水庫汛限水位動態控制風險分析方法研究

丁有恒，張莉萍，丁志宏

（1.山西省吳家莊水庫建設管理局，山西 太原 030002；2.運城市水利工程建設局，山西 運城 044000；3.水利部海河水利委員會，天津 300170）

1 引言

水庫汛限水位動態控制是提高洪水資源利用率的一項行之有效的非工程措施。它是充分利用降雨預報和洪水預報的成果，根據汛期洪水出現的可能性，在保證防洪安全的前提下，不斷在汛限水位動態控制域內調控庫水位以使水庫多蓄水興利。汛限水位動態控制屬于風險調度的范疇，是對洪水的風險調控。不確定性因素是風險產生的根源，防洪調度中的不確定性因素包括泄洪能力不確定性、水位—庫容關系不確定性和入庫洪水預報誤差等，其中入庫洪水預報誤差是汛限水位動態控制風險最重要的影響因素。因而，在利用動態控制水庫汛限水位的方法進行洪水資源化調控的過程中，如何恰當并準確地評價入庫洪水預報誤差引起的汛限水位動態控制風險是一項具有理論價值和現實意義的重要研究工作。

2 研究現狀及發展動態

在汛限水位動態控制的風險分析方面，西方發達國家由于在氣象水文特性、人口密度及分布、水資源供需矛盾、社會保險機制及政府管理辦法等方面與我國存在很大差異，其防洪調度的研究重心以考慮防洪效益及生態環境效益為主，汛限水位基本采用傳統的規劃設計值，因而在汛限水位動態控制方面的研究甚少。為了實現水庫汛限水位的動態控制，必須實施防洪預報調度，以增加水庫調洪的主動性，增大水庫預蓄或預泄的可能性。預報信息等的不確定性使得防洪調度具有風險性。傅湘等應用系統分析方法，建立了大型水庫汛限水位風險分析模型，計算出不同汛限水位與最大洪災風險率的關系。王本德等考慮水庫下游防洪效益與水庫風險兩個目標，建立了水庫防洪實時風險調度模型。梅亞東等綜合考慮了水文、水力、起調水位及調洪規則等影響因素，采用隨機模擬法計算了大壩防洪安全綜合風險率。王才君等根據三峽水庫圍堰發電期調度規程，建立了預報預泄調度模型，并通過多目標綜合風險評價得到了動態汛限水位方案。周惠成等從洪水總量與洪水過程兩個角度研究了洪水預報誤差對碧流河水庫防洪預報調度的影響。曹永強等研究了實施防洪預報調度方法的內涵、機理、需要滿足的條件等關鍵問題，并結合碧流河水庫說明了防洪預報調度方法的實用性和可行性。孫穎等綜合考慮了影響漫壩的洪水、風浪、庫容、泄水能力的不確定性，建立了漫壩風險模型。吳澤寧等考慮了洪水典型選擇、洪水預報誤差和水庫調度滯時的不確定性影響，利用隨機模擬方法計算了多種汛限水位方案下黃河中下游水庫及下游的防洪風險指標值，并推薦了相對合理的汛限水位方案。張濤等對防洪調度過程各主要參數進行了隨機識別并應用一次二階矩法對汛限水位調整進行了風險分析。莫崇勛等運用“積分一次二階矩法”綜合考慮了洪水、風浪、庫容等不確定性的漫壩風險分析模型并探討了風險標準問題。陳炯宏等綜合考慮了水文、水力不確定性因素對汛限水位控制下的水庫防洪極限風險進行研究，采用隨機模擬方法計算極限防洪風險率。刁艷芳等分析了水文、水力、水位—庫容和調度滯時4種不確定性因素及其分布特性，建立了水庫防洪預報調度的組合風險分析模型，應用基于拉丁超立方體抽樣的蒙特卡洛方法對模型進行求解。劉艷麗等應用拉丁超立方體抽樣方法建立了水庫防洪風險分析的不確定性分析方法，分別研究了該方法在單因素風險分析和組合風險分析中的應用情況。王義民等討論了不考慮預報和考慮預報兩種預泄調度模式下的水庫汛限水位動態控制原理，研究了不同預泄調度模式下喜河水庫汛限水位動態控制上限值。

短期降雨預報信息是汛限水位動態控制方法中應用的基本信息之一。王本德等分析了降雨預報用于水庫調度中的必要性和重要性，依據中央氣象臺24 h降雨預報資料及實際日降雨資料進行統計，分析各量級降雨預報精度及其頻率分布規律。周惠成等以丹江口水庫為例，研究了利用短期降雨預報信息進行水庫汛限水位動態控制的調度方式及其風險率。胡和平等引入可能性—概率風險的方法進行短期降雨預報精度分析，并將其應用于白龜山水庫短期降雨預報精度分析。王本德等針對當前應用降雨預報信息實施水庫防洪預報優化調度的可能性問題，分析了丹江口48 h降雨預報信息的可利用性，計算了降雨預報的漏報風險。李旭光等對中期數值降雨預報信息進行預處理，給出預報精度評估指標及求解方法，建立了調度風險分析模型。王國利等通過研究GFS未來2～10 d分級降雨預報誤差分布規律，分析了該信息用于實時調水決策的可行性。

通過對上述文獻的研究與分析可知：

第一,汛限水位動態控制調度風險分析方法可以分為只考慮洪水預報誤差不確定性（狹義風險）的單因素分析法和綜合考慮洪水預報誤差以及泄洪能力、調度滯時、起調水位、庫容—水位關系等影響因素不確定性（廣義風險）的多因素分析法（組合風險分析法）。風險的具體計算方法包括頻率分析法、隨機數學分析法（一次二階矩法和改進一次二階矩法）、蒙特卡洛模擬法等。頻率分析法中多次插值求各點風險的算法存在可能的誤差累積問題，隨機數學分析的一次二階矩法和改進一次二階矩法精度通常不高且其正態性和線性假定對不確定性因素的描述有較大的局限性。蒙特卡洛模擬法計算精度高，能很好地解決非線性、不同分布及相關系統問題。防洪風險分析方法的發展趨勢是由單因素分析擴展到多因素分析。

第二，對于洪水預報誤差的處理方法，有基于實測資料和基于《水文情報預報規范》兩種方法。基于實測資料的洪水預報誤差處理方法主要針對洪峰預報誤差或洪量預報誤差，目前研究中只考慮其中一個誤差或對二者分別加以獨立考慮。實際上，洪量預報誤差是洪水過程各個時刻流量預報誤差的累積，由于影響因素眾多，洪峰預報誤差一般低于其他時刻的預報精度，洪量預報誤差中有相當一部分是由洪峰預報誤差引起的，即洪量和洪峰預報誤差存在一定程度的相關性，二者不是相互獨立的變量，進行水庫防洪調度的風險分析時，需要綜合考慮洪峰預報誤差和洪量預報誤差對洪水過程的影響，以實現對二者完整地耦合度量與綜合評價。

第三，目前水庫汛限水位動態控制調整方法中對于降雨信息的利用還處于定性和分級階段。例如，對定量降雨信息進行二級或六級分級，然后分析與評價其概率分布特征以供動態控制水庫汛限水位之用。造成這一局面的原因主要是定量降雨預報精度不高。

3 研究前瞻

預報誤差是水庫采用防洪預報調度方式進行洪水資源化調控的最主要影響因素。洪峰流量預報誤差和洪水總量預報誤差是其中具有天然相關性的兩個主要表征指標，為綜合考慮二者的影響，需對其進行耦合度量。具有相關性的多元水文變量聯合分布研究是目前水文變量分析的前沿領域。可以根據所收集到的水庫入庫洪水預報資料與實測資料，應用極大墑方法研究洪峰預報誤差和洪量預報誤差所遵從的概率分布型式及其參數，從而求解這兩種誤差系列之間的Kendall相關系數，運用Copula函數方法構造洪水預報誤差的峰量耦合評價模型，再基于洪水預報誤差峰量耦合評價模型進行二元隨機抽樣，并應用考慮洪水預報峰量耦合誤差的入庫洪水隨機模擬方法生成入庫洪水的隨機系列以進行相關的風險評價。

提高洪水預報精度和延長洪水預報預見期是水庫汛限水位動態控制的關鍵所在。在確保洪水預報精度的前提下，延長洪水預見期已成為水庫防洪減災領域中的一個重要研究課題。數值天氣預報模式的發展，為在降雨未發生前就獲取定量降雨預報信息、以驅動水文模型來延長洪水預報的預見期提供了氣象科學基礎。根據水文模型的輸出結果對數值預報模式形成反饋與否，二者的耦合方法分為單向耦合和雙向耦合，單向耦合是目前使用最為廣泛的耦合方式。降水預報精度的提高是陸氣耦合洪水預報模型有效運行的先決條件。氣象—水文相結合的流域洪水預報模式是延長洪水預報預見期、提高洪水預報精度的重要發展方向，是氣象科學與水文科學的交叉研究領域。

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