11.7.2 水资源调控风险分析应用
本节以2010水平年黄河干流梯级水库电站补偿调控方案为例，进行风险分析模型和方法的应用研究。
黄河干流梯级水电站补偿调控主要目的是研究黄河上游调节性能好的大型水库为全流域所作的贡献。例如龙羊峡水电站、刘家峡水电站，为了满足下游发电、灌溉、供水、生态等综合利用的要求，牺牲自身的发电效益，使中下游流域获得了可观的社会、经济、生态效益，从而显著增加了黄河全流域的综合效益。
黄河流域水资源的补偿调控涉及社会、经济、生态环境等众多方面，是一项复杂的多目标问题，因此，本算例以电站梯级发电量为目标，对梯级水库补偿调控方案进行风险评价。计算过程中优先考虑满足生活、工业以及生态用水，根据水量平衡约束、水库库容约束、防洪（凌）约束、出库流量约束、出力约束等边界条件，通过补偿调控仿真模型求解多种方案。方案的设置是依据黄河干流梯级水库电站的经济、社会、生态环境等方面的具体情况，有针对性地选取了增加调水、加强节水和治污力度等各种措施进行组合，形成梯级水库电站补偿调控计算方案集。本节针对黄河干流梯级水电站补偿调控的具体问题，依次建立风险因素辨识模型、蒙特卡罗（Monte-Carlo）风险估计的随机模拟模型，以及计算梯级水库补偿调控方案的风险指标，对各调控方案进行风险评价。
11.7.2.1 2010水平年补偿调控方案集及主要参数
结合黄河流域水库电站的实际，在龙羊峡水库与刘家峡水库都参与调节的情况下，分析可能的调控措施和手段，组合并生成2010水平年黄河干流水电站补偿调控方案集，其中初始方案的含义是：设计水平年投入运行的水库电站在没有其他任何调控措施情况下的补偿调控方案，投资较小，但是水资源短缺风险相对较大。初始方案拟订主要是从流域发电、供水、生态等综合效果最不利方案入手，分析提高综合效果的各种调控对策，以便为调控手段逐步投入运用提供科学依据。而其他方案是指在特定水平年以初始方案为基础，考虑适度调控措施水平，与产业结构调整后的需水水平组合而成的补偿调控方案。
2010规划水平年补偿调控方案设置：考虑以节水为主要调控措施，分析节水与南水北调中东线调水置换水量调控措施效果，基于此，2010水平年设置工农业强化节水10%方案组，工农业强化节水10%结合南水北调中线调水20亿m3方案组，工农业强化节水10%结合中东线调水30亿m3方案组，并考虑其他因素的变化，考虑黄河水资源可持续利用要求，生成调节方案19个。补偿调控方案集拟定见表11-3。
表11-3 2010水平年调控方案集
注 1.“★”表示采取的调控措施。
2.需水中含水土保持需水量2010水平年为20亿m3。
在不同工程措施的作用下，利用黄河干流梯级水电站补偿调控仿真模型计算得到2010水平年的不同补偿调控方案评价的主要参数，其中缺水量为农业缺水量，生活、工业以及生态用水优先满足。各方案中的评价指标如表11-4所示。
11.7.2.2 主要风险因素的辨识
1.风险因素初步筛选
风险是客观存在的，它无时不有，无处不在。任何尚未发生的事件，在未来是否发生或是否达到期望水平，都存在着风险。梯级水库补偿调控涉及自然、社会、经济、工程等多种风险因素，是复杂系统问题。一般而论，影响这一复杂系统的多种因素都具有不确定性，单一因素或多因素组合的不确定性变化都会导致补偿调控方案的目标风险。汇集所有这些风险因素，就构成了补偿调控方案的风险因素集，可概括为自然风险、社会经济风险、工程风险和管理风险四个方面的风险因素。按照上述分类，采用综合分析，定性判断的方法初选各类风险的主要风险因素如图11-9，主要风险因素指标值见表11-5。
图11-9 黄河干流梯级水库补偿调控方案主要风险因素指标体系图
表11-5 主要风险因素指标表
续表
2.主要风险因素辨识模型
判断风险因素是否为主要风险因素的依据是因素对目标影响程度的大小。由于水资源管理体制、水电站系统的结构、管理和运行模式的不断变化，各风险因素和目标的数据信息不同，在初步选定主要风险因素集的基础上，建立适用于不同数据信息的风险因素对目标的影响关系分析模型，最终选定方案的主要风险因素。黄河干流梯级电站补偿调控方案以梯级电量为主要目标，通过补偿调节模型求解得到的目标与各风险因素之间具有长系列同步资料，因此，建立多元相关分析模型对19种补偿调控方案进行模拟计算，筛选出主要风险因素。
设水电站补偿调控的目标即梯级电量y与m个风险因素x1，x2，…，xm均有n个同步统计资料（x11，x12，…，x1m，y1），（x21，x22，…，x2m，y2），（xn1，xn2，…，xnm，yn）。由数理统计原理，可通过相关检验确定不确定因素和目标间的关系。
为了对上述补偿调控方案进行主要风险因素辨识，需要利用模糊隶属函数的分散公式将各风险因素转化为无量纲的数：当指标为效益型时，归一公式为
当指标为成本型时，归一公式为
将原始数据转换为0～1之间级数。对于本例提出的各指标进行分析可知，各项风险因素都属效益型指标。另外，当若干方案对应的某一风险因素值具有相同的数值，例如不同方案采取相同的工程或非工程措施时，还需要对各方案的初选风险因素进行离散化。将表11-5中的原始数据进行离散化、归一化处理，见表11-6。
表11-6 主要风险因素归一化结果
根据数理统计原理，得多元线性相关分析模型为：
y=0.0052x1-0.0823x2+0.0983x3+0.048x4+0.0098x5+1.0538
（1）整体相关性检验。根据统计分析原理，构造FT分布，用假设检验进行整体相关性检验。本例中方案个数n=19，初选主要风险因素m=5，通过计算得FT=94.79，查数理统计附表F1-α（m，n-m-1）（α=0.05，m=5，n=19）得F0.95（5，13）=4.66。
由F检验原理，FT>Fα（m，n-m-1），因此整体相关程度较高。
（2）各因素与目标的相关程度分析。针对每个因素构造统计量ti（i=1，2，…，5），计算获得的中间变量及结果分别列入表11-7。
表11-7 中间变量计算
根据数理统计附表查
=2.1604。
由t检验原理，参照表11-7中的计算数据，
，即表示x1，x2，x3，x4，x5分别与目标相关程度较高。
11.7.2.3 主要风险因素的概率分布
确定风险因素的概率分布，是补偿调控方案风险分析的关键问题。风险因素估计的方法一般有两种：一种是根据大量试验资料，用统计方法获得的概率分布，称为客观概率；另一种是由于无法对事件进行实验，只能根据人们的经验和判断确定的概率分布，称为主观概率。视主要风险因素的具体情况，可通过统计分析或主观估计的方法对其进行估计。
对于有长系列资料，可分析得到客观概率分布的主要风险因素，通过分析检验，直接选用概率统计中的概率分布进行风险估计。常用的客观概率分布有正态分布、皮尔逊Ⅲ型分布等，水资源量等可采用这些客观分布。对于无长系列资料或无法对事件进行实验的主要风险因素，只能根据人们的经验和判断确定的主观概率分布进行风险估计，常用的主观概率分布有三角分布和梯形分布等。本例采取三角分布对工业、农业节水量进行风险估计。原因在于：三角分布只需提供最小值、最可能值和最大值三个参数，需要的已知参数较少，可以减少主观人为因素影响，并无需给出具体的概率。对于跨流域（东、中、西线）调水量、污水资源化量，本文拟定按离散随机变量考虑。分布参数的确定参考“黄河流域水资源演变的多维临界调控模式研究”（973国家重点基础研究发展规划项目）。
通过分析和研究，得出梯级水电站补偿调控方案的主要风险因素及其概率分布见表11-8。
表11-8 2010水平年主要风险因素及其概率分布
11.7.2.4 补偿调控方案风险估计及其结果分析
采用以上补偿调控方案风险分析模型和方法以及已确定的2010水平年风险分析的有关参数，通过计算期望值和均方差得到风险度指标，对补偿调控方案风险程度的高低做出度量，计算2010水平年调控方案的风险分析结果见表11-9。
表11-9 2010水平年补偿调控方案风险计算结果
