丁有恒，張莉萍，丁志宏

（1.山西省吳家莊水庫建設(shè)管理局，山西 太原 030002；2.運(yùn)城市水利工程建設(shè)局，山西 運(yùn)城 044000；3.水利部海河水利委員會，天津 300170）

1 引言

水庫汛限水位動態(tài)控制是提高洪水資源利用率的一項(xiàng)行之有效的非工程措施。它是充分利用降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)的成果，根據(jù)汛期洪水出現(xiàn)的可能性，在保證防洪安全的前提下，不斷在汛限水位動態(tài)控制域內(nèi)調(diào)控庫水位以使水庫多蓄水興利。汛限水位動態(tài)控制屬于風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度的范疇，是對洪水的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控。不確定性因素是風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的根源，防洪調(diào)度中的不確定性因素包括泄洪能力不確定性、水位—庫容關(guān)系不確定性和入庫洪水預(yù)報(bào)誤差等，其中入庫洪水預(yù)報(bào)誤差是汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)最重要的影響因素。因而，在利用動態(tài)控制水庫汛限水位的方法進(jìn)行洪水資源化調(diào)控的過程中，如何恰當(dāng)并準(zhǔn)確地評價(jià)入庫洪水預(yù)報(bào)誤差引起的汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)是一項(xiàng)具有理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義的重要研究工作。

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

在汛限水位動態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)分析方面，西方發(fā)達(dá)國家由于在氣象水文特性、人口密度及分布、水資源供需矛盾、社會保險(xiǎn)機(jī)制及政府管理辦法等方面與我國存在很大差異，其防洪調(diào)度的研究重心以考慮防洪效益及生態(tài)環(huán)境效益為主，汛限水位基本采用傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)值，因而在汛限水位動態(tài)控制方面的研究甚少。為了實(shí)現(xiàn)水庫汛限水位的動態(tài)控制，必須實(shí)施防洪預(yù)報(bào)調(diào)度，以增加水庫調(diào)洪的主動性，增大水庫預(yù)蓄或預(yù)泄的可能性。預(yù)報(bào)信息等的不確定性使得防洪調(diào)度具有風(fēng)險(xiǎn)性。傅湘等應(yīng)用系統(tǒng)分析方法，建立了大型水庫汛限水位風(fēng)險(xiǎn)分析模型，計(jì)算出不同汛限水位與最大洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)率的關(guān)系。王本德等考慮水庫下游防洪效益與水庫風(fēng)險(xiǎn)兩個目標(biāo)，建立了水庫防洪實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度模型。梅亞東等綜合考慮了水文、水力、起調(diào)水位及調(diào)洪規(guī)則等影響因素，采用隨機(jī)模擬法計(jì)算了大壩防洪安全綜合風(fēng)險(xiǎn)率。王才君等根據(jù)三峽水庫圍堰發(fā)電期調(diào)度規(guī)程，建立了預(yù)報(bào)預(yù)泄調(diào)度模型，并通過多目標(biāo)綜合風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)得到了動態(tài)汛限水位方案。周惠成等從洪水總量與洪水過程兩個角度研究了洪水預(yù)報(bào)誤差對碧流河水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的影響。曹永強(qiáng)等研究了實(shí)施防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方法的內(nèi)涵、機(jī)理、需要滿足的條件等關(guān)鍵問題，并結(jié)合碧流河水庫說明了防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方法的實(shí)用性和可行性。孫穎等綜合考慮了影響漫壩的洪水、風(fēng)浪、庫容、泄水能力的不確定性，建立了漫壩風(fēng)險(xiǎn)模型。吳澤寧等考慮了洪水典型選擇、洪水預(yù)報(bào)誤差和水庫調(diào)度滯時(shí)的不確定性影響，利用隨機(jī)模擬方法計(jì)算了多種汛限水位方案下黃河中下游水庫及下游的防洪風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值，并推薦了相對合理的汛限水位方案。張濤等對防洪調(diào)度過程各主要參數(shù)進(jìn)行了隨機(jī)識別并應(yīng)用一次二階矩法對汛限水位調(diào)整進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析。莫崇勛等運(yùn)用“積分一次二階矩法”綜合考慮了洪水、風(fēng)浪、庫容等不確定性的漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析模型并探討了風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)問題。陳炯宏等綜合考慮了水文、水力不確定性因素對汛限水位控制下的水庫防洪極限風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，采用隨機(jī)模擬方法計(jì)算極限防洪風(fēng)險(xiǎn)率。刁艷芳等分析了水文、水力、水位—庫容和調(diào)度滯時(shí)4種不確定性因素及其分布特性，建立了水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的組合風(fēng)險(xiǎn)分析模型，應(yīng)用基于拉丁超立方體抽樣的蒙特卡洛方法對模型進(jìn)行求解。劉艷麗等應(yīng)用拉丁超立方體抽樣方法建立了水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)分析的不確定性分析方法，分別研究了該方法在單因素風(fēng)險(xiǎn)分析和組合風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用情況。王義民等討論了不考慮預(yù)報(bào)和考慮預(yù)報(bào)兩種預(yù)泄調(diào)度模式下的水庫汛限水位動態(tài)控制原理，研究了不同預(yù)泄調(diào)度模式下喜河水庫汛限水位動態(tài)控制上限值。

短期降雨預(yù)報(bào)信息是汛限水位動態(tài)控制方法中應(yīng)用的基本信息之一。王本德等分析了降雨預(yù)報(bào)用于水庫調(diào)度中的必要性和重要性，依據(jù)中央氣象臺24 h降雨預(yù)報(bào)資料及實(shí)際日降雨資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析各量級降雨預(yù)報(bào)精度及其頻率分布規(guī)律。周惠成等以丹江口水庫為例，研究了利用短期降雨預(yù)報(bào)信息進(jìn)行水庫汛限水位動態(tài)控制的調(diào)度方式及其風(fēng)險(xiǎn)率。胡和平等引入可能性—概率風(fēng)險(xiǎn)的方法進(jìn)行短期降雨預(yù)報(bào)精度分析，并將其應(yīng)用于白龜山水庫短期降雨預(yù)報(bào)精度分析。王本德等針對當(dāng)前應(yīng)用降雨預(yù)報(bào)信息實(shí)施水庫防洪預(yù)報(bào)優(yōu)化調(diào)度的可能性問題，分析了丹江口48 h降雨預(yù)報(bào)信息的可利用性，計(jì)算了降雨預(yù)報(bào)的漏報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。李旭光等對中期數(shù)值降雨預(yù)報(bào)信息進(jìn)行預(yù)處理，給出預(yù)報(bào)精度評估指標(biāo)及求解方法，建立了調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析模型。王國利等通過研究GFS未來2～10 d分級降雨預(yù)報(bào)誤差分布規(guī)律，分析了該信息用于實(shí)時(shí)調(diào)水決策的可行性。

通過對上述文獻(xiàn)的研究與分析可知：

第一,汛限水位動態(tài)控制調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析方法可以分為只考慮洪水預(yù)報(bào)誤差不確定性（狹義風(fēng)險(xiǎn)）的單因素分析法和綜合考慮洪水預(yù)報(bào)誤差以及泄洪能力、調(diào)度滯時(shí)、起調(diào)水位、庫容—水位關(guān)系等影響因素不確定性（廣義風(fēng)險(xiǎn)）的多因素分析法（組合風(fēng)險(xiǎn)分析法）。風(fēng)險(xiǎn)的具體計(jì)算方法包括頻率分析法、隨機(jī)數(shù)學(xué)分析法（一次二階矩法和改進(jìn)一次二階矩法）、蒙特卡洛模擬法等。頻率分析法中多次插值求各點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)的算法存在可能的誤差累積問題，隨機(jī)數(shù)學(xué)分析的一次二階矩法和改進(jìn)一次二階矩法精度通常不高且其正態(tài)性和線性假定對不確定性因素的描述有較大的局限性。蒙特卡洛模擬法計(jì)算精度高，能很好地解決非線性、不同分布及相關(guān)系統(tǒng)問題。防洪風(fēng)險(xiǎn)分析方法的發(fā)展趨勢是由單因素分析擴(kuò)展到多因素分析。

第二，對于洪水預(yù)報(bào)誤差的處理方法，有基于實(shí)測資料和基于《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》兩種方法?；趯?shí)測資料的洪水預(yù)報(bào)誤差處理方法主要針對洪峰預(yù)報(bào)誤差或洪量預(yù)報(bào)誤差，目前研究中只考慮其中一個誤差或?qū)Χ叻謩e加以獨(dú)立考慮。實(shí)際上，洪量預(yù)報(bào)誤差是洪水過程各個時(shí)刻流量預(yù)報(bào)誤差的累積，由于影響因素眾多，洪峰預(yù)報(bào)誤差一般低于其他時(shí)刻的預(yù)報(bào)精度，洪量預(yù)報(bào)誤差中有相當(dāng)一部分是由洪峰預(yù)報(bào)誤差引起的，即洪量和洪峰預(yù)報(bào)誤差存在一定程度的相關(guān)性，二者不是相互獨(dú)立的變量，進(jìn)行水庫防洪調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，需要綜合考慮洪峰預(yù)報(bào)誤差和洪量預(yù)報(bào)誤差對洪水過程的影響，以實(shí)現(xiàn)對二者完整地耦合度量與綜合評價(jià)。

第三，目前水庫汛限水位動態(tài)控制調(diào)整方法中對于降雨信息的利用還處于定性和分級階段。例如，對定量降雨信息進(jìn)行二級或六級分級，然后分析與評價(jià)其概率分布特征以供動態(tài)控制水庫汛限水位之用。造成這一局面的原因主要是定量降雨預(yù)報(bào)精度不高。

3 研究前瞻

預(yù)報(bào)誤差是水庫采用防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式進(jìn)行洪水資源化調(diào)控的最主要影響因素。洪峰流量預(yù)報(bào)誤差和洪水總量預(yù)報(bào)誤差是其中具有天然相關(guān)性的兩個主要表征指標(biāo)，為綜合考慮二者的影響，需對其進(jìn)行耦合度量。具有相關(guān)性的多元水文變量聯(lián)合分布研究是目前水文變量分析的前沿領(lǐng)域?？梢愿鶕?jù)所收集到的水庫入庫洪水預(yù)報(bào)資料與實(shí)測資料，應(yīng)用極大墑方法研究洪峰預(yù)報(bào)誤差和洪量預(yù)報(bào)誤差所遵從的概率分布型式及其參數(shù)，從而求解這兩種誤差系列之間的Kendall相關(guān)系數(shù)，運(yùn)用Copula函數(shù)方法構(gòu)造洪水預(yù)報(bào)誤差的峰量耦合評價(jià)模型，再基于洪水預(yù)報(bào)誤差峰量耦合評價(jià)模型進(jìn)行二元隨機(jī)抽樣，并應(yīng)用考慮洪水預(yù)報(bào)峰量耦合誤差的入庫洪水隨機(jī)模擬方法生成入庫洪水的隨機(jī)系列以進(jìn)行相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

提高洪水預(yù)報(bào)精度和延長洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期是水庫汛限水位動態(tài)控制的關(guān)鍵所在。在確保洪水預(yù)報(bào)精度的前提下，延長洪水預(yù)見期已成為水庫防洪減災(zāi)領(lǐng)域中的一個重要研究課題。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展，為在降雨未發(fā)生前就獲取定量降雨預(yù)報(bào)信息、以驅(qū)動水文模型來延長洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期提供了氣象科學(xué)基礎(chǔ)。根據(jù)水文模型的輸出結(jié)果對數(shù)值預(yù)報(bào)模式形成反饋與否，二者的耦合方法分為單向耦合和雙向耦合，單向耦合是目前使用最為廣泛的耦合方式。降水預(yù)報(bào)精度的提高是陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)模型有效運(yùn)行的先決條件。氣象—水文相結(jié)合的流域洪水預(yù)報(bào)模式是延長洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期、提高洪水預(yù)報(bào)精度的重要發(fā)展方向，是氣象科學(xué)與水文科學(xué)的交叉研究領(lǐng)域。

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