设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法技术

本发明专利技术公开的设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法，包括用最大似然法估计联合分布函数的参数向量；应用蒙特卡洛方法，从中抽取与实测数据长度相等的二维样本；估计每组模拟样本的参数，得到N组联合分布函数参数向量；计算不同重现期类型下的二维联合设计值；进行多维不确定性下设计洪水的计算；建立基于CVaR风险计量指标的水库防洪优化调度模型，实现防洪风险调度。本发明专利技术建立基于CVaR风险计量指标的水库防洪优化调度模型进行风险度量，为实际防洪调度决策的制定提供支撑。为实际防洪调度决策的制定提供支撑。为实际防洪调度决策的制定提供支撑。

【技术实现步骤摘要】
设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法


[0001]本专利技术属于水利工程规划
，涉及设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法。

技术介绍

[0002]设计洪水是水利工程规划设计与运行管理的重要依据。水库工程规模的确定、防洪调度规则的制定等均以确定性的设计洪水为前提条件推求得到，但设计洪水的计算受多重不确定性因素影响，如样本不确定性、典型洪水过程不确定性等等。推求设计洪水不确定性下的水库防洪调度规则是确保防洪调度规则在实际应用中稳健性的必然途径。
[0003]迄今为止，国内外关于设计洪水不确定性的研究已形成了许多成果，主要是采用贝叶斯理论或蒙特卡洛方法揭示概率分布函数参数不确定性、概率分布函数类型不确定性及样本不确定性等因素对设计洪水峰值或洪量的影响，部分研究在采用Copula函数模拟设计洪水峰值和洪量相关性的基础上，开展多维设计洪水不确定性研究。Reis等采用马尔科夫
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蒙特卡洛(MCMC) 抽样方法对分布参数进行抽样，定量评估了参数的不确定性并证明了贝叶斯方法的有效性。Yin等采用Copula函数构建洪峰流量与洪量的联合分布模型，采用参数Bootstrap抽样法评估了样本不确定性对两变量联合洪水设计值计算的影响。Guo等通过引入最大熵理论，分析了频率计算中边缘分布类型不确定性与样本不确定性对洪峰与降雨二维联合设计值的影响。鲁帆等以丹江口水库为例，采用基于Metropolis
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Hastings抽样算法的贝叶斯MCMC方法估计设计洪水的后验分布，并据此进行频率分析。梁忠民等针对水文设计值计算中概率分布函数的参数和函数类型的不确定性进行了研究，提出了基于贝叶斯理论的水文频率分析方法。胡义明等利用Bootstrap方法，研究了样本不确定性对水文设计值的影响，并且对其进行了定量评价。郑永恒等提出了考虑不确定性的防洪工程设计洪水风险评估方法，以混合概率分布拟合非一致性洪水序列，对混合分布重抽样，采用偏差校正与加速算法评估样本不确定性对设计洪水风险计算的影响。除却设计洪水峰值与量级的不确定性外，设计洪水过程线的不确定性(如洪峰发生时刻、洪水过程线形状等)也是影响水库防洪调度规则的重要因素，以往研究在同时考虑设计洪水峰值、量级及其过程线的不确定性方面较少涉及。
[0004]如上所述，设计洪水的不确定性必然影响水利水电工程设计规模及其运行管理。李大鸣等构建了洪峰和洪量的联合分布模型，并进行随机抽样，基于不同的洪水类别生成了洪水过程，采用蒙特卡洛法计算了不同风险因子组合所对应的水库调度风险，为合理利用洪水资源提供了一定的参考。尹家波、郭生练等建立了描述双变量设计洪水不确定性的C
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PBU(Copula
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basedParametric Bootstrap Uncertainty)模型，分析了联合设计值的不确定性对水库最高调洪水位的影响，并对比了不同典型洪水过程下的水位不确定性。阎晓冉等提出了一种考虑峰型和频率的洪水随机模拟方法，引入了峰型系数和峰现时间，进行洪水特征量与不同类型洪水过程线的随机模拟，将其应用于防洪调度计算，对于水库防洪调度规则的制定及风险分析具有重要意义。 Requena等采用Copula函数构建了洪峰洪量的
联合分布，生成了多场基于实测洪水过程的设计洪水，评估了大坝的漫顶风险。综上，国内外学者在评估设计洪水的不确定性对水库防洪安全的影响方面开展了大量研究，但多数研究在此过程中采用水库已有的防洪规则，忽视了水库已有的防洪规则是在设计洪水确定性的假设下推求而来，与研究的出发点“设计洪水计算存在不可忽略的不确定性”之间存在天然的矛盾。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法，针对设计洪水峰值、量级及过程线的多维不确定性，建立基于CVaR (Conditional value at risk)风险计量指标的水库防洪优化调度模型进行风险度量，为实际防洪调度决策的制定提供支撑。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤1，用最大似然法估计联合分布函数H(h,y；θ)＝C(F(h；θ
h
),F(y；θ
y
)；θ0) 的参数向量θ＝(θ
h
,θ
y
；θ0)，该函数中，变量h与y分别为年最大洪水峰值与量级；
[0008]步骤2，基于上述联合分布函数，应用蒙特卡洛方法，从中抽取与实测数据长度相等的二维样本，随机抽取N次；
[0009]步骤3，采用最大似然法估计每组模拟样本的参数，得到N组联合分布函数参数向量；
[0010]步骤4，在每组参数向量下，计算不同重现期类型下的二维联合设计值；
[0011]步骤5，基于每组参数向量下的二维联合设计值，进行多维不确定性下设计洪水的计算；
[0012]步骤6，建立基于CVaR风险计量指标的水库防洪优化调度模型，实现防洪风险调度。
[0013]本专利技术的特点还在于，
[0014]步骤4中计算不同重现期类型下的二维联合设计值具体为，
[0015]在给定概率水平t∈(0,1)下，特征量联合分布概率W小于或等于t的概率K
c
的表达式为：
[0016]K
c
(t)＝P(W≤t)＝P(C(u,v)≤t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017]式(1)中：C(u,v)为Copula函数，K
c
为kendall测度，P表示概率；
[0018]则以K
c
表示的kendall重现期T
k
为：
[0019][0020]采用最可能组合法计算洪水联合设计值，最可能联合设计值是指满足指定的防洪标准T下，洪峰洪量联合概率密度最大对应的联合设计值，洪水联合设计值计算公式为：
[0021][0022]f(x,y)＝c(u,v)f(x)f(y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]式(3)中：(x
m
,y
m
)为洪水联合设计值，为具有相同重现期的峰量组合构成的等
值线，f(x,y)为洪峰、洪量联合概率密度函数；
[0024]式(4)中：f(x)、f(y)分别为边缘概率密度函数；C(u,v)为Copula的概率密度函数。
[0025]步骤5具体为：
[0026]将无量纲后的洪量累积曲线均分为K个时段，此时无量纲时间对应的无量纲累积洪量为F
i
，则每个时段的无量纲洪量为 P
i
＝F
i
‑
F
i
‑1，将每场洪水过程每个时段的F
i
或P
i
作为输入，采用基于欧式距离的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，用最大似然法估计联合分布函数H(h,y；θ)＝C(F(h；θ
h
),F(y；θ
y
)；θ0)的参数向量θ＝(θ
h
,θ
y
；θ0)，该函数中，变量h与y分别为年最大洪水峰值与量级；步骤2，基于上述联合分布函数，应用蒙特卡洛方法，从中抽取与实测数据长度相等的二维样本，随机抽取N次；步骤3，采用最大似然法估计每组模拟样本的参数，得到N组联合分布函数参数向量；步骤4，在每组参数向量下，计算不同重现期类型下的二维联合设计值；步骤5，基于每组参数向量下的二维联合设计值，进行多维不确定性下设计洪水的计算；步骤6，建立基于CVaR风险计量指标的水库防洪优化调度模型，实现防洪风险调度。2.如权利要求1所述的设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法，其特征在于，所述步骤4中计算不同重现期类型下的二维联合设计值具体为，在给定概率水平t∈(0,1)下，特征量联合分布概率W小于或等于t的概率K
c
的表达式为：K
c
(t)＝P(W≤t)＝P(C(u,v)≤t)
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(1)式(1)中：C(u,v)为Copula函数，K
c
为kendall测度，P表示概率；则以K
c
表示的kendall重现期T
k
为：采用最可能组合法计算洪水联合设计值，最可能联合设计值是指满足指定的防洪标准T下，洪峰洪量联合概率密度最大对应的联合设计值，洪水联合设计值计算公式为：f(x,y)＝c(u,v)f(x)f(y)
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(4)式(3)中：(x
m
,y
m
)为洪水联合设计值，为具有相同重现期的峰量组合构成的等值线，f(x,y)为洪峰、洪量联合概率密度函数；式(4)中：f(x)、f(y)分别为边缘概率密度函数；C(u,v)为Copula的概率密度函数。3.如权利要求1所述的设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法，其特征在于，所述步骤5具体为：将无量纲后的洪量累积曲线均分为K个时段，此时无量纲时间对应的无量纲累积洪量为F
i
，则每个时段的无量纲洪量为P
i
＝F
i
‑
F
i
‑1，将每场洪水过程每个时段的F
i
或P
i
作为输入，采用基于欧式距离的K
‑
means聚类法对其进行分类；对于分类后的洪水过程，先将F
i
或P
i
进行对数转换，即将受约束的相关非正态多变量转换为不受约束的相关非正态多变量，采用Johnson系统函数进行正态转换将其转换为相关标准正态多变量，再通过Cholesky分解进行正交转换将其转换为独立的标准正态多变量，最后采用蒙特卡洛模拟生成独立的标准正态多变量，进行逆转换；将生成的无量纲洪水过程线与模拟得到的洪峰、洪量采用变倍比放大的方式融合，从
而可以生成完整的洪水过程，获得若干条设计洪水序列。4.如权利要求2所述的设计洪水综合不确定性下的水库防洪风险调度方法，其特征在于，所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭爱军，王义民，杨笛，畅建霞，吴彬，赵月欣，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：