南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研究201310303104143287.doc

南水北调中线总干渠防洪风险评估方法的研究 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{(F1FP1)∪(F2FP2)∪……∪(FnFPn)｝ (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(F1,F2,…,Fn)，以及f(F1,F2),f(F1，F3)，…，f(F1，Fn),f(F2,F3),f(F2，F4)，…，f(F2，Fn),…，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(F1，F2，…，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，Bourgund U和C G Bucher曾提出重点抽样法ISPUD(importance sampling procedure using design)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Jonathan AT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]。 2??实际应用????本文将以南水北调中线总干渠的河北省段为例，来分析论证引水工程总干渠防洪风险的估算方法。南水北调中线工程总干渠自河南省安阳市丰乐镇西进入河北省后，基本沿太行山东麓和京广铁路西侧北行，途径河北省22个县(市)和石家庄市(郊)，于涿州市西潼村北穿北拒马河中支进入北京市境内，在河北省境内线路总长461km。并且在河北省境内穿越大小河沟201条，无明显天然河沟的坡水区36处，共计237条(处)。2.1??沿线暴雨、洪水一致区的划分与确定??对于河北省段的237条(处)交叉河流，由于很难收集到每个交叉河流的洪水或暴雨资料，因此采用了划分暴雨、洪水一致区的方法，并假定每个一致区内的暴雨和洪水是同频率的。中线工程总干渠河北省段的237条大小交叉河流，除滹沱河、沙河(北)、唐河、拒马河上游部分山区外，均处于较大或特大暴雨的笼罩范围内。另外，根据历史暴雨洪水资料统计，中线总干渠河北省 段滏阳河中上游山区和大清河中上游山区有两个明显的高值区，同时铭河流域、磁河与沙河之间的坡水区及北易水与拒马河之间的坡水区为相对低值区，说明总干渠沿线各河之间的暴雨洪水有明显的相关程度，即明显的区域一致性特征，具备了划分总干渠沿线暴雨、洪水一致区的基本条件。这样，根据统计的历史暴雨分布特点，并考虑交叉建筑物工程结构和设计标准的不同，把总干渠河北省段沿线划分成了32个暴雨、洪水一致区，在每个区域内选定了相应的典型雨量站。2.2??相邻暴雨洪水一致区之间的相关特征分析??针对初步所划定的32个暴雨洪水一致区的114个典型雨量站，从海河流域水文年鉴和水文数据库上查得了各典型雨量站的暴雨系列资料。考虑到各交叉河流的汇流特征，是以年最大24h暴雨为代表系列。该点暴雨系列的最大长度是从1950～1997年共计48年，最短长度为1962～1997年计36年。