝贵的水资源。据统计，我国大陆各河流每年流入太平洋水系的 总径流量约2 o 万亿立方米，其中汛期洪水总量约占6 0 以上。如果每年能将流入太平 洋水系的洪水总量利用3 0 ，就能增加水资源量4 0 0 亿立方米，从而基本缓解我国的 用水紧张情势( 按目前的正常需要和不超采地下水，正常年份全国缺水量将近4 0 0 亿立 方米【4 】) 。 面对日趋严重的水资源短缺和水生态恶化态势，我国学者和水管理者对洪水利害双 重性的认识进一步深入，提出了“洪水资源化的概念，并迅速达成广泛的共识，成为 体现水利部提出的由“控制洪水”转向“洪水管理”新治水思路的一项重要工作内容【5 l 。 随着我国治水理念的转变，防洪减灾思路也相应地做了科学调整，其中主要内容之一就 是由单纯的防洪减灾转变为防洪减灾的同时，考虑雨洪资源的安全利用，实现洪水资源 化。洪水资源化将防洪减灾和蓄水兴利相结合，是保障我国新时期社会经济和水资源可 持续发展战略的重要举措【6 j 。 水库作为重要的防洪工程措施，对水库进行科学调度是实现洪水资源化的重要手 段。目前我国己建水库8 6 万座，总库容5 2 0 0 多亿立方米，但只控制着年总径流量的 2 6 ，仅是美国径流控制能力的3 0 f7 1 ，仍有挖掘利用的巨大潜力。汛限水位是协调水 库防洪与兴利矛盾的主要参数，适时合理地抬高汛限水位是水库提高洪水资源利用率的 关键技术。为了缓解日趋紧张的水资源供需矛盾，在洪水预报与降雨预报精度明显提高 的技术支撑下【8 6 1 ，国内水利研究者针对传统水库汛限水位控制方法中存在的问题，陆 基于防洪预报调度的水库汛限水位设计与控制研究 续展开了一系列提高洪水资源利用率的探索研究。如“我国北方水库汛限水位控制方法 及应用模型研究 项目【l7 1 ，“应用降雨二级分辨预报，洪水总量预报信息的预报调度方 式 项目和“水库汛限水位动态控制方法”专题研列博j ，取得了一定的成果，但目前仍 有部分关键性理论与方法尚待研究。 本文在已有的研究基础上，结合国家自然基金项目( 5 0 4 7 9 0 5 6 ) “水库汛限水位 动态控制及其风险分析理论与方法研究”和实际工程背景，主要研究水库及梯级水库的 防洪预报调度方式确定方法、水库防洪预报调度方式的风险分析方法、汛限水位动态控 制方法以及水库多目标评价决策方法，进一步完善水库汛限水位控制的理论体系。 1 2 研究现状与进展综述 洪水资源化是实现水资源可持续战略的重要举措和现实选择。利用水库提高洪水资 源利用率是实现洪水资源化的有效途径。而科学的汛限水位控制方法是水库提高洪水资 源利用率的关键技术。汛限水位控制方法研究作为顺应现代科技发展与社会经济需求的 前沿课题，目前形成的理论体系尚需不断发展和完善。论文主要对设计与控制水库汛限 水位的若干关键技术进行探讨研究。围绕论文的研究内容，着重对水库汛限水位控制方 法、水库防洪调度的风险分析与防洪调度多目标决策方法几个方面的研究现状展开综 述。 1 2 1 水库汛限水位控制方法 西方发达国家由于在气象水文特性、人口密度及分布、水资源供需矛盾、社会保险 机制及政府管理办法等方面与我国存在很大的差异，其防洪研究重心以考虑防洪效益及 生态环境效益为主，汛限水位基本采用传统的规划设计值，对汛限水位控制方法的研究 甚少。 2 0 世纪5 0 年代初，我国相继建成一批水库。防洪调度理论体系是在参照前苏联相关 经验和理论的基础上建立起来的。由于预报水平较低和水库洪水样本容量较少，不具备 汛限水位分期控制研究的基本条件，全汛期都是设计一个固定的汛限水位值。6 0 年代随 着洪水资料的积累，分期洪水特性显现，同时国民经济发展对水资源需求增加，开始对 汛限水位分期控制方法进行研究。最早尝试是丰满水库，后来逐步完善，并被纳入规范。 分期控制汛限水位的关键是汛期的合理分期。8 0 年代以前汛期分期基本依据水文要素的 数理统计方法。8 0 年代后从气象成因角度分析了汛期分期【1 9 】。随后考虑到洪水变化之间 的中介过渡性和模糊性，将模糊理论引入汛期分期【2 0 】，且分期的期限逐渐缩短【2 1 1 ，相应 提出了汛限水位变化曲线的概念及其推求方法。进入9 0 年代后，随着水文气象科学与计 算机科学的发展、预报技术与精度的提高，为防洪预报调度研究提供了有利条件。基于 此，文献 2 2 1 q t ：, 系统介绍了防洪预报调度的理论，并首次提出汛限水位动态控制的定义 大连理工大学博士学位论文 与属性。为结合北方水库的调度实际形成自己的研究特色，2 0 0 1 年 - 2 0 0 4 年国家防汛抗 旱总指挥部办公室设立了水库汛限水位动态控制方法专题研究，使汛限水位动态控制理 论与方法逐步完善和成熟【2 3 州】，形成目前的理论体系。 总的来说，目前已有的汛限水位控制方法，按照设计与运用所依据的信息类型的不 同可分为两大类：一是汛限水位静态控制方法，从规划角度出发，依据历史资料来设计 汛限水位值；二是汛限水位动态控制方法，从实时调度的角度出发，依据实时调度阶段 的信息确定汛限水位值。 ( 1 ) 汛限水位静态控制方法 1 ) 固定汛限水位控制。这是传统的汛限水位控制方法。汛限水位是依据历史洪水 资料，用统计学的方法推求全汛期设计洪水，采用不考虑预报信息的调度方式调节计算 得出的。整个汛期都以此汛限水位作为控制标准。在实际调度中，一旦库水位超过此汛 限水位值，则须尽快排泄入海，以保证库水位在下次洪水起涨时回落到汛限水位。这种 控制方法简单易行，便于操作。但在实际调度中，每年汛期一般出现的都是中、小洪水， 发生大坝校核标准洪水的概率很小。而上述的汛限水位控制方法的设计理念，时刻着眼 于校核标准洪水发生的小概率事件，过于偏重考虑防洪安全，致使部分水库在一些年份 形成“汛期弃水，汛后无水可蓄”的不利局面，造成洪水资源浪费。 2 ) 分期汛限水位控制。它主要是针对我国北方地区暴雨特性和气候特征比较明显 提出的。根据汛期不同时段的洪水特征的明显差别与规律，基于成因与统计分析将汛期 划分为几个阶段，不同阶段对应不同的汛限水位和设计洪水。这种方法充分利用汛期洪 水的变化规律，尽可能抬高汛限水位，增加了汛末蓄到兴利蓄水位的机率。但它的设计 理念和传统汛限水位控制方法相同。由于不考虑预报信息而时刻着眼于小概率事件，当 后汛期来水较预期偏小时，仍有可能发生前期弃水过多而汛末蓄不到兴利蓄水位。 目前，这种方法的研究成果比较丰硕，并已得到广泛应用。丁副3 2 】采用随机水文模 拟的方法来确定水库分期汛限水位。华家鹏【3 3 】等通过分析分期洪水概率与年极值洪水概 。率之间的关系，提出采用组合频率法和库水位法推求分期汛限水位和设计洪水位。周庆 义【3 4 】等针对音河水库的汛期调度过程，通过分析水文气象变化规律和年最大洪峰流量， 将汛期划分为三个阶段，并分别推求各阶段的设计洪水和汛限水位。曹升乐【3 5 】等以门楼 水库为例，提出了水库调度的峰量综合控制法，并据此确定分期汛限水位和汛限水位过 程线。 采用上述方法将汛期划分为几个阶段，确定的汛限水位大部分都是阶梯状的。实际 上，汛期各分期在时间上的界限并不是十分清晰，具有中介过渡性。为此，基于汛期的 模糊描述和暴雨量级升降连续变化的统计规律，陈守煜【2 0 】提出运用模糊数学理论确定汛 限水位过程线的方法。李成林【3 6 】采用模糊水文学分析方法确定了察尔森水库的汛限水位 基于防洪预报调度的水库汛限水位设计与控制研究 过程线。孙秀玲【3 7 1 结合北方水库的特点，根据模糊数学理论和最小二乘法原理，提出了 确定水库汛限水位过程线的方法。 3 ) 预报调度方式抬高汛限水位。防洪预报调度方式和传统调度方式的规划设计方 法基本相同。主要区别是考虑了流域洪水预报的可利用信息。防洪预报调度方式通过选 取前期预报信息作为判别洪水量级的指标，实现提前预泄，使所需防洪库容减小，从而 抬高汛限水位。 这种方法利用洪水预报信息进行调度决策，比较适用于洪水预报精度较高、预见期 较长的水库。大连理工大学在这方面的研究比较深入，目前已对碧流河水库、白龟山水 库、丹江口水库、于桥水库和参窝水库等多个水库进行了研究。 ( 2 ) 汛限水位动态控制方法 汛限水位动态控制属于实时调度阶段的任务。水库实际运行时，按照防洪法和规范 规定，汛期洪水起涨前，库水位必须降至规划设计的汛限水位。一旦超高汛限水位，则 认为增加了水库原规划防洪调度的风险。而汛限水位动态控制突破了这一要求。因此， 在规划设计阶段需确定一个安全的汛限水位动态控制域，用以指导实时调度。汛限水位 动态控制域的确定方法主要包括：防洪预报调度方式、考虑年内洪水时序变化规律的统 计分析法、改进的预泄能力约束法等【l6 1 。 汛限水位动态控制方法是指在设计的汛限水位允许控制的上、下限域值内，根据实 时调度时刻水库流域的天气预报信息( 包括短期和中期趋势预报) ，降雨径流预报信息， 面临时刻水情、工情和灾情信息，在满足水库蓄水、泄流能力和防洪与兴利要求的前提 下，确定预见期内动态控制汛限水位具体数值的方法。目前已有的汛限水位动态控制方 法主要有以下几种方法。 1 ) 实时预蓄预泄法。它是一种基于水库泄流能力，考虑洪水或降雨预报信息的汛 限水位动态控制方法。基本思想是在洪水预见期内有多大泄流能力就将汛限水位上浮多 少。其影响因素包括面临时刻入库洪水预报信息、泄流设备的泄流能力、下游河道允许 预泄流量、决策信息传递稳定性和速度及闸门操作时间等。此方法的安全性与洪水资源 利用率主要决定于洪水或降雨预报的精度、有效预见期与水库的泄流能力等关键因子。 张百j i iz 3 8 j 在梅山水库汛期控制中以两次特大洪水为例说明了预蓄预泄法在水库调度中 的重要作用。王本德【1 6 】等系统地给出了实时预蓄预泄法的计算原理及求解步骤，并以碧 流河水库为例进行了详细阐述。目前碧流河水库已采用了考虑降雨预报的预蓄预泄法动 态控制汛限水位，并在2 0 0 5 年“8 8 ”洪水中首次启用了汛限水位动态控制实施方案， 为水库创造直接经济效益6 9 8 万元。刘攀【3 9 】等以预蓄预泄法为基础，通过调度末水位耦 合汛限水位，建立了带有机遇约束的水库汛限水位实时动态控制模型，结合三峡水库围 堰发电期的汛期调度进行了实例研究。 大连理工大学博士学位论文 这种方法的理论基础完善，计算简单，适用于水文预报信息可靠性较高的水库，尤 其是预泄能力较大的水库。 2 ) 综合信息推理模式法。它是一种宏观决策方法，在分析影响汛限水位控制的各 种因子基础上，以影响水库汛限水位动态控制的各因素的历史资料建立推理模式，称“大 前提”，再根据水库实时调度面临时刻的综合信息，称“小前提”，通过推理方法，给 出预见期内满意的汛限水位控制方案，以此指导水库蓄泄。对任一水库而言，汛限水位 动态控制综合信息主要指面临时刻的实际库水位、面临时刻至下次降雨期间预报的入库 水量、气象台预报未来降雨信息、正常供水及泄流能力、调度专家及决策者的汛限水位 控制经验教训等。此方法主要有三个关键问题：一是分析汛限水位控制值与其影响因子 的关系；二是建立逻辑推理关系；三是研究与选择推理方法。关键因子包括洪水与降雨 预报信息，实时水情、雨情和工情信息，历次发生的洪水统计成果及调度人员与决策者 的多年控制经验等。王本德【l6 】等详细阐述了水库汛限水位动态控制综合信息分析与计算 的具体方法，并分别建立了碧流河水库和观音阁参窝梯级水库的综合信息模糊推理模 式。张丽娟【4 0 】等以参窝水库为例，建立了汛限水位动态控制综合信息模糊推理模式法。 这种方法的逻辑性较强，要求的调度经验较丰富，另外还需编制易于操作、便于决 策的汛限水位动态控制系统应用软件和保证汛限水位动态控制实施的规程。适合应用于 已运行多年且积累了丰富的防洪与兴利调度经验、洪水预报精度高、区域降雨预报信息 可利用的水库。 3 ) 耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法。它是将综合信息 推理模式的交互决策子系统和水库现行的防洪实时预报调度系统融为一体的方法。随着 时序变化及综合信息的更新，重复优选与更新汛限水位控制决策方案。这种方法的关键 因子是交互决策与实时预报调度两个子系统关键因子的集合，其中交互决策系统的关键 因子是水文预报信息，实时水情、雨情和工情信息，历次发生的洪水统计成果，调度人 员与决策者的多年控制经验及对各决策因子的偏好程度。防洪实时预报调度系统的关键 因子是遥测的降雨信息，其是洪水过程预报的依据，它的精确、稳定传递是整个耦合系 统正常运行的基础。王本德【l6 】等率先提出此种方法。目前，碧流河水库、参窝水库、白 龟山水库、于桥水库、桓仁水库等正在试用与检验这一方法。 耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法，顺应防洪调度决策支 持系统广泛应用的趋势，智能化程度高，便于操作。凡是已建成水库防洪实时预报调度 系统且运行可靠、稳定，预报精度高，并己归纳出运行多年的综合信息推理模式的水库， 可选用这一方法。 4 ) 综合信息汛限水位动态控制决策支持表法。它是一种方便决策者快速查算实时 动态控制汛限水位方案的方法。编制该表依据的是常规的水库调洪计算原理，根据有效 基于防洪预报调度的水库汛限水位设计与控制研究 预见期内的入流过程、允许出流过程和预见期末汛限水位控制域，采用逆推法计算面临 时刻的汛限水位允许控制值。依据此表，即可根据面临时刻的综合信息，选择面临时刻 允许控制的汛限水位值及控制的泄流量。由于输入的是特征的离散点数据，是计算结果 的集成，因此决策表没有其独特的关键因子。王本德【l6 j 等首次提出此种方法，目前已被 应用于天津市于桥水库。 这种方法的计算过程简单明了，使决策者对所采取的方案心中有数，可操作性强。 它作为宏观决策的一个工具，各水库都可使用。 5 ) 评价决策法。它是依托水文预报，在分析权衡调度面临时刻各反馈信息可能带 来的风险与效益的基础上，引入决策者的意见确定动态控制汛限水位方案。汛限水位动 态控制方案评价主要包括防洪、供水与发电、生态方面的效益和风险评价。关键因子为 构建评价体系所选取的各指标及其影响因素。王本德等在建立水库预蓄效益与风险控 制模型的基础上，探讨了决策后果优选与决策目标权重确定中保持决策者风险偏好一致 的方法，发挥了决策者在水库调度中的作用，并将该方法运用于碧流河水库进行验证。 吴泽宁i 4 2 j 等根据黄河中、下游水库及黄河中、下游防洪工程体系的运行调度规则，考虑 设计洪水典型选择、洪水预报误差和水库调度滞时的不确定性影响，分别计算了前、后 汛期8 种汛限水位方案的黄河中、下游水库及下游的防洪风险指标值，在对各方案的风 险进行比较和评价的基础上，推荐了小浪底水库、陆浑水库和故县水库的前、后汛期相 对合理的汛限水位方案。冯平【4 3 j 等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。 评价决策法引入了决策者的偏好意见，在控制方法中纳入调度方案可能产生的效 应，考虑因素较全面。对各种水库均适用，若能与其他控制方法相融合使用更佳。 6 ) 补偿调度法。补偿调度法适用于共同承担一个下游防洪目标的水库群汛限水位 动态控制。在实时调度中，根据面临时刻上、下游水库之间存在库容差异或预报的水文 不同步性，动态控制各水库的汛限水位。此方法的关键因子是面临时刻各水库的库容状 况及预报的未来入库洪水信息。方崇惠】等建立观音寺和鸡公尖双库调洪演算计算模 型，通过对两个水库进行协调，增加蓄水量，提高了水库兴利效益。李玮【3 1 】等结合清江 流域梯级水电站工程特性及防洪任务，以不降低梯级水库防洪标准为原则，建立了基于 预报与上游水布垭水库库容补偿的汛限水位动态控制模型，推求隔河岩水库汛限水位动 态控制方案。 大连理工大学博士学位论文 1 2 2 水库防洪调度的风险分析 风险的概念最早于1 9 世纪末出现在西方经济领域中。随着社会科学和数学理论的深 入研究，风险分析已逐步发展成为一门综合性的边缘学科，广泛应用于各学科领域。2 0 世纪7 0 年代风险被引入到水系统研究中。此后，在防洪工程系统、水文水资源与水环境 系统中逐渐推广应用。水库的防洪调度风险研究在2 0 世纪8 0 年代初开始受到重视。水库 防洪调度的风险一般以风险率表示，研究方法基本都是先分析风险因子的概率分布及参 、数，然后采用适当的风险分析方法推求发生风险事件的概率，即风险率。 风险因素的研究起初是单独考虑水文不确定性，后来发展到综合考虑水文、水力、 结构等不确定性综合因素，最近随着短期水文预报信息在防洪调度中的应用，预报信息 的不确定性也逐步被纳入到水库调度风险研究中。 在我国，一般认为天然洪水的洪峰和洪量特征服从p - i i i 型分布，并以此作为水库防 洪安全设计的依据。随着水文资料的延长，水文特大值不断出现，随之c v c s 参数发生 变化，根据不同参数的p i i i 线型外延结果相差很大。于是针对水文风险展开了一系列的 研究，主要在水文分布的线型和参数估计方面做了大量的工作【4 9 1 。后来，随机水文学 理论被引入到水库防洪调度风险的研究领域。丁副5 0 】等基于洪水过程随机模型，用统计 试验手段探讨了设计洪水过程线作为水库防洪安全设计依据的适用性，结论是设计洪水 过程线能导致偏离水库防洪安全标准，原因是时段设计洪量的抽样误差和典型洪水过程 线的形状。另有一些学者【5 1 , 5 2 】将洪水过程视为一随机过程，以随机点过程理论为依据， 引入时间序列分析方法，研究洪水风险率的大小。 长期的研究发现，水库防洪调度的风险不仅来自于水文的