綜合利用水庫調(diào)度風(fēng)險分析理論與方法研究.pdf

1、全球氣候變化給人類生存及生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重影響,為應(yīng)對極端氣候?qū)е碌暮闈澈禐?zāi)頻發(fā),中共中央、國務(wù)院在“十二五”規(guī)劃綱要中強(qiáng)調(diào),要積極應(yīng)對全球氣候變化、加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)、加大環(huán)境保護(hù)力度和資源節(jié)約與管理。因此,如何在不利氣候條件下,完善防災(zāi)減災(zāi)和水資源高效利用的工程與非工程措施,實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會、資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展己成為不可回避的重大現(xiàn)實問題。
　　 大型流域上的控制性水庫工程,作為社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,

2、其調(diào)度風(fēng)險管理工作的意義尤為值得重視。隨著我國大規(guī)模水庫群的逐漸形成,這也將成為流域綜合管理必然的發(fā)展趨勢。本文針對國民經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展的需要,選取長江流域上大型控制性水庫工程作為研究對象,按照風(fēng)險分析的主體路線,分別從風(fēng)險因子識別與量化、風(fēng)險估計與評價、多目標(biāo)決策、風(fēng)險與效益協(xié)調(diào)優(yōu)化、協(xié)調(diào)機(jī)制建設(shè)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究,建立了綜合利用水庫調(diào)度風(fēng)險分析的基本理論與方法體系。其成果有助于大型流域防災(zāi)減災(zāi)的決策,有利于提高水資源利用整體

3、效益,促進(jìn)工程技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)與可持續(xù)發(fā)展。全文取得的主要成果如下:
　　 (1)風(fēng)險因子量化方法及評價指標(biāo)體系。針對水庫調(diào)度面臨的水文、水力、工程狀態(tài)、人為管理等諸多不確定性因素,分析可能對水庫調(diào)度效益產(chǎn)生影響的主要風(fēng)險因素;對可能涉及到的隨機(jī)性、模糊性因子,徑流預(yù)報誤差,以及徑流與洪水的隨機(jī)模擬,提出了相應(yīng)的處理方法,初步形成了單個風(fēng)險因子量化方法體系;基于copula函數(shù)能由各變量的邊緣分布得到多個變量的

4、聯(lián)合分布的特點,提出了多風(fēng)險因子組合量化方法。進(jìn)一步,在風(fēng)險因子識別及量化方法的研究基礎(chǔ)上建立了概化的風(fēng)險評價指標(biāo)體系,為水庫調(diào)度風(fēng)險分析的后續(xù)工作開展提供了重要基礎(chǔ)。
　　 (2)基于改進(jìn)蒙特卡洛方法的風(fēng)險估計。以蒙特卡洛和最大熵方法為基礎(chǔ),充分利用蒙特卡洛方法能避開研究對象的復(fù)雜內(nèi)部特性描述以及這些特性對系統(tǒng)行為或效益的解析分析上的困難的特點,結(jié)合最大熵方法可利用少量的己知信息分析確定變量最佳分布形式的優(yōu)點,提出了水庫調(diào)度風(fēng)

5、險估計的改進(jìn)蒙特卡洛方法,對提出方法的收斂性進(jìn)行了數(shù)學(xué)證明,并解釋了所提出的方法能夠提高收斂速度的原因,從而避免了蒙特卡洛方法在計算小概率事件時需要大量模擬計算的缺點,實現(xiàn)了對復(fù)雜工程體系下眾多風(fēng)險評價指標(biāo)的快速計算。
　　 (3)水庫調(diào)度多最小風(fēng)險問題描述的隨機(jī)多目標(biāo)決策模型。針對綜合利用水庫調(diào)度涉及多種不確定性和多個目標(biāo),以入庫徑流的隨機(jī)性為重點,建立了隨機(jī)多目標(biāo)調(diào)度決策模型,并將其轉(zhuǎn)化為以擬定目標(biāo)值為水平值的多最小風(fēng)險問題

6、,提出了基于頻率分級考慮的入庫徑流模擬和逐步優(yōu)化算法的尋求隨機(jī)多目標(biāo)決策最佳妥協(xié)解的序列解法,以方便決策者根據(jù)水庫調(diào)度的不同要求及目標(biāo)對調(diào)度運(yùn)行過程實施決策優(yōu)化,為水庫調(diào)度隨機(jī)多目標(biāo)決策提供了一條新的思路。
　　 (4)基于概率最優(yōu)化方法的風(fēng)險與效益協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。以隨機(jī)多目標(biāo)調(diào)度決策及改進(jìn)的蒙特卡洛方法為基礎(chǔ),針對防洪、發(fā)電、供水、航運(yùn)等調(diào)度要求及目標(biāo),建立了綜合利用水庫多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險分析模型,深入研究了多目標(biāo)調(diào)度風(fēng)險評價指標(biāo)體

7、系的權(quán)重確定方法及綜合風(fēng)險計算方法,在此基礎(chǔ)上提出了概率最優(yōu)化方法和風(fēng)險與效益協(xié)調(diào)優(yōu)化模型,在三峽水庫綜合利用調(diào)度風(fēng)險分析的實際工程應(yīng)用中驗證了方法和模型的可行性和有效性。
　　 (5)溪洛渡與三峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度風(fēng)險分析。首先建立了梯級水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度風(fēng)險評價指標(biāo)體系,并以洪水預(yù)報中偶然誤差的正態(tài)量化為基礎(chǔ),提出了在容許標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)對入庫洪水過程進(jìn)行隨機(jī)模擬的方法,進(jìn)一步基于對洪水頻率進(jìn)行分級考慮的思想構(gòu)建了梯級水庫群聯(lián)合防

8、洪調(diào)度風(fēng)險分析模型和基于改進(jìn)蒙特卡洛方法的求解方法。通過在溪洛渡和三峽水庫的聯(lián)合防洪調(diào)度實際項目中的應(yīng)用,表明該方法與模型合理可行,具有比較寬的適用性,在庫群遭遇一定頻率典型洪水過程時,不僅能給出預(yù)報誤差與聯(lián)合調(diào)度風(fēng)險的關(guān)系,而且能根據(jù)下游分蓄洪區(qū)本身承受能力和決策者偏好估計出洪水預(yù)報誤差標(biāo)準(zhǔn)差的上下臨界值,為調(diào)度決策提供了重要依據(jù)。
　　 (6)溪洛渡與三峽水庫聯(lián)合興利調(diào)度風(fēng)險分析。考慮水庫群聯(lián)合興利調(diào)度涉及到的發(fā)電、航運(yùn)、供

9、水和生態(tài)四個方面,分別建立其價值函數(shù),提出了聯(lián)合興利調(diào)度風(fēng)險評價指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了聯(lián)合興利調(diào)度綜合風(fēng)險計算模型。并以溪洛渡和三峽水庫聯(lián)合興利調(diào)度為實際應(yīng)用,進(jìn)行了風(fēng)險評價分析,分別選取了不同偏好的調(diào)度方案進(jìn)行評價分析,得出了各種方案的風(fēng)險評價結(jié)果,為各種偏好的聯(lián)合調(diào)度決策提供了參考。
　　 (7)長江上游控制性水庫群防洪與興利協(xié)調(diào)機(jī)制。在對長江流域洪水特征及其干支流防洪庫容進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對于以三峽為中心的長江上游干

10、支流的15座水庫,基于水文與庫容補(bǔ)償原理和上游的洪水特性分析,針對大洪水情況提出了長江中下游的防洪調(diào)度補(bǔ)償機(jī)制,包括補(bǔ)償調(diào)度的原則、模型及方式,以期在動用最小防洪庫容條件下,減少下游洪災(zāi)損失和增加水庫群聯(lián)合防洪效益;針對中小型洪水情況建立了防洪與興利目標(biāo)的協(xié)調(diào)機(jī)制,包括防洪與后期蓄水的協(xié)調(diào)及防洪與發(fā)電的協(xié)調(diào)方式,以期增加洪水資源化程度和提高興利效益。并通過與現(xiàn)有應(yīng)對洪水的調(diào)度方案對比分析,說明了本文思想的可行之處,為長江上游干支流水庫群