CN103882827B - 基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法及水库防洪调度方案评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，包括步骤：步骤1，采用基于多种预报方案获得的径流集合预报成果获得若干组径流预报过程；步骤2，设置水库出库流量阈值和水库水位阈值，并定义水库防洪风险事件；步骤3，基于径流预报过程、水库出库流量阈值、水库水位阈值和当前水库防洪调度方案预测水库上游和下游的防洪风险率。本发明能系统完整的分析水库防洪风险率，可广泛应用于水库防洪调度，为水库防洪调度的科学决策提供依据。

Description

基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法及水库防洪调度方案评价方法

技术领域

本发明涉及水库调度技术领域，特别涉及一种基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法。

背景技术

水库调度通过重新分配水资源时空分布，达到兴利除害的目的。在以防洪为目标的水库调度中，一般将预报成果取最不利情况放大，经水库调洪演算确定是否安全。这种方法不能描述防洪风险情况，通过识别调度决策的风险率，并将其控制在一定可接受范围内，开展防洪风险率计算，具有重要的理论意义和实践价值。

现有的水库防洪风险率预测主要考虑水文预报误差引起的风险率，主要步骤为：①根据预报成果，以及预报误差统计规律，随机生成若干组径流预报过程；②将这些流量过程输入水库调度模型中，统计超过阈值的次数；③根据超阈值次数与总模拟次数的比值，计算防洪风险率。

因此，现有的水库防洪风险率预测存在问题：(1)根据预报误差统计规律生成的径流预报过程，难以描述误差的时间相关特征；(2)无法考虑调度末水位高引起的后续风险率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种考虑预见期内和余留期的防洪风险、基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，所预测的防洪风险率与年防洪标准具有相同时间尺度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，用于预测水库下游防洪风险率，包括步骤：

步骤1，采用基于多种预报方案获得的径流集合预报成果获得若干组径流预报过程；

步骤2，设置水库出库流量阈值，并定义水库防洪风险事件，所述的水库防 洪风险事件包括水库出库流量大于水库出库流量阈值的事件；

步骤3，基于径流预报过程、水库出库流量阈值和当前水库防洪调度方案预测水库下游防洪风险率，包括：

(1)预测预见期内水库下游防洪风险率R_1,down：

$R_{1,\mathrm{down}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(R_{i,t}>Q_c,\∀t=t_1,t_2,\·\·\·,t_n)}{m}$

其中，Q_c为水库出库流量阈值；m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；R_i,t为第i个径流集合预报情景下时段t的水库出库流量；#(R_i,t＞Q_c)表示水库下游是否出现防洪风险事件，所述的防洪风险事件指第i个径流集合预报情景下时段t的水库出库流量R_i,t大于水库出库流量阈值Q_c的事件；

(2)预测余留期水库下游防洪风险率R_2,down：

$R_{2,\mathrm{down}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{down}}\left(Z_{{i,t}_n}\right)}{m}$

其中，m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数； 为第i个径流集合预报情景下预见期末时段t_n的水库水位；为以水库水位起调、恰好水库下游发生防洪风险事件的洪水频率，可通过水库调洪演算获得；

(3)预测水库下游总防洪风险率R_down：

$R_{\mathrm{down}}=\frac{\underset{i=1,i\∈T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(R_{i,t}>Q_c,\∀t=t_1,t_2,\·\·\·,t_n)+\underset{i=1,i\∉T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{down}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}$

其中，T表示水库防洪风险事件发生在预报时段内的径流集合预报情景集合；

上述水库出库流量阈值为水库已有的阈值标准。

另一种基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，用于预测水库上游防洪风险率，包括步骤：

步骤1，采用基于多种预报方案获得的径流集合预报成果获得若干组径流预报过程；

步骤2，设置水库水位阈值，并定义水库防洪风险事件，所述的水库防洪风险事件包括水库水位高于水库水位阈值的事件；

步骤3，基于径流预报过程、水库水位阈值和当前水库防洪调度方案预测水库上游防洪风险率，包括：

(1)在下游安全的前提下，预测预见期内水库上游防洪风险率R_1,up：

$R_{1,\mathrm{up}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(Z_{i,t}>Z_c,\∀t=t_1,t_2,\·\·\·,t_n)}{m}$

其中，m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；Z_c为水库水位阈值；Z_i,t为第i个径流集合预报情景下时段t的水库水位；#(Z_i,t＞Z_c)表示水库上游是否出现防洪风险事件，所述的防洪风险事件指第i个径流集合预报情景下时段t的水库水位Z_i,t大于水库水位阈值Z_c的事件；

(2)预测余留期水库上游防洪风险率R_2,up：

$R_{2,\mathrm{up}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{up}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}$

其中，m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；为第i个径流集合预报情景下预见期末时段t_n的水库水位；为以水库水位起调、恰好水库上游发生防洪风险事件的洪水频率，可通过水库调洪演算获得

(3)预测水库上游总防洪风险率R_up：

$R_{\mathrm{up}}=\frac{\underset{i=1,i\∈T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(Z_{i,t}>Z_c,\∀t=t_1,t_2,\·\·\·,t_n)+\underset{i=1,i\∉T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{up}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}$

其中，T表示水库防洪风险事件发生在预报时段内的径流集合预报情景集合。

上述水库水位阈值为水库已有的阈值标准。

可采用上述预测的水库防洪风险率对当前水库防洪调度方案进行评价：

将权利要求1和/或权利要求3预测的水库防洪风险率与水库当前可接受防洪风险率比较，从而评价当前水库防洪调度方案。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、基于径流集合预报成果，原汁原味的输入水库调度中，实现了水库预报调度的无缝连接。

2、采用两阶段决策方法，既考虑预见期内，也考虑余留期的水库防洪风险率，提出了一种全新的水库防洪风险率预测方法。

3、本发明预测的防洪风险率与现有的防洪标准相关联，可采用水库原有的阈值标准作为阈值控制，解决了可接受风险难于确定的问题，可用于评价或优化水库防洪调度决策，避免决策的主观性。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明方法的具体实施方式。

本发明的基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，见图1，具体步骤如下：

步骤1，采用径流集合预报成果获得若干组径流预报过程。

传统方法一般采用水文预报成果随机生成若干组径流预报过程，本发明则采用基于多种预报方案获得的径流集合预报成果来获得多组径流预报过程。

步骤2，根据水库特征参数和防洪目的设置水库水位阈值或水库出库流量阈值，并定义水库防洪风险事件，所述的水库防洪风险事件为水库水位高于水库水位阈值或水库出库流量大于水库出库流量阈值的事件。水库水位阈值和水库出库流量阈值可采用水库已有的阈值标准。

步骤3，基于步骤1获得的径流预报过程、步骤2设置的水库水位阈值或水 库出库流量阈值以及当前水库防洪调度方案预测水库防洪风险率。

本步骤依据调度期长度将未来时段分为两阶段：预见期内阶段(第一阶段)和预见期后阶段(第二阶段)，第二阶段又称为余留期。

针对不同阶段采用不同方法预测水库防洪风险率：

(1)水库下游防洪风险率的预测：

预见期内的水库下游防洪风险率R_1,down采用公式(1)进行预测：

$R_{1,\mathrm{down}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(R_{i,t}>Q_c,\∀t=t_1,t_2,\·\·\·,t_n)}{m}---\left(1\right)$

式(1)中：

Q_c为下游安全流量，即水库出库流量阈值；

m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；

t₁、t₂、...t_n表示预计期内各时段；

R_i,t为第i个径流集合预报情景下时段t的水库出库流量，由当前水库防洪调度方案给出；

#(R_i,t＞Q_c)表示水库下游是否出现防洪风险事件，表示任意一个，#()即用来统计t₁、t₂、...t_n时段中水库下游出现防洪风险事件的时段数；

余留期的水库下游防洪风险率R_2,down采用公式(2)进行预测：

$R_{2,\mathrm{down}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left[R_{\mathrm{down}}\left(Z_{i,t_n}\right)P\left(Z_{i,t_n}\right)\right]=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{down}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}---\left(2\right)$

式(2)中：

m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；

表示调度末水库水位为的概率；

为第i个径流集合预报情景下预见期末时段t_n的水库水位；

为以水库水位起调、恰好水库下游发生防洪风险事件的洪水 频率，可通过水库调洪演算获得

水库下游总防洪风险率R_down为：

$R_{\mathrm{down}}=R_{1,\mathrm{down}}+P\left(R_{2,\mathrm{down}}\right|{\stackrel{\‾}{R}}_{1,\mathrm{down}})=\frac{\underset{i=1,i\∈T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(R_{i,t}>Q_c,\∀t=t_1,t_2,\·\·\·,t_n)+\underset{i=1,i\∉T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{down}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}---\left(3\right)$

式(3)中：

T表示水库防洪风险事件发生在预报时段内的径流集合预报情景集合；

表示水库下游第一阶段不发生防洪风险事件、而第二阶段发生防洪风险事件的概率。

(2)水库上游防洪风险率的预测：

在下游安全的前提下，预见期内的水库上游防洪风险率R_1,up采用公式(4)进行预测：

$R_{1,\mathrm{up}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(Z_{i,t}>Z_c,\∀t=t_1,t_2,\·\·\·,t_n)}{m}---\left(4\right)$

式(4)中：

Z_c为上游安全水位，即步骤2设置的水库水位阈值；

t₁、t₂、...t_n表示预计期内各时段；

Z_i,t为第i个径流集合预报情景下时段t的水库水位，由当前水库防洪调度方案给出；

m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；

#(Z_i,t＞Z_c)表示水库上游是否出现防洪风险事件，表示任意一个，#()即用来统计t₁、t₂、...t_n时段中水库上游出现防洪风险事件的时段数。

余留期的水库上游防洪风险率R_2,up采用公式(5)进行预测：

$R_{2,\mathrm{up}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{up}}\left(Z_{i,t_n}\right)P\left(Z_{i,t_n}\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{up}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}---\left(5\right)$

式(5)中：

m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；

为第i个径流集合预报情景下预见期末时段t_n的水库水位；

表示调度末水库水位为的概率；

为以水库水位起调、恰好水库上游发生防洪风险事件的洪水频率，可通过水库调洪演算获得。

水库上游的总防洪风险率R_up为：

$R_{\mathrm{up}}=\frac{\underset{i=1,i\∈T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(Z_{i,t}>Z_c,\∀t=t_1,t_2,\·\·\·,t_n)+\underset{i=1,i\∉T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{up}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}---\left(6\right)$

式(6)中：

T表示水库防洪风险事件发生在预报时段内的径流集合预报情景集合。

计算的防洪风险率具有年尺度，与防洪标准相关联，可用水库原有的防洪标准作为水库水位阈值或水库出库流量阈值。本发明预测的水库防洪风险率可用来评价或优化水库防洪调度决策，例如，可将预测获取的水库防洪风险率与水库当前可接受防洪风险率水平相比较，从而评价水库防洪调度方案的可行性。

Claims (6)

1.基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，用于预测水库下游防洪风险率，其特征在于，包括步骤：

步骤1，采用基于多种预报方案获得的径流集合预报成果获得若干组径流预报过程；

步骤2，设置水库出库流量阈值，并定义水库防洪风险事件，所述的水库防洪风险事件包括水库出库流量大于水库出库流量阈值的事件；

步骤3，基于径流预报过程、水库出库流量阈值和当前水库防洪调度方案预测水库下游防洪风险率，包括：

(1)预测预见期内水库下游防洪风险率R_1,down：

$R_{1,\mathrm{down}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(R_{i,t}>Q_c,\∀,t=t_1,t_2,...,t_n)}{m}$

其中，Q_c为水库出库流量阈值；m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；R_i,t为第i个径流集合预报情景下时段t的水库出库流量；#(R_i,t＞Q_c)表示水库下游是否出现防洪风险事件，所述的防洪风险事件指第i个径流集合预报情景下时段t的水库出库流量R_i,t大于水库出库流量阈值Q_c的事件；

(2)预测余留期水库下游防洪风险率R_2,down：

$R_{2,\mathrm{down}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{down}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}$

其中，m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；Z_i,tn为第i个径流集合预报情景下预见期末时段t_n的水库水位；R_down(Z_i,tn)为以水库水位Z_i,tn起调、恰好水库下游发生防洪风险事件的洪水频率，通过水库调洪演算获得；

(3)预测水库下游总防洪风险率R_down：

$R_{\mathrm{down}}=\frac{\underset{i=1,i\∈T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(R_{i,t}>Q_c,\∀t=t_1,t_2,...,t_n)+\underset{i=1,i\∉T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{down}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}$

其中，T表示水库防洪风险事件发生在预报时段内的径流集合预报情景集合。

2.如权利要求1所述的基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，其特征在于：

所述的水库出库流量阈值为水库已有的阈值标准。

3.基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，用于预测水库上游防洪风险率，其特征在于，包括步骤：

步骤1，采用基于多种预报方案获得的径流集合预报成果获得若干组径流预报过程；

步骤2，设置水库水位阈值，并定义水库防洪风险事件，所述的水库防洪风险事件包括水库水位高于水库水位阈值的事件；

步骤3，基于径流预报过程、水库水位阈值和当前水库防洪调度方案预测水库上游防洪风险率，包括：

(1)在下游安全的前提下，预测预见期内水库上游防洪风险率R_1,up：

$R_{1,\mathrm{up}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(Z_{i,t}>Z_c,\∀,t=t_1,t_2,...,t_n)}{m}$

其中，m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；Z_c为水库水位阈值；Z_i,t为第i个径流集合预报情景下时段t的水库水位；#(Z_i,t＞Z_c)表示水库上游是否出现防洪风险事件，所述的防洪风险事件指第i个径流集合预报情景下时段t的水库水位Z_i,t大于水库水位阈值Z_c的事件；

(2)预测余留期水库上游防洪风险率R_2,up：

$R_{2,\mathrm{up}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{up}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}$

其中，m为径流集合预报的情景个数，即步骤1获得的径流预报过程的组数；Z_i,tn为第i个径流集合预报情景下预见期末时段t_n的水库水位；R_up(Z_i,tn)为以水库水位Z_i,tn起调、恰好水库上游发生防洪风险事件的洪水频率，通过水库调洪演算获得R_up(Z_i,tn)；

(3)预测水库上游总防洪风险率R_up：

$R_{\mathrm{up}}=\frac{\underset{i=1,i\∈T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\#(Z_{i,t}>Z_c,\∀,t=t_1,t_2,...,t_n)+\underset{i=1,i\∉T}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{up}}\left(Z_{i,t_n}\right)}{m}$

其中，T表示水库防洪风险事件发生在预报时段内的径流集合预报情景集合。

4.如权利要求3所述的基于径流集合预报的水库防洪风险率预测方法，其特征在于：

所述的水库水位阈值为水库已有的阈值标准。

5.一种水库防洪调度方案评价方法，其特征在于：

采用权利要求1和/或权利要求3预测的水库防洪风险率评价当前水库防洪调度方案。

6.如权利要求5所述的水库防洪调度方案评价方法，其特征在于：

所述的采用权利要求1和/或权利要求3预测的水库防洪风险率评价当前水库防洪调度方案，具体为：

将权利要求1和/或权利要求3预测的水库防洪风险率与水库当前可接受防洪风险率比较，从而评价当前水库防洪调度方案。