南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研究

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1、南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研宄摘要：本文以风险理论为基础，提出了先建立二维复合事件风险组合模型，然后再进行两两组合，逐步给出整个引水工程防洪风险的估算方法。并以河北省段为例，对该方法进行了应用，结果表明：南水北调中线工程河北省段的防洪风险大约为30年一遇左右，其输水的安全性是有保证的，这为南水北调中线工程的论证提供了有利的科学依据。关键词：南水北调工程交叉建筑物洪水防洪风险南水北调中线工程是由丹江口水库引水枢纽、输水总干渠和沿途省市供水区组成的大型调水工程，跨江、淮、黄、海四大流域到迗天津、北京，线路全长1264km。南水北调中线工程是以解决京津及华北

2、地区用水，缓解水资源紧缺为主要目标［1］。南水北调中线总干渠沿线河流水系发达，与大小近千条河流交叉。其左侧的太行山区和伏牛山区曾发生过“”和“”两场国内最著名的特大暴雨，因此，中线总干渠如遭遇超标准的特大洪水而使其中任一座交叉建筑物发生失事时，则整个工程就可能受到影响，以致被迫中断运行，并且中线总干渠的走向几乎与所有交叉河流成正交或斜交之势而易受到洪水的冲击。可见，该工程存在许多不确定性和风险因素，特别是引水工程交叉建筑物的综合防洪风险问题，传统的水文计算方法很难解决，筒单的概率叠加结果也使许多人怀疑该引水工程的可行性。对该问题一直争论不休，至今尚未达成统一的共

3、识。在南水北调工程即将实施之际，对该问题的认识及评估，已成为工程迫切需要解决的问题之一。1防洪风险估算模型的建立在南水北调工程中线总干渠上，若有n个交叉建筑物，其设计标准分别为Pl、P2、…、Pn，在暴雨和洪水同频率的基础上，相应的设计洪水或设计暴雨分别为FI、F2、Fn,则整个南水北调中线总干渠因交叉建筑物因超标准洪水出现而中断运行的风险为U(Fn>FPn)}R=P{(F1>FP1)U(F2>FP2)U可见，为了推求上述组合事件的概率，需要各交叉建筑物设计洪水或设计暴雨的n维联合概率密度分布函数f(Fl，F2,…，Fn)，以及f(Fl，F2),f(Fl，F3)

4、，…，f(Fl,Fn)，f(F2，F3)，f(F2,F4)，…，f(F2，Fn)，…，等大量2至n-l维的联合概率密度分布函数。由数理统计学可知，在各变量的概率密度分布函数f(Fl)，f(F2),…，f(Fn)均属正态分布或对数正态分布时，其联合概率密度分布函数f(F1,F2，…，Fn)等才可能会有函数表达式。而实际上，水文变量大都是偏态分布，特别是暴雨和洪水。这样当n较大时，在实际水文资料条件下是不可能推求出这些联合概率密度分布函数的。针对上述情况，20世纪80年代初期开始，人们为了解决多项因素共同作用下的风险计算问题，不得不通过模拟技术求解数值解。由于受到计

5、算能力的限制，最初在保证计算精度的前提下，如何减少计算机时就成为重点考虑的问题。因此，BourgundU和CGBucher曾提出重点抽样法ISPUD(importancesamplingprocedureusingdesign)的模拟技术［2］。而其应用理论主要包括联合概率法、变量构造法和多元极值理论等，其中变量构造法在分析问题前，需要先确定所研究变量的函数表迗式，如JonathanAT曾把区域降雨量表达为其中m、v是有关参数，xj代表各雨量站的降雨量［3］。多元极值理论的依据是极值点过程理论，其边际分布一般为标准Gumbel分布。实际降雨过程的复杂性，及水文变

6、量非标准Gumbel分布，使变量构造法和多元极值理论的应用，在水文风险计算上受到了很大的限制。为此，朱元NFDA9等人曾探讨过二维复合事件的风险计算模型，并用于分析南水北调中线工程的防洪风险问题［4］。冯平等人也曾研究过暴雨洪水共同作用下的多变量防洪计算问题［5］。但对于二维情况，依据联合概率理论有p(FlUF2)=P(F1)+P(F2)-P(F1DF2)(2)其中(4)及(5)式中f(x)和f(y)分别为两个交叉建筑物设计洪水或设计暴雨的概率密度分布函数，按我国的防洪规范二者均采用Pearsionlll型分布[6],即(6)及(7)而f(y/x)是暴雨或洪水的

7、条件概率密度分布函数，它是由两部分决定的：(1)在暴雨或洪水X条件下，暴雨或洪水y的条件期望值E(y/x)，它决定了这两个暴雨或洪水之间的关系；(2)在给定暴雨或洪水x下，暴雨或洪水y在E(y/x)附近的离散分布情况，它是因下垫面情况、暴雨时空分布等诸多不同因素综合作用的结果，因此由中心极限定理可假定其近似符合正态分布，即(8)如果有足够的暴雨或洪水资料，(1)部分可以通过建立这两个暴雨或洪水的相关关系来确定；(2)部分是给定某一暴雨或洪水x下，暴雨或洪水y的条件方差值oy/x，也可以通过实测暴雨或洪水资料估算。若暴雨或洪水资源有限，或上述正态分布的假定难以保证

8、，可以通过幂变换法等方法