水库汛限水位动态控制风险分析方法研究

丁有恒，张莉萍，丁志宏

（1.山西省吴家庄水库建设管理局，山西 太原 030002；2.运城市水利工程建设局，山西 运城 044000；3.水利部海河水利委员会，天津 300170）

1 引言

水库汛限水位动态控制是提高洪水资源利用率的一项行之有效的非工程措施。它是充分利用降雨预报和洪水预报的成果，根据汛期洪水出现的可能性，在保证防洪安全的前提下，不断在汛限水位动态控制域内调控库水位以使水库多蓄水兴利。汛限水位动态控制属于风险调度的范畴，是对洪水的风险调控。不确定性因素是风险产生的根源，防洪调度中的不确定性因素包括泄洪能力不确定性、水位—库容关系不确定性和入库洪水预报误差等，其中入库洪水预报误差是汛限水位动态控制风险最重要的影响因素。因而，在利用动态控制水库汛限水位的方法进行洪水资源化调控的过程中，如何恰当并准确地评价入库洪水预报误差引起的汛限水位动态控制风险是一项具有理论价值和现实意义的重要研究工作。

2 研究现状及发展动态

在汛限水位动态控制的风险分析方面，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差异，其防洪调度的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，因而在汛限水位动态控制方面的研究甚少。为了实现水库汛限水位的动态控制，必须实施防洪预报调度，以增加水库调洪的主动性，增大水库预蓄或预泄的可能性。预报信息等的不确定性使得防洪调度具有风险性。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，计算出不同汛限水位与最大洪灾风险率的关系。王本德等考虑水库下游防洪效益与水库风险两个目标，建立了水库防洪实时风险调度模型。梅亚东等综合考虑了水文、水力、起调水位及调洪规则等影响因素，采用随机模拟法计算了大坝防洪安全综合风险率。王才君等根据三峡水库围堰发电期调度规程，建立了预报预泄调度模型，并通过多目标综合风险评价得到了动态汛限水位方案。周惠成等从洪水总量与洪水过程两个角度研究了洪水预报误差对碧流河水库防洪预报调度的影响。曹永强等研究了实施防洪预报调度方法的内涵、机理、需要满足的条件等关键问题，并结合碧流河水库说明了防洪预报调度方法的实用性和可行性。孙颖等综合考虑了影响漫坝的洪水、风浪、库容、泄水能力的不确定性，建立了漫坝风险模型。吴泽宁等考虑了洪水典型选择、洪水预报误差和水库调度滞时的不确定性影响，利用随机模拟方法计算了多种汛限水位方案下黄河中下游水库及下游的防洪风险指标值，并推荐了相对合理的汛限水位方案。张涛等对防洪调度过程各主要参数进行了随机识别并应用一次二阶矩法对汛限水位调整进行了风险分析。莫崇勋等运用“积分一次二阶矩法”综合考虑了洪水、风浪、库容等不确定性的漫坝风险分析模型并探讨了风险标准问题。陈炯宏等综合考虑了水文、水力不确定性因素对汛限水位控制下的水库防洪极限风险进行研究，采用随机模拟方法计算极限防洪风险率。刁艳芳等分析了水文、水力、水位—库容和调度滞时4种不确定性因素及其分布特性，建立了水库防洪预报调度的组合风险分析模型，应用基于拉丁超立方体抽样的蒙特卡洛方法对模型进行求解。刘艳丽等应用拉丁超立方体抽样方法建立了水库防洪风险分析的不确定性分析方法，分别研究了该方法在单因素风险分析和组合风险分析中的应用情况。王义民等讨论了不考虑预报和考虑预报两种预泄调度模式下的水库汛限水位动态控制原理，研究了不同预泄调度模式下喜河水库汛限水位动态控制上限值。

短期降雨预报信息是汛限水位动态控制方法中应用的基本信息之一。王本德等分析了降雨预报用于水库调度中的必要性和重要性，依据中央气象台24 h降雨预报资料及实际日降雨资料进行统计，分析各量级降雨预报精度及其频率分布规律。周惠成等以丹江口水库为例，研究了利用短期降雨预报信息进行水库汛限水位动态控制的调度方式及其风险率。胡和平等引入可能性—概率风险的方法进行短期降雨预报精度分析，并将其应用于白龟山水库短期降雨预报精度分析。王本德等针对当前应用降雨预报信息实施水库防洪预报优化调度的可能性问题，分析了丹江口48 h降雨预报信息的可利用性，计算了降雨预报的漏报风险。李旭光等对中期数值降雨预报信息进行预处理，给出预报精度评估指标及求解方法，建立了调度风险分析模型。王国利等通过研究GFS未来2～10 d分级降雨预报误差分布规律，分析了该信息用于实时调水决策的可行性。

通过对上述文献的研究与分析可知：

第一,汛限水位动态控制调度风险分析方法可以分为只考虑洪水预报误差不确定性（狭义风险）的单因素分析法和综合考虑洪水预报误差以及泄洪能力、调度滞时、起调水位、库容—水位关系等影响因素不确定性（广义风险）的多因素分析法（组合风险分析法）。风险的具体计算方法包括频率分析法、随机数学分析法（一次二阶矩法和改进一次二阶矩法）、蒙特卡洛模拟法等。频率分析法中多次插值求各点风险的算法存在可能的误差累积问题，随机数学分析的一次二阶矩法和改进一次二阶矩法精度通常不高且其正态性和线性假定对不确定性因素的描述有较大的局限性。蒙特卡洛模拟法计算精度高，能很好地解决非线性、不同分布及相关系统问题。防洪风险分析方法的发展趋势是由单因素分析扩展到多因素分析。

第二，对于洪水预报误差的处理方法，有基于实测资料和基于《水文情报预报规范》两种方法。基于实测资料的洪水预报误差处理方法主要针对洪峰预报误差或洪量预报误差，目前研究中只考虑其中一个误差或对二者分别加以独立考虑。实际上，洪量预报误差是洪水过程各个时刻流量预报误差的累积，由于影响因素众多，洪峰预报误差一般低于其他时刻的预报精度，洪量预报误差中有相当一部分是由洪峰预报误差引起的，即洪量和洪峰预报误差存在一定程度的相关性，二者不是相互独立的变量，进行水库防洪调度的风险分析时，需要综合考虑洪峰预报误差和洪量预报误差对洪水过程的影响，以实现对二者完整地耦合度量与综合评价。

第三，目前水库汛限水位动态控制调整方法中对于降雨信息的利用还处于定性和分级阶段。例如，对定量降雨信息进行二级或六级分级，然后分析与评价其概率分布特征以供动态控制水库汛限水位之用。造成这一局面的原因主要是定量降雨预报精度不高。

3 研究前瞻

预报误差是水库采用防洪预报调度方式进行洪水资源化调控的最主要影响因素。洪峰流量预报误差和洪水总量预报误差是其中具有天然相关性的两个主要表征指标，为综合考虑二者的影响，需对其进行耦合度量。具有相关性的多元水文变量联合分布研究是目前水文变量分析的前沿领域。可以根据所收集到的水库入库洪水预报资料与实测资料，应用极大墒方法研究洪峰预报误差和洪量预报误差所遵从的概率分布型式及其参数，从而求解这两种误差系列之间的Kendall相关系数，运用Copula函数方法构造洪水预报误差的峰量耦合评价模型，再基于洪水预报误差峰量耦合评价模型进行二元随机抽样，并应用考虑洪水预报峰量耦合误差的入库洪水随机模拟方法生成入库洪水的随机系列以进行相关的风险评价。

提高洪水预报精度和延长洪水预报预见期是水库汛限水位动态控制的关键所在。在确保洪水预报精度的前提下，延长洪水预见期已成为水库防洪减灾领域中的一个重要研究课题。数值天气预报模式的发展，为在降雨未发生前就获取定量降雨预报信息、以驱动水文模型来延长洪水预报的预见期提供了气象科学基础。根据水文模型的输出结果对数值预报模式形成反馈与否，二者的耦合方法分为单向耦合和双向耦合，单向耦合是目前使用最为广泛的耦合方式。降水预报精度的提高是陆气耦合洪水预报模型有效运行的先决条件。气象—水文相结合的流域洪水预报模式是延长洪水预报预见期、提高洪水预报精度的重要发展方向，是气象科学与水文科学的交叉研究领域。

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