南水北調(diào)中線總干渠防洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的研究

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1、南水北調(diào)中線總干渠防洪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的研宄摘要：本文以風(fēng)險(xiǎn)理論為基礎(chǔ)，提出了先建立二維復(fù)合事件風(fēng)險(xiǎn)組合模型，然后再進(jìn)行兩兩組合，逐步給出整個(gè)引水工程防洪風(fēng)險(xiǎn)的估算方法。并以河北省段為例，對(duì)該方法進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果表明：南水北調(diào)中線工程河北省段的防洪風(fēng)險(xiǎn)大約為30年一遇左右，其輸水的安全性是有保證的，這為南水北調(diào)中線工程的論證提供了有利的科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：南水北調(diào)工程交叉建筑物洪水防洪風(fēng)險(xiǎn)南水北調(diào)中線工程是由丹江口水庫(kù)引水樞紐、輸水總干渠和沿途省市供水區(qū)組成的大型調(diào)水工程，跨江、淮、黃、海四大流域到迗?zhí)旖?、北京，線路全長(zhǎng)1264km。南水北調(diào)中線工程是以解決京津及華北

2、地區(qū)用水，緩解水資源緊缺為主要目標(biāo)［1］。南水北調(diào)中線總干渠沿線河流水系發(fā)達(dá)，與大小近千條河流交叉。其左側(cè)的太行山區(qū)和伏牛山區(qū)曾發(fā)生過(guò)“”和“”兩場(chǎng)國(guó)內(nèi)最著名的特大暴雨，因此，中線總干渠如遭遇超標(biāo)準(zhǔn)的特大洪水而使其中任一座交叉建筑物發(fā)生失事時(shí)，則整個(gè)工程就可能受到影響，以致被迫中斷運(yùn)行，并且中線總干渠的走向幾乎與所有交叉河流成正交或斜交之勢(shì)而易受到洪水的沖擊?？梢?jiàn)，該工程存在許多不確定性和風(fēng)險(xiǎn)因素，特別是引水工程交叉建筑物的綜合防洪風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，傳統(tǒng)的水文計(jì)算方法很難解決，筒單的概率疊加結(jié)果也使許多人懷疑該引水工程的可行性。對(duì)該問(wèn)題一直爭(zhēng)論不休，至今尚未達(dá)成統(tǒng)一的共

3、識(shí)。在南水北調(diào)工程即將實(shí)施之際，對(duì)該問(wèn)題的認(rèn)識(shí)及評(píng)估，已成為工程迫切需要解決的問(wèn)題之一。1防洪風(fēng)險(xiǎn)估算模型的建立在南水北調(diào)工程中線總干渠上，若有n個(gè)交叉建筑物，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別為Pl、P2、…、Pn，在暴雨和洪水同頻率的基礎(chǔ)上，相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水或設(shè)計(jì)暴雨分別為FI、F2、Fn,則整個(gè)南水北調(diào)中線總干渠因交叉建筑物因超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)而中斷運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)為U(Fn>FPn)}R=P{(F1>FP1)U(F2>FP2)U可見(jiàn)，為了推求上述組合事件的概率，需要各交叉建筑物設(shè)計(jì)洪水或設(shè)計(jì)暴雨的n維聯(lián)合概率密度分布函數(shù)f(Fl，F(xiàn)2,…，F(xiàn)n)，以及f(Fl，F(xiàn)2),f(Fl，F(xiàn)3)

4、，…，f(Fl,Fn)，f(F2，F(xiàn)3)，f(F2,F4)，…，f(F2，F(xiàn)n)，…，等大量2至n-l維的聯(lián)合概率密度分布函數(shù)。由數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)可知，在各變量的概率密度分布函數(shù)f(Fl)，f(F2),…，f(Fn)均屬正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布時(shí)，其聯(lián)合概率密度分布函數(shù)f(F1,F2，…，F(xiàn)n)等才可能會(huì)有函數(shù)表達(dá)式。而實(shí)際上，水文變量大都是偏態(tài)分布，特別是暴雨和洪水。這樣當(dāng)n較大時(shí)，在實(shí)際水文資料條件下是不可能推求出這些聯(lián)合概率密度分布函數(shù)的。針對(duì)上述情況，20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始，人們?yōu)榱私鉀Q多項(xiàng)因素共同作用下的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算問(wèn)題，不得不通過(guò)模擬技術(shù)求解數(shù)值解。由于受到計(jì)

5、算能力的限制，最初在保證計(jì)算精度的前提下，如何減少計(jì)算機(jī)時(shí)就成為重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。因此，BourgundU和CGBucher曾提出重點(diǎn)抽樣法ISPUD(importancesamplingprocedureusingdesign)的模擬技術(shù)［2］。而其應(yīng)用理論主要包括聯(lián)合概率法、變量構(gòu)造法和多元極值理論等，其中變量構(gòu)造法在分析問(wèn)題前，需要先確定所研究變量的函數(shù)表迗式，如JonathanAT曾把區(qū)域降雨量表達(dá)為其中m、v是有關(guān)參數(shù)，xj代表各雨量站的降雨量［3］。多元極值理論的依據(jù)是極值點(diǎn)過(guò)程理論，其邊際分布一般為標(biāo)準(zhǔn)Gumbel分布。實(shí)際降雨過(guò)程的復(fù)雜性，及水文變

6、量非標(biāo)準(zhǔn)Gumbel分布，使變量構(gòu)造法和多元極值理論的應(yīng)用，在水文風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算上受到了很大的限制。為此，朱元NFDA9等人曾探討過(guò)二維復(fù)合事件的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型，并用于分析南水北調(diào)中線工程的防洪風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題［4］。馮平等人也曾研究過(guò)暴雨洪水共同作用下的多變量防洪計(jì)算問(wèn)題［5］。但對(duì)于二維情況，依據(jù)聯(lián)合概率理論有p(FlUF2)=P(F1)+P(F2)-P(F1DF2)(2)其中(4)及(5)式中f(x)和f(y)分別為兩個(gè)交叉建筑物設(shè)計(jì)洪水或設(shè)計(jì)暴雨的概率密度分布函數(shù)，按我國(guó)的防洪規(guī)范二者均采用Pearsionlll型分布[6],即(6)及(7)而f(y/x)是暴雨或洪水的

7、條件概率密度分布函數(shù)，它是由兩部分決定的：(1)在暴雨或洪水X條件下，暴雨或洪水y的條件期望值E(y/x)，它決定了這兩個(gè)暴雨或洪水之間的關(guān)系；(2)在給定暴雨或洪水x下，暴雨或洪水y在E(y/x)附近的離散分布情況，它是因下墊面情況、暴雨時(shí)空分布等諸多不同因素綜合作用的結(jié)果，因此由中心極限定理可假定其近似符合正態(tài)分布，即(8)如果有足夠的暴雨或洪水資料，(1)部分可以通過(guò)建立這兩個(gè)暴雨或洪水的相關(guān)關(guān)系來(lái)確定；(2)部分是給定某一暴雨或洪水x下，暴雨或洪水y的條件方差值oy/x，也可以通過(guò)實(shí)測(cè)暴雨或洪水資料估算。若暴雨或洪水資源有限，或上述正態(tài)分布的假定難以保證

8、，可以通過(guò)冪變換法等方法