水利工程调度过程面临的风险因素与规避方式

唐天勇

(新疆生产建设兵团第一师沙井子灌区水利管理处，新疆 阿克苏 843000)



水利工程调度过程面临的风险因素与规避方式

唐天勇

(新疆生产建设兵团第一师沙井子灌区水利管理处，新疆 阿克苏 843000)

水库调度风险管理是针对大型控制型水库的重要系统问题，它目标繁多且系统规划复杂，拥有自身独立的风险评价指标体系和决策系统，也能够实现对风险的控制与处理，是促进大型流域地域生态环境与社会经济可持续发展的重要保障。文章探讨了人工弯道式引水枢纽、AMCM两种水利枢纽的调度风险分析及规避方式，以此来强化水库的水利调度系统，尽可能的实现大型水库的长期安全运营，并对于其调度风险管理工作重要意义。

水利工程；调度；风险估计；AMCM；人工弯道式引水枢纽

1 人工弯道式引水枢纽风险调度研究

人工弯道式引水枢纽是大型灌溉及引水枢纽工程在大型流域中最重要的风险调度方式，它利用人工在天然河道中修筑导流弯道，让其产生横向环流，让水流在弯道内产生离心力，区分清水流向凹岸，而让泥沙随底层水流流向凸岸。该方法利用到了弯道环流原理，实现了正面引水、侧面排沙的布置形式，避免了大量泥沙入渠，还能起到取水防沙的作用，在我国已被大部分水利枢纽工程所广泛采用，实现了生产与防护两不误。

1.1 弯道式引水枢纽工程的实践概述

弯道式引水枢纽工程可以保证区域性农业用水的持续供应，具有较大的分流比，同时它也具有较好的防沙效果，在长期应用实践中已经被得到了证实。但实际上，它也存在一定缺陷，比如如果人工弯道流域带过宽，就会出现大面积的淤泥沙阻塞，让水利枢纽中的清水水流不能顺利流入凹岸，无法形成有利于农田灌溉和水利供应的横向环流。而同时渠道中由于积累了大量的粗质泥沙与卵石也影响了人们的取水生产生活。久而久之，水利枢纽的排沙闸下游就会出现严重的河床淤积状况，整个排沙路都会因此受阻，最后甚至会将水利枢纽工程的排沙闸闸低完全掩埋，导致枢纽的彻底失效。

对人工弯道式引水枢纽实施改进，将泄洪闸与溢洪堰完全上移到弯道首端凸岸处，这种对水利枢纽建筑布局的修改可以为人工弯道式引水枢纽开拓新的环境，带来更好的引水防沙效果，从而为建立大引水流量的渠道奠定基础[1]。

1.2 人工弯道式引水枢纽的布置形式分析

人工弯道式引水枢纽工程是一个复杂的大型体系，它包含了枢纽上游引水弯道整治段、溢洪堰、泄洪闸、进水闸、冲沙闸以及下游河道整治段。

1.2.1 上游引水弯道整治段

上游引水弯道整治段就是水利枢纽的上游段，它根据所在河流流域的水量变化与分流比来设计整治段流量。一般来说，在人工弯道内要形成环流，才能实现对弯道中砂砾石及淤积淤泥的有效冲刷，保证长期的引水顺畅。但是人工弯道不能过宽，因为过宽会造成弯道上游的大量淤积，导致导流堤出现全线崩溃的状况。因此在设计弯道流量时，应该根据所在河流流域的特征来设计，例如采用较为稳定的河床公式来计算上游枢纽整治段的稳定坡降、曲率半径及整治宽度，通常来讲弯道的长度不应该小于6～7倍于上游整治段的宽度。另外，人工复式断面也可以控制弯道流量，使整个枢纽归槽形成稳定的横向环流。

1.2.2 进水闸与冲沙闸

进水闸与冲沙闸一般设置在人工弯道的尾端，前者靠近凹岸而后者位于凸岸位置。冲沙闸底高程被确定后，就可以依据进水闸在流域的引水比例来考量引水后下游河道可能出现的淤积效果，如果洪水冲沙闸底板被掩埋影响，就要调整冲沙闸底板向上直至高出原河床高度的0.5～3m左右，缓解流域上流由于纵坡过缓而导致的环流作用度降低问题。另一方面，冲沙闸在洪水到来时可以兼修泄洪闸的工作，比如说当冲沙闸加高以后，就可以利用洪水实现对弯道内淤积泥沙的冲刷。而在下游，冲沙闸则不能采用消力池这样的消能工程，而是应该选择在枢纽的段护坦末端设置深层隔离墙来防止洪水冲击。

1.2.3 下游河道整治段

而在下游河道，也要防止闸下河道出现淤积现象，应该考虑适当的缩窄河道，以便于提升河道的输沙能力，让淤泥等物质能够被输送到远处，不影响水利枢纽的横向环流。在下游河道整治段，它的长度应该不小于下游稳定河槽宽度的两倍，这样才能保证它的输沙量达到原来的4～6倍。

1.3 人工弯道式引水枢纽的管理及应用

对引水枢纽工程的管理应用一定要正确合理才能起到引水防沙、规避风险的效果，本文介绍了以下3种应用方式。

1)确保闸前环流的稳定形成，根据环流形成的程度来合理开关闸门，让流域中的主流集中到进水闸与冲沙闸中间，形成孔闸泄流量大于其它各个闸孔的趋势。

2)尽量减小闸前弯道的有效宽度，保持弯道凸岸原宽过大的引流通道缩窄60%左右，确保主流水流可以固定于凹岸之内。

3)要将枢纽的间歇集中于冲沙和连续泄洪冲沙之间，保持冲刷期大于2～3d，且每天冲刷4h以上。也可以考虑采用可见间歇式集中冲沙形式来节约水量，同时也提高冲沙效率[2]。

2 AMCM水库风险调度研究

AMCM(Advanced Monte Carlo Method)即传统蒙特卡洛风险调度管理的改进方法，它能够解决大型综合水库在调度系统方面所面临的各种问题，比如风险评价与调度等等。AMCM作为改进版，它的主要思路有两方面：①它是将传统蒙特卡洛风险调度方法的系统仿真确定性与处理方式改为不确定性的处理方式，并成功引入了不确定因素进行处理分析，这种做法充分体现了系统的真实性。②在系统输出统计分析过程中，完全引入并简化了分布函数的求解过程，从而加快了风险评价指标求解方式与模型收敛速度，图1为基于蒙特卡洛改进方法的风险估计流程图。

图1 基于AMCM系统风险估计方法的风险评估流程图

2.1 基于AMCM方法的风险估计分析

从上图1可以看出，对大型综合水库调度系统的风险估计要从不确定因素，即风险因子的选取和连续变量分布方面寻找突破点，解决问题。一般来说可以利用少量的已知信息来进行分析并确定，所以本文选择了最大熵这一方法来测算水库调度风险因子以及其特定变量的概率分布。最大熵的求解方法是超然的，它可以在数据不充分的情况下求解，而且它也可以加速风险估计的节奏，且所预测信息相对准确，实现了对风险未知变量分布形式的快速确定。而且最大熵法对原有的蒙特卡洛方法进行了风险估计流程的改进，如下：

首先，假设A={X1,X2,……,Xk}为系统风险指标集z，其中K表示集合A中的风险因子个数，所以可依照系统工程学的实施原理，来为水库可能风险进行风险调度模型描述，即：

z=g(X1,X2,…,Xk)

(1)

其次，按照风险因子变量X1(i=1,2,…,K)的分布规律，采用分布函数随机数的生成方法进行对应随机样本的计算分析，并从z公式中得到z样本zj：

zj=g(x1,x2,…,xk)(j=1,2,…,n)

(2)

再者，在z的可行范围内做等间距离散点，离散点数量为n，分别用z1,z2,…,zn表示，就可以得到f1(z)与f2(z)两者间的最大距离D应该为：

D=max|f1(zi)-f2(zi)|

(3)

假设ε为求解精度，如果D<ε，那么就可以计算水库调度的风险指标值为：

(4)

式中：F为Z的概率分布函数，而z0则为z的安全上限。

2.2 利用AMCM方法建立水库泄洪风险估计模型

水库风险调洪计算相当复杂，应该按照所确定的防洪调度规则来选择采用恰当的计算方法，这其中就存在许多来自于洪水过程、水文条件以及水库泄洪能力的不确定性。本文基于AMCM方法为水库泄洪风险调度建立了模拟模型：

(5)

(6)

式中：ZH就表示水库大坝的安全水位；h(z)表示了最高调洪水位的密度函数。

2.3 基于风险调度模型求解的水库泄洪风险计算

因为水库洪水调度中的全部调洪过程都要涉及到各种不确定因素，所以调洪计算函数很难通过拟合过程获得，即使利用调洪计算函数，也可能存在精度和具体模型方面的巨大误差，所以本文就采用了改进后的蒙特卡洛AMCM方法俩进行计算分析。

[Qij](i=1,2,…,n;j=1,2,…,mi)

(7)

式中：mi就表示第i场洪水所经历的时间，将上述公式改进得到制定频率p就可以列出演变后的过往洪灾资料公式为：

(8)

经过计算发现调洪演算指数为si(i=1,2,…，n)时，就可以选取：

[s1,s2]=[min(si),max(si)]

(9)

z=E(zh)

(10)

通过上述计算得到z的样本为{z1,z2,…,zn}，所以基于AMCM方法对上述步骤进行概率分度保密度的解析，它的表达公式应该为h(z)。因此，当水库大坝的安全水位为ZH时，依据z的分布密度h(z)就可以得出水库大坝的泄洪风险率值为：

(11)

也就是说，当水库发生千年遇洪水时，它的水库坝顶高程风险率可以通过这一公式来计算，从而得出各种不确定因素在共同作用下所呈现的数据结果。一般而言，水库调度风险其一来自于调水位时洪汛限制水位附近的波动，其二来自于洪水过程中的诸多不确定因素，因此主要要依据这两点因素来考虑水库的风险调度管理设计，精确洪汛模拟模型所演示过程，进而达到规避风险的目的[3]。

3 基于AMCM水库风险调度理论的水库泄洪风险算例分析

3.1 计算过程分析

本文选取了淮河流域的X水库进行算例分析，该水库大坝在校核洪水频率方面数值为p0=0.001，而大坝的坝顶高程ZH=130m。本计算过程采用了该水库从1990—2013年23年的洪水事件资料，并利用随机模拟模型的方式来计算评价水库在发生频率p为p0的洪水时水库的泄洪风险率。根据已有历史资料来分析，可以得到X水库的最大、最小洪峰消减系数应该为：sl=0.25，s2=0.50，根据大量水库调洪模型的计算与模拟生成可以得到基于样本z的数据直方图，如图2。

图2 基于水库调洪模型模拟生成的z样本数据直方图

如图2，如果z的模拟样本数量超过800时，它的密度函数变化就会减缓，比如说当z模拟100与模拟10000时，当z的模拟样本超过800时，它的模拟密度函数与10000几乎一致。因此，就可以得出基于密度函数的模拟样本表达式：

h800(z)=exp(210650.135-6642.190x+78.380x2-0.410x3+0.008x4)

h(z)=exp(248050.500-7842.387经+92.820x2-0.489x3+0.001x4)

图3为密度函数h(z)与其分布函数H(z)的函数图形对比图：

图3 密度函数与其分布函数的函数图形对比图

根据上述算例可得知，如果X水库发生1000a一遇的洪水时，3.57%就是超过其水库设计坝顶高程预计的风险率，当然，水库的风险也来自于各方的不确定因素共同作用，必须通过分析来得出其最主要的原因，比如说由初始起调水位所造成的汛限水位波动，或者是由洪水过程的不确定性所造成的风险，这就需要对洪水讯息进行模拟，并同时基于典型洪灾对水库所产生的危害影响而进行相应设计。

3.2 计算结果分析

基于AMCM的模拟计算对比：根据统计学理论，假设模拟次数为n，通过经验分布函数sH(z)估计理论来设计分布函数H(z)，然后进行计算：

PR=P(z>ZH)=P(z>130)=3.57%

(13)

依据上式可见得，模拟次数在增加过程中，PR也会逐渐朝着分布函数H(z)的对应值逐渐靠近，而且其附近的波动游走率也会逐渐减小。当模拟次数达到10000次时，计算结果就基本能够达到AMCM800次模拟时所应有的计算水平。

根据随机模拟方法与本文所提出的AMCM理论对分布函数的拟合效果进行分析。根据分布函数的特点，本文所采用的是柯尔莫哥洛夫检验法，即Dn检验法。基于上述的X水库案例，本方法采用了随机模拟计算首先得到n=50个坝前最高水位z的数据样本，并根据z样本进行从小到大排列，并得到z’，然后计算H(z′(i))。如果n=50，就可以一次计算(i-1)、n，可得下式：

Dn=maxδ=0.1760

(13)

如果显著性水平α=0.01,那么就可以推算出Dn的值，经计算D50=0.2003>0.1760。所以这就说明基于AMCM理论模型所得到的X水库坝前水位分布和模拟计算的分布显著性水平α=0.01具有一致的分布性。

4 结 语

本文基于人工弯道式引水枢纽和改进式蒙特卡洛AMCM模拟方法探析了水库运行过程中各种风险因素的预防和规避方法，明确了水库调度风险管理研究的复杂性、规模性、多目标性和非线性。它可能涉及多个学术领域，需要在操作过程中全面考虑风险因素发生的可能性及其危害性的大小。由于现代人类对水库风险的规避技术还不够成熟，还不能做到对风险调度方案的精确评价处理，所以基于水库安全运营的风险调度管理还将是未来很长一段时间人类需要深入研究的重大课题。

[1]王庆,郭德发.新疆人工弯道式引水枢纽的设计与运行[J].人民长江,2004,35(01):13-14.

[2]张验科.综合利用水库调度风险分析理论与方法研究[D].北京：华北电力大学,2012.

TV87

B

1007-7596(2016)08-0169-02

2016-06-21

吴事陆(1980-)，男，辽宁朝阳人，工程师，研究方向为水利水电工程设计、水利工程施工、污水处理等。