CN104615845B

CN104615845B - 一种超临界洪水风险分析方法

Info

Publication number: CN104615845B
Application number: CN201410805324.2A
Authority: CN
Inventors: 李勋贵; 魏霞; 张律吕
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-12-26
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104615845A

Abstract

一种超临界洪水风险分析方法，包括：步骤一：确定不同工程非工程措施水量侧的超临界洪水量；步骤二：确定不同工程非工程措施水质侧的超临界洪水量；步骤三：确定耦合水量侧‑水质侧的不同工程非工程措施的超临界洪水量；步骤四：构建不同工程非工程措施(水量侧)、不同水质(水质侧)的超临界洪水风险模糊隶属度函数，从而获得耦合水量侧‑水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数；以及步骤五：结合Pearsion‑III型分布理论与信息熵理论，提出综合考虑不同工程非工程措施、不同水质差异、多变量的超临界洪水风险度量，确定超临界洪水风险。该方法适用性更强，简单易操作，条理清楚，计算效率高、精度高，计算成果更全面、更科学。

Description

一种超临界洪水风险分析方法

技术领域

本发明涉及洪水风险分析领域，尤其涉及一种超临界洪水风险分析方法。

背景技术

洪水灾害是全球最严重的自然灾害之一，全世界灾害损失的40％是由洪水造成的，我国因洪水所造成的财产损失居各类灾害之首，因此，揭示洪水风险灾害机理、减轻洪水灾害损失就成为水文学及水资源领域重要的研究课题。

超临界洪水是指超出了防洪工程的防洪-兴利联合运用能力但仍没有发生洪水灾害的那部分洪水，具有很高的洪水风险值。防洪-兴利联合运用指的是在防洪运用过程中，当且仅当洪水属可调控洪水时(洪水风险较低)，才涉及洪水资源的利用，故其不同于洪水资源化。另一方面，超临界洪水亦不同于传统的汛期难控制利用洪水，后者更多的涉及到洪水兴利运用中的调控能力。因此，超临界洪水除具有洪水资源化和汛期难控制利用洪水的内涵之外，还具有高灾害风险特性，是发生洪水灾害前的一种临界状态。故开展超临界洪水风险研究具有极其重要的理论价值与现实意义。

洪水资源化概念是我国一些学者和水管理者在对我国水资源短缺、水污染、生态环境问题深入认识的基础上于本世纪初提出来的。水利部于2003年将洪水资源利用列为重点调研课题，国家防办也成立了专题调研小组。目前国内对洪水资源化进行了许多不同层面的研究，总的来说，主要通过提高水库汛限水位的方法来实现洪水资源化，但汛限水位提高后，会直接提升水库的风险级别，如果操作不当，甚至会发生毁坝或决堤的灾难性事件。另一方面，直接对汛期难控制利用洪水量评价及其风险分析的研究较少，大都研究都仅限于地表水资源可利用量研究中，其计算方法大体有倒算法、洪水弃水系数法等，由于前者的计算结果较难于反映水资源可利用量的动态特征，在实际应用中多采用后者。但洪水弃水系数法仅考虑水质对洪水弃水的影响，没有考虑工程和非工程措施联合调控洪水的能力。同时，这些方法仅适用于低含沙河流，难以在高含沙河流应用。为此，近期有研究者提出适用于高含沙河流的分级最大值法来推求汛期难控制利用洪水量，但该方法侧重于洪水的利用而忽视洪水的灾害特性。目前应用于洪水资源化和汛期难控制利用洪水量分析的方法无法适用于超临界洪水分析领域，故当前超临界洪水量评价的研究鲜有报道，对其风险特性亦少有涉及。另外，目前对多变量洪水风险分析的研究，大多是通过风险变量的条件概率或联合分布的求解来获取，但多变量的条件概率或联合分布的求解异常困难，故在现实中少有对三变量以上问题的研究，这极其不利于洪水风险及其灾害机理的揭示与阐述。由于超临界洪水是洪水灾害发生前的一种临界状态，因此，开展不同工程非工程措施、不同水质差异、多变量的超临界洪水风险分析具有极其重要的现实意义与科学价值，其对于有效揭示洪水风险和洪水灾害机理具有极其重要的作用，也可为洪水资源化提供有力的技术支撑，故有必要寻求一种有效的超临界洪水量评价及其风险分析方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种超临界洪水风险分析的方法。它以防洪优化调度理论、信息熵和统计理论为基础，巧妙结合工程非工程措施对洪水的调控能力和洪水资源的开发利用程度，提出一种超临界洪水风险分析的方法。本发明首先基于工程-非工程措施(不同防洪工程及其防洪优化调度)对洪水的调控性能的差异，确定工程非工程措施水量侧的超临界洪水量；同时基于水质的差异对洪水开发利用的影响，确定工程非工程措施水质侧的超临界洪水量；进而把水量侧和水质侧相结合，确定工程非工程措施水量侧-水质侧的超临界洪水量；然后基于工程非工程措施以及水质的差异性对超临界洪水的影响，建立耦合水量侧、水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数；最后结合Pearsion-III型分布理论与信息熵理论，提出综合考虑不同工程非工程措施、不同水质差异、多变量的超临界洪水风险度量，分析超临界洪水风险。

为解决上述问题，本发明采取以下技术方案：

一种超临界洪水风险分析的方法，它适用于不同工程非工程措施、不同水质差异、多变量的超临界洪水风险的分析计算，该方法具体步骤如下：

步骤一：确定工程非工程措施水量侧的超临界洪水量。从水量的角度来看，水库、堤坝等防洪工程对洪水的调控能力是不相同的，因此，它们导致的超临界洪水量不同。当水库有超临界洪水量下泄时，水库下游的洪水量由堤坝工程来承担，故在有水库的区域，防洪保护对象的防护功能由水库和堤坝共同完成，而在没有水库的区域，防护对象仅由堤坝工程来防保。

对于水库工程，基于水库的防洪优化调度方法，建立如下目标函数：

Min(V_ipr-V_ipp)² (1)

式中，V_ipr为第i水库对频率为p的洪水进行调度时所占用的防洪库容；V_ipp为水库i为满足防洪标准为p的防护对象所设置的防洪库容。

上述目标函数的约束条件为水库水量平衡约束、水库下泄流量约束、水库库容约束和非负约束。

当不满足该目标函数时，即可确定水库的超临界洪水量Q_hc。

对于堤坝工程，根据上游来水与堤坝水位之间的关系，采用下式确定堤坝工程的超临界洪水量系数w：

式中,H为堤坝工程实时来水所对应的洪水位；H₁、H₂、H₃为堤坝工程的不同水位级别特征值；f_e(H)为洪水位介于级别H₁<H<H₂的防洪工程系数函数。

从而堤坝工程的超临界洪水量Q_hc为：

Q_hc＝w×Q₀ (3)

式中，Q₀为上游来水或水库的出库流量。

步骤二：从水质的角度来看，水质的差异对洪水资源的开发利用存在着重要影响，从而会影响到洪水的时空分布，即存在水质侧的超临界洪水量。通过分析洪水利用与其水质之间的关系，确定洪水的利用系数β与洪水水质W_q的函数关系为β＝f(W_q)，则水质侧的超临界洪水量Q_hu通过下式确定：

Q_hu＝(Q₀-Q_hc)×(1-β) (4)

步骤三：根据不同工程非工程措施对洪水的调控作用(水量侧的超临界洪水量Q_hc)和水质对洪水开发利用的影响(水质侧的超临界洪水量Q_hu)，确定超临界洪水量Q_h：

Q_h＝Q_hc+Q_hu (5)

步骤四：构建耦合水量侧、水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数。由于工程非工程措施以及水质的差异均对超临界洪水量的出现存在着影响，故不同工程非工程措施、不同水质下的超临界洪水风险模糊隶属度函数是不相同的。提出水量侧、水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数，分别如下所示：

水量侧：

水质侧：

式中,μ_e为水量侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数；H为水库坝前水位或堤防工程实时来水所对应的洪水位；H₁、H₂、H₃为防洪工程的不同水位级别特征值；f_e(H)为防洪工程位于级别H₁<H<H₂的超临界洪水风险模糊隶属度函数；μ_q为水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数；W_q为洪水水质；W_q1为洪水水质的不同级别特征值；f_q(W_q)为洪水水质位于级别W_q≤W_q1的超临界洪水风险模糊隶属度函数。

根据上述的水量侧和水质侧超临界洪水风险模糊隶属度函数，提出以下耦合水量侧-水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数：

步骤五：结合Pearsion-III型分布理论与信息熵理论，提出综合考虑不同工程非工程措施、不同水质差异、多变量的超临界洪水风险度量R_k，用于分析超临界洪水的风险性质：

式中，R_ki为第i天(i＝1,2,…,n)的超临界洪水风险值，n为总天数；m为影响超临界洪水的因素(变量)个数；M为影响超临界洪水风险的变量个数；X_ij为第i天第j个超临界洪水变量值；f(X_ij)为X_ij的概率分布，由Pearsion-III型分布确定；p_ij为第i天、第j个超临界洪水风险变量的概率值，且对任何i，满足μ为耦合水量侧-水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数，由式(8)确定。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1.该方法考虑不同工程非工程措施、不同水质差异、多变量对超临界洪水的影响，给出对应的风险模糊隶属度函数，且确定了耦合的超临界洪水风险度量，解决了洪水风险多变量情况下的条件概率或联合分布难以求解的问题，提高了计算的效率。

2.该方法简单易操作，条理清楚，计算精度高，计算成果更全面、更科学，既考虑了不同工程非工程措施和水质对超临界洪水的影响，也考虑了各种因素(变量)对超临界洪水及其风险的影响。

3.该方法具有更好的适用性，既适用于单防洪工程的区域，也适用于多防洪工程组成的复杂区域，还适用于水质存在差异和影响的区域。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

图2为1988年巴家嘴水库工程及其下游堤坝工程的耦合水量侧-水质侧的超临界洪水量图。

图3为1981年刘家峡水库工程及其下游堤坝工程的耦合水量侧-水质侧的超临界洪水量图。

图4为1988年巴家嘴水库工程、1981年刘家峡水库工程及其下游堤坝工程超临界洪水风险值图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种超临界洪水风险分析方法，包括基于水量侧的超临界洪水量的确定、基于水质侧的超临界洪水量的确定、耦合水量侧-水质侧的超临界洪水量的确定、超临界洪水风险模糊隶属度函数的构建以及超临界洪水风险的分析共五部分。

以已建立的基于水量侧的防洪工程对洪水的优化调度方法和基于水质侧的洪水水质对洪水开发利用的定量分析法为例，本发明的具体实施按照以下步骤进行：

步骤一：确定工程非工程措施水量侧的超临界洪水量。对于水库工程，基于水库的防洪优化调度方法，建立如下目标函数：

Min(V_ipr-V_ipp)² (1)

当不满足该目标函数时，即可确定水库的超临界洪水量Q_hc。

式中,H为堤坝工程实时来水所对应的洪水位；H₁、H₂、H₃为堤坝工程的不同水位级别特征值；b为参数，量纲为m。H₁取为安全行洪水位H_s(取为汛期平均洪水位)，H₂取为堤坝设计防洪标准p_d所对应的设计洪水位H_pd与堤坝坝顶高程H_d减去安全加高Δh之差的最小值，即H₂＝min[H_pd,(H_d-Δh)]，H₃为坝顶高程H_d，b可取值为0.6×(H₂-H₁)。

从而堤坝工程的超临界洪水量Q_hc为：

Q_hc＝w×Q₀ (3)

式中，Q₀为上游来水或水库的出库流量。

步骤二：从水质的角度，通过分析洪水利用与其水质之间的关系，基于洪水水质对洪水开发利用的定量分析法确定洪水的利用系数β与洪水水质W_q的函数关系为：

式中，W_q为实时洪水水质；W_q1为洪水利用的最大水质值。

当河流发生洪水现象时，洪水的泥沙含量值一般较大，且该泥沙含量对洪水的开发利用存在较大影响，故水质方面仅考虑径流泥沙含量的影响，W_q1取为10％的径流泥沙含量。

故水质侧的超临界洪水量Q_hu通过下式确定：

Q_hu＝(Q₀-Q_hc)×(1-β) (5)

步骤三：根据不同工程非工程措施对洪水的调控作用(水量侧的超临界洪水量Q_hc)和水质对洪水开发利用的影响(水质侧的超临界洪水量Q_hu)，确定超临界洪水量Q_h为：

Q_h＝Q_hc+Q_hu (6)

步骤四：构建耦合水量侧、水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数。由于不同的工程非工程措施以及水质的差异均对超临界洪水量的出现存在着影响，故不同工程非工程措施、不同水质下的超临界洪水风险模糊隶属度函数是不相同的。提出水量侧、水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数，分别如下所示：

水量侧：

水质侧：

式中,μ_e为水量侧的风险模糊隶属度函数；H为水库坝前水位或堤防工程实时来水所对应的洪水位；H₁、H₂、H₃为不同防洪工程的水位级别特征值；W_q为实时洪水水质；W_q1为洪水水质分级值，取为10％的径流泥沙含量；b为参数，量纲为m。

对于水库工程，H₁确定为汛限水位，H₂确定为防洪高水位，H₃确定为校核洪水位，b取值为0.6×(H₂-H₁)。

对于堤坝工程，参数的取值同式(2)。

根据上述水量侧和水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数，提出以下耦合水量侧-水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数：

式中，R_ki为第i天(i＝1,2,…,n)的超临界洪水风险值，n为总天数；m为影响超临界洪水的变量个数(根据超临界洪水量的内涵、计算原理及资料收集的情况，变量个数取为降水量、天径流量、径流含沙量共3个)；M为影响超临界洪水风险的变量个数(取为超临界洪水量及其影响因素，即M＝1+3＝4)；X_ij为的第i天第j个影响超临界洪水的变量值；f(X_ij)为变量X_ij的概率分布，由Pearsion-III型分布确定；p_ij为第i天、第j个超临界洪水风险变量的概率值，且对任何i，满足μ为耦合水量侧-水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数，由式(9)确定。

实施案例

按照上述方法分析不同工程非工程措施、不同水质差异、多变量的超临界洪水风险。本发明分别以黄河上游的刘家峡水库1981年入库洪水和泾河流域巴家嘴水库1988年入库洪水为典型入库过程，以水库工程及其下游水文控制断面的堤防工程所组成的防洪系统为研究对象，以水库来水量、径流含沙量和水库控制流域的降水量为超临界洪水的影响因素，求出水库工程及其下游堤防工程水量侧、水质侧的超临界洪水量和耦合超临界洪水量，获得耦合水量侧-水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数，确定超临界洪水风险值。

其结果，分别见图2、图3、图4。

图1为本发明方法的流程框图。

从上述实例可以看出，本发明提供的一种新的超临界洪水风险分析方法，可以分析不同工程非工程措施组合、不同水质差异以及多变量影响的超临界洪水风险性质，对于开展洪水风险灾害的预报和模拟、洪水资源的开发利用研究具有重大的现实意义。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种超临界洪水风险分析方法，包括以下步骤：

步骤一：确定不同工程非工程措施水量侧的超临界洪水量；

步骤二：确定不同工程非工程措施水质侧的超临界洪水量；

步骤三：确定耦合水量侧-水质侧的不同工程非工程措施的超临界洪水量；

步骤四：构建不同工程非工程措施和不同水质的超临界洪水风险模糊隶属度函数，从而获得耦合水量侧-水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数；以及

步骤五：结合Pearson-III型分布理论与信息熵理论，提出综合考虑不同工程非工程措施、不同水质差异和多变量的超临界洪水风险度量，确定超临界洪水风险；

步骤一中：确定工程非工程措施水量侧的超临界洪水量，从水量的角度来看，水库和堤坝对洪水的调控能力是不相同的，因此，它们导致的超临界洪水量不同；当水库有超临界洪水量下泄时，水库下游的洪水量由堤坝工程来承担，故在有水库的区域，防洪保护对象的防护功能由水库和堤坝共同完成，而在没有水库的区域，防护对象仅由堤坝工程来防保；

min(V_ipr-V_ipp)² (1)

式中，V_ipr为第i水库对频率为p的洪水进行调度时所占用的防洪库容；V_ipp为水库i为满足防洪标准为p的防护对象所设置的防洪库容；

上述目标函数的约束条件为水库水量平衡约束、水库下泄流量约束、水库库容约束和非负约束；

当不满足该目标函数时，即可确定水库的超临界洪水量Q_hc；

式(2)中，H为堤坝工程实时来水所对应的洪水位；H₁、H₂、H₃为堤坝工程的不同水位级别特征值；f_e(H)为洪水位介于级别H₁<H<H₂的防洪工程系数函数；

从而堤坝工程的超临界洪水量Q_hc为：

Q_hc＝w×Q₀ (3)

式(3)中，Q₀为上游来水或水库的出库流量；

步骤二中：从水质的角度来看，水质的差异对洪水资源的开发利用存在着重要影响，从而会影响到洪水的时空分布，即存在水质侧的超临界洪水量，通过分析洪水利用与其水质之间的关系，确定洪水的利用系数β与洪水水质W_q的函数关系为β＝f(W_q)，则水质侧的超临界洪水量Q_hu通过下式确定：

Q_hu＝(Q₀-Q_hc)×(1-β)； (4)

步骤三中：根据不同工程非工程措施对洪水的调控作用和水质对洪水开发利用的影响，确定超临界洪水量Q_h：

Q_h＝Q_hc+Q_hu； (5)

步骤四中：构建耦合水量侧、水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数；由于工程非工程措施以及水质的差异均对超临界洪水量的出现存在着影响，故不同工程非工程措施和不同水质下的超临界洪水风险模糊隶属度函数是不相同的；提出水量侧和水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数，分别如下所示：

水量侧：

水质侧：

式(6)和(7)中，μ_e为水量侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数；H为水库坝前水位或堤防工程实时来水所对应的洪水位；H₁、H₂、H₃为防洪工程的不同水位级别特征值；f_e(H)为防洪工程位于级别H₁<H<H₂的超临界洪水风险模糊隶属度函数；μ_q为水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数；W_q为洪水水质；W_q1为洪水水质的不同级别特征值；f_q(W_q)为洪水水质位于级别W_q≤W_q1的超临界洪水风险模糊隶属度函数；

2.根据权利要求1所述的超临界洪水风险分析方法，其特征在于步骤五中：结合Pearson-III型分布理论与信息熵理论，提出综合考虑不同工程非工程措施、不同水质差异和多变量的超临界洪水风险度量R_k，用于分析超临界洪水的风险性质：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mo>&lsqb;</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> <mi>&mu;</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式(9)中，R_ki为第i天的超临界洪水风险值，i＝1,2,…,n，n为总天数；m为影响超临界洪水的因素个数；M为影响超临界洪水风险的变量个数；X_ij为第i天第j个超临界洪水变量值；f(X_ij)为X_ij的概率分布，由Pearson-III型分布确定；p_ij为第i天和第j个超临界洪水风险变量的概率值，且对任何i，满足μ为耦合水量侧-水质侧的超临界洪水风险模糊隶属度函数，由式(8)确定。