（水利水电工程专业论文）南水北调中线工程总干渠防洪安全和洪水风险问题的研究.pdf

摘要 摘要 南承j 谲巾线总于渠潘线河流水系发达，与大小遥予河流突叉，辍易受捌涣 水的冲击。只要其中任座交叉建筑物遭遇超标准的特大洪水而发生失事，则整 个工程就可能受到影响，以致被迫中断运行。这也使南水北调中线工程交叉建筑 物豹嚣滋风验嗣题；| 怒了广泛熬争论，茨谗多a 焱不嗣稷疫上悔凝该弓 东工程豹 叮行性。因此，对该工程防洪安全问题的准确认识及评估，己成为南水北调工程 追切需要解决的问题之一。倪是，由于暴掰洪水的区域糖关性，传统的水文计算 方法很难鳃决这一洪水风验缌合翊题。另努，国内夕 关于长距亵弓| 承王程交叉建 筑物的防洪风险问题的研究成果也很不成熟，基本都是针对具体问题进行的，可 蜮借鉴的经验并不太多，致饺本文的研究纂础非常薄弱。在这种情况下，作者对 目前有关的观点和结论进行了系统的分析，解决了该闷题研究j 鼙程中蹲存在的关 键性难题，从而提出了一种全新、合理的引水工程防洪风险估算方法。本文所取 褥豹主要研究成梁包括： l 、以风险分析理论为基础，建立了二维复合事件风险组合模型，并通过对 不嗣区域内的防洪风险进行两两组合，逐步给出了整个弓| 水总千渠的防洪风险。 凌技术方法巧妙她解决了南求北调中线工程骑洪风险诗算中的相关谯问题，从而 找到了一种计算长距离引水工程防洪组合风险的计算方法。 2 、校据本谦题磷究的基本慝路，藉桶河j e 省段的承文资科，按愁暴雨形成 洪水的物理成因，在分析太行山区特大暴震时空分布基本规律的基础上，对总干 渠交叉河流总集水范围划分暴雨洪水一致医，计算了南水北调中线工程总干渠河 j l 雀段豹稼洪鼠淦。劳显对霹能彩蹶计算缭采酶一些不确定因索逶行了分轿。 3 、通过对太行山区主要河流近2 0 0 年来最大洪水熏现期、洪水发生次数以 及京广铁路交叉建筑物的实际水毁情况的分析，间接地论证了南水北调中线工程 惑予渠豹防洪风验理发。说爨零矮磅究给爨戆残暴镣台交际情撼，是合毽哥靠熬。 这为南水北调中线工程的安全性和可行性提供了有利的科学证据。 本文所提出的防洪风险计葬方法思路新颖，有蛏实的理论基础。对于长距离 输浊、输气工程以及公路、铁路等涉及交叉建筑物钓重要生余线工程数茨洪她殓 问题，都可以采朋该方法进行评价。因此，本项研究的成粱具有普遍的理论价值， 菲常值得在实际中推广应用。 关键词：南水北调工程交叉建筑物洪水 防洪风险 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a i nc h a n n e li nt h em i d d l er o u t eo ft h ew a t e rt r a n s f e rp r o j e c tf r o ms o u t h t on o r t h ( m c s n ) c r o s s e st h o u s a n d so fr i v e r sa n ds u b j e c t st ot h ei m p a c to ff l o o d i f t h ea b n o r m a lf l o o do c c u r si na n yc r o s sr i v e r s ，t h ec r o s ss t r u c t u r e sw i l lb ed a m a g e d a n dt h ew a t e rt r a n s f e rs y s t e mw i l lb ed i s c o n t i n u e d 髓l ef l o o dr i s kp r o b l e mo f 醚e s n h a db e e nd e b a t e df o rat o n gt i m e ，w h i c he n a b l es o m ep e o p l ed o u b tt h ep r o b a b i l i t yo f t h ew a t e rt r a n s f e rp r o j e c t t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mf o re v a l u a t i n gf l o o dr i s ko f t h ec r o s s s | r u c t u r e si nm c s nb e c o m e si m m i n e n c eb e f o r et h ei m p l e m e n to fm c s n 。b u t 、t h e r e g i o n a lr e l a t i v i t yo ff l o o dm a k e si t d i f f i c u l tt os o l v et h i s p r o b l e m a tp r e s e n t ，t h e s t u d yo nt h ef l o o dr i s kp r o b l e mo f d i s t a n tw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t si ss t i l ln o tm a t u r e o nt h eb a s i so f a n a l y s i so f t h ep r e s e n ts i t u a t i o no f s t u d ya b o u tt h i sp r o b l e m ，an e w r e a s o n a b l em e t h o dt os o l v et h e k e yd i f f i c u l t yp r o b l e mh a db e e np r e s e n t e d t h e a c h i e v e m e n ti so b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nr i s kt h e o r y , t h ep a p e rf i r s tp r o p o s e sar i s ka s s e m b l e dm o d e la b o u t t w o d i m e n s i o nj o i n tp r o b a b i l i t y t h e ni t p r e s e n t sa na s s e s s m e n tm e t h o do nf l o o d d a m a g e r i s ko ft h ew h o l em c s n b yc o n t i n u o u s l yc o m b i n i n ge v e r yt w of l o o dr i s ko f c r o s sr i v e r s 2 t a k i n gm c s n i nh e b e ip r o v i n c ea sa l le x a m p l e ，t h ef l o o dd a m a g er i s ki nt h e c h a n n e lo fh e b e i p r o v i n c e i se s t i m a t e d 。f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c to fu n c e r t a n tf a c t o r so n o u t c o m e sa r ea s s e s s e d 。 3 s o m e p r a c t i c a lf l o o dd a t aa r eu s e dt oc e r t i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h er e s u l t s i t t u r n so u tt h er e s u l t si s a p p l a b l ea n dt h ec h a n n e li s s e c u r et ot r a n f e rw a t e r t h e r e s e a r c hp r o v i d e sau s e f u ls c i e n t i f i cp r o o f f o rt h ef e a s i b i l i t ys t u d ya b o u tm c s n t h em e t h o d p r o p o s e d i nt h i sp a p e ri sr e a s o n a b l ea n dh a st h es t a b l eb a s e o f t h e o r y i tm a yb ea p p l i c a b l et oo i lt r a n s f e r , n a t r u a lg a st r a n s f e r , h i g h r o a d ，r a i l w a ya n d s oo n t h er e s u l t so ft h i ss t u d yh a v et h eu n i v e r s a lv a l u eo f t h e o r ya n da r ew o r t ha p p l y i n g e x t e n s i v ei np r a c t i c e ， k e y w o r d s ：t h ew a t e rt r a n s f e rp r o j e c tf r o ms o u t ht on o r t h c r o s ss t r u c t u r e sf l o o d f l o o dr i s k 独创性声明和论文版权使用授权如 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：? 习广、诒 签字日期： 沙。年，月2 - f | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：司 膨 签字日期：妒y 年厂月7 r i i 导师签名 吻$ 签字日期：，吨，年6 月js 日 第一章前言 第一章前言 1 1 南水北调中线工程交叉建筑物防洪风险问题的提出 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，它跨越江、淮、黄、海四大流域到达北京、天津，总干渠 全长1 2 3 4 k m 。它是目前世界上输水线路最长、输水流量最大的超大型调水工程。 南水北调中线工程是以解决京津及华北地区用水危机，缓解水资源紧缺状况为主 要目标的“。 南水北调中线总干渠沿线河流水系非常发达，输水总干渠与大小近千河流交 叉，仅在河北省内就与2 3 7 条河流交叉，其中流域面积超过2 0k m 2 的就有5 2 条。，因此，需要修建大量的交叉建筑物，以保证输水干渠的安全顺利运行。中 线总干渠左侧的太行山区和伏牛山区是暴雨的多发区，曾发生过“6 3 8 ”和“7 58 ” 两场国内最著名的特大暴雨，造成了巨大的洪水灾害；而中线总干渠右侧是全国 南北交通大命脉京广铁路以及众多的大中型城市，这些地区人口稠密、工农业生 产发达，一旦遭到洪水的袭击，将会造成严重的生命和财产的损失。因此，如果 中线总干渠遭遇超标准的特大洪水，使得其中任一座交叉建筑物发生失事，不仅 会影响整个输水工程的正常运行，甚至会导致输水中断，而且还会加剧洪水灾害， 直接威胁到京广铁路和广大城市的安全。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，因而更容易受到洪水的冲击。由此可见，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防洪风险问题，更是受 到了人们的广+ 泛关注。 但是，由于暴雨洪水的区域相关性，使得传统的水文计算方法很难解决这一 问题，也使许多人怀疑该引水工程的可行性。实际上，整个引水工程交叉建筑物 的防洪风险既不是完全独立的，也不是完全相关的，其防洪风险并不是有些人想 象的那么严重，京广铁路等大量的铁路、公路工程的长期运行经验也证明了这点。 但是，到目前为止，还没有在理论上取得突破，人们对该问题还在争论不体，始 终没有达成统一的共识。 南水北调中线工程交叉建筑物防洪风险的定量评估问题，将会关系到整个输 水工程能否有效运行，能否实现预期的调水目标。因此，在理论研究上取得关键 性突破，对该问题进行准确认识和科学合理的评估，使之达成统一的共识，为南 水北调中线工程的可行性研究提供有利的证据，已成为工程迫切需要解决的问题 之一。 第一章前言 1 2 国内外的风险研究动态 韦伯字典把风险定义为“生命与财产损失或损伤的可能性”p 。灾害风险分 析的对象大致可分为两类。一类是由大型工程失事而引起的对社会、经济、环境 等方面造成损失的可能性，例如：核反应堆爆炸，石油管道破裂等。另一类是由 于自然灾害而引起的对社会、经济、环境等方面造成损失的可能性。例如：旱涝 灾害造成粮食产量降低，地震造成生命及财产损失等。但如果是由于特大洪水冲 毁水坝而造成的下游生命及财产损失，则可归为前者。 大型工程的风险分析主要采用事故树的方法。在五十年代，由于美国所掌握 的核技术日益成熟，建设核电站已在计划之中，美国政府为了消除公众对于核电 站的恐惧心理，责成美国原子能委员会对核电站的失事概率及其所造成的后果进 行调查。该委员会最终提出了一份名为大型核电站中重大事故的理论可能性和 后果的研究报告，在这份报告中首次提出了事故树风险分析方法。其实质是根 据工程的特点，找出各种可能导致工程失事的基本致因事件，求出各个致因事件 的发生概率，最终根据概率组合理论求出工程失事的概率即风险值。 在国内，王华东、王飞曾采用这种方法分析过丹江口水库的防洪风险4 ) ( ”。 邓春朗用事故树法对库尔勒鄯善输油管道的泄漏事故进行了评估( 6 ) 。王勇、 杨凯等采用类似方法定义了化工企业的安全指标7 ) o 此外谢波、薛纪渝、杨晓松 应用模糊数学给出了库尔勒鄯善输油管道五个区段的风险度及相应的风险 管理措施怫) 。钟政林、曾光明等提出了利用马尔科夫状态转移矩阵，预测未来 几年内水环境变化趋势的新方法( 9 ) 。对于二维以上事件的风险分析，进行概率 组合计算时受到的限制条件比较多，而水文变量一般很难满足这些条件，因此在 水文分析中，这种方法多用于二个变量的情况。为此，朱元监等人曾探讨过二维 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1 0 1 。 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“”。s a c k lb 和 b e r g m a n nh 也曾研究过二维洪水计算模型并探讨了它的具体应用“孙。 在自然灾害的风险评估方面，主要是水文灾害风险评估和农业气象灾害风险 评估两类。水文灾害风险评估专指流域水量出现极值情况下，即发生干旱或洪涝 时的风险分析。这方面的风险分析方法主要是根据历史水文系列，建立流域的或 供水系统的水文模型，根据水文模型模拟两种极端水文系列( 干旱或洪涝) ，最 终由概率理论得到流域或供水系统在不同保证率下发生旱灾或洪灾的风险概率。 这种方法在水文计算中使用得比较多，也是进行风险分析的基本方法之一“”。 这种方法在水文风险分析中，使用得非常多，其研究成果主要集中在参数估 2 第一章莉吉 计羊玎风险频率计算等方面。酋先，国内外学者对参数馈计闽题进行了大量研究， 已先后提出了瓶法、枚函数法、数值积分权函数法、极大似然法、适线法、模糊 权函数法等方法“4 1 1 5 1 o 徐宗学以n e y l t l a r l s c o t t 成丛随机点过程模型为依据， 提出了一类新的洪水风险率模型一c s p p n 模型“”。在风险计算中，特别是进行 水力风殓露经济甄险纛羹算爵，这释方法毽经零被馊焉，毽针露不霹鹊情况，英诗 算方法差异很大。 对于水力风险，徐祖信等曾假设影晌水库泄洪能力的0 i 确定量为三角型分 布，提出了溢洪道泄洪的媳险计算模式。溅豢宝从不确定因素的最基础单元 着手，推导了多种泄滋建筑物的水力风险理论计算公式，给出了相应的风险图 “”。刘树坤等人从二维菲瞧定漉数值诗算模型出发，研究了洪水在浃泛区内的 演进过程，并绘制了洪泛区的风险图“”。朱元，魁等人曾针对采用水文学方法描 述、溪承演避时存在豹不确定撬，罨 究了长江南京浚静滋水演箕风险阔题瞳m 。唐 晓阳、肖焕雄等人曾分析了施工导流系统的水文不确定性和水力不确定性，定义 了风险率功能函数，引入了设计验算点的概念，运用当麓正态化原理，提出并建 立了导流系统设计风险率计冀模型( 2 ”。姜捉海将各静不确定燃因素萼l 八涎道承 面线的推求过程，建立了计算河道水面线的随机微分方程，运用f o k k e r p la n c k 方程，求解河道承面线过程题概率密度，在此基础上，送行了河道行漩的风险分 析2 2 。何长宽用概率组合法确定并联水库下游洪峰流量的概率分布( 2 7 d 。张占厚、 李永萃i 考虑零瘁泥沙渖淤受到来承束沙和水库运行情况等不确定性因素的影响， 研究了水库实舔淤积量超过设计标准的风险性( 2 4 ) o 熊明通过对特堑承位推求方 法现状的分析，提出了假定防洪安全标准等于洪水设计标准缺乏必要的依据这 基本论点，绘出了防洪安全风险计算的骧粼、方法及其逶瘸性祭 譬，谈为受久类 活动影响的序列不能满足一般的理论分布函数，而随机模拟方法是解决此类问题 蕊袋有效的途径啦”。王卓蔫、章恒全在分析计算水稠泰电工程旌工导流围堰漫 顶风险时，较全黼地考虑了各茸中主要的不确定因素，并根据年最大洪峰流量； 弭导 流建筑物的泄水能力，通过调洪演算，得到年最大洪峰流量和最大泄水流量问的 相关关系，由此，建立了围蠼漫顶的极限状态方程饿。谭冬初采瑶近似概率改 进的一次二阶矩方法( j c 法) ，计算了土石坝泄水建筑物的可靠性与风险，并用 误蓑壤率馋算了荣些统计参数2 7 ) o 继祥元终整流能力俸为疆橇变量，激满宁方 程作为水工建筑物泄流能力的水力计算模型，通过对过水断面、湿周、糙率系数、 坡降等水力因予不确定性分析，采用m o n t ec a r l o 模叛技术结合拟优选择，确定 泄流能力的最佳概率模型。鼬。 对于经济风险，n a s s i r 针对区域经济规划问题，提出了一个估算洪灾损失的 计葵模型，该模型综合考虑了冰文、水力、经济等风险戮索旺9 。q u e l i e t e 等根据 第一章前言 洪灾损失与洪水在时间系列上的相似性，给出了洪灾损失估算的概率方法”。 王忠法曾选用某水利工程的防洪、发电、航运、投资、移民费等作为经济分析的 基本风险变量，采用m o n t ec a r l o 方法推求了工程总体经济效果的概率分布”。 章爱基采用统计参数法和m o n t ec a r l o 模拟法研究过水利工程效益现值的概率分 布，并导出了该工程效益现值的偏态系数计算公式( 3 2 ) 0 朱元牲等在传统的防洪 效益计算数学模型的基础上，综合分析了水文、水流、施工和运行管理等多种不 确定性，建立了长江中游防洪系统防洪效益的风险分析模型。”。冯平等通过分 析水库的实际防洪能力，然后与水库的设计防洪标准比较，判断了水库提高汛限 水位的可能性，并对超汛限蓄水进行了风险效益分析o ”。罗高荣针对多重决策 标准条件下水电建设项目经济评价问题，提出了风险率计算的二阶边界范围估计 模型。”。石春先对小浪底水利枢纽减淤经济效益的风险进行了分析1 3 6 ) o 姜翔程、 胡维松提出了水电工程综合效益风险的层次分析法3 ”。胡振鹏、余敷秋分析研 究了丹江 水库夏秋汛过度期水库运用的效益风险。”。王忠法、黄建和运用图 示评审技术( g e r t ) 与含相关因素处理的蒙特卡洛随机模拟相结合的计算模型， 分析了三峡工程的投资风险“”。谢安周、李存斌采用理论价格法计算水力发电 效益并进行了风险分析4 0 5 o 另外，风险分析方法还广泛用于风险决策和风险管理等领域。1 9 7 9 年美国学 者k r g y s z m o f o w i c z 等考虑水库管理者对风险的态度，构筑了水库运行时防洪与兴 利的效用函数，然后制定了水库的运行策略。o r l o s k i o 等人则根据设计典型年径 流过程，利用决策者对风险所持态度确定了c o m o 湖的运行规则。h u 等以多目 标决策理论为基础，通过多目标风险分析建立了一个关于水库防洪与兴利的风险 评估模型。n a r d i n i 等针对防洪与供水管理问题，采用风险效益分析的方法确定了 水库的最优运行策略“”。j i 等利用大系统理论，建立了多目标风险递阶分析模型， 并引入多个评价指标，求解了某大型水利枢纽的多目标风险管理问题“”。 s i m o n o v i csp 研究了在不断增加的不确定因素下水资源可持续管理的风险“”。 w a n g n e r bj 和g o r e l i c ksm 研究了在参数不确定情况下地下水优化管理问题。 周成虎等在对降雨量、流域地形和承载体的脆弱性分级的基础上，借助地理信息 系统( g i s ) 对辽河流域的洪水灾害进行了风险区划( 4 勤。王建群、叶秉如在研 究水资源规划的风险型决策方法中，提出一种新的基于风险的多维度量概念的风 险型决策方法“”。傅湘、纪昌明应用系统分析方法建立了大型水库汛限水位风 险分析模型，并以三峡水库为研究对象，根据调度运行原则，计算出了不同汛限 水位与最大洪灾风险率的关系“”。周宜红、肖焕雄研究了三峡工程大江截流的 风险决策问题( 4 8 ) 0 杨文健、李开杰提出洪灾保险应遵循风险大量原则、风险分 散原则和保费合理原则，并采用危险区域法、期望损失法或洪灾损失法进行保险 4 第一章前言 费用的计算“”。邢大韦、张玉芳利用风险分析的方法研究了关中地区水资源工 程的供水风险1 5 0 、o 梁川运用极差分析法对水库防洪调度风险进行了评估1 5 d o 这 方面的研究国内外还有很多实例6 ”“”。 从上述介绍可见，防洪减灾的风险规划和管理问题，在国内外都已得到了高 度的重视，并在实际中得到了广泛的研究和应用。但由于防洪减灾问题涉及的因 素众多，且错综复杂，不同的研究对象都有各自不同的特点因此风险分析的方 法都是随着研究对象的不同而变化，很难形成固定的研究或应用模式，即目前存 在的主要问题是研究对象大多针对某些风险要素相对独立的实际问题或方法，都 带有一定的局限性。也就是说风险分析的方法和途径只能根据研究对象的具体特 点，进行具体问题具体分析。 1 3 本项研究的主要内容 通过对该问题研究现状的分析，本文以风险分析理论为基础，将输水总干渠 划分为若干个暴雨洪水一致区，建立了二维复合事件风险组合模型，通过对不同 暴雨洪水一致区内的防洪风险进行两两组合，逐步给出整个引水总干渠的防洪风 险。该技术方法巧妙地解决了南水北调中线工程防洪风险计算中的相关性问题， 从而找到了一种计算长距离引水工程防洪组合风险的计算方法。并以南水北调中 线工程河北省段为例，对该方法进行了应用。通过各种实际资料对计算结果进行 了分析论证，结果表明，用该方法所获得的计算成果是合理可靠的，该方法可以 进一步推广应用。本项研究的内容主要包括以下几个方面： 1 、南水北调中线工程风险问题的分析 对目前有关的观点和结论进行系统分析，找出问题，提出正确的研究方法。 2 、南水北调中线工程的风险识别 a 、风险事故的识别。 b 、风险致因事件的识别。 3 、南水北调中线工程的风险评估 a 、南水北调中线工程沿线暴雨、洪水一致区的划分和确定。 b 、不同暴雨、洪水之间的关系及其表示方法。 c 、引水工程因交叉建筑物水毁而中断运行的风险估算。 4 、南水北调中线工程的风险综合评估 a 、从防洪风险的角度，分析评估南水北调中线工程的可行性。 b 、根据交叉河流的产汇流特征，结合历史暴雨、洪水情况及京广铁路的运 第一章前言 行经验，来综合评价引水工程交叉建筑物的水毁风险程度。 第二章长距离引水渠道交叉建筑物防洪风险的分析互鎏 第二章长距离引水渠道交叉建筑物防洪风险的分析方法 2 0 ! 风险的识别 南水北调中线工程存在很多风险，主要包括自然风险、资源风险、工程技 术风险、投资风险、市场风险、经营触险、污染风险、社会政治风险等风险。 下面对这些风险进行简单分析。 2 0 1 1 自然风险 指地震、洪水、泥石流、地壳运动等自然灾害对输水干渠的危害。自然灾 害的种类很多，危害也很大，特别是对输水干渠上的交叉建筑物危害更大。其 中发生频率较高、危害较大的当属洪水，因此必须对南水北调中线工程输水总 干渠交叉建筑物的防洪风险作出定性和定量的评估。 2 1 2 资源风险 指水资源在不同年份( 丰或枯) 的可供调水的风险因素。简单的讲就是丹 江l j 的来水和需水都是随机的，来水能否满足需水就形成了一种风险，即资源 风险。 20 1 3 工程技术风险 这里主要指工程系统的安全保证性问题。中线工程中交叉建筑物很多，尤 其是穿黄工程，规模巨大，需要确定按什么标准设计，才能使得投资最小，同 时工程风险又能达到可以承受的水平。 2 0 1 4 投资风险 投资风险主要来自三个方面：投资金额的控制、投资能否按时到位和资金 来源的保障。 2 1 5 市场风险 市场风险主要来自三个方面：水价的变化、水的需求变化和用户变化。其 主要影响因素包括水源区和供水区丰、枯年份的遭遇组合、水价上涨对供水区 需水的影响和用户变化对供水区需水的影晌。 2 1 6 经营风险 中线工程涉及三省两市，跨越四大流域，经营管理是影响工程总体效益发 挥的重要环节。其影响因素主要包括管理方式、经营成本和漏水问题。 20 1 7 污染风险 污染问题是南水北调中必须认真考虑的一个风险因素，否则会使整个工程 产生负效益。污染问题可从三个方面来考虑：污染源、污染扩散的方式和程度、 第二章长距离引水渠道交叉建筑物防洪风险的分析方法 以及治理的可能性和难度。虽然中线工程的水质较好，但仍需作污染风险分析， 主要对象是水源区和平交河流。 2 1 8 社会政治风险 一般来讲，社会政治风险在工程有效期内不会很大，因为此段时间不长。在 短期内出现社会动乱或战争等的可能性不大，但作为一种风险因素，它是存在的， 所以也应予以考虑。 在上述这些风险中，有些是可以定量分析并给出风险值的，但也是相对较难 作的，如自然风险、资源风险、工程技术风险和污染风险：有些缺乏实际资料和 信息，只能作定性的分析和说明，如社会政治风险。在这些风险中，自然风险， 特别是洪水风险，一直是争论不休的问题，非常需要进行科学地论证。 2 2 防洪风险估算模型的建立 在整个南水北调中线总干渠上，若划分n 个暴雨、洪水一致区，其代表洪水 分别为f 1 、f 2 、f n ，并且一致区内交叉建筑物的设计标准分别为p l 、p 2 、 p n ，则整个南水北调中线总干渠因交叉建筑物水毁而中断运行的风险为 r = j d ( ，l 昂1 ) u ( 吒 昂2 ) u ( r ) j ( 2 - 1 ) 可见，为了推求上述组合事件的概率，需要各一致区代表洪水的n 维联合概 率密寝分布函数f ( f i f 2 ，。f n ) ，以及f ( f i ，f 2 ) ，f ( f i 。f 3 ) ，f ( f l ， f n ) f ( f 2 n ) f ( 凡r ) f ( f 2 f n ) 等大量2 至n 、缝蚋联台 概率密度分布函数。只有各变量的概率密度分布函数f 俾，j ，f 仃j j ，厂f r j 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 ，乃，凡) 等爿会有函数表达式。而实际上，水文变量都是偏态分布，这样当1 1 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，从2 0 世纪8 0 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其数值解。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，b o u r g u n du 和c g b u c h e r 曾提出重点抽样法i s p u d ( i m p o r t a n c es a m p l i n g p r o c e d u r eu s i n gd e s i g n ) 的模拟技术。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j o n a t h a n a t 曾把区域降雨量表达为6 ( x ，v ) = m ，x ，一v ， i = 1 。 其中m ，v 是有关参数，x j 代表各雨量站的降雨量。”。多元极值理论的依据是极 第二章长距离引水渠道交叉建筑物防洪风险塑坌堑直壁 值点过程理论，其边际分布一般为标准g u m b e l 分布。实际降雨过程的复杂性， 及水文变量非标准g u m b e l 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。 但对于二维情况，依据联合概率理论有 p ( eu ) = j d ( e ) + p ( r ) 一p ( fn 吒) ( 2 - 2 ) 其中 p ( c ) = if ( x ) d x ( 2 3 ) p ( b ) = l 厂( y ) 砂 ( 2 - 4 ) 及p ( c n 五) = f ( x ，y ) d y d x = e f ( x ) f ( y x ) d y d x ( 2 _ 5 ) 式中和彤，分别为两个一致区的代表暴雨或洪水的概率密度分布函数， 按我国的防洪规范二者均采用p e a r s i o n i i i 型分布哳6 ，即 似) = ( x - - c o x 产 ( 2 6 ) 及 f ( y ) = 青寿( y - - q o y r ”p 叩“”“。 ( 2 7 ) 而j ( y x ) 是洪水的条件概率密度分布函数，它是由两部分决定的：( a ) 在区 域一条件下，区域二暴雨或洪水的条件期望值e ( y x ) ，它决定了这两个区域暴阿 或洪水之间的关系；( b ) 在区域一给定某一暴雨或洪水x 下，区域二的暴雨或洪 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知其近似符合正态分布，即 舭，2 蕊1 唧 掣 沼s ， 如果有足够的暴雨或洪水资料，( a ) 部分可咀通过建立这两个区域暴雨或洪 水的相关关系来确定；( b ) 部分是区域一给定某一暴雨或洪水x 下，区域二暴雨 或洪水y 的条件方差值a ，也可以通过实测暴雨或洪水资料估算。 若暴雨或洪水资料有限，可以通过幂变换法等方法把x 和y 正态化处理。 将x 和y 转换为正态系列x i 和y ，后，则有 e ( y l x 1 ) = e y i + r j 卫( z l e x l ) ( 2 - 9 ) 第二章长距离引水渠道交叉建筑物防洪风险塑坌堑塑鲨 及口州，。= 口。而 ( 2 - 1 0 ) 式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 中，丘l 和毋1 分别是区域一和区域二的暴雨或洪水 正态化系列的均值；a 。和q 。分别是其均方差；r l 是其相关系数。因此 m ，= 再赢唧 _ 南卜，一n 刮2 协t ， 两个区域因交叉建筑物水毁而中断运行的组合风险计算问题，就是求解式 ( 2 1 ) 至式( 2 - 5 ) 给出的二维复合随机模型，其中式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 4 ) 可以 通过传统的p e a r s i o n i i i 型分布曲线，即通过区域交叉建筑物的设计防洪标准给 出。而式( 2 - 5 ) 的求解积分域如图2 1 所示，这样，其值可以采用数值积分方 法【6 7 1 或m o n t ec a r l o 方法求解，如果采用数值积分方法，则可由下式近似给出 嘲n f 2 ) ：芝( m 。) 摆主川h 。) + f ( , v u x l i + l 胁。， “。 【。j ( 2 一1 2 ) + ，( 窆 ，o 价x l i ) + ，o 。，粉。， ) 缸。 式中m 和n 分别是条件概率密度分布函数x i j 和厂( y l 厶lj 在( x l 。，。) 和 - 。o ) 区域的离散区间数。 图2 - 1e ( f ，n f 2 ) 的求解积分域示意图 2 , 3 模型的求解方法 按照上述分析，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，然后按照图2 - 3 所示的总干渠防洪风险估算过程，对整个总 1 0 第二章长距离引水渠道交叉建筑物防洪风险的分析方法 1 二渠上不同交叉建筑物的防洪风险进行两两组合，并在第一层组合的基础上，进 行第三层、第四层等的逐步组合，最后就可以给出整个引水工程总于渠的防洪风 险。该二维复合事件风险组合模型的计算流程如图2 - 2 所示。 系列x 平| 1 y p ( f i ) 、p ( f 2 ) j 开始 j 两个相邻区域的 暴雨或洪水系列x 和y 图2 - 2 _ 二维复合事件风险组合模型的计算流程图 具体计算步骤如下： 1 、在计算区域范围内合理的划分暴雨洪水致区。 2 、在各个暴雨洪水一致区内选择尽可能多的典型雨量站( 至少3 个) 。 3 、各个暴雨洪水一致区的典型雨量站的一定历时的雨量系列的采集( 系列 应尽可能长，最短2 0 年) 。 4 、采用算术平均法，计算各个暴雨洪水一致区一定历时的面雨量系列。 第二章长距离引水渠道交叉建筑物防洪风险的分析方法 5 、根据二维复合事件风险组合模型 6 、按图2 3 所示过程进行逐层组合 洪风险。 按图2 2 所示流程进行计算。 直到计算出整个引水工程总干渠的防 交叉河流 f 4 。 p ( f i 乙f 0p ( f s l 壬4 ) p g 图2 - 3引水工程总干渠的防洪风险估算过程示意图 这样，对于南水北调中线总于渠上的交叉建筑物，便可以利用上述二维复合 事件风险组合模型，按照上述步骤进行风险估算。 上述计算方法运用二维复合事件风险组合模型，巧妙地解决了南水北调中线 r 程防洪风险计算中的相关性问题，从而找到了一种计算长距离引水工程防洪组 合风险的计算方法。 下面各章将以南水北调中线工程总干渠河北省段为例，应用上述计算方法， 利用河北省段的水文资料，按照暴雨形成洪水的物理成因，在分析太行山区特大 暴雨时空分布基本规律的基础上，对总干渠交叉河流总集水范围划分暴雨洪水一 致区，计算了南水北调中线工程总干渠河北省段的防洪风险。并且应用实际资料 对计算结果进行了论证。 第三章南水北调中线工程河北省段防洪风险的实【啄主! 篁 第三章南水北调中线工程河北省段防洪风险的实际计算 3 1 南水北调中线工程河北省段概况 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、海四大流域到达北京、天津，线路全长 1 2 3 4 k m 。南水北调中线工程是以解决京滓及华北地区用水，缓解水资源紧缺为 主要日标“1 。 中线供水区范围为北京、天津、河北、河南和湖北五省市，供水区的年平均 雨量一般为5 0 0 8 0 0 m m ，属于半湿润地带。但从人均和亩均占有量来看，如果 只计当地水资源，人均2 3 6 m 3 ，亩均2 0 5m ，若计入入镜水量也只有人均3 7 8 m 3 ， 亩均3 2 7m 3 ，与全国人均2 7 3 0r n 3 、亩均1 8 7 0m 3 有很大差距，这说明本地区是 由于人口密度大、耕地率高、生态环境恶化和社会经济发展等综合因素形成的资 源性缺水，该地区已经成为我国水资源供需矛盾最突出的地区之一。 南水北调中线工程的实施可以极大地缓解这些地区的缺水状况，促进社会、 经济、生态与环境的进一步发展，并且可以对广大供水区的可持续发展产生重要 影响。 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，经邯郸市的磁县、邯郸县、永年县，邢台市的沙 河市、邢台县、内丘县、临城县，石家庄市的高邑县、赞皇县、元氏县、鹿泉市、 石家庄市郊、正定县、新乐市，保定市的曲阳县、定州市、唐县、顺平县、满城 县、徐水县、易县、涞水县、涿州市，途经河北省2 2 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 4 6 l k m 。 南水北调中线工程总干渠在河北省境内穿越大小河沟2 0 1 条，无明显天然河 沟的坡水区3 6 处，共计2 3 7 条( 处) ，交叉断面以上总集水面积5 1 1 1 4 k r n 2 。其 中交叉断面以上流域面积大于1 0 0k m 2 的河道2 8 条，相应流域面积4 8 8 7 8k m 2 ， 占总集水面积的9 5 6 ；流域面积在2 0k m 2 1 0 0k m 2 的河流2 4 条，相应流域面 积1 0 5 3 k m 2 ，占总集水面积的2 1 ；小于2 0k m 2 的小型河沟1 4 9 条，相应流域 面积6 8 l k m 2 ，占总集水面积的1 3 ；另外，在总干渠沿线，特别是在滹沱河以 北至唐河以南大清河南系各大型河道之间，坡地集水面积较大，没有明显的溪沟， 洪沥水主要呈坡面汇流状态，将这类区域划分为坡水区，经实地勘察和规划，全 线共划分了3 6 处坡水区，其全部集水面积5 0 3 k m 2 ，占总干渠以西总集水面积的 第三章南水北调中线工程河北省段防洪风险的实际哒 1 o 。如果按流域划分，2 3 7 条( 出) 交叉河沟( 坡水区) 中，滏阳河流域哭有 交叉河流1 0 9 条，坡水区6 处，其中大于1 0 0k m 2 的河流1 4 条，2 0 k m 2 1 0 0k r n 2 的河流1 5 条，小于2 0k m 2 的河沟8 0 条，流域面积8 1 0 2k m 2 ，占总面积的1 5 8 ； 滹沱河流域共有交叉河流3 条，坡水区2 处，其中交叉断面以上流域面积2 4 0 6 7 k m 2 ，占总面积的4 7 1 ，其中滹沱河干流交叉断面以上流域面积2 3 7 9 4k m 2 ，占 交叉断面以上流域面积的9 8 9 ；大清河南系共有交叉河流5 3 条，坡水区2 4 处， 其中大1 i1 0 0k m 2 的河流8 条，2 0k m 2 1 0 0k m 2 的河流4 条，小于2 0k m 2 的河 沟4 1 条，交叉断面以上流域面积1 2 6 4 2 k m 2 ，占总面积的2 4 7 ；大清河北系共 有交叉河流3 6 条，坡水区4 处，其中大于1 0 0k m 2 的河流4 条，2 0 k m 2 1 0 0 k m 2 的河流4 条小丁：2 0k m 2 的河沟2 8 条，交叉断面以上流域面积6 3 0 4k m 2 ，占总 面积的1 24 。输水总于渠河北省段交叉河流分布情况见图3 1 交义河流分类 统计情况见表3 1 。 表3 - i总干渠河北省段交叉河流分类统计表 条数 交叉断面以上流域交叉断面以上流域 地形分类 有大、中无大、中 总面积( k m 2 )面积分类 型水库型水库 1 0 0 0k m 2 以上434 2 1 3 0 l o o 1 0 0 0k m 2g1 26 7 4 8 山匠区 22 21 0 5 2 7 2 0 1 0 0k m 2 坡水区1 l3 2 7 3 山丘区1 4 96 8 0 4 2 0k m2 以f 坡水区 2 51 7 58 合计 1 52 2 25 n 1 4 3 3 2 河北省段交叉建筑物的基本概况 3 2 1 总干渠沿线地形地貌及交叉河流特征 南水北调中线工程输水总干渠主要穿越河北省海河流域漳卫、子牙、大清三 大水系中上游山前区域“。总干渠左侧为太行山区，右侧为低山丘陵区或山前平 原区。太行1 i i 山脊线在滹沱河以南大体为南北走向，滹沱河以北大体为西南 东北走向，并与军都山、燕山山脉相连。太行山山脊线以西为深山区或山西 黄土高原区，属于背风山区：太行山山脊线以东依次为深山区、半深山区和浅山 丘陵区，属于迎风山区。太行山山高坡陡，连绵不断，最高峰五台山北台顶，海 1 4 第三章南水北调中线上程河北省段防洪风险的实际计算 图3 - 1 输水总干渠河北省段交叉河流分布情况 第三章南水北调中线工程河北省段防洪风险的实堕j ! 羔 拔高程3 0 5 8 m 。南水北调中线工程总干渠穿越太行山东麓浅山丘陵与平原交接地 带，沿线多属山麓坡积和冲积洪积构成地貌，一般海拔高程在9 0 m 至6 0 m 范围， 地形复杂，交叉河流众多，其中漳河、滹沱河、沙河( 北) 、唐河、拒马河等五 条大型河流均发源于太行l j j 背风山区或山西黄土高原，集水面积大，河道干流长， 具有较大的调蓄能力；其它较大河流一般均发源于太行山深山或浅山迎风区，源 短流急，流域调蓄能力较小，洪水陡涨陡落：流域面积不足2 0 k m 2 的小河沟多发 源于太行山迎风区的浅山丘陵或坡水区，河道发育程度差别很大。从交叉地段河 道断面分析：几条大河纵坡一般在1 3 0 0 1 8 0 0 之间，唐县以南总干渠基本从山 前岗坡地和山前平原穿过，较大河流的河床多呈宽浅式，主槽不明显，尤以沼河、 南沙河、滹沱河、沙河( 北) 、唐河为甚，河床宽度均达数公里，河床质多为沙 质和砂卵石，覆盖层较厚：唐县以北总干渠进入浅山丘陵地带，交叉河流纵坡变 陡，断面多呈窄深型，河床质以砂卵石为主；总干渠从涞水县上车亭隧洞出口以 北开始进入广阔的拒马河冲积洪积扇，交叉河道及两岸滩地均赋存深厚的砂卵石 层。 3 2 2 总干渠沿线气候特征 南水北调中线工程总干渠穿越