（水文学及水资源专业论文）平原河网地区洪水资源利用问题研究.pdf

摘要 经济社会可持续发展对水资源需求的全面提升，不仅意味着供水量的增加， 更对供水保证率及水质标准提出了更高的要求。我国大部分地区汛期年内连续4 个月的降水量占全年的6 0 8 0 ，即水资源有2 3 左右是难于利用的洪水径流 量，在水资源供需矛盾日益突出的背景下，洪水资源利用问题愈显重要。本文以 天津市北三河系平原河网地区为例，对雨洪水资源利用的可行性研究、丰枯补偿 特性分析、蓄滞洪区洪水资源利用问题、平原河道洪水资源的模拟分析以及平原 河网洪水资源利用问题进行了深入研究，主要内容和结论如下： ( 1 ) 针对雨洪水资源化潜力的动态性，引入雨洪水资源化理论潜力、可实 现潜力、现实潜力和待开发潜力的概念，经计算得出：天津市北三河各流域有进 行雨洪资源利用的水资源条件，同时指出北三河系有洪水资源利用的工程条件， 因此，在该流域开展雨洪水资源利用工作是必要的、可行的。 ( 2 ) 依次采用集对分析方法和c o p u l a 函数方法对天津市北三河各流域的降 雨、入境径流量、入境径流量同境内降雨、入海水量的丰枯补偿特性进行了分析， 两种方法相互验证，为水资源补偿特性分析提供了新途径，分析结果表明：北三 河系的洪水资源利用模式并没达到较为理想的结果，在该地区进行补偿调度是可 行的、有意义的。 ( 3 ) 指出蓄滞洪区存蓄洪水产生的损失应包括淹没损失和后期遭遇洪水时 产生的附加损失两部分内容，并建议采用“附加损失期望值的概念来描述附加 损失的平均大小；构建了蓄滞洪区洪灾风险评价指标体系，给出了相对风险度的 计算方法及评判标准；以大黄堡洼为例，对其洪水资源利用各蓄水情景进行了损 失、效益估算，举例说明了相对风险度较综合风险度更能增强决策者的风险意识， 从而提出应对策略。 ( 4 ) 阐述了洪水资源利用规划的内涵，总结了洪水资源利用方案的综合评 价方法，将所建立的适用于平原河网地区的蓄满一超渗蓄满三层耦合产流模型和 一维非恒定流平原河网模型，应用到考虑洪水资源利用因素的实时调度中，并以 大黄堡洼为典型区域进行了模拟计算，给出了控制分洪水量依次为7 0 8 万m 3 和 1 0 3 4 万m 3 时的损失、效益和风险值。 关键词：洪水资源化潜力；集对分析；c o p u l a 函数；补偿特性；附加损失；相 对风险度；实时调度 a b s t r a c t t h ec o m p r e h e n s i v ea l l l a n c e m e n to fr e q u i r e l l l e n to fw a t e rr e s o u r c e sf 而m s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i 哟，n o to i l l yr e q u n si n c r e a s i n gw a t e r s u p p l y 锄o u n t ，b ma l s or c q u i r e sm et l i 曲e rw a t e rs u p p l yg u a r a n t e er a t ea 1 1 dn l el l i 曲e r w a t e rq u a l i t ys t a n d a r d i nm o s ta r e a so fc h i l l a ，t h ep r e c i p i t a t i o n 锄u n to fn o o d s e a s o ni sa c c o u 咀tf o r6 0 - 8 0 t on l a to ft l l ey e a r ，t h a ti st os a ya b o u t2 3w a t e r r e s o u r c e si sn o o dm n o f rw 1 1 i c hi sd i 伍c u l tt ou t i l i z e ，t h e r e f o r em ep r o b l e mo fn o o d u t i l i z a t i o ni sm o r es i 9 1 1 i f i c a mo nm eb a c k g r o m l do fm o r es e r i o u sc 0 川1 i c tb e t w e e n w a t e rs u p p l ya n dw a t e rd 锄a n d t 冰崦b e i s a i l 鼬v e rn e to ft i a n j i i lc 毋f o re x 锄p l e ， n l i sd i s s e r t 撕o ni sp r o c e s s e d 汕砌m d i n gf e a s i b i l 时s t u d yo fn o o du t i l i z a t i o 玛 c o m p e n s a t i o nc h a r a c t 甜s t i c so f 锄p l ef l o wa n dl o ww a t e r ，n o o du t i l i z a t i o ni i ln o o d d e t e n t i o na r e a ，n l es i i n u l a t i o na n a l y s i so fn o o dr e s o u r c e si l lp l a i l lc h a n n e l ，a n df l o o d u t i l i z a t i o ni np l a i l lr i v e rn e 觚o r k t h em 咖r e s e a r c hc o n t e n t sa n dc 衄c l u s i o i l sc a nb e 跚m m a r i z e da sf o l l o w i i l g ： ( 1 ) t h ec o n c 印t i o na i l d 撕t h m e t i co ft h c o 硎c a l ，a v a i l a b l e ，r e a l i z e da i l dt ob e e x p l o i t c dp o t i e n t i a l s o fr a i l l f l o o dr e s o u r c e sa r e 砷m d u c e df o ri t s d y n a i n i c c h a t a c t e r i s t i c t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h e r ea i ew a t e r e s o u i e sc o n d i t i o n s 锄de n g i n e 硎h gc o n d i t i o i l s ，m e r e b yi ti sn e c e s s a r ya n df e a s i b l et 0c 踟yo u tf l o o d u t i l 讫a t i o nj o b ( 2 ) u s i n gm es e tp a i r 恤。叮a l l dc o p u l a 劬c t i o nw h i c ha r ep r o v i d e dn e ww a y f o rc o n l p e t l s a t i o na n a l y s i s ，t h cc o m p e n s a t i o nc h 硝l c t e r i s t i c so fp r e c i p i 协t i o n ，i n n o w r u n o 或i n n o wn m o f f 锄dp r e c i p i t a t i 0 1 1 ，o u t f l o wr u n o 仃i s 黝1 y z e d ，n i n o u 曲v 嘶f - y 矗塔 e a c ho 廿1 m er e s u hs h o wt h a ti ti sf e a s i b l e 跹dm e a i l i n g 伽t op r o s e c u t e c o m p e n s a t i o nr e g u l a t i o ni nb e i s a n r i v e ri 蛾w o r ka r e af o r “s i m p e r f e c tn o o d u t i l i z a t i o np a t t e m ( 3 ) t h el o s sc a u s e db ys t o 血gn o o di nd e t e m i o nb a s i ns h o u l dc o n t a i ns u b m e 唱e l o s sa 1 1 da d d i t i 伽脚l o s sp r o d u c e db y 锄c o 蚰t e r i n gf l o o dl a t e r ，a n d 铀ee x p e c t a t j o n v a l u eo fa d d i t i o n a ll o s s ”i sp r o p o s e dt od e s c r i b et h ea v e r a g ev a l u eo fa d d i t i o n a ll o s s t h e i lt h ed s ke s t i n l a t i o ni n d e xs y s t e mo fd e t e m i o nb a s i i li sc 蛐c t e d ，t h e c a l c u l a t i o nm e t h o da n dj u d g ec r i t e r i ao fr e l a t i v er i s ka r ep r e s e i l t e d a tl a s t ，t h el o s s a n db e n e 丘to fe a c hw a t c rs _ t o r a g es c e n ea r ec a l c u l a t e da n dw “hc o n ：t r a s to f c 伽叩r e h e n s i v e 敲v a l u e ，r e l a t i v er i s kv a l u e c a ne n h 锄c et h ed e c i s i o n m a k 盯sr l s k c o n s c i o u s n e s s 狐ds oa s t oc o m s p o n d 诅gm a n a g e m e i l ts t r a t e g ) rc a n b ep “) p o s e d ( 4 ) t h ec o n n o t a t i o n0 ff 1 0 0 du t i l i z a t i o nl a y o u t i sd e s c 舶e d ，c o m p r e h e i l s l v e c v a l u a t i o nm e m o d so fm ep r o j e c t sa r e 渊衄a r i z e d t h r e el a y e r sr u n o 丘y l e l d m o d e l o nm ep l a 主n 绷，础c hi sc o u p l e d o f 如1 ls t o r a g e ，e x c e s s 砸l t r a t i o n 雒d 如l ls t o r a g e a n d1 du n s t e a d yn o wc o m p u t a t i o n m o d e la r ea p p l i e d t or e a l 。t 1 d 舱r e g u l a t l o n c o n s i d e 血g f l o o du t i l i z 堍f a c 妣嘲血gd m 脚g p u d e 僦i o n b a s ma sa r 印r e s 衄t a t i v ea r e a ，m e l o s s ，b e n e f i t ，a n dr i s k u n d e rs t o r a g ew 撇q u a n t l t ) r o t 7 ：) 8 1 0 6m 3a n d1 0 3 4 1 0 7m 3a r eg i v e no u t k e y w o r d s ： f l o o du t i l i z a t i o np o t e n t i a l s ；s e t p a i r t h e o r y ；c o p u l a 如n c t l o 玛 c o m p e n s a t i o nc h a r a c t 砸s t i c ；a d d i t i o n a l l o s s ；r e l a t i v e 而s k ；r e a l - t l l l l e r e g u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在水利部河北水利水电勘测设计研究院 工作期间研究丌发的项目，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得天津大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。指导教师及我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毛慧慧签字同期：卅年5 月o 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学术论文的规定。特授 权天津大学可以将学术论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅或借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件或磁盘。 ( 保密的学术论文在解密后使用本授权说明) 学术论文作者签名：毛慧葱 导师签名： 场幻 j 签字同期：幻d 7 年5 月f o 同签字同期：办斫年y 月、o 同 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 1 1 1 我国水资源概况 第一章绪论 我国水资源时空分布极不均匀，与土地资源在地区组合上不相匹配，水的供 需矛盾十分突出。我国水资源具有以下特点【1 】： ( 1 ) 水资源总量较丰富，人均水量较少 我国河川径流量2 7 1 1 5 亿m 3 ，居世界第四位，约占全球河川径流量的5 8 。 但是，我国幅员辽阔、人口众多，以占世界陆地面积7 的土地养育着占世界2 2 的人口，因此人均和亩均占有的水量却大大低于世界平均水平。 ( 2 ) 水资源时空分布极不均匀 我国水资源的地区分布很不均匀，北方水资源贫乏，南方水资源丰富，南北 相差悬殊。长江及其以南诸河的流域面积占全国总面积的3 6 5 ，却拥有全国 8 0 9 的水资源量；而长江以北河流的流域面积占全国总面积的6 3 5 ，却只占 有1 9 1 的水资源量。此外，水资源年际年内变化很大。径流量的逐年变化存在 明显的丰平枯交替出现及连续数年为丰水段或枯水段的现象。径流量年际变化大 与连续丰枯水段的现象，使我国经常发生旱、涝或连旱、连涝现象，加大了水资 源开发利用的难度。 ( 3 ) 水资源与人口、耕地分布不相匹配 北方人口占全国人口的2 5 ，耕地占全国耕地总面积的3 5 ，而北方水资源总 量仅占全国水资源总量的l 5 ，人均水资源拥有量为1 1 2 7 m 3 ，每公顷耕地拥有水 资源量为9 4 6 5 m 3 ( 亩均6 3 1 m 3 ) 。由此可见，我国北方地区耕地丰富，而水资源 占有量低，这是制约当地经济发展的主要限制因素。 1 1 2 洪水资源利用的必要性 随着人口的增加和工农业的发展，人类活动对自然界影响越来越大。水资源 量的日益匮乏、水污染、生态环境的恶化、水资源的开发费用日益昂贵，种种迹 象表明水资源危机日益严重。与此同时，汛期大量的弃水排入大海，洪水资源利 1 第一章绪论 用应运而生。洪水资源化具有鲜明的时代特征，是实现由控制洪水向洪水管理转 变的重要途径与方法，是合理开发利用水资源，解决中国北方水资源短缺问题的 现实选择。 天津是一个水资源严重短缺的城市，同时又是受洪涝灾害严重威胁的城市， 水资源的时空分配极不均衡。水资源短缺问题已成为天津社会经济可持续发展的 重要制约因素。 自1 9 9 7 年以来，天津市连续7 年遭到严重干旱，潘家口水库和于桥水库蓄 水量锐减。虽然天津市采取了一系列开源节流的措施，但是每年城市缺水量仍达 到5 亿m 3 。为保证社会经济的正常发展，2 0 0 0 年以来先后进行了4 次引黄济津 调水。为了生存和发展，天津市曾经严重超采地下水，仅天津市南部地区，从 1 9 7 1 年至1 9 9 7 年累计超采深层地下水5 6 亿n 1 3 。地下水的严重开采，形成了大 面积的地下水开采漏斗，地下水水位下降的最大深度已达9 0 m ，并形成了 7 3 0 0 k m 2 的地面沉降区，最大沉降量达到3 m 多，给天津市的可持续发展带来重 大影响。再者，地下水是短期内不可再生资源，中心城区及周围地区、塘沽、汉 沽、大港和静海县地下水超采严重，已无进一步开发的潜力。天津市农业用水目 前主要靠当地地表水、污水、地下水维持。目前污水灌溉面积达2 0 0 万亩，占耕 地面积的三分之一，严峻的缺水现实严重制约了农业的发展。同时由于缺水，河 流断流、湖泊干涸、生态环境恶化、水污染严重，制约天津的快速发展。在地表 水严重不足、地下水日益枯竭的情况下，寻找新的水资源已成为当务之急。为此， 适时转变治水观念、合理利用雨洪水这种资源，有着巨大的经济和社会效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 雨洪水资源利用研究进展 ( 1 ) 雨洪水资源利用研究概况 在对洪水资源属性及其在生态方面认识不断加深的情况下，许多国家应对洪 水的策略也随之调整。德国、法国和荷兰水务管理部门普遍采用“还河流以原态， 与洪水共存 的治水方略，政府强调实施可持续的水务管理政策，“恢复自然状 态正逐步替代“抵御洪水肆虐的策略，【2 1 。在日本，结合防洪的多目标平原水 库、蓄滞洪区体系已逐步建成，把丰水年的洪水资源常年储备起来作为备用资源 水库【3 1 。 由于水资源供需矛盾突出并将长期存在，用传统的思路、办法不能缓解我国 水资源短缺问题，因此，在我国实行洪水资源化已经势在必行，其重要性引起了 2 第一章绪论 广泛关注。田友【4 】对洪水资源化在海河流域水生态恢复中的重要性、及其实现途 径做了探讨。在借鉴国内外一些洪水资源化尝试的经验基础之上，李继清【5 】、冯 峰【6 】、高玉琴【刀等在分析了洪水资源化的必要性后，对其实现途径及其由此产生 的各种风险进行了探讨，并针对这些风险提出了相应的风险管理对策。 此外，张欧阳等【8 】根据流量变化的特点，提出了洪水灾害特性向资源特性转 化的几种基本模式，通过“留”、“配、“引、“防”减小洪水灾害的风险， 使洪水灾害转化为洪水资源。许士国掣9 】通过对嫩江与洮儿河上有关水文站4 5 年 水文资料的比较，分析了利用月亮泡水库蓄引嫩江洪水的有利条件，并据此提出 了相应的洪水资源利用措施。刘攀等【lo 】指出水库具有洪水资源化能力，优化水库 防洪参数和规则，进行水库洪水资源化调度是一种直接、经济的非工程措施，可 高效地利用雨洪资源、变汛期水为非汛期水，并对水库洪水资源化调度中的若干 问题进行了探讨。马正耀j 对黑河干流莺落峡站最大3 0 天、6 0 天洪量对年径流量 的比率和洪水资源比率与日均流量倍比关系作了分析研究，并提出了洪水资源利 用的思考。高宗强等 1 2 j 采用历史资料分析了汾河水库洪水资源化利用程度，估 算了汾河水库的洪水资源量，并根据汾河水库上游来水特点，探讨了汾河水库实 施洪水资源化的途径。孔孟【j 3 j 以通河水库为背景，研究了其洪水资源利用问题。 ( 2 ) 水库洪水资源利用研究进展 水库在防洪、发电、供水、灌溉、旅游、保障城乡及重要交通干线中发挥了 重要作用，“水利是国民经济的命脉 ，而水库是命脉之源，因此提高水库的利 用率是洪水资源利用的重要方式。为改变水库汛期弃水而汛后又缺水的矛盾局 面，改变现行水库固定时间固定汛限水位的调度方式，利用短期气象预报和洪水 预报信息，在不改变现有防洪标准的前提下挖掘水库预报调度的潜力，实现防洪 与兴利效益的转换，是提高洪水资源利用率的有效措施。 水库调度方面，n 莉i n i 等【1 4 j 针对供水与防洪管理目标，用风险厌恶及期望 成本相结合的方法来确定水库最优运行策略。w i i l d s o r l l 5 】最早进行了线性规划研 究。针对动态规划的维数灾问题，学者们提出了大量的改进措施，主要包括粗网 格内插技术【l6 1 、动态规划逐次逼近法( d p s a ) 【1 丌、离散微分动态规划法( d d d p ) 【1 8 】、逐步优化算法( p o a ) 【1 9 】等。库群调度决策过程中需要考虑多种目标以及 决策者的偏好要求，因此学者们应用多目标分析方法【2 0 j 解决此问题。随着预报技 术的发展及空间数据决策支持系统的研究，多位学者对有预报的水库实时调度进 行了研究，如灿s a b h a l l 等【2 1 j 采用基于w w w 的方法克服了现有实时预报系统 存在的缺陷，并指出了模型与g i s 的接口处理。此外，新的优化技术( 遗传算法 【2 2 】、神经网络【2 3 】、模糊集合c 2 4 1 等) 以及多种优化理论的耦合在水库调度中也得 3 第一章绪论 到了一定的应用。 自1 9 9 6 年“水库汛限水位动态控制的定义、基本概念与方法提出后，在 新时期治水思想“从洪水控制向洪水管理”的指导下，国内多位专家学者致 力于这方面的研究，研究成果丰硕。其中，胡振鹏等【2 5 】在丹江口水库的汛期过渡 期水库运用方案研究中提出了三种汛限水位的提高方案，并建立了随机动态规划 的优化调度模型，得出了最优调度方案；王本德等【2 6 】、陈守煜等2 7 1 、冯平等【2 8 】 采用模糊分析方法来确定水库汛限水位：方崇惠掣2 9 】在漳河水库研究中建立观音 寺和鸡公尖双库调洪演算计算模型，通过对两个水库进行协调，增加蓄水量，提 高了水库兴利效益；高波等【3 0 】在汛限水位动态控制理论的基础上，综合利用新技 术来改进水库洪水预报、洪水量级别判断和蓄水时机选择的技术途径，为动态控 制汛限水位实现洪水资源利用进一步提供了技术保证。 为了利用各种科技手段和信息，突破当前水库防洪调度运用的观念，汛限水 位实时动态控制【3 l 】的新理念应运而生。刘攀等【3 2 】阐述了实时调度中的可接受风 险，讨论了实时调度与传统汛限水位之间的关系，通过调度末水位耦合汛限水位， 建立了带有机遇约束的水库汛限水位实时动态控制模型。王本德等【3 3 】基于汛限水 位实时动态控制的新理念，提出汛限水位实时动态控制方案的决策方法及其实施 步骤。 此外，随着预报技术和汛期水位确定方法研究的发展，水库优化调度将成为 挖掘洪水资源潜力的主要方式。相关研究较多，王兴菊等【3 4 】提出了综合利用水库 的多目标优化调度理论；徐刚等 3 5 】将蚁群算法引入到水库优化调度中，结果表明 该方法能较好的解决传统的动态规划方法求解水库( 群) 优化调度问题存在的 “维数灾”问题；曹永强掣3 6 】利用大系统分解协调理论建立水库群联合优化调度 模型为发挥水库群的整体补偿作用和内部潜力、科学利用洪水资源提供了科学 的依据；程春田等【37 】指出多种优化理论的耦合，基于巨型计算机、并行分布式计 算技术以及网络技术的优化方法，基于规则的优化调度方法研究以及空间数据的 决策支持系统研究，是今后水库群优化调度研究的发展方向；邱林等【3 8 】将混沌优 化算法运用到水库优化调度中；王本德等【3 9 】从洪水资源化与水资源可持续开发利 用的角度建立水库防洪与补源优化调度的数学模型，经与常规调度相比，结果表 明引洪补源优化调度能提高洪水资源利用率，补源效益十分显著；解建仓等刚 提出了一种基于自适应遗传算法的水库优化调度问题的求解方法；李梅等【4 l 】构建 并给出了基于预报期和余留期预报来水量的水库余留库容云模型决策模型及云 模型决策方法。 综合看来，利用水库调整汛限水位来实现洪水资源利用已得到学术界的认 可，并且已取得丰硕成果，相关研究已应用于实践，并获得了一定的效益。 4 第一章绪论 ( 3 ) 平原地区洪水资源利用研究进展 平原地区一般是通过蓄滞洪区、泡、沼、低洼地等主动蓄洪来实现洪水资源 化。国外的蓄滞洪区基本上无人居住，美国在行蓄洪区设置时采取的一次性赔偿 措施；日本因土地稀缺，蓄滞洪区通常兼具蓄洪、娱乐、甚至生态修复等多目标 利用的功能4 2 1 。此外，c a r l e t o n 等【4 3 1 、心e s c l l i l a k 等畔1 先后对蓄洪对湿地、蓄洪区 的纳污能力进行了分析。y a o 等【4 5 】对小流域蓄滞洪区的蓄洪量估算问题进行了分 析，经分析指出蓄滞洪区的出入流均为三角形分布时的滞洪量最大，并且入流过 程越长滞洪量越大。 向立云等m 】以海河流域的大黄堡洼和白洋淀为例，研究蓄滞洪区的洪水资源 化利用模式，反映出蓄滞洪区的主动运用是洪水资源化综合利用的重要方向，也 是湿地恢复与重建的重要途径。陈守煜等 4 7 】提出融入遗传算法的模糊优选神经网 络智能决策模型，对松花江流域蓄滞洪区方案优选进行智能决策。付湘等【4 8 】对蓄 滞洪区的洪水保险工作进行了研究。高学平等【4 9 5 0 】先后对蓄滞洪区的最大蓄水量 问题、最优蓄水位的确定方法进行了探讨。曲兴辉【5 l j 在分析平原水库功能特性和 水资源系统结构的基础上，论证了科学规划和因地制宜修建平原水库的必要性， 研究了平原地区水资源开发利用的新模式。彭静等【5 2 】建立了蓄滞洪区水质预报模 型，分析了海河流域蓄滞洪区在各种分洪条件下的水质状况。赵飞等【5 3 j 讨论了湿 地与洪水及洪水资源化的关系，分析了湿地与重建的概念，介绍了洪水资源化利 用的方法和措施。崔丽娟掣删采取扎龙湿地水资源敞开式向封闭式管理的转变， 以工程手段促进扎龙湿地水源的优化配置等一系列湿地补水措施。涂向阳等【5 5 】 建立了考虑蓄滞洪区的淹没损失、防洪效益、供水效益和生态效益等指标的评价 体系，引入模糊理论优选蓄水方案，为实施洪水资源化方案提供量化依据。刘兴 土【5 6 j 研究了三江平原沼泽湿地的蓄水与调洪功能，结论表明，平原上的沼泽具有 巨大的蓄水能力。此外，丁涛等【57 】提出了河网目标控制水位优化计算模型，在台 州市温黄平原河网调度中得到了初步应用。 从已有的研究成果和实践来看，主动运用蓄滞洪区实现洪水资源利用已达成 共识。从追求人与自然和谐的目标出发，蓄滞洪区主动分洪，恢复湿地是洪水资 源化的主要方式之一。 ( 4 ) 流域洪水资源利用研究进展 在各单项雨洪资源利用模式日臻完善的基础之上，流域的洪水资源利用研究 工作逐渐开展起来。国内学者田友【4 】、李长安【5 8 1 、王道席等5 9 1 、胡彩虹等删先后 对海河流域、长江流域、黄河流域的洪水资源化问题作了探讨。此外，跨流域的 洪水资源利用方式也是洪水资源利用的重要措施。6 0 年代以来，全国各地已先 5 第一章绪论 后兴建起一批跨流域调水工程。引大济湟、引滦入津、入唐、万家寨引黄工程、 引黄济青等一大批跨流域调水工程，产生了巨大的经济效益、社会效益和生态效 益，为缓解水资源供需矛盾发挥了巨大作用。正在修建的南水北调工程是解决我 国北方地区水资源短缺问题的重大战略举措，是实现我国水资源南北调配、东西 互济，构筑我国黄淮海流域乃至整个北方地区经济社会可持续发展之水资源保障 体系的有效途径，通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大河系的联系， 构成以“四横三纵 为主体的水资源调配总体布局，其内涵也是人工控制水资源 的再分配，洪水资源利用的再分配是其中一个重要部分。 ( 5 ) 城市雨洪水资源利用研究进展 雨水作为一种很有价值的水资源，2 0 世纪6 0 年代初发达国家就已开始重视雨 水的利用和资源化研究。德国、美国、丹麦、日本等一些国家的雨水利用技术已 经进入了产业化和标准化阶段。国外发达国家城市雨水利用的主要经验是：建立 了完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统；制定 了一系列有关雨水利用的法律法规；收集的雨水主要用于冲厕所、洗车、浇庭院、 洗衣服和回灌地下水【6 。 我国对于雨水资源的利用和开发起步比较晚，主要始于2 0 世纪8 0 年代【6 2 】。目 前在全国的许多地方已经开始了进行雨水利用的实践和研究。对于城市雨水资源 的利用，西安、大连、深圳、北京、郑州、上海等城市相继开展了雨水资源利用 研究，特别是北京的步伐较快，北京的城市雨水利用工程已经走入了实施推广阶 段。孙晓英【6 3 1 、赵廷红【删等分别对实现城市雨水资源利用的基本途径作了探讨。 雨水水质问题是有效利用城市雨水资源和控制非点源污染的基础，车伍【6 5 】、王彦 红州等对该问题进行了探讨，并提出了相应的控制策略。与此同时，宋进喜【6 7 1 、 赵彦伟【6 8 】等指出充分开发利用雨水资源不仅可以解决城市水资源危机，而且还会 带来诸如：涵养地下水、缓解地面沉降、调节气候、改善城市环境、防治雨洪灾 害等一系列生态环境效应。 在蓄水场所上，徐航等【6 9 】提出了以雨水综合池作为平抑洪峰、削减污染和回 用雨水的综合性构筑物，建立城市雨水“防洪、减污、回用”综合控制系统。潘 文东等【1 7 0 】经分析计算指出采用下凹式绿地对滞蓄和入渗雨水效果显著，雨水资源 利用的潜力巨大。 此外，城市雨洪水资源利用工作也有所进展。魏素清等【7 l 】根据天津市水资源 现状及雨洪水调度的优势，提出天津市各河系雨洪水调度方案。冯学武等【_ 7 2 】在分 析了潍坊市水资源的总体状况之后，提出了存在的问题及相应的洪水资源利用对 策。近年来，吉林省白城市通过引蓄嫩江、洮儿河汛期洪水资源，缓解农业、生 6 第一章绪论 态缺水的矛盾，取得了明显的效益【7 3 7 5 1 。尚志海等7 卅建议城市在遵循生态效益最 大化的原则下，化害为利，通过城市雨洪收集利用，利用水库、湖泊蓄水，引水 输沙，引水冲污等措施实现城市洪水资源化。 1 2 2 洪水资源利用风险效益研究进展 风险与效益同在，为此，洪水资源利用必须引入风险管理机制，实现风险共 担、利益共享的运作模式。洪水资源利用风险是泛指在特定的时空环境条件下， 在利用洪水资源解决水资源短缺和维系良好生态环境的过程中，所发生的非期望 事件及其发生的概率并由此产生的损失程度【_ 7 。7 1 。由此可以看出，洪水资源利用风 险范围不仅包括对洪水风险的研究，还包括水资源短缺和生态环境恶化方面的研 究。 对于洪水等水文极值事件而言，风险分析是一件强有力的研究工具。尤其是 在洪水分析与计算中，由于引入了洪水风险率的概念，得以从新的角度去认识和 把握洪水。目前，洪水的风险分析方法己从直接积分法、m c ( 蒙特卡罗) 法、 m f o s m ( 均值一次两阶矩) 法、s o ( 二次矩) 法，发展到a f o s m ( 改进一次两阶矩) 法、j c 法等。t o d o r o v i c 等【7 8 ，7 9 】基于极值理论，借助所谓p o t 模型，最先描述了季 节性洪水风险的变化情况，随后又对前述p o t 模型加以改进，使之可以推广到非 同分布的随机变量。w o o d i 踟】将水文过程的不确定性分为3 种类型：水文过程随机 特性引起的内在不确定性、数据有限产生的模型的不确定性以及参数的不确定 性，并以b a y e s 方法处理这些水文不确定性。r a s m u s s e n 川基于超定量频率序列， 研究了数据匮乏条件下设计洪水的风险估计问题，引入了“期望风险”概念，以 m c 法验证了其应用。a n s e l m o 等矧详细介绍了以水文和水力耦合模型对意大利 某洪水易发区进行洪水风险评估的过程。s e n 【8 3 】以一阶m a r k o v 过程为工具对具有 线性相关结构的水文系列风险进行计算。k y u n g r o c k 惭j 将无控制蓄滞洪区的水文 风险同水库的出流相联系，通过均值一次二阶矩法( m o s m ) 和改进的一次二 阶矩法( a f 0 s m ) 结合计算蓄滞洪区的风险。 汛限水位的调整在一定程度上实现了洪水资源利用的目的，但是却不可避免 的产生了附加风险，因此，如何在洪水资源利用中评估、进而规避风险成为洪水 资源利用的关键。冯平等【2 8 85 8 6 】在分析水库调整汛限水位所涉及影响因素的基础 上，构建了调整汛限水位的综合评价指标体系，给出了各风险指标及效益指标的 估算方法。傅湘等【8 7 】应用系统分析方法，建立了大型水库汛限水位风险分析模型， 计算出不同汛限水位与最大洪灾风险率的关系。胡四一等懈8 】基于对水库汛限水位 主要影响因素的系统分析，从洪水资源安全利用的角度出发，阐明了水库汛限水 位调整综合分析论证所应遵循的原则，提出了风险设计分析论证的框架、定量分 7 第一章绪论 析方法和汛限水位合理调整的论证。刘晓琴等眇】结合陆浑水库实际情况在分析影 响水库防洪调度主要不确定性因素的基础上，讨论了风险分析的计算方法，对不 同频率入库洪水在不同的汛限水位下造成的洪灾风险率进行了估计。朱兆成凹】 指出水库实施洪水资源化面临的最大风险就是旱涝急转造成的防洪风险，探讨了 现状情况下，如何协调和平衡防洪保安、水资源保障两者之间的关系，化解可能 存在的风险，实现水资源保障和防洪安全效益的双赢。孙颖等【9 l 】指出提高水库的 汛限水位必然会增加水库的漫坝风险，并计算了基于随机水力学的漫坝风险分析 的动态汛限水位。 预报技术的应用是水库洪水资源利用的主要风险源。f u t t e r 等【叼就短期洪水 风险预报问题，从模型假定、所需数据及精确性等方面对c o x 回归模型和条件分 布模型进行了对比研究。s i m o n o v i c 等【9 3 】讨论了水文预报可靠性与水库运行惩罚 项之间多目标权衡问题，引入可靠性、回弹性和脆弱性作为确定量目标权重的风 险准则。田峰巍等m 9 5 】提出了水库长期预报中的时段风险和风险传递的计算方 法，从多时段考虑计算出风险，提出水库泄洪的风险决策方法。万俊等【9 6 矿7 】对白 盆珠水库汛期蓄水运用进行了全面的风险分析，并进一步研究了水文、气象预报 预泄的运用方式，为选择合理的拦蓄水位方案提供了依据。王本德等【9 8 9 9 1 将改进 一次二阶矩a f o s m 法应用于水库洪水预报子系统的风险分析中，对水库洪水预 报子系统的风险做了定义和描述，之后通过引入水平截集三角模糊数将预报失事 准则模糊性转化为非模糊性，并结合a f o s m 风险分析方法，给出了洪水预报各 变量及系统的模糊风险区间值。 优化调度风险分析方面，曹永强等【3 6 】分析了水库优化调度理论与技术及风险 率计算等洪水资源利用中的关键问题，最后结合我国实际情况，对洪水资源化今 后的工作提出合理化建议；夏忠等【1 0 0 j 建立了多元相关分析模型对黄河干流梯级 水库电站优化调度方案的风险因素进行辨识，为进一步的风险评价提供了定量依 据。 风险决策在洪水资源利用方案的选定过程中具有举足轻重的作用。随着遥感 技术和计算机技术的发展，其在洪水防治、利用等研究领域中的应用逐渐展开。 i s l 锄等】利用遥感技术与g i s 技术相结合的方式有效地探测出洪水淹没区域， 并绘制出洪灾风险图，为防洪措施的制定提供了可靠的数据参考。b r i v i o 等【1 0 2 j 系统地集成了r s 、g i s 和g p s 技术，准确地探测出洪峰到来时的洪水淹没区域， 提高了监测和预测工作的效率。从2 0 世纪9 0 年代开始，在决策支持系统( d s s ) 和3 s 系统基础上逐步形成了空间决策支持系统。国内学者，黄振平等【1 0 3 l 叫研 究了基于洪水预报信息和降雨预测的防洪决策风险分析方法，给出了风险的定量 描述。肖义等【1 0 5 1 建立了可接受风险水平约束的大坝防洪安全标准的风险决策模 8 第一章绪论 型。王才君等【l 删建立了多目标风险决策模型，通过对给定的动态汛限水位方案 进行多风险指标的综合评价，得到三峡水库围堰发电期相对合理的汛限水位。邵 东国等【1 0 7 】以河北洋河水库汛限水位分析为例，建立了综合考虑入库洪水、水库 安全运行、下泄洪水超下游地区防洪标准、下泄洪水减少导致下游生态环境用水 破坏等不确定性因素的水库汛限水位抬高风险评估模型与多目标风险决策模型。 此外，洪水资源化利用不仅带来经济效益，而且其产生的生态效益和社会效 益不容忽视，要以综合效益最大化为目标。陈洁等【1 0 8 】从经济学的角度对洪水资 源化利用进行了成本收益分析，从而论证了洪水利用理念的正确性。朱元牲【l 嗍 计算了洪泛区的防洪效益。冯平【2 8 8 5 】、李景保 1 1 0 1 等对水库汛限水位调整后所带 来的效益进行了分析。周维博等【1 1 1 】在研究干旱半干旱地域灌区水资源综合效益 评价体系时，建立了考虑经济效益、生态效益和社会效益的综合效益评价的模型。 李玮【1 1 2 】、万亮婷【1 1 3 】等分别对地下水人工回灌的经济效益进行了评估，并针对各 种效益提出了相应的计算方法，完善了地下水人工回灌经济效益分析理论与计算 方法。 1 2 3 补偿特性分析研究进展 ( 1 ) 单因素补偿特性分析 目前，补偿特性多用于研究流域内降雨、径流的丰枯遭遇分析。丰枯评价又 因丰枯指标的不同而异，丰枯指标的确定有多种，如频率分析法f 1 1 4 】、均值标准 差法【1 15 1 、g a m m a 分布法 1 16 1 、模糊聚类 1 1 7 】等方法。 在此基础之上，降雨丰枯遭遇方面，郑红星等6 】跟据年、季和月三种不同 时间尺度的降水系列分别探讨了华北地区与长江中下游及华北地区与汉江上游 来水丰枯的遭遇性。王志良等人【1 1 8 】采用天津市主要水源地滦河中上游地区、于 桥水库上游区和长江中上游地区主要雨量站4 0 年的降水资料进行经验频率计算 来对天津市水源地的降水丰枯遭遇性进行了分析。 径流丰枯遭遇方面，赵英林【1 1 9 】利用1 9 5 1 年至1 9 9 3 年共4 3 年的洪水系列，详 尽地分析并计算了洞庭湖洪水地区组成和遭遇规律，为洞庭湖区的设计洪水计算 和防洪规划提供了依据。张金才【1 2 0 】统计分析了洪泽湖、骆马湖、南四湖年径流、 汛期径流、灌溉期径流、最枯期径流的丰枯情况，提出了各种时期情况下水量丰 枯的遭遇频次，剖析了连续丰水年组、枯水年组的遭遇问题。周淑瑾【1 2 1 1 对湟水 上游河川径流量丰枯变化、年内分配特征进行研究，应用条件概率分析连丰、连 枯概率，和丰枯转移概率，为干旱半干旱地区水资源合理开发利用及防汛抗旱提 供依据。阮本清等【l 矧依据南水北调中线工程规划设计方案，在分析水源区和受 水区径流丰枯遭遇并遵循丹江口水库调度原则的条件下，计算了充分利用水库汛 9 第一章绪论 期的弃水和中线工程输水渠道的过水能力，及向黄河相机补水的可能水量。 ( 2 ) 多因素补偿特性分析 c 啪a n e 【1 2 3 】认为传统的单变量分析方法只能揭示有限的流域水文特性，这 样，许多复杂的水文问题要求对流域水文特性有更加深入和全面的了解。如果想 真正掌握水文事件的特性，就必须了解构成这些水文事件的两个或两个以上相关 随机变量的联合概率分布特性，有关学者已经在这方面做了一定的工作。 目前，多变量水文分析计算方法主要集中于研究两变量联合分布问题【1 2 4 】， 主要有经验频率法、联合分布求解法和将多维分布转化为一维分布法等。二维联 合分布求解法中，常见的二维概率分布模型可以分为两类【1 2 5 】：具有相同边缘分 布的二维分布模型和具有灵活边缘分布的二维分布模型。具有相同边缘分布的二 维分布模型要求两变量服从相同形式的边缘分布，主要包括：二维正态分布模型、 二维对数正态分布模型、混合g u m b e l 模型、二维g u i n b e l 逻辑模型、二维指数 分布模型等。具有灵活边缘分布的二维分布模型对边缘分布的形式没有严格要 求，主要有m c t a g a u s s i a i l 模型、f 矾i e g 啪b e l m o 略e n s t 锄( f g m ) 模型和c o p u l a 模型。 国外学者，k e l l y 【1 2 6 】提出了具有灵活边缘分布函数的m e t a - ga u s s i a l l 模型。 g o e l 【1 2 7 】和y u e 等人 1 2 8 1 采用二维正态分布模型描述洪峰和洪量的联合分布。此后， y r u e 采用混合g u m b e l 模型【1 2 9 】、二维对数正态分布模型【1 3 0 】对洪峰和洪量、洪量和 历时进行了联合分析，并依次采用g u m b e ll o g i s t i c 模型【l ”】、二维对数正态分布 模型【1 3 2 】研究了多变量的暴雨事件。f a w e 等人【1 3 3 3 探讨了c o p u l a 函数在多维极值分 布建模中的应用，并用其来分析洪峰和洪量的联合分布。z h a n g 和s i n 曲3 4 】介绍 了二维c 0 p u l a 函数的理论和方法，用其构造了洪峰、洪量和洪水历时的联合分布。 s a l v a d o r i 等人1 1 3 5 】基于c o p u l a 函数研究了暴雨统计量的联合分布，推导出暴雨前 某固定时段内降水量和前期土壤湿度的分布函数。 国内学者，费永法【1 3 6 】利用事件积先后推导出二维以及多维随机变量转化为 一维随机变量的计算方法，并用其来求解丰枯遭遇问题。熊立华等人【”7 】针对位 于同一河流上下游的两个水文站点采用c 0 p u l a 联结函数建立起两个站点的年最 大洪水联合分布函数。戴昌军等1 1 3 s 】采用统计试验方法，比较研究了基于正态化 变换的m o m 方法、传统经验频率方法( e f m ) 和将多维转化为一维的费永法 ( f e i ) 共3 种多维联合分布计算方法的统计性能，在此基础上，分析了长江、 淮河及黄河流域年径流的丰枯