水利工程調(diào)度過程面臨的風(fēng)險因素與規(guī)避方式

唐天勇

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師沙井子灌區(qū)水利管理處，新疆 阿克蘇 843000)

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水利工程調(diào)度過程面臨的風(fēng)險因素與規(guī)避方式

唐天勇

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師沙井子灌區(qū)水利管理處，新疆 阿克蘇 843000)

水庫調(diào)度風(fēng)險管理是針對大型控制型水庫的重要系統(tǒng)問題，它目標(biāo)繁多且系統(tǒng)規(guī)劃復(fù)雜，擁有自身獨立的風(fēng)險評價指標(biāo)體系和決策系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)險的控制與處理，是促進(jìn)大型流域地域生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。文章探討了人工彎道式引水樞紐、AMCM兩種水利樞紐的調(diào)度風(fēng)險分析及規(guī)避方式，以此來強(qiáng)化水庫的水利調(diào)度系統(tǒng)，盡可能的實現(xiàn)大型水庫的長期安全運營，并對于其調(diào)度風(fēng)險管理工作重要意義。

水利工程；調(diào)度；風(fēng)險估計；AMCM；人工彎道式引水樞紐

1 人工彎道式引水樞紐風(fēng)險調(diào)度研究

人工彎道式引水樞紐是大型灌溉及引水樞紐工程在大型流域中最重要的風(fēng)險調(diào)度方式，它利用人工在天然河道中修筑導(dǎo)流彎道，讓其產(chǎn)生橫向環(huán)流，讓水流在彎道內(nèi)產(chǎn)生離心力，區(qū)分清水流向凹岸，而讓泥沙隨底層水流流向凸岸。該方法利用到了彎道環(huán)流原理，實現(xiàn)了正面引水、側(cè)面排沙的布置形式，避免了大量泥沙入渠，還能起到取水防沙的作用，在我國已被大部分水利樞紐工程所廣泛采用，實現(xiàn)了生產(chǎn)與防護(hù)兩不誤。

1.1 彎道式引水樞紐工程的實踐概述

彎道式引水樞紐工程可以保證區(qū)域性農(nóng)業(yè)用水的持續(xù)供應(yīng)，具有較大的分流比，同時它也具有較好的防沙效果，在長期應(yīng)用實踐中已經(jīng)被得到了證實。但實際上，它也存在一定缺陷，比如如果人工彎道流域帶過寬，就會出現(xiàn)大面積的淤泥沙阻塞，讓水利樞紐中的清水水流不能順利流入凹岸，無法形成有利于農(nóng)田灌溉和水利供應(yīng)的橫向環(huán)流。而同時渠道中由于積累了大量的粗質(zhì)泥沙與卵石也影響了人們的取水生產(chǎn)生活。久而久之，水利樞紐的排沙閘下游就會出現(xiàn)嚴(yán)重的河床淤積狀況，整個排沙路都會因此受阻，最后甚至?xí)⑺麡屑~工程的排沙閘閘低完全掩埋，導(dǎo)致樞紐的徹底失效。

對人工彎道式引水樞紐實施改進(jìn)，將泄洪閘與溢洪堰完全上移到彎道首端凸岸處，這種對水利樞紐建筑布局的修改可以為人工彎道式引水樞紐開拓新的環(huán)境，帶來更好的引水防沙效果，從而為建立大引水流量的渠道奠定基礎(chǔ)[1]。

1.2 人工彎道式引水樞紐的布置形式分析

人工彎道式引水樞紐工程是一個復(fù)雜的大型體系，它包含了樞紐上游引水彎道整治段、溢洪堰、泄洪閘、進(jìn)水閘、沖沙閘以及下游河道整治段。

1.2.1 上游引水彎道整治段

上游引水彎道整治段就是水利樞紐的上游段，它根據(jù)所在河流流域的水量變化與分流比來設(shè)計整治段流量。一般來說，在人工彎道內(nèi)要形成環(huán)流，才能實現(xiàn)對彎道中砂礫石及淤積淤泥的有效沖刷，保證長期的引水順暢。但是人工彎道不能過寬，因為過寬會造成彎道上游的大量淤積，導(dǎo)致導(dǎo)流堤出現(xiàn)全線崩潰的狀況。因此在設(shè)計彎道流量時，應(yīng)該根據(jù)所在河流流域的特征來設(shè)計，例如采用較為穩(wěn)定的河床公式來計算上游樞紐整治段的穩(wěn)定坡降、曲率半徑及整治寬度，通常來講彎道的長度不應(yīng)該小于6～7倍于上游整治段的寬度。另外，人工復(fù)式斷面也可以控制彎道流量，使整個樞紐歸槽形成穩(wěn)定的橫向環(huán)流。

1.2.2 進(jìn)水閘與沖沙閘

進(jìn)水閘與沖沙閘一般設(shè)置在人工彎道的尾端，前者靠近凹岸而后者位于凸岸位置。沖沙閘底高程被確定后，就可以依據(jù)進(jìn)水閘在流域的引水比例來考量引水后下游河道可能出現(xiàn)的淤積效果，如果洪水沖沙閘底板被掩埋影響，就要調(diào)整沖沙閘底板向上直至高出原河床高度的0.5～3m左右，緩解流域上流由于縱坡過緩而導(dǎo)致的環(huán)流作用度降低問題。另一方面，沖沙閘在洪水到來時可以兼修泄洪閘的工作，比如說當(dāng)沖沙閘加高以后，就可以利用洪水實現(xiàn)對彎道內(nèi)淤積泥沙的沖刷。而在下游，沖沙閘則不能采用消力池這樣的消能工程，而是應(yīng)該選擇在樞紐的段護(hù)坦末端設(shè)置深層隔離墻來防止洪水沖擊。

1.2.3 下游河道整治段

而在下游河道，也要防止閘下河道出現(xiàn)淤積現(xiàn)象，應(yīng)該考慮適當(dāng)?shù)目s窄河道，以便于提升河道的輸沙能力，讓淤泥等物質(zhì)能夠被輸送到遠(yuǎn)處，不影響水利樞紐的橫向環(huán)流。在下游河道整治段，它的長度應(yīng)該不小于下游穩(wěn)定河槽寬度的兩倍，這樣才能保證它的輸沙量達(dá)到原來的4～6倍。

1.3 人工彎道式引水樞紐的管理及應(yīng)用

對引水樞紐工程的管理應(yīng)用一定要正確合理才能起到引水防沙、規(guī)避風(fēng)險的效果，本文介紹了以下3種應(yīng)用方式。

1)確保閘前環(huán)流的穩(wěn)定形成，根據(jù)環(huán)流形成的程度來合理開關(guān)閘門，讓流域中的主流集中到進(jìn)水閘與沖沙閘中間，形成孔閘泄流量大于其它各個閘孔的趨勢。

2)盡量減小閘前彎道的有效寬度，保持彎道凸岸原寬過大的引流通道縮窄60%左右，確保主流水流可以固定于凹岸之內(nèi)。

3)要將樞紐的間歇集中于沖沙和連續(xù)泄洪沖沙之間，保持沖刷期大于2～3d，且每天沖刷4h以上。也可以考慮采用可見間歇式集中沖沙形式來節(jié)約水量，同時也提高沖沙效率[2]。

2 AMCM水庫風(fēng)險調(diào)度研究

AMCM(Advanced Monte Carlo Method)即傳統(tǒng)蒙特卡洛風(fēng)險調(diào)度管理的改進(jìn)方法，它能夠解決大型綜合水庫在調(diào)度系統(tǒng)方面所面臨的各種問題，比如風(fēng)險評價與調(diào)度等等。AMCM作為改進(jìn)版，它的主要思路有兩方面：①它是將傳統(tǒng)蒙特卡洛風(fēng)險調(diào)度方法的系統(tǒng)仿真確定性與處理方式改為不確定性的處理方式，并成功引入了不確定因素進(jìn)行處理分析，這種做法充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的真實性。②在系統(tǒng)輸出統(tǒng)計分析過程中，完全引入并簡化了分布函數(shù)的求解過程，從而加快了風(fēng)險評價指標(biāo)求解方式與模型收斂速度，圖1為基于蒙特卡洛改進(jìn)方法的風(fēng)險估計流程圖。

圖1 基于AMCM系統(tǒng)風(fēng)險估計方法的風(fēng)險評估流程圖

2.1 基于AMCM方法的風(fēng)險估計分析

從上圖1可以看出，對大型綜合水庫調(diào)度系統(tǒng)的風(fēng)險估計要從不確定因素，即風(fēng)險因子的選取和連續(xù)變量分布方面尋找突破點，解決問題。一般來說可以利用少量的已知信息來進(jìn)行分析并確定，所以本文選擇了最大熵這一方法來測算水庫調(diào)度風(fēng)險因子以及其特定變量的概率分布。最大熵的求解方法是超然的，它可以在數(shù)據(jù)不充分的情況下求解，而且它也可以加速風(fēng)險估計的節(jié)奏，且所預(yù)測信息相對準(zhǔn)確，實現(xiàn)了對風(fēng)險未知變量分布形式的快速確定。而且最大熵法對原有的蒙特卡洛方法進(jìn)行了風(fēng)險估計流程的改進(jìn)，如下：

首先，假設(shè)A={X1,X2,……,Xk}為系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)集z，其中K表示集合A中的風(fēng)險因子個數(shù)，所以可依照系統(tǒng)工程學(xué)的實施原理，來為水庫可能風(fēng)險進(jìn)行風(fēng)險調(diào)度模型描述，即：

z=g(X1,X2,…,Xk)

(1)

其次，按照風(fēng)險因子變量X1(i=1,2,…,K)的分布規(guī)律，采用分布函數(shù)隨機(jī)數(shù)的生成方法進(jìn)行對應(yīng)隨機(jī)樣本的計算分析，并從z公式中得到z樣本zj：

zj=g(x1,x2,…,xk)(j=1,2,…,n)

(2)

再者，在z的可行范圍內(nèi)做等間距離散點，離散點數(shù)量為n，分別用z1,z2,…,zn表示，就可以得到f1(z)與f2(z)兩者間的最大距離D應(yīng)該為：

D=max|f1(zi)-f2(zi)|

(3)

假設(shè)ε為求解精度，如果D<ε，那么就可以計算水庫調(diào)度的風(fēng)險指標(biāo)值為：

(4)

式中：F為Z的概率分布函數(shù)，而z0則為z的安全上限。

2.2 利用AMCM方法建立水庫泄洪風(fēng)險估計模型

水庫風(fēng)險調(diào)洪計算相當(dāng)復(fù)雜，應(yīng)該按照所確定的防洪調(diào)度規(guī)則來選擇采用恰當(dāng)?shù)挠嬎惴椒?，這其中就存在許多來自于洪水過程、水文條件以及水庫泄洪能力的不確定性。本文基于AMCM方法為水庫泄洪風(fēng)險調(diào)度建立了模擬模型：

(5)

(6)

式中：ZH就表示水庫大壩的安全水位；h(z)表示了最高調(diào)洪水位的密度函數(shù)。

2.3 基于風(fēng)險調(diào)度模型求解的水庫泄洪風(fēng)險計算

因為水庫洪水調(diào)度中的全部調(diào)洪過程都要涉及到各種不確定因素，所以調(diào)洪計算函數(shù)很難通過擬合過程獲得，即使利用調(diào)洪計算函數(shù)，也可能存在精度和具體模型方面的巨大誤差，所以本文就采用了改進(jìn)后的蒙特卡洛AMCM方法倆進(jìn)行計算分析。

[Qij](i=1,2,…,n;j=1,2,…,mi)

(7)

式中：mi就表示第i場洪水所經(jīng)歷的時間，將上述公式改進(jìn)得到制定頻率p就可以列出演變后的過往洪災(zāi)資料公式為：

(8)

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)調(diào)洪演算指數(shù)為si(i=1,2,…，n)時，就可以選?。?/p>

[s1,s2]=[min(si),max(si)]

(9)

z=E(zh)

(10)

通過上述計算得到z的樣本為{z1,z2,…,zn}，所以基于AMCM方法對上述步驟進(jìn)行概率分度保密度的解析，它的表達(dá)公式應(yīng)該為h(z)。因此，當(dāng)水庫大壩的安全水位為ZH時，依據(jù)z的分布密度h(z)就可以得出水庫大壩的泄洪風(fēng)險率值為：

(11)

也就是說，當(dāng)水庫發(fā)生千年遇洪水時，它的水庫壩頂高程風(fēng)險率可以通過這一公式來計算，從而得出各種不確定因素在共同作用下所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。一般而言，水庫調(diào)度風(fēng)險其一來自于調(diào)水位時洪汛限制水位附近的波動，其二來自于洪水過程中的諸多不確定因素，因此主要要依據(jù)這兩點因素來考慮水庫的風(fēng)險調(diào)度管理設(shè)計，精確洪汛模擬模型所演示過程，進(jìn)而達(dá)到規(guī)避風(fēng)險的目的[3]。

3 基于AMCM水庫風(fēng)險調(diào)度理論的水庫泄洪風(fēng)險算例分析

3.1 計算過程分析

本文選取了淮河流域的X水庫進(jìn)行算例分析，該水庫大壩在校核洪水頻率方面數(shù)值為p0=0.001，而大壩的壩頂高程ZH=130m。本計算過程采用了該水庫從1990—2013年23年的洪水事件資料，并利用隨機(jī)模擬模型的方式來計算評價水庫在發(fā)生頻率p為p0的洪水時水庫的泄洪風(fēng)險率。根據(jù)已有歷史資料來分析，可以得到X水庫的最大、最小洪峰消減系數(shù)應(yīng)該為：sl=0.25，s2=0.50，根據(jù)大量水庫調(diào)洪模型的計算與模擬生成可以得到基于樣本z的數(shù)據(jù)直方圖，如圖2。

圖2 基于水庫調(diào)洪模型模擬生成的z樣本數(shù)據(jù)直方圖

如圖2，如果z的模擬樣本數(shù)量超過800時，它的密度函數(shù)變化就會減緩，比如說當(dāng)z模擬100與模擬10000時，當(dāng)z的模擬樣本超過800時，它的模擬密度函數(shù)與10000幾乎一致。因此，就可以得出基于密度函數(shù)的模擬樣本表達(dá)式：

h800(z)=exp(210650.135-6642.190x+78.380x2-0.410x3+0.008x4)

h(z)=exp(248050.500-7842.387經(jīng)+92.820x2-0.489x3+0.001x4)

圖3為密度函數(shù)h(z)與其分布函數(shù)H(z)的函數(shù)圖形對比圖：

圖3 密度函數(shù)與其分布函數(shù)的函數(shù)圖形對比圖

根據(jù)上述算例可得知，如果X水庫發(fā)生1000a一遇的洪水時，3.57%就是超過其水庫設(shè)計壩頂高程預(yù)計的風(fēng)險率，當(dāng)然，水庫的風(fēng)險也來自于各方的不確定因素共同作用，必須通過分析來得出其最主要的原因，比如說由初始起調(diào)水位所造成的汛限水位波動，或者是由洪水過程的不確定性所造成的風(fēng)險，這就需要對洪水訊息進(jìn)行模擬，并同時基于典型洪災(zāi)對水庫所產(chǎn)生的危害影響而進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計。

3.2 計算結(jié)果分析

基于AMCM的模擬計算對比：根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論，假設(shè)模擬次數(shù)為n，通過經(jīng)驗分布函數(shù)sH(z)估計理論來設(shè)計分布函數(shù)H(z)，然后進(jìn)行計算：

PR=P(z>ZH)=P(z>130)=3.57%

(13)

依據(jù)上式可見得，模擬次數(shù)在增加過程中，PR也會逐漸朝著分布函數(shù)H(z)的對應(yīng)值逐漸靠近，而且其附近的波動游走率也會逐漸減小。當(dāng)模擬次數(shù)達(dá)到10000次時，計算結(jié)果就基本能夠達(dá)到AMCM800次模擬時所應(yīng)有的計算水平。

根據(jù)隨機(jī)模擬方法與本文所提出的AMCM理論對分布函數(shù)的擬合效果進(jìn)行分析。根據(jù)分布函數(shù)的特點，本文所采用的是柯爾莫哥洛夫檢驗法，即Dn檢驗法?；谏鲜龅腦水庫案例，本方法采用了隨機(jī)模擬計算首先得到n=50個壩前最高水位z的數(shù)據(jù)樣本，并根據(jù)z樣本進(jìn)行從小到大排列，并得到z’，然后計算H(z′(i))。如果n=50，就可以一次計算(i-1)、n，可得下式：

Dn=maxδ=0.1760

(13)

如果顯著性水平α=0.01,那么就可以推算出Dn的值，經(jīng)計算D50=0.2003>0.1760。所以這就說明基于AMCM理論模型所得到的X水庫壩前水位分布和模擬計算的分布顯著性水平α=0.01具有一致的分布性。

4 結(jié) 語

本文基于人工彎道式引水樞紐和改進(jìn)式蒙特卡洛AMCM模擬方法探析了水庫運行過程中各種風(fēng)險因素的預(yù)防和規(guī)避方法，明確了水庫調(diào)度風(fēng)險管理研究的復(fù)雜性、規(guī)模性、多目標(biāo)性和非線性。它可能涉及多個學(xué)術(shù)領(lǐng)域，需要在操作過程中全面考慮風(fēng)險因素發(fā)生的可能性及其危害性的大小。由于現(xiàn)代人類對水庫風(fēng)險的規(guī)避技術(shù)還不夠成熟，還不能做到對風(fēng)險調(diào)度方案的精確評價處理，所以基于水庫安全運營的風(fēng)險調(diào)度管理還將是未來很長一段時間人類需要深入研究的重大課題。

[1]王慶,郭德發(fā).新疆人工彎道式引水樞紐的設(shè)計與運行[J].人民長江,2004,35(01):13-14.

[2]張驗科.綜合利用水庫調(diào)度風(fēng)險分析理論與方法研究[D].北京：華北電力大學(xué),2012.

TV87

B

1007-7596(2016)08-0169-02

2016-06-21

吳事陸(1980-)，男，遼寧朝陽人，工程師，研究方向為水利水電工程設(shè)計、水利工程施工、污水處理等。