CN109118073A - 一种水库洪水资源利用风险决策方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水库洪水资源利用风险决策方法，属于水库洪水资源利用技术领域。其包括以下步骤：步骤1，获取待研究水库的基本信息；步骤2：基于调整水库汛限水位，构建水库洪水资源利用风险决策模型；步骤3：采用层次分析法识别水库洪水资源利用的风险因子，确定主要风险因子；步骤4：采用概率论与数理统计方法计算各风险指标的风险率，并求出综合风险率；步骤5：基于C‑D生产函数法与能值法计算风险效益；步骤6：基于洪水淹没面积与单位面积损失法计算风险损失；步骤7：用约束法求解风险决策模型；步骤8：确定水库洪水资源利用最佳均衡汛限水位调整方案。本发明为安全利用洪水资源提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于水库洪水资源利用技术领域，涉及一种水库洪水资源利用风险决策方法。
背景技术
随着我国经济的飞速发展与人口的快速增长，水资源供需矛盾进一步加剧，各种水问题突出。长期以来，人们总是把洪水和灾害联系在一起，然而洪水具有淡水资源属性，利用现代科技手段突破设计中的部分防洪调度参数和规则，优化水库调度，就能够缓解当前的水资源短缺问题。洪水资源作为非常规水资源，在利用洪水资源产生社会经济效益的同时，也存在风险。水库汛限水位调整是洪水资源利用的一种有效措施，如何确定水库汛限水位是水库洪水资源利用的关键问题。抬高汛限水位会使水库蓄水量增加，把无益的弃水变为可利用的蓄水，这减少了防洪库容，必然会引起一系列的风险，对库区淹没带来较大经济损失。因此，必须全面的处理防洪与兴利的关系，通过风险决策研究来确定能否安全合理的利用洪水资源，做到最大限度的趋利避害。
发明内容
本发明的目的为解决现有技术存在的不足，提供一种水库洪水资源利用风险决策方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明所采用的技术方案是：一种水库洪水资源利用风险决策方法，按照以下步骤进行：
步骤1：获取待研究区水库洪水资源利用基本资料，包括：水库特征水位、水库历史洪水资料、水资源公报、统计年鉴；
步骤2：基于调整水库汛限水位，构建水库洪水资源利用风险决策模型；
步骤3：识别水库洪水资源利用风险，采用层次分析法识别洪水资源利用的风险因子，确定主要风险因子；
步骤4：采用概率论与数理统计方法计算各风险指标的风险率，并求出综合风险率；
步骤5：基于C-D生产函数法与能值法计算风险效益；
步骤6：基于洪水淹没面积与单位面积损失法计算风险损失；
步骤7：用约束法求解风险决策模型；
步骤8：确定水库洪水资源利用最佳均衡汛限水位调整方案。
在上述步骤中，所述步骤2的水库洪水资源利用风险决策模型为：
(1)风险率最小目标：
(2)风险效益最大目标：
(3)风险损失最小目标：
式中，f1为风险率最小目标；wj为不同风险因子的权重值；Rj(Hi)为汛限水位为Hi时的风险率值；k为风险因子个数；f2为风险效益最大目标；Bj(Hi)为汛限水位为Hi时洪水资源利用效益值；m为蓄水效益的项数；f3为风险损失最小目标；Lj(Hi)为汛限水位为Hi时风险损失值；n为风险损失的项数。
在上述步骤中，所述步骤3的水库洪水资源利用主要风险因子包括：超设计标准水位的大坝安全风险与超河道安全泄量的风险。
在上述步骤中，所述步骤4的综合风险率是大坝安全风险率与超河道安全泄量的风险率的加权求和。
进一步地，所述大坝安全风险率是指抬高汛限水位后库水位超过设计标准水位Zd的概率，可根据历史洪水资料进行统计计算，计算公式为：
式中，R1(Hi)为汛限水位为Hi时超过设计标准水位的风险率；N为洪水样本总数；n为库水位超过Zd的洪水次数。
进一步地，所述超河道安全泄量的风险率采用模糊数学方法求解，用流量区间来衡量下泄流量对沿岸的威胁程度，结合风险隶属度得到超河道安全泄量风险率，计算公式为：
式中，R2(Hi)为汛限水位为Hi时下泄流量超过安全泄量的风险率；μA(Vi)为下泄流量对不同区间Vi的隶属度，p(Vi)为下泄流量在不同区间Vi的概率。
在上述步骤中，所述步骤5的风险效益包括：采用C-D生产函数法计算工业供水效益、能值分析法计算农业供水效益、能值水价法计算生活供水效益。
在上述步骤中，所述步骤6的风险损失是指大坝安全风险损失与超河道安全泄量的损失的总和。
有益效果
(1)本发明通过调整水库汛限水位，基于洪水资源利用的风险率最小、风险效益最大和风险损失最小原则，构建水库洪水资源利用多目标风险决策模型，并提出风险率、风险效益和风险损失的具体计算方法，为安全利用洪水资源提供理论依据；
(2)本发明提出了大坝安全风险率与超河道安全泄量的风险率的计算方法；
(3)本发明采用C-D生产函数法和能值法计算风险效益，能够更加全面量化洪水资源效益；
(4)本发明提出了风险损失的计算方法，可操作性强；
(5)本发明水库洪水资源风险决策方法，一套完整的风险管理决策体系，具有较好的推广价值，为我国洪水资源利用风险决策与管理提供重要参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种水库洪水资源利用风险决策方法技术路线图；
图2为本发明实例石梁河水库上游来水P-Ⅲ水文频率曲线；
图3为本发明实例的综合风险效益随风险率变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种水库洪水资源利用风险决策方法，基于洪水资源利用风险率最小、风险效益最大和风险损失最小的原则，构建了水库洪水资源利用多目标风险决策模型，该模型采用概率论与数理统计法计算风险率，C-D生产函数法与能值法计算风险效益，洪水淹没面积与单位面积损失法计算风险损失，用约束法求解模型的多目标决策问题。
实施例
下面以具体实例对本发明加以说明。
步骤一、获取待研究区水库洪水资源利用基本资料。
待研究区水库洪水资源利用基本资料，包括：水库特征水位、水库历史洪水资料、水资源公报、统计年鉴。
步骤二、基于调整水库汛限水位，构建水库洪水资源利用风险决策模型。
本发明构建的水库洪水资源利用风险决策模型为：
(1)风险率最小目标：
(2)风险效益最大目标：
(3)风险损失最小目标：
式中，f1为风险率最小目标；wj为不同风险因子的权重值；Rj(Hi)为汛限水位为Hi时的风险率值；k为风险因子个数；f2为风险效益最大目标；Bj(Hi)为汛限水位为Hi时洪水资源利用效益值；m为蓄水效益的项数；f3为风险损失最小目标；Lj(Hi)为汛限水位为Hi时风险损失值；n为风险损失的项数。
步骤三、识别水库洪水资源利用风险，采用层次分析法识别洪水资源利用的风险因子，确定主要风险因子。
洪水资源利用的风险因素众多，本发明研究因抬高水库汛限水位引起的风险，识别出的主要风险是：超设计标准水位的大坝安全风险与超河道安全泄量风险。
步骤四、采用概率论与数理统计方法计算各风险指标的风险率，并求出综合风险率。
(1)超设计标准水位的大坝安全风险率计算
大坝安全风险率是指抬高汛限水位后库水位超过设计标准水位Zd的概率。由于大坝安全失事概率密度函数难以确定，大坝安全风险率可根据历史洪水资料进行统计计算，计算公式为：
式中，R1(Hi)为汛限水位为Hi时超过设计标准水位的风险率；N为洪水样本总数；n为库水位超过Zd的洪水次数。
(2)超河道安全泄量风险率计算
下泄流量大于安全泄量时会给沿岸带来危险。基于模糊数学方法，用流量区间来衡量下泄流量对沿岸的威胁程度，结合风险隶属度得到超河道安全泄量风险率，计算公式为：
式中，R2(Hi)为汛限水位为Hi时下泄流量超过安全泄量的风险率；μA(Vi)为下泄流量对不同区间Vi的隶属度，p(Vi)为下泄流量在不同区间Vi的概率。
本发明以江苏省连云港市石梁河水库为研究实例。石梁河水库达到的最高库水位是26.82m，设计洪水位是26.81m，偏安全考虑，取水库的设计洪水位作为Zd值。对石梁河水库50年上游来水情况进行统计，制成P-Ⅲ水文频率曲线，见图1。不同汛限水位对应的大坝安全风险率见表1。
以下泄流量不超过新沭河安全泄量为标准，考虑下游河道淤积情况，河道安全泄流量取2000m3/s。将水库汛期下泄流量值分为4个区间：(0，800)，(800，1400)，(1400，2000)，(2000，∞)。通过调洪演算，计算出下泄流量隶属于不同区间的概率，再结合4个区间的洪水资源利用风险隶属度，可以得到超河道安全泄量风险率，见表1。
不同风险项的重要性程度和造成的影响不同，本文通过专家打分求出风险项的权重值，结合各风险因子的风险率得到综合风险率，见表1。
表1石梁河水库洪水资源利用超河道安全泄量风险率计算表
步骤五、基于C-D生产函数法与能值法计算风险效益。风险效益包括：采用C-D生产函数法计算工业供水效益、能值分析法计算农业供水效益、能值水价法计算生活供水效益。具体如下：
(1)C-D生产函数法计算工业供水效益
采用经济学理论中的柯布-道格拉斯(C-D)生产函数法计算工业供水效益，该方法考虑了非水要素的投入回报，可以得到更精确的计算结果。计算公式为：
式中，E工为工业供水效益，单位：元；QG为工业总产值，单位：元；W工为分配给工业的洪水资源量，单位：m3；WG为工业总用水量，单位：m3；α为工业固定资产弹性；β为工业劳动力弹性；λ为工业用水弹性。
(2)能值分析法计算农业供水效益
从能值的角度考虑农业生产系统的投入与产出以求出农业灌溉效益分摊系数，根据分配给农业的洪水资源量和效益分摊系数计算农业供水效益。计算公式为：
式中，E农为农业供水效益，单位：元；IA为农业效益增加值，单位：元；WA为农业用水总量，单位：m3；ε为农业灌溉效益分摊系数；W农为分配给农业的洪水资源量，单位：m3；η为灌溉水利用系数。
(3)能值水价法计算生活供水效益
基于能值价值理论计算水价能够更加全面量化洪水资源对生活供水的效益。用能值转换率计算可得到所有的生活供水能值投入，将能值投入以货币的形式表达，即可得到水价。计算公式为：
E生＝(Pzy+Pgc+Phj)·W生 (8)
式中，E生为生活供水效益，单位：元；Pzy为资源水价，单位：元/m3；Pgc为工程水价，单位：元/m3；Phj为环境水价，单位：元/m3；W生为分配给生活的洪水资源量，单位：m3。
通过计算，连云港市工业用水单方效益为2.63元/m3，农业用水单方效益为0.11元/m3，生活用水水价为6.05元/m3，该地区在洪水资源利用增蓄水量分配中农业占66％、工业30％、城镇生活4％，不同的汛限水位对应的风险效益见表2。
表2石梁河水库洪水资源利用风险效益计算表
步骤六、基于洪水淹没面积与单位面积损失法计算风险损失。
本发明中淹没风险率和淹没损失的乘积作为风险损失，大坝安全风险损失与超河道安全泄量的损失之和作为总的风险损失，计算公式为：
L(Hi)＝R1(Hi)×L1+R2(Hi)×L2 (9)
式中，L(Hi)为汛限水位为Hi时的风险损失，元；R1(Hi)、R2(Hi)分别为汛限水位为Hi时的大坝安全风险率、超河道安全泄量风险率；L1为大坝安全损失，元；L2为超河道安全泄量损失，元；由单位面积直接损失β，元/km2、淹没面积A，km2、间接损失系数k、抗洪抢险救灾费用Cp，元，确定L1、L2的值。
大坝安全风险损失超和河道安全泄量风险损失的间接损失系数均取0.25，结合连云港地区的实际情况，风险损失计算结果见表3。
表3石梁河水库洪水资源利用风险损失计算表
步骤七、用约束法求解风险决策模型。
本发明的风险决策为多目标决策问题，采用约束法求解。具体方法是将风险效益目标和风险损失目标的线性组合值作为洪水资源利用的综合风险效益目标，把风险率目标转化为约束条件，从而将多目标问题转化为单目标求解。约束法的表达式为：
式中，F为约束化处理后的目标函数；x是决策变量；X为约束集；ε为f1的目标约束值。
由风险效益和风险损失的计算结果可以得到石梁河水库洪水资源利用的综合效益，计算结果表见表4，变化趋势见图3。
表4石梁河水库洪水资源利用计算结果表
用约束法来求解模型，以综合效益为目标，以风险率为约束条件，即f1≤ε，在综合风险效益为正的前提下，由图2可知0.0244≤ε≤0.0777，本文ε的取值数目为3，分别是ε＝0.0244，0.0459，0.0777，可得出三个非劣解，具体指标值见表5。三个方案的汛限水位分别是：23.7m，24.4m，24.9m，综合风险效益分别是：81.08万元，3575.72万元，5353.89万元。
表5石梁河水库风险决策方案对照表
步骤八、确定水库洪水资源利用最佳均衡汛限水位调整方案。
方案3的综合风险效益最大，从经济性的单目标决策角度考虑，方案3是最优解。对于多目标决策问题，方案的选择需根据实际情况的综合效用来进行。结合石梁河水库的实际情况，认为水库洪水资源利用风险率处于5％以下时，风险是可控的。图3为本发明实例的综合风险效益随风险率变化曲线。表4中的综合风险率结果表明，汛限水位的调整范围为23.5m～24.4m时，风险率较小，方案1与方案2可行。当洪水资源利用风险率超过5％时，风险率偏大，虽然方案3获得的综合效益最大，从偏安全角度考虑，应舍弃方案3。因此，在风险率可控的范围内，选择综合效益最大的决策方案。所以方案2是最佳方案，将石梁河水库汛限水位从23.5m增加到24.4m是可行的。综上所述，方案2是多目标风险决策模型的最佳均衡解。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种水库洪水资源利用风险决策方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：获取待研究区水库洪水资源利用基本资料，包括：水库特征水位、水库历史洪水资料、水资源公报、统计年鉴；
步骤2：基于调整水库汛限水位，构建水库洪水资源利用风险决策模型；
步骤3：识别水库洪水资源利用风险，采用层次分析法识别洪水资源利用的风险因子，确定主要风险因子；
步骤4：采用概率论与数理统计方法计算各风险指标的风险率，并求出综合风险率；
步骤5：基于C-D生产函数法与能值法计算风险效益；
步骤6：基于洪水淹没面积与单位面积损失法计算风险损失；
步骤7：用约束法求解风险决策模型；
步骤8：确定水库洪水资源利用最佳均衡汛限水位调整方案。
2.根据权利要求1所述的水库洪水资源利用风险决策方法，其特征在于，所述步骤2的水库洪水资源利用风险决策模型为：
(1)风险率最小目标：
(2)风险效益最大目标：
(3)风险损失最小目标：
式中，f1为风险率最小目标；wj为不同风险因子的权重值；Rj(Hi)为汛限水位为Hi时的风险率值；k为风险因子个数；
f2为风险效益最大目标；Bj(Hi)为汛限水位为Hi时洪水资源利用效益值；m为蓄水效益的项数；
f3为风险损失最小目标；Lj(Hi)为汛限水位为Hi时风险损失值；n为风险损失的项数。
3.根据权利要求1所述的水库洪水资源利用风险决策方法，其特征在于，所述步骤3的水库洪水资源利用主要风险因子包括：超设计标准水位的大坝安全风险与超河道安全泄量的风险。
4.根据权利要求1所述的水库洪水资源利用风险决策方法，其特征在于，所述步骤4的综合风险率是大坝安全风险率与超河道安全泄量的风险率的加权求和。
5.根据权利要求4所述的水库洪水资源利用风险决策方法，其特征在于，所述大坝安全风险率是指抬高汛限水位后库水位超过设计标准水位Zd的概率，可根据历史洪水资料进行统计计算，计算公式为：
式中，R1(Hi)为汛限水位为Hi时超过设计标准水位的风险率；N为洪水样本总数；n为库水位超过Zd的洪水次数。
6.根据权利要求4所述的水库洪水资源利用风险决策方法，其特征在于，所述超河道安全泄量风险率采用模糊数学方法求解，用流量区间来衡量下泄流量对沿岸的威胁程度，结合风险隶属度得到超河道安全泄量风险率，计算公式为：
式中，R2(Hi)为汛限水位为Hi时下泄流量超过安全泄量的风险率；μA(Vi)为下泄流量对不同区间Vi的隶属度，p(Vi)为下泄流量在不同区间Vi的概率。
7.根据权利要求1所述的水库洪水资源利用风险决策方法，其特征在于，所述步骤5的风险效益计算具体包括：采用C-D生产函数法计算工业供水效益、能值分析法计算农业供水效益、能值水价法计算生活供水效益。
8.根据权利要求1所述的水库洪水资源利用风险决策方法，其特征在于，所述步骤6的风险损失是指大坝安全风险损失与超河道安全泄量的损失的总和。
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| CN107992989A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-05-04 | 河海大学 | 一种水库群洪水资源化预蓄预泄风险决策方法 |
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2018
- 2018-08-01 CN CN201810869545.4A patent/CN109118073B/zh active Active
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| CN114169688A (zh) * | 2021-11-12 | 2022-03-11 | 华中科技大学 | 一种水库洪水资源化利用风险控制方法及系统 |
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