陆浑水库校核洪水防洪风险分析

韩明海，崔云龙，齐润利

(河南省洛阳市陆浑水库管理局，河南 洛阳 471003)

0 引言

陆浑水库修建于国家“二五”期间，位于黄河流域伊河支流的河南省嵩县境内，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电、供水等综合利用的大(1)型水库，水库总库容13.20亿m3。水库设防标准为：千年一遇洪水设计、万年一遇洪水校核，文章在分析过程中针对水库可能遭遇的万年一遇洪水过程与不确定因子组合，进行风险综合评价。

1 分析研究框架

首先确定典型洪水过程，然后进行针对水库调度中可能存在的风险对风险因子识别，确定主要风险因子，并建立风险估计函数模型完成风险因子量化，最后风险评价，确定满足风险率要求的入库洪峰流量进而确定洪水过程。构建万年一遇洪水防洪风险分析研究基本框架，如图1。

图1 基于不确定性校核洪水防洪风险分析框架图

基本框架：①典型洪水确定。结合水库设计标准，确定研究的洪水过程为万一遇洪水过程。②风险因子识别。采用事故树法，根据风险因子识别方法对风险因子进行识别，确定主要风险因子为：泄流能力、水位～库容、调度滞时、起调水位四类。③风险估计及风险因子量化。其目的主要是解决风险因子的概率分布，建立函数模型，完成风险因子量化。④风险评价。采用蒙特卡罗模拟方法与陆浑水库调洪调度耦合的方法进行风险评价。假设风险目标与选定的风险因子直接存在某种函数关系，如公式：Y=f(X1，X2，…，Xn-1，Xn)，式中，Y：风险目标；X1，…，Xn：概率分布已知的风险因子；f：X与Y存在的某种函数关系。蒙特卡罗方法利用随机数生成m组随机变量(X1，…，Xn)的随机数(x1i，x2i，…，xm-1，xmi)(i=1，m)然后按照函数关系f确定m组Y值yi,(i=1，m)(yi=f(x1i，x2i，..，xn-1i，xni)(i=1，m))，当m足够大时可以得到与实际情况相近似的函数Y的概率分布及数字特征。在研究过程中(X1，…，Xn)表示有n个风险因子，f指一定的调度规则，Y表示调洪结果。当风险因子为调度滞时、起调水位、泄洪能力、库容-水位4个不确定因素时与典型洪水组合，蒙特卡罗模拟过程如下图2。

图2 蒙特卡罗模拟流程图

2 基于不确定性的校核洪水过程确定

2.1 典型洪水选择

典型洪水采用1984年《陆浑水库保坝洪水补充分析报告》中频率分析法成果。万年一遇洪峰流量17 100 m3/s，1日洪量7.95亿m3，3日洪量14.56亿m3、5日洪量18.02亿m3。

2.2 风险因子识别

主要针对水库遭遇洪水过程时调度过程中可能出现风险因子进行确认。入库洪峰流量风险分析过程中基本事件包括：水力不确定性影响建筑物泄流能力的不确定性；水库设计及运行过程中水位～库容的不确定性；水库调度运用和泄水建筑物启闭条件影响调度滞时和起调水位的不确定性。

2.3 风险估计

风险因子估计是风险分析的核心部分，主要是通过函数模型确定风险因子的概率分布。因此根据风险因子分布的实际情况分别采用主观或客观分布进行估计。

2.3.1 泄流能力风险估计

2.3.2 水位-库容风险估计

对于一座水库，由于水库发生洪水后产生的淤积、水库库区地形的改变、测绘水平和仪器精度的限制，最终会改变原始的水位～库容关系，经统计库容函数V(Z)符合正态分布，均值取设计值、均方差σ取0.10V(Z)[]，按公式V(Z)=X(Z)+X(Z)×0.10×U计算，式中，V(Z)：实际水位-库容函数；X(Z)：设计水位-库容函数；Z：水位；U：标准正态分布。

2.3.3 调度滞时风险估计

水库调度基本程序为：洪水预报→调洪计算→制定调度方案→方案上报→接收上级调度指令→本级指令下达→执行结果反馈。由于调度环节的限制各个环节都具有不确定性，研究中调度滞时风险估计采用三角函数。随机数x按下列公式计算：

(1)

式(1)中：r为0-1的均匀随机数；x为三角形分布随机数。

2.3.4 起调水位风险估计

起调水位主要由调度原因引起，一般认为执行调度计划时实际起调水位在预期起调水位的合理范围内随机变化，风险估计服从正态分布，均值为观测水位值，均方差根据水库历次调度情况分析可定为σ=0.01 m，水库防汛限制水位317.50 m(黄海1985国家高程基准)。

2.4 风险控制标准

洪水过程的风险控制仅从水库防洪风险的角度，对风险临界值进行选择，风险临界值参考美国垦务局1968年提出的水资源可靠性指标的临界值Φ0(β)作为标准。在水资源系统复合目标的可靠性应>60%，相应的允许风险率POF应<20%。参照上述规定值，考虑多种行因素时可靠性>60%，陆浑水库作为大(1)型水利枢纽，预报水平要求甲级水平，即有15%的非合格预报精度，故多因素分析时可靠性60%是可以接受的。用P0.01%来表示校核洪水多因素风险临界值，则对于万年一遇多风险率临界值P0.01%=(1-60%)×0.01%=0.04×10-1%。

2.5 风险评价

采用蒙特卡罗方法和水库调洪调度相耦合的方法进行风险评价。风险控制目标为坝前水位低于331.80 m(黄海1985国家高程基准)，计算得出入库洪峰流量14 700～17 100 m3/s，风险率计算结果为：入库洪峰流量14 900 m3/s时，风险率P=3.93×10-3%；P≤P0.01%，故入库洪峰流量14 900 m3/s满足风险率控制目标。考虑不确定因子对水库防洪风险的影响，确定陆浑水库万年一遇校核洪水过程入库洪峰14 900 m3/s，此推求满足防洪风险的洪水过程。详见表1。

表1 万年一遇洪水过程结果对比表

3 结语

陆浑水库在多年运行过程中由于周边地理条件、泄水建筑物条件及调度条件等因素影响，可能导致其防洪标准有所变化，由此引起防洪风险的变化。考虑不确定因子增加防洪风险，故确定在陆浑水库遭遇入库洪峰流量达到14 900 m3/s时，即可参照万年一遇洪水过程进行防洪调度，降低水库运行风险。