陸渾水庫校核洪水防洪風險分析

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，是一座以防洪為主，結合灌溉、發電、供水等綜合利用的大(1)型水庫，水庫總庫容13.20億m3。水庫設防標準為：千年一遇洪水設計、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度中可能存在的風險對風險因子識別，確定主要風險因子，并建立風險估計函數模型完成風險因子量化，最后風險評價，確定滿足風險率要求的入庫洪峰流量進而確定洪水過程。構建萬年一遇洪水防洪風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險分析框架圖

基本框架：①典型洪水確定。結合水庫設計標準，確定研究的洪水過程為萬一遇洪水過程。②風險因子識別。采用事故樹法，根據風險因子識別方法對風險因子進行識別，確定主要風險因子為：泄流能力、水位～庫容、調度滯時、起調水位四類。③風險估計及風險因子量化。其目的主要是解決風險因子的概率分布，建立函數模型，完成風險因子量化。④風險評價。采用蒙特卡羅模擬方法與陸渾水庫調洪調度耦合的方法進行風險評價。假設風險目標與選定的風險因子直接存在某種函數關系，如公式：Y=f(X1，X2，…，Xn-1，Xn)，式中，Y：風險目標；X1，…，Xn：概率分布已知的風險因子；f：X與Y存在的某種函數關系。蒙特卡羅方法利用隨機數生成m組隨機變量(X1，…，Xn)的隨機數(x1i，x2i，…，xm-1，xmi)(i=1，m)然后按照函數關系f確定m組Y值yi,(i=1，m)(yi=f(x1i，x2i，..，xn-1i，xni)(i=1，m))，當m足夠大時可以得到與實際情況相近似的函數Y的概率分布及數字特征。在研究過程中(X1，…，Xn)表示有n個風險因子，f指一定的調度規則，Y表示調洪結果。當風險因子為調度滯時、起調水位、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 風險因子識別

主要針對水庫遭遇洪水過程時調度過程中可能出現風險因子進行確認。入庫洪峰流量風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；水庫設計及運行過程中水位～庫容的不確定性；水庫調度運用和泄水建筑物啟閉條件影響調度滯時和起調水位的不確定性。

2.3 風險估計

風險因子估計是風險分析的核心部分，主要是通過函數模型確定風險因子的概率分布。因此根據風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 泄流能力風險估計

2.3.2 水位-庫容風險估計

對于一座水庫，由于水庫發生洪水后產生的淤積、水庫庫區地形的改變、測繪水平和儀器精度的限制，最終會改變原始的水位～庫容關系，經統計庫容函數V(Z)符合正態分布，均值取設計值、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；X(Z)：設計水位-庫容函數；Z：水位；U：標準正態分布。

2.3.3 調度滯時風險估計

水庫調度基本程序為：洪水預報→調洪計算→制定調度方案→方案上報→接收上級調度指令→本級指令下達→執行結果反饋。由于調度環節的限制各個環節都具有不確定性，研究中調度滯時風險估計采用三角函數。隨機數x按下列公式計算：

(1)

式(1)中：r為0-1的均勻隨機數；x為三角形分布隨機數。

2.3.4 起調水位風險估計

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

2.4 風險控制標準

洪水過程的風險控制僅從水庫防洪風險的角度，對風險臨界值進行選擇，風險臨界值參考美國墾務局1968年提出的水資源可靠性指標的臨界值Φ0(β)作為標準。在水資源系統復合目標的可靠性應>60%，相應的允許風險率POF應<20%。參照上述規定值，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，預報水平要求甲級水平，即有15%的非合格預報精度，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險臨界值，則對于萬年一遇多風險率臨界值P0.01%=(1-60%)×0.01%=0.04×10-1%。

2.5 風險評價

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

表1 萬年一遇洪水過程結果對比表

3 結語

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度條件等因素影響，可能導致其防洪標準有所變化，由此引起防洪風險的變化。考慮不確定因子增加防洪風險，故確定在陸渾水庫遭遇入庫洪峰流量達到14 900 m3/s時，即可參照萬年一遇洪水過程進行防洪調度，降低水庫運行風險。