【正文】 ~中雨預報準確率已在90%以上。據(jù)文獻[77~80]分析，近幾年，中央、各省市自治區(qū)及大型水庫氣象臺短期天氣預報的確率已有很大提高，尤其是雨區(qū)的預報（小雨和中雨）提高更為明顯。未來24h的有無雨二級分辨降雨預報近7年漏報率明顯降低3%~8%，平均降低7%。王本德教授等[81]對典型水庫、省市氣象臺及中央氣象臺24h和48h降雨作業(yè)預報分析，其水平已達到：各地氣象臺24h無雨或有雨的預報精度在85%以上；流域氣象臺24h無雨預報的準確率達到90%以上，漏報率在10%以下；中雨以上量級降雨準確率為80%~95%，空報率為5%~7%，漏報率在1%左右；暴雨以上量級的預報準確率為80%左右，空報率20%；48h各種量級降雨預報的平均準確率為69%，%左右?；谏鲜龇治觯斍袄?4h或48h短期降雨預報成果動態(tài)控制水庫汛限水位是可行的。自70年代初到90年代，我國水庫管理局集中力量研究洪水預報方法，許多水庫洪水預報方案達到了甲級水平（預報洪峰和洪量的合格率大于85%）。1990年以來，許多大型水庫安裝了水文自動測報預報調(diào)度系統(tǒng)、水雨情遙測系統(tǒng)、微波通訊系統(tǒng)等，這些都使得洪水作業(yè)預報的時間更短、精度更高。因此，有必要和可能利用短期洪水預報和降雨預報成果，動態(tài)控制汛限水位，解決水庫洪水安全調(diào)度與興利蓄水的矛盾。 水庫汛限水位控制方法研究現(xiàn)狀目前已有的汛限水位控制方法，可分為兩大類。一類是從規(guī)劃設計的角度，考慮最不利的設計洪水確定的汛限水位控制方法；一類是從實施調(diào)度的角度，根據(jù)實時水、雨、工情及可利用的預報等綜合信息，控制汛限水位的方法[82]。具體方法主要包括以下幾種：1．規(guī)劃設計的汛限水位控制方法① 全汛期汛限水位按照單一值控制。我國初期的水庫汛限水位控制方法是按照傳統(tǒng)的設計理念，只考慮對下游防洪標準設計和大壩設計標準洪水的調(diào)度，不考慮洪水預報或降雨預報，著眼于小概率事件，由面臨時刻庫水位或入流量確定水庫的下泄流量，以控制庫水位在下次洪水起漲時不超過汛限水位。即在對流域水文氣象條件、歷年暴雨、洪水等歷史資料分析的基礎上，硬性規(guī)定汛期起止時間并在此期間汛限水位按照單一值控制。該方法簡單易行，在實際運行中便于管理操作，容易被人們接受。但實際中，防洪標準設計洪水的出現(xiàn)機會畢竟較少，至于大壩設計標準洪水就更為稀遇，如果只考慮對這些洪水進行調(diào)蓄，則很多年份就不能充分發(fā)揮水庫的調(diào)蓄作用，不能充分發(fā)揮水庫的防洪效益。這種源于傳統(tǒng)規(guī)劃設計的調(diào)度指導思想將汛限水位在汛期限制為單一靜態(tài)值，致使部分水庫在一些年份形成“汛期棄水，汛后又無水可蓄”的局面，造成洪水資源浪費。例如，遼寧省葠窩水庫自1974年~2001年共28年間，有14年在汛期都有棄水；觀音閣水庫建成后，在1991996年汛期均有棄水，而汛末水庫水位均未達到興利蓄水位[83]；根據(jù)歷史資料統(tǒng)計，丹江口水庫蓄滿的機率只有22%[75]。此外，還有一些綜合利用水庫和水庫群，由于這種控制方法而浪費了大量洪水資源。② 汛期分期運用不同汛限水位值。隨著水資源供需矛盾的日益突出及洪水資料的積累，傳統(tǒng)汛限水位控制方法逐漸被分期汛限水位法取代。汛期分期是依據(jù)汛期不同時段洪水特征的明顯差別與規(guī)律，基于成因與統(tǒng)計分析將整個汛期劃分為幾個不同的階段，各個階段采用不同的設計洪水和汛限水位值。利用后汛期洪水比較少的特點，攔蓄洪水抬高水庫汛限水位，便于水庫汛后蓄至正常高水位，發(fā)揮水庫的供水和發(fā)電效益。這種方法由于考慮了汛期水文氣象特性的分布規(guī)律，在實際運用中比較有效，也是目前大多數(shù)水庫設計與運用的方法。但分期汛限水位法沒能考慮洪水和降雨預報信息，未充分挖掘水庫的潛力，會造成一定程度上的洪水資源浪費。特別是北方水庫，主要來水集中在主汛期，當后汛期無雨時，即使抬高汛限水位也無水可蓄。③ 逐日或旬運用不同汛限水位值[82]。該方法是基于汛期的模糊描述[84]或暴雨量級升降連續(xù)變化的統(tǒng)計規(guī)律，應用滑動平均方法或按照汛期的隸屬程度預留防洪庫容，并換算成逐日或旬控制的汛限水位值。盡管這種方法設計的汛限水位值隨時間而變動，但是面臨時刻控制的值仍是設計時給定的值，運行方式與原設計相同。這一方法曾在紅山、白龜山、密云、察爾森等水庫試用，但尚需更多實踐檢驗。④ 利用防洪預報調(diào)度方式抬高水庫汛限水位。目前大多數(shù)水庫設計與運用的都是全汛期按照單一值或分期控制汛限水位，設計階段確定水庫的規(guī)模和參數(shù)很少考慮預報，其原因主要是當時的水文氣象預報水平還不高。防洪預報調(diào)度方式采用的仍是水庫原汛限水位控制方法對應的設計洪水，但卻考慮了洪水預報信息，以預報的累積凈雨量、洪峰信息等作為判別洪水級別和改變水庫泄量的依據(jù)，提前判斷發(fā)生洪水的量級，從而可以減少防洪庫容，若保持原設計的防洪高、設計與校核水位不變，則可抬高汛限水位。對運行多年且洪水預報精度較高，預見期較長的水庫，可嘗試應用該方法。文獻[75]詳細地闡述了水庫利用防洪預報調(diào)度方式的必要性、可行性及基本條件，著重論述了防洪預報調(diào)度方式的制定方法，預報調(diào)度規(guī)則的推求步驟及過程。20世紀80年代末，我國北方一些水庫開始利用預報信息設計和實施防洪預報調(diào)度。例如：遼寧省大伙房水庫考慮防洪預報調(diào)度方式，應用累積凈雨量及峰前流量作為判斷指標，[75]。王連時等[85]研究了柴河水庫的防洪預報調(diào)度方式，以庫水位和累積凈雨量為判別指標，通過對設計洪水的調(diào)節(jié)。清河、柴河水庫應用累積凈雨量及峰前流量作為洪水級別的判斷指標，~，增加了洪水資源的利用量[86]。2．實時調(diào)度的汛限水位控制方法① 利用洪水或降雨預報信息“預蓄預泄”，控制水庫汛限水位。在20世紀60~70年代的調(diào)度實踐中，調(diào)度技術人員提出了“預蓄預泄”汛限水位控制方法[87,88]。對水文氣象預報水平達到一定精度的水庫，當預報無雨時，在有效預見期內(nèi)，利用每次洪水的退水適當將汛限水位上浮，保證在下次洪水起漲前將水位降至原設計汛限水位值，此為“預蓄”，這種暫時的超蓄水量可轉(zhuǎn)化為洪水資源。當預報流域即將出現(xiàn)設計暴雨洪水或已經(jīng)開始降雨時，利用預見期、水庫泄流能力，在河道安全泄量允許范圍內(nèi)，盡快將超蓄水量下泄，此為“預泄”。前者的目的是提高洪水資源與水能資源的利用率，后者的目的是為了提高防洪能力?！邦A蓄預泄”法由于考慮了洪水和降雨預報信息，逐漸顯示出其思想的先進性，陸續(xù)被運用到水庫實時調(diào)度中。王本德教授等[79]根據(jù)豐滿氣象臺1985~1992年短期降雨預報作業(yè)實際記錄及豐滿電廠以上流域平均實際降雨資料，分析預報與實際降雨的分布規(guī)律，得出豐滿氣象臺短期24h降雨預報可用于豐滿水庫預蓄預泄錯峰調(diào)度中的結論。梁年生等[89]研究了在實際洪水調(diào)度中，攔蓄退水階段的洪水進行超蓄，并利用水文預報信息在洪水入庫之前進行預泄，以提高水庫興利效益的可行性和風險問題。游進軍等[90]根據(jù)實時調(diào)度的基本概念、實現(xiàn)方式，針對河南陸渾水庫實際情況使用了實時預報調(diào)度方法對水庫各種情況下的洪水過程進行了調(diào)度研究，結果表明相對于常規(guī)調(diào)度方法能增加水庫的防洪效益和綜合效益。遼寧省碧流河水庫采用考慮降雨預報的預蓄預泄法動態(tài)控制汛限水位，并在2005年“”洪水中首次啟用了汛限水位動態(tài)控制實施方案，為水庫創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益達698萬元[82]。② 綜合信息推理模式方法，動態(tài)控制水庫汛限水位。實際上，目前水庫調(diào)度操作中所依據(jù)的信息比設計階段豐富得多，不僅有基于隨機理論的統(tǒng)計信息，又有實際監(jiān)測的確定性信息和基于物理成因的比較確定信息，這些都為實時調(diào)度中調(diào)整水庫汛限水位提供了必要的條件和可能。邱瑞田等[17]基于水庫調(diào)度中的大量信息，提出了實時動態(tài)控制水庫汛限的新理念及其綜合推理模式。該方法根據(jù)面臨時刻實際落地降雨量、調(diào)洪末時刻水位、當前所處汛期階段、預報的洪水余量以及下一次降雨預報發(fā)生時間，確定水庫汛限水位動態(tài)控制值及允許控制范圍，利用了水庫面臨時刻的大量信息，充分挖掘水庫興利潛力，使洪水資源得到有效利用。碧流河、葠窩、白龜山等水庫已編制推理模式，該方法尚需要實踐檢驗。③ 耦合于防洪實時預報調(diào)度系統(tǒng)的汛限水位動態(tài)控制值優(yōu)選法[82]。該方法將綜合信息推理模式的交互決策子系統(tǒng)與水庫現(xiàn)行的防洪實時預報調(diào)度系統(tǒng)融為一體，隨著時序變化及綜合信息的更新，重復優(yōu)選和更新汛限水位控制決策方案。目前本方法正在碧流河、白龜山、桓仁等水庫試用與檢驗。從全汛期的單一值控制到新時期治水思路下的動態(tài)控制研究，汛限水位控制新理念正在不斷趨于完善，需要經(jīng)過較長時期的實踐檢驗。水庫汛限水位動態(tài)控制的核心內(nèi)容屬實時調(diào)度階段的問題，為了防止發(fā)生“為保證下游防洪安全而無限要求減少下泄流量導致汛限水位過低”和“為增加興利蓄水而無限抬高汛限水位”的現(xiàn)象，需要從規(guī)劃設計角度，安全經(jīng)濟、合理地確定一個汛限水位動態(tài)控制域。因此，基于汛限水位動態(tài)控制的新理念，本文主要從規(guī)劃設計角度，利用防洪預報調(diào)度方式確定桓仁水庫和丹江口水庫汛限水位動態(tài)控制域。 汛限水位動態(tài)控制風險分析研究現(xiàn)狀抬高水庫汛限水位，提高了洪水資源利用率，增加了水庫興利效益，但這些效益是冒著風險換來的，實施汛限水位動態(tài)控制的風險是技術人員和決策者十分關心的問題。雖然利用防洪預報調(diào)度方式確定了汛限水位動態(tài)控制約束域，但并非說實施汛限水位動態(tài)控制沒有風險。除了與原設計汛限水位控制方法同樣存在的風險因素，比如：水庫大壩的安全設計和校核標準、流域水文氣象特征值、人類活動、水力條件等等之外，汛限水位動態(tài)控制所利用的信息與原設計調(diào)度方式采用的水位信息相比發(fā)生了變化，即確定汛限水位動態(tài)控制域的上限應用了洪水總量預報或累計凈雨與降雨預報信息，這兩個信息預報誤差是額外增加的風險因素。因此，汛限水位動態(tài)控制的風險分析，主要是分析利用這些信息是否比原設計汛限水位控制方法增加了風險？還是相等？如何定量計算汛限水位動態(tài)控制的風險度？目前，國內(nèi)許多學者對汛限水位動態(tài)控制的風險進行了研究。王本德等[91]在分析水庫預蓄效益與風險分析的必要性和主要困難的基礎上，提出了一種風險率的計算方法，并給出了一種以經(jīng)濟效益與風險率為目標的水庫預蓄水位模糊優(yōu)化控制模型及其求解方法。由于預報誤差對水庫及其上下游的風險及其復雜，難以直接通過設計洪水定量計算，于是有學者將隨機模擬方法應用到預報調(diào)度風險分析中。熊明[92]指出假定防洪安全標準、設計洪水標準缺乏必要的依據(jù)，給出了防洪安全風險計算的原則、方法及適用條件。梅亞東等[93]結合考慮水文、水力不確定性因素及調(diào)洪起始水位、調(diào)洪規(guī)則可選擇性等對大壩防洪安全的影響，采用隨機模擬方法計算了大壩防洪安全綜合風險率。并應用三角分布和正態(tài)分布描述水力不確定性對泄流的影響，得到水庫最高調(diào)洪水位隨機分布和洪水漫頂風險率。周惠成等[94]采用隨機模擬法，研究分析了水庫實施防洪調(diào)度方式相對于常規(guī)調(diào)度方式，水庫及其上下游風險率的變化。上述研究對分析水庫汛限水位動態(tài)控制的風險提供了許多依據(jù)。但是，這些研究忽略了兩個重要問題，第一，現(xiàn)行設計洪水計算規(guī)范中，設計洪水的頻率是分析歷史資料中的年最大特征值（洪峰、三日洪量、七日洪量等）計算得到的，因此水文中設計洪水的頻率對應的是每年最大一次發(fā)生的頻率。而實際中分析的降雨預報準確率、漏報率和空報率以及洪水預報誤差發(fā)生的頻率，是將歷史中的所有預報結果作為系列進行分析，其對應的頻率是每次發(fā)生的頻率。已有研究都未考慮兩種頻率的轉(zhuǎn)換，直接計算的風險率意義不明確。第二，目前對洪水預報誤差采用無邊界的正態(tài)分布進行描述，但實際上，誤差不是隨著降雨無限增大的，對于一次降雨徑流過程，在不發(fā)生泥石流或決堤等災害的情況下，當流域下墊面達到飽和時所有降雨基本全部產(chǎn)流，則誤差會逐漸趨于穩(wěn)定，控制在一個有限范圍內(nèi)。利用正態(tài)分布描述不符合洪水預報誤差的特點。因此，在分析汛限水位動態(tài)控制的風險時，有必要對上述問題做進一步研究。 本文主要研究內(nèi)容水庫的特殊性決定了水庫需要承擔防洪與興利的雙重任務，許多水庫在汛期為了防洪安全必須或多或少的棄水，造成洪水資源的浪費。隨著水文氣象預報科學理論的進展，洪水預報及降雨預報精度的提高，為動態(tài)控制水庫汛限水位，科學合理地利用水庫防洪與興利“重疊”庫容提供了可能。本文主要從短期洪水預報和汛限水位動態(tài)控制兩個方向，結合水庫汛限水位動態(tài)控制的課題項目，研究提高洪水資源利用率的問題。利用洪水預報進行水庫調(diào)度，首先必須保證有較高精度的預報方案。一些流域受降雨強度和空間分布不均勻性等非線性因素的影響，洪水過程預報精度不高。本文以國內(nèi)流域常用的產(chǎn)匯流模型為基礎，針對具體流域的特點，從物理意義出發(fā)，研究提高洪水預報精度的問題。預報精度固然重要，但不可忽略預報誤差的存在。隨著降雨和洪水預報精度的不斷提高，雖然可以將誤差控制得愈來愈小，但終究不能完全消除，誤差的存在具有普遍性和必然性。如何計算這些信息的誤差分布？如何計算利用這些信息后，水庫各特征水位的風險率？其風險度較原設計增加還是減少？能否采取適當?shù)拇胧┙档惋L險度？針對目前汛限水位動態(tài)控制中存在的這些問題，本文對誤差分布規(guī)律進行了研究，并從規(guī)劃設計的角度，建立了動態(tài)控制汛限水位的風險率定義與計算方法。這些方法的研究，將有助于汛限水位動態(tài)控制設計研究理論的發(fā)展與方法的推廣應用，提高洪水資源利用率。 本文研究內(nèi)容針對洪水預報和汛限水位動態(tài)控制中的一些問題，結合汛限水位動態(tài)控制的研究專題，從流域的實際特點出發(fā)，運用模糊優(yōu)選理論、極大熵理論、熵權多目標決策法、遺傳算法等先進科技理論，研究了產(chǎn)流模型中蒸發(fā)計算和蓄水容量的模糊描述、洪水預報模型參數(shù)的模糊相似校正方法、流域非線性匯流模型、誤差分布的極大熵模型以及考慮洪水預報和降雨預報動態(tài)控制水庫汛限水位的風險計算方法。按照這一總體研究思路，本文開展了以下研究：第一章—緒論主要闡述了我國洪災的特點和水資源短缺問題，分析從提高洪水資源利用率來解決兩個問題。并對水庫洪水預報研究的現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)闡述，進一步分析了水庫汛限水位控制方法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，指出當前洪水預報及汛限水位動態(tài)控制風險分析存在的主要問題。在此基礎上，提出本文研究內(nèi)容，確定了論文研究的總體思路和結構框架。第二章—蒸發(fā)和蓄水容量的模糊描述及參數(shù)校正方法研究對水庫產(chǎn)流模型調(diào)試結果不理想的問題，以大伙房產(chǎn)流模型為基礎，從蒸發(fā)簡化計算方法和土壤蓄水容量著手，引入隸屬度函數(shù)對蒸發(fā)和土壤蓄水容量進行模糊描述，解決了采用分級簡化計算導致蒸發(fā)參數(shù)比較敏感，蒸發(fā)量計算不合理的問題。并通過蓄水