劉 寧

（水利部，北京 100053）

受地理和氣候條件影響，我國(guó)自古以來(lái)洪水災(zāi)害就頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1951—1990年期間我國(guó)平均每年發(fā)生嚴(yán)重洪水災(zāi)害就多達(dá)5.9次［1］。1991—2008年，我國(guó)洪水災(zāi)害的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)21 163億元，占到整個(gè)自然災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失的48%［2］。為保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，我國(guó)各大流域已基本完善了由堤防、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)和分洪道組成的防洪工程體系。但受全球氣候變暖背景下極端天氣事件增多和我國(guó)高速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中人類活動(dòng)加劇的影響，近年來(lái)我國(guó)洪水災(zāi)害呈現(xiàn)出了多發(fā)、頻發(fā)和重發(fā)的趨勢(shì)，2009—2016年8年間，我國(guó)洪災(zāi)年直接經(jīng)濟(jì)損失總值有4年超過(guò)了多個(gè)流域發(fā)生特大洪水的1998年［3］。顯然，我國(guó)江河防洪態(tài)勢(shì)仍不容樂(lè)觀［4］：一方面，在氣候變化和人類活動(dòng)共同影響下，流域降雨產(chǎn)流和洪水演變特性發(fā)生了顯著變化，傳統(tǒng)方法已難以勝任變化環(huán)境下的防洪管理；另一方面，大江大河沿岸經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人口和社會(huì)財(cái)富高度集中對(duì)防洪決策及洪水調(diào)度的科學(xué)化和精細(xì)化提出了更高要求。

1 大江大河防洪問(wèn)題與挑戰(zhàn)

大江大河防洪是以洪水為對(duì)象，以防洪組織為行為主體，以防災(zāi)減災(zāi)和保障生命財(cái)產(chǎn)安全及社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展為目標(biāo)，兼顧興利要求，綜合運(yùn)用防洪工程和非工程措施，優(yōu)化調(diào)控、科學(xué)管理洪水，最大化防洪效益、最小化洪水損失的過(guò)程。

1.1 大江大河防洪問(wèn)題大江大河防洪面臨諸多具體而復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，尤其是如何對(duì)防洪系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行認(rèn)識(shí)與解析、如何針對(duì)各類洪水進(jìn)行調(diào)度決策。諸如水庫(kù)及水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度、蓄滯洪區(qū)合理適時(shí)運(yùn)用、保護(hù)對(duì)象重要性權(quán)衡與取舍，以及如何在防洪的同時(shí)考慮洪水資源化、生態(tài)與環(huán)境利益等等。我國(guó)以1998年長(zhǎng)江大洪水為代表的防洪實(shí)踐，一方面充分證明了“蓄泄兼籌、以泄為主”的防洪方針是行之有效的［5］，另一方面也揭示了不分主次、一味“嚴(yán)防死守”、“全線搶險(xiǎn)”的方式缺乏利弊得失權(quán)衡，不能正確處理“棄守”關(guān)系，很可能導(dǎo)致防守成本過(guò)大、重要地區(qū)失守等問(wèn)題。因而在大江大河防洪問(wèn)題中，“守與棄”和“蓄與泄”是兩個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。

首先，針對(duì)“守與棄”問(wèn)題，在大江大河防洪中應(yīng)遵循洪水損失最小化原則，對(duì)參與防洪的工程、防洪保護(hù)對(duì)象、可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及所涉及的各方利益進(jìn)行協(xié)調(diào)、評(píng)估、權(quán)衡和取舍［6］。由于公共資源的稀缺性以及洪水風(fēng)險(xiǎn)的必然性，防洪過(guò)程面臨“守與棄”的權(quán)衡與抉擇：河道干支流、上下游、左右岸差異化的防洪標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)了需漸次舍棄次要地區(qū)、換取重要防洪區(qū)安全的意圖；建設(shè)防洪水庫(kù)，舍棄了庫(kù)區(qū)土地的利用價(jià)值以防守下游重要區(qū)域；設(shè)置蓄滯洪區(qū)，以限制該區(qū)域發(fā)展、臨時(shí)淹沒(méi)其土地為代價(jià)，使重要保護(hù)對(duì)象得以保全；而在應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水期間，集中部署防守與搶險(xiǎn)力量于重要地區(qū)，甚至人為破堤分洪，更是權(quán)衡“守與棄”，追求洪水損失最小化的直接舉措。以海河南系“96.8”大洪水為例［7］，滹沱河、漳河、薊運(yùn)河和溢陽(yáng)河都接近和超過(guò)了設(shè)計(jì)流量，太行山區(qū)462座水庫(kù)中有343座庫(kù)滿溢洪，許多工程已經(jīng)用到了安全極限，山西、河北、天津及北京等省市人民生命財(cái)產(chǎn)安全，水庫(kù)工程的“蓄與泄”應(yīng)用，蓄滯洪區(qū)的啟用等都需要做出“守與棄”決策。當(dāng)然，在防汛抗洪重大關(guān)鍵時(shí)刻，即使不得不做出“棄”的抉擇，也并非就是簡(jiǎn)單放棄、“犧牲局部”，而是要根據(jù)《防洪法》和防汛應(yīng)急管理的相關(guān)法規(guī)、條例，及時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，有效地組織好高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域人員、資產(chǎn)的避難轉(zhuǎn)移和救援、安置等工作，盡可能減輕分洪損失，保持社會(huì)安定。為此，也有必要深入開(kāi)展避難轉(zhuǎn)移各個(gè)環(huán)節(jié)的研究，如洪水避難轉(zhuǎn)移的時(shí)機(jī)、轉(zhuǎn)移的范圍、轉(zhuǎn)移的路況信息及安置場(chǎng)所的規(guī)劃布置等［8］。

針對(duì)“蓄與泄”問(wèn)題，防洪工程的建設(shè)和運(yùn)用本質(zhì)上是通過(guò)改變和調(diào)整流域自然蓄泄特性來(lái)獲利，即在保證防洪工程安全的前提下，通過(guò)整體布局，優(yōu)化防洪工程調(diào)度，合理安排洪水，使防洪效益最大化。上游水土保持工程使降水更多地蓄于當(dāng)?shù)?，減少可能威脅下游地區(qū)的洪量，坦化了洪水過(guò)程；構(gòu)筑堤防、開(kāi)挖分洪道不僅提高了流域的泄洪能力，還增加了河道槽蓄量，減少了漫灘洪量，從而降低淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)；修建水庫(kù)、設(shè)置蓄滯洪區(qū)則改變了洪水蓄滯的空間分布，不僅將洪水約束在預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)，而且通過(guò)科學(xué)的調(diào)度運(yùn)用，可以有效發(fā)揮調(diào)峰錯(cuò)峰削峰的作用，從整體上降低洪水的風(fēng)險(xiǎn)。以2013年嫩江流域特大洪水中尼爾基水庫(kù)的運(yùn)用來(lái)看［9］，根據(jù)實(shí)時(shí)水情與工情，分為5個(gè)階段對(duì)水庫(kù)水位（蓄）和出庫(kù)流量（泄）進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了河灘地保護(hù)、減輕嫩江干流防洪壓力、減輕黑龍江省泰來(lái)縣防洪搶險(xiǎn)壓力、避免河道內(nèi)村屯轉(zhuǎn)移和洪水資源利用等不同階段的目標(biāo)。顯然，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整洪水蓄泄關(guān)系，可使防洪工程體系的蓄泄功能和防洪效益得以充分發(fā)揮。值得注意的是，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，許多水庫(kù)的城鎮(zhèn)供水任務(wù)加劇，為提高供水量與供水保證率，采取了分期或動(dòng)態(tài)調(diào)整汛限水位的措施，從而加大了應(yīng)急泄洪的概率，同時(shí)也對(duì)發(fā)展暴雨洪水的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)提出了更高的要求。尤其是在一些河流上形成梯級(jí)水庫(kù)的情況下，應(yīng)急泄洪可能形成“多米諾骨牌”效應(yīng)，“蓄與泄”的科學(xué)調(diào)度決策面臨更大的挑戰(zhàn)。

大江大河防洪目標(biāo)并不是時(shí)刻確保所有防洪保護(hù)對(duì)象全過(guò)程的安全，在面臨超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，“棄、守、取、舍”抉擇不可避免，并且，在防洪的同時(shí)還可能需兼顧洪水資源的蓄存興利效益，考慮中長(zhǎng)時(shí)間尺度下的水資源利用問(wèn)題，因此，防洪工程效益最大化不僅包括防洪效益最大化，還涉及洪水資源效益的發(fā)揮。綜上，防洪和興利的時(shí)空均衡是大江大河防洪決策客觀需求，綜合考慮“守與棄”和“蓄與泄”兩大問(wèn)題，可最大程度地實(shí)現(xiàn)興水利而避水害。由于防洪條件和保護(hù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)性，加之洪水演變的特異性，“守與棄”和“蓄與泄”之間關(guān)系也是動(dòng)態(tài)變化的，相應(yīng)的防洪決策也是一個(gè)因地、因時(shí)、因勢(shì)不斷調(diào)整的過(guò)程（圖1）。

圖1 “守與棄”和“蓄與泄”的關(guān)系圖

1.2 面臨的挑戰(zhàn)隨著大江大河防洪系統(tǒng)的日益完善和防洪需求的不斷提高，傳統(tǒng)方法已難以適應(yīng)變化環(huán)境下的防洪決策，現(xiàn)階段大江大河防洪所面臨的挑戰(zhàn)主要源于以下4個(gè)方面：

（1）江河來(lái)水的非一致性。Milly等指出，在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下，基于一致性假設(shè)的水文不確定理論和方法已無(wú)法幫助人類正確揭示變化環(huán)境下的水資源和洪水演變規(guī)律［10］。非一致性條件下，流域水文統(tǒng)計(jì)量發(fā)生變異，防洪工程原有的設(shè)計(jì)指標(biāo)可能不再適用，此外，來(lái)水預(yù)報(bào)也存在更大的不確定性，這種信息的不完備性和不確定性，對(duì)水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法和技術(shù)提出了更高的要求。

（2）影響條件復(fù)雜。由于江河水系的聯(lián)通性，各類防洪工程或串聯(lián)或并聯(lián)，互相影響，除水流外，大江大河上的泥沙問(wèn)題也不容忽視，尤其是泥沙運(yùn)移規(guī)律與水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不完全一致，使得河道處于不斷演變之中，水庫(kù)淤積又使得水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容不斷減少，直接影響水庫(kù)蓄洪能力，改變了防洪系統(tǒng)的蓄泄特征。例如，隨著三門(mén)峽水庫(kù)的庫(kù)區(qū)淤積，潼關(guān)高程快速抬升，導(dǎo)致渭河下游及黃河小北干流的淤積，頂托渭河洪水下泄，加大了關(guān)中平原的洪水風(fēng)險(xiǎn)。隨著流域梯級(jí)水庫(kù)增加及水庫(kù)淤積，防洪工程彼此間的水力關(guān)系更為復(fù)雜且相互影響程度加深。由此可見(jiàn)，影響大江大河防洪的因素復(fù)雜多變，這使得準(zhǔn)確把握江河水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程變得更為困難。

（3）目標(biāo)多元化。在空間維度上，要根據(jù)上下游、左右岸具體情況，考慮上下游不同防洪保護(hù)對(duì)象的重要性，權(quán)衡利弊得失和效益公平，實(shí)現(xiàn)綜合損失和風(fēng)險(xiǎn)最小化［11］。如2016年的長(zhǎng)江中下游大洪水［12］，監(jiān)利以下江段及洞庭湖、鄱陽(yáng)湖都超警戒水位，沿線防護(hù)目標(biāo)都納入了統(tǒng)一調(diào)度和權(quán)衡利弊的考慮之中；在時(shí)間維度上，需兼顧當(dāng)前和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，在汛期防洪決策的同時(shí)需考慮洪水資源利用效益。在各方利益權(quán)衡時(shí)，要優(yōu)先保證各類工程和防洪保護(hù)對(duì)象的安全，兼顧發(fā)電、航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等利益，必要時(shí)舍棄部分利益、承擔(dān)部分風(fēng)險(xiǎn)。所以，大江大河防洪還呈現(xiàn)出“多目標(biāo)”決策的難題。

（4）群決策問(wèn)題。大江大河防洪要在兼顧多方利益的情況下最大程度地保障防洪安全，這其中必然出現(xiàn)不同利益主體間的博弈和均衡，而在氣候變化、水利工程復(fù)雜化，以及不同競(jìng)爭(zhēng)主體利益訴求的背景下，權(quán)衡得失取舍，進(jìn)行“守與棄”“蓄與泄”的決策技術(shù)變得更為困難。

綜上，江河來(lái)水的非一致性和影響條件復(fù)雜，增加了洪水預(yù)報(bào)模擬的不確定性，帶來(lái)了決策的信息難題；利益多元化、群決策問(wèn)題又給防洪保護(hù)對(duì)象的“守與棄”、防洪工程的“蓄與泄”決策帶來(lái)了困難，變化環(huán)境下大江大河防洪優(yōu)化決策面臨各種挑戰(zhàn)。高效精準(zhǔn)的洪水預(yù)報(bào)與水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬，行之有效的水庫(kù)群、蓄滯洪區(qū)（含非常蓄洪場(chǎng)所）、分洪道等優(yōu)化調(diào)度，以及全面可靠的洪水損失評(píng)估，結(jié)合先進(jìn)的多目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)等可有力支撐大江大河“守與棄”、“蓄與泄”的科學(xué)決策，切實(shí)實(shí)現(xiàn)洪水損失最小化、防洪工程體系效益最大化的目標(biāo)。

2 “守與棄”問(wèn)題關(guān)鍵技術(shù)

大江大河的水利工程不僅服務(wù)于防洪，還有灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等諸多其他功能，防洪過(guò)程中需把握好不同目標(biāo)的“守與棄”，辯證處理各方面關(guān)系，盡可能實(shí)現(xiàn)減災(zāi)與興利的雙重目標(biāo)?！笆嘏c棄”不拘泥于一時(shí)一地，要根據(jù)流域或區(qū)域具體條件、防洪標(biāo)準(zhǔn)高低、洪水演變過(guò)程等實(shí)時(shí)調(diào)整決策方案，不斷變化防洪行為，最終實(shí)現(xiàn)整體效益的最大化和災(zāi)害影響及風(fēng)險(xiǎn)的最小化。

從技術(shù)層面來(lái)看，大江大河防洪中“守與棄”問(wèn)題其關(guān)鍵技術(shù)在于：建立能權(quán)衡評(píng)價(jià)“守與棄”的優(yōu)化模型，生成“守與棄”決策方案。前者是將現(xiàn)實(shí)防洪問(wèn)題概化數(shù)學(xué)優(yōu)化模型；后者則在于優(yōu)選出防洪系統(tǒng)最優(yōu)決策方案簇，然后均衡各目標(biāo)，得出最終的決策方案均衡解，力求使洪災(zāi)損失與不利影響最小化。

2.1 “守與棄”優(yōu)化模型變化環(huán)境下，“守與棄”的決策問(wèn)題可概化為如下的多目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題：

式中：x為待優(yōu)化的變量組，即參與防洪的各項(xiàng)工程其具體“蓄與泄”措施；為優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，分別表征不同的效益或風(fēng)險(xiǎn)，即為“守與棄”的決策導(dǎo)向，其中，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)越小越好，而效益指標(biāo)越大越好，此時(shí)，在式（1）中應(yīng)在前面加上負(fù)號(hào)?！笆嘏c棄”不僅體現(xiàn)在哪些防洪工程參與運(yùn)行、哪些防洪目標(biāo)參與決策的選擇上，還體現(xiàn)在不同目標(biāo)函數(shù)的決策權(quán)重和偏好。式（2）中g(shù)（x）和h（x）為優(yōu)化問(wèn)題的約束條件，在江河防洪問(wèn)題中，水流連續(xù)性條件、動(dòng)量守恒條件以及不同防洪工程的水力聯(lián)系等都可能成為約束條件，這些約束可統(tǒng)一由式（2）中的等式和不等式表述。

2.2 “守與棄”決策方案生成

2.2.1 優(yōu)化問(wèn)題求解 簡(jiǎn)單防洪系統(tǒng)可采用因子篩選的方式確定優(yōu)化目標(biāo)集，利用權(quán)重方法根據(jù)不同權(quán)重組合方式求解多目標(biāo)的非支配解集。這一技術(shù)對(duì)于單一水庫(kù)防洪系統(tǒng)的決策實(shí)施易行有效。但隨著防洪系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，求解大江大河防洪系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的計(jì)算量也呈非線性增長(zhǎng)，“多目標(biāo)”和“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題不可避免，因此需針對(duì)性地研發(fā)復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題的高效降維技術(shù)。針對(duì)有明確的目標(biāo)和約束表達(dá)式的結(jié)構(gòu)化決策問(wèn)題，可依據(jù)目標(biāo)函數(shù)邊際效益遞減特性進(jìn)行分析，解析防洪系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行可蓄水總量與最優(yōu)下泄流量、最優(yōu)余留水量之間的單調(diào)關(guān)系（這種單調(diào)關(guān)系正是保證防洪系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行全局最優(yōu)性的充分必要條件），并進(jìn)一步利用防洪系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行單調(diào)性所表現(xiàn)出的鄰域搜索特征研究高效的解析求解算法。針對(duì)不能明確出目標(biāo)或約束表達(dá)式的半結(jié)構(gòu)化問(wèn)題，由于其多約束交織所呈現(xiàn)出的復(fù)雜性，需要構(gòu)建一套優(yōu)化變量降維的技術(shù)體系。諸如聚合-分解技術(shù)、敏感性分析等技術(shù)都能起到減少防洪系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則參數(shù)規(guī)模的作用［13］。同時(shí)，無(wú)論結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題，還需針對(duì)多目標(biāo)尋優(yōu)的全局性和效率開(kāi)展研究［14］。

2.2.2 均衡解的群決策 經(jīng)過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化后，可得到m個(gè)非支配的“蓄與泄”方案還需進(jìn)一步通過(guò)群決策得出各目標(biāo)“守與棄”均衡的決策方案。對(duì)應(yīng)n個(gè)目標(biāo){ }G1，G2，…，Gn，可確定每個(gè)可行方案所對(duì)應(yīng)的各目標(biāo)值，這樣就能構(gòu)成如下決策指標(biāo)矩陣［15］：

因此，多目標(biāo)群決策的問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為對(duì)式（3）中的所有元素進(jìn)行對(duì)比尋優(yōu)的過(guò)程，針對(duì)目標(biāo)的偏好和處理方法的不同，多目標(biāo)群決策方法包括線性加權(quán)法、優(yōu)異度法、TOPSIS法、主成分因子分析法、非線性規(guī)劃法等［15］。

通過(guò)模型概化出的“守與棄”決策問(wèn)題與現(xiàn)實(shí)中的“守與棄”可能存在一定差異。通過(guò)分析二者偏差，運(yùn)用“守與棄”動(dòng)態(tài)決策的反饋修正技術(shù)，通過(guò)不斷的循環(huán)迭代決策，最終制定出最佳洪水防御和其他目標(biāo)均衡的解。另一方面，決策者具有豐富的洪水防御經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)變對(duì)策儲(chǔ)備，不同洪水類型和江河情勢(shì)決定了決策者擁有不同的風(fēng)險(xiǎn)好惡等，通過(guò)反饋修正技術(shù)給予決策者充足的空間對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化方案進(jìn)行擇優(yōu)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，以最大可能發(fā)揮防洪系統(tǒng)功能。

3 “蓄與泄”問(wèn)題關(guān)鍵技術(shù)

大江大河防洪工程數(shù)量眾多，且相互聯(lián)系和影響，從數(shù)學(xué)角度解釋，即式（1）和式（2）構(gòu)成的優(yōu)化問(wèn)題中，變量組x的每一個(gè)子變量，以及約束條件g（x），h（x）都互相關(guān)，而這些相關(guān)關(guān)系的紐帶則是水流運(yùn)動(dòng)，因而，解決“守與棄”問(wèn)題的同時(shí)，還需摸清不同防洪工程的具體“蓄與泄”過(guò)程及其影響。其中，調(diào)蓄工程的“蓄與泄”過(guò)程模擬主要基于水量平衡關(guān)系計(jì)算：

式中：I為流入流量，m3/s；Q為流出流量，m3/s；H為水利工程上游水位，m；V為工程存蓄的水量，m3，其中V1，V2為時(shí)段始末水量，m3；Δt為時(shí)段步長(zhǎng)，h。

式（5）為調(diào)蓄工程的水位流量關(guān)系曲線，式（6）為工程的調(diào)度規(guī)則。式（4）求解是基于來(lái)水、蓄泄關(guān)系和調(diào)度規(guī)則已知或能預(yù)測(cè)，調(diào)度規(guī)則涉及“守與棄”問(wèn)題抉擇，來(lái)水和蓄泄關(guān)系的關(guān)鍵在于流域高精度來(lái)水預(yù)報(bào)和水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬。

3.1 流域高精度來(lái)水預(yù)報(bào)流域高精度來(lái)水預(yù)報(bào)是合理安排“蓄與泄”的前提，也是“守與棄”決策的基礎(chǔ)。當(dāng)前，流域來(lái)水預(yù)報(bào)，主要采用精細(xì)化的分布式水文模型并結(jié)合降水多源數(shù)據(jù)融合［16］、數(shù)值降水預(yù)報(bào)［17］、模型參數(shù)的不確定性分析及高效率定算法［18-19］、數(shù)據(jù)同化技術(shù)［20］、集合預(yù)報(bào)技術(shù)［21］等，輔助提高預(yù)報(bào)精度。此外，防洪問(wèn)題也涉及長(zhǎng)時(shí)間尺度的規(guī)劃問(wèn)題，中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)方法及其改進(jìn)也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

3.2 流域水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬在高精度、高時(shí)效來(lái)水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建包含工程體系、復(fù)雜下墊面條件的水沙動(dòng)力學(xué)模型以及洪水損失與影響評(píng)估模型，全面把握洪水演進(jìn)與淹沒(méi)情況，評(píng)估洪水損失與影響，分析工程調(diào)度運(yùn)用效果，從而為大江大河防洪提供支撐。通常，河道水流采用圣維南方程組進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，泥沙運(yùn)動(dòng)則應(yīng)分別考慮懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙輸運(yùn)過(guò)程［22］。

綜上，各工程對(duì)洪水“蓄與泄”模擬直接影響了防洪決策，也是式（1）、式（2）所構(gòu)成的優(yōu)化模型求解的基礎(chǔ)條件。為此，需要針對(duì)具體的來(lái)水條件在不同工程調(diào)度運(yùn)用情景下精細(xì)模擬洪水運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而支撐“守與棄”的最終抉擇。

4 控制潼關(guān)高程的三門(mén)峽水庫(kù)運(yùn)行方式?jīng)Q策案例

三門(mén)峽水庫(kù)于1960年9月投入運(yùn)用，初期庫(kù)區(qū)淤積嚴(yán)重，潼關(guān)高程快速抬升，加速了渭河下游及黃河小北干流的淤積，也大幅增加了關(guān)中平原的洪水風(fēng)險(xiǎn)。如2003年8月，在渭河僅發(fā)生約5年一遇洪水的情況下，渭河就出現(xiàn)倒灌，損失慘重，渭河流域呈現(xiàn)出“小水大災(zāi)”的特點(diǎn)［23］。故而潼關(guān)高程的控制是渭河、黃河防洪的關(guān)鍵所在，這其中也涉及到“守與棄”、“蓄與泄”的抉擇。除河道疏浚、整治外，潼關(guān)下游三門(mén)峽水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行是對(duì)潼關(guān)高程進(jìn)行控制的主要工程手段。

2005年，筆者在水利部“潼關(guān)高程控制及三門(mén)峽水庫(kù)運(yùn)用方式研究”項(xiàng)目研究成果基礎(chǔ)上，采用優(yōu)異度決策方法對(duì)多方案進(jìn)行了多目標(biāo)比選，并推薦了優(yōu)異度最高的三門(mén)峽運(yùn)行水位方案［24］。該決策過(guò)程就是一個(gè)面向“守與棄”、“蓄與泄”的防洪問(wèn)題，其實(shí)際也是上述幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)例運(yùn)用。首先結(jié)合實(shí)體模型、原型觀測(cè)成果，研制了黃河干流來(lái)水來(lái)沙數(shù)值模擬預(yù)報(bào)模型，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)潼關(guān)高程與三門(mén)峽水庫(kù)對(duì)水沙蓄泄關(guān)系的描述；隨后，采取指標(biāo)敏感性分析、因子分析等方法，對(duì)考慮的目標(biāo)進(jìn)行第一步的“守與棄”評(píng)判，選擇潼關(guān)高程控制、庫(kù)區(qū)沖沙、影響人群、供水影響、生態(tài)與環(huán)境影響、河道淤積、防洪及經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響等7項(xiàng)主要指標(biāo)作為目標(biāo)；經(jīng)過(guò)優(yōu)化求解，得出了5組可行的三門(mén)峽水庫(kù)“蓄與泄”控制運(yùn)行方案：控制運(yùn)行水位為318 m、315 m、312 m、現(xiàn)狀和敞泄，對(duì)這5種方案將上述7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了多組權(quán)重賦值。決策中，選用了離差權(quán)法分析和基于客觀分析的兩種權(quán)重賦值方法，其中采用客觀分析的方法中，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了多組客觀賦值［24］。評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定可充分體現(xiàn)出各指標(biāo)的重要程度以及決策者對(duì)決策目標(biāo)的偏好程度，“守住”重要目標(biāo)-潼關(guān)高程等而部分“放棄”次要目標(biāo)-庫(kù)區(qū)沖沙影響等是決策者決策出“滿意解”的關(guān)鍵思路。通過(guò)基于權(quán)重賦值的各方案優(yōu)異度計(jì)算，經(jīng)決策求解，最終得出了“近期三門(mén)峽水庫(kù)非汛期最高控制運(yùn)用水位不超過(guò)318 m、平均水位不超過(guò)315 m，汛期敞泄”的三門(mén)峽“蓄與泄”運(yùn)行方案［24］。

上述成果在防洪實(shí)踐中得到了論證，也指導(dǎo)三門(mén)峽水庫(kù)多年來(lái)科學(xué)運(yùn)行，并獲得了良好效果，1960年以來(lái)潼關(guān)高程變化過(guò)程如圖2所示，其中2003年達(dá)到最高，也是當(dāng)年發(fā)生渭河“小水釀大災(zāi)”的主要原因之一。隨著2003年以后來(lái)水來(lái)沙的減少，以及東壚灣裁彎工程、渭河入黃口疏浚、小北干流灘區(qū)放淤、小浪底等水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙等措施，也得益于三門(mén)峽水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式的科學(xué)決策，近十多年來(lái)潼關(guān)高程下降明顯。這進(jìn)一步證明了基于“蓄與泄”、“守與棄”關(guān)鍵技術(shù)而得出的集工程措施和非工程措施于一體的科學(xué)決策是合理的也是有效的?？紤]到變化環(huán)境的不斷影響，未來(lái)還應(yīng)根據(jù)流域來(lái)水來(lái)沙、各項(xiàng)工程的變化適時(shí)的調(diào)整三門(mén)峽水庫(kù)控制運(yùn)行方案，做出新的決策。

圖2 潼關(guān)高程變化過(guò)程圖（大沽高程）

5 結(jié)論

本文分析了大江大河防洪問(wèn)題的關(guān)鍵所在，將其歸納為兩個(gè)方面，即防洪保護(hù)目標(biāo)、工程、利益風(fēng)險(xiǎn)間的“守與棄”與防洪工程對(duì)洪水的“蓄與泄”。論文對(duì)“守與棄”與“蓄與泄”兩大問(wèn)題間的辯證關(guān)系進(jìn)行了論述，指出新時(shí)期防洪面臨的挑戰(zhàn)來(lái)自于：江河來(lái)水的非一致性、影響條件復(fù)雜、利益多元化和群決策難題等。

針對(duì)2大關(guān)鍵問(wèn)題和4項(xiàng)挑戰(zhàn)，分別論述了大江大河防洪決策的關(guān)鍵技術(shù)，包括：優(yōu)化模型構(gòu)建、多目標(biāo)優(yōu)化模型求解，以及用于支撐“蓄與泄”調(diào)度方案的流域來(lái)水高精度預(yù)報(bào)技術(shù)、面向江河治理的大江大河水沙動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)等。通過(guò)三門(mén)峽水庫(kù)控制運(yùn)用決策案例，實(shí)例說(shuō)明了大江大河針對(duì)“守與棄”和“蓄與泄”的防洪決策思路和決策過(guò)程，論證了“守與棄”、“蓄與泄”關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程和效果。

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