對水庫洪水調度中風險分析方法的幾點探討

摘 要：水庫洪水調度中的風險分析方法成為目前研究人員普遍關注的課題，風險分析的研究有利于為水庫防洪調度提供科學依據，文章通過分析水庫洪水調度的主要研究內容，水庫洪水調度的主要特征，水庫洪水調度風險分析的內容，最后總結了水庫洪水風險分析的幾種方法。

關鍵詞：水庫；洪水調度；風險分析

1 水庫洪水調度主要研究內容

洪水給人們的生命和財產安全帶來了嚴重的威脅，防洪的目的主要在于減小洪水造成的生命、社會和經濟危害。防洪措施包括工程和非工程措施，水庫是一種工程措施，同時在航運、發電、供水等方面發揮著重大作用。我國水資源在地域和時間分布上差異明顯，水資源貧乏地區的洪水的資源優化配置具有重大意義。但是洪水受降雨、地形、下墊面條件等因素影響，作為資源利用存在較大風險。水庫洪水調度的主要任務是根據總體防洪規劃，結合當地實際情況，科學、有計劃地進行泄蓄管控，使水庫容量得到最有效的利用，達到防洪效益和經濟效益的最大化。

2 水庫洪水調度的主要特征

水庫洪水調度需做到統籌兼顧，全盤考慮，最終實現防洪興利。綜合來看，水庫洪水調度具有復雜性、確定性、不確定性、風險性等特征。復雜性是因為洪水調度具有多目標性，目標參數之間總是相互制約、相互影響，難以實現所有參數控制最優化，將主要參數最優化往往以犧牲部分參數為代價，如何協調好各參數之間的關系是一項很艱巨的任務。因此，每個調度決策都可能引起系列連鎖反應。確定性是指水庫庫容、特征水位、水庫工程設施設計標準、校核標準、泄洪方式等是確定的。不確定性主要指變化中的影響因素，包括降雨時空分布的不確定性，氣象形勢的變化多端，入庫流量預報的偏差，以及突發事件的發生等，不確定因素對水庫洪水調度具有重大影響。水文、水利、決策、經濟都具有不確定性，由于各種不確定性的存在使水庫的洪水調度存在風險性[1]。

3 水庫洪水調度風險分析內容

風險識別。只有在正確識別風險的前提下，水庫洪水調度才能有效地將風險影響降至最低。水庫洪水調度中不確定性的存在是導致風險的主要原因，包括洪水預報誤差、氣象形勢的多變，通訊通道意外中斷、工程設施損毀、防洪設備故障等。調度過程中存在的風險，包括上、下游，水庫之間的相互對立因素間的取舍，漫長的磋商、決策過程導致調度方案實施的延遲等皆可能引發風險，決策風險也是較大的風險之一，由于信息掌握的局限性容易導致經驗風險[2]。

風險估計。風險估計是在風險識別的基礎上對風險發生的幾率和影響做出判斷，通常包括風險估計和不確定因素概率估計。常用的風險估計方法有兩種：一種是主觀估計，通過專家的長期經驗給出估計；一種是客觀估計，依據現有的數據資料進行估計。不確定因素概率估計是指對未知因素出現的可能性進行估計，比如實際降水量超出預報的可能性，實際降水時間、空間分布出現偏差的可能性等，不確定因素容易對防洪產生巨大的影響，對不確定因素概率進行估計十分重要。

風險評價。風險評價就是按照風險估計的結果，通過某一指標對風險估計的結果做出評判，常用的評價指標有風險度、標準差、期望值等。將調度的風險收益與風險損失進行橫向對比，最終得出結論。

風險決策。風險決策是在以上幾個步驟的基礎上，決策者全面衡量利弊，統籌考慮風險后作出的洪水調度措施。常采取的依據原則有滿意原則、最大概率前景原則、等可能性原則、悲觀原則、樂觀原則等。

4 水庫洪水調度風險分析方法

4.1 定性分析法

在針對風險性較小的風險預測時可以采用定性分析法。定性分析法常用的有德爾斐法、矩陣法、調查法。其中德爾斐法是由著名咨詢公司蘭德公司首先提出，此分析方法主要是依靠有關專家的經驗、知識及判斷。當洪水調度中存在一些難以建立模型分析的因素時此分析法具有較高的使用價值。

4.2 定量分析法

4.2.1 風險度分析法。風險度分析法實際是一種基于概率論與數理統計的分析方法。概率論與數理統計方法是洪水調度風險分析的有效工具之一。因為可靠性和風險性是一對互補的概念，因此這種方法也可以用來進行風險率的估計。風險度分析法是基于風險變異性的一種測度。

風險度分析法的期望值表達式：；

其中的xip（xi）為離散型風險變量及其概率。

標準差的數學表達式為：

風險度的數學表達式為：

4.2.2 蒙特卡洛分析法。蒙特卡洛分析法是一種統計概率分析方法，又稱為隨機模擬法或者統計實驗法，此方式通過特定的數學模型在計算機上進行模擬實驗，然為后對實驗結果進行統計分析。在實際洪水調度分析中證明蒙特卡洛分析方法是一種十分有效的分析方法，對水庫洪水的風險調度提供了較為切合實際的參考依據。

假設風險分析的目標為Y，那么它與各種風險因素之間的關系如下式所示：

Y=f（x1，x2，…xn）

其中的各變量代表了風險因素，但是在實際的洪水調度中很難掌握全部的風險因素，因此表達式的函數關系往往是未知的，或者函數關系已知但非常復雜，很難解析得到概率分布。蒙特卡洛分析法通過隨機數生成器產生一組隨機數，用這組隨機數代表風險因素，得到一個確定的函數表達式，以此求得一個函數值，通過反復的抽樣模擬實驗，當次數達到一定數量時實驗結果就會接近實際情況。經驗表明，當隨機數據的數量達到三百次左右時，就可得到收斂的函數分布。因此，蒙特卡洛分析法在實際應用時首先要確定防洪調度中不確定因素的概率分布；然后通過隨機數生成器得到相應的隨機數組，以此模擬不確定性因素；接下來選定一個洪水樣本過程來模擬實際洪水；最后通過模擬得到目標的破壞頻率。以此來為風險分析提供參考數據。蒙特卡洛分析法也存在一定的缺陷，通過此方法所得到的風險值不唯一，風險值受樣本數量和模擬數量的影響。蒙特卡洛分析法是在某時刻確定條件下的一種模擬風險分析法，當影響因素不斷變化時，所得到的模擬結果會出現差異。由于變量數目較多，此方法所花費的費用也相對較高。

4.2.3 基于馬爾可夫過程的風險分析法。入庫徑流是水庫洪水調度中的一個不確定變量，此過程一般服從馬氏過程。馬氏過程是指某類變量間及其相關聯影響的非平穩隨機過程，最大的特點就是無后效性。因此，通過馬氏過程的狀態轉移概率可以對水庫洪水調度的風險率進行計算。劉廣吉等在模糊灰色馬氏過程在水庫洪水預報中的應用[3]中給出了洪水預報實例應用。

5 結束語

水庫洪水調度需要統籌兼顧，洪水調度具有復雜性、確定性、不確定性、風險性，通過風險識別、風險估計、風險評價對洪水調度的風險性作出科學預測判斷，最終作出合理的風險決策。水庫洪水調度風險分析方法有很多種，常見的有定性分析法和定量分析法，其中定性分析法常用的有德爾斐法，定量分析法常用的有風險度分析法、蒙特卡洛分析法、基于馬爾可夫過程的風險分析法。

但是目前洪水風險調度研究也存在一些不足之處，例如：對多因素、多目標的研究不夠充分，對主觀人為因素的考慮不夠充分。

參考文獻

[1]申海，解建倉，羅軍剛.水庫洪水調度多目標決策方法及應用[J].沈陽農業大學學報，2014（3）.

[2]盧啟友.紅楓水庫分期洪水調度運用的體會[J].貴州水力發電，2015（1）.

[3]劉廣吉，路金喜.模糊灰色馬氏過程在水庫洪水預報中的應用[J].水電能源科學，2014（5）.