防洪安全风险评估

防洪安全风险评估（精选7篇）

防洪安全风险评估 篇1

洪水灾害是指降水造成的河水冲垮堤坝、淹没耕地、冲毁房屋或突发的山洪冲毁耕地、冲走人畜等现象[1]。洪水灾害是世界上危害最严重的自然灾害之一,自1974~2003年全世界共发生2156场洪灾,导致的死亡人数达206303人,影响的人群超过26亿人,造成的经济损失超过3860亿美元,约占同期所有自然灾害造成经济损失的1/3[2]。随着北京城市化进程的加快,高密集的城市资产分布使得北京市承灾体的暴露度增强,暴雨灾害导致的直接损失将增大,由于洪水灾害导致城市交通、商贸活动中断,使得以交通和经济活动等为主体的城市间接经济损失比重也不断上升。2012年7月21日,北京“7·21”暴雨造成的城市洪水灾害问题引起了社会对城市基础设施设防水平的广泛讨论,此次特大暴雨引发山区泥石流等灾害,对城市交通等造成了严重影响,导致至少77人死亡以及60000人被迫撤离,而直接经济损失估计约100亿元人民币。

防洪安全风险评估作为洪灾风险管理的重要技术基础,是风险分析在洪水灾害研究中的应用,属于技术方面的内容[3,4]。洪灾风险评估研究早在20世纪50年代就已经开始,迄今已有60余年的历史。近年来随着信息技术的兴起和发展,洪灾风险评估方法的研究进展迅速,洪灾风险评估与遥感(RS)、地理信息系统(GIS)等信息技术之间的联系非常紧密,GIS和RS技术为洪灾风险评估提供了完善的空间信息处理功能和良好的模型载入与区划效果展示能力[5,6,7]。本文以北京市山区为例,基于山区小流域分布数据、水系数据、高程数据、降雨数据等基础地理数据,依据防洪安全风险评估模型对山区小流域进行了防洪安全风险等级的初步划分,以期其风险评估结果对北京市山区小流域的防洪安全和灾害管理等方面提供应用支撑。

1 山洪灾害系统

1.1 系统组成

山洪灾害系统是一个相当复杂的系统过程,影响因素多种多样,涉及到自然、社会、经济等众多领域,不同类型的因素对风险演变的作用方式、范围和程度也不同,它们在时空尺度上交叉叠合,从而导致山洪灾害风险演变的复杂性和不可预测性[8]。孕灾环境、致灾因子、承灾体以及与洪灾风险之间的相互作用、相互影响、相互联系构成了山洪灾害系统[9]。其中,孕灾环境包括地质环境、水文气象环境,致灾因子包括暴雨、台风、地震等,承灾体包括人、工业、农业、森林等,山洪灾害系统组成如图1所示。

1.2 空间尺度与评估周期

从评估的空间尺度上看,山洪风险重点流域可分为市、区以及局部小流域三个常规空间尺度。本模型所涉及的空间尺度为山区小流域,其在具体评估业务工作的应用中具有一定的顺序性。在山洪灾害高发季节,定期将对全市尺度进行山洪灾害常规业务评估;当评估结果中有山洪灾害高风险区时,则选择高风险区所在的流域、区县等区域级别的范围进行区域尺度的风险评估;在对区域尺度进行评估之后,如有高风险区,也可进一步选择相应的局部小流域尺度进行风险评估。

从评估周期上看,北京市的山洪灾害风险评估将在山洪灾害风险高发期能每月发布风险评估。而山区的山洪灾害风险评估则是在全市风险评估的基础上,对于高风险区进一步选择相应的风险评估模型进行风险评估。对于典型小流域山洪灾害风险评估也是在全市或者区风险评估的基础上提取高风险区,并选择局地的评估模型进行风险评估。

2 研究区域及数据

2.1 研究区域

本文选择北京市山区范围作为研究区域,利用山区小流域防洪安全风险评估模型进行防洪安全风险评估工作。北京山区山坡陡峻,切割较深,沟源和支沟沟床比降大;山地岩石组成类型多样,岩性十分复杂,风化作用强烈,松散碎屑物质丰富;降水高度集中,往往以暴雨、大暴雨和特大暴雨等高强度的方式降落,形成山洪泥石流的群发,不仅在泥石流沟内及其沟口造成危害,而且还对主河道造成次生危害。因此,自然因素是导致北京山洪泥石流发生的基础和主要原因。据北京市水务局提供资料,北京山区共有山洪泥石流沟2280条,分布在房山、门头沟、怀柔、密云、平谷等7个区(县),涉及乡镇61个。相对于我国其他山区,北京山区人口较密集,一场较大范围的山洪灾害,往往造成众多人员伤亡。

北京市山洪灾害多发生在雨季。北京市降水年内分配不均和年际变化很大。据统计,北京市多年平均降雨585mm,汛期(6月~9月)雨量约占全年降水量的85%,汛期降水又常集中在7月下旬和8月上旬的几场大暴雨,极易形成洪涝灾害。北京地区暴雨中心多发区沿燕山、西山的山前迎风带分布,年降水量在650~700mm以上,其中枣树林、漫水河等地是特大暴雨发生地。由此向山前和山后逐渐递减到500mm左右。

2.2 研究数据

根据模型研究的需要和数据的实际情况,孕灾环境数据包括北京市水系数据、DEM数据;致灾因子数据包括北京市山区三天累积降雨指数数据和山区瞬时暴雨数据;承灾体数据包括北京市行政区划区界和县界数据、山区小流域分布数据、山区植被覆盖数据。具体数据列表如表1所示。

3 山区小流域防洪安全风险评估方法

3.1 风险评估模型

山区小流域防洪安全风险评估模型通过归一化的方法,选取降雨量指数、地形指数和河网密度指数作为评价因子计算北京市山区小流域防洪安全风险的危险性评价因子,计算出小流域防洪安全风险的危险性指数;与山区小流域分布数据叠加生成山区小流域防洪安全风险评估结果,具体模型如图2所示。

3.2 孕灾环境因子的计算

3.2.1 无洼地DEM数据计算

DEM作为重要的地形高程数据,是比较光滑的地形表面模型,但是由于DEM误差以及一些真实地形的存在,使得DEM表面存在一些凹陷的区域。在进行水流方向计算时,由于这些区域的存在,往往得不到合理的甚至错误的水流方向。因此,在进行水流方向的计算之前,应该首先对原始DEM数据进行预处理,即洼地填充,得到无洼地DEM数据。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地区域,并计算其洼地深度。然后,依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充,DEM洼地填充的处理过程如图3所示,每个步骤得到的结果如图4所示。

3.2.2 坡度因子计算

坡度工具用于为每个像元计算值在从该像元到与其相邻的像元方向上的最大变化率。实际上,高程随着像元与其相邻的八个像元之间距离的变化而产生的最大变化率可用来识别自该像元开始的最陡坡降。坡度值越小,地势越平坦;坡度值越大,地势越陡峭。通过无洼地DEM数据生成坡度图,并对坡度进行归一化处理并重分类,获得坡度因子。

3.2.3 流域面积标准差

地形的起伏状况对洪水的排泄也有较大的影响,地形起伏越小,地势越平坦,洪水不易排泄,发生洪灾的危险程度就越高。相反地形起伏越大,形成洪水的危险性也就越低,目前比较通用的算法是通过流域面积标准差来实现。流域面积标准差的计算过程是先利用五万地水流方向数据计算出汇流积累量,并完成河网提取和分级。然后,在集水流域面积计算结果基础上得到集水流域高程标准差和地形标准差,归一化处理后得到流域面积标准差。流域面积标准差处理过程如图5所示,每个步骤得到的结果如图6所示。

3.3 致灾因子的计算

降雨是山洪灾害的主要致灾因子。从季节看中国大部分地区的降雨主要发生在5月到10月之间,因此洪涝灾害也主要发生在这一时期。从北京山区范围上看评估当天降雨量及最近三天降雨量对洪涝灾害的影响最大,因此以这两者分别而成的降水量指数作为致灾因子指数参与风险评估。模型分为两种情况,一是三天累积降雨量,另一个是短时间突发暴雨。不同的降雨类型对结果的影响也不同。三天累积降雨中,植被、土壤等下垫面将发挥截流作用,一部分水被植被吸收或渗入土壤;而瞬时暴雨中,降雨量超过一个临界值下垫面则失去作用,两者的风险区划范围不同。

3.3.1 3d积累降雨数据

统计各个站点连续3d降雨的累积降雨量,将各站点连续3d降雨量累加求和。对小流域周围气象站点的降雨量数据进行克里金插值,模拟出小流域降雨量。与下垫面数据(植被覆盖数据)相叠加计算实际影响值,最后对降雨因子进行归一化处理,得到小流域3d积累降雨数据来参与模型运算。下垫面截流率如表2所示,三天积累降雨数据结果如图6所示。

克里金插值法的一般公式如下:

其中:Z(si)是si处获得的测量值;λi是第i个位置处的测量值的未知权重;s0为预测位置;N为测量数值。

降雨因子影响值的计算方法为:

降雨因子影响值=降雨量×(1-下垫面截流率)

3.3.2 瞬时暴雨数据

某一时间内段降雨量越大,其降雨强度就越大,发生山洪灾害的风险就越高,这里以1h内降雨量为降雨因子。统计各个站点某1h内的暴雨降雨量,对小流域周围气象站点的降雨量数据进行克里金插值,模拟出小流域降雨量;最后对降雨因子进行归一化处理,得到小流域瞬时暴雨数据来参与模型运算。

3.4 风险评估模型的计算

本模型利用权重叠加法和层次分析法确定风险因子的权重。权重叠加法是根据专业人员的先验知识,为参评因子按照贡献率的大小赋予相应的权重,将每个参评因子乘以它的权重值,最后将这些带权重的指标图层叠加,得到最后的结果。层次分析法根据各因子间的关系,理顺其组合方式和层次关系,据此建立系统评价的结构模型和数学模型;对模型的各种模糊性因子,根据它们对于影响对象或作用目标的评判确定量化指标或者标度指标,然后根据评价模型的需要,通过判断矩阵逐项或逐层得出各因子的权重或指标数值,最后计算出最高层次的评价标值。在山洪灾害系统风险评估中,影响灾害发生的系统性比较明显,可以采用隶属度或者其他模糊数学的方法进行评估,但就目前而言,应用比较多的是结合专家打分的层次分析法,因为经验在山洪灾害风险评估中起着很大的作用[11]。

在此基础上,根据计算所得的各评价因子分等定级所得的影响分值,结合权重,生成洪涝灾害风险综合指数。具体计算公式为:

其中,W1、W2、W3、W4、W5为各评估指标因子的权重,X1、X2、X3、X4、X5分别坡度指数、河网密度、流域面积标准差、沟谷密度、降雨因子。W1、W2、W3、W4、W5权重值分别为0.22、0.18、0.15、0.15、0.3。该权重值的确定是根据北京市各类指标的影响程度,通过专家咨询获得。

4 结果与分析

4.1 风险等级分析

根据以上山洪灾害风险模型的计算结果,将风险等级划分为5级,即高风险、中高风险、中风险、中低风险、低风险,不同的典型小流域因影响因子不同可划分成4个或者3个风险等级。高风险区域风险等级如表3所示。

4.2 实验结果

依据山区小流域防洪安全风险评估模型和风险等级的划分标准,对北京市山区典型小流域进行了3d累积降雨安全风险评估和1h瞬时暴雨安全风险评估,结果如图7所示。其中,山区小流域分布数据是北京市第一次水务普查的主要成果,是指根据水系、河坝、闸口等地物的分布,以10km2左右为单元,划分形成的汇水面积最小单元。本次实验的小流域包括房山区的曹家路小流域、椴木沟小流域、法城沟小流域等11个小流域。结果对该小流域的防洪安全风险给出了具体的区域划分级别,对于小流域内公共设施部署、产业布局等区域发展方面具有参考依据。

5 结语

本文以北京市山区为例,基于山区小流域分布数据、水系数据、高程数据、降雨数据等基础地理数据,依据防洪安全风险评估模型对小区小流域进行了防洪安全风险等级的初步划分。研究结果表明利用GIS技术完成城市山区小流域防洪安全风险评估工作,是一项可行高效的方案。由于社会属性实验数据的限制,在本评估模型中未加入道路、地下管网和承灾体数据,因此结果只反映自然气象因素对北京市山区防洪安全风险的影响。综上,全面多角度研究城市防洪安全风险,降低山洪可能给城市带来的损失对于城市建设和发展具有重要意义。

防洪安全风险评估 篇2

对于具体防洪对象的防洪风险极限状态, 应规定明确的极限标志和限值[1]。影响水库防洪风险率的主要随机因子是调洪最高水位Z和最高蓄水位dZ。而最高调洪水位Z及相应的防洪风险率是与水库的整个调洪过程联系起来的[2]。在水库调洪过程中, 存在着许多人们难以预料和控制的不确定性因素。这些因素有: (1) 水文不确定性, 主要是指入库洪水过程的不确定性; (2) 水力不确定性, 包括出库泄流能力的不确定和库容与水位关系的不确定性等方面因素。

2 实例

以黄河中上游的万家寨水库为例, 万家寨入库洪水分为两部分, 干流洪水受水库及河道调蓄的影响, 汛期洪水过程比较平稳, 基本上无不确定性。头道拐至坝址的河万区间为丘陵地区, 受地形的影响经常发生局地暴雨 (历时以24h为主) , 历史上坝址断面发生的最大洪水即产自该区间。河万区间仅红河放牛沟有实测资料, 控制面积占区间面积的61.7%, 河万区间洪水是将支流红河放牛沟站的洪水按面积比放大到区间。因此, 万家寨水库入库洪水过程随机模拟主要是针对河万区间洪水过程的模拟。

2.1 水文不确定性

区间洪水的不确定性是万家寨水库防洪的一个重要风险因子。采用河万区间红河放牛沟站实测洪水资料, 经选样放大后生成河万区间洪水过程, 再考虑与河口镇站干流洪水叠加, 形成万家寨水库汛期入库洪水过程。入库洪水计算式为

2.2 水力不确定性

万家寨水库水力不确定性重点考虑库容与水位关系及泄流能力两方面。调洪演算时主要采用1 5年淤积 (A 1) 、1 1年淤积 (A2) 、设计淤积平衡 (A3) 、现状2008年 (A4) 的库容曲线。对于泄流能力的随机模拟[2], 该次采用三角形分布并假定在任何水位下相应的泄流量计算的最大相对误差不超过±5%。

2.3 后汛期风险分析

9月1日~10月15日为流域后汛期。统计黄河干流和河万区间放牛沟站洪水资料, 10月份干流和河万区间洪水较少, 为抬高水库汛限水位创造了有利条件。由于后汛期缺少实测洪水资料, 无法如主汛期一般取出足够数量的原始样本, 通过随机模拟生成长系列的洪水过程。此情况下, 基于随机微分方程的水库调洪演算, 便可实现在设计洪水过程下固定洪水频率的防洪风险分析。首先在后汛期河万区间实测洪水资料中, 选取若干场典型洪水过程 (1966年、1969年、1970年、1971年) , 对其进行同频率放大 (放大为万年一遇洪水) 处理, 然后加上干流洪水, 作为入库洪水调洪计算。

从表1中可知, 1970年典型洪水对万家寨水库防洪最不利, 为充分考虑水文、水力不确定性对防洪的影响, 在汛限水位977m、15年淤积 (防洪最不利) 的库容曲线、泄流能力为设计泄流能力的0.95倍下, 特模拟100次1970年典型洪水的调洪演算, 调洪最高水位见图1。

从表1及图1可得出以下结论。

(1) 无论是汛限水位是977m还是974m, 4场典型洪水的万年一遇洪水, 其最高调洪水位为978.87m, 未超过979.1m。1970年典型洪水为防洪最不利洪水。

(2) 基于1970年典型洪水的汛限水位977m (考虑干流洪水预报来水为3 000m3/s) 方案, 模拟100次的调洪最高水位在977.88m~978.96m波动, 但未超过979.1m。调洪最高水位的波动性说明水文不确定性对万家寨水库后汛期防洪影响较为明显。

总之, 按拟定的汛限水位动态控制的调度原则进行调洪演算, 后汛期 (10月份) 适当抬高汛限水位 (974m或977m) 的方案, 在不增加防洪风险的前提下, 显著提高万家寨水库兴利效益和水资源利用率。

3 结语

该文建立了汛限水位动态控制的防洪调度风险分析模型, 以黄河中上游的万家寨水库为研究实例, 水库后汛期洪水样本较少, 基于典型洪水过程, 通过随机微分方程引入水文不确定因素, 调洪结果表明:水文不确定性对万家寨水库后汛期防洪影响较为明显, 在干流洪水预报可用的前提下, 后汛期汛限水位取974m或977m能显著增加万家寨水库后汛期的兴利效益。

摘要：汛限水位动态控制能在不降低水库防洪标准的条件下提高水库兴利效益和水资源利用率, 该文以万家寨水库为研究背景, 建立了汛限水位动态控制下的防洪调度风险分析模型。水库后汛期洪水样本较少, 基于典型洪水过程, 通过随机微分方程引入水文不确定因素, 采用基于随机微分方程的调洪演算分析防洪调度风险。实例结果表明:水文因素的随机性是万家寨水库后汛期防洪风险的主要影响因素, 得出了各汛限水位方案下的调洪最高水位。后汛期汛限水位动态控制, 可不降低大坝的防洪安全标准显著增加水库的兴利效益。

关键词：防洪调度,风险分析,随机微分方程,汛限水位

参考文献

[1]Xiang Li, Shenglian Guo, Pan Liu, et al.Dynamic control of flood limited water level for reservoir operation by considering inflow uncertainty[J].Journal of Hydrology, 2010 (391) :124-132.

[2]梅亚东, 谈广鸣.大坝防洪安全的风险分析[J].武汉大学学报:工学版, 2002, 35 (6) :11-15.

[3]姜树海.随机微分方程在泄流风险分析中的运用[J].水利学报, 1994, 3 (3) :1-8.

河道防洪安全及防洪堤稳定性 篇3

1 河道防洪安全现状

1.1 自然灾害难以预测

河道的防洪措施主要指针对为了防止洪水对河道的迫害进行的预防治理工作。但是近几年,污染严重,环境恶化所导致的洪水灾难问题频发。洪水以其周期长,强度大,速度快等严重的破坏性损害了我国河道设施,为防洪的建设增加了难度。洪水的来源方向难以预测,有时携带大量的泥沙,生活垃圾,化学金属等污染物体流进河道,造成河流的水体污染,给人类的生产生活造成影响;洪水的强度频次难以预警,洪水灾害的周期不被掌控,有的河道防洪建设无法承受长时大量的洪水侵蚀,发生滑塌等现象,对河流下游的居民造成影响。

1.2 科学预警水平缺失

任何事物的发生发展都有其相应的发展规律,与地震相比,虽然无法进行大面积的人工预测与人员转移,但是可以根据以往十年或者是二十年的洪水发生规律以及淹没面积,进行研究计算总结,对洪水的预警进行评估,分析设计洪水水量水位,从时长,周期,水量以及桥梁淹没高度进行全方位科学具体的分析估量,但是显然我国的科研技术条件达不到对洪水的发生进行科学的预警,在预警条件上存在着明显的不足[1]。

1.3 河道防洪技术落后

我国现如今呢采用建筑码头,修建拦水桥梁,铺设跨河管道和电缆,在河道周围修建墙砖壁垒,铺设泥沙以及修建防洪堤等方式进行防洪建设。但是这些防洪技术与设施存在着不足,无法真正的防止河道河流受到洪水的侵蚀。首先技术人员对洪水发生以及泄洪研究的经验不足,无法判断修建拦水桥梁的高度及宽度,风险预测能力不足,建立的目标不明确,浪费了建设的成本,造成人力物力资源的损失;防洪排涝的技术条件不足,导致蓄水能力减弱,再加上铺设大量的泥沙,导致河道水流的水质污染问题严重,水资源严重不足;防洪堤的抗洪抗震能力不足,工程建设的时间长,效率低,后期修缮工作不完备,导致防洪堤的稳定性无法的得到保证。

1.4 防洪管理机制不完善

虽然我国出台多项法律标准对河道的防洪治理工作有着明确的指示,但是防洪管理工作的缺失,管理机制的不健全使得防洪工作迟迟不能展开。管理人员缺少管理经验与手段,防洪工作施工前没有完善科学的防洪方案作为参考,施工的材料质量检测达不到标准,施工中对工人管理缺失,工人工作态度不端正,拖工,罢工的现象频发,竣工后,工程的质量得不到保证,没有制定合理的安排进行定期的人员看守和事故排查,缺少周期性的检测维修工作,洪水灾难和防洪工程隐患相伴而生,很可能造成重大的伤亡事故[2]。

2 防洪安全的改善措施

2.1 科学预警

平时注重培养防洪预警的科研人员,加强人才队伍的建设。防洪测险人员要注重以往洪水事故的规律条件,总结经验,根据洪水的发生周期,洪水水位的高低,含沙量的多少,桥梁被冲刷的高度等具体的数据,进行科学冷静的分析,做到科学预警

2.2 完善制度

制度的缺失很可能加重洪水的破坏性影响。管理人员提升自己的管理素质,对手下员工加强管理,端正其工作态度,认真监工,对施工中的每一种材料。每一个环节和步骤都要认真的检测和把关,避免工程施工中的错误。建立相关完善的管理机制,打造一个严肃科学的防洪安全系统,加强人们的防洪抗涝意识。

2.3 加强技术

防洪技术的建设在河道防洪安全中起到关键的作用,因此要加强防洪技术,提高防洪抗震的能力,加大对科技的投入,改善防洪技术的质量,加强河道调蓄雨水的以及采砂管理能力,采用高精尖的机器设备对河道水位,河道通航能力,水流能力,水槽夹角进行准确的测量,确保河道防洪建设的科学性。

3 防洪堤的稳定性

3.1 稳定防洪堤的必要性分析

防洪堤是为了防止河流因为洪水而泛滥修建的堤坝设施。稳固的防洪堤修建能够有效的对洪水进行拦截。(1)土壤软化。目前在考虑防洪堤的稳定时,无法确定潮汐等流动水的变化情况,因为流动水与静态水对软化土壤的破坏程度不同,想要使防洪抗险工作得到落实,就必须要增加防洪堤的稳定性,防止土壤的软化,减少损失,降低风险;(2)防震抗震。目前防洪堤的建设还存在一个重大的缺陷没有得到解决,就是防震抗震能力欠缺,洪水灾难与地震灾害时常相伴而生,防洪堤有时防止不了地震或者是洪水的震力出现倒坍,洪水满堤等现象,所以维护好防洪堤的稳定性显得十分重要。

3.2 如何改善防洪堤的稳定性

(1)全方面调查研究。改善土壤软化所造成的防洪堤坍塌以及洪水满堤现象,除了技术上的牢固之外,还需要经验原则的支持,根据以往的调查研究,多方面研究洪水中的腐蚀物质成分,经过调查分析,找到流动水与静态水对土壤破坏的不同比例,总结计算方法,运用到建设中去[3];(2)改善防震技术支持。牢固防洪堤的建设,不仅要防止洪水漫堤还要对地震的破坏性进行科学合理地分析预测,改善防洪堤在防震抗震方面的不足之处,改良防洪堤材料的成分,多方面进行测试,使防洪堤的抗压水平符合预期标准,推动防洪安全的实施建设。

综上可知;防洪安全问题现在已经受到各方面的高度重视,建设好河道防洪安全设施需要社会各阶层的共同努力。根据如今河道防洪安全建设现存的不足之处:防洪建设的技术条件落后,防洪建设的管理机制不完善,防洪预警能力不足,以及防洪堤稳定性等问题进行分析,找到解决的方法:落实国家相关政策的规定,完善防洪治理的基础设施建设,加强管理机制的建设和完善,加固防洪堤的稳定性等等手段,为国家的防洪治理工作做出贡献。

参考文献

[1]周建,余嘉澍.防洪堤稳定性的研究[J].水利学报,2002(07):98-103.

[2]粟文辉.河道防洪安全及防洪堤稳定性分析[D].南华大学,2015.

防洪安全风险评估 篇4

洪水风险图是对可能发生的超标准洪水的洪水演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测, 以标示洪泛区内各处受洪水灾害的危险程度的一种重要的防洪非工程措施, 简单来说, 洪水风险图是反映洪水风险大小和城区分布的地图[1], 是防洪非工程措施中一种重要的方法。根据洪水风险图并结合洪泛区内社会经济的发展状况, 可以做到:1) 合理制定洪泛区的土地利用规划, 避免在风险大的区域出现人口与资产过度集中;2) 合理制定防洪指挥方案, 避免临危出乱;3) 合理确定需要避灾的对象, 避灾的目的地及路线;4) 合理评价各项防洪措施的经济效益;5) 合理确定不同风险区域的不同防护标准;6) 合理估计洪灾损失, 为防洪保险提供依据。

城市是人口、资产高度集中的地区, 一旦发生洪涝灾害, 经济损失严重, 政治影响大。因此, 综合利用各种措施, 减轻城市洪涝灾害损失对中国的经济发展和社会稳定具有十分重要的现实意义。目前我国重要城市均逐步开展洪水风险图的制作与应用, 所制作的洪水风险图基本属于静态的, 即在特定频率洪水发生时的淹没范围、受淹区域内的最大水深和淹没历时等信息, 但这些洪水风险图在使用过程中存在信息量少、更新难度大、难以共享等缺点[2]36。为此以广东省佛山城区为例, 介绍根据当前预测的城区降雨和外江洪水发展情况, 制作实时、动态的城市洪水淹浸风险图, 以更加方便、精确地指导抢险救灾进行决策。

1 佛山城区概况

佛山地处广东省中南部珠江三角洲腹地, 人口密集, 经济发达, 地处北回归线以南, 属南亚热带和亚热带季风气候区, 又受海洋气候调节, 春季潮湿多雨, 夏季较热, 雨量充沛;降雨在面上分布不均, 降雨年际变化大, 丰水年是枯水年的1.9 倍。降雨年内分配也不均匀, 雨量多集中在每年4—9 月, 约占全年降雨量的80%[3]。

佛山城区是指禅城区的中心城区, 不包含南庄部分, 面积约77 km2。城区内河涌水系发达, 其中主干河涌15 条, 长度为49.2 km;支干河涌7 条, 长度为16.5 km;支涌33 条, 长度为31.3 km。各河涌近年均经过清淤整治, 1997 年以前, 各河涌出口水闸大部分为自流式, 内河涌需引水时, 水流在潮汐作用下经水闸自然注入, 排水时经水闸自然流出到外江。自1994 年以来, 外江河床逐年下切, 各水闸自然注入、流出状态受到影响, 不能满足城市防洪排涝的需求, 各水闸均陆续改造为泵站, 具有双向抽排水功能, 总排水能力为832.8 m3/s[4], 比改造前抽排水能力提升约86%。目前城区排涝标准均为10 年一遇24 h设计, 暴雨24 h排完且不致灾。防洪堤围主要为佛山大堤, 长度为19.92 km, 防洪标准为百年一遇, 其它堤段防洪标准为五十年一遇[4]1。

佛山城区暴雨积水在2005 年前不太突出, 只是个别低洼地带遇大暴雨时略有积水。2005 年6 月5 日佛山市3 h暴雨约150 mm, 造成佛山城区各大道路均有30~40 cm的水浸现象, 直接经济损失约1.78 亿元。近几年, 经过城区排水管网和内河涌改造, 以及修订实施城区防暴雨预案等措施, 频繁的短历时强降雨在城区水浸黑点虽有时仍有30~50 cm水浸现象发生, 但经济损失已大幅下降。佛山城区内涝受降雨强度、地形分布、河网水位、排涝泵站和排水管网能力等综合因素的影响, 具有典型的“珠三角”城市内涝特点[5]。在绘制佛山城区洪水风险图时应考虑降雨、外江洪水、风暴潮、堤防溃决洪水、水闸泵站及以上各种组合影响, 城市洪水风险成因组合示意图如图1 所示。

为满足城区内水雨情的监测要求, 及监测系统适用性的检验, 佛山城区已建成水位、雨量监测点13 个, 其中3 个陆地监测水位站点, 8 个内河涌水位监测站点, 2 个雨量站点, 另外外江还有3 个水位、雨量监测站点。

2 佛山城区洪水风险图应用

2.1 动态洪水风险图的绘制

动态洪水风险图绘制的基础是佛山城区暴雨内涝模拟模型, 以佛山城区为研究范围, 将预测的未来短时降雨情况作为输入条件之一, 结合城区高精度数字地图、地下排水管网资料、内河涌及外江水位、泵站调度等信息, 运用二维非恒定流水动力学模型模拟城区受暴雨 (主要因素) 、外洪等影响情况, 将模型计算通过转换, 形成系统中专用的模型数据后存储于数据库中, 然后利用等值线 (面) 技术自动生成模块, 形成各网格最大淹没水深等值线 (面) 图层, 最终, 系统将最大淹没水深等值线 (面) 图层与基本行政区划图、河流、最大淹没范围图、防洪工程分布图等基本信息图层相融合, 并添加指北箭头、比例尺、图例和方案说明等辅助信息形成特定方案的洪水风险图。通过水情信息的实时监测与管理、暴雨淹浸模拟、洪水预警、实时动态的洪水风险图制作及GIS应用等技术手段, 可为佛山城区的防汛、内涝预警和应急调度提供决策依据和技术支持。

2.2 动态洪水风险图绘制的关键信息

动态洪水风险图中使用的信息主要有实时的降雨、内河涌水位、水闸泵站运行情况, 以及高精度GIS地形数据和地下排水管网资料, 关键信息是较为准确的未来1~3 h降水和外江洪水预报结果。使用的具体信息可以归纳为以下3 类:

1) 基础信息。主要是城区高精度的GIS地形数据和地下排水管网资料, 这是模型网格划分、水流及泄水能力计算和洪水风险图绘制的基础信息。

2 ) 实时信息。包括实时的陆地及内河涌的雨情和水情、气象 (包括雷达回波图和卫星云图) , 以及内河涌出入口的水闸、泵站的水位和开关情况等信息, 主要反映研究范围内的气象、水情、雨情和工程运行情况, 是系统运行和洪水风险图绘制的重要信息。

3) 预测信息。主要是区域范围内未来降雨和外江洪水的预测, 是动态洪水风险图绘制的关键信息。洪水预测按常规水文预报作业进行;降雨预测主要有使用雷达测雨预报和气象部门专业的精细化降雨预报2 种, 两者都是对佛山市按1 km×1 km的格网预报当前之后的第1, 2 和3 h降雨分布, 更新时间均为6 min, 即每隔6 min产生1 组新的城区预报格网的未来3 h的预报降雨量。

根据基础、重要、关键信息模拟模型运行的框图如图2 所示。

2.3 动态洪水风险图绘制的应用

根据城区暴雨特点对内涝预警系统进行设置, 按模型计算方式和所采用的降雨数据的不同, 将生成的风险图应用分为自动预警、实时预报、历史查询和方案设计, 以及根据生成的风险图及预警信息发布, 指导城市防汛决策应用, 具体情况如下:

1) 自动预警。根据雨量站实测的降雨数据和预测的雨量数据综合判断, 根据设定的阈值系统自动运行, 判断条件可分为2 种, 当所有雨量站过去3 h且预测区域未来3 h内降雨均为0 mm时, 模型不运行;当任一雨量站过去3 h或者预测区域内任一点未来3 h内降雨达到某一阈值时, 模型开始自动运行, 且阈值不同, 系统运行间隔也可不同, 可根据服务器每次运行、各种信息收集的时间综合考虑, 一般设定为6 min的倍数, 使用较多的间隔为0.5 和1.0 h 。

2) 实时预报。通过系统设定的实测降雨和预测降雨阈值, 以及预报的基准时间、预热期和预见期等, 自动开展作业预报, 绘制相应的洪水风险图, 并发出预警信息。

3) 历史查询。可以对任意历史时段的暴雨过程的洪水风险图及相关资料进行查询, 该内容以图片和Word文档形式存放在系统指定的文件库中。

4) 方案设计。可以将任一设计暴雨过程作为降雨计算输入条件, 绘制生成洪水风险图, 以实现对未来特定洪水风险的防治预案及措施等。

5) 城市防汛决策指导。预警生成的洪水风险图成果可分为城区网格最大积水深度分布图、重要单位积水信息图和主要道路最大积水深度分布图。

图3 是城区网格最大积水深度分布图, 展示城区各网格上可能出现的淹没最大水深, 可在图中右侧列表中查看详细的网格编号、最大水深、最大水深出现时间及淹没历时等信息。

图4 是城区重要单位积水信息图, 展示城区重要单位附近可能出现的淹没最大水深, 可在图中右侧列表中查看详细的单位名称、积水深度、淹没历时及所在网格等信息。

图5 是城区主要道路最大积水深度分布图, 展示城区主要道路上可能出现的淹没最大水深, 可在图中右侧列表中查看详细的道路编号、最高水位时刻、最大水深及淹没历时等信息。

预警系统可与短信平台相连, 将预警的有关信息以短信的方式, 发送到值班人员、相关领导及预计淹没水深较大的重要单位与区域的防汛责任人的手机上, 利于及时了解、掌握雨水情信息, 以方便防汛指挥决策, 有针对性地采取相应的措施与预案, 最大可能地减少暴雨洪水对城区的影响。

3 动态洪水风险图应用效果

佛山城区内涝预警系统自2012 年5 月在佛山试运行以来, 2 年间先后应用于数场较大降雨的城市动态洪水风险预警分析, 大部分积水点的计算精度能够满足预警要求, 在几场暴雨计算结果与实际调查对比中, 模型计算误差均不超过0.04 m, 精度级别属于良好[2]37, 并能将预警重点单位、路段积水信息提前0.5 h发送到相关责任人手机上, 指导内河涌提前预排, 降低水位, 对预警严重区域安排人员采取疏浚下水管道及入口等应急措施, 对城市的防灾减灾具有一定的指导作用。

4 结语

利用动态洪水风险图在佛山城区降雨期间的应用, 对重要区域、单位和路段的淹浸情况分别进行预警, 将预测的降雨与城市防汛抢险预案联系起来, 为防汛部门实现分时、分区甚至分级预警提供了依据[6]。但在今后的使用中还要注意以下几点:

1) 要提高预测数据的准确性和及时性, 并更新基础数据, 特别是城市改造后的微地形与排水管网数据更新, 确保动态洪水风险图的准确;

2) 进一步完善内涝预警系统的功能, 使生成的风险图更加细化、具体、可靠, 并自动将信息传送给指定人员;

3 ) 加强应用城市动态洪水风险图的执行力度, 作为一项非常有效的洪水管理非工程措施, 应确保预警信息、防汛减灾预案与防汛责任人之间的联系与落实, 最大程度地减少暴雨对城市的影响与损失。

参考文献

[1]李娜, 程晓陶, 邱绍伟.上海市城区洪水风险图制作[J].中国防汛抗旱, 2009 (6) :38-41.

[2]张旭, 姚文广, 谭徐明.《洪水风险图编制导则》编订经过及主要内容说明[J].中国水利, 2005 (17) :36-37.

[3]《佛山年鉴》编纂委员会.2013年佛山年鉴[M].佛山:佛山年鉴社, 2013:37-38.

[4]佛山市人民政府, 佛山市防汛防旱防风指挥部办公室.佛山市防汛防旱防风工作手册[R].佛山:佛山市人民政府, 2006.

[5]杜文印, 李娜, 王静.水动力学模型在佛山城市内涝预警中的应用研究[J].水利信息化, 2012 (6) :11-19.

防洪安全风险评估 篇5

根据《洪水风险图编制导则》和《洪水风险图编制技术细则》,以卫运河右堤防洪保护区为例,在对基础资料进行收集、整理的基础上,建立一、二维水动力演进数学模型,模拟溃堤洪水演进,获取洪水到达时间、淹没水深、淹没范围、流速及淹没历时等风险要素;对上述各要素绘制洪水风险图。

1 区域概况

1.1 自然地理

卫运河右堤防洪保护区西起邯济铁路、南至马颊河,东至埕口以下防波堤、北至卫运河和漳卫新河右堤,总面积6 703 km2。保护区地处黄河冲积平原,地形由西南向东北倾斜,呈狭长状,东西长330 km左右,南北宽7～35 km。地面高程42.5～0.5 m,坡降约1/7 900。

1.2 社会经济

卫运河右堤防洪保护区全部位于山东省境内,涉及山东省聊城、德州、滨州3个市,有茌平县、东昌府区、临邑县、冠县、临清、高唐、夏津、武城、平原、德城区、陵县、宁津、乐陵、庆云以及无棣等15个市县,2012年保护区内地区生产总值其2 988亿元,常住人口820万人,耕地81.73万hm2(1 226万亩),该区地势平坦,土层深厚,农业发达,主要种植小麦、玉米、高粱、棉花和油料,还有大量苹果、梨、葡萄、枣等果品生产基地。改革开放以来,该区工业经济发展迅速,有玻璃钢、建材、农副产品加工、海水养殖和盐田等大批企业。包括大型企业山东鲁北化工集团和山东埕口盐化集团。

2 基础资料

收集基础地理信息、水文、构筑物和工程调度、社会经济和历史洪水等资料,主要包括:保护区1:10 000基础地理信息电子地图,各溃口20、50、100年一遇溃口流量过程,漳卫新河河口“72潮型”过程及保护区涝水过程,防洪保护区内线状地物(铁路、公路、桥涵)高程等,相关市县2012年统计年鉴。

3 洪水演进分析计算

3.1 模型构建

防洪保护区洪水分析采用水力学方法。采用丹麦水动力学研究所开发的MIKE FLOOD软件,把一维河网模型MIKEI1和二维区域模型MIKE21进行动态耦合,建立一二维河网非恒定流洪水演进数学模型,计算不同溃口方案、不同频率洪涝水在防洪保护区内的演进过程,提出各节点最高水位、流速、淹没水深和淹没历时等水力要素,用于洪水影响分析、避洪转移分析和洪水风险图绘制。

3.2 边界条件

保护区洪水来源为卫运河溃堤洪水和防洪保护区内涝水。

根据洪水风险图编制细则的要求,溃堤洪水量级选用卫运河防洪标准及其低一个量级、高一个量级的设计洪水标准作为洪水风险分析对象。卫运河设计防洪标准为50年一遇,洪水风险图洪水分析量级为20、50、100年一遇洪水。

防洪保护区的排涝标准为“1964年雨型”,约相当于5年一遇,涝水分析量级为5、10、20年一遇。

3.2.1 上边界条件

综合考虑河道、防洪保护区地形、地质状况、工程状况、行政区划、历史出险以及洪水风险情况等因素,确定卫运河右堤4个溃口位置,分别为郭庄(11+360)、吊马桥(47+800)、土龙头(80+100)、祝官屯(108+964)。

洪水:卫运河右堤4个溃口位置各频率(5%、2%、1%)洪水分洪流量过程。

涝水:保护区内部涝水(20%、10%、5%)采用降雨径流深过程。

3.2.2 下边界条件

卫运河和漳卫新河右堤视为封闭边界,马颊河左堤、河口海堤视为开放边界。

海堤处边界条件取入海口处的潮位过程线,潮位过程采用1972年7月26日典型潮型。

保护区内恩县洼牛角峪退水闸退水入老减河流量过程作为模型的内部边界,以老减河出口大王铺相应频率水位过程作为模型下边界。

同时,保护区溃决洪水向马颊河方向演进,通过保护区内的排涝河道汇入马颊河,排涝河道下边界为马颊河相应位置处“64年、61年雨型”设计水位。根据实地调研确定防洪保护区20年一遇洪涝水不与马颊河洪水遭遇,防洪保护区50、100年一遇洪涝水分别对应马颊河“64年雨型”、“61年雨型”洪水位。

3.2.3 特殊边界的处理

保护区内高速公路共有7条,由南至北为青兰高速、高邢高速、青银高速、德商高速(在建)、京沪高速、滨德高速和长深高速;铁路共有4条,由南至北分布为邯济铁路、京九铁路、津浦铁路和京沪高铁(高架桥);还有较多的国道、省道。国道、省道路基高度均在0.5 m以下,高速、铁路路基较高,对洪水演进、洪水风险分析有较大影响。高速、铁路上的桥梁大小不一,有1 km长的大桥,也有2～3 m长的机耕通道。为提高计算效率,又使洪水走向符合实际情况,根据各桥梁走向,布设的宽度、间距等具体情况,在不影响计算精度的条件下,将这些线性地物和桥梁进行概化处理,将路基部分作为堰的型式加入模型内部,将部分小桥合并至大桥处,将桥孔部分留出一个网格的边长。

3.3 网格剖分

对卫运河右堤防洪保护区进行非均匀曲线正交网格剖分,采用规则网格或不规则网格,对于规则网格,边长为300 m;保护区地处华北平原,地势平坦,地形地物变化不大,网格可适当放大,但最大面积不超过1 km2。对溃口位置、河道堤防、地形变化较大的地区和铁路、公路、渠埝等线状地物处,网格进行局部加密,边长为100 m左右。使得网格边界与重要地物轮廓紧密结合,提高模型计算的准确性和合理性。

3.4 方案设置

漳卫河系河道为现状和规划两种工况、洪水量级分别为20、50、100年一遇洪水、4个溃口位置,计算方案共计24个,见表1。

4 成果分析

根据模型需要,输入不同方案控制条件,获得不同方案洪水分析结果,主要包括淹没区不同时刻最高水位、最大水深、最大洪水流速、洪水前锋到达时间及淹没历时等多种风险信息。

以现状工况郭庄溃口为例,对100年一遇洪水计算成果进行分析。

100年一遇洪水,卫运河右堤郭庄溃口宽度500 m,底高程40 m,溃决峰量1 288 m3/s,分洪水量6.21亿m3。总淹没面积1 389 km2,其中夏津县395 km2、武城县358 km2、东昌府区60 kmmm2、冠县151 km2、临清市425 km2。淹没区平均水深0.56 m,最大水深4.8 m,位于烟店镇、唐园镇和白马湖镇一带,北馆陶镇、潘庄镇、郑堡屯镇以及临清市区、夏津县部分城区淹没水深也达到了2 m以上。洪水到达临清市区、京九铁路、高邢高速的时间为80 h,154 h后到达青银高速,205 h到达夏津县城,290 h进入武城县。淹没交通线路369.5 km,影响人口88.99万人,洪水直接损失467.94亿元。整个淹没区淹没历时超过7 d。

5 保护区风险分析

卫运河右堤共设置4个溃口,从上到下依次为郭庄、吊马桥、土龙头和祝官屯溃口。洪水演进受地形和地物影响较大。保护区地形南高北低,东高西低,从各溃口整体淹没情况来看,洪水基本控制在邯济铁路以北,四女寺枢纽以南区域,卫运河溃堤洪水不会淹没至德州城区以东。由于保护区地形南高北低,洪水淹没范围基本沿卫运河右堤狭长分布,临清市以上受京九铁路阻挡,洪水基本被控制在铁路以南一带,部分洪水通过临清市附近的桥涵演进至铁路以北,造成临清市附近洪水比较集中。临清市以下以临清市一夏津县城一恩县洼牛角峪为界,保护区地形东高西低,恩县洼东部有陈公堤,这种天然地形使得洪水被控制在保护区西半区一带,没有向东半区蔓延,故临清市以下淹没范围基本在临清市一夏津县一陈公堤一牛角峪一线以西。

从淹没水深来看,从南到北:北馆陶、烟店镇、唐园镇一带地势低洼,洪水淹没水深较大,且位于郭庄、吊马桥溃口之间,洪水风险极大。临清市城区位于郭庄、吊马桥溃口以下,且城区下游受京九铁路和高邢高速路基阻挡,淹没水深较大,洪水风险较大。

土龙头溃口位于青银高速以南,一旦溃决,青银高速阻水严重,高速以南部分城镇淹没水深较大,主要有郑堡屯乡、白马湖镇以及夏津县城。

土龙头、祝官屯溃口位于恩县洼上游,这两处堤防一旦发生溃决,洪水从恩县洼西部高地直接进入恩县洼,且恩县洼西郑庄还要分洪,所以恩县洼面临双重风险,洪水风险较大,恩县洼内鲁权屯镇、郝王庄镇淹没水深较大。

6 洪水风险图

洪水风险图绘制依据《洪水风险图编制导则》、《洪水风险图编制技术细则(2013年试行)》、《防汛抗旱用图图式》,并参照《洪水风险图制图技术要求》等相关规范,使用中国水科院开发的“洪水风险图绘制系统FMAP”软件完成洪水风险图绘制。

风险图由基础底图和洪水风险专题要素构成。基础底图是在地理底图上添加相关水利工程要素而成。洪水风险专题要素来自洪水模型的分析计算结果。依据洪水风险分析计算的成果,在基础底图上分别绘制风险图集成系统所需要的淹没水深图、到达时间图、淹没历时图等图件。

7 结语

浅谈友好水库防洪安全复核 篇6

友好水库大坝坝址位于孟津县横水镇与新安县新仓乡交界处的红光村西约500 m的沟谷中的金水河支流洛沟河上, 是一座以防洪为主, 兼顾农业灌溉、水产养殖的综合利用的小型水库。大坝为均质土坝, 坝长126.5 m, 最大坝高20.2 m。友好水库控制流域面积5 km2, 总库容155.07万m3。

2 设计洪水复核

流域内及邻近地区没有实测的洪水流量资料, 水库控制流域面积小于200 km2。根据《水利水电工程设计洪水计算规范》有关规定, 可采用小流域推理公式法用暴雨资料推算洪水。

2.1 设计标准

友好水库原设计总库容为141.7万m3, 根据《防洪标准》 (GB50201-94) 及《水利水电工程等级划分及洪水标准》有关规定, 根据友好水库库容以及所处位置, 确定水库设计洪水标准采用30年一遇, 校核洪水标准采用300年一遇。

2.2 设计洪水计算

2.2.1 设计暴雨

根据《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》 (以下简称《图集》) 附图, 在流域重心处分别查得各计算时段点暴雨均值和相应的变差系数, 以Cs=3.5Cv查PⅢ型曲线模比系数, 计算设计频率点暴雨量, 再根据流域面积查附图求得点面折减系数, 计算面雨量作为设计暴雨量。按《图集》中的公式, 计算三种时段设计暴雨递减指数n1、n2、n3。其成果见表1。

2.2.2 设计洪峰流量

采用《图集》中推理公式计算

式中:Qm—设计洪峰流量 (m3/s) ;φ—洪峰径流系数;τ—洪峰汇流时间 (h) ;F—流域面积 (km2) ;L—干流长度 (km) ;J—L的平均坡度;S—设计频率1小时雨量 (mm/h) ;μ─平均入渗率 (mm/h) , 取μ=5mm/h;m—汇流参数, 由《图集》中θ～m相关线查得。

2.2.3 设计洪量

设计洪量采用降雨径流关系, 按24小时设计雨量计算。公式如下:

式中:W24—24小时设计洪量 (m3) ;R—24小时净雨深 (mm) , 查山丘区次降雨径流关系P+Pa～R曲线求得。P为24小时设计雨量, Pa为设计前期影响雨量, 50年一遇以上暴雨Pa=Imax=50 mm;30年一遇暴雨Pa=3/4Imax=37.5 mm, 20年一遇暴雨Pa=2/3Imax=33.3 mm。

各设计频率洪峰流量及设计洪量计算成果见表2。

2.3 调洪计算

2.3.1 计算方法

采用入库出库水量平衡公式, 利用半图解法进行调洪计算。基本公式为:

式中:Q1、Q2—时段△t始、末的入库流量 (m3/s) ;q1、q2—时段△t始、末的出库流量 (m3/s) ;V1、V2—时段△t始、末的水库蓄水量 (m3) ;△t—计算时段 (s) 。

2.3.2 现状溢洪道泄流能力

水库现状溢洪道位于水库大坝右侧, 属于开敞式宽顶堰, 在溢洪道上不设闸门, 当水库水位超过溢洪道堰顶高程 (355.4 m) 后, 即自行泄流。溢洪道泄量计算公式为:

式中:q—溢洪道泄量 (m3/s) ;m—流量系数;B—溢流堰底宽, 取B=4 m;ctgα—边坡系数, 取ctgα=1.0。

2.3.3 调洪计算成果

根据计算的洪水过程和水库特性数据, 采用单辅助曲线半图解法逐时段作调洪演算。水库的起调水位为溢洪道的堰顶高程355.4 m。防洪调度方式为自由泄流。洪水调节计算成果如下: (现状坝顶高程358.8.)

30年一遇:洪峰流量108 m3/s, 24 h洪水总量67.5万m3, 下泄流量27.9 m3/s, 最高洪水位357.4 m, 相应库容130.0万m3;

300年一遇:洪峰流量185 m3/s, 24 h洪水总量127.5万m3, 下泄流量57.1 m3/s, 最高洪水位358.41 m, 相应库容155.07万m3;

3 坝高复核

采用《碾压式土石坝设计规范》中公式计算坝顶在水库静水位以上的超高:y=R+e+A (7)

式中:y—坝顶超高 (m) ;R—最大波浪在坝坡上的爬高 (m) ;e—最大风壅水面高度 (m) ;A—安全加高 (m) , 对于4级土石坝, 正常运用情况A=0.5 m;非常运用情况A=0.3 m。

本水库坝高核算成果如下:

30年一遇:h=357.4+1.522+0.5=359.4 m;

300年一遇:h=358.41+0.902+0.3=359.6 m

友好水库现状坝高358.8 m, 由上可知, 友好水库采用30年一遇设计洪水标准及300年一遇校核洪水标准, 按现有溢洪道泄洪, 低于校核情况下要求的坝顶高程值。因此, 大坝坝顶高程不满足防洪安全要求, 坝顶需设防浪墙

摘要：介绍了友好水库的工程现状, 运用小流域推理公式法推求坝址处的洪峰流量及洪水过程, 通过调洪计算, 复核现状泄洪条件下水库的防洪能力, 从而查清了水库大坝可能存在的安全隐患, 为水库运行管理和今后的除险加固设计提供科学依据。

关键词：设计洪水,泄流能力,防洪安全复核

参考文献

[1]周之豪, 等.水利水能规划[M].北京:中国水利水电出版社, 1986.

防洪安全风险评估 篇7

汛限水位动态控制能在不降低水库防洪标准的条件下提高水库兴利效益和水资源利用率, 但是由于水文系统广泛的存在不确定性, 汛限水位动态控制不可避免地存在风险[1,2]。目前, 基于汛限水位动态控制的风险分析的方法有极限状态法[3,4]、概率法[5,6]、随机微分方程[7]和随机模拟法 (即Monte Carlo法) [8,9,14]等。其中, 随机模拟法相对较为成熟, 尤其适用于因非线性或系统复杂、相关性强而不能用解析法求解的水文问题。洪水过程的随机性是复杂水文系统中较难描述的不确定性因素。常见的洪水过程随机模型有自回归模型, 解集模型等[3,7,8]。近年来, 非参数方法[10]、小波分析理论[11]以及Copula函数[12,13]等被先后应用到洪水随机模拟领域, 极大地丰富了洪水随机模拟的理论和方法。鉴此, 本文基于Copula函数对洪峰和洪量建立联合随机模型, 从实测和SAR模拟的洪水过程中优选峰量比接近的洪水过程进行缩放得到用于调洪计算的洪水过程线, 以国家防洪抗旱总指挥部指定为第二批“汛限水位设计与运用专题研究”试点水库之一的黄河万家寨水库为研究实例, 统计实测洪水资料由SAR模型模拟洪水过程线, 综合考虑入库洪水过程、泄流能力曲线、库容水位关系等水文及水力风险因素, 采用Monte Carlo法对万家寨水库进行汛限水位动态控制防洪调度风险分析。对汛期水位采用动态控制运用带来的防洪调度风险, 主要包括:对下游防洪目标的影响;对上游地区防洪安全和水库大坝安全的影响。针对黄河万家寨水库实例, 本文主要对汛期水位采用动态控制运用对水库大坝安全的影响作防洪调度的风险分析。

1 洪水过程随机模拟

随机模拟的任务就是通过对实测资料统计分析, 确定合适的随机模拟模型, 然后应用随机模型, 生成足够多的、各种可能组合形式的洪水过程, 供水库调洪计算所用。

文献[9] 通过统计试验探讨了季节性一阶自回归模型在洪水随机模拟领域的适用性, 结果表明模拟的洪水总体可以用来预估模拟对象可能出现的各种各样的洪水过程, 作为水库防洪安全设计的依据。文献[13,14]采用峰量联合分布代替单独的洪峰和洪量的分布, 克服了分离处理峰、量的缺点, 能考虑洪峰和洪量之间的相关性, 能很好地保持实测系列洪峰和洪量统计特征及实测洪水过程的形状。鉴此, 按照峰高量大、主峰靠后的年最大值法选出洪水样本并统计样本资料, 其洪峰和洪量具有一定的相关性。采用Gumbel-Hougard Copula联合分布对洪峰和洪量进行联合描述, 通过联合分布的随机抽样法可对存在相关性的峰和量成对取样, 从而达到随机模拟洪峰和洪量的目的。描述洪峰和洪量的相关性结构数学表达式及峰量随机抽样法详见文献[13]。然后通过季节性一阶自回归模型 (SAR) 模拟一定量的洪水过程线, 以联合分布模拟的洪峰和洪量为控制量, 从实测和SAR模拟的洪水过程中优选峰量比接近的洪水过程进行缩放得到用于调洪计算的洪水过程线。本文综合前人的研究成果, 构造了SAR-Copula混合洪水过程随机模型, 其流程见图1。

2 实 例

2.1 入库洪水过程模拟

万家寨入库洪水可分为河口镇干流和河口镇到万家寨区间 (简称河万区间) 两部分洪水。干流洪水基本上产自上游的兰州以上, 受水库及河道调蓄的影响, 汛期洪水过程较平稳, 无不确定性, 且流量均不大于3 000 m3/s。河口镇到万家寨水库枢纽区间为水库库区控制的流域面积, 共8 847 km2。坝址上游左岸14km处有支流杨家川汇入, 流域面积1 002 km2;左岸56.6 km处有红河汇入, 流域面积5 461 km2;黑岱沟、龙王沟在右岸汇入。头道拐至坝址的河万区间为丘陵地区, 受地形的影响经常发生局地暴雨 (历时以24 h为主) , 历史上坝址断面发生的最大洪水即产自该区间。河万区间仅红河放牛沟有实测资料, 控制面积占区间面积的61.7%, 河万区间洪水是将支流红河放牛沟站的洪水按面积比放大到区间。因此, 万家寨水库入库洪水过程随机模拟主要是针对河万区间洪水过程。

在放牛沟1959-1978年 (每年7月1日到10月31日) 实测洪水资料中, 按照峰高量大、主峰靠后的原则每年选择一场历时为34 h的最大洪水过程, 构成样本容量为20～34 h (截口间距为20 min) 洪水过程系列。从放大得到的河万区间每一年洪水过程, 取样得到一对洪峰Qm和1 d洪量W1d, 构成20个Qm和W1d的联合观测值系列, 并据此建立Qm和W1d的两变量联合分布。Qm和W1d的边缘分布采用P-III型分布, 分别为FQm (qm) 和FW1d (w1d) 。采用矩法估计洪峰和洪量实测系列的统计特征值见表1, 并假定估计的参数为万家寨水库区间洪水洪峰和洪量总体分布的参数。对Qm和W1d的联合观测值计算Kendall秩τ等于0.751 6, 据Kendall秩与Copula函数的解析关系式[12,13]计算Gumbel-Hougard Copula函数的参数α等于4.03。将α作为Gumbel-Hougard Copula函数的估计值。由文献[13,14]得到Qm和W1d的联合分布:

$\begin{array}{l}F(q{}_m,w{}_{1d})=\exp \{-[(-\text{l}\text{n}F{}_{Q{}_m}(q{}_m)){}^{4.03}+\\ (-\text{l}\text{n}F{}_{W{}_{1d}}(w{}_{1d})){}^{4.03}]{}^{\frac{1}{4.03}}\}(1)\end{array}$

统计河万区间洪水资料, 通过季节性一阶自回归模型 (SAR) 模拟980场洪水过程, 并与20场实测洪水过程组合为1 000场备用的典型洪水过程[9]。依据式 (1) , 以峰量随机抽样法模拟的10万对洪峰和洪量为控制量, 从备用的1 000场典型洪水过程中优选峰量比接近的洪水过程进行缩放得到用于调洪计算的10万场洪水过程。Copula模拟的峰量系列、SAR模拟的洪水系列 (模型的参数各个截口的均值和Cv值均采用实测洪水系列统计值, Cs值采用Cs/Cv=2.50) 及SAR-Copula模拟的洪水系列的统计参数见表1。

2.2 防洪风险计算与分析

对于具体防洪对象的防洪风险极限状态, 应规定明确的极限标志和限值[8]。而就水库防洪安全而言, 最高调洪水位是重要的防洪特征水位。水利部重大科研项目《水库汛限水位设计运用专题研究》专题4“水库汛限水位动态控制方法研究”给出的一种风险定义为:选定的汛限水位, 水库还能抗御某一设计频率Pi的洪水, 调洪最高水位Z, 正好等于规划批复的允许最高蓄水位Zd, 这一频率Pi亦成为所选汛限水位的风险率Pf。

从上述可见, 影响水库防洪风险率的主要随机因子是Z和Zd。而最高调洪水位Z及相应的防洪风险率是与水库的整个调洪过程联系起来的[8]。在水库调洪过程中, 存在着许多人们难以预料和控制的不确定性因素。这些因素有:①水文不确定性, 主要是指入库洪水过程的不确定性;②水力不确定性, 包括出库泄流能力的不确定和库容与水位关系的不确定性等方面因素。本文采用Monte Carlo法对万家寨水库进行汛限水位动态控制防洪调度风险分析, 具体原理及计算步骤见文献[8]。

2.2.1 水文不确定性

区间洪水的不确定性是万家寨水库防洪的一个重要风险因子。采用河万区间红河放牛沟站实测洪水资料, 经选样放大后作统计分析, 通过SAR-Copula混合模型模拟生成河万区间洪水过程, 再考虑与河口镇站干流洪水叠加, 形成万家寨水库主汛期入库洪水过程。入库洪水计算式为

$Q{}_t=Q{}_{g,t}+Q{}_{i,t}t=1,2,\cdots ,{\rm T}(2)$

式中:Qt为第t时刻入库流量;Qg, t为第t时刻黄河干流入库流量;Qi, t为第t时刻河万区间入库流量。基于河口镇站干流汛期洪水过程比较平稳的特性, 假定Qg, t=Qg, t=1, 2, …, T, Qg取一组2 000 m3/s、3 000 m3/s离散值。

2.2.2 水力不确定性

万家寨水库水力不确定性重点考虑库容与水位关系及泄流能力两方面。调洪演算时主要采用15年淤积 (A1) 、11年淤积 (A2) 、设计淤积平衡 (A3) 、现状2008年 (A4) 的库容曲线。对于泄流能力的随机性模拟[8,14], 本次采用三角形分布并假定在任何水位下相应的泄流量计算的最大相对误差不超过±5%。

前汛期 (7月份) 汛限水位动态控制拟在目前汛限水位966 m的基础上, 每隔2 m共生968 m, 970 m, 972 m共3个方案。

汛限水位动态控制调度运用方式:设计初期阶段的校核洪水位979.1 m, 千年一遇设计洪水位为974.99 m, 通常情况下不使用表孔, 但遇超标准洪水当水位超过校核洪水位979.1 m时, 开启表孔泄流;一般不考虑电站参加泄流, 但电站发电时, 可控制泄流设施保持泄流规模不变;当干流头道拐流量小于2 000 m3/s时, 起调水位采用上述汛限水位;当干流头道拐流量大于2 000 m3/s时, 起调水位采用966 m。在涨洪阶段, 若入库洪水小于当时泄流能力, 来多少泄多少, 库水位不变, 若入库流量大于当时泄流能力, 按泄流能力下泄, 库水位上涨;洪峰过后, 若库水位要与起调水位, 按泄流能力下泄, 若库水位将要低于起调水位, 控制泄流量, 库水位保持在起调水位。

在一定的调洪规则和假定的汛限水位下, 综合考虑万家寨水库水文、水力不确定性因素, 共生成A、B防洪调度方案。随机模拟生成10万条入库洪水过程线供万家寨水库在各风险组合方案下的调洪演算, 经计算得到的防洪风险率成果见表2。

表2方案A与B相比, 方案A干流来水为3 000 m3/s;方案B干流来水为2 000 m3/s。方案A组内区别为防洪库容曲线。方案B仅考虑15年内淤积最不利情况, B1泄流能力为设计泄流能力的0.95倍, B2泄流能力为设计泄流能力的1.05倍。

从表2可得出以下结论。

(1) 对随机生成的不同区间洪水序列及干流来水组合进行了调洪计算, 水库防洪风险率有明显的差异, 这说明入库洪水是影响调洪最高水位的主要因素;

(2) 比较四种泥沙淤积状况 (以库容与水位关系曲线反映) 下的调洪结果, 发现库容曲线变化对调洪结果是有一定的影响的, 起调 (汛限) 水位为972 m时的平均风险率为0.053%在淤积15年后 (最不利) 的防洪库容情形下, 调洪最高水位超过校核水位979.1 m的频率达到了0.07%。表明防洪库容曲线的不确定性也是影响调洪最高水位的主要因素之一;

(3) 方案B1和B2考虑水库泄洪能力的不确定性的影响, 对万家寨水库进行防洪调度, 但结果表明水库泄流能力的不确定性对防洪调度结果的影响不明显;

(4) 从汛限水位与防洪风险率的对应关系上, 可以看到在各种不确定因素下, 当汛限水位超过970 m时, 库水位超过校核标准洪水位的风险率会明显增大, 但是均没有超过0.01%。说明:汛限水位取970 m或972 m不会降低大坝防洪安全标准。

总之, 按拟定的汛限水位动态控制的调度原则进行调洪演算, 前汛期 (7月份) 适当抬高汛限水位 (970～972 m) 的方案存在一定的防洪风险, 但超过万年一遇的调洪最高水位979.1 m的概率很小。说明为提高万家寨水库兴利效益和水资源利用率, 结合洪水预报 (万家寨水库干流洪水预报控制站河口镇到万家寨坝址段洪水传播时间约为8～10 h, 区间洪水预报控制站红河太平窑到万家寨坝址段洪水传播时间约为10 h) , 采取相应的调度措施, 可以控制相关的风险。

3 结 语

以黄河万家寨水库为例, 采用SAR-Copula混合模拟模型来反映水文不确定性, 在给定调洪规则下, 综合考虑水库泄流能力、水位库容关系等水力不确定性, 采用Monte Carlo法计算水库的防洪风险率, 得出水库不同汛限水位与风险率的定量关系。实例结果表明:万家寨汛限水位动态控制防洪风险的主要因素为入库洪水不确定性、库容与水位关系不确定性, 而泄洪能力的不确定性对水库防洪风险影响不明显。防洪风险分析的结果为万家寨水库前汛期动态汛限水位选择提供了一定的参考依据。