多目標風(fēng)險模型在水庫防洪調(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）

多目標風(fēng)險模型在水庫防洪調(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）

在理論上對水庫防洪及調(diào)度方法進行了分析和探討，對水庫防洪調(diào)度風(fēng)險進行了風(fēng)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(diào)度有著重要的理論價值和應(yīng)用前景。

多目標；水庫調(diào)度；風(fēng)險分析；蒙特卡洛

1 水庫防洪調(diào)度風(fēng)險分析的背景及意義

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。水維持著整個社會的生機和發(fā)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(guān)系越來越緊張，對水庫進行合理防洪及調(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)計的時候，對防洪的庫容所留的量很大，這對于下游地區(qū)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(shè)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(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。

當然只根據(jù)蓄水量來設(shè)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(diào)度過程中都可能出現(xiàn)風(fēng)險，因此要規(guī)避風(fēng)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(fēng)險分析。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 水庫防洪目標及風(fēng)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(diào)度風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(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，則會造成重大的經(jīng)濟損失以及人身傷害，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：水庫大壩是否安全，是水庫發(fā)揮效益和實現(xiàn)防洪目標的前提，綜合水庫調(diào)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(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：下游地區(qū)能承受最大洪水瀉量。

2.2 風(fēng)險定義

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

(1)大壩安全風(fēng)險。

水庫調(diào)動運用中，出現(xiàn)的水庫水位超過標記洪水水位的概率，稱為大壩安全風(fēng)險。對這種風(fēng)險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。

當水庫進行防洪調(diào)度時，對洪水進行調(diào)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(dǎo)致水庫調(diào)度風(fēng)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(shè)計依據(jù)、計算方法、建筑類型、風(fēng)險監(jiān)測手段、風(fēng)險預(yù)報方法以及調(diào)度操作方法都對水庫調(diào)度風(fēng)險有一定的影響，因此在考慮風(fēng)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(diào)度隨機多目標決策模型

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

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)險以及對下游地區(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)險的概率分布，并通過蒙特卡洛推出總體經(jīng)濟效應(yīng)的概率分布情況。1998年才將多目標風(fēng)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(xiàn)水庫的真實風(fēng)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(diào)度風(fēng)險估計

防洪風(fēng)險分析目標與主要風(fēng)險因素之間有著函數(shù)關(guān)系，其中主要風(fēng)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(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。蒙特卡洛法通過隨機數(shù)發(fā)生器抽取一組隨機變量因素，來確定風(fēng)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(fēng)險概率分布，即得到了一組防洪調(diào)度分析目標的風(fēng)險估計。蒙特卡洛模型來進行風(fēng)險估計的方法可以用圖 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)上部分對水庫防洪風(fēng)險的分析以及對蒙特卡洛模擬原理的分析，結(jié)合整個工程實際以及防洪調(diào)度的過程，總結(jié)模擬步驟如下。

(1)根據(jù)實際情況來擬定主要風(fēng)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(yīng)分布的不確定性因素的值。

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

(4)按照調(diào)度規(guī)則，進行模擬得到防洪目標的值，多次重復(fù)上述步驟，得到多個樣本，再根據(jù)統(tǒng)計學(xué)的分析方法，來統(tǒng)計計算風(fēng)險因素的概率。

綜上模擬步驟，假設(shè)各個風(fēng)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(diào)度，在確定風(fēng)險目標、風(fēng)險因素以及對主要風(fēng)險因素和風(fēng)險目標進行風(fēng)險估計[3]的基礎(chǔ)上才能綜合利弊進行興利調(diào)節(jié)。通過風(fēng)險評價的結(jié)果選擇適合水庫的防洪調(diào)度的方案，根據(jù)風(fēng)險因素、風(fēng)險目標之間的相關(guān)聯(lián)系，來確定防洪調(diào)度的實施程序。

4 結(jié)論與展望

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

對水庫進行多目標風(fēng)險研究是一個復(fù)雜、規(guī)模龐大的工程，設(shè)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(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際調(diào)度結(jié)果更真實可靠。

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

(3)對梯級水庫之間的風(fēng)險要從地理、水文方面考慮，探明不同水庫群之間的風(fēng)險因素，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[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2010,05

[3] 潘理中.水電站水庫優(yōu)化調(diào)度研究的若干進展陰[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，教授級高級工程師。