基于三角模糊数的水库防洪调度模糊综合风险分析

司益清

摘要：水库防洪调度是区域水资源的优化配置的重要途径，通过对其优化配置可实现社会经济的可持续发展。防洪调度风险分析对评价水文预报的准确性和合理的选择动态汛限水位极其重要，可为水库防洪调度提供科学依据。为了全面识别和合理估计在调度的过程中的各种风险因素,引入三角模糊数理论,水库防洪调度风险识别指标通过α-截集技术将其模糊化,风险识别指数由确定数值变为不同置信度水平α相对应的区间数,进而对模糊风险率区间值进行计算,然后提出基于三角模糊数综合风险分析模型。

关键词：三角模糊数；水库防洪调度；模糊综合风险

1前言

笔者考虑到水库洪水调度系统的不确定风险因素是不可估量的,调度过程会有许多不易直接测量，对水库有着重要影响不确定风险因子，将这些不确定因子转化为防洪调度风险识别指数,并将风险识别指数定义为三角模糊数,引入三角模糊数可以把水库风险识别指数由确定数值变为不同置信度区间数,通过随机模拟方法对调洪进行演算,对风险识别指标的变化范围进行确定,水库防洪调度风险识别指标通过α-截集技术将其模糊化,风险识别指数由确定数值变为不同置信度水平α相对应的区间数,进而对模糊风险率区间值进行计算,然后提出基于三角模糊数综合风险分析模型。

2水库防洪调度风险

水库防洪调度风险是指特定的时空条件下，水库在洪水调度中发生的意外事件，这类事件是由入库洪水、洪水预报和库容面积和泄洪能力等多种不确定因素造成的。对水库防洪调度运行中的各种风险因素进行分析评价和估计是水库防洪调度风险分析的主要内容，并以评价的结果为基础设计各种分线因素的解决方案，从而进行风险决策。水库洪水操作风险分析对水库洪水运行规律进行风险分析，可以为规避风险或减少损失的应急调度方案提供科学决策依据，同时也可为制定相关调度规则提供参考，从而通过对水库防洪潜力的研究，对水库进行综合利用，达到安全有效利用洪水资源的目的。

笔者通过对国内外防洪调度风险分析方法的研究,概括其主要步骤为:(1)对风险来源进行,包括仓储、水库泄洪能力、调度操作,洪水预报误差,降雨量预测错误等。(2)识别风险主题,即在具体的运行过程中的潜在风险承载体,包括水库大坝本身,水库的上下游等。(3)水库防洪调度风险模型的建立,到目前为止,还没有防洪调度风险达成一致的定义,风险分析模型中没有统一的应用标准,一般从洪水水位超过最高防洪水位的特点的可能性和可能的经济损失进行评估;(4)对调度方法或汛限水位调整前后风险变化进行分析。

3模型的建立

复杂系统风险评估的核心是如何准确地识别每个风险因素并估计其影响的程度。针对水库防洪调度过程中有很多的随机不确定性因素,使用“转化”的思想,将不可估量的风险因素对水库事故产生的影响转换为水库洪水调度风险识别指数,风险识别指数被定义为一个区间数,预计将使最终的风险计算结果更倾向于客观现实。本文的模糊综合风险评价模型是基于三角模糊数建立的，建立的过程包括以下几个方面：

3.1随机生成入库洪水过程线

在对水库洪水过程进行模拟时有很多方法可以选择,由于水库多年来测得洪峰流量之间数据呈现若相关性,相关研究人员可以通过对水库多年来的洪峰流量均值、均方差以及偏态系数的实测数据进行统计,洪峰流量值可利用P-III型分布随机模拟生成,在这之后，将实际水库洪峰流量与最大日洪量以及最大3日洪量尽心研究分析，确定它们之间的关系从而得出25万组最大日洪量和最大3日洪量。抽取典型洪水过程线的时候要按照一定的概率进行抽样，将25万组洪峰流量、最大日和最大3日洪量同时放在选定的洪水过程线上，就可以得到25万条历时3日的入库洪水过程线。此外，随着当前洪水预报技术的不断发展，以及预报准确性的不断提高，入库洪水过程线亦可通过水文预报方案直接得到。

3.2确定风险识别指标变化范围

对风险识别指数变化范围进行确定，即确定三角形模糊数上的最大值和最小值以及中值。对于现有的水库,水库的设计水位或校核水位是由设计洪水计算,从而对其泄流能力进行确定,在此过程中，起调水位与汛限水位相同,确定洪水调节方式进行水库洪水调节计算等一系列环节而确定的一确定值。为此，水库防洪调度受到许多不确定的风险因素的影响“转移”为风险识别指标的影响，即从侧面对其进行识别和评估风险因子对水库失事事件的影响。

三角模糊数是一定义了隶属度函数的区间数，“三角”源于其隶属度函数形状，相对于确定性实数而言，三角模糊数能更好地对复杂系统的波动性和不确定性特征进行描述和表征。设α1，α2，α3分别为模糊变量的下限、中值和上限，即可得到三角模糊数，记A=(α1，α2，α3)，其中α1≤α2≤α3。三角模糊数不同置信度水平所对应的区间数长度不同。设α为置信度水平，且α∈［0，1］，则可将三角模糊数A转化为与一定置信度水平α相对应的区间数，记Aα=(ααl，ααr)=［(α2－α1)α+α1，－(α3－α2)α+α3］，称Aα为三角模糊数A的α-截集，它实际上代表着置信度水平不低于α的数据集合。

如果水库校核水位代表着实际水库洪水调度风险识别指标,这个数值通常是一个固定值,考虑到水库防洪调度风险分析系统的复杂性和不确定性,考虑到传统的不确定性风险因素，包括入库洪水、库容面积,泄流能力及风荷载等,可以将其余的对水库失事事件的影响的不容易直接测量的风险因子转换水库校核水位,并将水库该水位作为一模糊数。如果水库实际设定的调洪最高水位对应的给定校核水位为5000年一遇，可以将3.1产生的25万条入库洪水过程线分成50组，每组有5000个入库洪水过程线。接着，对每组的洪水过程线洪水进行推算,最大的调洪最高水位可以被视作水库校核水位的可能取值,即相应的洪水过程线的重现期5000年,这样计算后可以得到50组水库校核水位可能值。对上述数据进行详细的统计分析即可得到水库校核水位变化的上、下限值，变化中值可由水库实际给定校核水位表示,从而构成了水库校核水位变化三角模糊数，通过α-截集技术即可得水库校核水位不同置信度水平所对应的区间数。

3.3计算水库防洪调度的模糊风险率区间值

本研究的风险率的计算参考极限风险率的概念,即根据实际水库规划和调度规则,随机模拟产生大量的入库洪水过程线，并在不同汛限水位调整方案下进行调洪推算,得到水库防洪调度的最高洪位Zm，对Zm进行比较，判断其否超过给定的置信水平的对应的水库防洪调度风险识别指标区间数的上限下限和中值,因此得到模糊风险率Pf。计算式如下

由公式可知，n表示随机模拟生成的入库洪水过程线的总数目;m代表着调洪最高水位，Zm用来判断是否超过给定置信度水平所对应的水库防洪调度风险识别指标区间数的上下限和中值的次数，其对应的Pf分别代表着水库防洪调度的上限风险率、中值风险率和下限风险率。

4结语

水库防洪调度运行风险分析不仅对水库调度方案及其下游防洪标准进行了限制，而且直接影响了水库防洪安全利用的功能。针对水库防洪调度系统的不确定性，基于传统的风险分析，很难确定水库事故风险识别指标对水库的影响。引入三角模糊数可以把水库风险识别指数由确定数值变为不同置信度区间数,通过随机模拟方法对调洪进行演算,从而计算出不同置信水平的水库防洪调度区间值模糊风险率。

参考文献：

[1]范英,李辰,晋民杰,王快,胡琴,冯子一.三角模糊数和层次分析法在风险评价中的应用研究[J].中国安全科学学报,2014,07:70-74.

[2]侯召成.水库防洪预报调度模糊集与风险分析理论研究与应用[D].大连理工大学,2004.

[3]张静.水库防洪分类预报调度方式研究及风险分析[D].大连理工大学,2008.

[4]吴成国.水库洪水资源化调度方案优选智能方法与应用[D].合肥工业大学,2009.