南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研究.docx

南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研究摘要：本文以风险理论为基础提出了先建立二维复合事件风险组合模型然后再进行两两组合逐步给出整个引水工程防洪风险的估算方法。并以河北省段为例对该方法进行了应用结果表明：南水北调中线工程河北省段的防洪风险大约为30年一遇左右其输水的安全性是有保证的这为南水北调中线工程的论证提供了有利的科学依据。关键词：南水北调工程交叉建筑物洪水防洪风险南水北调中线工程是由丹江口水库引水枢纽、输水总干渠和沿途省市供水区组成的大型调水工程跨江、淮、黄、海四大流域到达天津、北京线路全长1264km。南水北调中线工程是以解决京津及华北地区用水缓解水资源紧缺为主要目标[1]。南水北调中线总干渠沿线河流水系发达与大小近千条河流交叉。其左侧的太行山区和伏牛山区曾发生过“63.8”和“75.8”两场国内最著名的特大暴雨因此中线总干渠如遭遇超标准的特大洪水而使其中任一座交叉建筑物发生失事时则整个工程就可能受到影响以致被迫中断运行并且中线总干渠的走向几乎与所有交叉河流成正交或斜交之势而易受到洪水的冲击。可见该工程存在许多不确定性和风险因素特别是引水工程交叉建筑物的综合防洪风险问题传统的水文计算方法很难解决简单的概率叠加结果也使许多人怀疑该引水工程的可行性。对该问题一直争论不休至今尚未达成统一的共识。在南水北调工程即将实施之际对该问题的认识及评估已成为工程迫切需要解决的问题之一。1防洪风险估算模型的建立在南水北调工程中线总干渠上若有n个交叉建筑物其设计标准分别为P1、P2、…、Pn在暴雨和洪水同频率的基础上相应的设计洪水或设计暴雨分别为F1、F2、…、Fn则整个南水北调中线总干渠因交叉建筑物因超标准洪水出现而中断运行的风险为R=P{(F1>FP1)∪(F2>FP2)∪……∪(Fn>FPn)｝(1)可见为了推求上述组合事件的概率需要各交叉建筑物设计洪水或设计暴雨的n维联合概率密度分布函数f(F1F2…Fn)以及f(F1F2)f(F1F3)…f(F1Fn)f(F2F3)f(F2F4)…f(F2Fn)…等大量2至n-1维的联合概率密度分布函数。由数理统计学可知在各变量的概率密度分布函数f(F1)f(F2)…f(Fn)均属正态分布或对数正态分布时其联合概率密度分布函数f(F1F2…Fn)等才可能会有函数表达式。而实际上水文变量大都是偏态分布特别是暴雨和洪水。这样当n较大时在实际水文资料条件下是不可能推求出这些联合概率密度分布函数的。针对上述情况20世纪80年代初期开始人们为了解决多项因素共同作用下的风险计算问题不得不通过模拟技术求解数值解。由于受到计算能力的限制最初在保证计算精度的前提下如何减少计算机时就成为重点考虑的问题。因此BourgundU和CGBucher曾提出重点抽样法ISPUD(importancesamplingprocedureusingdesign)的模拟技术[2]。而其应用理论主要包括联合概率法、变量构造法和多元极值理论等其中变量构造法在分析问题前需要先确定所研究变量的函数表达式如JonathanAT曾把区域降雨量表达为其中m、ν是有关参数xj代表各雨量站的降雨量[3]。多元极值理论的依据是极值点过程理论其边际分布一般为标准Gumbel分布。实际降雨过程的复杂性及水文变量非标准Gumbel分布使变量构造法和多元极值理论的应用在水文风险计算上受到了很大的限制。为此朱元NFDA9等人曾探讨过二维复合事件的风险计算模型并用于分析南水北调中线工程的防洪风险问题[4]。冯平等人也曾研究过暴雨洪水共同作用下的多变量防洪计算问题[5]。但对于二维情况依据联合概率理论有p(F1∪F2)=P(F1)+P(F2)-P(F1∩F2)(2)其中(3)(4)及(5)式中f(x)和f(y)分别为两个交叉建筑物设计洪水或设计暴雨的概率密度分布函数按我国的防洪规范二者均采用PearsionⅢ型分布[6]即(6)及(7)而f(y/x)是暴雨或洪水的条件概率密度分布函数它是由两部分决定的：(1)在暴雨或洪水x条件下暴雨或洪水y的条件期望值E(y/x)它决定了这两个暴雨或洪水之间的关系；(2)在给定暴雨或洪水x下暴雨或洪水y在E(y/x)附近的离散分布情况它是因下垫面情况、暴雨时空分布等诸多不同因素综合作用的结果因此由中心极限定理可假定其近似符合正态分布即(8)如果有足够的暴雨或洪水资料(1)部分可以通过建立这两个暴雨或洪水的相关关系来确定；(2)部分是给定某