熵與模糊集理論在洪水預(yù)報(bào)及水庫(kù)調(diào)度中的應(yīng)用研究.pdf

1、我國(guó)洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，每年防汛任務(wù)十分艱巨，但同時(shí)又面臨著日趨嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題。在保證防洪安全前提下，開(kāi)發(fā)利用洪水資源，實(shí)現(xiàn)防洪與興利并舉，是近年來(lái)水文學(xué)科重點(diǎn)研究的問(wèn)題之一。本文從洪水預(yù)報(bào)和汛限水位動(dòng)態(tài)控制兩個(gè)研究方向著手，以汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究專(zhuān)題的試點(diǎn)水庫(kù)為工程背景，運(yùn)用模糊優(yōu)選理論、極大熵理論、熵權(quán)多目標(biāo)決策法、遺傳算法等理論，研究了蒸散發(fā)計(jì)算和流域蓄水容量的模糊描述、洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)的模糊相似校正方法、流域非線性匯流模型、

2、誤差分布的極大熵模型以及考慮洪水預(yù)報(bào)和降雨預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)控制水庫(kù)汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： (1)對(duì)產(chǎn)流模型中采用分級(jí)簡(jiǎn)化計(jì)算蒸發(fā)和流域蓄水容量描述存在的問(wèn)題，以大伙房模型為例，首先利用隸屬度函數(shù)對(duì)蒸發(fā)和蓄水容量進(jìn)行模糊描述，解決了原分級(jí)計(jì)算導(dǎo)致蒸發(fā)參數(shù)敏感，蒸發(fā)量計(jì)算不合理的問(wèn)題。并通過(guò)分析流域下墊面和徑流特點(diǎn)，考慮了土壤蓄水容量的變化，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)流域水文循環(huán)變化規(guī)律，提高了洪水預(yù)報(bào)精度。在此基礎(chǔ)上，利用場(chǎng)次洪

3、水降雨前期因素之間的相似性，從誤差形成的物理機(jī)制出發(fā)，利用場(chǎng)次洪水降雨前期因素之間的相似性，建立了洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)的模糊相似校正方法。通過(guò)修正模型參數(shù)，達(dá)到校正產(chǎn)流預(yù)報(bào)結(jié)果的目的。 (2)對(duì)瞬時(shí)單位線流域匯流模型的非線性處理問(wèn)題，通過(guò)考慮時(shí)段雨強(qiáng)和空間分布不均的非線性影響因素，提出了時(shí)變瞬時(shí)單位線非線性匯流模型。并針對(duì)規(guī)范中要求洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間和確定性系數(shù)同時(shí)滿(mǎn)足精度要求的多指標(biāo)評(píng)價(jià)問(wèn)題，提出兩種目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)——模糊綜合目標(biāo)函

4、數(shù)和熵權(quán)多目標(biāo)決策法來(lái)確定模型參數(shù)。在觀音閣一蒞窩水庫(kù)的應(yīng)用結(jié)果表明，對(duì)反推梯級(jí)水庫(kù)區(qū)間匯流過(guò)程存在的負(fù)值、鋸齒狀和誤差等問(wèn)題，可采用區(qū)間洪水匯流和河道演進(jìn)模型參數(shù)統(tǒng)一率定的方法解決。 (3)針對(duì)目前采用正態(tài)、對(duì)數(shù)正態(tài)等常用分布描述洪水預(yù)報(bào)誤差存在的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際洪水預(yù)報(bào)誤差出現(xiàn)在有限區(qū)域的特點(diǎn)，建立了洪水總量預(yù)報(bào)誤差分布的極大熵模型，計(jì)算了不同預(yù)報(bào)方案的極限誤差，與常用分布進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)模型中的誤差上限確定問(wèn)題，從防洪安全

5、的角度給出了初步確定方法。最后利用模型計(jì)算得到的誤差分布，對(duì)預(yù)報(bào)誤差的不確定性進(jìn)行了估計(jì)。 (4)在桓仁水庫(kù)和丹江口水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)與降雨預(yù)報(bào)精度分析的基礎(chǔ)上，利用防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方式和改進(jìn)的預(yù)泄能力約束法，確定了桓仁水庫(kù)與丹江口水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合降雨預(yù)報(bào)和洪水預(yù)報(bào)確定了桓仁水庫(kù)動(dòng)態(tài)控制汛限水位的上限。通過(guò)分析，在保證水庫(kù)供水和發(fā)電效益的前提下，單獨(dú)利用洪水預(yù)報(bào)、降雨預(yù)報(bào)信息以及兩種預(yù)報(bào)信息聯(lián)合應(yīng)用，桓仁水庫(kù)汛期最

6、多分別可減少棄水 30.21×10<'6>m<'3>、60.42×10<'6>m<'3>和90.63×10M<'6>m<'3>；單獨(dú)利用降雨預(yù)報(bào)信息，丹江口水庫(kù)汛期最多可減少棄水 4.1×10<'8>m<'3>。 (5)研究分析了利用洪水預(yù)報(bào)和降雨預(yù)報(bào)信息動(dòng)態(tài)控制汛限水位對(duì)水庫(kù)的防洪風(fēng)險(xiǎn)。在王本德教授對(duì)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)率定義的基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)報(bào)誤差分布的極大熵模型，通過(guò)分析年頻率與次頻率的轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立了利用洪水預(yù)報(bào)以及洪水預(yù)