（水力学及河流动力学专业论文）漳泽水库洪水实时调度风险分析.pdf

太原理t 大学硕士研究生学位论文 漳泽水库洪水实时调度风险分析 摘要 本论文研究内容为山西省水利厅的科研项目漳泽水库地面水资 源充分利用的方案研究课题开展汛限水位动态控制、水库实时调 度的研究的子课题，针对漳泽水库多年来防洪与兴利日益突出的矛 盾，基于漳泽水库流域已建成的实时水雨情采集、传输、处理的自动 测报系统及已建成的实时调度模型，研究并建立了漳泽水库洪水实时 调度风险分析模型，并编制了相应的水库洪水实时调度风险分析软件。 在学习和研究风险分析基本理论的基础上，以漳泽水库作为研究 背景，进行了该水库洪水实时调度风险分析的理论探讨和实际应用研 究。基于前人的研究成果，并根据漳泽水库流域的具体情况，提出并 定义了正预报误差、负预报误差、设计允许极限正误差和设计允许极 限负误差的概念，主要内容包括： 1 针对预报误差和调度滞时的概率分布特点，定义了正预报误差、 负预报误差、设计允许极限正误差和设计允许极限负误差，并对其进 行了研究。 2 在提高汛限水位、减少不必要弃水的前提下，为了保证水库的 安全，建立了水库防洪安全调度风险模型，并给出了相应的风险度计 算公式。 3 从下游河道防洪安全的角度出发，建立了水库下游防洪安全调 太原理【：大学硕士研究生学位论文 度风险模型。 4 考虑漳泽水库的工程实际情况和流域的水文情况，以及在防洪 中的具体任务，建立了考虑预报误差和调度滞时这两个条件的风险模 型。 通过本论文研究，可以印证漳泽水库汛限水位动态控制研究总报 告中确定的漳泽水库将汛限水位从9 0 1 m 提高到9 0 2 4 m 的结论是合 理的，从而为漳泽水库防洪汛限水位动态控制提供保障，减少了不必 要的弃水，提高水资源的利用率。 关键词：风险分析，预报误差，调度滞时，防洪安全 太原理工大学硕二七研究生学位论文 砌s ka n a l y s i s0 nr e a l t i m ef l o o d d i s p a t c h i n gm o d e lo fz h a n g z er e s e r v o i r a b s t r a c t t h ec o n t e n to ft h ep a p e ri sas u bp r o b l e mo fs c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e mo f s h a n x iw a t e rc o n s e r v a n c yb u r e a uw h i c hi s p r o j e c ts t u d y i n gt a s kf o r s u f f i c i e n t l yu t i l i z i n g g r o u n d w a t e rr e s o u r c ei n z h a n g z e r e s e r v o i r - - d e v e l o p i n gd y n a m i cc o n t r o lo ff l o o dc o n t r o l l e v e la n d r e s e a r c h i n gr e s e r v o i r sr e a l 一7 r i m ed i s p a t c h i n g a i m e d a t z h a n g z e r e s e r v o i r si n c r e a s i n g l y o u t s t a n d i n g c o n f l i c tb e t w e e nf l o o dc o n t r o la n d u s e f h l c o n t r o l ，r i s ka n a l y s i s o nr e a l t i m ef l o o dd i s p a t c h i n gm o d e lo f z h a n g z er e s e r v o i ri s s t u d i e da n de s t a b l i s h e d ，a n dt h er i s ka n a l y s i so n r e a l t i m ed i s p a t c h i n gs o f t w a r ei sp r o g r a m m e d ，b a s i n go nt h er e a l t i m e a u t o m a t i cs y s t e mt a r g e t i n ga t h y d r o l o g i cd a t a sc o ll e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n ， d i s p o s a l o fz h a n g z er e s e r v o i rc a t c h m e n t sa n dt h ef i n i s h e dr e a l t i m e d i s p a t c h i n gm o d e l b a s e do ns t u d ya n dr e s e a r c ho nt h eb a s i ct h e o r yo fr i s ka n a l y s i s ，t h e r i s ka n a l y s i so nr e a l t i m ef l o o dd i s p a t c h i n go ft h er e s e r v o i ri sd i s c u s s e d t h e o r e t i c a l l y , a n dt h e a c t u a l a p p l i c a t i o n i s i n v e s t i g a t e dt a k i n gz h a n g z e r e s e r v o i ra sas t u d ys e x i n g b eb a s e du p o nt h ef o r m e rs t u d yf r u i ta n dt h e a c t u a lc i r c so ft h ec a t c h m e n t s ，t h ec o n c e p t so fp o s i t i v ef o r e c a s t e r r o r ， n e g a t i v ef o r e c a s te r r o r ，l i m i tp o s i t i v ef o r e c a s te r r o ro fd e s i g n i n ga n dl i m i t ttt 太原理工大学硕士研究生学位论文 n e g a t i v ef o r e c a s te r r o ro fd e s i g n i n ga r ep u tf o r w a r da n dd e f i n e d t h em a i n c o n t e n t sa r e ： 1 a i m e da tt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n sc h a r a c t e r i s t i c so ff o r e c a s t e r r o ra n dd i s p a t c h i n gd e l a y ，t h e c o n c e p t s o fp o s i t i v ef o r e c a s t e r r o r ， n e g a t i v ef o r e c a s te r r o r ，l i m i tp o s i t i v ef o r e c a s te r r o ro fd e s i g n i n ga n dl i m i t n e g a t i v ef o r e c a s te r r o ro fd e s i g n i n ga r ed e f i n e da n ds t u d i e d 2 o nt h ep r e m i s eo f e l e v a t i n gt h ef l o o dc o n t r o ll e v e la n dr e d u c i n gt h e n e e d l e s sa b a n d o n e dw a t e r , t h er i s km o d e lf o rf l o o dc o n t r o l s e c u r i t y d i s p a t c h i n go ft h er e s e r v o i ri se s t a b l i s h e di no r d e rt oa s s u r et h es a f e t yo f r e s e r v o i r , a n dt h ec a l c u l a t ef o r m u l ao f r i s kd e g r e ei sp r e s e n t e d 3 f r o mt h ev i e wo fd o w nr i v e rw a y sf l o o dc o n t r o ls a f e t nt h er i s k m o d e lf o rf l o o dc o n t r o l s e c u r i t yd i s p a t c h i n go ft h ed o w nr e s e r v o i ri s e s t a b l i s h e d 4 c o n s i d e r i n gt h ep r o j e c t s a c t u a la n dh y d r o l o g i cc i r c so ft h e c a t c h m e n t s ，a n dt h ei d i o g r a p h i ct a s ki n c o n t r o l f l o o d ，t h er i s km o d e l c a l c u l a t i n gf o r e c a s te r r o ra n dd i s p a t c h i n gd e l a yi se s t a b l i s h e d t h ec o n c l u s i o nt h a tf l o o dc o n t r o ll e v e lo fz h a n g z er e s e r v o i rc a nb e h e i r g h t e n e df r o m9 0 1 mt o9 0 2 4 mi sr e a s o n a b l et h r o u g ht h ep a p e r s r e s e a r c h a c c o r d i n g l y , t h ed y n a m i cc o n t r o lo fz h a n g z er e s e r v o i r sf l o o d c o n t r o ll e v e li sg u a r a n t e e d ，t h en e e d l e s sa b a n d o n e dw a t e ri sr e d u c e d ，a n da s ar e s u l tt h eu t i l i z i n gr a t i oo f w a t e rr e s o u r c ei se n h a n c e d k e yw o r d s ：砌s ka n a l y s i s ，f o r e c a s t e r r o r ，d i s p a t c h i n gd e l a y ，f l o o d c o n t r o ls a f e t y i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：刍慧楚日期：。型 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 兰。蔓楚： 日期： 导师签名： 洳6 f t o 日期：缈，o 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 11 问题提出 洪水是一种自然水文现象，威胁到人类安全和影响社会经济活动并造成损失。 防洪目的在于设法防治、消除或减缓洪灾损失，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好循环。防洪措施分为两大类：一是工 程防洪措施，二是非工程防洪措施。两类措施的合理配置，相互协调，就构成了 近代完整的防洪系统。 水库作为单一防洪任务的工程措施，始予1 9 世纪末。2 0 世纪初水库功能由单 一防洪任务发展到防洪、治涝、灌溉、供水、发电与航运等综合开发治理，并逐 渐成为防洪系统的主体。建国以来，为满足防洪和兴利的需要，全国兴建了大、 中、小型水库约8 6 0 0 0 座，这些水库对保证国民经济稳定增长，保障人民生命财 产安全和社会的安定发挥了重要作用。随着社会经济的高速发展，水库的地位和 作用越来越突出。 对于水资源贫乏的北方干旱、半干旱地区，随着日益增长的工、农业及城市 用水的需要，洪水资源化成为重要的水资源组成部分，充分利用洪水资源对国民 经济可持续发展具有重要的意义。洪水具有水害，降雨的随机性与洪水的不确定 性，使得洪水的利用具有风险性。因此，风险分析的研究工作就显得极为重要了。 l l j 西省水利厅2 0 0 2 年初列题研究，以漳泽水库为对象，进行漳泽水库地面水资 源充分利用的系统研究开展汛限水位动态控制、水库实时调度的研究，本论 文系其子课题。 1 2 水库防洪调度风险研究综述 从水库调度到水库防洪调度的风险研究是一个顺承的关系，因此，水库风险 调度与水库调度是分不开的。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 1 水库调度 水库调度要在服从防洪总体安排、保证水库工程安全的前提下，协调防洪、 兴利及各用水部门的关系，充分发挥水库防洪、蓄水兴利的最大综合利用效益。水 库调度的任务是根据规划设计的意图和规范、要求，结合具体实际情况，充分利 用库容，在满足大坝本身和防洪下游安全的前提下，有计划地对入库进行蓄泄控 制，实现水资源综合利用，进而达到防洪、兴利的目的。 水库的调度决策按水库的功能目标可分为防洪调度、兴利调度和综合利用调 度；按水库的数目可分为单一水库调度和水库群联合调度；按调度周期可分为长 期调度和短期调度；按水库调度方法可分为常规调度和优化调度。目前所研究的 水库调度决策主要是针对大型水库综合利用调度、水库群的联合优化调度。水库 防洪调度研究是目前水库调度的热点问题，调度的目标已从单一的水库防洪安全 向在防洪安全前提下提交洪水的利用研究发展，对于以暴雨形成洪水的北方干旱、 半干旱地区，该课题的研究尤为重要。 水库防洪调度不仅要统筹考虑水库上下游的防洪矛盾，还要统筹考虑防洪与 兴利的矛盾，通常是个多目标、多属性、多层次、多阶段的复杂决策过程，具 有复杂性、确定性、不确定性、实时性、风险性等特点。 ( 一) 复杂性 水库防洪调度的复杂性主要表现在： ( 1 ) 多目标性 多目标性体现在：当水库系统需要满足的目的较多时，参加优化的常常是多 个目标函数，同时各目标之间是相互联系、相互制约的。一个目标在数量上的改 进，常常要牺牲其他目标的利益，因此必须协调好各个目标间的关系，做到统筹 兼顾。 ( 2 ) 多维性 多维性主要针对库群系统而言，水库群系统是由多个水库组成的复杂系统 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 其状态变量和决策变量构成多维的状态空间和决策空间。而且每个水库的状态不 仅影响该水库的当前决策，同时也影响其他水库的当前决策。 ( 3 ) 决策过程的复杂性 进行防洪调度决策时，首先要收集整理水库所涉及流域的水雨工情等防汛实 时信息及预报信息；然后制定、优选和实施防洪调度方案，在此基础上对洪水灾害 进行预测，制定防洪减灾各个方案，决策者在自己经验的基础上，做出决策。未 来洪水的随机性，加之实时洪水调度的紧迫性及无返回操作性，使得洪水调度过 程极其复杂，加剧了防洪调度决策的难度。 ( 二) 确定性 水库防洪调度依据大量的确定性信息。例如：进行防洪调度设计时所依据的 设计洪水过程，水库的基本资料，水库本身及其防护点的防洪要求等等，以及由 此确定的泄流方式和调度规则，都是确定性的。在实时防洪调度中，在目前的气 象预报水平下，能够确知影响此次降雨过程，尤其是大降雨过程的天气系统，而 且能够对未来的天气系统进行比较准确的预估，进而可以对未来降雨、洪水的量 级和变化过程进行预估。在进行防洪调度时，就可以挖掘隐藏在偶然现象背后的 必然、确定性规律，以便更好地处理实时调度中的偶然现象和不确定性信息。 ( 三) 不确定性 水库防洪调度，尤其是实时防洪调度中客观存在着大量的不确定性因素，这 些不确定性因素可以分为两类：( 1 ) 随机性：水库防洪调度中普遍存在着随机因 素的影响，如实际的降雨、洪水过程受到随机因素的影响，使未来的降雨特征和 洪水特征呈现出在时间、空间及量级的随机性。( 2 ) 模糊性：凡是有人参与的系 统，都要由人进行规划、论证、评价、设计和运行管理，因而不能忽视客观事物 在人脑中反映的不确定性模糊性及事物本身属性的模糊性，它是由客观差异 的中介过渡所引起的种划分不确定性。不确定性因素对水库防洪调度的影响很 大，甚至带来灾难性的后果。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 四) 风险性 由于客观世界的复杂性和人类认识客观世界的局限性，人类的决策和活动往 往伴随着不确定性因素的困扰，因而不可避免地冒一定的风险。水库防洪调度涉 及的不确定性因素一般分为水文不确定性、水力不确定性、经济不确定性和决策 不确定性。不确定性因素对水库防洪调度的影响很大，甚至会带来灾难性风险。 如果洪水是可控制的，而洪水的风险却是不可消除的，必须加强对其风险特 性的研究，将洪涝灾害的风险控制在可承受的限度之内。风险分析是水库防洪风 险管理的基础性工作，是制定实时调度方案和进行调度决策的重要依据。开展水 库防洪调度的风险分析工作，不仅要预估未来自然资源和灾害可能出现的情势， 还须考虑人类社会、经济和环境的承受能力与敏感程度，即资源需求和抗灾能力 未来可能的变化，以及人与自然相互作用、相互影响的互动关系。 就世界范围看，国外开展风险分析的研究工作较早，8 0 年代风险分析的研究 工作在国内逐渐展开。 1 2 2 国外风险分析研究概况 从国际上看美国开展洪水风险的研究比较全面和系统。美国在3 0 年代大规模 防洪工程建设高潮之后，江河流域的防洪标准基本达到了百年一遇，但洪灾损失 依然逐年上升。由此开展了相关的防洪非工程措施的研究，在6 0 年代就开始制作 洪水风险图，其目的是为国家开展强制性洪水保险提供技术基础，进而实现强化 洪泛区管理的防洪减灾战略目标。 针对水库调度中的风险，1 9 7 6 年c o l o m i 【2 】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 7 9 年，h o u c k 提出了一个包含与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。1 9 8 0 年s i m o n o v i c 3 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，即考虑洪水与干旱可靠性水平， 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 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。1 9 8 4 年h a s a n y a z i c i g i l t 4 1 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 7 年，v o g e l 【5 】 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， 而后利用对策论来制定水库运行策略。同年，n a s s i r l 6 i 针对某一经济规划区域，提 出了一个估计洪灾损失的理论模型，该模型考虑了水文、水力、经济的风险因素， 通过该模型能合理评价该区域防洪方案的防洪效益。同年，o u e l l e t e l 7 1 等提出将洪 水的随机特性与洪泛区洪灾损失估计综合起来的方法论，根据洪水与洪灾损失在 时问系列上的相似性，给出了洪灾损失估计的概率方法，然后应用极值统计理论 推导出损失的分布函数。1 9 9 2 年，s i m o n o v i c 【8 j 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。p m r m i9 】( 分区多目标风险分析方法) 除了考虑期望值风险 目标外，还考虑了条件期望风险目标，即通过样本容量及p m r m 的分区点将极值 统计理论与低概率期望值函数联系起来，并用极值统计理论推导条件期望风险函 数。在此基础上，j a m e s 1 研究了一个严格单增损失函数y = g ( x ) ( y 为洪灾损 失，x 为洪水位) ，评估了极值洪灾损失的期望值和方差。1 9 9 4 年j i 住1 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 9 9 9 年e z i ot o d i f l i 等编制了f l o o d s s ( f l o o d o p e r a t i o n a ld e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 平台，此平台可以在不同时空条件下进行洪水 预报、风险分析，并结合此场洪水对社会、经济和环境造成的危害进行评定。2 0 0 3 年，e r i cp a r e n t 【1 4 】等建立了p o t ( p e a ko v e rt h r e s h o l d ) 模型来改进水文极值事件的 风险分析。 1 2 3 国内风险分析研究概况 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 展而展开的。水库防洪风险问题的研究不断地由定性描述向定量分析发展，研究 工作从水文风险一直拓宽到水力、经济、社会、环境、运行管理、保险等一系列 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 风险问题，取得了较为丰硕的成果。 2 0 世纪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。根据研究的特点，范围、对象和规模的不同， 可以分以下几个类型： ( 一) 水库来水预报风险分析 2 0 0 1 年徐玉英i ”1 等将改进的一次二阶矩a f o s m 法应用于水库洪水预报子系 统的风险分析中。在a f o s m 法框架下，对水库洪水预报子系统的风险做了定义 和描述，并以柴河水库为例，对风险率进行了定量计算。同年，宋榜科6 1 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。同年，王 本德旧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。 ( 二) 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。 1 9 9 4 年，冯平1 9 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。1 9 9 6 年，冯平、陈根福【2 0 j 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。1 9 9 8 年， 田峰巍【2 l 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。同 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 年，傅湘口2 i 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 9 年，黄强【2 3 】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。2 0 0 2 年，胡四一【2 4 j 等系统地论述了海河流域利用水库分期 汛限水位利用洪水资源的研究思路和技术框架，重点论述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，提出了基于预 报调度的实时调度方式。2 0 0 5 年，郑凤德1 25 j 等从洪水资源化与水资源可持续开发 利用的角度建立水库防洪与补源优化调度的数学模型。 ( 三) 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。 1 9 8 9 年，徐祖信【26 】等提出了开敞式溢洪道水力设计中风险的计算模式，将j c 法用于泄洪风险。同年，郑管平1 27 j 等研究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。1 9 9 0 年，姜树海【2 8 】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。1 9 9 1 年，金明f 2 9 】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。1 9 9 2 年，储祥元【3 0 】以f o s m 法进行参数估计，以m c 法结合拟优 选择的办法求得泄流能力的最佳概率模型。1 9 9 3 年，姜树海推导了调洪演算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。1 9 9 5 年，朱 元生口2 j 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。1 9 9 6 1 9 9 9 年，杨百银【3 33 4 蝣研究了单一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。1 9 9 6 年，王长新【3 5 】等对泄洪消 能风险计算的j c 法和m c 法进行了对比。1 9 9 8 年，姜树海【3 6 】建立了漫坝失事的 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 随机模糊风险分析模型，实现了对大坝防洪能力的定量化，进而为已建大坝和待 建大坝的防洪安全评估和校核创造条件。1 9 9 9 年，熊明【”1 提出了大坝防洪安全风 险计算的原则、方法及适用条件。年，刘俊萍【3 8 1 等讨论了洪水调度中的风险分析 计算方法，分析了影响泄洪风险的不确定因素，给出了随机变量的分布函数与参 数。2 0 0 3 年，莫崇勋1 3 9 等应用风险分析理论对澄碧河水库大坝进行了漫坝风险研 究，计算了二t 坝的漫坝风险，探讨了该土坝的漫坝风险标准。 ( 4 ) 水库多目标风险分析 1 9 9 1 年国内有关专家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。 2 0 0 0 年，王本德1 4 0 1 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。2 0 0 1 年，傅湘等讨论了洪水预报、警报系统与 防洪工程措施结合时，不同洪水预见期、预报精度、人们对警报的反应等情况下 洪泛区内的洪灾损失计算，并建立了防洪减灾中的多目标风险决策优化模型。2 0 0 4 年，丁大发4 2 1 等在拟订设计洪水典型、预报误差、调度滞时为主要风险因素指标 的前提下，以实例为背景，提出了水库防洪调度多因素组合风险估计的蒙特卡罗 ( m o n t e c a r l o ) 模拟技术。 水库调度风险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，水库调度风险分折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。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 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， 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 在水库防洪调度风险分析中，应综合考虑多目标、多风险因素，特别是多因素联 合作用下对水库防洪调度的影响的进一步的研究，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，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，使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。 13 本文拟研究的内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本文在学习和研究风险分析基本理论的基础上，以漳泽水库作为研究背景，进 行了该水库洪水实时调度风险分析的理论探讨和实际应用研究。主要内容包括： 1 水库防洪安全调度风险模型 分析了预报误差和调度滞时的概率分布，结合漳泽水库实时调度风险分析的 特点，在分析、筛选诸多风险因素的基础上，提出了由负预报误差和调度滞时共 同作用的组合风险流程，计算了由水库安全而决定的设计允许极限负误差和风险 度，总结出设计允许极限误差与调度滞时的关系，编制了相应的计算机模拟程序。 2 水库下游防洪安全调度风险模型 从下游河道防洪安全的角度出发，分析了由于正预报误差和调度滞时的存在 使得中、小洪水对下游造成的淹没风险，总结出最高调洪水位同正预报误差的关 系线方程。 3 水库防洪调度的多目标风险模型研究 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 全面考虑漳泽水库的工程实际情况和流域的水文情况以及在防洪中的具体任 务，针对水库调度的实际情况和调度过程，研究适合于漳泽水库的多目标风险模 型，通过该模型判断水库面i 临洪水时的风险性，从而在安全的前提下尽可能减少 弃水，保证工农业生产的正常需要。 13 2 技术路线 ， 根据国内外水库防洪调度风险分析的经验并结合漳泽水库自身的特点，建立 了漳泽水库防洪调度的多目标风险模型。具体技术如下： 1 研究漳泽水库的实际情况，通过漳泽水库洪水预报设施、方案以及上游各 中型水库的下泄预报等，确定预报误差和调度滞时为主要的风险因素并建立水库 防洪调度的多目标风险模型。 2 建立水库防洪安全调度风险模型。 3 研究预报误差和调度滞时的概率分布。 4 计算设计允许极限负误差和风险度。 5 建立水库下游防洪安全调度风险模型。 6 研究最高凋洪水位与调度滞时关系线。 7 算例及讨论。 8 风险分析的应用前景。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章水库防洪调度风险理论 目前对水库汛限水位动态控制研究成为水库调度的热点研究课题，其目的在 于研究提高汛限水位，增加兴利效益，特别是北方干旱半干旱地区，有效利用洪 水资源是提高地表水利用水平的最有效途径，但在洪水计算中，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，使得在提高水 库兴利效益后，有可能导致水库防洪运用过程中出现较大得风险。为了实现兴利 与防洪目标的最佳结合，需对不同兴利方案相应的防洪风险进行分析，为兴利方 案的正确选择和水库防洪调度提供科学依据。 2 1 风险及风险分析 2 1 1 风险 目前，风险的定义很多，但普遍认同的观点为风险是某一特定环境下，在某 一特定时间段内，某种损失发生的可能性。洪水调度风险泛指在特定时空环境条 件下，水库防洪调度运用过程中所发生的非期望事件。用广义荷载反映系统在某 一外部压力作用下的行为，广义阻尼描述系统克服外部荷载能力的特征变量，则 用广义荷载l 与广义阻尼h 的关系来定义系统风险为：当系统荷载超过阻尼( l h ) 时，系统发生失事事件，系统风险即为系统荷载大于阻尼的可能性，即： p = p ( l h 、( 2 一1 ) 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蓄、 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。如可选不同机率洪 水作为荷载，相应机率洪水的水库调洪高水位或水库最大泄量作为抗力等。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 2 风险分析 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。风险分析的目的在于以最 n 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险管理技术及其方案组合。 ， 2 2 水库防洪调度风险分析内容 2 2 1 风险识别【4 2 】 风险识别就是要找出风险之所在和引起风险的主要因素，并对其后果做出定 性的估计。在水库防洪调度中，不确定性因素众多，如设计洪水的不确定性、洪 水预报的不确定性、以及调度决策和操作中的不确定性等。这些不确定性的存在 将给防洪调度带来程度不同、形式各异的风险。然而，在防洪调度风险分析中， 力求考虑所有不确定因素产生的风险，是相当困难的。为使水库防洪调库风险分 析工作得以顺利进行，并使风险分析结果能反映水库调度运用实际，分析中要根 据不同水库的实际情况和研究目标，抓住主要矛盾，通过风险识别过程，选择那 些对防洪目标影响较大的不确定性因素作为防洪调度风险分析的主要风险因素， 在此基础上，对主要风险因素及其导致防洪目标的变化特征做出定性描述。 ( 一) 洪水典型选择的风险 发计洪水计算中采用的是一个或少数几个典型过程，但实际来水过程与所选 典型过程并不一致，各种可能的过程都可能出现。虽然洪水过程组成具有随机性， 不易从理论上统一描述，但是实测洪水系列可视为洪水总体的一个样本。因此， 设计洪水计算的不确定性可用实测洪水系列中不同的典型来反映。 ( 二) 降雨预报、洪水预报的误差风险 洪水预报是水库防洪调度的主要依据之一，显然洪水预报的不确定性也是导 致风险的主要因素。洪水预报的不确定性来源于量测设备和技术、信息传递、模 型参数及计算等方面的不确定性，但最终都体现在洪水预报误差上。据此可用预 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 报精度综合描述洪水预报的不确定性。洪水预报导致的防洪调度风险，主要表现 在预报洪水偏小时，实际来水为超过预报等级的洪水，按预报洪水等级调度可能 导致防洪目标遭到破坏( 即所谓的“洪水预报误差”) ：也可能预报洪水偏大，用 高等级调度结果可能导致水库弃水增加影响兴利效益，同时对下游的防洪安全不 利，同样造成经济损失。 ( 三) 洪水调度的风险 防洪调度的不确定性，主要来源于根据预报结果制定的调度方案、会商、上 报决策和实际操作的过程中，表现为实施调度方案时间的延误，故调度不确定性 用实施调度方案的滞时来综合描述反映( 即所谓的“调度滞时”) 。 ( 四) 决策者的调度经验风险 由于自然规律的复杂多变，决策者对面临流域的暴雨规律、产汇流状况变化 缺乏直观全面的了解，加之决策者对实时调度信息认识和处理的局限性，使得在 决策过程中决策者必然要依赖自己的经验判断，决策者的决策偏好可能会给水库 调度带来额外的风险( 即所谓的“经验风险”) 。 2 - 2 2 风险估计 风险估计就是在风险识别的基础上，对风险发生的概率及其后果做出定量的 估计，包括主要不确定因素的概率估计和不确定因素导致防洪目标的风险估计。 因此，用何种方法来估计各种不确定因素产生何种程度的风险，是防洪调度风险 分析必须研究的内容。风险估计通过确定不确定因素和风险目标的概率分布来实 现。但是，确定不确定因素和风险目标的概率分布并非一件容易的事。 风险估计的方法有主观估计和客观估计两种方法。主观估计是专家根据长期 积累的各方面的经验及当时搜索到的信息所作的估计；客观估计是依据现有的各 种数据和资料对未来事件发生的可能性进行预测。 水库防洪调度风险分析是多目标问题，每个目标的风险是诸不确定性因素联 合作用所致，而且总体风险是由各单目标风险组合而成，因此，在风险估计中须 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究诸多不确定性因素联合作用所产生的各目标的风险。 2 2 3 风险评价 风险评价是根据风险估计得出的风险发生概率和损失后果，把这两个因素结 合起来考虑，用某一指标决定其大小，如期望值、标准差、风险度等。防洪调度 的风险评价应在风险估计的基础上将各防洪调度方案风险损失与其增加的额外收 益( 风险效益) 进行对比分析，并给出相应的结果。 2 2 4 风险决策 风险决策是水库防洪调度风险分析中的一个重要阶段。在对风险进行了识别、 作了风险估计及评价，提出了若干种可行的风险处理方案后，需要由决策者充分 考虑各方面影响，对各种处理方案可能导致的风险后果进行更全面的权衡分析， 在此基础上，选择付诸实施的防洪调度方案，并提出应对和降低风险的措施。风 险决策依据的原则主要有乐观原则、悲观原则、折中原则、等可能性原则、总期 望值最大原则、最大概率前景原则、满意原则等1 2 3 】。 2 3 水库防洪调度风险分析方法 ( 一) 定性分析方法吲 定性分析法主要用于风险可测度很小的风险主体。常用的方法有调查法、矩 阵分析法和德尔菲法。 德尔菲法是美国咨询机构兰德公司首先提出，该法主要是借助于有关专家的 知识、经验和判断来对风险加以估计和分析。在水资源系统中有些不确定性因素 难以分析、计算，因此该法在水库调度风险决策中具有实用价值。 ( 二) 定量分析方法 定量风险分析方法是借助数学工具研究风险主体中的数量特征关系和变化， 确定其风险率( 或度) 的方法。定量风险分析方法有许多，但归纳起来可分为概率论 与数理统计方法、随机模拟方法、马尔柯夫过程方法、模糊数学方法等。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 、基于概率论与数理统计的风险分析方法【4 2 4 3 概率论与数理统计是研究水库调度中可靠性与风险率的最为有力的工具，如 过去对水库运行的发电保证率和灌溉保证率等的计算均是建立在该基础上的。由 于风险与可靠的概念互补，因此该基础理论和方法也适宜于解决风险率的计算。 在风险分析中，对风险出现的可能性及大小有两种度量方法：一种是基于风 险出现的概率，采用“风险率”度量；一种是基于风险的变异性测度，采用“风 险度”度量。 ( 1 ) 依据贝叶斯原理进行风险率计算 设b ，b 2 ，研是一组互斥的完备事件集，即日互不相容，如果事件a 的 发生每次必与事件b ，b 2 ，b 。之一同时发生，则在事件a 发生的条件下，事 件口，发生的概率p ( e l 爿) 为： p ( b 胁善业盟( i ：1 ，2 ，3 ， n ) ( 2 2 ) p ( b ) j p ( 爿i 占) 式中，已知条件b ，发生的概率p ( b ，) 为先验概率( 己知) 或事前概率；将条件 概率p ( a i b ，) 与先验概率p ( b ，) 之积称为联合概率：事件a 发生条件下事件b 发生 的概率p ( b ，l 爿) 称为后验概率( 未知) 。 在水库调度中当局为水库放水，a 为影响水库放水的入库水量和库水位，则 p ( b ，l 爿) 为水库在己知入库水量和库水位的条件下，水库放水的概率。 ( 2 ) 风险度分析方法 期望值计算式： e ( x ) = 一p ( x ，) ( 2 - 3 ) 或 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 e ( x ) 。 矿( x ) 出 ( 2 4 ) 式中：x t , p 西0 离散型风险变量及相应的概率； f i x ) 连续型风险变量的密度函数。 标准差计算式： 盯= 丽= e ( z 一；) 2 ( 2 - - 5 ) 则，风险度( 即变异系数) 计算模型方程式： f d ：l ( 2 6 ) 丘( x ) 侯召成等给出了水库防洪风险度他国和水库下游防洪风险度n 的定义和 计算方法。水库调洪最高水位超过相应特征水位的程度称为水库防洪风险度，见 式( 2 7 ) ：水库防洪时下游防护点的最大组合流量超过下游河道安全泄量的程度 称为下游防洪的风险度，见式( 2 8 ) 。 雎( z ) = 0 ，z ( z ， z z i 焉一， 挖乙 ( 2 卅 1 ，z ) z ， 式中：弓为水库相应的特征水位( 水库的设计水位或校核洪水位或防洪高水位) 乃为水库的坝顶高程。 心( q ) = o ，q ( g 安 ! _ = 堕，g 。g g 安( 2 - - 8 ) g 一一g 安 1 ，g ) q 。 式中：q 为调洪时下游防护点的最大组合流量；q 安为下游防护点的安全泄量