哥倫比亞河條約評估中的洪水風險建模

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1 概 述

在對哥倫比亞河流域的大壩和水庫的洪水風險實施管理和水電調度方面，美國和加拿大一直遵循著哥倫比亞河條約以及相關的協議精神。條約環境的改變將影響美國大壩和水庫洪水風險管理的調度運行，以及美國對加拿大在水庫洪水調蓄方面的補償。

美國的相關機構(如美國陸軍工程師團(USACE)和邦納維爾能源管理局(BPA))正進行著一系列與哥倫比亞河條約評估相關的研究，以便給與條約未來有關的決策提供精確的信息支持。USACE主要是評估多種方案對洪水風險的影響，而BPA則是評估這些方案將會對水力發電產生的影響。上述機構主要受以下目的的驅使，對條約的修改進行評估，即洪水風險、水力發電和生態系統功能。同時，對其他工程效益的潛在影響也進行定性評價，包括航運、娛樂和供水。

哥倫比亞河條約評估的研究區覆蓋670 806 km2的哥倫比亞河流域，包括流域內的主要河流和支流。流域范圍包括加拿大的英屬哥倫比亞省和亞伯達省，以及美國幾個州的部分地區：華盛頓、俄勒岡、愛達荷、猶他、懷俄明和內華達。哥倫比亞河水系的總有效庫容量(包括加拿大條約的庫容)是614億m3，其中425億m3被授權給防洪系統控制：56座大壩專門用于發電運行，77個為多目標工程。

根據當前的條約執行狀況，在防洪調度方案下，加拿大有義務調度110億m3的水庫庫容(確保庫容)，以試圖顯著減少美國和加拿大的洪水破壞。美國有權調度附加的加拿大條約規定的庫容(待調用庫容)，對于待調用庫容來說，美國能調度的全部庫容量有252億m3。迄今為止，美國還沒有使用過待調用庫容。

哥倫比亞河流域有2種重要的徑流模式：

(1) 喀斯喀特山脈內東部的融雪徑流；

(2) 喀斯喀特山脈西面海岸集水區的降水徑流。

流域內大部分的年降水發生在冬季，在山區，降雪所占的份額最大。這部分水份在冬季以積雪保存下來，在春季和初夏以融雪水釋放。河流流量典型地在4月中旬開始上漲，在5月或6月初達到最大流量。大約60%的自然徑流量發生在5、6月和7月。該條約中所指的洪水調節庫容主要是關注的春季徑流，也是洪水風險管理的主要組成部分。

為結合發電調度進行洪水風險分析，開發和利用了幾個模型，包括一個先進的逐日水庫模擬模型。水庫建模利用了HEC-ResSim，該軟件由USACE的水文工程中心開發。哥倫比亞河流域的HEC-ResSim模型，能采用日流量為洪水損失定量化的水力學和經濟學模型提供數據。

開展了2個獨立的分析，以量化洪水風險和水電效益：確定性分析和概率性分析。確定性分析采用70 a的歷史水文資料(水文年1929～1998年)和17 a的人工合成生成的洪水水文過程。采用最新的調度預報技術進行季節徑流量預報及調整,以便于人工生成的17 a洪水水文過程的應用。選擇了能夠代表當前和未來的條約變化情況的調度方案。概率性分析利用了相同的HEC-ResSim模型和水文數據，但是采用了蒙特卡羅模擬，生成了5 000 a(事件)的調節后的徑流過程。對每個事件，均分析利用了歷史和人工生成水文數據的隨機取樣以及季節徑流量的預報。

2 建?？蚣?/h2>

在HEC-WAT流域分析建?？蚣苤?，最初開發了3個模型單元，如圖1所示。HEC-WAT模型整合并建立了河流系統洪水風險管理的多個功能模塊。HEC-WAT建?？蚣芸蛇M行水文、水力學、水庫和損害影響分析，通過整合，通?？捎糜谙到y各個方面的多個專有模型。這些模型單元用于模擬水庫調度(HEC-ResSim)，以追蹤哥倫比亞河系統的洪水路徑(HEC-RAS)，計算洪水后果，比如水利工程結構損害(HEC-FIA)等。

圖1 HEC-WAT模型框架

2.1 HEC-ResSim模塊

新的水庫模擬模塊HEC-ResSim具有用于整合現有的洪水和發電調度模型的主要功能，分別是USACE的AUTOREG和BPA的HYD-SIM。同時，還開發了2個HEC-ResSim模塊，即水電模塊和洪水模塊。用于水電模塊中的物理數據和調度目標與HYDSIM中當前反映的數據和目標一致；用于模擬工程運行以最小化洪水淹沒的洪水模塊，反映了當前AUTOREG模塊中、且被記錄在防洪調度方案協議中的物理數據和調度目標，洪水模塊包含36個工程，發電模塊包含51個工程。采用了一個專門的水庫建模序列，使模型能夠一起運行，以提出一個單獨的哥倫比亞河流域水庫系統調度的代表性方案。該序列包含于HEC-WAT建?？蚣軆龋环Q為CRT系統水庫模擬模型。

2.2 HEC-RAS

HEC-RAS水力學模型用于反映河流及現有水電與防洪工程在高流量期間的作用，因為高流量事件是洪水風險評估的重點。建立這些模型以確定水面高程(狀態)和流量的關系，以及識別洪水淹沒的范圍、深度和歷時。

通過比較水面高程與保護最高高程或堤防破壞曲線(水面高程與失效概率的關系曲線)，將水位-流量的關系整合到哥倫比亞河流域洪水風險分析之中，因而可以提供一個系統組分(如堤防、防洪墻、閘門)失效風險的評價方法。模型也計算了系統組分失效事件中破壞/高出的水文過程以及淹沒深度和范圍，并將它們作為HEC-FIA模塊中評估洪水損失的輸入。

2.3 HEC-FIA

HEC-FIA模塊包含財產清單、人口統計和水文方面的數據，模擬在淹沒區內一個具體洪水事件對結構內容、農作物和居民安全的影響。以HEC-RAS模塊的計算結果為輸入，HEC-FIA的計算結果以結構和內容損失以及農作物損失表示。對于單個洪水事件結果，則以美元損失計算。

3 確定性方法：洪水風險環境

USACE采用的方法已經從嘗試控制洪水并預測具體洪水的后果，轉變為承認和評估洪水事件所有相關關鍵因素的風險和不確定性，比如融雪時間、堤防性能和水庫調度。這種基于風險的方法承認不確定性和可變性總是存在于自然環境中，特別是河流系統中，并盡量設法應用可獲得的知識、工具和技術去評價與分析風險，并將風險告知大眾。

HEC-WAT模型生成一個整體框架，依次運行單個的模型和程序。通過建立一個通用的框圖(為HEC-WAT的基本構件)，使這些單個的模型組分得以協調起來。當使用HEC-WAT模型時，單個模塊的結果以及其他軟件和數據在程序結束時已經得到了整合。

HEC-WAT模型整合了流域范圍內的水庫模塊HEC-ResSim和水力學模塊HEC-RAS，以計算水面線和識別遭受破壞的堤防系統。將HEC-RAS模塊生成的深度網格傳遞給HEC-FIA模塊，該模塊再計算單個洪水事件的后果。整套HEC-WAT模型共享數據輸入和輸出，并且針對單獨的模擬洪水事件依次運行或半連續節點運行。HEC-WAT模型運行需要有一定長度的數據，在模型輸入(如徑流預報、水文和水庫調度)中才能反映較大的變異性，以響應高流量和低流量。

4 概率性方法：洪水風險環境

本研究的洪水風險評價部分是基于事件的參數取樣，用一個蒙特卡羅過程去評估不確定性的整個范圍，包括知識的不確定性和自然的變異性。在HEC-WAT模型中，該分析具有洪水風險評估的性質，模型由生命周期方法、基于事件的水文采樣以及情景和方案分析功能組成。

蒙特卡羅分析反映了用于確定洪水后果的參數(如水文、水力學、水庫調度和經濟數據輸入)的不確定性，同時計算洪水淹沒后果的期望值中包括經濟損失。

通過對綜合參數大量重復的采樣來進行蒙特卡羅分析，以在全流域的選定地點生成個體結構破壞和風險與性能的概率度量。用指標檢測當前和未來的調度情景。

4.1 FRA計算流程

洪水風險評估(FRA)計算選項允許隨機產生不同的輸入參數，也允許唯一事件或一個唯一的事件系列迭代運行，直到模型結果和經濟指標穩定。頻率風險分析涵蓋整個哥倫比亞河流域，但是損失的計算僅在模型的水力學和經濟邊界內(即經濟研究區域)。

HEC-WAT模型運行的一般次序是從HEC-ResSim模塊到HEC-RAS模塊，再到HEC-FIA模塊。當在HEC-WAT模型中定義一個FRA計算時，對一種方案產生一個模擬，模擬包含該方案所選擇的所有模塊。然后，一個生命周期時段被定義，它是與工程壽命相關的規劃分析期。對于一個給定的系統調度情景，通過對知識不確定性的抽樣進行蒙特卡羅分析，為流域模型設置參數，抽樣包括基于脆弱度曲線的堤防失效階段抽樣、基于經濟模型的參數值抽樣。這些抽樣得到的參數能夠模擬一次實現，或者一組共同涵蓋真實事件的自然變異性空間的模擬事件。一次實現開始于工程生命周期的一個單獨樣本，該樣本通過對用于填充生命周期洪水事件進行抽樣而產生。

堤防系統的性能和洪水特征決定了何時以及是否會發生堤防破壞。(在整個生命周期內)對每一個事件都基于洪水淹沒和相關的后果來計算其影響。最初的FRA建模(5000個事件)由10次實現組成，每次實現包括10個生命周期和50 a的水文與預報資料。

在洪水風險分析過程中，對水文、預報、堤防性能及單個模塊中的其他物理和經濟模型參數的不確定性進行抽樣，第一個實現由此開始。該實現一次產生一個生命周期，50個1 a的事件在第一個實現中抽樣。從第一個事件就開始對性能、經濟指標和其他相關系統單元進行追蹤。當第一個生命周期時段計算完成時，信息被存儲下來，一個新的生命周期事件被抽樣，開始下一個生命周期時段。一旦實現的最后一個生命周期到達，信息被保存，值被重設，開始下一個實現。

4.2 HEC-ResSim模塊的水文條件抽樣

洪水風險分析計算的第一步是水文抽樣，以產生上千種可能的季節洪水事件的實現。這些水文事件的實現被劃分為多個50 a的生命周期。水文抽樣建立起了FRA計算所需的水文信息。

帶有FRA計算的HEC-WAT模型包含2種水文抽樣算法。

(1) 相關概率曲線抽樣。這種算法通過關聯基于特定地點流量頻率曲線的洪峰抽樣，將這些洪峰與用戶選擇的水文曲線類型相結合，對每一個地點生成一個水文過程圖。抽樣的同時，保持由歷時數據推斷出來的洪峰頻率和結構中不同地點間的互相關。生成偽隨機數，設定相關系數，以進行流量頻率曲線和事件形狀的抽樣，產生足夠需要的流域層面的事件實現或生命周期。頻率關系中抽樣的基于誤差不確定性的獲取，首先是通過抽樣頻率曲線參數(均值和方差)，然后通過調整頻率曲線后的抽樣事件。

(2) “歷史/合成流域事件的抽樣”。這種算法是從歷史記錄期間的真實事件，加上一組人工合成事件進行抽樣。這些事件形成了一個“洪水集(Flood bucket)”，它在蒙特卡羅模擬中重復抽樣，以提供一組流域層面的洪水水文過程圖。通過以事件實際發生的頻率，或是以人工合成事件應該發生的頻率進行再抽樣，這種抽樣方法保持了洪水事件的頻率，同時，方法也保持了不同地點間洪水規模的互相關系數，意味著它利用了實際發生的流域層面的洪水事件，或是利用了水文學家相信能夠發生的被謹慎定義的合成事件。用于這種方法中的洪水集包含了N年記錄中每年的洪水事件。

4.3 HEC-ResSim模塊的預報抽樣

當從洪水集中選出一個事件時，必須從預報不確定性中進行一個隨機的預報抽樣，以用于事件的水文過程組。作為水文輸入的一部分，HEC-ResSim模塊需要融雪徑流量預報，以模擬水庫調度。這些預報一般在每月月初(或對某些地點每半月)做出，從1月1日到6月1日。因此，每年事件期在每一個預報點都有一系列的預報。預報存在相關的不確定性，預報誤差的抽樣在FRA計算中很重要。作為HEC-WAT模型的輸入，對每個事件預報試圖預測的實際量值必須明確， HEC-WAT模型配有FRA計算的水文抽樣編輯和相關的預報誤差統計。

徑流量預報存在不確定性，它可以用一個相關的概率分布來定義，一般是正態分布。因為所做預報盡可能是無偏的，假設每一個預報的均值就是預測的實際值。假定標準差是預報的標準誤差，它反映了預報技術(通常是預報方程發展的產物)。在歷史和人工合成系列中，每次預報的平均(實際)值都被存儲，且在HEC-WAT模型(包含對歷史和合成事件水文過程的FRA計算)中可獲取，對每一個地點和日期標準誤差也被存儲。作為考慮的眾多不確定性之一，當一個事件從洪水集中選出后，必須從預測不確定性中做一個隨機的預測抽樣，用于事件的水文過程系列。

4.4 用于非穩態模塊的堤防脆弱性曲線抽樣

在非穩態的HEC-RAS模塊中，對每個工程地點、每次實現進行脆弱性曲線抽樣，以獲取堤防失效的可能性。提出了一個算法，使對每個堤防系統的脆弱性曲線抽樣能作為一個插件在HEC-WAT模型中完成。用這個插件，一個0～1之間的隨機數可以定義失效高程，反過來，將其用在HEC-WAT模型中，又可以測試計算的狀態。

如果經HEC-RAS計算出的水面高程達到或超過了從脆弱性曲線抽樣得到的狀態，達到120 h，那么堤防就被認為失效，水將進入內部區域。如果水面高程被計算出高于堤防頂部，120 h的長度標準是不需要的。一旦在HEC-WAT模型中用FAR計算選項完成一次實現，重復這個抽樣過程，插件程序將用于提取這個堤防另一個失效狀態，以開始下一個實現。

4.5 風險交流的性能評價

風險交流是開放和雙向的有關災害和風險的信息和觀點的交換，引導內部和外部的利益相關者達成對風險的更好理解和對風險管理的更好決策。風險交流的目的是確保決策者、其他利益相關方和受影響的團體理解風險評估的過程，這樣做才能更好地投入到風險管理中，并對風險管理負責。

在HEC-WAT模型的FRA模塊對測試的每一個方案模擬完成后，就會產生一系列可能的風險和性能指標。這些指標包括年期望損失(EAD)、年超出概率(AEP)、保險(也稱條件不超出概率，CNP)和長期超出概率(LTEP)。這些風險和性能指標用于從風險和性能方面對方案進行比較。

(1) 年期望損失(EAD)。EAD等于所有可能損失的平均值，由對確認參數和相關不確定性的蒙特卡羅抽樣確定。大量的抽樣可以確保對產生一個損失頻率函數的估計，并且這個函數下面的面積是對EAD的一個充分定義的估計。水文抽樣人員通過執行FRA計算隨機生成抽樣洪水事件，以獲取每年融雪徑流事件中的自然變異性。

(2) 年超出概率(AEP)。AEP是指在整個模擬期間(10～50 a的生命周期)內,一個區域淹沒或超出高程閾值的年數的比例，是定義系統性能的一個關鍵要素。AEP是一個特定容量或目標高程在一個給定年份被超出的概率，對于堤防是失效或超出的概率。AEP包含對所有事件范圍的評估。當采用蒙特卡羅模擬時，似然性如AEP采用樣本比例或頻率進行估計。在利用FRA模塊計算期間，對不同的數據進行AEP計算，取決于是否利用了深度網格或CCP。

(3) 保險(條件不超出概率，CNP)。保險，也稱CNP，指假定在一個特定洪水事件下，一個特定目標(如堤防頂部)不被超出的指標。CNP是幾種工程性能指標之一，用于幫助風險交流。對目標高程，一個特定頻率的保險等于AEP小于特定概率的可能性。

(4) 長期超出概率。長期超出概率是USACE要求的另一個輔助風險交流的工程性能指標。它是

一個或多個洪水事件在一個特定的時期內出現的概率，或是目標狀態在一個特定的時期內被超出的可能性。計算時，直接利用雙正態分布。與AEP在同樣的地點計算10 a、30 a和50 a時期的LTEP，計算方程如下：

LTEP=1-(1-AEP)n

(1)

式中，AEP是年超出概率;n是時段長度。LTEP的計算是確定性能測度過程的最后一步，性能測度將用于比較方案，將風險傳達給決策者和公眾。

5 結 語

為滿足哥倫比亞河條約2014/2024評估的總體目標，開發了一系列模型，以反映哥倫比亞河系統的洪水風險管理和水力發電狀態，而且將這些模型整合到HEC-WAT模型中。HEC-WAT模型框架通過將通常用于系統各方面的特定模型整合起來，以執行對水文學、水力學、水庫和損失影響風險的模擬計算。同時提出了確定性和概率性的方法，以量化洪水風險和發電效益。這個具有綜合性且復雜的HEC-WAT模型系統，正被用于研究大量未來可能的各種調度方案對洪水風險和水力發電將會造成的潛在影響。