三峡水库动态汛限水位洪水调度风险指标及综合评价模型研究

第15卷第3期2004年5月　　

水科学进展

ADVANCESINWATERSCIENCE

Vol.15,No.3　May,2004　

三峡水库动态汛限水位洪水调度风险

指标及综合评价模型研究

王才君,郭生练,刘　攀,周　芬,熊立华

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉　430072)

摘要:汛限水位是综合利用水库运行和调度的重要参数之一,也是协调防洪和兴利矛盾的焦点所在。现行的汛限水位过多地考虑了小概率洪水事件,不能充分挖掘水库汛期的兴利效益,因此,采用动态汛限水位进行调度,对综合利用水库的运行具有重要的理论意义和实用价值。根据三峡水库围堰发电期的调度规程,建立预报预泄调度模型,采用宜昌站1882-2001年汛期实测日流量资料,实现了考虑预报信息的动态汛限水位洪水调度模拟;提出了多目标风险指标体系;计算了9种动态汛限水位方案下的风险指标值,通过综合评价模型对各方案进行比较和优选,得到了相对合理的动态汛限水位方案。

关　键　词:三峡水库;动态汛限水位;洪水调度;风险分析;综合评价模型

中图分类号:TV697.1　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-6791(2004)03-0376-06

在围堰发电期(2003-2006年),三峡水利枢纽的主要任务是保证工程安全,逐步发挥发电、航运效益;在长江发生大洪水的非常情况下,按照防洪调度应急预案发挥滞洪错峰作用。从防洪角度看,汛限水位越低,防洪效益越大,但发电、航运等效益越小,因此,汛限水位将是协调三峡水库防洪和兴利矛盾的焦点。

过去,信息采集手段落后,水文预报精度低,为了调蓄可能发生的洪水,尽可能减少洪灾损失,通常在汛

期到来时将水位下降至固定的(或者分期的)汛限水位。这种调度方式过多地考虑了小概率洪水事件,减小了汛期的兴利效益,并可能导致汛末水库“蓄不满”现象(尤其是北方水库)。调度中采用合理的动态汛限水位,可以进一步挖掘水库防洪和兴利能力。水情自动测报和水库洪水调度系统软件的推广和应用,为动态汛限水位洪水调度提供了条件。

20世纪60年代以来,以线性规划、动态规划和非线性规划为代表的数学规划技术从理论上解决了综合利用水库的优化调度问题[1],但由于不确定性因素(如入库流量的不确定性、调度模型的不确定性等)的影响和算法的复杂性,数学规划技术在实际作业调度中的应用尚待进一步探讨,风险(不确定性)分析技术和实时优

[3]

化调度成了解决水库运行调度问题的重要手段。与数学规划技术相比,模拟技术无法从理论上求得全局最优解,但模拟是一种更灵活、更通用的建模技术,只要给定水库调度规则和符合可靠性、一致性和代表性要求的流量资料,结合一定的评价标准,通过综合评价模型,也可用于多方案优选[1,2]。

本文以三峡水库为背景,建立了考虑入库流量预报信息的动态汛限水位洪水调度模型,采用宜昌站120年汛期日流量资料,对9种动态汛限水位方案进行调度模拟,并通过风险综合评价,得到三峡水库围堰发电期相对合理的动态汛限水位。

[1,2]

收稿日期:2003-01-17;修订日期:2003-04-30

基金项目:水利部重大科研资助项目;湖北省自然科学基金资助项目(2002AB009)作者简介:王才君(1976-),男,浙江天台人,武汉大学博士研究生,主要从事水资源综合开发利用及风险研究。

　第3期王才君等:三峡水库动态汛限水位洪水调度风险指标及综合评价模型研究

377

1　调度规程①和模型

三峡水利枢纽围堰发电期防洪调度的主要任务是确保工程及施工安全。考虑到水库调度实时变化的必要性,根据预报沙市水位情况,分为两种调度方式:①当沙市水位不超过规划防御水位45.0m时,采用正常调度方式。该方式下,原则上水位维持在135.0m运行,并允许在134.9～135.4m范围内波动。当长江上游来水小于库水位135.0m相应的枢纽总泄流能力时,按泄量基本等于来量控制泄洪;当长江上游来水量大于库水位135.0m相应的枢纽总泄洪能力时,则敞开全部泄洪设施泄洪。②当沙市水位超过规划防御水位45.0m时,采用非正常调度方式,即根据实际需要,适当利用超蓄库容起到滞洪调峰作用。2003年和2004年汛期,三峡水库只能实行预泄方式,最低水位为133.0m,2005年和2006年可实行预泄以及超蓄方式,2005年的超蓄水位为137.0m,2006年为138.0m。水库为荆江河段滞洪错峰的蓄洪最高水位不得超过规定的超蓄水位,如水库水位已经达到规定的超蓄水位,则水库不再为荆江河段滞洪错峰,恢复到正常调度方式。

在保证围堰发电期工程施工安全的前提下,三峡水库按照来水量确定发电调度方式。当来水量小于装机过水能力时,电站按调峰方式运行;否则,电站按预想出力满发运行。发电时,三峡电站的毛水头应不低于61.0m,水轮发电机组应在其预想出力70%以上的范围内运行。

调度模型采用前向滚动决策[2],逆向反推预泄流量。

2　风险指标

不确定性因素是风险产生的根源,风险大小取决于所致损失概率分布的期望值和标准差[4]。对于三峡水库,如果水库超过超蓄水位,则认为围堰自身防洪出现险情;如果下泄流量大于安全泄量,那么荆江大堤防洪出现险情。为了全面地衡量三峡水库在围堰发电期的调度风险,要求风险指标体系既能体现防洪和兴利之间的矛盾,又能反映险情出现的概率,而且可以量化险情出现的后果严重性,以便采取适当的补救措施。建立的指标体系及其结构如图1所示。

(1)风险率　表示单位时间内出现事故的次数,也可用重现期或可靠性替代。采用模拟方法,对多年的实测洪水进行模拟调度,记在长度为N(d)的模拟资料中,围堰和荆江大堤出现险情的天数分别为DFZ和DFQ,那么围堰出现险情的风险率rZ=DFZ/N;荆江大堤出现险情的风险率为rQ=DFQ/N。

(2)易损性　用于描述受灾的严重程度[5,6]。对于围堰,库水位越高,则险情越严重,因此采用所有险情中水库平均水位来表示易损性。对于荆江大堤,三峡出库流量越大,则险情越严重,易损性可以用所有险情的洪峰流量均值表示。

(3)可恢复性　描述系统从事故状态返回到正常状态的能力和速度[5,6]。L.Duckstein用平均成灾历时表达供水系统的可恢复性[7],而Hashimoto等则以最大成灾历时的倒数来表示,并给出了事故可恢复性β的数学定义和计算公式

[5]

[5,6]

图1　多目标风险指标体系及其递阶结构

Fig.1Multi-objectiveriskcriteriaanditshierarchicalframework

。针对三峡防洪问题,给出算式为

～.

378

βZ=NFZ/

水

NFZ

科学进展第15卷

围堰防洪　　　NFQ

荆江大堤防洪βQ=NFQ/∑TQ(i)

i=1i=1

i)∑TZ(

(1)

式中　βZ和βQ分别为围堰和荆江大堤防洪险情的可恢复性;NFZ和NFQ分别为围堰和荆江大堤出现险情的

次数;TZ(i)和TQ(i)分别为围堰和荆江大堤第i次险情的历时。由式(1)可知,可恢复性越大,险情越容易消除,对防洪越有利。

(4)削峰效果　用于反映三峡水库对荆江大堤的防洪能力,采用削峰频率和削峰幅度来表示。当三峡天然来水的流量超过安全泄量的时候,如果通过调度,使得出库流量小于或者等于安全泄量,则认为削峰成功,因此,削峰频率rc和削峰幅度k分别采用下式计算:

rc=Nsf/Nf

N

(2)

N

sf

kQin(i)i)-Qout(i)]/∑∑[Qin(

i=1

i=1

sf

(3)

式中　Nf表示在模拟资料中,入库流量超过荆江安全泄量的天数;Nsf为削峰成功的天数;Qin(i)和Qout(i)分别为第i次险情的入库和出库流量。

(5)兴利效益　在围堰发电期,三峡水库的兴利效益主要包括航运和发电,库水位越高,航运效益越大,因此,可用水库平均水位表示航运效益。由于发电效益受到电网调度方式、天然来水量和机组特性等因素的综合影响,为了便于计算以及方案比较,只计算汛期单台机组的发电效益。

3　风险综合评价模型

对于给定的动态汛限水位方案,可根据调度模型计算各项风险指标值。然而,由于各个风险指标在物理意义、衡量方式和优劣判别标准等方面的差异,以及它们之间的相互联系、作用和冲突,需要在各风险指标的基础上寻求综合评价模型,得到风险综合值,用以量化该方案的优劣。

3.1　动态汛限水位方案集的形成

1882-2001年宜昌站各旬洪峰流量(≥50000m3/s)出现的次数见表1,由此可知,长江上游洪水峰现时间主

要集中在7月和8月,尤其是7月中下旬和8月上旬,以旬为单位给出9种不同的汛限水位方案(表2)。根据调度规程,三峡水库围堰发电期的运行水位原则上按135.0m控制,因此,方案9可以作为比较的基础。

表1　宜昌站6～8月份各旬洪峰流量出现次数

Table1NumberoffloodpeakoccurrenceduringtheperiodofJune-AugustattheYichanggaugingstation

月份旬次数

上0

6月份中0

下2

上9

7月份中18

下18

上16

8月份中9

下11

上5

9月份中3

下0

表2　动态汛限水位方案集

Table2Listofdynamicfloodlimitwaterlevelschemes

方案方案1方案2方案3方案4方案5方案6方案7方案8方案9

上135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.0

中135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.0

下

135.3135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.3135.0

上

135.3135.3135.4135.4135.2135.2135.2135.3135.0

中134.9135.0134.9135.0135.0134.9134.9134.9135.0

下

134.9135.0134.9135.0135.0134.9134.9134.9135.0

上

135.0135.0135.0135.0135.1134.9134.9134.9135.0

中135.0135.2135.3135.1135.2135.3135.3135.3135.0

下

135.0135.2135.3135.1135.2135.3135.3135.3135.0

上

135.4135.4135.3135.2135.3135.4135.4135.4135.0

中135.4135.4135.2135.3135.4135.4135.4135.4135.0

m下

135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.4135.0

　第3期王才君等:三峡水库动态汛限水位洪水调度风险指标及综合评价模型研究

379

3.2　指标相对权重的确定

权重表示在一定评价准则下各指标间相对重要程度,用于反映决策者的主观偏好。L.Saaty提出的层次分析法(AHP)是确定指标相对权重的常用方法,步骤如下[8]:先根据人们的主观偏好构造每一准则下各指标间的判断矩阵,然后求判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量,再对判断矩阵作一致性检验,如果检验通过,则将求得的特征向量作归一化处理,即得到该准则下n个指标之间的相对权重向量(w1,w2,…,wn);否则,重新构造判断矩阵,重复上述过程。

3.3　指标的规范化处理

规范化处理的目的是将各个无法统一评价的指标值表达为具有相同量纲和优劣评判标准的属性值。为此,将文中建立的风险指标分为两类[9]:

(1)成本型指标　其特点是其值越小越好,包括风险率和易损性。规范化处理公式为

rij=(yj

min

max

max

-yij)/(yj

max

-yj)

min

(4)

式中　rij为规范化处理后第i个方案、第j个指标的属性值;yij为规范化处理前第i个方案、第j个指标的实际计算值;yj和yj为处理前所有方案中第j个指标实际计算的最小值和最大值。(2)效益型指标　其特点是其值越大越好,如可恢复性、削峰频率、削峰幅度、平均水位和发电量。计算公式为

rij=(yij-yj)/(yj

min

max

-yj)

min

(5)

3.4　风险综合值的计算及方案排序

对于第i个方案,可以根据图1所示的递阶结构,将规范化属性值逐级向上加权累加,得到该方案的风险综合值Ai,计算公式为

Ai=

j=1n

∑wjrij

(6)

因此,可按照Ai值的大小对9个方案进行排序,Ai值越大,则方案越好。

4　结果分析

计算时段取1d,调度期取5d,预报流量以实测流量替代(暂不考虑预报误差),利用宜昌站120年汛期日流量资料,分别对上述9个动态汛限水位方案进行模拟调度。根据前文所述,围堰防洪是三峡水库围堰发电期的首要

任务,在程序计算结果中,围堰出现险情次数为0。表3仅列出了荆江大堤的各项风险指标值,分析可得:

(1)建立的动态汛限水位洪水调度模型符合规程要求,任何时候都可保证围堰的度汛安全。

(2)三峡工程能明显提高荆江大堤的防洪能力。例如,无三峡工程时,荆江大堤成灾风险率高达0.81%,而2003年和2004年可降低至0.53%。从易损性指标看,2003年和2004年水库已具备一定防洪能力,并能以一定幅度削减大洪水,2005年和2006年水库防洪库容仍然不足以防御极值洪水。

(3)在9种方案的调度结果中,2003年和2004年的风险指标波动最大,2005年次之,而2006年基本没有变化。其原因是2003年和2004年超蓄库容小,风险指标值对汛限水位的变动比较敏感,2006年已具有一定超蓄库容,汛限水位轻微变动不会引起调洪结果的变化。

2006年的调度结果中,防洪的各项指标值相等,只根据兴利指标即可判断方案5和方案2相对较优。从2003年和2004年的调度结果看,需要通过综合评价模型对9种动态汛限水位方案进行比较和优选,过程如下:①根据图1所示的递阶结构,在对应决策准则下构造判断矩阵,作一致性检验,并计算权重,结果见表4;②按照式(4)和式(5)计算各个指标的规范化属性值;③利用式(6)计算各个方案的风险综合值,结果见表5。可见,在2003年和2004年,采用方案2的动态汛限水位比较合理;在2005年,方案5相对较优。

380

水科学进展第15卷

表3　动态汛限水位洪水调度风险模拟结果

Table3Resultsofthesimulatedrisksofoperationunderdynamicfloodlimitwaterlevel

有无三峡

荆江大堤防洪风险率

/%易损性/(m3·s-1有无有无有无

削峰效果兴利效益

频率

/%幅度/%平均水位/m汛期单机发电效益/亿元

2003-[**************]3-[**************]3-[**************]3-[1**********]6

34.2187.7291.234.115.145.36135.16135.18135.194.864.864.86

35.96

86.8491.234.935.175.36135.23135.25135.254.874.874.87

36.84

87.7291.235.125.145.36135.20135.22135.234.864.864.86

38.60

86.8491.234.465.175.36135.19135.22135.224.864.864.86

2003-2004

20052006

0.500.460.56

0.57

0.430.56

0.56

0.460.56

0.53

0.430.56

0.39

37.72

86.8491.235.015.175.36135.22135.24135.254.864.864.87

39.47

86.8491.235.155.115.36135.20135.22135.234.864.864.86

38.6

86.8491.235.165.115.36135.20135.23135.234.864.864.86

35.96

86.8491.234.965.115.36135.17135.19135.204.864.864.86

37.72

86.8491.234.075.175.36134.98135.00135.014.834.844.84

2003-2004

20052006

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

60300

0.570.430.56

0.56

0.500.56

0.57

0.500.56

0.56

0.500.56

0.51

0.430.56

年份

2003-[1**********]6

方案10.580.100.07

方案2

0.560.110.07

方案3

0.560.100.07

方案4

0.540.100.07

0.81

59100

6340064000

[**************]

[**************]

[**************]

[**************]

方案50.540.100.07

方案6

0.530.110.07

方案7

0.540.110.07

方案8

0.560.110.07

方案9

0.540.110.07

荆江大堤可恢复性

表4　相应准则下指标权重计算结果

Table4Resultsofcalculatedweightsoftheindicesundercorrespondingcriteria

目标准则

防洪兴利0.90.1

削峰准则

频率幅度0.50.5

兴利效益准则

航运发电0.50.5

风险率

0.3659

防洪准则

易损性可恢复性0.40910.0511

削峰效果

0.1738

权重

表5　各个方案的风险综合值Table5Overallrisksofthe9schemes

年份

2003-20042005

方案10.260.54

方案2

0.730.55

方案3

0.550.54

方案4

0.460.85

方案5

0.700.86

方案6

0.610.22

方案7

0.530.22

方案8

0.520.21

方案9

0.320.45

Ai

5　结　　语

建立了三峡水库围堰发电期的动态汛限水位洪水调度模型和衡量调度效果的多目标风险指标体系,实现了120年的汛期调度模拟,得到了9种汛限水位组合下的风险指标值,通过综合评价模型,给出了相对合理的动态汛限水位方案。需要说明的是,本文仅根据宜昌站洪水峰现时间的分布特征,给出了9种可选的汛限水位方案;而且,不同的判断矩阵会产生不同的评价结果,因此,三峡水库动态汛限水位的优化尚需进一步研究。参考文献:

[1]WilliamW-GYeh.Reservoirmanagementandoperationmodels:astate-of-the-artreview[J].Waterresourcesresearch,1985,12:1797-1818.

[2]郭生练.水库调度综合自动化系统[M].武汉:武汉水利电力大学出版社,2000.

[3],ofJWater,(4):

　第3期

623-635.

王才君等:三峡水库动态汛限水位洪水调度风险指标及综合评价模型研究

381

[4]冯　平.供水系统干旱期的水资源风险管理[J].自然资源学报,1998(2):139-144.

[5]TsuyoshiHashimoto,JerryRStedinger,DanielPLoucks.Reliability,resiliency,andvulnerabilitycriteriaforwaterresourcesystemperfor-manceevaluation[J].Waterresourcesresearch,1982(1):14-20.

[6]SlobodanPSimonovic,HenryDVenema,etal.Risk-basedparameterselectionforshort-termreservoiroperation[J].JournalofHydrology,

1992,131:269-291.

[7]DucksteinL,LDuckstein,EJPlate,etal.吴媚玲,等译.水资源工程可靠性与风险[M].北京:水利电力出版社,1993.[8]赵焕臣,许树柏,等.层次分析法[M].北京:科学出版社,1986.

[9]陈守煜.工程水文水资源系统模糊集分析理论与实践[M].大连:大连理工大学出版社,1998.

RiskcriteriaandcomprehensiveevaluationmodelfortheoperationofThreeGorges

reservoirunderdynamicfloodlimitwaterlevel

WANGCai-jun,GUOSheng-lian,LIUPan,ZHOUFen,XIONGLi-hua

(StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Abstract:Asakeyparameterofmulti-purposereservoiroperation,floodlimitwaterlevelplaysacriticalroleinachievingthebalancebetweenfloodcontrolandeconomicbenefitsuchashydro-powergenerationandnavigationimprovementetc.Thecur-rentlyadoptedfloodlimitwaterlevelpaystoomuchattentiontothefloodsoflowprobability,thusreducingtheeconomicbene-fitofthereservoirduringthefloodperiod.Itistheoreticallyandapplicablyessentialtoadoptadynamicfloodlimitwaterlevelintheoperation.AccordingtothegeneraloperationrulesofThreeGorgesReservoir(TGR),areal-timemodelunderdynamicfloodlimitwaterlevelisdevelopedandusedtosimulatetheTGRoperationbyusingthedailyriverflowseriesoftheYichang

gaugingstationabout40kmdownstreamtothedamsiteoftheTGRduringtheperiodof1882-2001.Themulti-objectivecri-teriaandacomprehensiveevaluationmodelareproposedanddevelopedtomeasureandassesstheTGRoperationrisks.Theoptimumschemeisobtainedbycomparingninealternativesofdynamicfloodlimitwaterlevelschemes.

Keywords:ThreeGorgesreservoir;dynamicfloodlimitwaterlevel;floodoperation;riskanalysis;comprehensiveevaluation

model