雪野水库洪水风险管理研究

西安理工大学学报Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２０１０）Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．１　文章编号：１００６－４７１０（２０１０）０１－０１１１－０５　雪野水库洪水风险管理研究　

孙颖　，王云　，李其军。，腾丽梅４　（１．北京工业大学，北京１０００４４；２．邢台市污水处理厂，河北邢台０５４０００；　３．北京市水利科学研究所，北京１０００４４；４．中国石化工程建设公司，北京１００１０１）　

摘要：随着经济的发展和社会的进步，城市水资源缺乏的问题日益严重。运用漫坝风险分析理论，　综合考虑影响漫坝的洪水、风浪、库容、泄水能力四方面的不确定性，建立了雪野水库大坝对抗洪水　系列与风浪系列联合作用下的漫坝风险模型，对雪野水库漫坝安全做出评价。结合下游河道的泄　洪能力、淹没范围等具体情况，通过风险计算及分析比较，提出了相应的水库优化调度方案，使水库　在不增加工程投资的情况下，调蓄能力增加了１９８８万ｍ　，提高了水库的经济效益和社会效益。　关键词：洪水；漫坝；风险管理；水库调度　中图分类号：１ｖ６９７　文献标志码：Ａ　

Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｆｌｏｏｄ　Ｒｉｓｋ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｘｕｅｙｅ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ＳＵＮ　Ｙｉｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｙｕｎ　，ＬＩ　Ｑｉ－ｊｕｎ　，ＴＥＮＧ　Ｌｉ—ｍｅｉ　（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉｎｇｔａｉ　Ｓｅｗａｇｅ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｐｌａｎｔ，Ｘｉｎｇｔａｉ　０５４０００，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ；４．ＳＩＮＯＰＥＣ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｃｉｅｔｙ，ｔｈｅ　ｄｅｆｉｃｉｔ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｈａｓ　ｉｎｃｒｅａｓ－　ｉｎｇｌｙ　ａｒｉｓｅｎ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｃｉｔｉｅｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙ　ｔｈｅ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓ　ｏｆ　ｆｌｏｏｄ，ｗｉｎｄ，ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｓｔｏｒａｇｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ａ　ｒｉｓｋ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｏｆ　Ｘｕｅｙｅ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇ　ｒｉｓｋ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｇａｉｎｓｔ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ　ａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｆｌｏｏｄ　ｓｅｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｗｉｎｄ　ｗａｖｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｆｌ０ｏｄ　ｐｅｒｉｏｄ　ｔｈｅｒｅｂｙ　ａ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　Ｘｕｅｙｅ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｉｓ　ｍａｄｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｕｔｉｌｉｚｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ　ｔｈｅ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｆｌｏｏｄ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ）ｕｐｓｔｒｅａｍ　ｏｆ　Ｘｕｅｙｅ　Ｒｅｓｅｒ－　ｖｏｉｒ，ｓｏｍｅ　ｎｅｗ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ａｒｅ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃａｒｅｆｕｌ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｏｒ－　ｏｕｇｈ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ａｒｅａ　ｔｏ　ｂｅ　ｄｒｏｗｎｅｄ．Ｔｈｕｓ，　ｍｏｒｅ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｒｅｔｕｒｎｓ　ａｎｄ　ｓｏｃｉａｌ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｎｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｅｎｇｉ—　Ｂｅｅｒｉｎｇ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　１９．８８　ｍｉｌｌｉｏｎ　ｍ　ｉｎ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｌｏｏｄ；ｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇ；ｒｉｓｋ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　

雪野水库是一座以防洪为主，兼顾灌溉、工业供　水、发电、水产养殖、旅游开发等综合利用的大（Ⅱ）　型水库。水库设计洪水标准为１００年一遇，校核洪　水标准为５０００年一遇。为了充分利用水库来水，减　少弃水，水库希望以水库除险加固为契机，通过科学　的分析计算，在确保大坝漫坝安全的前提下，适当提　高雪野水库的兴利水位，最大限度地发挥水库的兴　利效益。为此，根据漫坝风险理论，建立雪野水库的　漫坝风险模型，计算水库大坝的漫坝风险值，根据可　接受的风险标准，对水库做出漫坝安全评价。同时，　在确保大坝漫坝风险安全可靠度高达９９．９９９％以　上的前提下，为了充分发挥水库的兴利效益，提出了　水库优化调度方面的技术性建议。　１　雪野水库漫坝风险模型与风险取值标　１，３－５］　１．１　雪野水库漫坝风险分析基本理论　１．１．１基本概念　漫坝是指坝前水位超过坝顶以致水流漫过坝顶　溢流而下的一种现象。设ｚ　是坝顶高程，ｚ（ｔ）代　表坝前水位，则漫坝失事条件为Ｚ（ｔ）≥ｚ　（这里ｚ　和ｚ（￡）单位相同，且具有相同的基准面）。　

收稿日期：２００９－０％２１　基金项目：北京市高等学校人才强教计划基金资助项目（Ｊ２０３１０１５２００９０１）。　作者简介：孙颖（１９７０一），女，辽宁沈阳人，副教授，研究方向为水力计算及风险管理。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｕｎｙｉｎｇ＠ｂｊｎｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。　ｌ１２　西安理工大学学报（２０１０）第２６卷第１期　漫坝风险是指在某一研究时段　（一般取为１　年）内，在规定的工作条件（设计工作条件）下，发生　漫坝失事的概率，即　（　）＝Ｐ（Ｚ（ｔ）≥Ｚ　）０≤￡≤Ｔ　（１）　１．１．２不确定性分析　不确定性又称随机性，它是随机数学中的一个　基本概念。在我们的研究中，洪水、风浪、水库库容　和泄流能力都被认为是随机变量。　１）洪水　雪野水库采用实测流量法求得的设计洪水成　果。经假设检验，雪野水库的各频率洪水满足尸　Ⅲ　分布，其设计洪峰、３日洪量的概率密度函数分别　为：　Ｑ）＝３．１９４０６９１×１０　（ｑ一９７．５２）ｍ　×　ｅ－９．４１６２５８５ｘｌＯ－４（Ｑ虮　（２）　日）：２．３０９１８１９×１０　。　日。・。　獬　×　ｅ－６．８５０４９４６ｘ１０－８Ｗ３Ｈ　（３）　２）风浪　对于土坝的漫坝风险而言，在洪水期间只有吹　向坝体的风能推波助澜，威胁漫坝，对漫坝分析来说　才是有效的，我们把它称为“漫坝有效风”。　根据雪野水库所在的莱芜市１９６１～２００７年汛　期６—９月吹向主、副坝体迎水面的最大风速及风向　资料，进行了统计分析，其中，选取主坝有效风４６　个，副坝有效风４０个。利用Ｋ－Ｓ检验和　检验，可　知主、副坝体承受的有效风系列，符合极值Ｉ型分　布。　３）库面积和库容　经统计，雪野水库库容函数　（ｚ）符合正态分　布，其均值取其测量值，均方差　取为０．１Ｖ（Ｚ），即　只要保证长度测量的相对误差不超过千分之一，则　取均方差等于０．１　（ｚ），便可保证计算得的风险偏　于安全方面。　４）泄水能力　雪野水库的泄流设施为溢洪道和放水洞，在统　计不同水位闸下相对泄流能力时，其随机性符合正　态分布，相对泄量离散点的９５％以上均分布在［１—　１０％，１＋１０％］之内；而相对闸下出流而言，自由堰　流的离散性较闸下出流为小。经过随机性数学统　计，取泄流能力的均方差为０．ｏ５ｑ。　１．２雪野水库漫坝风险模型　根据漫坝风险理论，在对雪野水库洪水、风浪、　库容和泄洪能力四个方面的不确定性进行分析后，　建立了水库漫坝风险模型：　Ｒ＝Ｐ（Ｚ（ｔ）≥Ｚ　）＝Ｐ（（　＋日ｌｍ　＋　ｅ＋Ｒ。）≥Ｚ　）　（４）　式中，　为对抗洪水系列和有效风系列联合作用下　的漫坝风险，ｚ０为迎汛库水位，日　为库水位由于洪　水产生的增加值，ｅ为水面风壅高度，　。为波浪爬　高，ｚ　为事先规定的临界高程。　当洪水事件［Ｑ㈠，Ｑ　］和风事件［　～　，　］同时　出现时，风险Ｐ　为：　Ｐ　＝Ｐ（（ｚｏ十月ｌｍ　＋ｅ　＋Ｒ　）≥Ｚ。）　（５）　于是，当对抗系列洪水事件和系列有效风事件　时，其总风险可表示如下：　

＝∑　Ｑ　）ＡＱ　∑Ｐ　（　）△　］　（６）　在上述公式中，水面壅高ｅ的均值按照相关规　范　计算；根据规范，一定风速情况下，引起的浪高　符合瑞利（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）分布，Ｒ。的分布函数可以表示　为：　

Ｆ（　）＝∑　（　）Ｐ　ｄ　＝　

∑　（Ｗ，）ｄＶ／，ｌ　（Ｒ　）ｄＲ　（７）　式中，Ｐ　是当风速位于区间［　一。，　］时，Ｒ　发生　的概率，　（　）是瑞利分布在区间［　一　，　］上的　概率密度函数。　水库调洪演算的随机微分方程可写成下式：　ｄＨ（　帮　¨　（８）　

ｔ４（ｔ０）＝ｎｏ　（９）　式中，刁为水库蓄水位均值，　（ｔ。）为　的初始条　件，　为水库的起调水位，　（ｔ）为行洪均值过程，　ｇ（Ｈ，Ｃ）为泄洪流量均值，它是库水位日及泄水建　筑物形式、尺寸、流量系数等水力要素ｃ的函数，　Ｆ（Ｈ）为库面积的均值函数，而　（ｔ）为维纳（Ｗｉｅ．　ｎｅｒ）过程。　通过求解上述方程，可得到在预先规定的界模　式条件下的漫坝风险值。　１．３临界模式与临界高程　临界模式是指式（３）中的临界高程ｚ。的取法。　

一般隋况下，有两种临界模式，第一种取土坝坝顶高　程或工程指定的防渗体顶高程，第二种取防浪墙顶　高程。　在本项研究中，对于主坝，取主坝的防渗体顶高　程２３７．６３　ｍ作为临界高程ｚ　，取主坝的防浪墙顶　高程２４０．５０　ｍ作为临界高程ｚ　。则第一种和第二　种情况下作用公式分别为：　ｇ（；Ｉｃ）＝２３７．６３一Ｚ—ｅ　（１０）