水利工程论文-南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研究.doc

水利工程论文-南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研究摘要：本文以风险理论为基础，提出了先建立二维复合事件风险组合模型，然后再进行两两组合，逐步给出整个引水工程防洪风险的估算方法。并以河北省段为例，对该方法进行了应用，结果表明：南水北调中线工程河北省段的防洪风险大约为30年一遇左右，其输水的安全性是有保证的，这为南水北调中线工程的论证提供了有利的科学依据。关键词：南水北调工程交叉建筑物洪水防洪风险南水北调中线工程是由丹江口水库引水枢纽、输水总干渠和沿途省市供水区组成的大型调水工程，跨江、淮、黄、海四大流域到达天津、北京，线路全长1264km。南水北调中线工程是以解决京津及华北地区用水，缓解水资源紧缺为主要目标1。南水北调中线总干渠沿线河流水系发达，与大小近千条河流交叉。其左侧的太行山区和伏牛山区曾发生过“63.8”和“75.8”两场国内最著名的特大暴雨，因此，中线总干渠如遭遇超标准的特大洪水而使其中任一座交叉建筑物发生失事时，则整个工程就可能受到影响，以致被迫中断运行，并且中线总干渠的走向几乎与所有交叉河流成正交或斜交之势而易受到洪水的冲击。可见，该工程存在许多不确定性和风险因素，特别是引水工程交叉建筑物的综合防洪风险问题，传统的水文计算方法很难解决，简单的概率叠加结果也使许多人怀疑该引水工程的可行性。对该问题一直争论不休，至今尚未达成统一的共识。在南水北调工程即将实施之际，对该问题的认识及评估，已成为工程迫切需要解决的问题之一。1防洪风险估算模型的建立在南水北调工程中线总干渠上，若有n个交叉建筑物，其设计标准分别为P1、P2、Pn，在暴雨和洪水同频率的基础上，相应的设计洪水或设计暴雨分别为F1、F2、Fn，则整个南水北调中线总干渠因交叉建筑物因超标准洪水出现而中断运行的风险为R=P(F1FP1)(F2FP2)(FnFPn)(1)可见，为了推求上述组合事件的概率，需要各交叉建筑物设计洪水或设计暴雨的n维联合概率密度分布函数f(F1,F2,Fn)，以及f(F1,F2),f(F1，F3)，f(F1，Fn),f(F2,F3),f(F2，F4)，f(F2，Fn),，等大量2至n-1维的联合概率密度分布函数。由数理统计学可知，在各变量的概率密度分布函数f(F1)，f(F2)，f(Fn)均属正态分布或对数正态分布时，其联合概率密度分布函数f(F1，F2，Fn)等才可能会有函数表达式。而实际上，水文变量大都是偏态分布，特别是暴雨和洪水。这样当n较大时，在实际水文资料条件下是不可能推求出这些联合概率密度分布函数的。针对上述情况，20世纪80年代初期开始，人们为了解决多项因素共同作用下的风险计算问题，不得不通过模拟技术求解数值解。由于受到计算能力的限制，最初在保证计算精度的前提下，如何减少计算机时就成为重点考虑的问题。因此，BourgundU和CGBucher曾提出重点抽样法ISPUD(importancesamplingprocedureusingdesign)的模拟技术2。而其应用理论主要包括联合概率法、变量构造法和多元极值理论等，其中变量构造法在分析问题前，需要先确定所研究变量的函数表达式，如JonathanAT曾把区域降雨量表达为其中m、是有关参数，xj代表各雨量站的降雨量3。多元极值理论的依据是极值点过程理论，其边际分布一般为标准Gumbel分布。实际降雨过程的复杂性，及水文变量非标准Gumbel分布,使变量构造法和多元极值理论的应用，在水文风险计算上受到了很大的限制。为此，朱元NFDA9等人曾探讨过二维复合事件的风险计算模型，并用于分析南水北调中线工程的防洪风险问题4。冯平等人也曾研究过暴雨洪水共同作用下的多变量防洪计算问题5。但对于二维情况，依据联合概率理论有p(F1F2)=P(F1)+P(F2)-P(F1F2)(2)其中(3)(4)及(5)式中f(x)和f(y)分别为两个交叉建筑物设计洪水或设计暴雨的概率密度分布函数，按我国的防洪规范二者均采用Pearsion型分布6，即(6)及(7)而f(y/x)是暴雨或洪水的条件概率密度分布函数，它是由两部分决定的：(1)在暴雨或洪水x条件下，暴雨或洪水y的条件期望值E(y/x)，它决定了这两个暴雨或洪水之间的关系；(2)在给定暴雨或洪水x下，暴雨或洪水y在E(y/x)附近的离散分布情况，它是因下垫面情况、暴雨时空分布等诸多不同因素综合作用的结果，因此由中心极限定理可假定其近似符合正态分布，即(8)如果有足够的暴雨或洪水资料，(1)部分可以通过建立这两个暴雨或洪水的相关关系来确定；(2)部分是给定某一暴雨或洪水x下，暴雨或洪水y的条件方差值y/x，也可以通过实测暴雨或洪水资料估算。若暴雨或洪水资源有限，或上述正态分布的假定难以保证，可以通过幂变换法等方法把x和y正态化处理，并且对正态化后资料系列可采用偏峰检验法进行正态化检验7。将x和y转换为正态系列x1和y1后，则有(9)及(10)式(9)和式(10)中：Ex1和Ey1分别是2个交叉河流的暴雨或洪水正态化系列的均值；x1和y1分别是其均方差；r1是其相关系数。因此(11)两个交叉建筑物因水毁而中断运行的组合风险计算问题，就是求解式(1)式(5)给出的二维复合随机模型，其中式(3)和式(4)可以通过传统的Pearsion型分布曲线，即通过这2个交叉建筑物的设计防洪标准给出。而式(5)可以采用数值积分方法或MonteCarlo等方法计算。如果采用数值积分方法，式(5)可由下式近似给出：(12)式中：m和n分别是概率密度分布函数f(x1)和f(y1/x1)在(x1p,)和(y1p,)区域的离散区间数。按照前述分析，对于南水北调中线总干渠上的交叉建筑物，便可以采用逐渐发展起来的风险分析方法，先建立二维复合事件风险组合模型，然后如图1所示，对整个总干渠上不同交叉建筑物的防洪风险进行两两组合，并在第1层组合的基础上，进行第3层、第4层等的逐步组合，最后就可以给出整个引水工程总干渠的防洪风险。图1引水工程总干渠的防洪风险估算过程示意2实际应用本文将以南水北调中线总干渠的河北省段为例，来分析论证引水工程总干渠防洪风险的估算方法。南水北调中线工程总干渠自河南省安阳市丰乐镇西进入河北省后，基本沿太行山东麓和京广铁路西侧北行，途径河北省22个县(市)和石家庄市(郊)，于涿州市西潼村北穿北拒马河中支进入北京市境内，在河北省境内线路总长461km。并且在河北省境内穿越大小河沟201条，无明显天然河沟的坡水区36处，共计237条(处)。2.1沿线暴雨、洪水一致区的划分与确定对于河北省段的237条(处)交叉河流，由于很难收集到每个交叉河流的洪水或暴雨资料，因此采用了划分暴雨、洪水一致区的方法，并假定每个一致区内的暴雨和洪水是同频率的。中线工程总干渠河北省段的237条大小交叉河流，除滹沱河、沙河(北)、唐河、拒马河上游部分山区外，均处于较大或特大暴雨的笼罩范围内。另外，根据历史暴雨洪水资料统计，中线总干渠河北省段滏阳河中上游山区和大清河中上游山区有两个明显的高值区，同时铭河流域、磁河与沙河之间的坡水区及北易水与拒马河之间的坡水区为相对低值区，说明总干渠沿线各河之间的暴雨洪水有明显的相关程度，即明显的区域一致性特征，具备了划分总干渠沿线暴雨、洪水一致区的基本条件。这样，根据统计的历史暴雨分布特点，并考虑交叉建筑物工程结构和设计标准的不同，把总干渠河北省段沿线划分成了32个暴雨、洪水一致区，在每个区域内选定了相应的典型雨量站。2.2相邻暴雨洪水一致区之间的相关特征分析针对初步所划定的32个暴雨洪水一致区的114个典型雨量站，从海河流域水文年鉴和水文数据库上查得了各典型雨量站的暴雨系列资料。考虑到各交叉河流的汇流特征，是以年最大24h暴雨为代表系列。该点暴雨系列的最大长度是从19501997年共计48年，最短长度为19621997年计36年。暴雨洪水一致区是根据降雨的空间分特征，及其资料情况尽最大限度来划定的，因此，通过分析相邻暴雨洪水一致区之间分区雨量系列的相关特征，是可以用来检验暴雨洪水一致区划分的合理性的。各相邻暴雨洪水一致区的年最大24h暴雨之间相关系数的计算结果如表1所示。表1相邻区域年最大24h暴雨系列的相关特征序号系列1系列2系列长度相关系数1234