黃浦江上海市區(qū)段防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分析

趙庚潤,李羽文,崔 冬,杜小弢（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200061）

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黃浦江上海市區(qū)段防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分析

趙庚潤,李羽文,崔 冬,杜小弢
（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200061）

摘要:為明確黃浦江上海市區(qū)段防汛墻防御能力,采用2012年防汛墻高程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及黃浦江防汛墻設(shè)計(jì)參數(shù),利用蒙特卡羅法計(jì)算不同潮位下防汛墻漫溢概率以及遠(yuǎn)期海平面上升情況下的漫溢概率,提出防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,并統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的漫溢風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明:現(xiàn)狀防汛墻防御能力明顯不足,如果再考慮到近年來黃浦江水位趨勢(shì)性抬高及未來海平面上升,黃浦江防汛形勢(shì)不容樂觀;漫溢高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在市區(qū)段上游;黃浦江防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)不僅與防汛墻高程欠缺有關(guān),也與不同岸段采用的設(shè)計(jì)潮位有關(guān)。

關(guān)鍵詞:防汛墻;漫溢風(fēng)險(xiǎn);蒙特卡羅法;風(fēng)險(xiǎn)分析;黃浦江;上海市

風(fēng)險(xiǎn)分析理論在20世紀(jì)30年代由軍工生產(chǎn)發(fā)展而來,20世紀(jì)50年代引入到水利工程中,至今在防波堤、海岸工程、工程結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)、巖土工程、土石壩、水利經(jīng)濟(jì)、水環(huán)境評(píng)價(jià)、水資源管理、防洪調(diào)度等方面得到了應(yīng)用[1]。Tung等[2]分靜態(tài)和時(shí)變情況,考慮了水文、水力的不確定性,建立了漫堤風(fēng)險(xiǎn)模型。Duckstein等[3]利用蒙特卡羅法計(jì)算了交匯河段處防洪堤的漫溢風(fēng)險(xiǎn)。Lee等[4]提出了基于防洪堤的荷載和抗力條件概率分布的防洪堤性能動(dòng)態(tài)模型。Davis[5]基于風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的概念提出了一種改進(jìn)的量化堤防工程中流量、水位和損失的不確定性方法。Wolff[6]將防洪堤不同失效模式的失效功能函數(shù)表示為洪水位的函數(shù)。van dermeer 等[7]在前人研究的基礎(chǔ)上綜合考慮水力邊界條件、堤頂高程的不確定性、堤防的維修成本、洪水造成的損失及其發(fā)生概率等因素對(duì)堤防工程進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析。Vrijling[8]對(duì)荷蘭防洪系統(tǒng)的概率設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié),研究防洪系統(tǒng)的概率設(shè)計(jì)方法,并通過引入成本效益描述防洪系統(tǒng)的容許風(fēng)險(xiǎn)水平和決策問題。

在國內(nèi),朱元甡[9]采用頻率組合法對(duì)長江防汛墻南京段設(shè)計(jì)洪水位的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。趙永軍等[10]計(jì)算了河道堤壩由于水流參數(shù)出現(xiàn)偏差而失事的概率。王卓甫等[11]提出了防洪堤的邊坡失穩(wěn)和滲透變形風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型。王光遠(yuǎn)等[12]建立了“安全-中介-失效”三級(jí)工作模式,并建立了依賴于常規(guī)“安全-失效”兩級(jí)模式的計(jì)算方法。李青云[13]以長江中下游堤防工程為背景,系統(tǒng)分析堤防工程安全評(píng)價(jià)方法,提出了堤防工程安全評(píng)價(jià)的方法和模型。朱勇華等[14]將防洪堤的漫頂破壞風(fēng)險(xiǎn)、滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)和滑動(dòng)失效破壞風(fēng)險(xiǎn)綜合起來,研究了防洪堤綜合防洪風(fēng)險(xiǎn)率。吳興征等[15-16]基于可靠性理論,提出了防洪堤的概率設(shè)計(jì)方法；對(duì)國內(nèi)外土石壩工程可靠性設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)作了評(píng)述,探討了堤壩不同失穩(wěn)模式的可靠度計(jì)算模型和計(jì)算方法。盧永金[1]分析研究了圍海工程設(shè)計(jì)中各種水力風(fēng)險(xiǎn),并計(jì)算了堤身滑動(dòng)失效風(fēng)險(xiǎn)。邢萬波等[17-18]將堤防水文失事風(fēng)險(xiǎn)分為洪水漫溢風(fēng)險(xiǎn)和洪水漫頂風(fēng)險(xiǎn),建立了兩種風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算模型以及適合于單元堤段分項(xiàng)失事模式的條件失事概率的計(jì)算方法。

總體來說,國內(nèi)外很多學(xué)者在堤防工程風(fēng)險(xiǎn)分析領(lǐng)域進(jìn)行了一些積極的探索,但是仍有許多亟需解決的難點(diǎn)問題。國內(nèi)的相關(guān)研究工作主要集中在洪水水文水力風(fēng)險(xiǎn)分析上,對(duì)防洪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)研究則相對(duì)較少。在黃浦江防汛墻風(fēng)險(xiǎn)研究方面,目前國內(nèi)相關(guān)工作多集中在傳統(tǒng)方法上,如設(shè)防高程、穩(wěn)定性研究[19]等,以及風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別與風(fēng)險(xiǎn)管理方面[20],尚未見對(duì)防汛墻具體各段漫溢風(fēng)險(xiǎn)的研究。

風(fēng)險(xiǎn)分析中常用的失效概率計(jì)算方法有重現(xiàn)期法、直接積分法、隨機(jī)抽樣法、一次二階矩法及其擴(kuò)展方法、點(diǎn)估計(jì)法、響應(yīng)面法、優(yōu)化方法、隨機(jī)有限元法等。蒙特卡羅法又稱統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法或隨機(jī)抽樣技巧法,作為隨機(jī)抽樣法一種,通過隨機(jī)變量的數(shù)字模擬和統(tǒng)計(jì)分析來求取物理、工程技術(shù)問題近似解,目前廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的概率和風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算,是預(yù)測(cè)和估算失效概率常用的方法之一[17]。筆者結(jié)合最新的黃浦江防汛墻高程實(shí)測(cè)資料,分別采用1984年、2004年及預(yù)測(cè)的遠(yuǎn)期潮位成果,利用蒙特卡羅法對(duì)現(xiàn)狀和遠(yuǎn)期黃浦江上海市區(qū)段防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算,并劃分了不同的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間范圍,對(duì)各岸段漫溢風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1 黃浦江上海市區(qū)段防汛墻概況

黃浦江上接太湖,下通長江,是太湖流域主要水系——黃浦江水系的主干,是流域重要的排水通道,具有流域行洪、區(qū)域排澇（水）、供水、航運(yùn)、旅游等綜合功能。黃浦江上海市區(qū)段范圍自下游吳淞口至松江區(qū)東側(cè)行政邊界,市區(qū)段河道總長約71 km。

黃浦江防汛墻是指黃浦江河道以及支流各河口至第一座水閘或者已確定的支流河口延伸段之間的兩岸堤防。上海市區(qū)段防汛墻始建于1956年,左岸自吳淞口至西荷涇,右岸自吳淞口至千步?jīng)躘1],總長約283.07km,1988年后按千年一遇（1984年批準(zhǔn)的水位）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防,其設(shè)計(jì)高水位和墻頂高程見表1。

表1 防汛墻原設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)墻頂高程　m

由于建設(shè)周期較長,自建成以來黃浦江上海市區(qū)段防汛墻已出現(xiàn)不同程度的沉降,2012年防汛墻高程監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示,黃浦江上海市區(qū)段防汛墻達(dá)到設(shè)計(jì)高程的岸線長度僅占總長的24％。防汛墻高程欠缺比較嚴(yán)重的區(qū)段位于下游的楊浦區(qū)、虹口區(qū)、黃浦區(qū)和上游的奉賢區(qū),平均欠缺高度分別為0.25m、0.26m、0.3m和0.23m[21]。同時(shí)由于全球氣候變化、海平面上升、地面沉降和風(fēng)暴潮加劇等自然環(huán)境因素的變化,以及人類活動(dòng)影響,黃浦江水位出現(xiàn)了趨勢(shì)性抬高,現(xiàn)行千年一遇設(shè)防水位（1984年的潮位分析成果）已不足200年一遇的標(biāo)準(zhǔn)[22]?；谏鲜鲆蛩乜紤],準(zhǔn)確計(jì)算黃浦江上海市區(qū)段防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn),明確其防御能力是非常必要的。

圖1 黃浦江市區(qū)段防汛墻現(xiàn)狀墻頂高程與原設(shè)計(jì)設(shè)防高程比較

2 計(jì)算模型

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,黃浦江防汛墻高程可按下式確定:

式中:Z為防洪墻頂標(biāo)高；Zp為設(shè)計(jì)洪（潮）水位；hs為波浪爬高；Δ為安全加高；ΔH為墻頂超高,即設(shè)計(jì)洪（潮）水位以上超高。

防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的功能函數(shù)為

利用任意隨機(jī)數(shù)un、un+1,采用坐標(biāo)變換法得到標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N（0,1）的兩個(gè)隨機(jī)數(shù)x*n和x*n+1:

再利用下式變成一般正態(tài)分布N（μ,σ2）的隨機(jī)數(shù):

式中μ,σ2分別為正態(tài)分布函數(shù)N（x）的均值和方差。當(dāng)變差系數(shù)Cs較小時(shí)（一般認(rèn)為Cs＜2）時(shí),可用下式模擬標(biāo)準(zhǔn)化P-Ⅲ分布:

式中:ψi為標(biāo)準(zhǔn)化P-Ⅲ型變量；t*n為標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)隨機(jī)數(shù)。根據(jù)下式可得滿足P-Ⅲ型隨機(jī)變量xi的樣本值:

式中E（X）、Cv分別為P-Ⅲ曲線的均值和變差系數(shù)。利用得到的隨機(jī)數(shù)用蒙特卡羅法計(jì)算失效概率時(shí),取樣數(shù)N與計(jì)算成果的精度有關(guān)。一般工程上采用95％的置信度能夠滿足精度要求,允許誤差為

式中Pf為預(yù)先估計(jì)的失效概率。經(jīng)過試算,模擬10組系列與模擬107組系列得出的概率值誤差都在0.3％以內(nèi)。為保證模型精度,模擬了107組。

表2各堤段多年平均最高潮位統(tǒng)計(jì)

3 漫溢風(fēng)險(xiǎn)分析

1984年、2004年黃浦江潮位統(tǒng)計(jì)成果如表2所示[23]。從表2可以看出,2004年潮位統(tǒng)計(jì)成果中高潮位均值普遍比1984年潮位統(tǒng)計(jì)成果高0.05～0.2m。將得出的潮位隨機(jī)抽樣數(shù)組與最新的黃浦江防汛墻高程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入功能函數(shù),確定防汛墻漫溢失效與否,即可從中求得防汛墻漫溢的風(fēng)險(xiǎn)概率。

3.1 現(xiàn)狀防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分析

分別采用1984年和2004年潮位統(tǒng)計(jì)成果計(jì)算得出的黃浦江上海市區(qū)段防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分布如圖2和圖3所示。根據(jù)GB50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》,特別重要城市的防洪工程設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)大于或等于200a；重要城市的防洪工程設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)為200～100 a；中等城市的防洪工程設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)為100～50 a。黃浦江上海市區(qū)段防汛墻的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇,考慮到上海的重要性及黃浦江防汛墻破壞后導(dǎo)致?lián)p失的嚴(yán)重性,初步將黃浦江防汛墻防御能力滿足特別重要城市防洪標(biāo)準(zhǔn)的岸段定義為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段,將不滿足中等城市防洪標(biāo)準(zhǔn)的岸段定義為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段,則黃浦江防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則見表3。根據(jù)擬定的標(biāo)準(zhǔn),分別采用1984年和2004年潮位統(tǒng)計(jì)成果計(jì)算得出的黃浦江上海市區(qū)段防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)如表4所示。

表3 黃浦江防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

圖2 現(xiàn)狀防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分布（1984年潮位成果）

圖3 現(xiàn)狀防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分布（2004年潮位成果）

表4 現(xiàn)狀防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)

將模擬結(jié)果與圖1結(jié)合來看,在采用相同潮位成果下同一設(shè)計(jì)潮位的區(qū)段內(nèi),防汛墻漫溢概率與防汛墻高程欠缺正相關(guān),即現(xiàn)狀防汛墻高程欠缺越大,漫溢概率也越大；在相同潮位成果不同設(shè)計(jì)潮位區(qū)段,漫溢概率不僅與防汛墻高程有關(guān),還與不同區(qū)段采用的設(shè)計(jì)潮位有關(guān)。同樣的潮位統(tǒng)計(jì)成果及高程欠缺下,黃浦江上游防汛墻的漫溢概率明顯大于下游防汛墻的漫溢概率。例如采用1984年潮位統(tǒng)計(jì)成果時(shí),在防汛墻高程欠缺0.2m時(shí),下游吳淞口處防汛墻的漫溢概率為0.002,而上游南（北）沙港處的漫溢概率則為0.004。從圖2與圖3可以看出,雖然奉賢區(qū)防汛墻高程欠缺小于上游的楊浦區(qū)、虹口區(qū)、黃浦區(qū),但奉賢區(qū)的漫溢風(fēng)險(xiǎn)明顯超過上游這3個(gè)區(qū)。因此,在評(píng)價(jià)黃浦江防汛墻的防御能力時(shí),不能只從防汛墻高程方面考慮,也應(yīng)考慮到不同岸段采用的設(shè)計(jì)潮位對(duì)漫溢風(fēng)險(xiǎn)的影響。

如采用1984年潮位統(tǒng)計(jì)成果,現(xiàn)況工況下黃浦江上海市區(qū)段防汛墻約55％的岸段位于漫溢的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū),主要位于里程樁號(hào)0～40岸段；約34％的岸段位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；約11％的岸段位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要位于樁號(hào)40以上岸段。這表明受沉降等因素的影響,現(xiàn)狀黃浦江防汛墻防御能力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

如采用2004潮位成果,即考慮到近年來黃浦江水位趨勢(shì)性抬高的影響,現(xiàn)狀工況下黃浦江上海市區(qū)段防汛墻僅約13％岸段位于漫溢的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū), 49％以上的岸段位于漫溢的中風(fēng)險(xiǎn)區(qū),約38％的岸段位于漫溢的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),黃浦江防汛墻防御能力明顯不足。

從整體來看,黃浦江上海市區(qū)段防汛墻漫溢高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在上游段,即樁號(hào)50以上段,對(duì)此部分防汛墻防汛安全需特別注意。

3.2 遠(yuǎn)期防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分析

為預(yù)測(cè)黃浦江上海市區(qū)段防汛墻遠(yuǎn)期（2020年）漫溢風(fēng)險(xiǎn),在2004潮位統(tǒng)計(jì)成果的基礎(chǔ)上,考慮海平面上升因素。根據(jù)《2013年中國海平面公報(bào)》[24],預(yù)計(jì)未來30年,上海沿海海平面將上升85～145mm。鑒于海平面上升對(duì)上海市遠(yuǎn)期防洪防潮的影響巨大,按最大預(yù)測(cè)上升速率4.8mm/a計(jì)算,則至2020年相應(yīng)的多年平均最高潮位較2004年統(tǒng)計(jì)值上升80mm。

根據(jù)預(yù)測(cè)潮位,至2020年黃浦江防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分布如圖4和表5所示,此時(shí)僅約3％岸段位于漫溢的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū),約24％岸段位于漫溢的中風(fēng)險(xiǎn)區(qū),約73％的岸段位于漫溢的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),黃浦江防汛形勢(shì)不容樂觀。

圖4 遠(yuǎn)期防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)分布

表5 遠(yuǎn)期防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)?。?/p>

4 結(jié) 論

a.受沉降及黃浦江水位抬升等因素影響,現(xiàn)狀黃浦江上海市區(qū)段防汛墻防御能力遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。采用1984年潮位統(tǒng)計(jì)成果計(jì)算,約11％的岸段位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；采用2004年潮位統(tǒng)計(jì)成果計(jì)算, 約38％的岸段位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段主要集中在上游。如考慮遠(yuǎn)期海平面上升的影響,則至2020 年,將有73％的岸段位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),黃浦江上海市區(qū)段防汛墻防御能力明顯不足。

b.黃浦江防汛墻漫溢風(fēng)險(xiǎn)不僅與防汛墻高程有關(guān),也與采用的設(shè)計(jì)潮位有關(guān)。同樣的潮位成果和防汛墻高程欠缺下,黃浦江上游防汛墻的漫溢概率明顯大于下游防汛墻的漫溢概率。在評(píng)價(jià)黃浦江防汛墻的防御能力時(shí),不能只從高程方面考慮,也應(yīng)考慮到不同岸段采用的設(shè)計(jì)潮位對(duì)漫溢風(fēng)險(xiǎn)的影響。

c.本文的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是在GB50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》中不同城市等級(jí)防洪標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出的,評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的代表性和可靠性尚需更深入的研究。另外,漫溢風(fēng)險(xiǎn)僅是防汛墻防汛風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)方面,防汛墻墻身穩(wěn)定、墻前泥面沖刷趨勢(shì)、地面沉降趨勢(shì),尤其是防汛墻失效后的影響評(píng)價(jià),都是防汛墻風(fēng)險(xiǎn)研究的重要組成部分。綜合評(píng)定黃浦江防汛墻防汛風(fēng)險(xiǎn)尚需更全面的研究。

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中圖分類號(hào):TV877

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647（2016）03- 0057- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.012

基金項(xiàng)目:2015年上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃（15YF1411000）

作者簡(jiǎn)介:趙庚潤（1985—）,男,工程師,碩士,主要從事河口海岸工程研究。E-mail:zhaogengrun@163.com

收稿日期:（2015- 04 20 編輯:鄭孝宇）

Overtopping risk analysis of downtown section of flood wall in Shanghai along Huangpu River

ZHAOgengrun, LIYuwen, CUI Dong, DU Xiaotao（ShangHai Water Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200061, China）

Abstract:In order to determine the defensive capability of the downtown section of flood wall in Shanghai along the Huangpu River, usingmonitoring data of flood wall elevation from 2012 and design parameters of the flood wall along the Huangpu River, themonte Carlomethod was applied to calculate the overtopping probability of the flood wall with different tide levels under the current conditions and future conditions of sea level rise, propose evaluation criteria for overtopping risk analysis of the flood wall, and quantify the corresponding overtopping risk.The results show that the current defensive capability of the flood wall is clearly insufficient and Huangpu River flood prevention is inadequate considering the rising water level of the Huangpu River in recent years and the continuing sea level rise that will occur in the future.The high-risk area of overtopping is concentrated upstream of the downtown section of the flood wall.The overtopping risk of the flood wall is related not only to the lack of elevation but also to different designed tide levels adopted in different sections.

Key words:flood wall；overtopping risk；Monte Carlomethod；risk analysis；Huangpu River；Shanghai