洪水资源利用多目标风险决策模型研究 Multi-Objective Risk Decision Model of Flood Resources Utilization

doi:10.12677/JWRR.2014.31002

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Journal of Water Resources Resear ch 水资源研究, 2 014, 3(1), 9-13

http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2014.31002 Published Online February 2014 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html)

Mult i-Objective Risk Decision Model of Flood Resources

Utilization

Xianfeng Huang1, Y ingqin Chen2, Guohua Fang1, Lixiang Zhu3

1College of Water Cons ervancy an d Hydrop ower Engineering, Hohai University, Nanjing

2Department of Civil Engineering, Hohai University Wentian College, Ma’anshan

3Lianyungang Bureau Water Conservancy, Lianyungang

Email: hxfhu ang2005@163.com

Received: S ep. 30th, 2013; revis ed: Nov. 20th, 2013; accepted: Nov . 26th, 2013

which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance

Abstract: The region of river downstream is the famous flood passage. Flood resources utilization is the

strategic ini tiati ves of alle viati ng water s hortage s and flood contra dicto ry in the re gio n. How to s af ely and r a-

tionally use flood is the key point to research the flood resources utilization. In the paper, the risk factors of

flood resources utilization are identified in the downs tream of Yishusi Basin. The risks of dam safety and

discharged flow exceeding the safety discharge are evaluated. On the basis, the risk decision model is estab-

lished, which aims at the maximizing comprehensive benefits of flood resources utilization, considering the

economic benefits and risks loss of flood resource utilization. The calculation results of the model are taken

as the basis for reservoir flood level adjustment. Finally, taking Shilianghe reservoir in J iangsu P rovi nce as a

case study, the research provides a reference for flood resources utilization in the coastal plain area.

Keywords: Flood; Risk Estimates; Risk Decisio n Model; Multi-Objective

洪水资源利用多目标风险决策模型研究

黄显峰 1，陈颖钦 2，方国华 1，朱丽向 3

1河海大学水利水电学院，南京

2河海大学文天学院土木工程系，马鞍山

3连云港市水利局，连云港

Email: hxfhu ang2005@163.com

收稿日期：2013 年9月30日；修回日期：2013 年11 月20日；录用日期：2013年11 月26 日

摘要：流域下游地区是著名的洪水走廊，过境洪水资源利用是该地区缓解水资源短缺和洪涝多发矛

盾的战略举措。如何安全合理的利用过境洪水，既不增加防洪压力又能适量利用，是研究洪水资源利

用必须解决的关键问题。本文对沂沭泗流域下游地区过境洪水资源利用风险因素进行识别，针对水库

大坝安全风险和下泄流量超过安全泄量风险进行了风险估计，在此基础上，以过境洪水资源利用综合

效益值最大化为目标，综合考虑洪水资源利用经济效益和风险损失，构建过境洪水资源利用风险决策

模型，将风险决策模型计算得到的洪水资源利用综合效益值作为水库汛限水位调整的依据，最后以连

云港市石梁河水库为例进行研究，为我国沿海平原地区过境洪水资源利用风险管理决策提供了借鉴。

作者简介：黄显峰(1980-)，男，湖北，河海大学水利水电学院，副教授，博士，主要从事水资源系统分析研究。

OPEN ACCESS Journal of Water Resou r ces Research 水资源研究 9

黄显峰，等：洪水资源利用多目标风险决策模型研究

2014. 3( 1)

关键词：洪水；风险估计；风险决策模型；多目标

1. 引言

流域下游地区过境洪水大多从流域内的骨干行

洪河道排入大海，没有得到利用。研究过境洪水资源

利用及风险决策是研究洪水资源利用必须解决的问

题。国外对洪水资源利用风险的研究起于 20 世纪 80

年代。Loucks 等通过分析洪量与防洪库容之间的关系，

得出了一定防洪库容情况下不同量级洪水与其造成

损失间的关系[1]。Anselmo 等详细介绍了采用水文水

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。国内在水库汛限水位动态控制风险研究领

域的成果较多[2]。黄强等认为水库调度风险是一种自

然的、微观的和可测度的风险，并建议用定性与定量

相结合的风险分析方法来解决水库调度风险问题[3]。

王本德等在论述水库预蓄效益与风险分析必要性的

基础上，提出了一种风险率计算方法和一种以经济效

益与风险率为目标的水库预蓄水位模糊优化控制模

型，可供汛期分期抬高汛限水位或实时决策控制预蓄

水位时使用[4]。

目前洪水资源利用风险研究主要集中在洪水保

险、洪泛区管理、水库汛限水位动态控制及风险决策

等方面[5-8]，对于如何将时间和空间耦合进行风险评估

和决策，确定最佳蓄水位的研究尚不多见。本文针对

以上问题，以沂沭泗流域下游连云港市为背景，构建

过境洪水资源利用风险决策模型，将风险决策模型计

算得到的洪水资源利用综合效益值作为水库汛限水

位调整的依据。

2. 洪水资源利用风险因素识别

风险识别是风险分析的基础环节。能否正确识别

风险因素对风险管理能否取得好的效果有重要影响。

利用层次分析法确定洪水利用主要风险因子。通过建

立洪水资源利用风险因素指标体系，最终确定影响洪

水资源利用的关键风险因子。结合流域下游地区的水

文地质、工程环境和社会环境的实际，建立符合该区

域特点的洪水资源利用风险因素识别体系。经过理论

分析和专家咨询，利用层次分析法将风险因素识别体

系分为 3个层次，目标层、准则层和指标层。该评价

体系中包括 6大方面：抬高水库汛限水位的风险、水

库上游来水不确定性风险、不利生态环境影响风险、

水质不确定性风险、洪水调度管理风险、本地洪水不

确定性风险。采用层次分析法对上述风险因素进行识

别，确定主要风险因素。通过分析，确定流域下游地

区影响洪水资源利用的主要风险因子有调度过程中

水库水位超校核水位的风险和水库下泄流量超下游

河道安全泄量风险等。

3. 洪水资源利用风险估计

应用已有洪水资料对不同水库汛限水位调洪演

算计算风险率，统计出该汛限水位下最高库水位超过

设计标准的风险率。基于以上思想对水库汛限水位调

整后大坝安全风险率和下泄流量超下游河道安全泄

量风险率进行计算[9]。

3.1. 大坝安全风险率

大坝安全风险率指在水库现有泄流设施条件下，

调整水库汛限水位，水库调蓄洪水后库水位超过设计

标准水位的概率，计算公式如下：

( )

fH N

(1)

式中，

( )

为汛限水位为

出现超设计标准水位

的风险率；

为资料系列中历次洪水的总数；n为对

给定的汛限水位 Hi，调洪演算发生库水位超设计标准

水位 Zd的洪水次数。

3.2. 下泄流量超过安全泄量风险率

下游安全泄量是一个具体数值，当下泄流量

大于它时就会给沿岸构成危险，流量越大损失越

大。在计算下泄水量危害性风险率时用模糊数学

的方法，计算公式如下：

()( )( )

iAi i

f HVpV

∈

= ×

∑

(2)

式中，

( )

为汛限水位

时下泄流量超下游河道

安全泄量风险率；

( )

为汛限水位

时下泄流量隶

属于区间

的概率；

( )

为不同区间

的隶属度。

区间隶属度函数表达式为：

12 3 456

0 0.050.20.80.95 1Avvv vvv=++++ +

(3)

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2014. 3( 1)

4. 洪水资源利用多目标风险决策模型

4.1. 模型构建思路

决策模型的建立以流域下游地区大型水库汛限

水位调整利用过境洪水资源为背景，寻找并确定最佳

汛限水位调整方案。风险决策模型的建立以效益值最

大化为目标，综合考虑洪水资源利用效益和风险损失，

以两者的线性组合值作为评价某一汛限水位合理性

的指标。水库汛限水位调整是指通过论证将水库汛限

水位抬高，减少汛期弃水增蓄洪水资源。计算增蓄水

量的经济效益和汛限水位抬高可能带来的风险损失。

洪水资源利用效益计算包括农业、工业、第三产业和

城镇生活供水效益。风险损失包括大坝安全风险和下

泄流量超下游河道安全泄量风险。

决策模型的建立应该能够在经济效益与风险损

失的动态变化中计算洪水利用的综合效益，寻找综合

效益最大值，确定水库汛限水位调整的最佳值。

4.2. 模型目标函数

水库汛限水位风险决策函数包括：兴利风险效益

目标、防洪风险效益目标。风险损失与风险效益是矛

盾关系，采用风险决策模型综合求解，模型中将风险

损失以经济损失计算，以总风险效益最大为目标，模

型目标函数如下：

( )( )( )

iji ji

FHB HL H

= =

= −

∑∑

(4)

式中，

( )

为汛限水位为

时的洪水资源化利

用风险效益值；

( )

为汛限水位为

时的风险

损失值；n、m分别为风险效益和风险损失的项数。

汛限水位 Hi时风险效益计算公式如下：

( )( )

ji ji

BH BH

=∑

(5)

式中，

( )

为水库洪水资源利用经济效益，主

要包括农业、工业、第三产业和城镇生活用水四

方面效益。

汛限水位 Hi时风险损失计算公式如下：

( )( )

ji ji

LH LH

∑

(6)

式中，

( )

为大坝安全风险损失和下游堤防安全风

险损失。

5. 实例研究

连云港市位于江苏省东北部，东临黄海，属于淮

河流域沂沭泗水系下游地区，辖区分属沂河水系、沭

河水系和滨海诸小河水系，承担上游近8万km2流域

面积的泄洪任务，是著名的“洪水走廊”。流域内主

要洪水入海通道新沂河、新沭河经本市入海，除此之

外，还有灌河、蔷薇河、盐河、善后河、青口河和龙

王河等区域性河流，以及 50 余条地方骨干河道，河

网发达。以连云港市石梁河水库汛限水位调整为例，

进行洪水资源利用风险决策研究。石梁河水库校核洪

水位为 27.95 m，对应洪峰流量为 9640 m³/s，设计洪

水位为 26.81 m，对应洪峰流量为 7367 m³/s。

在大坝安全风险率计算中取石梁河水库设计洪

水位 26.81 m为设计标准水位，对不同频率洪水调洪

演算以接近或超过该水位为准，将该洪水频率作为汛

限水位下大坝安全风险率。在计算下泄流量超过下游

河道安全泄量的风险时，以石梁河水库下泄流量不超

过新沭河安全泄量为准，考虑淤积对下游新沭河实际

泄水的影响，河道安全泄流量取 2000 m3/s。

洪水资源利用经济效益包括农业、工业、第三产

业、城镇生活四个方面，比例分别为 64%、19%、13%、

4%；根据国内相关研究资料[10]，用水效益的分摊系数

分别取值 0.45、0.1、0.3和0.3；根据连云港市统计年

鉴居民年可支配收入 r = 12,000元；恩格尔系数 e = 0.4；

人均年用水量 p = 588 m3。

根据以上确定的效益计算模型参数对连云港市

洪水资源利用效益进行计算，计算成果见表1。

在大坝安全风险损失计算中，洪水灾害间接损失

系数 k = 25%，单位面积直接损失 β = 72 万/km2，淹

没面积取 A = 200 km2。在下泄流量超下游河道安全泄

量风险损失计算中，洪水灾害间接损失系数 k = 0.25，

单位面积直接损失值 β = 20 万/km2，淹没面积取新沭

河左岸石梁河水库下游至入海口沿河地区 A = 55 km2。

抗洪抢险救灾间接费用 Cp取直接经济损失值的 15%。

在洪水利用损失计算中，大坝安全风险损失占总

风险损失的比例最大达到 80%~90%，对总效益的影

响较大。从大坝安全风险率随汛限水位变化关系分析，

汛限水位在 23.5 m到24.7 m之间时变化时，大坝安

全风险率增加较小从 1.53%到5.32%，汛限水位超过

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Table 1. Benefit calculation of flood res ources

表1. 洪水资源利用效益计算表

汛限水位(m)

增蓄水量

(万m3)

农业工业第三产业城镇生活

总效益值

(万元)

水量

(万m3)

效益值

(万元)

水量

(万m3)

效益值

(万元)

水量

(万m3)

效益值

(万元)

水量

(万m3)

效益值

(万元)

23.50 0 0.0 0.00 0.0 0.00 0.0 0.0 0.0 0.00 0.0

23.60 543 347.5 15.31 103.2 32.08 70.6 123.9 21.7 44.87 216.2

23.70 1093 699.6 30.83 207.7 64.59 142.1 249.5 43.7 90.33 435.3

23.80 1650 1056.1 46.54 313.5 97.51 214.5 376.7 66.0 136.37 657.1

23.90 2214 1417.1 62.45 420.7 130.83 287.8 505.4 88.6 182.98 881.7

24.00 2785 1782.4 78.55 529.2 164.57 362.1 635.8 111.4 230.15 1109.0

24.7 m以后风险率增长迅速，从 24.7 m到25.3 m，大

坝安全风险率从 5.32%增加至 14.0%。汛限水位 24.9 m

时洪水利用总效益达到最大，该水位是汛限水位调整

的上限值。

结合洪水资源利用各项效益和各风险损失计算

结果，可得到洪水资源利用总效益值与汛限水位抬高

的关系曲线，见图 1。

综合考虑风险损失与效益，可拟定3种不同洪水

资源利用方案。

方案 1：风险率较小、效益一般的洪水利用方案

(汛限水位Hi = 24.5 m)

方案 2：风险率适中、效益较高的洪水利用方案

(汛限水位Hi = 24.9 m)

方案 3：风险率很高、效益一般的洪水利用方案

(汛限水位Hi = 25.3 m)

三种方案的风险率、效益状况、风险损失情况见

表2。

从表中可以看出，在方案1中，石梁河水库汛限

水位为 24.5 m时，增加蓄水量 5743万m3，总效益为

1207.9万元，大坝安全风险率为 4.22%。在方案2中，

石梁河水库汛限水位为 24.6~25.1 m，增加蓄水量

6974~9519万m3。当汛限水位取 24.9 m时，对应增蓄

水量 8233 万m3，总效益达到汛限水位调整的最大值

1679 万元，风险率为6.41%。方案3中，汛限水位25.3

m对应增蓄水量为 1.08亿m3，总效益值为 1021万元，

Figure 1. Curve wit h the limit ed wa t er lev e l of flood res ou rces

utiliza tio n benefit

图1. 洪水资源利用总效益随汛限水位变化曲线

总效益小于方案 1和方案3，且大坝安全风险率14.0%

远大于方案 1和方案2。通过比较可知方案 2的综合

风险率适中且综合效益最大，是水库汛限水位调整利

用洪水资源较为理想的选择方案。

6. 结论

本文通过对风险因素识别和估计建立了洪水资

源利用多目标风险决策模型。在风险因素识别中通过

对风险因子权重的划分，确定洪水资源利用的主要风

险因素。风险估计计算了大坝安全风险率和下泄流量

超下游河道安全泄量风险率。从农业、工业、第三产

业和城镇生活供水四个方面计算了洪水资源利用效

益；计算了大坝安全风险和下泄流量超河道安全泄量

风险损失。综合风险效益与风险损失，得到水库汛限

水位调整的不同方案，通过比较找到了较合理的洪水

利用方案。本文研究成果对提高洪水资源利用效益，

解决水资源供需矛盾具有一定的指导作用，同时也为

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2014. 3( 1)

Table 2. Efficiency and loss calculation of different flood limit water level

表2. 不同汛限水位洪水利用效益损失表

方案

汛限

水位

(m)

风险效益

风险损失

总效益

(万元)

大坝安全风险率与风险损失其他风

险损失

(万元)

总风险

损失

(万元)

增蓄水量(万m3) 经济效益(万元) 风险率风险损失(万元)

方案 1 24.5 5743 2287 4.22% 874 206 1080 1208

方案 2 24.9 8233 3278 6.41% 1326 272 1599 1679

方案 3 25.3 10,800 4314 14.01% 2900 393 3293 1021

我国平原地区雨洪资源利用风险管理体系构建提供

了借鉴。

致谢

感谢江苏省连云港市水利局在本文数据收集过

程中提供的帮助，感谢江苏省自然科学基金、水资源

与水电工程科学国家重点实验室开放基金和水利部

堤防安全与病害防治工程技术研究中心开放基金的

支持，感谢第十一届中国水论坛推荐！

基金项目

江苏省自然科学基金(项目号：BK20130849)；水

资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金

(2010B068)；水利部堤防安全与病害防治工程技术研

究中心开放基金资助(201204)。

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