水利工程調度過程面臨的風險因素與規避方式

唐天勇

(新疆生產建設兵團第一師沙井子灌區水利管理處，新疆 阿克蘇 843000)

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水利工程調度過程面臨的風險因素與規避方式

唐天勇

(新疆生產建設兵團第一師沙井子灌區水利管理處，新疆 阿克蘇 843000)

水庫調度風險管理是針對大型控制型水庫的重要系統問題，它目標繁多且系統規劃復雜，擁有自身獨立的風險評價指標體系和決策系統，也能夠實現對風險的控制與處理，是促進大型流域地域生態環境與社會經濟可持續發展的重要保障。文章探討了人工彎道式引水樞紐、AMCM兩種水利樞紐的調度風險分析及規避方式，以此來強化水庫的水利調度系統，盡可能的實現大型水庫的長期安全運營，并對于其調度風險管理工作重要意義。

水利工程；調度；風險估計；AMCM；人工彎道式引水樞紐

1 人工彎道式引水樞紐風險調度研究

人工彎道式引水樞紐是大型灌溉及引水樞紐工程在大型流域中最重要的風險調度方式，它利用人工在天然河道中修筑導流彎道，讓其產生橫向環流，讓水流在彎道內產生離心力，區分清水流向凹岸，而讓泥沙隨底層水流流向凸岸。該方法利用到了彎道環流原理，實現了正面引水、側面排沙的布置形式，避免了大量泥沙入渠，還能起到取水防沙的作用，在我國已被大部分水利樞紐工程所廣泛采用，實現了生產與防護兩不誤。

1.1 彎道式引水樞紐工程的實踐概述

彎道式引水樞紐工程可以保證區域性農業用水的持續供應，具有較大的分流比，同時它也具有較好的防沙效果，在長期應用實踐中已經被得到了證實。但實際上，它也存在一定缺陷，比如如果人工彎道流域帶過寬，就會出現大面積的淤泥沙阻塞，讓水利樞紐中的清水水流不能順利流入凹岸，無法形成有利于農田灌溉和水利供應的橫向環流。而同時渠道中由于積累了大量的粗質泥沙與卵石也影響了人們的取水生產生活。久而久之，水利樞紐的排沙閘下游就會出現嚴重的河床淤積狀況，整個排沙路都會因此受阻，最后甚至會將水利樞紐工程的排沙閘閘低完全掩埋，導致樞紐的徹底失效。

對人工彎道式引水樞紐實施改進，將泄洪閘與溢洪堰完全上移到彎道首端凸岸處，這種對水利樞紐建筑布局的修改可以為人工彎道式引水樞紐開拓新的環境，帶來更好的引水防沙效果，從而為建立大引水流量的渠道奠定基礎[1]。

1.2 人工彎道式引水樞紐的布置形式分析

人工彎道式引水樞紐工程是一個復雜的大型體系，它包含了樞紐上游引水彎道整治段、溢洪堰、泄洪閘、進水閘、沖沙閘以及下游河道整治段。

1.2.1 上游引水彎道整治段

上游引水彎道整治段就是水利樞紐的上游段，它根據所在河流流域的水量變化與分流比來設計整治段流量。一般來說，在人工彎道內要形成環流，才能實現對彎道中砂礫石及淤積淤泥的有效沖刷，保證長期的引水順暢。但是人工彎道不能過寬，因為過寬會造成彎道上游的大量淤積，導致導流堤出現全線崩潰的狀況。因此在設計彎道流量時，應該根據所在河流流域的特征來設計，例如采用較為穩定的河床公式來計算上游樞紐整治段的穩定坡降、曲率半徑及整治寬度，通常來講彎道的長度不應該小于6～7倍于上游整治段的寬度。另外，人工復式斷面也可以控制彎道流量，使整個樞紐歸槽形成穩定的橫向環流。

1.2.2 進水閘與沖沙閘

進水閘與沖沙閘一般設置在人工彎道的尾端，前者靠近凹岸而后者位于凸岸位置。沖沙閘底高程被確定后，就可以依據進水閘在流域的引水比例來考量引水后下游河道可能出現的淤積效果，如果洪水沖沙閘底板被掩埋影響，就要調整沖沙閘底板向上直至高出原河床高度的0.5～3m左右，緩解流域上流由于縱坡過緩而導致的環流作用度降低問題。另一方面，沖沙閘在洪水到來時可以兼修泄洪閘的工作，比如說當沖沙閘加高以后，就可以利用洪水實現對彎道內淤積泥沙的沖刷。而在下游，沖沙閘則不能采用消力池這樣的消能工程，而是應該選擇在樞紐的段護坦末端設置深層隔離墻來防止洪水沖擊。

1.2.3 下游河道整治段

而在下游河道，也要防止閘下河道出現淤積現象，應該考慮適當的縮窄河道，以便于提升河道的輸沙能力，讓淤泥等物質能夠被輸送到遠處，不影響水利樞紐的橫向環流。在下游河道整治段，它的長度應該不小于下游穩定河槽寬度的兩倍，這樣才能保證它的輸沙量達到原來的4～6倍。

1.3 人工彎道式引水樞紐的管理及應用

對引水樞紐工程的管理應用一定要正確合理才能起到引水防沙、規避風險的效果，本文介紹了以下3種應用方式。

1)確保閘前環流的穩定形成，根據環流形成的程度來合理開關閘門，讓流域中的主流集中到進水閘與沖沙閘中間，形成孔閘泄流量大于其它各個閘孔的趨勢。

2)盡量減小閘前彎道的有效寬度，保持彎道凸岸原寬過大的引流通道縮窄60%左右，確保主流水流可以固定于凹岸之內。

3)要將樞紐的間歇集中于沖沙和連續泄洪沖沙之間，保持沖刷期大于2～3d，且每天沖刷4h以上。也可以考慮采用可見間歇式集中沖沙形式來節約水量，同時也提高沖沙效率[2]。

2 AMCM水庫風險調度研究

AMCM(Advanced Monte Carlo Method)即傳統蒙特卡洛風險調度管理的改進方法，它能夠解決大型綜合水庫在調度系統方面所面臨的各種問題，比如風險評價與調度等等。AMCM作為改進版，它的主要思路有兩方面：①它是將傳統蒙特卡洛風險調度方法的系統仿真確定性與處理方式改為不確定性的處理方式，并成功引入了不確定因素進行處理分析，這種做法充分體現了系統的真實性。②在系統輸出統計分析過程中，完全引入并簡化了分布函數的求解過程，從而加快了風險評價指標求解方式與模型收斂速度，圖1為基于蒙特卡洛改進方法的風險估計流程圖。

圖1 基于AMCM系統風險估計方法的風險評估流程圖

2.1 基于AMCM方法的風險估計分析

從上圖1可以看出，對大型綜合水庫調度系統的風險估計要從不確定因素，即風險因子的選取和連續變量分布方面尋找突破點，解決問題。一般來說可以利用少量的已知信息來進行分析并確定，所以本文選擇了最大熵這一方法來測算水庫調度風險因子以及其特定變量的概率分布。最大熵的求解方法是超然的，它可以在數據不充分的情況下求解，而且它也可以加速風險估計的節奏，且所預測信息相對準確，實現了對風險未知變量分布形式的快速確定。而且最大熵法對原有的蒙特卡洛方法進行了風險估計流程的改進，如下：

首先，假設A={X1,X2,……,Xk}為系統風險指標集z，其中K表示集合A中的風險因子個數，所以可依照系統工程學的實施原理，來為水庫可能風險進行風險調度模型描述，即：

z=g(X1,X2,…,Xk)

(1)

其次，按照風險因子變量X1(i=1,2,…,K)的分布規律，采用分布函數隨機數的生成方法進行對應隨機樣本的計算分析，并從z公式中得到z樣本zj：

zj=g(x1,x2,…,xk)(j=1,2,…,n)

(2)

再者，在z的可行范圍內做等間距離散點，離散點數量為n，分別用z1,z2,…,zn表示，就可以得到f1(z)與f2(z)兩者間的最大距離D應該為：

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

(3)

假設ε為求解精度，如果D<ε，那么就可以計算水庫調度的風險指標值為：

(4)

式中：F為Z的概率分布函數，而z0則為z的安全上限。

2.2 利用AMCM方法建立水庫泄洪風險估計模型

水庫風險調洪計算相當復雜，應該按照所確定的防洪調度規則來選擇采用恰當的計算方法，這其中就存在許多來自于洪水過程、水文條件以及水庫泄洪能力的不確定性。本文基于AMCM方法為水庫泄洪風險調度建立了模擬模型：

(5)

(6)

式中：ZH就表示水庫大壩的安全水位；h(z)表示了最高調洪水位的密度函數。

2.3 基于風險調度模型求解的水庫泄洪風險計算

因為水庫洪水調度中的全部調洪過程都要涉及到各種不確定因素，所以調洪計算函數很難通過擬合過程獲得，即使利用調洪計算函數，也可能存在精度和具體模型方面的巨大誤差，所以本文就采用了改進后的蒙特卡洛AMCM方法倆進行計算分析。

[Qij](i=1,2,…,n;j=1,2,…,mi)

(7)

式中：mi就表示第i場洪水所經歷的時間，將上述公式改進得到制定頻率p就可以列出演變后的過往洪災資料公式為：

(8)

經過計算發現調洪演算指數為si(i=1,2,…，n)時，就可以選?。?/p>

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

(9)

z=E(zh)

(10)

通過上述計算得到z的樣本為{z1,z2,…,zn}，所以基于AMCM方法對上述步驟進行概率分度保密度的解析，它的表達公式應該為h(z)。因此，當水庫大壩的安全水位為ZH時，依據z的分布密度h(z)就可以得出水庫大壩的泄洪風險率值為：

(11)

也就是說，當水庫發生千年遇洪水時，它的水庫壩頂高程風險率可以通過這一公式來計算，從而得出各種不確定因素在共同作用下所呈現的數據結果。一般而言，水庫調度風險其一來自于調水位時洪汛限制水位附近的波動，其二來自于洪水過程中的諸多不確定因素，因此主要要依據這兩點因素來考慮水庫的風險調度管理設計，精確洪汛模擬模型所演示過程，進而達到規避風險的目的[3]。

3 基于AMCM水庫風險調度理論的水庫泄洪風險算例分析

3.1 計算過程分析

本文選取了淮河流域的X水庫進行算例分析，該水庫大壩在校核洪水頻率方面數值為p0=0.001，而大壩的壩頂高程ZH=130m。本計算過程采用了該水庫從1990—2013年23年的洪水事件資料，并利用隨機模擬模型的方式來計算評價水庫在發生頻率p為p0的洪水時水庫的泄洪風險率。根據已有歷史資料來分析，可以得到X水庫的最大、最小洪峰消減系數應該為：sl=0.25，s2=0.50，根據大量水庫調洪模型的計算與模擬生成可以得到基于樣本z的數據直方圖，如圖2。

圖2 基于水庫調洪模型模擬生成的z樣本數據直方圖

如圖2，如果z的模擬樣本數量超過800時，它的密度函數變化就會減緩，比如說當z模擬100與模擬10000時，當z的模擬樣本超過800時，它的模擬密度函數與10000幾乎一致。因此，就可以得出基于密度函數的模擬樣本表達式：

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

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

圖3為密度函數h(z)與其分布函數H(z)的函數圖形對比圖：

圖3 密度函數與其分布函數的函數圖形對比圖

根據上述算例可得知，如果X水庫發生1000a一遇的洪水時，3.57%就是超過其水庫設計壩頂高程預計的風險率，當然，水庫的風險也來自于各方的不確定因素共同作用，必須通過分析來得出其最主要的原因，比如說由初始起調水位所造成的汛限水位波動，或者是由洪水過程的不確定性所造成的風險，這就需要對洪水訊息進行模擬，并同時基于典型洪災對水庫所產生的危害影響而進行相應設計。

3.2 計算結果分析

基于AMCM的模擬計算對比：根據統計學理論，假設模擬次數為n，通過經驗分布函數sH(z)估計理論來設計分布函數H(z)，然后進行計算：

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

(13)

依據上式可見得，模擬次數在增加過程中，PR也會逐漸朝著分布函數H(z)的對應值逐漸靠近，而且其附近的波動游走率也會逐漸減小。當模擬次數達到10000次時，計算結果就基本能夠達到AMCM800次模擬時所應有的計算水平。

根據隨機模擬方法與本文所提出的AMCM理論對分布函數的擬合效果進行分析。根據分布函數的特點，本文所采用的是柯爾莫哥洛夫檢驗法，即Dn檢驗法?；谏鲜龅腦水庫案例，本方法采用了隨機模擬計算首先得到n=50個壩前最高水位z的數據樣本，并根據z樣本進行從小到大排列，并得到z’，然后計算H(z′(i))。如果n=50，就可以一次計算(i-1)、n，可得下式：

Dn=maxδ=0.1760

(13)

如果顯著性水平α=0.01,那么就可以推算出Dn的值，經計算D50=0.2003>0.1760。所以這就說明基于AMCM理論模型所得到的X水庫壩前水位分布和模擬計算的分布顯著性水平α=0.01具有一致的分布性。

4 結 語

本文基于人工彎道式引水樞紐和改進式蒙特卡洛AMCM模擬方法探析了水庫運行過程中各種風險因素的預防和規避方法，明確了水庫調度風險管理研究的復雜性、規模性、多目標性和非線性。它可能涉及多個學術領域，需要在操作過程中全面考慮風險因素發生的可能性及其危害性的大小。由于現代人類對水庫風險的規避技術還不夠成熟，還不能做到對風險調度方案的精確評價處理，所以基于水庫安全運營的風險調度管理還將是未來很長一段時間人類需要深入研究的重大課題。

[1]王慶,郭德發.新疆人工彎道式引水樞紐的設計與運行[J].人民長江,2004,35(01):13-14.

[2]張驗科.綜合利用水庫調度風險分析理論與方法研究[D].北京：華北電力大學,2012.

TV87

B

1007-7596(2016)08-0169-02

2016-06-21

吳事陸(1980-)，男，遼寧朝陽人，工程師，研究方向為水利水電工程設計、水利工程施工、污水處理等。