城市防洪规划中河道行洪风险评估

城市防洪规划中河道行洪风险评估

在城市防洪规划中，一般河流防洪的设计是基于一定的河流洪水重现期的流量、河流相应的流量和边界条件，以及基于不同共同规范和经验的一定深度和非均匀河流洪水，以及根据相关标准和经验，确定一定的安全高度。然而，在实际设计和计算中，由于控制断面的水位、流量和河床粗糙度的影响，河流的水面线是随机的。因此，在城市防洪工程的规划设计中，我们必须分析河流的洪水风险，即评价洪水漫滩被淹没的城市可能性。传统的洪水演算方法采用了固定值法，不能计算和计算各种随机因素的影响。因此，无法定量描述河流表面线的不确定性。本文依托浏阳市城市防洪规划,通过建立在概率论和微分方程基础上的随机微分方程数学模型,对各种影响因素进行概率模拟和分析,比较不同防洪工程措施对城区堤防防洪风险率的影响,并对浏阳市区河道堤防的设计风险作出评估.1单条线路及其与河道行洪浏阳市区位于浏阳河中游河畔,是一座山区城市,市区面积45km2,且主要集中在浏阳河右岸.1995年底规划区内总人口为9.50万,其中非农业人口4.67万,预计到2010年,市区人口将达到20万.浏阳河自北向南流经市区,河段长9.24km(三水厂至大栗坪),河道宽110～300m,左岸有一级支流净溪,右岸有一级支流泉塘河、大铺岭河和严家土段河(见图1).浏阳市在市区建有大栗坪水电站、醴浏铁路桥、公路桥、水上游乐场等,而这些建筑物均有阻水作用,不利于河道行洪.浏阳市区目前尚未形成防洪保护圈,基本上处于无设防状态.根据市区主要地面高程,其河槽的安全泄流量约为3500m3/s,只相当于重现期为5～6年一遇的洪水标准,稍遇大水,市区地势较低的街道和开发区就会受到不同程度的淹没.市区的防洪工程仅在浏阳河干流右岸靠老城区(从洗药桥至公路桥之间)与滨河路相结合的一段建有长为1724m的防洪堤,市区内尚无排涝设施.按照浏阳市市区防洪规划的要求,近期要达到抵御20年一遇洪水的防洪标准,远期要达到抵御50年一遇洪水的防洪标准1,2.根据浏阳市区上游3km处的双江口水文站1951～1995年共45年的实测水位、流量资料,同时结合历史洪水调查和洪水一致性分析,得到双江口水文站断面不同频率下的水位、流量特征值(见表1)2.2河道水位随机变化及风险分析利用恒定非均匀流的水面线基本方程,根据河道水流特性分析,引入影响水面线的各种不确定性因素(包括随机初始条件、随机系数及随机作用项),推求河道水面线的随机微分方程,从而使求解对象由确定性水位转化为水位的随机过程:{dz(x)dx=φ[z(x)‚x‚n]+dH(x)dxz(x0)=z0(n)(1){dz(x)dx=φ[z(x)‚x‚n]+dΗ(x)dxz(x0)=z0(n)(1)式中:φ[z(x)‚x‚n]=Q2K2+(α+ξ)ddx(V22g)‚Qφ[z(x)‚x‚n]=Q2Κ2+(α+ξ)ddx(V22g)‚Q为流量,K为流量模数,V为流速,ξ为河道的局部损失系数,α为流速水头系数,n为河床糙率;z0(n)为水位,H(x)为无偏移水位变化随机过程,其均值E[H(x)]=0,方差D[H(x)]=σ2x,σ2为过程强度,取决于z(x)的离散程度,也即取决于河道水位的变异性.式(1)是一典型的Ito方程,该方程的求解对象不再是确定函数z(x),而是随机过程z(x),其求解过程是Markov过程,可利用随机过程的动力学方程(Fokker-Planck方程)得到解.在这一过程中,只要求解出转移概率分布密度f(x,z),就可掌握整个河线水面线的变化,也可确定出河道水位随机变化的均值,为风险分析的概率量度提供条件.堤防防洪风险的极限状况(在不考虑堤防因自身或其它原因造成破坏而溃堤的情况下)应以河道水位z(x)不超过堤顶高程zt为标准,即满足极限状态方程z−zt=0(2)z-zt=0(2)定义堤防防洪风险率Pf为,按一定洪水重现期设计的河道堤防在各种可能的河流自然、工程和水文条件下,发生洪水漫过堤顶事件的概率:Pf=Pf[z≥zt]=∫zt+∞f(x‚z)dz(3)Ρf=Ρf[z≥zt]=∫zt+∞f(x‚z)dz(3)其中:zt为堤顶高程(实际上也是一个随机变量);f(x,z)为x断面水位概率密度函数;z为计算所得的水位随机过程.以Pf值来度量堤防防洪风险率,其物理概念明确、清晰.采用Pf还可比较不同工程措施的防洪风险,对其有效性做出评判.在实际应用中,为便于计算分析,常采用可靠度指标β来代替Pf,β和Pf成一一对应的关系:{β=Φ−1(1−Pf)Pf=1−Pr=1−Φ(β)(4){β=Φ-1(1-Ρf)Ρf=1-Ρr=1-Φ(β)(4)式中:Pr为可靠度;Φ(β)为标准正态分布函数.如水位z(x)和堤顶高程zt(x)均为正态分布,则该问题就属于正态-正态模式,只要这两个随机变量相互独立,则可得简化算式β(x)=ztu(x)−zu(x)σ2zt(x)+σ2z(x)√(5)β(x)=ztu(x)-zu(x)σzt2(x)+σz2(x)(5)式中:ztu(x)、zu(x)分别为堤顶高程和水位两个随机变量的均值;σzt(x)、σz(x)分别为相应的标准差.3防洪工程体系的选择为定性地了解不同的计算条件对堤防防洪风险率的影响程度,现以10年一遇洪水为例,分析河床糙率和双江口断面水位的随机性对城市堤防防洪风险的影响,并选择浏阳市区河道三个断面(洗药桥7+795、水门口8+955和公路桥9+408)的堤防作为比较的参照体.3.1不同断面的防洪工程防风险率河床糙率与河道行洪能力有密切关系.由于河床表面粗糙程度难以量化,因此,用糙率来表征河床粗糙程度时随机性较大.在初始水位标准差σz0=0.01m,初始糙率标准差σn0=0.01m,水位变异系数δz=0.01,河床糙率均值nu=0.031,而糙率变异系数δn分别为0,0.01,0.05和0.10四种情况下,三个断面的堤防防洪风险率见表2.可见,在10年一遇洪水下,糙率变异系数对所选三个断面堤防防洪风险率没有影响.这是因为模型中把糙率随机性与水位随机性作为独立变量,而计算中整个河段糙率只是一个平均值,其分布已在随机方程中削去,只成为水位的随机方程.若选取河床糙率变异系数δn=0.01,水位变异系数δz=0.01,水位初始条件σz0=0.01m,而河床糙率均值nu分别为0.028,0.030,0.031,0.032和0.034五种情况下,三个断面堤防防洪风险率见表2.可见,河床糙率对堤防防洪风险的影响就很明显,河床糙率越大,风险率越大,如当糙率均值nu≥0.032时,水门口左岸堤防的风险率超过了50%,该断面水位已超过堤顶高程.这表明河床糙率对市区堤防防洪风险率有较大的影响,直接决定着堤防的防洪标准,但河床糙率均值对水位标准差σz的影响不大.3.2沿程水位随机性对防洪工程风险率影响的计算结果选取糙率变异系数δn=0.01,水位初始条件σz0=0.01m,水位变异系数δz分别为0,0.01,0.02,0.03和0.05五种情况,沿程水位随机性对堤防防洪风险影响的计算结果见表3.可见,沿程水位随机性对堤防防洪风险率的影响明显.当不考虑沿程水位随机性时,堤防防洪风险率最低;随着沿程水位随机性的增大,沿程堤防防洪风险率和σz都明显增大.因此,在分析堤防防洪风险率时,应根据实测资料分析确定σz值.由于缺乏浏阳河的水位资料,在下面的各项防洪工程风险分析中,为便于相对比较,均选取沿程水位变异系数δz=0.01.3.3不同初始条件下水位密度函数的传递过程选取糙率变异系数δn=0.01和水位变异系数δz=0.01,分析比较双江口水文站水位初始条件为定值(σz0=0)和正态分布(σz0=0.01和0.02m)三种情况下对下游市区堤防防洪风险率的影响.不同初始条件下水位密度函数的传递过程见图2.分析可见,水位初始条件的随机性对下游断面的水位标准差σz及堤防防洪风险率Pf影响较小,随着x增长,水位初始条件的影响逐渐减弱,对堤防防洪风险率的影响也减小.当初始水位随机性不大时,对市区堤防防洪风险率的影响还可忽略不计.4道路驳岸的防洪风险为分析比较不同防洪措施的有效性,现假定糙率变异系数δn、水位变异系数δz和水位初始条件σz0均为0.01m,分别计算市区河道14个典型断面(渡口～氮肥厂)在不同洪水频率下的堤防防洪风险率,其计算结果见图3.由图3可见,就整体防洪能力而言,市区浏阳河右岸堤防的防洪标准高于左岸.除白沙洲渡口断面左岸堤防外,其余堤防均在5年一遇的防洪标准以上,30年一遇的防洪标准以下.当发生10年一遇洪水时,市区左岸堤防下山口～白沙洲渡口之间的河道堤防和铁路桥附近堤防的防洪风险率在50%以上,表明河道水位均值已超过这些地方的堤顶;而右岸堤防的风险率均在50%以下,最大风险率出现在唐家洲河口附近的堤防.当发生20年一遇洪水时,两岸均多处出现风险率高于50%的堤段,左岸的白沙洲渡口～酒厂以及右岸的白沙洲渡口～水门口之间河道水位均值都超过了堤顶.在30年一遇洪水情况下,市区河道大部分堤防的风险率均在50%以上.市区堤防防洪风险率的计算结果表明,目前浏阳市区堤防离其近期防洪规划的20年一遇洪水(P=5%)防洪标准尚有较大的差距.为此,需要采用工程和非工程措施相结合的方法来提高该市的防洪标准.5河道上游控制水库按照浏阳市城市防洪规划,主要工程措施为:对高风险率河段的堤防进行加高加固、对河道实行清障、修建河道上游控制水库.为了更好的说明问题,在计算时还考虑了按20年一遇洪水标准加高加固市区堤防的同时,对河道实施清障及上游修建水库的综合措施.选取频率为20年一遇和50年一遇的洪水,对这些工程措施降低防洪风险率的效果进行计算、比较分析,并综合评估这些措施的有效性.计算结果见表4.5.1年一遇洪水情况下的可靠度加高加固堤防措施实施前、后的防洪风险率见图4.由表4和图4可见,加高加固堤防措施实施后,在20年一遇洪水情况下市区堤防的防洪风险率明显下降,原来处于高风险率区段的防洪风险基本消除,市区堤防超过了20年一遇的防洪标准,表明加高加固堤防措施可以有效地提高市区的防洪能力,并可实现浏阳市近期防洪规划的要求.在50年一遇洪水情况下,堤防防洪风险率没有本质的改进,尚需进一步加高加固堤防或采取其它措施来达到远期防洪规划要求.由表4还可以看出,在20年一遇洪水情况下,现有堤防左岸下山口、洗药桥、铁路桥断面和右岸洗药桥、浦梓港断面的可靠度指标β出现了负值,说明堤防低于20年一遇的防洪标准;实施加高加固堤防措施后,堤防的β值基本上在2.0以上,防洪能力有了明显的提高.但在50年一遇洪水情况下,大多数断面的可靠度指标β仍小于0,说明要达到远期防洪标准,还需继续加高加固堤防.5.2扩孔措施对于下游河道防洪工力的影响市区浏阳河段的主要障碍是公路桥,按照城市防洪规划,拟对公路桥进行扩孔,以扩大其过水面积,为此,计算了20年一遇洪水情况下扩孔措施对市区防洪风险率的影响(见图5).由图5可见,扩孔后有利于降低公路桥上游河道的水位,但由于河道两岸堤防的标准较低,扩孔前、后市区各断面堤防的风险率变化较小,对整段堤防防洪标准的提高作用有限.相对而言,扩孔措施对河道右岸堤防防洪风险率的影响要大一些,如洗药桥断面,风险率由扩孔前的66.9%下降到扩孔后的51.0%,下降幅度达15.9%,有效地提高了该段堤防的防洪能力.从扩孔的效果看,只是降低了公路桥上游河道堤防的防洪风险率,而对下游河道堤防的防洪风险并无影响.5.3水库的防洪能力修建河道上游防洪水库对削减山区河流的洪峰流量十分有效.根据浏阳市防洪规划的要求,在浏阳河上游流域拟修建、改建总防洪库容为9972万m3的水库,以提高浏阳市的防洪能力,同时也可减轻下游省会长沙市的防洪压力.修建水库后,经水库调蓄上游洪水在双江口断面的洪峰流量参见表1.水库修建前、后城区堤防的防洪风险率见表4.可见,上游建成水库后可有效地提高城区的防洪能力,尤其是右岸堤防基本上可以达到50年一遇的防洪标准,左岸堤防防洪能力也有较大提高,可抵御略大于10年一遇的洪水.5.4提高近地层防洪标准图6为等可靠度指标β=2.0时,实施综合措施前、后抵御50年一遇洪水所需的堤顶高程.由图6可见,在等可靠度指标情况下,单靠加高加固堤防,要使浏阳市从近期规划20年一遇的防洪标准提高到远期规划的50年一遇防洪标准,需要加高堤防1.6m左右;而采用综合措施后,按近期防洪规划进行加高加固堤防后的堤顶高程已可以抵御50年一遇的洪水,且有0.2m左右的富裕度.因此,浏阳市的防洪工程应采取加高加固堤防和修建水库两者相结合的综合措施.就堤防防洪效率而言,按等可靠度指标β值设计堤防高程可最有效的发挥堤防工程的防洪作用,在工程设计中,应尽量使整个河段堤防的β值趋于一致.6工程措施对防洪工程措施影响的分析以概率论和随机微分方程为基础的风险分析方法可以较全面地反映各种随机因素对城市防洪的影响,且具有更广泛的适用性.结合浏阳市城区防洪规划,利用风险分析方法,在对各种随机因素的灵敏度进行分析的基础上,计算比较了各项防洪工程措施的风险率.随机因素灵敏度分析的计算结果表明,河床糙率