（水文学及水资源专业论文）大渡河枢纽的供水风险及可靠性分析.pdf

摘要 论文结合南水北调西线一期工程调水区的实际情况，根据工程调水规划初步 方案，对大渡河枢纽供水的风险及可靠性进行了定量的分析。主要研究工作和成 果如下： ( 1 ) 从水文风险和社会风险两方面讨论了风险的组成，给出了风险分析的 功效函数、可靠性指标。阐述了基于概率论和数理统计以及可靠性数学分析理论 方法的风险分析方法，将径流模拟方法与风险分析方法结合在一起，对枢纽供水 输出的风险和可靠性进行评估。 ( 2 ) 探讨了径流系列的组成及随机模拟方法。通过对径流系列模拟方法的 研究，充分分析了入库径流的不确定性对供水的影响，分别采用宣回归模型耱 t h o m a s f i e r i n g 模型，成功地模拟了大渡河流域上枉柯、亚尔堂和克橱三个坝址 的长系列逐月径流量。 ( 3 ) 研究了南水北调西线工程大渡河枢纽三座水库的供水风险和可靠性。 从影响枢纽供水的不确定性因素入手，考虑入库径流的随机特性以及水库上下游 经济社会的发展和生态环境用水等因素，从可靠性、恢复性和事故周期三个方面 对枢纽供水的风险因素进行了研究。 研究结果表明：在多年调节情况下，大渡河流域上杜柯、亚尔堂和克柯三座 水库的供永可靠性均可达9 3 8 以上，瑟如果采用小方案调水时可靠性可达 9 7 4 以上。说明南水北调西线工程大渡河枢纽规划的调水量是合理的，枢纽的 供水还是比较有保证的。 关键词：南水j 艺调谣线大渡河枢纽随机模拟供水风险分新可靠性分析 a b s t r a c t ih ea i mo ft h i sr e s e a r c hi st oe v a l u a t et h er i s ka n dr e l i a b i l i t yo fd a d u h ef i v e r h y d r o - j u n c t i o na c c o r d i n gt ot h eb l u ep r i n to ft h es o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t t h em a i nw o r ka n dr e s u l ta r ei i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t oa c h i e v et h i sg o a l ，t h eo r i g i no fu n c e r t a i n t yi sa n a l y z e da n dh o wi ta f f e c t s t h eo u t c o m eo fw a t e r - s u p p l ys y s t e mi sd e s c r i b e df r o mt h ea s p e c to fd a t ai n p u t ，m o d e l s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s t o c h a s t i cp r o c e s s ，p r o b a b i l i t ym a t h e m a t i c a l ，a n dr e l i a b i l i t y m a t h e m a t i c a lt h e o r ya r ea p p l i e da sa n a l y z i n gt o o l st oc o m b i n et h em e t h o do fr u n o f f s i m u l a t i o na n dr i s ka n a l y s i s ( 2 ) t h ec o m p o s i t i o na n ds i m u l a t i o no ft h er u n o f fh a sb e e ni n t r o d u c e d h o wt h er u n o f f u n c e r t a i n t ya f f e c t st h ew a t e r - s u p p l yh a sb e e nf u l l ya n a l y z e db yt h er e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o n m e t h o d y e a rr u n o f fa n dm o n t hr u n o f fo fd a d u h er i v e r st h r e eb r a n c hh a sb e e n s u c c e s s f u l l ys i m u l a t e d ，a n dt h el e n g t hi s3 0 0 0 0y e a r s ( 3 ) t oa n a l y z et h er i s ka n dr e l i a b i l i t yo fd a d u h er i v e rh y d r o - j u n c t i o n t h e r ea r e t h r e ea s p e c t s ：r e l i a b i l i t y ，r e c o v e r ya n dp e r i o d a n ds t o c h a s t i cp r o c e s s ，e c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，p r o j e c ta n de n v i r o n m e n ts h o u l db ec o n s i d e r e d t h er e s u l to ft h er e s e a r c hi n d i c a t e sw a t e rr e q u i r e m e n ti nt h et r a n s f e rp r o j e c ti s r e a s o n a b l e a f t e rm u l t i - y e a rr e g u l a t i o n ，w a t e r - s u p p l yr e l i a b i l i t yo ft h er e s e r v o i ri s a b o v e9 3 8 i fu s i n gt h es m a l lw a t e rr e q u i r e m e n t w a t e r s u p p l yr e l i a b i l i t yo ft h e r e s e r v o i ri sa b o v e9 7 4 k e yw o r d s ：w e s tr o u t eo fs o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，d a d u h er i v e r h y d r o - j u n c t i o n ，s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n ，w a t e r - s u p p l yr i s ka n a l y s i s ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 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，也不包含为获得苤鲞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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 谰f 延 签字同期：妒彩年石月 2 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞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： 调牝 签字同期：妒啄年 月2 | r 翩虢场今 签字r 期：9 - 口岛年6 月2 - r 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 水是人类社会以及地球生物生存的基础，是基础自然资源，是生态环境建设 的控制因素，同时又是战略性经济资源。地球上水的储量很大，但可利用的淡水 资源只占到了2 5 ，其中可供人类使用的淡水不足1 。据专家估计，全球陆地 上可更形的淡水资源约4 2 7 5 万亿m 3 ，其中易于使用的约1 2 5 1 4 5 万亿m 3 。按 1 9 9 5 年人口统计，全球人均淡水资源约7 4 5 0 m 3 人，其中易于使用的淡水人均约 2 1 8 0 - - 2 4 4 0 m 3 人i l j 。可见，地球上的淡水资源是有限的。从1 9 4 0 1 9 9 0 年的5 0 年间，全球总用水量增加了4 倍。1 9 9 5 年全球用水总量己达到了3 6 0 0 0 亿m 3 ， 人均用水6 2 8 m 3 ，约占易用淡水资源量的2 7 - - 3 0 。据估计未来的2 5 年内，全 球人口新增加2 0 - 3 0 亿，为新增人口提供粮食所需的灌溉水将增加1 5 - - 2 0 ， 而现状农业灌溉用水占到了全球总取水量的7 0 以上，水将是粮食生产、人类发 展和环境可持续发展的一个关键性限制因素【2 j 。 经济社会的迅猛发展和人口的增加带来水需求增加的同时，也对生态环境带 来了一定的压力，水资源不合理开发和调配带来了一系列的生态环境问题。如： 河流水体的污染和富营养化、河川断流、湖泊萎缩、土地沙漠化、耕地盐碱化、 植被退化、绿洲消亡、地下水漏斗扩大、海水入侵等。人类活动在需要水的同时 产生废水，减小了水资源的可利用量和水环境承载能力，进一步加重了水资源的 短缺现象【j 剖。 南水北调工程是在水资源可持续发展的基础上，最大可能地从空间上和时间 上调配水资源，以满足经济社会对水资源的需求，它需要从水资源系统科学的观 点出发，将经济系统、生态环境系统通过水资源调配手段有机地耦合在一起，构 成一个有机整体：社会一经济一环境和水资源系统，以确保社会效益、经济效益 和环境效益的和谐统一，追求水资源系统的可持续发展的最终目榭7 。引。 这是一个复杂的综合大系统，涉及水资源、生态环境、社会经济等不同子系 统和不同层面的多维协调关系，是一个典型的半结构化、多层次、多目标的群决 策问题【9 】。需要对区域的自然、地理、水资源、技术、经济、国家政策等多方面 进行研究，是包含了水文学、环境科学、管理科学、经济学、工程学等多学科在 内的综合体，受到诸如区域地理位置、气候季节变化、降水、流域下垫面状况( 植 被、土壤种类) 、水质、流域内人类活动、区域蓄水量、供水能力、水库库容、 第一章绪论 防洪、政策法规、资源技术理论以及管理水平的局限等诸多因素的影响和制约【l 0 1 ， 这些方方面面的因素及其不确定性都给南水北调带来了难度，同时也对枢纽供水 输出的可靠性带来了影响。因此在南水北调工程中必须要认真分析枢纽内部的组 成及其相互关系，并考虑枢纽供水的不确定因素对枢纽调配的影响，寻求合理的、 可持续的方案l l1 1 。 南水北调西线工程，是从长江上游干支流调水入黄河上游的跨流域调水重大 工程，是补充黄河水资源的不足，解决我国西北地区干旱缺水问题的重大战略措 施，是支撑我国西部大开发和西北地区经济社会可持续发展的重大基础设施，也 是为黄河流域和邻近的河西走廊、黑河、石羊河等地区生态环境改善提供水资源 保证的重要途径，与黄河治理开发关系密切，也是我国“四横三纵”南水北调总 体战略布局的重要组成部分。 南水北调西线工程分三期实施，从青藏高原冰川退缩的长江上游的通天河、 雅砻江、大渡河调水，其中一期工程调水4 0 亿m 3 ，二期工程调水5 0 亿m 3 ，三 期工程调水8 0 亿m 3 ，合计1 7 0 亿m 3 。 西线工程从长江上游大渡河、雅砻江、通天河上筑坝建水库，采用隧洞穿过 巴颜喀拉山，向黄河上游补水。其中大渡河、雅砻江支流线路被称为达曲一贾曲 联合自流线路。 南水北调西线工程的调水区水源和生态环境影响问题，是工程规划设计与运 行调度的重大基础命题，也是工程利益相关者争论的焦点问题之一。应系统、客 观、公正、科学地就西线工程调水区水源和生态环境影响的风险及可靠性进行定 量评估，并对相关影响提出可行的调控方案，维系着西线工程的科学设计与运行 调度，以及区域的社会稳定和经济发展。本论文将以西线一期工程的大渡河调水 区为研究区，紧密围绕规划调水方案情势，并考虑调水区当地的径流情况及生态 环境需水情况，对西线工程调水区水源的供水风险及可靠性进行分析评估。 1 2 枢纽供水风险及可靠性的研究进展 1 2 1 国内研究进展 水资源的复杂性和不确定性一直是水问题研究中众所周知的科学难点问题， 广泛存在着随机性、模糊性、未确知性。多年来国内学者和专家从多角度、多方 位，对枢纽供水的不确定性进行了不同的广度和深度的相关研究。从国内的研究 文献来看，基于水资源领域的不确定性研究主要集中在降水一径流模型、洪水频 率估计和分析计算、水库调度、水质模拟、预测、以及地下水的流动和运移等方 第一章绪论 面，这些研究分别从模型的结构、参数和模型数据的输入方面分析了其不确定性 对输出结果的影响【1 3 】。 处理各种不确定性已有了各自的数学方法。处理随机性的数学方法是随机理 论与概率统计；处理模糊性的数学方法是模糊数学；处理末确知性的数学方法是 未确知数学。但在实践中常常遇到在同一个枢纽中几种不确定性同时出现或交叉 出现的情况。因此，研究综合处理不确定性的数学方法一不确定性数学是非常 必要的。不确定性数学是以概率统计、模糊数学、未确知数学为主体，四方面密 切相关、互相渗透组成的数学体系1 1 4 j 。 不确定性一直是水库设计和调度中存在的固有特征，2 0 世纪5 0 年代以来，以 数学规划技术为代表的各种新方法广泛应用于水库调度模型研究，但在水库实时 调度的应用中仍然存在困难，其主要原因可以归结为：为了保持数学上的正确性 或者形式上的标准化，数学规划技术通常以许多严格的假定和前提为基础，无法 真实地反映水文的不确定性、调度模型的不确定性等1 1 5 j 。王才君等在分析三峡水 库汛期调度不确定性时发现，水库流量预报不确定性是影响三峡水库围堰发电期 调度的主要因素，水位库容关系曲线不确定性次之，而水位流量关系对调度结果 影响甚剑1 6 】。曹永强等针对水库供水调度系统存在的随机性、不确定性和模糊性， 从单目标和多目标两方面对供水调度系统进行模糊随机可靠性分析，提出了基于 模糊随机可靠性的水库调度系统管理决策方法【1 1 刀。姜树海等将短期洪水预报精度 评定指标转化为入库洪水过程的随机特征值，并引起水库调洪演算随机数学模 型，将水文预报风险向预报调度风险的转化，为合理选择动态的汛限水位提供了 科学的依据| l 引。赵经华等认为洪水过程不确定性，包括洪峰位置的不确定性和洪 量的不确定性，是引起水库泄洪风险的一个重要因素，当考虑洪水过程不确定性 是所计算得到的泄洪风险比不考虑洪水过程不确定性泄洪风险大大降低l l9 | 。蔡华 等针对洪水预报中单位线选择的不确定性问题，利用模糊综合决策理论，提出一 种对汇流单位线的选择进行多因素综合评判的方法，并以模糊综合评判指标作为 选择单位线的依据，取得了令人满意的效果【2 们。 陈元芳在随机模拟法与传统方法推求设计防洪库容优劣的初步研究中，在设 定总体洪水随机模型的前提下，利用m o n t e - c a r l o 方法对随机模拟法及传统方法 推求设计防洪库容优劣作了初步对比研究。计算结果初步表明，在模型形式正确 的情况下，随机模拟法比传统法更能提高设计防洪库容的计算精度，同频率法推 求设计防洪库容精度比同倍比法一般要好1 2 1j 。 供水系统的可靠性研究则主要集中在系统缺水风险分析上，有很多的研究实 例，韩宇平等以系统分析的思想为基础，考虑来水和用水的不确定性，利用地表 水和地下水联合调配数学模型，在概率论数学理论的基础上，采用随机模拟技术 第一章绪论 对串联水库联合供水的风险进行定量描述，对区域水资源调配决策具有参考意义 【2 2 - 2 3 】 o 在水资源调配方面，针对水资源系统多属性不确定性决策问题，提出了可用 于研究调配方案排序的机会约束模型法，该方法既可恰当处理多属性区间值的不 同随机分布假设，又可考虑决策者对综合评价值的期望水平，避免了对复杂的综 合评价值随机分布的简单化处理，对于复杂的多随机变量机会约束模型，使用基 于随机模拟的遗传算法可以有效地获得问题的解，且最终方案排序合理。 在水资源风险管理方面，冯平等人也曾研究过供水系统干旱期供水的风险管 理问题【2 4 j 。 1 2 2 国外研究进展 在国外，大型工程的风险分析主要采用事故树方法。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。 从国外的研究文献来看，降水径流的不确定性研究主要在对模型的参数和模 型结构以及模型数据输入的不确定性分析方面，v i j a yp s i n g h ( 1 9 9 5 ) 认为模型参数 的不确定性可以由于模型结构和输入数据的不确定性而引起，并且三者共同带来 了模型输出的不确定性1 2 5 1 。t um i n 发现2 0 世纪早期河道水利工程( 包括闸、河 流航道化、坝) 的建设使得荷兰m e u s e 河流域支流的夏季河道的低流量相对增大， 而冬季的洪峰流量有所减少【2 6 | 。 枢纽供水的不确定性分析是提高枢纽供水综合管理的根本途径，文献研究表 明，运筹学、网络技术、信息技术、大型数据库、非线性科学技术、系统工程理 论等方法均被应用到其中口。7 1 。枢纽供水的不确定性来自系统内的模糊性、随机性 及未确知性因素，不同类型的不确定性需采用相应的风险计算模型，目前枢纽供 水的不确定性分析在理论上分别设计了概率论数学理论、模糊数学理论等研究方 法【2 8 1 。 从枢纽供水的输入、输出以及枢纽内部结构三方面组成来看，既存在确定性 一面，又存在不确定性一面。一般来讲，枢纽供水的不确定性来自三个方面：其 一是枢纽输入存在的不确定性；其二是枢纽内部结构本身存在的不确定性；其三 是枢纽输出存在的不确定性。因此，在研究枢纽供水时，不可避免地会遇到不确 定性的处理问题。应该正确理解枢纽供水中存在的不确定性，不能一遇到有关不 确定性问题，就把它概化成简单的确定性问题，而应该对不确定性问题采取合理 的处理方法，使之更切合实际。 正是由于枢纽供水中客观存在着不确定性，这就要求人们不仅要科学合理地 第一章绪论 对待不确定性，而且要在实际应用中，识别、评估不确定性因素带来的风险，并 在此基础上优化组合各种风险管理技术，作出风险决策，包括枢纽供水风险规划 与管理，对风险实施有效的控制和妥善处理风险所致损失的后果，以期以最少的 投入获得最大的安全保障1 7 。 从上述介绍可见，供水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。但由于该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特点，具体问题具体 分析来确定。 1 3 研究的主要内容 西线一期工程的调水区涉及雅砻江支流上的阿安和仁达，以及大渡河上的上 杜柯、亚尔堂和克柯等5 座引水枢纽，它们分别对雅砻江支流达曲和泥曲，以及 大渡河的上杜柯河、克柯河和阿柯河等5 条水系的来水进行调节。对这些调水量 的配置系统，将在识别诸多风险因素的基础上，通过对调水量和调水区当地水资 源的行为规律和反应机制的分析、及缺水风险行为和性态的分析，对主要的风险 因素从两个维度，即从时间维和空间维进行定量描述风险事件发生的概率和可能 后果。也就是通过所提出的供水枢纽的缺水风险评估方法，引入供水风险、供水 可靠性、供水恢复性和供水事故周期等风险分析指标，建立供水枢纽风险评价指 标体系。在不同保证率的来水和调水区当地径流条件下，对调水方案的风险状况 进行评价。其研究成果对于西线工程调水区的水资源风险管理具有重要意义。 课题主要开展以下三个方面的研究： ( 1 ) 南水北调西线工程大渡河枢纽的风险识别 ( 2 ) 引水枢纽径流系列的随机模拟 采用a r ( p ) 模型和t h o m a s f i e r i n g 模型，模拟各引水枢纽的年、月径流量。 ( 3 ) 综合考虑一期调水区大渡河三条支流的水量、上下游需水量和生态环 境需水量的可持续发展的供水风险和可靠性分析 通过所提出的供水枢纽的缺水风险评估方法，引入供水风险、供水可靠性、 供水恢复性和供水事故周期等风险分析指标，建立供水枢纽风险评价指标体系。 根据水库的调度原则，以可靠性数学分析方法来确定整个枢纽的风险及可 靠性。 第二章大渡河流域基本概况 第二章大渡河流域基本概况 2 1 南水北调西线一期工程概况 南水北调西线一期工程调水区位于青藏高原东部边缘地带，研究范围在北纬 3 0 0 4 5 - 3 3 0 5 0 ，东经9 8 。4 5 ， 1 0 2 0 5 0 内，工程涉及面积近4 9 1 5 5 k m 2 ，东到阿坝， 西至甘孜，南到道孚，北到班玛，引水枢纽海拔3 5 0 0 m 左右，由北至南分布于大 渡河支流阿柯河、玛柯河、杜柯河和雅砻江支流色曲、泥曲、达曲上；雅砻江甘 孜以上为上游，甘孜至大河湾为中游，大河湾以下为下游；鲜水河为雅砻江中游 较大支流，在雅砻江上游两河口处汇入雅砻江。鲜水河上游分为两支，分别为达 曲和泥曲。大渡河泸定以上为上游，其中双江口以上为河源区，泸定到铜街子为 中游，铜街子以下为下游。大渡河河源分为东西两源，东源为足木足河，西源为 绰斯甲河。足木足河上游分为两支，即麻尔曲和阿柯河；绰斯甲河上游也分两支， 即色曲和杜柯河。输水线路过分水岭串连上述支流引水枢纽，在黄河支流贾曲出 流，工程主要在四川省甘孜、色达、壤塘、阿坝县，青海省的班玛和甘肃省的玛 曲县境内。东距成都约4 0 0 k m ，北距西宁约7 5 0 k m 。 大渡河调水河流地区及输水线路位于整个调水地区的东部，区内加塔一灯塔 一阿坝一线北部为丘陵高原地貌，海拔约在3 6 0 0 - 4 5 0 0 m 之间，河流迂回曲折， 两侧有较多的沼泽分布。加塔灯塔一阿坝一线南部，为山塬地貌，山顶仍具有 丘原特征，但河谷深切，由北向南，岭与谷相对高差逐渐增加。大渡河调水地区 除河源较高山地有零星岛状冻土分布，其它多为季节性冻土。 大渡河流域径流主要由降水补给，冰雪融水也占相当比例。一般11 月至次 年3 月为枯水期，降水稀少，且以降雪形式为主，径流来源主要由地下水补给； 4 月5 月为丰、枯过渡期，径流为融雪及春季降雨补给，6 月1 0 月为丰水期， 该期间以降雨为主，是全年径流的主要形成期。地下水一般为降水、融水渗入地 表和地壳深部而成。为便于径流补给的定量分析，常以雨水、融水、地下水3 种 形式进行径流划分。由于地下水来源于雨水、融水，在划分中必然有些重复。大 中河流的补给形式常为混合型，很难出现单一的补给形式 2 9 1 。 一 南水北调一期工程河流和坝址分布如图2 1 所示。 第二章大渡河流域基本概况 图2 1 南水北调一期工程河流和坝址分布 2 2 大渡河基本概况 2 2 1 自然地理概况 大渡河是金沙江左岸岷江的最大支流，于乐山市汇入岷江，岷江又于宜宾市 汇入长江干流。大渡河干流全长1 0 6 2 k i n ，流域面积7 7 万k m 2 ，河口处多年平均 径流量4 9 5 亿m 3 。 大渡河是长江的二级支流，位于四川省西部，古称沫水。发源于青海省境内 的果洛山东南麓，东源有阿柯河和麻尔柯河，于阿坝南部汇合后称足木足河；西 源有多柯河和色曲河，于垠塘南部汇合后称绰斯甲河。足木足河与绰斯甲河汇合 后称大金川，是大渡河主流，南流至丹巴同来自东北的小金川汇合后称大渡河。 在石棉县折向东流，到乐山市草鞋渡纳青衣江后入岷江。流域内沟谷纵横，支流 众多，干支流之间组合呈羽状水系。水力理论蕴藏量丰富，可开发装机2 3 3 6 8 万千瓦，其中干流别格尔至乐山市长5 8 4 k m ，天然落差2 7 8 8 m ，水力蕴藏量2 0 7 5 万千瓦，是水能资源比较集中的河段。已建有龚咀水电站，装机7 0 万千瓦，最 终扩大到2 1 0 万千瓦；铜街子电站，装机6 0 万千瓦，已被列为中国水电能源十 大基地之一。根据新的河流梯级开发规划，大渡河干流由2 2 级梯级电站组成， 自上而下分别为：下尔呷、巴拉、达维、卜寺沟、双江口、金川i 、巴底、丹巴、 猴子岩、长河坝、黄金坪、泸定、硬梁包( 引水式) 、大岗山、龙头石、老鹰岩、 瀑布沟、深溪沟、枕头坝、沙坪、龚嘴( 低) 、铜街子。 第二章大渡河流域基本概况 通天河总的地形特点是西北高、东南低。河流走向为西北一南东向，巴颜喀 拉山为三条河流域与黄河流域的分水岭。 大渡河流域上下游气候差异较大，大渡河上游地区属高原寒带干旱区和高原 亚寒带半湿润区，具有长冬无夏、昼夜温差大、干湿季分明、多大风、多雷暴、 气压低和含氧量少等高原气候特征。大渡河中部地区属高原湿温带、温带湿润气 候区，气候垂直分布特征显著，冬寒夏暖，干湿季节分明。下游地区属暖温带和 亚热带湿润气候区，水热条件较好，雨量充沛，日照强烈，森林茂密，冬无严寒， 夏无酷暑，四季不分明。大渡河流域年平均气温为7 3 ，上游接近o ，下游 为1 5 。大渡河流域降水量由南向北、从东向西递减。大渡河流域上游地区降 水量为5 0 0 m m - - - 6 0 0 m m ，中下游地区逐渐增加到7 0 0 m m - - - 8 0 0 m m ，个别地区达 1 0 0 0 m m 以上。大渡河流域降水年内分配基本一致，5 1 0 月份降水量占全年降 水量的9 0 - - 9 5 1 3 0 。 2 2 2 社会经济概况 大渡河流域社会经济状况差别较大，上游医畜牧业为主，中游属半农半牧区， 下游人口稠密，气候条件较好，工农业生产水平较高。 大渡河流域为我国西南多民族居住区，主要分布有藏、汉、黎等民族。其中 农牧业人口占8 2 5 ，平均人口密度2 7 9 人k m 2 ，大渡河足木足以上人口密度为 1 3 4 枷2 。由于受地理位置和气候条件限制，大渡河流域社会经济落后，工农 业生产水平远低于全国平均水平。大渡河上游地区以牧业为主，工农业产值很低。 大渡河流域自然资源丰富，尤以森林、矿产、水能三大资源著名。干流河段 开发利用任务以发电为主，兼顾漂木、航运、灌溉和防洪。 2 3 引水枢纽的布置和调度原则 南水北调西线一期调水工程大渡河调水方案将在大渡河上游支流设三个取 水点：上杜柯取水点，位于绰斯甲河上游，规划年调水量11 5 亿m 3 ；亚尔堂取 水点，位于足木足河西源马柯河上，规划年调水量1 1 5 亿m 3 ；克柯取水点，位 于足木足河主源阿柯河上，年调水量2 亿m 3 。 调度基本原则是首先必须满足大坝和下游地区的防洪要求，其次是供水、发 电和满足下游河道航运要求。 根据调水工程规划方案，在雅砻江、大渡河支流上布置了达曲一贾曲线，即 雅砻江达曲到黄河贾曲的联合自流引水线路( 简称达一贾线) 。该方案由雅砻江支 流达曲上的阿安坝址引水，途经雅砻江支流的泥曲仁达坝址、大渡河支流杜柯河 第二章大渡河流域基本概况 上杜柯坝址、经玛柯河亚尔堂坝址和阿柯河克柯坝址共5 座水库引水后进入黄河 支流贾曲，引水线路全长2 6 0 k m 。 达贾联合自流引水方案指标如表2 1 所示。 表2 1 达贾联合自流引水方案指标 引水河流 达曲 泥曲杜柯河 玛柯河阿柯河 引水坝址阿安仁达上杜柯亚尔堂克柯 坝址高程( m ) 3 6 0 43 6 0 43 4 9 13 4 1 03 4 8 5 控制面积( k m 2 ) 3 5 4 1 4 5 7 4 4 9 1 85 0 5 61 5 2 6 年径流量( 亿m 3 ) 1 1 41 2 71 6 31 6 1 4 1 5 引水位( m ) 3 6 2 03 6 1 53 5 4 03 4 9 53 4 9 5 在南水北调西线工程规划中，大渡河三条支流调水量计算采用实测系列的资 料进行水库的调水计算，在大、小两种不同调水量方案下，推算出在工程的设计 引水量如表2 2 所示。 表2 2 大渡河年设计引水量 大调水量设计方案小调水量设计方案 坝址 ( 亿m 3 )( 亿m 3 ) 上杜柯 1 3 51 1 5 亚尔堂 1 3 5l1 5 克柯3 o2 0 南水北调西线调水每年将在大渡河上游调2 5 亿m 3 水量【3 1 1 ，第一期工程各引 水枢纽水库单独进行调节计算，不考虑水库之间的联合运用。通过对各引水坝址 采用维持一定下泄流量和均匀下泄两种运用方式比较，选择维持一定下泄流量的 运用方式。水库下泄流量按基本不小于调水前最小月流量考虑。水库采用多年调 节，引水期内从水库均匀引水。引水期为1 0 个月，即2 一1 1 月引水，1 2 月和次 年的1 月不引水；枢纽下泄流量全年维持在上述确定的下泄流量以上。 第三章枢纽供水的风险组成及分析方法 第三章枢纽供水的风险组成及分析方法 3 1 风险的定义 韦伯字典把风险定义为“生命与财产损失或损伤的可能性，可见风险本身 是一个“概率”。关于风险的定义有许多种，可以从不同的角度来对风险进行定 义。比如，从探讨风险与损失之间的联系人手，定义风险是产生损失的可能性； 从某种程度的损失产生的概率人手，定义风险是产生某种程度损失的机会。 1 9 8 1 年，美国风险分析协会成立不久，即组成了一个专门委员会来研究风 险的定义。然而，经过三、四年的工作，该专门委员会列出了多达1 4 种风险的 定义，指出不太可能取得完全统一。他们建议研究者根据各自的工作，选定适宜 各自领域的定义。 不过，对于回答“什么是风险? 这一问题，现已基本达成以下共识，即它 包括三个方面的内容：在此项工程或运作过程中发生什么事故( 事故类型) ? 发生该类型事故的可能性有多大( 概率) ? 发生该类型事故的后果如何( 经 济损失、生态环境影响等) ? 任何一个关于风险的完整定义都应该是上述三方面 描述的集合体。 从工程角度，可以定义风险为：系统外来荷载l 大于系统本身抗力r 的概 率 弓= p ( l _ r ) ( 3 1 ) 式中：p 声良示系统风险；事件( l r ) 表示系统失效。 3 2 风险的组成 随着经济的发展，水资源需求量和排污量与日俱增，使供水的可靠性越来越 小。同时，由于现代工业化、城市化的特点，水资源己成为工业、城市和生活的 ，生命线之一，用户几乎没有自我调节的能力，缺水造成的损失是巨大的【3 2 1 。因此 供水系统中的风险分析是一个很重要的内容。联合国教科文组织在1 9 9 4 年召开 的“变化世界中的水资源规划”国际学术大会上将此列为四个专题之一： ( 1 ) 通过制定水资源供水系统的风险标准，使水资源系统达到可靠性和经 济性的统一； 第三章枢纽供水的风险组成及分析方法 ( 2 ) 通过供水系统的风险评价，了解供水系统的供水可靠性情况，研究风 险对策，及时采取措施，使风险损失控制在合理的范围之内，防止由于突发事件 的发生给国民经济带来巨大的损失； ( 3 ) 在可靠性理论方法的指导下，工程改建与加固有了科学依据； ( 4 ) 通过人们对工程可靠程度的深刻认识，一定程度上可以克服松懈麻痹 思想和过分谨慎小心行为。 本文所研究的风险主要有以下两个方面： ( 1 ) 水文风险：供水量在很大程度上是由径流量所决定的，当有充足的水 量和水源时，供水量也会提高。而当没有充足的水量和水源时，水文风险就不可 避免的存在着。 ( 2 ) 社会风险：在供水系统中所讲的社会风险主要是指在需水预测过程中 影响需水量的各个因子所带来的不确定性以及在用水过程中由于经济、环境、气 候等的影响所带来的用水突变【3 3 】。而需水量的预测在整个供水系统中起着举足轻 重的作用，因此正确分析社会风险至关重要。 3 3 风险分析方法 风险的定义可以概化成如( 3 1 ) 式的形式，但是具体的分析方法已经发展 了好多种，包括直接积分法、蒙特卡罗法、可靠性数学分析方法等1 3 4 1 。 3 3 1 直接积分法( d c ) 如果能求得z 的各种影响因素z i 的概率密度以及概率关系，就可以直接积分 求得尸，。这种方法理论性强，但实用中受到的限制较多，因为z ，个数往往较多， 很难找出z ，的概率密度或概率关系，进一步看，即使找到了这种关系，往往又难 以求得解析解、数值解。 3 3 2 蒙特卡罗法( m c s ) 蒙特卡罗法( m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ) 又称随机抽样法和统计实验法，是一 种数值计算方法，它主要用于求解具有随机性的不确定性问题。由概率定义可知， 某事件的发生概率可以用大量实验中该事件发生的频率来估算，因此在水资源调 配的过程中，可以通过对随机变量( 如某一河流断面的流量) 进行大量的随机抽 样，然后把这些抽样值一组一组地输入到模型中，执行模型程序，通过模型的多 第三章枢纽供水的风险组成及分析方法 次运行，得出模型输出的结果的概率统计特征值以及经验频率分布等等，从而计 算枢纽供水的可靠性和不确定性1 3 5 1 。 在不确定性和可靠性计算方法中，m c s 方法是比较特殊的一种计算方法。因 为此方法模拟的收敛速度与基本随机变量的维数无关，功效函数的复杂程度与模 拟过程无关，更无须将状态函数线性化和随机变量“当量正态”化，具有直接解 决问题的能力【1 9 】。 以m c s 方法分析枢纽供水的可靠性，主要是产生已知分布变量的随机数。 为了合理、高效地产生给定随机变量的随机数，通常分两步进行，即首先在区间 ( 0 ，1 ) 内产生均匀分布的随机数，然后再变化成给定分布变量的随机数。区间 ( 0 ，1 ) 内产生的均匀分布随机数一般称伪随机数，它产生的方法有取中法、加 同余法、乘同余法、混合同余法、组合同余法等。乘同余法由于其统计性质好、 周期长而被广泛采纳，其算式为 x i = i x i 一1 m o d 聊) ，待l ，2 ，3 ， ( 3 2 ) 式中t ，m 是选定的常数。上式的意义是以m 除以无葺一。后得到的余数记为 蕾，利用上式算出序列而，x 2 ，x t ，再取 = 砉( 3 - 3 ) 这就得到了标准的( 0 ，1 ) 分布的随机数系列，眨，； 设，+ 。是( 0 ，1 ) 区间内的两个均匀随机数，则可通过下列变换得到服 从标准正态分布n ( o ，1 ) 的两个随机数，+ 。 = ( 一2 i n r ) 7c o s ( 2 7 r r + i ) ( 3 4 ) + l = ( - 2 i n r o ) 7s i n ( 2 7 r r + 1 ) ( 3 - 5 ) 用蒙特卡罗法计算枢纽供水的可靠性可以分为以下几个步骤： 首先通过随机抽样获得功效函数中各变量的一组取值x 1 ，恐，瓦； 计算功效函数值z fz f = g ( 五，x 2 ，x n ) 设抽样组数为n ，每组随机变量计算得到的功效函数值为z f ，互0 的次 数为l ，则在大批抽样之后，枢纽的可靠性可以由式( 3 6 ) 表示 e=丙l(3-6) 即枢纽正常运行的次数和总抽样的次数之比，为枢纽的可靠性，抽样次数越 大，计算得到的可靠性越靠近实际值。 蒙特卡罗法不仅通俗易懂，而且解题思路清晰简单，计算精度高，因而易受 人们接受，除此之外，它还具有不受随机变量分布规律限制等优点，但它的计算 量很大，而且不能求出对应最大失效概率的设计验算点x 。目前m c s 被广泛地 第三章枢纽供水的风险组成及分析方法 应用到了水文径流模拟、水库洪水调度风险分析、结构可靠度分析等方面3 6 1 。 在南水北调西线大渡河枢纽供水风险分析中，由于影响水资源调配的可靠性 的因素既多又复杂，很难用统一的方法确定各随机变量的实际概率分布【3 7 1 ，因此 本文将采用蒙特卡罗模拟方法，来分析估算该枢纽供水的风险及可靠性。 3 3 3 可靠性数学分析方法 主要包括均值一次两阶矩法、改进一次两阶矩法、二次矩法、j c 法等。 ( 1 ) 一次两阶矩法( f o s m ) 通常，一阶矩( 均值) 和二阶矩( 方差) 相对容易得到。一次两阶矩方法 ( f o s m ) 就是一种在随机变量的分布尚不清楚时，采用只有均值和方差的数学 模型求解的方法，这就是一次两阶矩法。这种方法运用泰勒级数展开，使之线性 化。根据线性化点选择的不同，一次两阶矩法又可分为均值一次两阶矩法 ( m f o s m ) 和改进一次两阶矩法( a f o s m ) 。 m f o s m 假设各影响因素相互独立，将线性化点选为均值点。由于工程危险 常常发生于某些影响因素的极值范围内，如果该因素从均值到极值的变化关系与 线性相差较多的的话，m f o s m 计算误差可能颇大。 a f o s m 是针对m f o s m 前述缺点的改良。该法在泰勒级数展开时，将线性 化点选为风险发生的极值点( 风险点) 。风险点的位置事先并不能知道，需根据 数据进行计算。 ( 2 ) 二次矩法( s o ) 这种方法是在运用泰勒级数展开时，略去高于二次的展开项之后再求解p ，。 此法计算步骤较繁琐，应用的相对较少。 ( 3 ) j c 法 因国际安全度联合委员会( j c s s ) 采用这种方法而得名。j c 法适用于随机 变量为任意分布的情况，其基本原理是：先将随机变量x ；的非正态分布用正态分 布代替，对于此正态分布函数要求在验算点z ? 处的累计概率分布函数值( c d f ) 和概率密度函数值( p d f ) 与原来的分布函数的c d f 值和p d f 值相同。然后根 据这两个条件求得等效正态分布的均值和标准差，最后用f o s m 法求出风险值。 第三章枢纽供水的风险组成及分析方法 3 4 小结 本章给出了风险的定义，所谓风险是指发生损失的不确定性。指出风险具有 三个基本特征：客观性、损失性和不确定性。并从水文风险和社会风险两方面讨 论了风险的组成；阐述了基于概率论和数理统计以及可靠性数学分析理论方法的 风险分析方法，并最终根据南水北调西线大渡河枢纽供水的实际情况，确定采用 蒙特卡罗模拟方法进行枢纽供水的风险和可靠性分析。 第四章径流系列的随机模拟 第四章径流系列的随机模拟 4 1 径流系列的组成 水文时间序列一般由确定成分和随机成分组成。确定成分具有一定的物理概 念，包括周期的和非周期的成分：随机成分由不规则的震荡和随机影响造成，不 能严格的从物理上来阐明，只能用随机过程理论来研究。它分为平稳的和非平稳 的两种情况。水文序列成分的一般组成情况如图4 1 所示。 4 2 径流系列的模拟方法 4 2 1 理论依据 图4 1 水文时间序列组成 水文现象在本质上是随机的。故在分析水文现象时可建立一个水文系统的随 机数学模型来模拟和研究这些现象水文要素时间系列分析是建立随机模型的前 提和基础。通常水文系列由两部分组成，即确定性分量和随机分量，确定性分量 第四章径流系列的随机模拟 又分为两部分：非周期性的( 趋势、跳变等) 和周期性的。如对于年径流系列，其 组成可表达为 q ( i ) = 丁( ，) + 尸( ，) + 孝( ，) ( 4 - 1 ) 式中：q ( ，) 为实测年径流时间序列，t = 1 ，2 ，n ，丁( ，) 和p ( ，) 分别表示 趋势项和周期项，一般可通过物理成因分析加以估算和预测。趋势项可用一些常 用的滤波方法滤去，而周期项可用调和分析方法分析。实用中常用白化法进行处 理。 孝( ，) 则是随机分量，一般难以严格地从物理上加以分析计算可通过为水文 时间系列拟合一个合适的随机模型，以定量计算这个分量，尽管实测径流系列一 般较短，然而它却包含了径流系列的统计特性和有关径流形成机制的一些基本信 息，利用和分析所有可得的实测径流资料即可研制和拟合一个随机模型。当然， 所建模型必须经有效性检验【3 8 】。 4 2 2 径流系列的随机模拟摸型 随机模型的基本结构是，模型变量的现值毒是它的一些历史值 磊“( 后= 1 ，2 ，) 和随机数，7 的函数，即毒= 川缶斗毒彩，仍，组巾】。 由于磊一。和，7 的组合方式不同，出现了不同的径流系列生成的随机模型。但 水资源工程中常用到的是线性自回归模型、多站模型和月径流模型及其它们的组 合与推广，现将本文应用的线形自回归模型和t h o m a s f i e r i n g 模型简述如下【3 9 】。 4 2 2 1 线性自回归模型 线性自回归模型在径流系列的随机模拟理论中占有很重要的位置。自回归模 型常用于描述径流系列的时间相依性，故一般可用于拟合年径流系列。 自回归模型的一般形式为a r ( p ) 。 t 时刻径流系列随机分量的数值缶是( t - 1 ) ，( t - 2 ) ，( f 一尸) 时刻p 个孝值和 一个随机数r , 的加权和。 参= 纬，l 参一l + 孕名。2 缶一2 + + ，p 毒一j p + 仇 ( 4 2 ) 式中：缈。，为白回归系数。p 为模型阶数。 实际计算中，由实测资料通过模型识别确定模型阶数p ，根据统计上常用的 相关系数计算方法计算系列相关数乃( f = 1 ，2 ，p ) ，将乃( 汪1 ，2 ，尸) 作为自相关 系数p ( 江l ，2 ，p ) 的估值代入求得自回归系数仍( 江1 ，2 ，p ) 及独立随机数方 差才即可确定模型。 自回归模型模拟步骤如下： 第四章径流系列的随机模拟 ( 1 ) 回归分析 回归分析是对具有相关关系的两个或两个以上变量之间数量变化的一般关 系进行测定，确定一个相应的数学表达式，以便从一个