賈瑞紅

（唐山市陡河水庫管理處，河北唐山 063021）

多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)模型在水庫防洪調(diào)度中的應(yīng)用研究

賈瑞紅

（唐山市陡河水庫管理處，河北唐山 063021）

在理論上對(duì)水庫防洪及調(diào)度方法進(jìn)行了分析和探討，對(duì)水庫防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，研究了蒙特卡洛（Monte-Car1o）模型原理及模擬流程。所建模型對(duì)解決水庫多目標(biāo)防洪調(diào)度有著重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。

多目標(biāo)；水庫調(diào)度；風(fēng)險(xiǎn)分析；蒙特卡洛

1 水庫防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析的背景及意義

水利資源與人類發(fā)展過程密切相關(guān)，是不可代替的重要資源。地球上的一切生命都起源于水，水利資源關(guān)系到民族的興衰，文化的傳播。水維持著整個(gè)社會(huì)的生機(jī)和發(fā)展。但是隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，生活水平不斷提高，人口劇增，對(duì)水資源的需求也與日俱增，而有限的水資源使得這種供求關(guān)系越來越緊張，對(duì)水庫進(jìn)行合理防洪及調(diào)度已經(jīng)迫在眉睫。

就我國現(xiàn)狀來看，大部分地區(qū)都存在水資源缺乏或者洪災(zāi)頻發(fā)的問題。雖然許多地區(qū)都先后建立了水庫，但是在水庫的運(yùn)行和管理中還是存在太多的問題，因而水利資源不能得到很好的應(yīng)用，或者是防洪的效果并不如預(yù)期。許多水庫因考慮到防洪的需要，故在設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)防洪的庫容所留的量很大，這對(duì)于下游地區(qū)的防洪安全是非常有效的，同時(shí)也保證了水庫的安全性。但是這也對(duì)水庫的興利有著巨大的影響，因?yàn)樗畮斓脑O(shè)計(jì)多是以防洪和安全為第一位，因此較大的防洪庫容能夠防止在汛期水庫的蓄水水位高于水庫所允許的限制水位。當(dāng)水庫的蓄水水位超過最高水位，則應(yīng)立即將超出水位的部分排掉[1]。由于南北水量的差異，南方水庫全年都保持著較高水位，而北方的汛期和枯水期水庫的蓄水量差距很大。

當(dāng)然只根據(jù)蓄水量來設(shè)計(jì)水庫是不行的，水庫在運(yùn)行過程中，存在許多不確定性因素，這些因素，在水庫的防洪及調(diào)度過程中都可能出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，因此要規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，使得水庫的效益達(dá)到最佳，就必須進(jìn)行水庫防洪目標(biāo)及防洪風(fēng)險(xiǎn)分析。這些分析結(jié)果為選擇正確的防洪調(diào)度方法提供了有力的依據(jù)。

2 水庫防洪目標(biāo)及風(fēng)險(xiǎn)定義

2.1 防洪目標(biāo)

以保證水庫安全為前提，對(duì)水庫防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，最終使得水庫的利益得到最合理化。水庫的蓄水量是由限制水位決定的，抬高限制水位，在一定程度上使得需水量增大，增加效益，但是防洪的風(fēng)險(xiǎn)也被放大。因此對(duì)整個(gè)水庫研究的重點(diǎn)部分為升高水位后的防洪風(fēng)險(xiǎn)情況。分析目標(biāo)涵蓋以下幾個(gè)部分。

(1)水庫防洪目標(biāo)：水庫在防洪調(diào)度過程中，如果水庫的蓄水水位超過附近移民水位、用地水位，則會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失以及人身傷害，因此，征地水位在水庫的調(diào)度過程中，應(yīng)該有所保障。

(2)水庫安全目標(biāo)：水庫大壩是否安全，是水庫發(fā)揮效益和實(shí)現(xiàn)防洪目標(biāo)的前提，綜合水庫調(diào)度運(yùn)用，首先要把大壩的安全性作為首要考慮因素，即使遇到特大的洪澇災(zāi)害，水庫的最高水位都不允許超過最大值[2]。

(3)下游地區(qū)防洪目標(biāo)：下游地區(qū)能承受最大洪水瀉量。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)定義

為方便對(duì)后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，我們首先要對(duì)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)或者相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行必要的定義。針對(duì)防洪中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)事件，我們可以總體的概括為大壩安全風(fēng)險(xiǎn)及洪水風(fēng)險(xiǎn)兩大部分。

(1)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)。

水庫調(diào)動(dòng)運(yùn)用中，出現(xiàn)的水庫水位超過標(biāo)記洪水水位的概率，稱為大壩安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)這種風(fēng)險(xiǎn)可以通過兩種不同的研究方法來分析：一是分析發(fā)生水庫水位超過洪水水位時(shí)大壩的安全性；二是發(fā)生水庫水位超過洪水水位的可能性。

(2)洪水風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)水庫進(jìn)行防洪調(diào)度時(shí)，對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)度時(shí)，水庫的最高水位以及最大泄量超過水庫的安全水位以及安全泄量的概率。

總的來說，導(dǎo)致水庫調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)還有許多別的不確定性因素，主觀和客觀因素都同時(shí)存在。比如說，設(shè)計(jì)依據(jù)、計(jì)算方法、建筑類型、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)手段、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)方法以及調(diào)度操作方法都對(duì)水庫調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)有一定的影響，因此在考慮風(fēng)險(xiǎn)時(shí)要盡量考慮多方面，但是不可能同時(shí)涵蓋所有因素。

3 水庫調(diào)度隨機(jī)多目標(biāo)決策模型

水庫風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)該綜合風(fēng)險(xiǎn)損失及效益部分，根據(jù)防洪目標(biāo)的多重性來看，水庫的風(fēng)險(xiǎn)分析也具有多目標(biāo)性的特征。各種目標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)，但是這種關(guān)系并不能夠用數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確清晰的表達(dá)出來。隨著科技的發(fā)展，我們可以建立適用于水庫風(fēng)險(xiǎn)分析的模型，通過模擬技術(shù)來進(jìn)行分析。

王本德等專家創(chuàng)建了最早的水庫防洪調(diào)度模型[2]，該模型簡單的考慮并分析了水庫風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)下游地區(qū)的影響情況。后來國內(nèi)的某位專家采用三角形分布法從另外一些方面列出了基本風(fēng)險(xiǎn)的概率分布，并通過蒙特卡洛推出總體經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的概率分布情況。1998年才將多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析模型建立出來，通過隨機(jī)的方法利用蒙特卡洛模型進(jìn)行求解。這種模型能更好的體現(xiàn)水庫的真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)，提高水庫的興利效益。下面主要對(duì)蒙特卡洛模型進(jìn)行闡述。

3.1 蒙特卡洛模擬水庫防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

防洪風(fēng)險(xiǎn)分析目標(biāo)與主要風(fēng)險(xiǎn)因素之間有著函數(shù)關(guān)系，其中主要風(fēng)險(xiǎn)因素為概率分布已知的不確定因素。在實(shí)際的問題中，這種函數(shù)關(guān)系非常復(fù)雜，或者根本無法用函數(shù)關(guān)系來表達(dá)。蒙特卡洛法通過隨機(jī)數(shù)發(fā)生器抽取一組隨機(jī)變量因素，來確定風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)值，通過多次的模擬取樣，最終能夠得到一組與實(shí)際情況接近的風(fēng)險(xiǎn)概率分布，即得到了一組防洪調(diào)度分析目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)。蒙特卡洛模型來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)的方法可以用圖 1所示的系統(tǒng)來描述。

3.2 蒙特卡洛法的模擬步驟

依據(jù)上部分對(duì)水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)的分析以及對(duì)蒙特卡洛模擬原理的分析，結(jié)合整個(gè)工程實(shí)際以及防洪調(diào)度的過程，總結(jié)模擬步驟如下。

(1)根據(jù)實(shí)際情況來擬定主要風(fēng)險(xiǎn)因素以及他們的概率分布情況。

(2)通過蒙特卡洛方法隨機(jī)抽取符合相應(yīng)分布的不確定性因素的值。

(3)隨機(jī)抽取典型洪水發(fā)生情況中的一個(gè)過程，模擬洪水發(fā)生的過程。

(4)按照調(diào)度規(guī)則，進(jìn)行模擬得到防洪目標(biāo)的值，多次重復(fù)上述步驟，得到多個(gè)樣本，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法，來統(tǒng)計(jì)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素的概率。

綜上模擬步驟，假設(shè)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間相互獨(dú)立，則整個(gè)過程可由程序框圖（見圖2）來表示。

綜合以上分析研究，水庫防洪調(diào)度，在確定風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)因素以及對(duì)主要風(fēng)險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)[3]的基礎(chǔ)上才能綜合利弊進(jìn)行興利調(diào)節(jié)。通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果選擇適合水庫的防洪調(diào)度的方案，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素、風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)之間的相關(guān)聯(lián)系，來確定防洪調(diào)度的實(shí)施程序。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)水庫調(diào)度面臨的多種風(fēng)險(xiǎn)，以及風(fēng)險(xiǎn)的不確定性，將風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行量化，使用合適的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)方法，以便有效的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和提高效益。

對(duì)水庫進(jìn)行多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)研究是一個(gè)復(fù)雜、規(guī)模龐大的工程，設(shè)計(jì)的方向廣闊，在以后的工作中還需進(jìn)行逐步的細(xì)化以及完善。

(1)水庫調(diào)度過程中，各方面的因素影響，其中包括許多潛在的因素，應(yīng)該在其中利用高科技使得實(shí)際調(diào)度結(jié)果更真實(shí)可靠。

(2)實(shí)際水庫調(diào)度中要合理安排水庫之間的調(diào)度次序，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

(3)對(duì)梯級(jí)水庫之間的風(fēng)險(xiǎn)要從地理、水文方面考慮，探明不同水庫群之間的風(fēng)險(xiǎn)因素，并做好管理工作。

[1] 黃益芬.水電站水庫優(yōu)化調(diào)度研究團(tuán)[J].水利水電2011(25)

[2] 王敬.綜合利用水庫優(yōu)化調(diào)度模型研究明[J].鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2010,05

[3] 潘理中.水電站水庫優(yōu)化調(diào)度研究的若干進(jìn)展陰[J].水文2011,37-40

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.013

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1008-1305（2014）01-0036-03

賈瑞紅（1970年-），女，教授級(jí)高級(jí)工程師。