【摘要】：隨著我國(guó)人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水資源需求不斷增加,水環(huán)境惡化問題突出,同時(shí),氣候變化導(dǎo)致洪澇、干旱等極端水文事件頻發(fā),使得我國(guó)水資源供需矛盾日益加劇,對(duì)水資源管理提出了新的挑戰(zhàn)。依據(jù)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù),充分發(fā)揮水利工程的作用,在確保防洪安全的前提下,提高洪水資源利用率是緩解這一矛盾行之有效的非工程措施。在洪水資源利用中,水庫(kù)是最重要的蓄洪補(bǔ)枯工程,水庫(kù)汛限水位是協(xié)調(diào)防洪與興利目標(biāo)的關(guān)鍵指標(biāo)。目前,我國(guó)已對(duì)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制展開大量的研究,但對(duì)其中的一些關(guān)鍵問題還有待進(jìn)一步深入研究。所以,本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,從更高的理論層面上研究水庫(kù)汛期防洪與興利目標(biāo)之間的競(jìng)爭(zhēng)與轉(zhuǎn)化關(guān)系,系統(tǒng)建立水庫(kù)汛期防洪與興利協(xié)調(diào)控制理論模型與方法,以提升水庫(kù)防洪與興利調(diào)度的創(chuàng)新能力與應(yīng)用水平。主要的研究?jī)?nèi)容和取得的成果如下：(1)構(gòu)建了水庫(kù)汛期防洪與興利雙目標(biāo)兩階段優(yōu)化對(duì)沖模型,將水庫(kù)汛期調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為當(dāng)前時(shí)段(決策階段)的缺水風(fēng)險(xiǎn)與余留階段(預(yù)見期)的防洪風(fēng)險(xiǎn)之間的對(duì)沖(權(quán)衡)問題。首先,將水庫(kù)汛期調(diào)度過程轉(zhuǎn)化為當(dāng)前與未來(lái)兩階段滾動(dòng)決策過程；然后,在分析當(dāng)前階段的洪水預(yù)報(bào)信息與未來(lái)階段的徑流預(yù)報(bào)及其不確定性信息的基礎(chǔ)上以下游防洪風(fēng)險(xiǎn)率作為衡量防洪風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),并以當(dāng)前時(shí)段蓄水效益最大和未來(lái)階段防洪風(fēng)險(xiǎn)最小為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建水庫(kù)汛期雙目標(biāo)兩階段優(yōu)化調(diào)度對(duì)沖模型；最后,利用數(shù)學(xué)分析方法,結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)原理,闡述了水庫(kù)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)及約束的經(jīng)濟(jì)學(xué)含義,提出水庫(kù)汛期防洪與興利目標(biāo)的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制條件,即蓄水邊際效益和防洪邊際效益盡可能地接近；并依據(jù)該最優(yōu)協(xié)調(diào)控制條件,結(jié)合目標(biāo)函數(shù)的邊際效益遞減的經(jīng)濟(jì)學(xué)特性,提出了模型的求解算法。(2)揭示了不同預(yù)報(bào)水平下水庫(kù)汛期防洪風(fēng)險(xiǎn)與興利效益之間的競(jìng)爭(zhēng)與轉(zhuǎn)化關(guān)系。首先,給出下游最小防洪安全值δmin的定義,分析預(yù)報(bào)不確定性和下游防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該值的影響,并得到蓄水邊際效益和防洪邊際效益曲線關(guān)系隨δmin變化的三種形式,由此將δmin劃分為大、中、小三個(gè)等級(jí)。然后,提出防洪與興利雙目標(biāo)存在對(duì)沖(競(jìng)爭(zhēng))關(guān)系時(shí)的來(lái)水量范圍確定方法,并給出了該范圍內(nèi)外時(shí)的最優(yōu)調(diào)度決策：若來(lái)水量處于該范圍,最優(yōu)調(diào)度決策為防洪邊際效益與蓄水邊際效益相等；若來(lái)水量高于該范圍,則雙目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo),按水庫(kù)防洪調(diào)度規(guī)則或興利調(diào)度規(guī)則進(jìn)行決策；若來(lái)水量低于該范圍,則將水庫(kù)水位蓄至控制域上限。最后,給出了δmin在大、中、小三個(gè)量級(jí)時(shí)的最優(yōu)蓄水決策隨未來(lái)階段預(yù)報(bào)來(lái)水的變化曲線,即對(duì)沖規(guī)則。(3)分析了目標(biāo)權(quán)重和預(yù)報(bào)不確定性對(duì)防洪與興利兩目標(biāo)對(duì)沖關(guān)系的影響,并提出了兩目標(biāo)存在對(duì)沖關(guān)系時(shí)權(quán)重范圍的確定方法,以及確定預(yù)報(bào)信息不確定性的允許上限的方法。分析結(jié)果表明：兩目標(biāo)存在對(duì)沖關(guān)系的權(quán)重范圍隨預(yù)報(bào)不確定性的增大而減小,預(yù)報(bào)信息不確定性的允許上限與下游防洪標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)報(bào)來(lái)水的大小以及目標(biāo)權(quán)重等因素相關(guān)。當(dāng)預(yù)報(bào)來(lái)水越大或下游防洪標(biāo)準(zhǔn)越低時(shí),不確定性的允許上限越�。粰�(quán)重的影響和預(yù)報(bào)來(lái)水量相關(guān)：當(dāng)預(yù)報(bào)來(lái)水小于某一值時(shí),預(yù)報(bào)不確定性允許上限由邊際效益原則確定,且若決策者越重視興利蓄水,則不確定性的允許上限越小,當(dāng)預(yù)報(bào)來(lái)水大于某一值時(shí)；允許的最大預(yù)報(bào)不確定性由蓄水非負(fù)約束確定,即預(yù)報(bào)不確定性大于一定值時(shí)水庫(kù)需要騰出所有共用庫(kù)容,且若決策者越注重防洪目標(biāo),則不確定性的允許上限越小。(4)分析了面臨時(shí)段預(yù)報(bào)不確定性、余留階段預(yù)報(bào)誤差分布形式等因素對(duì)水庫(kù)汛期防洪與興利兩目標(biāo)協(xié)調(diào)控制的影響。結(jié)果表明：1)面臨時(shí)段預(yù)報(bào)不確定性增加了面臨時(shí)段的效益差值和未來(lái)時(shí)段的防洪風(fēng)險(xiǎn),加劇了防洪與興利兩目標(biāo)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,水庫(kù)將減少預(yù)蓄水量,騰出更多共用庫(kù)容,以減少預(yù)報(bào)不確定性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。2)與預(yù)報(bào)誤差獨(dú)立同分布相比,考慮預(yù)報(bào)誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差與預(yù)報(bào)來(lái)水的關(guān)系時(shí),在未來(lái)階段預(yù)報(bào)來(lái)水越小時(shí),水庫(kù)汛期防洪與興利目標(biāo)存在對(duì)沖關(guān)系,且最優(yōu)預(yù)蓄水量隨未來(lái)階段預(yù)報(bào)來(lái)水的變化曲線更緩,即在來(lái)水量較大時(shí),水庫(kù)預(yù)留更多防洪安全值,且預(yù)報(bào)不確定性允許上限偏小,在來(lái)水量較小時(shí),水庫(kù)預(yù)蓄更多水,且預(yù)報(bào)不確定性允許上限偏大。該分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本文構(gòu)建的理論分析框架的合理性,可將分析框架推廣應(yīng)用。(5)選取尼爾基水庫(kù)為研究對(duì)象,檢驗(yàn)理論分析結(jié)論的合理性。首先,在分析尼爾基水庫(kù)預(yù)報(bào)誤差分布的基礎(chǔ)上,給出尼爾基水庫(kù)不同預(yù)報(bào)來(lái)水時(shí)的最大允許預(yù)報(bào)不確定性,構(gòu)建尼爾基水庫(kù)的汛期調(diào)度防洪與興利雙目標(biāo)兩階段優(yōu)化調(diào)度模型,得到尼爾基水庫(kù)現(xiàn)有預(yù)報(bào)水平下的對(duì)沖規(guī)則；然后,綜合水庫(kù)汛期雙目標(biāo)對(duì)沖規(guī)則與水庫(kù)防洪規(guī)則,計(jì)算利用對(duì)沖模型的風(fēng)險(xiǎn)與效益：最后,結(jié)果表明,該對(duì)沖規(guī)則可減少棄水量,增加蓄水量,且在洪水來(lái)臨前能將預(yù)蓄水量全部下泄,不增加額外防洪風(fēng)險(xiǎn)。最后對(duì)全文做了總結(jié),并對(duì)有待進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了展望。
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【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TV697.13
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本文編號(hào)：2431168