陸渾水庫校核洪水防洪風(fēng)險分析

韓明海，崔云龍，齊潤利

(河南省洛陽市陸渾水庫管理局，河南 洛陽 471003)

0 引言

陸渾水庫修建于國家“二五”期間，位于黃河流域伊河支流的河南省嵩縣境內(nèi)，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、供水等綜合利用的大(1)型水庫，水庫總庫容13.20億m3。水庫設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為：千年一遇洪水設(shè)計、萬年一遇洪水校核，文章在分析過程中針對水庫可能遭遇的萬年一遇洪水過程與不確定因子組合，進行風(fēng)險綜合評價。

1 分析研究框架

首先確定典型洪水過程，然后進行針對水庫調(diào)度中可能存在的風(fēng)險對風(fēng)險因子識別，確定主要風(fēng)險因子，并建立風(fēng)險估計函數(shù)模型完成風(fēng)險因子量化，最后風(fēng)險評價，確定滿足風(fēng)險率要求的入庫洪峰流量進而確定洪水過程。構(gòu)建萬年一遇洪水防洪風(fēng)險分析研究基本框架，如圖1。

圖1 基于不確定性校核洪水防洪風(fēng)險分析框架圖

基本框架：①典型洪水確定。結(jié)合水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確定研究的洪水過程為萬一遇洪水過程。②風(fēng)險因子識別。采用事故樹法，根據(jù)風(fēng)險因子識別方法對風(fēng)險因子進行識別，確定主要風(fēng)險因子為：泄流能力、水位～庫容、調(diào)度滯時、起調(diào)水位四類。③風(fēng)險估計及風(fēng)險因子量化。其目的主要是解決風(fēng)險因子的概率分布，建立函數(shù)模型，完成風(fēng)險因子量化。④風(fēng)險評價。采用蒙特卡羅模擬方法與陸渾水庫調(diào)洪調(diào)度耦合的方法進行風(fēng)險評價。假設(shè)風(fēng)險目標(biāo)與選定的風(fēng)險因子直接存在某種函數(shù)關(guān)系，如公式：Y=f(X1，X2，…，Xn-1，Xn)，式中，Y：風(fēng)險目標(biāo)；X1，…，Xn：概率分布已知的風(fēng)險因子；f：X與Y存在的某種函數(shù)關(guān)系。蒙特卡羅方法利用隨機數(shù)生成m組隨機變量(X1，…，Xn)的隨機數(shù)(x1i，x2i，…，xm-1，xmi)(i=1，m)然后按照函數(shù)關(guān)系f確定m組Y值yi,(i=1，m)(yi=f(x1i，x2i，..，xn-1i，xni)(i=1，m))，當(dāng)m足夠大時可以得到與實際情況相近似的函數(shù)Y的概率分布及數(shù)字特征。在研究過程中(X1，…，Xn)表示有n個風(fēng)險因子，f指一定的調(diào)度規(guī)則，Y表示調(diào)洪結(jié)果。當(dāng)風(fēng)險因子為調(diào)度滯時、起調(diào)水位、泄洪能力、庫容-水位4個不確定因素時與典型洪水組合，蒙特卡羅模擬過程如下圖2。

圖2 蒙特卡羅模擬流程圖

2 基于不確定性的校核洪水過程確定

2.1 典型洪水選擇

典型洪水采用1984年《陸渾水庫保壩洪水補充分析報告》中頻率分析法成果。萬年一遇洪峰流量17 100 m3/s，1日洪量7.95億m3，3日洪量14.56億m3、5日洪量18.02億m3。

2.2 風(fēng)險因子識別

主要針對水庫遭遇洪水過程時調(diào)度過程中可能出現(xiàn)風(fēng)險因子進行確認(rèn)。入庫洪峰流量風(fēng)險分析過程中基本事件包括：水力不確定性影響建筑物泄流能力的不確定性；水庫設(shè)計及運行過程中水位～庫容的不確定性；水庫調(diào)度運用和泄水建筑物啟閉條件影響調(diào)度滯時和起調(diào)水位的不確定性。

2.3 風(fēng)險估計

風(fēng)險因子估計是風(fēng)險分析的核心部分，主要是通過函數(shù)模型確定風(fēng)險因子的概率分布。因此根據(jù)風(fēng)險因子分布的實際情況分別采用主觀或客觀分布進行估計。

2.3.1 泄流能力風(fēng)險估計

2.3.2 水位-庫容風(fēng)險估計

對于一座水庫，由于水庫發(fā)生洪水后產(chǎn)生的淤積、水庫庫區(qū)地形的改變、測繪水平和儀器精度的限制，最終會改變原始的水位～庫容關(guān)系，經(jīng)統(tǒng)計庫容函數(shù)V(Z)符合正態(tài)分布，均值取設(shè)計值、均方差σ取0.10V(Z)[]，按公式V(Z)=X(Z)+X(Z)×0.10×U計算，式中，V(Z)：實際水位-庫容函數(shù)；X(Z)：設(shè)計水位-庫容函數(shù)；Z：水位；U：標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

2.3.3 調(diào)度滯時風(fēng)險估計

水庫調(diào)度基本程序為：洪水預(yù)報→調(diào)洪計算→制定調(diào)度方案→方案上報→接收上級調(diào)度指令→本級指令下達(dá)→執(zhí)行結(jié)果反饋。由于調(diào)度環(huán)節(jié)的限制各個環(huán)節(jié)都具有不確定性，研究中調(diào)度滯時風(fēng)險估計采用三角函數(shù)。隨機數(shù)x按下列公式計算：

(1)

式(1)中：r為0-1的均勻隨機數(shù)；x為三角形分布隨機數(shù)。

2.3.4 起調(diào)水位風(fēng)險估計

起調(diào)水位主要由調(diào)度原因引起，一般認(rèn)為執(zhí)行調(diào)度計劃時實際起調(diào)水位在預(yù)期起調(diào)水位的合理范圍內(nèi)隨機變化，風(fēng)險估計服從正態(tài)分布，均值為觀測水位值，均方差根據(jù)水庫歷次調(diào)度情況分析可定為σ=0.01 m，水庫防汛限制水位317.50 m(黃海1985國家高程基準(zhǔn))。

2.4 風(fēng)險控制標(biāo)準(zhǔn)

洪水過程的風(fēng)險控制僅從水庫防洪風(fēng)險的角度，對風(fēng)險臨界值進行選擇，風(fēng)險臨界值參考美國墾務(wù)局1968年提出的水資源可靠性指標(biāo)的臨界值Φ0(β)作為標(biāo)準(zhǔn)。在水資源系統(tǒng)復(fù)合目標(biāo)的可靠性應(yīng)>60%，相應(yīng)的允許風(fēng)險率POF應(yīng)<20%。參照上述規(guī)定值，考慮多種行因素時可靠性>60%，陸渾水庫作為大(1)型水利樞紐，預(yù)報水平要求甲級水平，即有15%的非合格預(yù)報精度，故多因素分析時可靠性60%是可以接受的。用P0.01%來表示校核洪水多因素風(fēng)險臨界值，則對于萬年一遇多風(fēng)險率臨界值P0.01%=(1-60%)×0.01%=0.04×10-1%。

2.5 風(fēng)險評價

采用蒙特卡羅方法和水庫調(diào)洪調(diào)度相耦合的方法進行風(fēng)險評價。風(fēng)險控制目標(biāo)為壩前水位低于331.80 m(黃海1985國家高程基準(zhǔn))，計算得出入庫洪峰流量14 700～17 100 m3/s，風(fēng)險率計算結(jié)果為：入庫洪峰流量14 900 m3/s時，風(fēng)險率P=3.93×10-3%；P≤P0.01%，故入庫洪峰流量14 900 m3/s滿足風(fēng)險率控制目標(biāo)?？紤]不確定因子對水庫防洪風(fēng)險的影響，確定陸渾水庫萬年一遇校核洪水過程入庫洪峰14 900 m3/s，此推求滿足防洪風(fēng)險的洪水過程。詳見表1。

表1 萬年一遇洪水過程結(jié)果對比表

3 結(jié)語

陸渾水庫在多年運行過程中由于周邊地理條件、泄水建筑物條件及調(diào)度條件等因素影響，可能導(dǎo)致其防洪標(biāo)準(zhǔn)有所變化，由此引起防洪風(fēng)險的變化?？紤]不確定因子增加防洪風(fēng)險，故確定在陸渾水庫遭遇入庫洪峰流量達(dá)到14 900 m3/s時，即可參照萬年一遇洪水過程進行防洪調(diào)度，降低水庫運行風(fēng)險。