多目標風險模型在水庫防洪調度中的應用研究

賈瑞紅

（唐山市陡河水庫管理處，河北唐山 063021）

多目標風險模型在水庫防洪調度中的應用研究

賈瑞紅

（唐山市陡河水庫管理處，河北唐山 063021）

在理論上對水庫防洪及調度方法進行了分析和探討，對水庫防洪調度風險進行了風險分析，研究了蒙特卡洛（Monte-Car1o）模型原理及模擬流程。所建模型對解決水庫多目標防洪調度有著重要的理論價值和應用前景。

多目標；水庫調度；風險分析；蒙特卡洛

1 水庫防洪調度風險分析的背景及意義

水利資源與人類發展過程密切相關，是不可代替的重要資源。地球上的一切生命都起源于水，水利資源關系到民族的興衰，文化的傳播。水維持著整個社會的生機和發展。但是隨著社會的不斷進步，生活水平不斷提高，人口劇增，對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系越來越緊張，對水庫進行合理防洪及調度已經迫在眉睫。

就我國現狀來看，大部分地區都存在水資源缺乏或者洪災頻發的問題。雖然許多地區都先后建立了水庫，但是在水庫的運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用，或者是防洪的效果并不如預期。許多水庫因考慮到防洪的需要，故在設計的時候，對防洪的庫容所留的量很大，這對于下游地區的防洪安全是非常有效的，同時也保證了水庫的安全性。但是這也對水庫的興利有著巨大的影響，因為水庫的設計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。當水庫的蓄水水位超過最高水位，則應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。

當然只根據蓄水量來設計水庫是不行的，水庫在運行過程中，存在許多不確定性因素，這些因素，在水庫的防洪及調度過程中都可能出現風險，因此要規避風險，使得水庫的效益達到最佳，就必須進行水庫防洪目標及防洪風險分析。這些分析結果為選擇正確的防洪調度方法提供了有力的依據。

2 水庫防洪目標及風險定義

2.1 防洪目標

以保證水庫安全為前提，對水庫防洪調度風險進行分析，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，但是防洪的風險也被放大。因此對整個水庫研究的重點部分為升高水位后的防洪風險情況。分析目標涵蓋以下幾個部分。

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

(2)水庫安全目標：水庫大壩是否安全，是水庫發揮效益和實現防洪目標的前提，綜合水庫調度運用，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害，水庫的最高水位都不允許超過最大值[2]。

(3)下游地區防洪目標：下游地區能承受最大洪水瀉量。

2.2 風險定義

為方便對后續的風險進行分析，我們首先要對相應的風險目標或者相應的風險事件進行必要的定義。針對防洪中出現的風險事件，我們可以總體的概括為大壩安全風險及洪水風險兩大部分。

(1)大壩安全風險。

水庫調動運用中，出現的水庫水位超過標記洪水水位的概率，稱為大壩安全風險。對這種風險可以通過兩種不同的研究方法來分析：一是分析發生水庫水位超過洪水水位時大壩的安全性；二是發生水庫水位超過洪水水位的可能性。

(2)洪水風險。

當水庫進行防洪調度時，對洪水進行調度時，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，導致水庫調度風險還有許多別的不確定性因素，主觀和客觀因素都同時存在。比如說，設計依據、計算方法、建筑類型、風險監測手段、風險預報方法以及調度操作方法都對水庫調度風險有一定的影響，因此在考慮風險時要盡量考慮多方面，但是不可能同時涵蓋所有因素。

3 水庫調度隨機多目標決策模型

水庫風險分析應該綜合風險損失及效益部分，根據防洪目標的多重性來看，水庫的風險分析也具有多目標性的特征。各種目標之間相互關聯，但是這種關系并不能夠用數學模型準確清晰的表達出來。隨著科技的發展，我們可以建立適用于水庫風險分析的模型，通過模擬技術來進行分析。

王本德等專家創建了最早的水庫防洪調度模型[2]，該模型簡單的考慮并分析了水庫風險以及對下游地區的影響情況。后來國內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險的概率分布，并通過蒙特卡洛推出總體經濟效應的概率分布情況。1998年才將多目標風險分析模型建立出來，通過隨機的方法利用蒙特卡洛模型進行求解。這種模型能更好的體現水庫的真實風險，提高水庫的興利效益。下面主要對蒙特卡洛模型進行闡述。

3.1 蒙特卡洛模擬水庫防洪調度風險估計

防洪風險分析目標與主要風險因素之間有著函數關系，其中主要風險因素為概率分布已知的不確定因素。在實際的問題中，這種函數關系非常復雜，或者根本無法用函數關系來表達。蒙特卡洛法通過隨機數發生器抽取一組隨機變量因素，來確定風險目標值，通過多次的模擬取樣，最終能夠得到一組與實際情況接近的風險概率分布，即得到了一組防洪調度分析目標的風險估計。蒙特卡洛模型來進行風險估計的方法可以用圖 1所示的系統來描述。

3.2 蒙特卡洛法的模擬步驟

依據上部分對水庫防洪風險的分析以及對蒙特卡洛模擬原理的分析，結合整個工程實際以及防洪調度的過程，總結模擬步驟如下。

(1)根據實際情況來擬定主要風險因素以及他們的概率分布情況。

(2)通過蒙特卡洛方法隨機抽取符合相應分布的不確定性因素的值。

(3)隨機抽取典型洪水發生情況中的一個過程，模擬洪水發生的過程。

(4)按照調度規則，進行模擬得到防洪目標的值，多次重復上述步驟，得到多個樣本，再根據統計學的分析方法，來統計計算風險因素的概率。

綜上模擬步驟，假設各個風險因素之間相互獨立，則整個過程可由程序框圖（見圖2）來表示。

綜合以上分析研究，水庫防洪調度，在確定風險目標、風險因素以及對主要風險因素和風險目標進行風險估計[3]的基礎上才能綜合利弊進行興利調節。通過風險評價的結果選擇適合水庫的防洪調度的方案，根據風險因素、風險目標之間的相關聯系，來確定防洪調度的實施程序。

4 結論與展望

針對水庫調度面臨的多種風險，以及風險的不確定性，將風險因素進行量化，使用合適的風險估計方法，以便有效的規避風險和提高效益。

對水庫進行多目標風險研究是一個復雜、規模龐大的工程，設計的方向廣闊，在以后的工作中還需進行逐步的細化以及完善。

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

(2)實際水庫調度中要合理安排水庫之間的調度次序，規避風險。

(3)對梯級水庫之間的風險要從地理、水文方面考慮，探明不同水庫群之間的風險因素，并做好管理工作。

[1] 黃益芬.水電站水庫優化調度研究團[J].水利水電2011(25)

[2] 王敬.綜合利用水庫優化調度模型研究明[J].鄭州工業大學學報2010,05

[3] 潘理中.水電站水庫優化調度研究的若干進展陰[J].水文2011,37-40

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.013

TV697.1

A

1008-1305（2014）01-0036-03

賈瑞紅（1970年-），女，教授級高級工程師。