劉克琳, 王宗志, 程亮, 胡四一

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析方法及應(yīng)用

劉克琳, 王宗志, 程亮, 胡四一

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度是一種利用下游區(qū)間洪水預(yù)報(bào)信息的防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式,能有效減小水庫(kù)防洪庫(kù)容,提高洪水資源利用率,但受區(qū)間洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)下泄洪水傳播時(shí)間、調(diào)度滯時(shí)等不確定因素的影響,水庫(kù)下游防洪風(fēng)險(xiǎn)的可能性將增加。綜合考慮多個(gè)不確定因子,采用蒙特卡洛法、風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)法等,提出了基于錯(cuò)峰調(diào)度規(guī)則的擬定、風(fēng)險(xiǎn)的定義、風(fēng)險(xiǎn)因子的識(shí)別與量化、風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算、方案決策過(guò)程的水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析的流程與方法，并將上述方法應(yīng)用于海河流域的密云水庫(kù)。研究結(jié)果表明:通過(guò)采用提出的防洪錯(cuò)峰調(diào)度方案,密云水庫(kù)能抬高汛限水位2.0 m,減小防洪庫(kù)容3.09億m3；而承擔(dān)的水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率僅為11%;延長(zhǎng)錯(cuò)峰時(shí)間能顯著降低防洪錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)。

水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度；不確定性因子；風(fēng)險(xiǎn)分析；蒙特卡洛法

依托天氣預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的進(jìn)步,挖掘水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的潛力、實(shí)現(xiàn)水庫(kù)在汛期安全有效的蓄水,是洪水資源利用的重要途徑[1]。水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度是水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的主要方式之一,它依據(jù)水庫(kù)下游的區(qū)間洪水預(yù)報(bào)信息,在區(qū)間洪峰來(lái)臨前及時(shí)減小水庫(kù)泄量,使水庫(kù)泄量與區(qū)間洪水的組合流量不超過(guò)下游防洪控制斷面的安全泄量[2]。與不考慮預(yù)報(bào)信息的固定泄流方式相比,水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度方式可在保證下游防洪安全的前提下加大泄量,從而有效減小預(yù)留的防洪庫(kù)容,增加水庫(kù)興利效益,但受區(qū)間洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)下泄洪水傳播時(shí)間、調(diào)度滯時(shí)等不確定因素的影響,可能會(huì)增加水庫(kù)下游的防洪風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。因此，識(shí)別及量化水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度運(yùn)行中的不確定性因子和評(píng)估防洪錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)洪水資源利用率的提高具有重要意義。

在水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)分析方面，2004年，姜樹(shù)海等[5]通過(guò)引入水庫(kù)調(diào)洪演算隨機(jī)數(shù)學(xué)模型，論證了洪水預(yù)報(bào)精度對(duì)水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率的影響；2005年，侯召成等[6]評(píng)估了水庫(kù)不同起調(diào)水位與不同預(yù)報(bào)誤差組合下的水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)度；2010年，刁艷芳等[7]綜合考慮了洪水預(yù)報(bào)誤差、水庫(kù)庫(kù)容、泄流能力以及調(diào)度滯時(shí)的不確定性，采用蒙特卡洛法計(jì)算了水庫(kù)及下游的防洪風(fēng)險(xiǎn)。以往的研究成果多針對(duì)以入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)為預(yù)報(bào)信息的水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式，鮮見(jiàn)對(duì)以水庫(kù)下游區(qū)間洪水預(yù)報(bào)為預(yù)報(bào)信息的防洪錯(cuò)峰調(diào)度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的成果。為此,本文擬從制定水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度規(guī)則出發(fā),按照風(fēng)險(xiǎn)的定義、不確定性因子的識(shí)別與量化、風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算、方案決策等流程提出水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析方法,并應(yīng)用于海河流域的密云水庫(kù)。

1 水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度規(guī)則的擬定

以防洪標(biāo)準(zhǔn)頻率的區(qū)間設(shè)計(jì)洪水過(guò)程作為依據(jù),制定水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度規(guī)則。需要確定錯(cuò)峰起止時(shí)間及判斷指標(biāo)、錯(cuò)峰流量和其他時(shí)段水庫(kù)泄量。根據(jù)水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度的原理(圖1),水庫(kù)泄量在防洪控制斷面上的響應(yīng)過(guò)程q(t)應(yīng)滿足:

(1)

式中：Qc為錯(cuò)峰流量;Q1為其他時(shí)段水庫(kù)泄量;Qa為防洪控制斷面的安全流量;Qpm為區(qū)間防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪峰流量;Q(t)為區(qū)間防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程;Qy為區(qū)間預(yù)報(bào)流量閾值,被作為判斷錯(cuò)峰起止時(shí)間的指標(biāo)。

圖1 水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度示意圖

其他時(shí)段水庫(kù)泄量Q1除滿足式(1)外,還應(yīng)滿足:

Qc

(2)

式中Q2為上一級(jí)水庫(kù)控泄流量,當(dāng)不存在上一級(jí)保護(hù)對(duì)象時(shí)為水庫(kù)泄流能力。

設(shè)水庫(kù)泄量傳播至防洪控制斷面的時(shí)間為tc,由水庫(kù)調(diào)度決策、指令傳遞、泄洪閘門(mén)啟閉時(shí)間等產(chǎn)生的調(diào)度滯時(shí)為tz,區(qū)間預(yù)報(bào)流量閾值Qy在漲水段和退水段對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為t1和t2,則水庫(kù)錯(cuò)峰開(kāi)始時(shí)間ta和結(jié)束時(shí)間tb應(yīng)滿足：

0≤ta≤t1-tc-tz；

(3)

tb≥t2-tc-tz。

(4)

水庫(kù)錯(cuò)峰歷時(shí)TL為:

TL=tb-ta。

(5)

由式(3)可知,區(qū)間洪水預(yù)報(bào)的有效預(yù)見(jiàn)期應(yīng)不小于水庫(kù)泄流傳播時(shí)間與調(diào)度滯時(shí)之和。這也是水庫(kù)能采用防洪錯(cuò)峰調(diào)度方式的基本條件。

2 水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

2.1 風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別與定義

水庫(kù)防洪調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)主要包括庫(kù)區(qū)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)、水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)和水庫(kù)下游防洪風(fēng)險(xiǎn)。其中,庫(kù)區(qū)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)和水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)主要與水庫(kù)調(diào)洪高水位有關(guān),而下游防洪風(fēng)險(xiǎn)主要受水庫(kù)泄量和區(qū)間洪水的影響。水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度的調(diào)度目標(biāo)為下泄水量與區(qū)間洪水的組合流量不超過(guò)防洪控制斷面的安全泄量；其主要風(fēng)險(xiǎn)是由于錯(cuò)峰不成功而導(dǎo)致的水庫(kù)下游防洪風(fēng)險(xiǎn)。因此,水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)可定義為:由于水庫(kù)泄量與區(qū)間洪水錯(cuò)峰不成功而導(dǎo)致的防洪控制斷面流量超過(guò)安全泄量的概率及損失。本文主要研究風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率,即水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率Pf，

Pf=P(Qzm≥Qa)。

(6)

式中Qzm為水庫(kù)泄量與區(qū)間洪水的組合洪峰流量。

2.2 不確定性因子的識(shí)別與量化

影響水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)的不確定性因子主要包括區(qū)間洪水預(yù)報(bào)、洪水傳播時(shí)間及調(diào)度滯時(shí),其本身具有的隨機(jī)性是導(dǎo)致錯(cuò)峰不成功事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)源。通過(guò)定義隨機(jī)變量、擬合分布函數(shù)等過(guò)程,對(duì)不確定性因子進(jìn)行量化,是水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算的前提和基礎(chǔ)。

2.2.1 區(qū)間洪水預(yù)報(bào)的不確定性

區(qū)間洪水預(yù)報(bào)的不確定性應(yīng)考慮洪峰流量Qpm和峰現(xiàn)時(shí)間tm。在已發(fā)布預(yù)報(bào)值的前提下,其實(shí)際可能值應(yīng)滿足正態(tài)分布[8]:

(7)

式中：EQpm、Etm分別為洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間實(shí)際可能的期望值,期望值大小與預(yù)報(bào)值相一致;σQpm、σtm為均方差,根據(jù)洪水預(yù)報(bào)的誤差評(píng)定結(jié)果給定。

2.2.2 洪水傳播時(shí)間的不確定性

受水庫(kù)下游河道斷面的水力參數(shù)、糙率等不確定性因素的影響,洪水傳播時(shí)間具有一定的不確定性?？刹捎谜龖B(tài)分布對(duì)洪水傳播時(shí)間進(jìn)行描述:

(8)

式中:Etc、σtc分別為洪水傳播時(shí)間的期望值和均方差,可根據(jù)水庫(kù)泄量和防洪控制斷面流量的觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得到。

2.2.3 調(diào)度滯時(shí)的不確定性

調(diào)度滯時(shí)的不確定性來(lái)源于調(diào)度決策、指令傳遞、泄洪閘門(mén)啟閉時(shí)間的不確定性,可采用結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的三角分布密度函數(shù)進(jìn)行描述,其密度函數(shù)[7]可表示為：

(9)

式中a、b、c分別為調(diào)度滯時(shí)的最小值、最可能值和最大值。

調(diào)度滯時(shí)三角分布密度函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 調(diào)度滯時(shí)三角分布密度函數(shù)曲線

2.3 風(fēng)險(xiǎn)率的計(jì)算

根據(jù)錯(cuò)峰調(diào)度的基本原理和存在的不確定性因子，發(fā)生的錯(cuò)峰風(fēng)險(xiǎn)事件主要包括兩種情景:①錯(cuò)峰時(shí)間上出現(xiàn)偏差，使得區(qū)間洪峰與水庫(kù)其他時(shí)段流量(一般大于錯(cuò)峰流量)相遇；②雖然在錯(cuò)峰時(shí)間上無(wú)偏差，但實(shí)際出現(xiàn)的區(qū)間洪峰流量比預(yù)報(bào)值偏大，導(dǎo)致組合流量超過(guò)了安全泄量。

根據(jù)水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)的定義和式(6),可得極限狀態(tài)方程為:

max(q(t)+Q(t))-Qa=0。

(10)

式中：q(t)受調(diào)度滯時(shí)、洪水傳播時(shí)間不確定性的影響；Q(t)受區(qū)間洪水預(yù)報(bào)不確定性的影響。但由于不確定性因子在極限狀態(tài)方程中不能顯式表達(dá),無(wú)法選擇直接積分法、一次二階矩法等方法計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)率,而蒙特卡洛法是一種求解類似問(wèn)題行之有效的方法。

2.3.1 生成隨機(jī)數(shù)

影響水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)的不確定性因子包括Qpm、tm、tz、tc,其中Qpm、tm、tc為正態(tài)分布,可采用變換法生成隨機(jī)數(shù)。tz為三角分布,可采用分布函數(shù)抽樣的方法,考慮等式:

(11)

式中ε為在[0,1]區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)數(shù)。根據(jù)式(9)和式(11),可得到服從三角分布的tz隨機(jī)數(shù)。

由于不確定性因子Qpm、tm、tz、tc在物理成因上

不存在相關(guān)性(Qpm和tm可能存在弱相關(guān)性,本文限于篇幅不再探討),因此，可采用獨(dú)立抽樣的方法生成一組隨機(jī)數(shù)。在隨機(jī)數(shù)生成之后,需要對(duì)其進(jìn)行假設(shè)性檢驗(yàn),當(dāng)不通過(guò)檢驗(yàn)時(shí)需要重新生成。

2.3.2 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)率

按照以上方法生成n組Qpm、tm、tz、tc隨機(jī)數(shù)。根據(jù)Qpm和tm隨機(jī)數(shù)模擬實(shí)際發(fā)生的區(qū)間洪峰流量及出現(xiàn)時(shí)間；根據(jù)tz、tc隨機(jī)數(shù)以及調(diào)度規(guī)則擬定的錯(cuò)峰時(shí)間、錯(cuò)峰流量等指標(biāo)模擬實(shí)際下泄流量過(guò)程。將區(qū)間洪峰流量與水庫(kù)下泄流量進(jìn)行組合，統(tǒng)計(jì)其組合過(guò)程的最大值Qzm,比較判斷Qzm是否超過(guò)Qa,超過(guò)的次數(shù)記為m,則水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率可表示為:

(12)

當(dāng)隨著模擬次數(shù)n的增加,Pf值穩(wěn)定于某一值時(shí)，即可停止模擬,并將該穩(wěn)定值作為水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算的最終值。

3 水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度方案的決策

由水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度規(guī)則擬定的初始方案可知,該方案沒(méi)有為不確定性因子提供安全余量,一般而言會(huì)具有較大風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)整錯(cuò)峰調(diào)度方案的指標(biāo)值,建立指標(biāo)值與風(fēng)險(xiǎn)率的相關(guān)關(guān)系,再依據(jù)一定的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)決策出一組合理的方案指標(biāo)值,是水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度方案決策的主要目的。

在不確定性因子隨機(jī)特征無(wú)法改變的前提下,通過(guò)延長(zhǎng)錯(cuò)峰歷時(shí)、減小錯(cuò)峰流量能降低不確定性因子帶來(lái)的影響,從而減小錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn),但會(huì)占用水庫(kù)較多的防洪庫(kù)容,相比固定泄流方式抬高的汛限水位也相應(yīng)降低。錯(cuò)峰歷時(shí)TL、錯(cuò)峰流量Qc、汛限水位Zx與錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率Pf的關(guān)系如圖3所示。圖中,TL0、Qc0、Zx0分別為初始方案的錯(cuò)峰歷時(shí)、錯(cuò)峰流量以及固定泄流調(diào)度方案的汛限水位。

圖3 錯(cuò)峰歷時(shí)TL、錯(cuò)峰流量Qc、汛限水位Zx與錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率Pf的關(guān)系圖

為了保證錯(cuò)峰調(diào)度方案達(dá)到可投入使用的程度,方案本身應(yīng)滿足一定的可靠性。本文定義的錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)可理解為從風(fēng)險(xiǎn)率的角度評(píng)價(jià)錯(cuò)峰調(diào)度方案的可靠性,其風(fēng)險(xiǎn)率與可靠度之和應(yīng)等于1。錯(cuò)峰調(diào)度可能導(dǎo)致下游發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水時(shí)河道行洪流量超過(guò)安全泄量,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致發(fā)生洪水漫堤或潰堤事故,給下游保護(hù)區(qū)帶來(lái)不必要的淹沒(méi)損失。在一般情況下，河道本身的蓄洪能力較小,當(dāng)發(fā)生錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)時(shí),除了應(yīng)急加高河道堤防以外,可供選擇的彌補(bǔ)措施較少。因此,錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)控制在較低的水平。參照水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度對(duì)洪水預(yù)報(bào)方案的要求,甲級(jí)洪水預(yù)報(bào)方案能達(dá)到可利用的水平,其可靠度(合格率)不低于85%。因此，建議水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率不超過(guò)15%。

4 實(shí)例應(yīng)用

密云水庫(kù)位于海河流域潮白河上游,為保證下游蘇莊站的行洪安全，水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為50年一遇。當(dāng)發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),密云水庫(kù)控泄流量為600 m3/s(包括京密引水渠引水50 m3/s,河道下泄流量550 m3/s)[9-10]。由于密云水庫(kù)50年一遇的控泄流量偏小,水庫(kù)預(yù)留的防洪庫(kù)容偏大,從而限制了密云水庫(kù)興利效益的發(fā)揮,因此有必要研究密云水庫(kù)與下游蘇密懷區(qū)間洪水的錯(cuò)峰調(diào)度方案。

4.1 初始方案擬定

密云水庫(kù)下游蘇莊站的安全流量為3 000 m3/s，扣除懷柔水庫(kù)下泄流量400 m3/s，實(shí)際安全流量Qa為2 600 m3/s；蘇密懷區(qū)間50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量Qpm為2 050 m3/s。根據(jù)式(1)，計(jì)算錯(cuò)峰流量Qc=Qa-Qpm=550 m3/s。取區(qū)間預(yù)報(bào)流量閾值Qy為1 400 m3/s，計(jì)算其他時(shí)段水庫(kù)泄量Q1=Qa-Qy=1 200 m3/s。

蘇密懷區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)有效預(yù)見(jiàn)期為14 h,密云水庫(kù)泄流傳播至防洪控制斷面的歷時(shí)tc為10 h,調(diào)度滯時(shí)tz為1 h,根據(jù)蘇密懷區(qū)間的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程得t1為14.5 h,tm為18 h,t2為22.5 h。根據(jù)式(3)，計(jì)算水庫(kù)錯(cuò)峰開(kāi)始時(shí)間ta≤t1-tc-tz=3.5 h，為安全計(jì)，取3 h。根據(jù)式(4)，計(jì)算水庫(kù)錯(cuò)峰結(jié)束時(shí)間tb≥t2-tc-tz=11.5 h，取12 h。根據(jù)式(5)，計(jì)算錯(cuò)峰歷時(shí)TL=tb-ta=9 h。

根據(jù)以上結(jié)果，提出密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度初始方案的指標(biāo)值,詳見(jiàn)表1。

表1 密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度初始方案指標(biāo)值

4.2 風(fēng)險(xiǎn)因子量化

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,估計(jì)洪峰流量Qpm、峰現(xiàn)時(shí)間tm、洪水傳播時(shí)間tc、調(diào)度滯時(shí)tz的特征值,具體見(jiàn)表2。

表2 密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度主要風(fēng)險(xiǎn)因子特征值

4.3 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算與決策

根據(jù)洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、洪水傳播時(shí)間、調(diào)度滯時(shí)4個(gè)隨機(jī)變量的特征值，模擬生成10萬(wàn)組隨機(jī)序列，結(jié)合密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度初始方案(表1)，利用式(12)計(jì)算錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率。計(jì)算結(jié)果表明，密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰初始調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)較大，風(fēng)險(xiǎn)率可達(dá)75%。

以初始方案為基礎(chǔ),分別測(cè)算延長(zhǎng)錯(cuò)峰歷時(shí)和減小錯(cuò)峰流量?jī)煞N措施，其對(duì)降低防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率的效果，如圖4所示。由圖4可知,在保持其他指標(biāo)不變的前提下,延長(zhǎng)錯(cuò)峰歷時(shí)的措施對(duì)降低密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰風(fēng)險(xiǎn)率的效果明顯大于減小錯(cuò)峰流量的效果。

圖4 密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率與錯(cuò)峰歷時(shí)、錯(cuò)峰流量的關(guān)系

按照密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率對(duì)錯(cuò)峰歷時(shí)和錯(cuò)峰流量的敏感性,擬定錯(cuò)峰歷時(shí)和錯(cuò)峰流量的組合方案,并計(jì)算各方案的防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 密云水庫(kù)錯(cuò)峰歷時(shí)和錯(cuò)峰流量組合方案的風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算結(jié)果

由表3可知,同時(shí)增加錯(cuò)峰歷時(shí)和減小錯(cuò)峰流量能更有效地降低錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率。當(dāng)錯(cuò)峰歷時(shí)為13 h,錯(cuò)峰流量為470 m3/s時(shí),風(fēng)險(xiǎn)率僅為11%,滿足不超過(guò)15%的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),可將其作為密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度的推薦方案。根據(jù)錯(cuò)峰調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)洪演算,推求出密云水庫(kù)汛限水位為152.0 m,相比固定泄流方案的汛限水位抬高了2.0 m,可減小防洪庫(kù)容3.09億m3。

密云水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度方案具體描述為:當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)汛限水位152.0 m時(shí),水庫(kù)控泄流量1 200 m3/s;當(dāng)預(yù)報(bào)區(qū)間洪水處于漲水段且流量達(dá)到1 400 m3/s時(shí),水庫(kù)在1 h后開(kāi)始錯(cuò)峰并控泄流量470 m3/s,錯(cuò)峰13 h或預(yù)報(bào)區(qū)間洪水退水流量低于1 400 m3/s時(shí),水庫(kù)恢復(fù)控泄流量1 200 m3/s。

5 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度方式利用了水庫(kù)下游區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)信息,能有效地減小水庫(kù)防洪庫(kù)容,增加水庫(kù)興利效益。但受到區(qū)間洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)下泄洪水傳播時(shí)間、調(diào)度滯時(shí)等不確定性因素的影響,有可能會(huì)增加水庫(kù)下游的防洪風(fēng)險(xiǎn)。因此，識(shí)別防洪錯(cuò)峰調(diào)度過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)因子,定量估計(jì)防洪錯(cuò)峰調(diào)度帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),是水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度方案能否應(yīng)用于實(shí)際調(diào)度的關(guān)鍵。本文綜合考慮了洪水預(yù)報(bào)的洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、洪水傳播時(shí)間、調(diào)度滯時(shí)共4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子,提出了水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)分析方法,并應(yīng)用于海河流域密云水庫(kù)。主要結(jié)論有:

1)區(qū)間洪水預(yù)報(bào)的有效預(yù)見(jiàn)期應(yīng)不小于水庫(kù)泄流傳播時(shí)間與調(diào)度滯時(shí)之和,這是水庫(kù)采用防洪錯(cuò)峰調(diào)度方式的基本條件。

2)水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)主要是水庫(kù)下游防洪風(fēng)險(xiǎn),可定義為由于水庫(kù)泄水與區(qū)間洪水錯(cuò)峰不成功而導(dǎo)致的防洪控制斷面流量超過(guò)安全泄量的概率及損失。

3)將提出的水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析方法應(yīng)用于海河流域的密云水庫(kù)，可知密云水庫(kù)通過(guò)采用防洪錯(cuò)峰調(diào)度方案,能抬高汛限水位2.0 m,減小防洪庫(kù)容3.09億m3,而承擔(dān)的水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)率僅為11%。

4)在不確定性因子隨機(jī)特征無(wú)法改變的條件下,通過(guò)延長(zhǎng)錯(cuò)峰時(shí)間、減小錯(cuò)峰流量能降低不確定性因子帶來(lái)的影響,從而減小錯(cuò)峰調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn),但同時(shí)會(huì)占用水庫(kù)更多的防洪庫(kù)容,相比固定泄流方式抬高的汛限水位也相應(yīng)降低。密云水庫(kù)的實(shí)例運(yùn)用表明,延長(zhǎng)錯(cuò)峰時(shí)間對(duì)降低風(fēng)險(xiǎn)的效果最為顯著。

5)本文在水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度的方案制定、風(fēng)險(xiǎn)分析等方面主要依據(jù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程和調(diào)度規(guī)則,因此更偏于規(guī)劃層面,在風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算時(shí)未考慮區(qū)間洪水過(guò)程的不確定性。今后應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合實(shí)時(shí)調(diào)度,分析水庫(kù)防洪錯(cuò)峰調(diào)度過(guò)程中的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

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(責(zé)任編輯：張陵)

Risk Analysis Method and Application of Reservoir Flood Peak Staggered Regulation

LIU Kelin, WANG Zongzhi, CHENG Liang, HU Siyi

(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

Flood peak staggered regulation (FPSR) is a flood forecasting and dispatching method which utilizes downstream flood forecast information. It can effectively reduce the reservoir capacity of flood control, and improve flood resource utilization. However, there is the possibility of increasing flood risk in the lower reaches of the reservoir due to the influence of uncertainties such as interval flood forecasting, flood discharge time of reservoir discharge, and scheduling delay. In this paper, considering multiple uncertain factors, using the Monte Carlo method and the risk standard method, a FPSR risk analysis method is proposed consisting of FPSR rule formulation, risk definition, risk factor identification and quantification, risk rate calculation, scheme decision and so on. The method is applied to Miyun Reservoir of Haihe River Basin. The results show that: by adopting the proposed flood control peak-shifting scheduling scheme, Miyun Reservoir can raise the flood limit water level of 2.0 m, reduce the flood storage capacity of 309 million m3, while the risk rate is only 11%. Further research shows that prolonging the peak shifting time can significantly reduce the risk of erroneous scheduling.

flood peak staggered regulation; uncertainty factors; risk analysis; Monte Carlo method

2016-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409169,51279223);水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201501054);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0400906)；山東省重大水利科研與技術(shù)推廣項(xiàng)目(SDSLKY201316)。

劉克琳(1981—),男,山東濟(jì)南人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事水庫(kù)調(diào)度及不確定性分析方面的研究。E-mail:klliu@nhri.cn。

王宗志(1977—),男,山東鄒平人,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士,主要從事水資源系統(tǒng)工程及防洪減災(zāi)方面的研究。E-mail:zzwang@nhri.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.008

TV697.1+1

A

1002-5634(2016)06-0043-06