关于洪水资源利用多目标风险决策分析

关于洪水资源利用多目标风险决策分析摘要：洪水作为水资源的一种特殊组成部分，具有兴利、水害的双重性质，如何有效利用过境洪水资源成为缓解流域水资源矛盾的重要措施之一。既能合理安全的利用过境洪水，又不增加防洪压力是解决洪水利用问题的关键。本文对我国北方某流域下游地区进行过境洪水资源利用风险因素识别，针对大坝泄洪量和安全风险进行了评估，综合考虑了风险损失与经济效益之间的关系，构造过境洪水资源风险决策模型，并将模型的最优解作为水库水位调整的参考，使过境水资源得到综合利用，效益达到最大值。最后结合具体工程实例的研究，为相关过境水资源利用提供了决策依据。关键词：过境洪水；风险评估；决策模型；综合利用中图分类号文献标识码引言在流域下游，过境洪水大多都是从主干河道直接排入大海，在此过程中并没有得到有效的利用。在我国，对于洪水资源利用的研究主要侧重于水库汛限水位、洪水保险、风险决策及洪泛区管理等方向。涉及空间和时间相结合的风险评估，确定最佳蓄水位的研究并不深入。本文针对上述问题，结合具体工程背景，构造了过境洪水资源综合利用模型，将模型计算得到的综合效益值与水库汛限水位相结合，利用最优效益值调整水库汛限水位。1.洪水资源利用风险识别风险因素是风险管理的重要影响因素。利用层次分析法，可以构造洪水资源利用风险因素指标系统，确定影响洪水利用的主要风险因子和关键风险因子。针对流域下游的社会因素、工程因素以及水文地质特点，构造洪水资源利用风险识别系统。经相关分析论证，通过层次分析法将风险因素识别系统分为3个层级，指标层，准则层和目标层。识别系统包括六大因素：本地洪水不确定风险因素、水质不确定风险因素、洪水调度管理风险因素、不利生态环境管理风险因素、水岸上游来水不确定性风险因素、抬高水库汛限不确定风险因素。利用层次分析法进行风险因素识别，确定其中主要的风险因素。2.洪水资源利用风险评估依据已有的统计洪水资料计算水库不同汛限水位的风险率，在根据汛限水位的最高库水位计算超过设计标准的风险率。通过上述方法计算水库汛限水位调整后下泄流量风险率和大坝安全风险率。大坝安全风险率是指水库在原有的泄洪措施下，对水库汛限水位进行调整，调整后水库水位超过设计标准水位的概率。见公式1。1()1infHN（1）式中，1()ifH表示水库汛限水位；iH表示超过设计标准水位风险率；N为资料各系列洪水总数；n为汛限水位为iH时，超过水库设计水位的频数。下游安全泄流量有一个安全值，当泄洪量超过这个值时，就会对下游产生危险，流量越大，造成的后果越严重。利用模糊数学方法计算下泄流量风险率，见公式2和公式3。2()()()iiVAAiifHVpV（2）123456=0/0.05/0.2/0.8/0.95/1/Avvvvvv（3）式中，2()ifH表示当汛限水位为iH时下游河道安全泄流量风险；iV为下泄流量隶属度区间。公式3为区间隶属度表达式。3洪水资源利用风险决策模型3.1构造风险决策模型在建立洪水资源利用风险决策模型后，对流域下游地区水库汛限水位进行有效调整，确定汛限水位的最佳调整方案。全面分析洪水资源利用效益以及产生的风险损失，利用线性代数方法将两者的线性组合值作为有效汛限水位的指标，以达到效益最大化为调整目标。对水库进行汛限水位调整的时候，还要分析増加的蓄水量产生的经济效益和水库水位抬高后产生的风险损失。洪水资源利用的效益分析包括工业供水、农业供水、城镇生活供水以及第三产业供水。风险决策模型的构造全面分析了经济效益与风险损失的动态关系，在分析洪水资源利用中找到最佳的汛限水位以及综合效益的最大值。3.2模型计算水库汛限水位风险目标函数包括兴利效益风险目标和防洪效益风险目标，其中，风险损失可用经济量的损失计算，模型目标是达到总风险效益最大化。模型目标见公式4。11()()()nmiiijijjFHSHLH（4）式中，()iiSH为风险效益值，()jiLH为风险损失值。4实例应用以我国北方某市某流域为例，该流域河网发达，有近四十条地方骨干河道，承担了上游近7万平方千米的泄洪任务，该市水库校核洪水位为28.21m，相应洪峰流量为98503m/s，设计洪水位27.05m，相应洪峰流量为74113m/s。在计算大坝安全风险率中，取设计水位27.05m为设计标准水位，在进行调洪演算过程中，不同频率的洪水以超过或接近设计标准水位为准，并将其作为大坝安全风险率进行计算。在计算下游泄流安全风险时，以不超水库安全泄流量为准，该水库安全泄流量取19003m/s。根据相关资料统计，洪水资源利用的经济效益包含四个方面：工业、农业、城镇生活和第三产业，所占比重分别为18%、65%、12%、5%；用水分摊系数为0.1、0.5、0.3、0.3。根据当地的统计年鉴可知人均可支配收入为1.2万元；恩格尔系数e为0.4；人均年用水量为5803m。根据以上参数计算洪水资源利用效益，成果见表一表一各项洪水资源利用效益表汛限水位22.422.522.622.722.822.9增加蓄水05401080156022002670工业水量0.0101.2205.3302.4415.6594.6效益值0.031.6265.4196.88126.54167.23农业水量0.0348.6697.51056.41417.61786.2效益值0.015.6430.1443.3261.4876.54城镇生活水量0.022.442.665.488.4102.4效益值0.044.1291.31135.76181.64234.15第三产业水量0.070.32141.97213.43285.73361.77效益值0.0125.48247.35375.15504.94634.12总效益值0.0216.86434.21651.11874.601112.04在大坝安全风险损失的计算中，考虑到洪水灾害带来的影响，取间接损失系数k=25，淹没面积取S=2002km，单位面积产生的直接损失l=70万元/km2。在安全泄流量风险损失的计算中，洪水带来的间接损失系数取k=25，淹没面积取S=502km，单位面积产生的直接损失l=18万元/2km。大坝安全风险损失占总体风险损失的比例较大，严重影响了水资源利用总效益。通过模型分析，可知汛限水位范围在22.4m至23.6m之间浮动时，大坝安全风险率从1.52%增加到5.31%，当汛限水位达到23.6m继续增加时，风险率迅速增加，汛限水位从23.6m增加到24.2m，大坝安全风险率从5.21%迅速增加到12.8%。在汛限水位调整到23.8m时，洪水利用总效益值最大，此时水库水位是汛限水位调整上限值。通过洪水资源利用各风险损失与各项效益的动态关系，可以得到洪水资源利用总效益随汛限水位变化的关系函数曲线。见图一图一洪水资源利用总效益与汛限水位动态变化图通过分析风险损失与效益，得出三种洪水资源利用计划方案。一；汛限水位调整到h1=23.4，风险损失小，效益一般。二；汛限水位调整到h2=23.8，风险损失中等，效益高。三；汛限水位调整到h3=24.2，风险损失高，效益一般。三种计划方案风险损失、效益、风险率详情见表二。从表二中我们可以得出结论，计划方案一中，水库汛限水位调整到23.4m时，大安安全风险率为4.21%，水库需水量增加了5720万3m，总效益达到1205万元；计划方案二中，水库水库汛限水位调整到23.8m时，大坝安全风险率为6.40%，水库需水量增加了8220万3m，总效益达到最大值1650万元；计划方案三中，水库汛限水位调整到24.2m时，大坝安全风险率为13%，水库蓄水量增加了1.05亿3m，总效益达到1020万元。方案三总效益低于方案一和方案二，且风险率远远高于其他两个方案。通过比较分析得到方案二属于水库汛限水位调整的理想方案，风险适中并且效益状况最优。5结语本文通过构造洪水资源利用多目标风险决策模型，对风险因子权重加以计算，确定出主要风险因素，求出大坝安全风险率和下游安全泄流量风险率。综合工业、农业、城镇用水和第三产业四个方面计算出水资源利用效益，综合风险损失与风险效益，通过对不同汛限水位的比较，找到最佳调整水位，设计出合理的洪水利用方案，对洪水资源利用效益的提高有一定指导作用。