一种超临界洪水风险分析方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄课题。
[0003] 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 洪水风险研宄具有极其重要的理论价值与现实意义。
[0004] 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 层面的研宄，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宄较少，大都研宄都 仅限于地表水资源可利用量研宄中，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，近期有研宄者提 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宄鲜有报道，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宄，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宄，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】
[0005] 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。
[0006] 为解决上述问题，本发明采取以下技术方案：
[0007] -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：
[0008] 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。
[0009] 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：
[0010] Min(vipr-vipp)2 (1)
[0011] 式中，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；Vipp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。
[0012] 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。
[0013] 当不满足该目标函数时，即可确定水库的超临界洪水量Qh。。
[0014] 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:
【主权项】
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（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。
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、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(Vipr-Vipp)2 (1) 式中，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Qh。。 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:
(2) 式中，H为堤坝工程实时来水所对应的洪水位；氏、112、113为堤坝工程的不同水位级别特 征值；f；(H)为洪水位介于级别氏〈11〈112的防洪工程系数函数。 从而堤坝工程的超临界洪水量Qh。为： Qhc=wXQ0 (3) 式中，Qt!为上游来水或水库的出库流量。
3. 根据权利要求2所述的超临界洪水风险分析方法，其特征在于步骤二中：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0与洪水水质W q的函数关系为=f(Wq)，则水质侧的超临界洪水量Qhu通过下 式确定： Qhu= (Q〇-Qhc)x(l-f3) (4)
4. 根据权利要求3所述的超临界洪水风险分析方法，其特征在于步骤三中：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 h。）和水质对洪水开发利用的 影响（水质侧的超临界洪水量Qhu)，确定超临界洪水量Qh: Qh一Q hc+Qhu (5)
5. 根据权利要求4所述的超临界洪水风险分析方法，其特征在于步骤四中：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、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：
(6) (7) 式中，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；Hi、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Hi〈H〈H2的超临界洪水风险模糊隶属度函数；y q为水质侧的超临界洪水风险模糊 隶属度函数;Wq为洪水水质；WqlS洪水水质的不同级别特征值；f q(Wq)为洪水水质位于级别 Wq< 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：
(8)
6. 根据权利要求5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 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：
(9) 式中，Rki为第i天（i = 1，2, ???，]!)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；为第i天第j个超 临界洪水变量值；f (Xj为Xu的概率分布，由Pearsion-III型分布确定；p u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U为耦合水量侧-水质侧的 户1 超临界洪水风险模糊隶属度函数，由式（8)确定。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104615845
【申请号】CN201410805324
【发明人】李勋贵, 魏霞, 张律吕
【申请人】兰州大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月19日