基于Copula函数的桃林口水库防洪风险分析

为了对桃林口水库进行防洪风险分析,采用阿基米德Gumbel-Hougaard Copula连接函数,构建了入库洪峰与洪量的两变量联合分布模型,由随机抽样模拟洪峰和洪量系列,然后基于洪水类别生成洪水过程线。同时综合考虑了水库泄洪能力与水位库容关系水力不确定性因素,采用Monte Carlo法计算桃林口水库在现行常规调度条件下不同风险因子组合对应的水库调度风险定量关系。结果表明,桃林口水库防洪风险系统最主要的控制因素是水文风险,水力风险影响次之。降低汛限水位及采取合理的控泄方式可极大地减轻下游的防洪压力,而该调度方式下水库本身的风险率很小。研究成果为当地水库管理与防汛部门制定科学、合理的防洪规划,为未来合理利用洪水资源探索汛限水位动态化管理提供一定的参考。     

考虑洪水过程预报误差的水库防洪调度风险分析

根据洪水预报确定性系数的定义,推导了洪水过程相对预报误差的标准差与确定性系数的关系,分析了洪水过程预报误差的分布规律;采用水库调洪演算的随机微分方程,解析了方差率与预报误差分布规律的关系,从而将洪水过程预报误差的不确定性转化为库水位过程的不确定性,借以分析水库防洪预报调度的风险水平。以隔河岩水库为例,计算了不同洪水预报精度下水库防洪调度的极限风险率和漫坝风险率,为隔河岩水库开展洪水预报调度提供了科学依据。     

汛限水位动态控制的防洪极限风险分析

综合考虑水文、水力不确定性因素对汛限水位控制下的水库防洪极限风险进行研究，采用随机模拟方法计算极限防洪风险率。应用一阶季节性自回归模型模拟多场入库洪水序列，考虑水力不确定性对泄洪能力的影响，在给定调洪规则下对不同汛限水位方案进行调洪，得到水库最高调洪水位和防洪极限风险率。实例结果表明：水文因素的随机性和防洪调度规则是水库防洪风险的主要影响因素，水力因素对防洪风险影响不大，同时得出了水库面临汛限水位所能承受的极限风险率，为决策者安全度汛提供一种参考依据。     

两变量洪水结构荷载重现期与联合设计值研究

目前常用的两变量洪水重现期所判定的危险事件和表征的水库大坝水文失事情景都存在不符合实际的情况。本文以超过坝前最高水位的频率来度量防洪安全设计标准,开展两变量洪水结构荷载重现期与最可能联合设计值计算方法研究。以清江流域隔河岩水库为例,进行应用和比较研究。实例结果表明:与结构荷载重现期相比,"OR"和"AND"重现期最可能联合设计值的设计标准分别系统偏高和偏低,Kendall和生存Kendall重现期也存在不同程度的偏低或偏高。结构荷载重现期考虑了洪峰、洪量与水库调洪规则的交互作用,符合设计洪水的实质内涵,能够达到指定的防洪标准,可为水库防洪安全设计和风险分析提供更加科学合理的依据。     

基于年防洪标准的水库分期优化调度研究

以棉花滩水库为例,在不降低年防洪标准的前提下进行汛限水位分期优化调度。采用传统水文频率分析法推求分期设计洪水,分期洪水组合概率应与年洪水概率一致;建立分期设计洪水频率与相应防洪库容的两变量序列,根据拟定汛限水位的防洪库容插值求得防洪风险率;在分期防洪风险率组合满足年防洪标准的前提下,根据发电、调洪规则及其它约束条件进行长系列模拟,对各分期进行风险和效益转移,寻求整体最大效益。结果表明:汛限水位前汛期取168.78 m、后汛期取169.58 m,防洪风险率分别为1.217%、0.783%,组合风险率为1.99%;与年防洪标准2%基本一致,同时具有较大的兴利效益。     

基于蒙特卡洛法的水库汛限水位动态控制风险分析

为定量评估汛限水位动态控制对水库大坝防洪安全的影响,以基于预报预泄的水库洪水动态水位控制为研究对象,分析预报入库水量的误差、预泄采用的连续无雨天数,以及预泄采用的洪水预报预见期这三个不确定性因子给水库洪水动态水位控制带来的附加防洪风险和随机分布特征,利用蒙特卡洛随机模拟研究了汛限水位动态控制风险率的计算方法。以河口村水库为例,采用蒙特卡洛模拟方法分析了水库汛限水位动态控制的风险率,说明了该方法研究水库汛限水位动态控制风险的可行性。     

基于SAR模型和蒙特卡罗法的防洪调度风险分析

应用一阶季节性自回归模型生成多场入库洪水过程,考虑泥沙淤积状况和泄流能力不确定性影响,在给定汛限水位和调洪规则下对模拟洪水进行调洪演算,统计得到水库防洪风险率。实例分析结果表明：水文因素的随机性、库容与水位关系的不确定性是万家寨水库防洪风险的主要影响因素,泄流能力不确定因素对水库泄洪影响不明显;同时得出了各汛限水位方案下水库的防洪风险率,为万家寨水库前汛期动态汛限水位选择提供了一定的参考依据。     

变化水文条件下青溪水库汛限水位复核

上游水库的建成引起水文条件变化,改变了下游水库入库洪水过程,进而影响下游水库抵御洪水的标准。以青溪水库为研究对象,基于1951—2015年多年实测流量资料,模拟天然径流条件下与棉花滩水库运行条件下青溪水库设计洪水过程,对青溪水库汛限水位进行复核。结果表明:天然径流条件下,青溪水库的汛限水位设计值合理且满足运行要求;棉花滩水库运行条件下,青溪水库的汛限水位可由73 m提高至74.5 m,可优化青溪水库防洪与兴利关系,提高青溪水库发电效益。     

基于峰量联合分布推求设计洪水

洪水事件一般由洪峰与时段洪量等多个要素组成,各要素间通常存在较强的正相关性,应进行多变量联合分析。在进行多变量洪水频率分析时,对于给定的联合重现期水平,存在满足防洪标准的无穷多种峰、量组合,但并非所有的组合都符合水文事件的内在规律,只有在一定的范围内取值才是合理的。本文基于Copula函数构造洪水峰、量之间的二维联合分布,提出了一种确定两变量取值边界的方法,推导了两种具有统计意义的两变量联合设计值组合,即两变量同频率组合和条件期望组合。以清江流域隔河岩水库为应用实例,结果表明,两变量设计值组合对应的水库调洪最高水位高于单变量设计值,但差别不大,从防洪安全的角度考虑,推荐采用两变量同频率组合作为水库防洪设计值。所提方法拓展了多变量洪水频率分析技术在水利工程实际中的应用范围。     

水库汛限水位动态控制的风险评估

水库汛限水位的动态控制实质上是一种风险调度.在对短期水文预报不确定性分析的基础上,提出了将洪水预报精度等级评定指标转化为人库洪水过程的随机特征值的方法,利用水库调洪演算的随机微分方程,分析了不同预报精度等级和不同预见期条件下水文预报误差的传递与演化过程,并建立了水库汛限水位动态控制的风险率计算模型,以定量评估抬高汛限水位对水库大坝和下游河道防洪安全的影响.算例分析表明,汛限水位的抬高将使水库和下游河道的防洪风险率增大,通过提高预报精度和延长预见期可以降低由汛限水位拾高所增加的风险率.     

A quantitative model for danger degree evaluation of staged operation of earth dam reservoir in flood season and its application

Based on the natural disaster risk evaluation mode, a quantitative danger degree evaluation model was developed to evaluate the danger degree of earth dam reservoir staged operation in the flood season. A formula for the overtopping risk rate of the earth dam reservoir staged operation was established, with consideration of the joint effect of flood and wind waves in the flood sub-seasons with the Monte Carlo method, and the integrated overtopping risk rate for the whole flood season was obtained via the total probability approach. A composite normalized function was used to transform the dam overtopping risk rate into the danger degree, on a scale of 0–1. Danger degree gradating criteria were divided by four significant characteristic values of the dam overtopping rate, and corresponding guidelines for danger evaluation are explained in detail in this paper. Examples indicated that the dam overtopping danger degree of the Chengbihe Reservoir in China was 0.33–0.57, within the range of moderate danger level, and the flood-limiting water level (FLWL) can be adjusted to 185.00 m for the early and main flood seasons, and 185.00—187.50 m for the late flood season. The proposed quantitative model offers a theoretical basis for determination of the value of the danger degree of an earth dam reservoir under normal operation as well as the optimal scheduling scheme for the reservoir in each stage of the flood season.     

条件期望在两变量洪水频率分析中的应用

针对现行单变量洪水频率分析计算方法无法考虑洪水要素之间的相关性这一不足,采用Copula函数构建洪水峰、量之间的二维联合分布,根据条件期望的原理,提出了一种推求两变量设计洪水的新方法。以清江隔河岩水库为例,计算了1 000 a一遇的两变量设计洪水,推求了对应的设计洪水过程线,并与单变量设计值进行了比较。结果表明,两变量设计值大于单变量设计值,两变量设计值对应的水库调洪最高水位略高于单变量设计值。由于两变量频率分析考虑了洪水峰、量之间的内在相关性,更符合水文现象的内在规律,所推求的两变量条件期望设计值组合相对于单变量设计值而言也是偏安全的。所提方法为洪水频率分析提供了一条新途径。     

Risk analysis for earth dam overtopping

In this paper, a model of overtopping risk under the joint effects of floods and wind waves, which is based on risk analysis theory and takes into account the uncertainties of floods, wind waves, reservoir capacity and discharge capacity of the spillway, is proposed and applied to the Chengbihe Reservoir in Baise City in Guangxi Zhuang Autonomous Region. The simulated results indicate that the flood control limiting level can be raised by 0.40 m under the condition that the reservoir overtopping risk is controlled within a mean variance of 5×10-6. As a result, the reservoir storage will increase to 16 million m3 and electrical energy generation and other functions of the reservoir will also increase greatly.     

基于两变量分布的峰量联合分析

采用Gumbel 逻辑模型建立基于超定量取样的两变量联合分布,利用所建立的联合分布,给出了条件频率和两种两变量重现期的计算方法。以隔 河岩水库坝址洪水研究为例,分析了当洪峰超过其某一频率的设计值时,各不同频率的设计 洪量发生的条件频率,并对同频率设计值组合的两变量重现期进行了计算。研究表明在推求 设计洪水过程线时,洪峰和洪量同频率的假定并不是过于偏保守,甚至还存在一定的风险, 作为设计方法中的假定,具有一定的合理性。     

两变量极值分布在洪水频率分析中的应用研究

采用了一种两变量极值分布来研究长江流域上某个站点的洪峰流量Q和洪水总量V之间的联合分布。该联合分布由实测资料来进行率定。率定结果表明,观测值(Q,V)联合分布的理论概率和经验概率基本上相符。在洪峰流量Q和洪水总量V联合分布函数的基础上,就可以很方便地推求洪峰流量和洪水总量同时发生的概率,或者在给定一个变量(比如洪水总量)的发生概率的条件下推求另外一个变量(比如洪峰流量)发生的概率,从而能对水文事件的统计规律有更加全面的认识。     

漫坝风险分析在水库防洪中的应用

综合应用随机水文学、随机水力等等学科知识，全面考虑洪水、风浪、库容和泄水能力的不确定性、建立了土坝对抗洪水和风浪联合作用下的漫坝风险理论，并提出了风险取值标准。此法是防洪减灾的一种辅助策略。可在坝体坚固、管理人员素质较高的大型水库推广应用。综合     

Optimal Design of Seasonal Flood Limited Water Levels by Jointing Operation of the Reservoir and Floodplains

Reservoirs play an important role in the exploitation and utilization of water resources, and the flood limited water level (FLWL) is a key parameter to balance flood control and conservation in reservoir operation. This study is aimed at joint operation of the reservoir and floodplains to improve floodwater utilization and enhance economic benefits. The net profits, namely the benefits from power generation and water supply minus the losses from the flood volume diverted to floodplains, are set as the objective function. To maximize the net profits, an optimization model is then proposed. Finally, a nonlinear optimization technique, the complex method, is used to find the optimal seasonal FLWL. The China’s Danjiangkou Reservoir (DR) is selected as a case study. The results show that the joint use of floodplains enables 2.0 m and 0.5 m increment of FLWLs in summer and autumn, respectively, compared to the conventional FLWLs. Since the increment of the FLWL decreases the reservoir flood storage by 0.44 billion m³, the flood volume need to be diverted to floodplains is increased by 0.54 billion m³ per year. Meanwhile, the power generation and water diversion are increased by 0.59% and 2.99%, respectively. The assurance probabilities of power generation, water diversion and minimum flow are also increased by 1.1%, 0.96% and 0.70%, respectively. As a result, the economic benefits can be increased by 0.037 billion USD per year. It is concluded that the reservoir seasonal FLWL can be improved by joint operation of reservoirs and floodplains, which is able to enhance economic benefits without increasing flood risks. Moreover, the increment of economic benefits could be shared by reservoir managers and residents that live in floodplains. This novel operating approach is helpful to the integrated water resources management.     

基于 Copula 函数的飞来峡水库坝址洪水峰量联合分布研究

基于Copula函数分析了飞来峡水库坝址洪水洪峰和最大7 d洪量联合概率分布特征,获得如下结论：拟合优度检验指标表明4种Archimedean Copula 函数中Gumbel-Hougaard Copula函数拟合两者的联合概率分布效果较好;洪峰与最大7d洪量的联合重现期小于相应边缘分布的重现期,而同现重现期则大于相应边缘分布的重现期,以单变量计算推算的设计值实际上达不到所要求的设计标准;基于两变量联合分布得到的洪水频率分析计算结果更合理。