【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 葠窩水庫(kù)區(qū)間匯流預(yù)報(bào)方案 45 小結(jié) 524 洪水預(yù)報(bào)誤差分布規(guī)律分析及不確定性估計(jì) 54 54 極大熵原理 55 熵的產(chǎn)生與發(fā)展 55 極大熵原理 56 洪水預(yù)報(bào)誤差分布的極大熵模型建立與求解 57 洪水預(yù)報(bào)誤差分布的極大熵模型建立 57 洪水預(yù)報(bào)誤差分布的極大熵模型求解 57 應(yīng)用極大熵模型求解概率密度函數(shù)舉例 58 水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)誤差分布規(guī)律分析 59 水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)誤差分布求解 60 不同預(yù)報(bào)誤差分布比較分析 62 預(yù)報(bào)誤差服從正態(tài)分布 62 預(yù)報(bào)誤差不服從正態(tài)分布 64 預(yù)報(bào)誤差分布上限確定 65 誤差的信息熵估計(jì) 68 信息熵估計(jì)方法 69 水庫(kù)產(chǎn)流預(yù)報(bào)誤差的信息熵估計(jì) 69 小結(jié) 705 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域的確定 72 72 桓仁水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究現(xiàn)狀 72 利用洪水預(yù)報(bào)確定桓仁水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限值 73 利用洪水預(yù)報(bào)信息的可行性分析 73 桓仁水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪結(jié)果復(fù)核 74 桓仁水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水凈雨推求 75 利用預(yù)報(bào)調(diào)度方式確定汛限水位動(dòng)態(tài)控制的上限 77 利用短期降雨預(yù)報(bào)確定水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的上限值 79 短期降雨預(yù)報(bào)精度分析 79 不同量級(jí)降雨漏報(bào)條件下實(shí)際降雨分布規(guī)律分析 80 改進(jìn)預(yù)泄能力約束法確定桓仁水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限 81 改進(jìn)預(yù)泄能力約束法確定丹江口水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限 82 降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)聯(lián)合應(yīng)用確定桓仁水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制上限 83 小結(jié) 836 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)分析 85 85 水庫(kù)年頻率與次頻率轉(zhuǎn)換關(guān)系 86 桓仁水庫(kù)次頻率樣本選取分析 87 桓仁水庫(kù)年次頻率關(guān)系 88 不同水庫(kù)年頻率與次頻率的關(guān)系 90 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)率的定義 91 水庫(kù)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)率定義 91 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)率定義 92 利用洪水預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)分析 92 利用洪水預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)控制汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算方法 93 桓仁水庫(kù)利用洪水預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)控制汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)分析 94 利用洪水預(yù)報(bào)各特征水位的風(fēng)險(xiǎn)分布 98 利用短期降雨預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)分析 99 考慮無(wú)雨和小雨預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)控制汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)分析 100 預(yù)報(bào)中雨及以上量級(jí)降雨桓仁水庫(kù)動(dòng)態(tài)控制汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)分析 105 大壩所能抵御洪水標(biāo)準(zhǔn)的變化分析 107 桓仁水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)和降雨預(yù)報(bào)聯(lián)合應(yīng)用動(dòng)態(tài)控制汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)分析 108 洪水預(yù)報(bào)聯(lián)合無(wú)雨和小雨預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)分析 108 洪水預(yù)報(bào)聯(lián)合中雨及以上量級(jí)降雨預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)控制汛限水位風(fēng)險(xiǎn)分析 115 小結(jié) 1157 總結(jié)與展望 117 全文總結(jié) 117 展望 119參 考 文 獻(xiàn) 121創(chuàng)新點(diǎn)摘要 127攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況 128致 謝 129大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 130大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文1 緒論 選題背景由于氣候、地理等因素的影響，我國(guó)水資源時(shí)空分布很不均勻，洪澇和干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生。隨著人口增長(zhǎng)，工業(yè)和城市用水的急劇增加，農(nóng)業(yè)灌溉受水資源不足影響而發(fā)展停滯，洪澇災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，再加上水環(huán)境的不斷惡化，水資源問(wèn)題日益成為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素。面對(duì)嚴(yán)峻的水資源問(wèn)題，在98年“三江”大水后，水利部按照中央確定的新時(shí)期水利工作方針，從中國(guó)的國(guó)情和水情出發(fā)，提出了實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變的治水新思路。防洪減災(zāi)作為水利事業(yè)的最重要組成部分，隨著我國(guó)整體治水觀念的變革，也要與時(shí)俱進(jìn)地進(jìn)行科學(xué)調(diào)整?？偟膩?lái)說(shuō)，防洪減災(zāi)思路主要從三方面進(jìn)行重大調(diào)整和轉(zhuǎn)變。一是從單純的抗拒洪水轉(zhuǎn)變?yōu)樵诜篮榭购榈耐瑫r(shí)，要給洪水以出路。1998年的大洪水給了我們一個(gè)重要啟示，就是人類不給水出路，水就不給人出路。二是從單純的防洪工程體系轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ膛c非工程防洪措施相結(jié)合，社會(huì)共同參與的防洪減災(zāi)體系。三是從單純的防洪減災(zāi)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诳紤]防洪減災(zāi)的同時(shí)，如何充分利用雨洪資源，實(shí)現(xiàn)洪水資源化。近年來(lái)，水利部門結(jié)合各高校和科研院所開展了一系列的洪水資源化課題研究。對(duì)水庫(kù)而言，實(shí)現(xiàn)洪水資源化就是要防洪與興利并舉，既要保證水庫(kù)及上下游的防洪安全又要多攔蓄洪水。汛限水位是協(xié)調(diào)水庫(kù)運(yùn)行管理中防洪與興利矛盾的結(jié)合點(diǎn)，調(diào)整水庫(kù)汛限水位則成為洪水資源化的重要手段。為此，結(jié)合國(guó)家防辦開展的“水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法”專題研究，本文將從洪水預(yù)報(bào)和水庫(kù)調(diào)度方面研究通過(guò)抬高水庫(kù)汛限水位提高洪水資源利用率，實(shí)現(xiàn)洪水資源化的問(wèn)題。 我國(guó)的洪澇與干旱災(zāi)害洪水災(zāi)害是當(dāng)今世界上給人類帶來(lái)?yè)p失最嚴(yán)重的自然災(zāi)害[1~4]。特有的自然條件和地理因素決定了我國(guó)洪澇災(zāi)害十分頻繁。1840~1949年間，七大江河（松花江、遼河、海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江和珠江）相繼發(fā)生了17次特大洪澇災(zāi)害，57次特大洪澇和大洪澇，全國(guó)受災(zāi)縣數(shù)平均每年250個(gè)縣。1931年長(zhǎng)江、淮河洪水，淹沒農(nóng)田973萬(wàn)km2，受災(zāi)人口5217萬(wàn)，共死亡40萬(wàn)人[5~7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)我國(guó)主要江河100年間平均每年發(fā)生超過(guò)兩次頻率10%~20%以上的洪水，且每?jī)赡曛辽侔l(fā)生一次頻率5%~10%的洪水，每三年左右就可能發(fā)生一次頻率5%以上的較大洪水或大洪水，可見洪水的頻繁程度（）。 我國(guó)20世紀(jì)主要江河洪水發(fā)生頻次統(tǒng)計(jì) Frequency statistic on floods of main rivers in China in 20th century流域頻率5%以上洪水頻率5%~10%以上洪水頻率10%~20%以上洪水合計(jì)長(zhǎng)江（含太湖）6193358黃河441523淮河491427海河351018松花江341623遼河361726珠江551626浙閩地區(qū)33612合計(jì)3155127213建國(guó)以來(lái)，黨和政府十分重視水利建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)工作。經(jīng)過(guò)50多年的努力，主要江河的一般性洪澇災(zāi)害基本得到控制，“大雨大災(zāi)，小雨小災(zāi)，無(wú)雨旱災(zāi)”的局面已有明顯改觀。但是，一方面由于暴雨洪水不可能完全被消除，只能防御盡量減少災(zāi)害；另一方面，由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口激增使自然環(huán)境遭到破壞，帶來(lái)負(fù)面影響，因此當(dāng)遭遇特大洪水時(shí)，災(zāi)情和損失仍然十分嚴(yán)重。如1954年長(zhǎng)江特大洪水，造成直接經(jīng)濟(jì)損失100億元；1975年8月淮河上游出現(xiàn)內(nèi)陸罕見的特大暴雨，位于暴雨中心的板橋水庫(kù)和石漫灘水庫(kù)失事，數(shù)萬(wàn)人喪生；進(jìn)入90年代，我國(guó)洪澇災(zāi)害更有加重的趨勢(shì)，平均每年直接經(jīng)濟(jì)損失超千億元。其中1991年，華東地區(qū)大面積水災(zāi)，；；1998年，長(zhǎng)江、嫩江、松花江流域的特大洪水，直接經(jīng)濟(jì)損失超2000億元[8]。我國(guó)不僅洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，干旱災(zāi)害也十分突出。1949年以前，平均每2年發(fā)生一次較大干旱災(zāi)害。近50多年來(lái)，全國(guó)年均受旱面積2140萬(wàn)公頃，因旱損失糧食142億kg，占各種自然災(zāi)害損失糧食的60%以上。1949~1990年因旱年均造成農(nóng)業(yè)、工業(yè)和牧業(yè)三項(xiàng)直接經(jīng)濟(jì)損失204億元。進(jìn)入90年代以后旱災(zāi)有明顯增加的趨勢(shì)。受旱區(qū)域也由傳統(tǒng)的北方和西部地區(qū)向南方和東部一些多雨區(qū)擴(kuò)展。2001年長(zhǎng)江流域發(fā)生了春夏秋連旱。2003年江南及華南地區(qū)發(fā)生了1991年以來(lái)最嚴(yán)重的夏伏旱。旱災(zāi)對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的影響已越來(lái)越大[9]。 我國(guó)水資源短缺問(wèn)題20世紀(jì)中葉以來(lái)，世界人口的爆炸性增長(zhǎng)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)有限的水資源及水環(huán)境產(chǎn)生了巨大沖擊。在全球范圍內(nèi)，水質(zhì)污染、需水量的迅速增加以及部門間競(jìng)爭(zhēng)性開發(fā)所導(dǎo)致的不合理利用，使水資源進(jìn)一步短缺，嚴(yán)重地影響了全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，威脅著人類的生存和進(jìn)步。聯(lián)合國(guó)水資源會(huì)議曾鄭重向全世界發(fā)出警告：“水，將成為石油危機(jī)之后的下一個(gè)社會(huì)危機(jī)[10]”。（其中地表水資源量27115億m3，），雖居世界第6位，但人均占有水資源量不足2200 m3，僅為世界人均水資源量的四分之一；北方地區(qū)人均水量只有990 m3，不到世界人均的八分之一，被聯(lián)合國(guó)定為13個(gè)貧水國(guó)之一[11]。據(jù)調(diào)查，到90年代末，全國(guó)600多座大中城市中，有400多個(gè)城市存在供水不足問(wèn)題，其中130多個(gè)城市嚴(yán)重缺水，年缺水近60億m3。不少地區(qū)因缺水引發(fā)城鄉(xiāng)、地區(qū)之間的爭(zhēng)水矛盾，影響社會(huì)穩(wěn)定。近兩年，我國(guó)北方連續(xù)干旱，造成全國(guó)18個(gè)省中有620座城市（含縣級(jí)政府所在城鎮(zhèn)）缺水，其中地級(jí)以上缺水城市117座。據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)人口在2030年左右將達(dá)到峰值16億，即使人均水消費(fèi)量不變，屆時(shí)對(duì)水資源的需求也將在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上增加1/3，比現(xiàn)在的供水能力增加2400億m3[12,13]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)趨勢(shì)看，我國(guó)總體上屬于嚴(yán)重缺水的國(guó)家。我國(guó)水資源的短缺還表現(xiàn)為分布不均勻。由于受氣候、地理等因素的影響，我國(guó)水資源地區(qū)時(shí)空分布很不均勻，且與人口、耕地、經(jīng)濟(jì)布局不相匹配。在地域上，南方水多地少，北方水少地多。在時(shí)間上冬春少雨，夏秋多雨。汛期雨量過(guò)于集中，利用難度大，造成棄水；非汛期又往往缺乏水量，無(wú)水可用。降水和徑流的年內(nèi)分配很不均勻，年際變化大，豐水年與枯水年的水量相差懸殊，容易造成水、旱災(zāi)害。北方少雨地區(qū)，豐水年的降水量一般為枯水年的3~8倍，大部分地區(qū)汛期4個(gè)月的降水量占全年降水總量的60%~80%。隨著人口的不斷增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，水資源短缺已成為中國(guó)尤其是北方地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重制約。如果不加大水利設(shè)施建設(shè)力度，不采取強(qiáng)有力的水資源管理和保護(hù)措施，中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展將會(huì)受到嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)我國(guó)水資源短缺問(wèn)題的解決途徑和相應(yīng)對(duì)策進(jìn)行深入研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。 提高洪水資源利用率一方面，我國(guó)洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生；另一方面，又面臨日趨嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題。，其中汛期洪水總量占河流總徑流量的60%以上。7天洪量在長(zhǎng)江主要支流可達(dá)年徑流量的10%～20%，在北方河流有的甚至高達(dá)30%～60%。，但也只能控制年總徑流量的22%[14]。特別是北方地區(qū)，是我國(guó)旱災(zāi)高發(fā)地區(qū)，汛期洪水峰高量大，大量洪水被迫排泄入海，洪水過(guò)后，又無(wú)水可用面臨干旱。因此，如果將洪水非常合理有效地利用起來(lái)，不僅能減小洪澇災(zāi)害損失，而且是解決水資源短缺非常有效的途徑。面對(duì)嚴(yán)峻的干旱缺水、生態(tài)環(huán)境惡化態(tài)勢(shì)，一些學(xué)者和水資源管理者提出了“洪水資源化”的概念，并迅速達(dá)成廣泛共識(shí)，成為新的治水思路。所謂洪水資源化，是指綜合系統(tǒng)地運(yùn)用水利工程措施和政策、規(guī)范、經(jīng)濟(jì)、管理、技術(shù)、調(diào)度等非工程措施，將常規(guī)排泄入?；蚍簽E的洪水在安全、經(jīng)濟(jì)可行和社會(huì)公平的前提下部分轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存為可以利用的內(nèi)陸水[15]。洪水資源化主要有兩種形式：蓄于地表和補(bǔ)于地下，這兩種形式通過(guò)工程措施和非工程措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。工程措施耗資大，而且工期長(zhǎng)，僅僅依靠工程措施解決水資源短缺狀況是不現(xiàn)實(shí)的。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到非工程措施的重要性和有效性。所謂非工程措施，是指在現(xiàn)有水利工程的基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)規(guī)劃和合理調(diào)度，最大限度的攔蓄洪水資源，補(bǔ)充回灌地下水。如洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)、水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行與管理、洪水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、水庫(kù)洪水優(yōu)化調(diào)度、洪水保險(xiǎn)和防洪基金、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理等等。利用非工程措施不但能更加充分地發(fā)揮水利工程的效益，而且也是提高洪水資源利用的有效途徑。近幾年，我國(guó)在防洪通信、水雨情測(cè)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度、防洪搶險(xiǎn)、洪水風(fēng)險(xiǎn)以及防洪法規(guī)等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，非工程措施在防洪中的作用日益凸現(xiàn)。因此，開展防洪非工程措施的研究具有重要意義。對(duì)水庫(kù)而言，實(shí)現(xiàn)洪水資源化就是要防洪與興利并舉，既要保證水庫(kù)及上下游的防洪安全又要多攔蓄洪水。汛限水位是協(xié)調(diào)水庫(kù)運(yùn)行管理中防洪與興利矛盾的結(jié)合點(diǎn)，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)與控制汛限水位，可以減少專用防洪庫(kù)容，增加洪水資源利用量與提高供水保證率。隨著水文氣象預(yù)報(bào)科學(xué)理論的進(jìn)展，流域水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)和預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)，洪水預(yù)報(bào)及降雨預(yù)報(bào)精度的提高，為動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)汛限水位，提高洪水資源和水能資源利用率，緩解我國(guó)水資源與水能資源供需矛盾提供了可能性。 實(shí)際工程背景受季風(fēng)氣候的影響，我國(guó)水資源的空間分布極不均勻。很多地區(qū)一年內(nèi)的降雨主要集中在汛期，尤其是北方干旱地區(qū)，汛期的降雨量占全年降雨量的70%~80%[16]，水庫(kù)如果不在汛期抓緊時(shí)機(jī)蓄水，汛末很可能蓄不到興利蓄水位。而我國(guó)目前大部分水庫(kù)仍采用設(shè)計(jì)不考慮預(yù)報(bào)的常規(guī)調(diào)度方式，整個(gè)汛期汛限水位靜態(tài)控制在一個(gè)或幾個(gè)（分期控制汛限水位）水位上，每年汛期當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)汛限水位時(shí)不能蓄水，致使水庫(kù)形成汛期棄水，汛后又無(wú)水可蓄的局面，造成洪水資源浪費(fèi)[17]。對(duì)北方地區(qū)，由于人多、地多、水少，這種水土資源組合使得單位水資源量較低，農(nóng)業(yè)灌溉用水緊張，嚴(yán)重地制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，科學(xué)、合理地抬高水庫(kù)汛限水位，實(shí)施水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制以提高洪水資源利用率，對(duì)北方干旱地區(qū)是十分必要的。針對(duì)目前水庫(kù)防洪調(diào)度中存在的問(wèn)題和日趨緊張的水資源狀況，2002年，國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室組織高校、科研院所、設(shè)計(jì)部門等進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法研究，在全國(guó)選擇了12座有代表性的水庫(kù)，作為汛限水位設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究的試點(diǎn)，并開展了國(guó)內(nèi)外水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水理論和防洪調(diào)度方法分析評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)洪水方法分析研究、水庫(kù)汛限分期設(shè)計(jì)洪水研究和水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法研究等4個(gè)專題的研究。本文結(jié)合北方的桓仁、葠窩、白龜山等試點(diǎn)水庫(kù)以及湖北省的丹江口水庫(kù)，對(duì)上述4個(gè)專題中的第4個(gè)專題“水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方法”開展研究。重點(diǎn)研究提高水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)精度的方法，在此基礎(chǔ)上，從規(guī)劃設(shè)計(jì)角度，利用降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)的防洪調(diào)度方式確定水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域，最后對(duì)由預(yù)報(bào)誤差引起的汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行具體分析。 水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀綜述洪水預(yù)報(bào)是現(xiàn)代水文學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是水庫(kù)實(shí)施防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的重要依據(jù)。它是建立在充分掌握已出現(xiàn)水文情勢(shì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)及時(shí)準(zhǔn)確地分析來(lái)預(yù)報(bào)未來(lái)水文情勢(shì)變化的一門學(xué)科。洪水預(yù)報(bào)不但是防汛抗旱和水庫(kù)調(diào)度決策的科學(xué)依據(jù)，而且也是非常重要的防洪減災(zāi)非工程措施之一，直接為防汛搶險(xiǎn)、水庫(kù)調(diào)度以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。