多目标风险模型在水库防洪调度中的应用研究

2014-04-06贾瑞红

水利技术监督 2014年1期

关键词：蒙特卡洛防洪水位

贾瑞红

（唐山市陡河水库管理处，河北唐山 063021）

多目标风险模型在水库防洪调度中的应用研究

贾瑞红

（唐山市陡河水库管理处，河北唐山 063021）

在理论上对水库防洪及调度方法进行了分析和探讨，对水库防洪调度风险进行了风险分析，研究了蒙特卡洛（Monte-Car1o）模型原理及模拟流程。所建模型对解决水库多目标防洪调度有着重要的理论价值和应用前景。

多目标；水库调度；风险分析；蒙特卡洛

1 水库防洪调度风险分析的背景及意义

水利资源与人类发展过程密切相关，是不可代替的重要资源。地球上的一切生命都起源于水，水利资源关系到民族的兴衰，文化的传播。水维持着整个社会的生机和发展。但是随着社会的不断进步，生活水平不断提高，人口剧增，对水资源的需求也与日俱增，而有限的水资源使得这种供求关系越来越紧张，对水库进行合理防洪及调度已经迫在眉睫。

就我国现状来看，大部分地区都存在水资源缺乏或者洪灾频发的问题。虽然许多地区都先后建立了水库，但是在水库的运行和管理中还是存在太多的问题，因而水利资源不能得到很好的应用，或者是防洪的效果并不如预期。许多水库因考虑到防洪的需要，故在设计的时候，对防洪的库容所留的量很大，这对于下游地区的防洪安全是非常有效的，同时也保证了水库的安全性。但是这也对水库的兴利有着巨大的影响，因为水库的设计多是以防洪和安全为第一位，因此较大的防洪库容能够防止在汛期水库的蓄水水位高于水库所允许的限制水位。当水库的蓄水水位超过最高水位，则应立即将超出水位的部分排掉[1]。由于南北水量的差异，南方水库全年都保持着较高水位，而北方的汛期和枯水期水库的蓄水量差距很大。

当然只根据蓄水量来设计水库是不行的，水库在运行过程中，存在许多不确定性因素，这些因素，在水库的防洪及调度过程中都可能出现风险，因此要规避风险，使得水库的效益达到最佳，就必须进行水库防洪目标及防洪风险分析。这些分析结果为选择正确的防洪调度方法提供了有力的依据。

2 水库防洪目标及风险定义

2.1 防洪目标

以保证水库安全为前提，对水库防洪调度风险进行分析，最终使得水库的利益得到最合理化。水库的蓄水量是由限制水位决定的，抬高限制水位，在一定程度上使得需水量增大，增加效益，但是防洪的风险也被放大。因此对整个水库研究的重点部分为升高水位后的防洪风险情况。分析目标涵盖以下几个部分。

(1)水库防洪目标：水库在防洪调度过程中，如果水库的蓄水水位超过附近移民水位、用地水位，则会造成重大的经济损失以及人身伤害，因此，征地水位在水库的调度过程中，应该有所保障。

(2)水库安全目标：水库大坝是否安全，是水库发挥效益和实现防洪目标的前提，综合水库调度运用，首先要把大坝的安全性作为首要考虑因素，即使遇到特大的洪涝灾害，水库的最高水位都不允许超过最大值[2]。

(3)下游地区防洪目标：下游地区能承受最大洪水泻量。

2.2 风险定义

为方便对后续的风险进行分析，我们首先要对相应的风险目标或者相应的风险事件进行必要的定义。针对防洪中出现的风险事件，我们可以总体的概括为大坝安全风险及洪水风险两大部分。

(1)大坝安全风险。

水库调动运用中，出现的水库水位超过标记洪水水位的概率，称为大坝安全风险。对这种风险可以通过两种不同的研究方法来分析：一是分析发生水库水位超过洪水水位时大坝的安全性；二是发生水库水位超过洪水水位的可能性。

(2)洪水风险。

当水库进行防洪调度时，对洪水进行调度时，水库的最高水位以及最大泄量超过水库的安全水位以及安全泄量的概率。

总的来说，导致水库调度风险还有许多别的不确定性因素，主观和客观因素都同时存在。比如说，设计依据、计算方法、建筑类型、风险监测手段、风险预报方法以及调度操作方法都对水库调度风险有一定的影响，因此在考虑风险时要尽量考虑多方面，但是不可能同时涵盖所有因素。

3 水库调度随机多目标决策模型

水库风险分析应该综合风险损失及效益部分，根据防洪目标的多重性来看，水库的风险分析也具有多目标性的特征。各种目标之间相互关联，但是这种关系并不能够用数学模型准确清晰的表达出来。随着科技的发展，我们可以建立适用于水库风险分析的模型，通过模拟技术来进行分析。

王本德等专家创建了最早的水库防洪调度模型[2]，该模型简单的考虑并分析了水库风险以及对下游地区的影响情况。后来国内的某位专家采用三角形分布法从另外一些方面列出了基本风险的概率分布，并通过蒙特卡洛推出总体经济效应的概率分布情况。1998年才将多目标风险分析模型建立出来，通过随机的方法利用蒙特卡洛模型进行求解。这种模型能更好的体现水库的真实风险，提高水库的兴利效益。下面主要对蒙特卡洛模型进行阐述。

3.1 蒙特卡洛模拟水库防洪调度风险估计

防洪风险分析目标与主要风险因素之间有着函数关系，其中主要风险因素为概率分布已知的不确定因素。在实际的问题中，这种函数关系非常复杂，或者根本无法用函数关系来表达。蒙特卡洛法通过随机数发生器抽取一组随机变量因素，来确定风险目标值，通过多次的模拟取样，最终能够得到一组与实际情况接近的风险概率分布，即得到了一组防洪调度分析目标的风险估计。蒙特卡洛模型来进行风险估计的方法可以用图 1所示的系统来描述。

3.2 蒙特卡洛法的模拟步骤

依据上部分对水库防洪风险的分析以及对蒙特卡洛模拟原理的分析，结合整个工程实际以及防洪调度的过程，总结模拟步骤如下。

(1)根据实际情况来拟定主要风险因素以及他们的概率分布情况。

(2)通过蒙特卡洛方法随机抽取符合相应分布的不确定性因素的值。

(3)随机抽取典型洪水发生情况中的一个过程，模拟洪水发生的过程。

(4)按照调度规则，进行模拟得到防洪目标的值，多次重复上述步骤，得到多个样本，再根据统计学的分析方法，来统计计算风险因素的概率。

综上模拟步骤，假设各个风险因素之间相互独立，则整个过程可由程序框图（见图2）来表示。

综合以上分析研究，水库防洪调度，在确定风险目标、风险因素以及对主要风险因素和风险目标进行风险估计[3]的基础上才能综合利弊进行兴利调节。通过风险评价的结果选择适合水库的防洪调度的方案，根据风险因素、风险目标之间的相关联系，来确定防洪调度的实施程序。