熵与模糊集理论在洪水预报及水库调度中的应用研究

摘要

我国洪涝灾害频繁发生，每年防汛任务十分艰巨，但同时又面临着日趋严重的水资源短缺问题。在保证防洪安全前提下，开发利用洪水资源，实现防洪与兴利并举，是近年来水文学科重点研究的问题之一。本文从洪水预报和汛限水位动态控制两个研究方向着手，以汛限水位动态控制研究专题的试点水库为工程背景，运用模糊优选理论、极大熵理论、熵权多目标决策法、遗传算法等理论，研究了蒸散发计算和流域蓄水容量的模糊描述、洪水预报模型参数的模糊相似校正方法、流域非线性汇流模型、误差分布的极大熵模型以及考虑洪水预报和降雨预报动态控制水库汛限水位的风险计算方法。主要研究内容和成果如下： (1)对产流模型中采用分级简化计算蒸发和流域蓄水容量描述存在的问题，以大伙房模型为例，首先利用隶属度函数对蒸发和蓄水容量进行模糊描述，解决了原分级计算导致蒸发参数敏感，蒸发量计算不合理的问题。并通过分析流域下垫面和径流特点，考虑了土壤蓄水容量的变化，进一步认识流域水文循环变化规律，提高了洪水预报精度。在此基础上，利用场次洪水降雨前期因素之间的相似性，从误差形成的物理机制出发，利用场次洪水降雨前期因素之间的相似性，建立了洪水预报模型参数的模糊相似校正方法。通过修正模型参数，达到校正产流预报结果的目的。 (2)对瞬时单位线流域汇流模型的非线性处理问题，通过考虑时段雨强和空间分布不均的非线性影响因素，提出了时变瞬时单位线非线性汇流模型。并针对规范中要求洪峰流量、峰现时间和确定性系数同时满足精度要求的多指标评价问题，提出两种目标评价函数——模糊综合目标函数和熵权多目标决策法来确定模型参数。在观音阁一莅窝水库的应用结果表明，对反推梯级水库区间汇流过程存在的负值、锯齿状和误差等问题，可采用区间洪水汇流和河道演进模型参数统一率定的方法解决。 (3)针对目前采用正态、对数正态等常用分布描述洪水预报误差存在的问题，根据实际洪水预报误差出现在有限区域的特点，建立了洪水总量预报误差分布的极大熵模型，计算了不同预报方案的极限误差，与常用分布进行了对比分析。对模型中的误差上限确定问题，从防洪安全的角度给出了初步确定方法。最后利用模型计算得到的误差分布，对预报误差的不确定性进行了估计。 (4)在桓仁水库和丹江口水库洪水预报与降雨预报精度分析的基础上，利用防洪预报调度方式和改进的预泄能力约束法，确定了桓仁水库与丹江口水库汛限水位动态控制域。在此基础上，联合降雨预报和洪水预报确定了桓仁水库动态控制汛限水位的上限。通过分析，在保证水库供水和发电效益的前提下，单独利用洪水预报、降雨预报信息以及两种预报信息联合应用，桓仁水库汛期最多分别可减少弃水 30.21×10<'6>m<'3>、60.42×10<'6>m<'3>和90.63×10M<'6>m<'3>；单独利用降雨预报信息，丹江口水库汛期最多可减少弃水 4.1×10<'8>m<'3>。 (5)研究分析了利用洪水预报和降雨预报信息动态控制汛限水位对水库的防洪风险。在王本德教授对汛限水位动态控制风险率定义的基础上，结合预报误差分布的极大熵模型，通过分析年频率与次频率的转换关系，建立了利用洪水预报以及洪水预报和降雨预报联合应用动态控制水库汛限水位的风险率定义及其计算方法。分析了桓仁水库和丹江口水库汛限水位动态控制的风险，并对采用不同误差分布计算得到的风险率进行了对比分析。最后给出了同一特征水位在不同控制汛限水位下的风险分布。 最后对全文作了总结，并对有待进一步研究的问题进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题背景

1.1.1我国的洪涝与干旱灾害

1.1.2我国水资源短缺问题

1.1.3提高洪水资源利用率

1.1.4实际工程背景

1.2水库洪水预报研究现状综述

1.2.1产流预报研究进展

1.2.2流域汇流模型研究现状

1.2.3洪水预报误差规律研究现状

1.2.4实时校正研究现状

1.3水库汛限水位动态控制及其风险分析研究现状

1.3.1洪水预报成果和降雨预报信息的可利用性

1.3.2水库汛限水位控制方法研究现状

1.3.3汛限水位动态控制风险分析研究现状

1.4本文主要研究内容

1.4.1本文研究内容

1.4.2论文研究框架

2蒸发和蓄水容量的模糊描述及参数校正方法研究

2.1问题的提出

2.2蓄水容量和蒸发计算的模糊描述

2.2.1大伙房产流模型

2.2.2蒸散发计算的模糊描述

2.2.3土壤蓄水容量的模糊描述

2.3参数敏感性分析

2.4洪水预报模型参数的模糊相似校正

2.4.1洪水相似性分析的多指标体系

2.4.2相似洪水的多目标模糊优选识别模型

2.4.3洪水预报模型参数的模糊相似校正

2.5实例应用

2.5.1桓仁水库流域概况

2.5.2桓仁水库产流预报方案

2.5.3参数敏感性分析

2.5.4桓仁水库产流模型参数的模糊相似校正

2.6小结

3梯级水库区间流域非线性汇流模型研究

3.1引言

3.2瞬时单位线汇流模型

3.3时变瞬时单位线非线性汇流模型建立

3.3.1在瞬时单位线中考虑降雨的空间分布变化

3.3.2在瞬时单位线中考虑降雨强度的变化

3.3.3时变瞬时单位线模型结构

3.4时变瞬时单位线模型参数求解

3.4.1参数率定方法

3.4.2目标函数

3.5观音阁～葠窝水库区间流域汇流预报方案研究

3.5.1葠窝水库流域概况

3.5.2葠窝水库区间产流预报方案

3.5.3观音阁～葠窝水库区间汇流预报方案

3.6小结

4洪水预报误差分布规律分析及不确定性估计

4.1引言

4.2极大熵原理

4.2.1熵的产生与发展

4.2.2极大熵原理

4.3洪水预报误差分布的极大熵模型建立与求解

4.3.1洪水预报误差分布的极大熵模型建立

4.3.2洪水预报误差分布的极大熵模型求解

4.3.3应用极大熵模型求解概率密度函数举例

4.4水库洪水预报误差分布规律分析

4.4.1水库洪水预报误差分布求解

4.4.2不同预报误差分布比较分析

4.5预报误差分布上限确定

4.6误差的信息熵估计

4.6.1信息熵估计方法

4.6.2水库产流预报误差的信息熵估计

4.7小结

5水库汛限水位动态控制域的确定

5.1引言

5.2桓仁水库汛限水位动态控制研究现状

5.3利用洪水预报确定桓仁水库汛限水位动态控制上限值

5.3.1利用洪水预报信息的可行性分析

5.3.2桓仁水库设计洪水调洪结果复核

5.3.3桓仁水库设计洪水净雨推求

5.3.4利用预报调度方式确定汛限水位动态控制的上限

5.4利用短期降雨预报确定水库汛限水位动态控制的上限值

5.4.1短期降雨预报精度分析

5.4.2不同量级降雨漏报条件下实际降雨分布规律分析

5.4.3改进预泄能力约束法确定桓仁水库汛限水位动态控制上限

5.4.4改进预泄能力约束法确定丹江口水库汛限水位动态控制上限

5.5降雨预报和洪水预报联合应用确定桓仁水库汛限水位动态控制上限

5.6小结

6水库汛限水位动态控制的风险分析

6.1引言

6.2水库年频率与次频率转换关系

6.2.1桓仁水库次频率样本选取分析

6.2.2桓仁水库年次频率关系

6.2.3不同水库年频率与次频率的关系

6.3水库汛限水位动态控制风险率的定义

6.3.1水库设计风险率定义

6.3.2水库汛限水位动态控制风险率定义

6.4利用洪水预报动态控制水库汛限水位的风险分析

6.4.1利用洪水预报动态控制汛限水位的风险率计算方法

6.4.2桓仁水库利用洪水预报动态控制汛限水位的风险分析

6.4.3利用洪水预报各特征水位的风险分布

6.5利用短期降雨预报动态控制水库汛限水位的风险分析

6.5.1考虑无雨和小雨预报动态控制汛限水位的风险分析

6.5.2预报中雨及以上量级降雨桓仁水库动态控制汛限水位的风险分析

6.5.3大坝所能抵御洪水标准的变化分析

6.6桓仁水库洪水预报和降雨预报联合应用动态控制汛限水位的风险分析

6.6.1洪水预报联合无雨和小雨预报动态控制水库汛限水位的风险分析

6.6.2洪水预报联合中雨及以上量级降雨预报动态控制汛限水位风险分析

6.7小结

7总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢