多维不确定性随机扰动胁迫下水库群防洪调度风险分析

Multi-reservoir flood control system is a complicated and opened system, which has the characteristics of stochastic, fuzziness, gray, and chaos. There are lots of stochastic uncertainties in flood control operation. Thus, the difficulty for multi-reservoir flood control operation is the description of these uncertainties. Current methods usually assume that these uncertainties obey the normal distribution, and the dynamics and dependencies among them are neglected. Therefore, this study will introduce the entropy theory and multivariate analysis method to describe the dynamic characteristic of uncertainties and realize the simulation of them. Based on these research, the risk analysis of multi-reservoir flood control operation considering multiple uncertainties will be carried out. First, the stochastic distribution of these uncertainties will be studied. And a stochastic simulation model, which can reflect the skewness and dynamics of uncertainties, will be established. All of the properties of risk characteristic variables including the variation ranges, cumulative distribution function and evolving processes, will be analyzed. Risk evaluation in different time and risk spreading along the stream will be revealed. This research will develop the theory of risk analysis of multi-reservoir flood control operation, which has a great significance in both academic research and engineering application.

库群防洪系统是一个复杂的开放巨系统，具有随机性、模糊性、灰色性、混沌性等多种特点，导致防洪调度的各环节都存在诸多不确定性随机扰动因素，因此，库群防洪调度的难点在于不确定性随机扰动过程的描述与表征。现行方法通常假设各种不确定信息服从正态分布，且未考虑其动态性和相关性特征。为此，本研究以广义信息熵理论和多变量分析方法为基础，以不确定性随机扰动信息的动力学描述和统计学模拟为突破点，提出了多维不确定性随机扰动胁迫下库群防洪调度风险分析理论。首先研究不确定性随机扰动因素的随机分布规律，进而开展反映扰动变量偏态特性与动态变化的随机模拟研究，以此为基础，建立刻画风险特征变量动态变化域、分布函数及变化过程的水库群防洪调度全特性模型，揭示风险特征值在各控制断面随时间的演化机理和空间的传播规律。研究成果将发展水库群防洪调度风险分析的建模理论，具有重要的学术意义和工程应用价值。

我国长江上游已经形成世界规模最大的梯级水库群，但其防洪调度运行在多维不确定性随机扰动下面临一系列重大挑战，是一个亟待解决的关键科学问题和工程技术难题。为此，紧密围绕国家重大需求与现有基础理论间的突出矛盾开展研究，提出了基于熵理论的多重不确定扰动下库群防洪调度全特性风险评估方法，创建了一套多维不确定性随机扰动胁迫下水库群防洪调度风险分析的先进理论与方法体系。首先，辨识了库群调度运行过程中关键不确定随机扰动因素；推求了各种不确定性因素的均值、标准差、方差等统计特征值，厘清了其时空扰动动力学机理以及统计特性；在此基础上，建立了反映偏态特性与动态变化的随机模拟模型；实现了综合考虑单一静态及多维动态不确定性的随机扰动因素随机模拟；进一步，研究并揭示了单一及组合不确定性随机扰动因素对库群防洪调度系统的作用机理；解析了不确定因素胁迫下防洪关键特征值随时间的演化特性；以蒙特卡洛随机模拟技术为基础，探究了防洪风险控制变量的动态变化域，并基于最大熵原理推导了防洪系统关键控制断面调洪最高水位或最大泄量的随机分布函数，提出了一套多重不确定随机扰动下库群防洪调度全特性建模方法，克服了传统风险评估方法指标单一的局限性，合理准确的刻画了不确定性对水库防洪调度的影响；以此为基础，解析了不同风险元随机扰动因素在梯级水库防洪调度中的传递规律，提出了基于条件熵的贝叶斯准则的防洪风险分析方法，解析了多风险元共同影响和单一风险元影响下库群防洪风险响应机制，探明了对防洪风险影响最大的不确定性，揭示了大规模防洪系统中关键控制断面的防洪风险及其演化规律。研究工作解决了长江上游多维不确定性随机扰动下水库群防洪调度中面临的若干核心科学问题和关键技术难题，为我国建成安全高效的防洪减灾体系提供了科学依据和技术支撑。