基于洪水分类的水库汛限水位动态控制域研究及其风险分析
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摘要
我国洪涝灾害频繁,洪灾损失严重,且水资源短缺和水环境恶化问题日益突出。针对这一系列水问题,依据先进的科学技术,充分发挥水利工程的作用,在确保防洪安全的条件下,提高洪水资源利用率是重要的缓解之举。水库是重要的防洪与兴利工程措施,水库调度是实现其防洪兴利效益的非工程措施。传统调度的汛限水位静态控制方法,浪费不少洪水资源,为充分发挥水库调蓄能力,安全合理利用洪水资源,目前我国已开始依据气象水文预报信息,科学合理地制定一个汛限水位动态控制阈值,实施汛限水位动态控制方法,实践证明,这是有效地解决或缓解水资源短缺的关键技术之一。
本文在现有研究成果基础上,为了进一步提高洪水资源利用率,针对水库汛限水位动态控制研究仅是确定一个动态控制域范围,没有充分利用暴雨洪水特性的问题,研究了基于暴雨洪水相似性的洪水分类方法,分析计算出不同类洪水的汛限水位动态控制域；针对汛限水位动态控制方案选择及风险分析研究较薄弱等问题,基于现行设计理念,研究基于洪水分类的汛限水位动态控制域应用方法,并对其风险及效益进行分析,最后利用协商对策多目标群决策模型,研究水库汛限水位动态控制的方案优选。主要研究成果如下：
(1)本文根据暴雨洪水演化过程中各阶段的特性,基于暴雨洪水相似性将洪水进行分类,采用可变模糊模式识别法选择各类典型洪水。以大伙房水库和丹江口水库为例,研究其暴雨洪水分类的可行性,并选择相应类型洪水的典型洪水。实例研究结果表明,基于暴雨洪水相似性的洪水分类是可行性的,且选择的典型洪水与依据经验原则选取的结果一致,从定量分析的角度验证了选取原则的合理性及可靠性。洪水分类结果可为水库设计不同的汛限水位动态控制域提供基础。
(2)基于暴雨洪水的分类成果和各水库的特点选择合适的方法,研究确定不同类洪水的汛限水位动态控制域,为实时汛限水位动态控制制定约束范围。根据现行设计理念,研究基于洪水分类的汛限水位动态控制域的应用方法,并分别给出其模型及流程。结果表明,基于不同类洪水确定的汛限水位动态控制上限有差异,可以更好地利用洪水资源,提高洪水资源利用率。
(3)针对水库汛限水位动态控制时降雨预报漏报的风险,在以往汛限水位动态控制风险分析的基础上,基于贝叶斯定理分析计算降雨预报漏报的风险率,以及发生漏报后对水库基于洪水分类的汛限水位动态控制产生的影响。以大伙房和丹江口水库进行实例分析,结果表明,利用降雨预报信息实施基于洪水分类的汛限水位动态控制虽然比以往不进行洪水分类的汛限水位动态控制风险有所增加,但均不超过原设计风险。
(4)结合已有的汛限水位动态控制风险率计算方法,重点分析产流预报误差的分布特性,以最大熵原理为基础分析产流预报误差分布规律；计算洪水预报误差域；研究在不同洪水预报误差范围内,水库采用防洪预报调度方式进行汛限水位动态控制的风险。以大伙房水库为例进行分析,结果表明,基于洪水分类的汛限水位动态控制虽然较不分类的汛限水位动态控制风险有所增加,但均不超过原设计风险。
(5)针对水库汛限水位动态控制多目标的矛盾性,利用协商对策多目标群决策模型,分别采用二元对比法、熵权法和基于博弈论的组合赋权法确定指标权重,建立了汛限水位动态控制方案优选模型。以大伙房水库为例,分析其汛限水位动态控制过程中的最优值。结果表明,采用该方法确定的决策值,符合实际情况,较为合理。
最后对全文进行总结,并对有待进一步研究的问题进行展望。
Flood disaster is happening with increasing frequency, which causes further losses, and the issues of water resource deficiency and water environment deterioration are becoming prominent increasingly. With scientific advance, the improvement of flood resource utilization under the safe flood control by taking full advantage of hydraulic engineering is an important approach of mitigating these water issues. Reservoir is important structural measure of flood and benefit control, and reservoir operation is nonstructural measure of flood and benefit control implementation. Lots of flood resource could be lost with static control of limited water level in traditional operation. To take full advantage of the storage capability of hydraulic engineering and utilize flood resource safely and reasonably, the dynamic control domain of limited water level is being set up to implement dynamic control of limited water level with forecasting information of meteorology and hydrology in our country. It is proved that dynamic control of limited water level is one of the key techniques of solving or mitigating water source deficiency.
Most studies of the dynamic control of limited level are focused on how to confirm a domain of the limited water level, seldom considering of making the best of the storm and flood characteristics. In addition, scheme selection and risk analysis methods are relatively weak even in such study. Arming at the existing problems, a flood classification method was proposed in this study and different domains of limited water level for different kinds of floods were calculated based on the previous works. Secondly, the application method of dynamic control domains of limited water level based on flood classification and its risk and benefits were studied. At last, a multiple objective decision-making model was used to comparison of the schemes of the dynamic control of limited water level. The study contents and results are as follows:
(1) Based on the storm flood similarity of the classified floods, according to the features in different stages of the storm flood evolutionary process, the variable fuzzy pattern recognition method was used to select classes of typical floods in this study, taking the Dahuofang and Danjiangkou reservoirs as examples to study the classing feasibility and selecting the corresponding typical flood, the result shows that using the method to classify the floods is feasible, besides the selected typical floods are the same with that using the experience rules, so it proved the reasonable and dependability of the selecting principles from the quantitative analysis. The flood classifying results can provide the foundation for designing different dynamic control domain of limited water level in flood seasons.
(2) Based on the classification results of storm floods and features of reservoirs, the proper method of determining dynamic control domain of limited water level is proposed to set the range of limited water level in real-time control. According to the current design conception, the application methods of dynamic control domains of limited water level based on flood classification are stutied, the model and its process are given respectively. Results show that the upper limits of dynamic control domain of limited water level are different based on different kinds of floods, which can improve the utilization rate of flood resources.
(3) The risks of missing report of rainfall forecasts are calculated based on bayas theorem, and the risk ratio of dynamic control of limited water level is calculated based on the results of risk analysis of dynamic control of limited water level. Take Dahuofang and Danjiangkou reservoirs as exemplas, the results show that the risk ratios are increased than which doesn't classified, but they are lower than original designs.
(4) Based on the calculation method of risk ratio of dynamic control of limited water level, analyzed the distribution pattern of the flood forecast errors; calculated the flood forecast error range; and calculated the risks of dynamic control of flood limited water level within different flood forecast error ranges using flood control forecast operation mode. Take Dahuofang reservoir as an example. The results show that the risk ratio is increased than which doesn't classified, but they are lower than original designs. So, it's safety.
(5) Against the multi-objective decision contradiction caused by the dynamic control of reservoir limited water level, utilizes consultation countermeasures multi-objective decision-making model, confirms the weight of each indicator by binary contrast method, entropy method and combination weighting method based on Game theory, to establish the plan optimization evaluation model for the dynamic control of reservoir limited water level. Take Dahuofang Reservoir as an exemple, and tried to seek the optimal decisions and results. The results show that the decision values determined by the model were accordant with the practical situation.
At last, the conclusions are draw and the problems need to be further studied are discussed.
本文在现有研究成果基础上,为了进一步提高洪水资源利用率,针对水库汛限水位动态控制研究仅是确定一个动态控制域范围,没有充分利用暴雨洪水特性的问题,研究了基于暴雨洪水相似性的洪水分类方法,分析计算出不同类洪水的汛限水位动态控制域；针对汛限水位动态控制方案选择及风险分析研究较薄弱等问题,基于现行设计理念,研究基于洪水分类的汛限水位动态控制域应用方法,并对其风险及效益进行分析,最后利用协商对策多目标群决策模型,研究水库汛限水位动态控制的方案优选。主要研究成果如下：
(1)本文根据暴雨洪水演化过程中各阶段的特性,基于暴雨洪水相似性将洪水进行分类,采用可变模糊模式识别法选择各类典型洪水。以大伙房水库和丹江口水库为例,研究其暴雨洪水分类的可行性,并选择相应类型洪水的典型洪水。实例研究结果表明,基于暴雨洪水相似性的洪水分类是可行性的,且选择的典型洪水与依据经验原则选取的结果一致,从定量分析的角度验证了选取原则的合理性及可靠性。洪水分类结果可为水库设计不同的汛限水位动态控制域提供基础。
(2)基于暴雨洪水的分类成果和各水库的特点选择合适的方法,研究确定不同类洪水的汛限水位动态控制域,为实时汛限水位动态控制制定约束范围。根据现行设计理念,研究基于洪水分类的汛限水位动态控制域的应用方法,并分别给出其模型及流程。结果表明,基于不同类洪水确定的汛限水位动态控制上限有差异,可以更好地利用洪水资源,提高洪水资源利用率。
(3)针对水库汛限水位动态控制时降雨预报漏报的风险,在以往汛限水位动态控制风险分析的基础上,基于贝叶斯定理分析计算降雨预报漏报的风险率,以及发生漏报后对水库基于洪水分类的汛限水位动态控制产生的影响。以大伙房和丹江口水库进行实例分析,结果表明,利用降雨预报信息实施基于洪水分类的汛限水位动态控制虽然比以往不进行洪水分类的汛限水位动态控制风险有所增加,但均不超过原设计风险。
(4)结合已有的汛限水位动态控制风险率计算方法,重点分析产流预报误差的分布特性,以最大熵原理为基础分析产流预报误差分布规律；计算洪水预报误差域；研究在不同洪水预报误差范围内,水库采用防洪预报调度方式进行汛限水位动态控制的风险。以大伙房水库为例进行分析,结果表明,基于洪水分类的汛限水位动态控制虽然较不分类的汛限水位动态控制风险有所增加,但均不超过原设计风险。
(5)针对水库汛限水位动态控制多目标的矛盾性,利用协商对策多目标群决策模型,分别采用二元对比法、熵权法和基于博弈论的组合赋权法确定指标权重,建立了汛限水位动态控制方案优选模型。以大伙房水库为例,分析其汛限水位动态控制过程中的最优值。结果表明,采用该方法确定的决策值,符合实际情况,较为合理。
最后对全文进行总结,并对有待进一步研究的问题进行展望。
Flood disaster is happening with increasing frequency, which causes further losses, and the issues of water resource deficiency and water environment deterioration are becoming prominent increasingly. With scientific advance, the improvement of flood resource utilization under the safe flood control by taking full advantage of hydraulic engineering is an important approach of mitigating these water issues. Reservoir is important structural measure of flood and benefit control, and reservoir operation is nonstructural measure of flood and benefit control implementation. Lots of flood resource could be lost with static control of limited water level in traditional operation. To take full advantage of the storage capability of hydraulic engineering and utilize flood resource safely and reasonably, the dynamic control domain of limited water level is being set up to implement dynamic control of limited water level with forecasting information of meteorology and hydrology in our country. It is proved that dynamic control of limited water level is one of the key techniques of solving or mitigating water source deficiency.
Most studies of the dynamic control of limited level are focused on how to confirm a domain of the limited water level, seldom considering of making the best of the storm and flood characteristics. In addition, scheme selection and risk analysis methods are relatively weak even in such study. Arming at the existing problems, a flood classification method was proposed in this study and different domains of limited water level for different kinds of floods were calculated based on the previous works. Secondly, the application method of dynamic control domains of limited water level based on flood classification and its risk and benefits were studied. At last, a multiple objective decision-making model was used to comparison of the schemes of the dynamic control of limited water level. The study contents and results are as follows:
(1) Based on the storm flood similarity of the classified floods, according to the features in different stages of the storm flood evolutionary process, the variable fuzzy pattern recognition method was used to select classes of typical floods in this study, taking the Dahuofang and Danjiangkou reservoirs as examples to study the classing feasibility and selecting the corresponding typical flood, the result shows that using the method to classify the floods is feasible, besides the selected typical floods are the same with that using the experience rules, so it proved the reasonable and dependability of the selecting principles from the quantitative analysis. The flood classifying results can provide the foundation for designing different dynamic control domain of limited water level in flood seasons.
(2) Based on the classification results of storm floods and features of reservoirs, the proper method of determining dynamic control domain of limited water level is proposed to set the range of limited water level in real-time control. According to the current design conception, the application methods of dynamic control domains of limited water level based on flood classification are stutied, the model and its process are given respectively. Results show that the upper limits of dynamic control domain of limited water level are different based on different kinds of floods, which can improve the utilization rate of flood resources.
(3) The risks of missing report of rainfall forecasts are calculated based on bayas theorem, and the risk ratio of dynamic control of limited water level is calculated based on the results of risk analysis of dynamic control of limited water level. Take Dahuofang and Danjiangkou reservoirs as exemplas, the results show that the risk ratios are increased than which doesn't classified, but they are lower than original designs.
(4) Based on the calculation method of risk ratio of dynamic control of limited water level, analyzed the distribution pattern of the flood forecast errors; calculated the flood forecast error range; and calculated the risks of dynamic control of flood limited water level within different flood forecast error ranges using flood control forecast operation mode. Take Dahuofang reservoir as an example. The results show that the risk ratio is increased than which doesn't classified, but they are lower than original designs. So, it's safety.
(5) Against the multi-objective decision contradiction caused by the dynamic control of reservoir limited water level, utilizes consultation countermeasures multi-objective decision-making model, confirms the weight of each indicator by binary contrast method, entropy method and combination weighting method based on Game theory, to establish the plan optimization evaluation model for the dynamic control of reservoir limited water level. Take Dahuofang Reservoir as an exemple, and tried to seek the optimal decisions and results. The results show that the decision values determined by the model were accordant with the practical situation.
At last, the conclusions are draw and the problems need to be further studied are discussed.
引文
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