最新水库调洪过程库水位随机分布特征分析Word下载.docx

最新水库调洪过程库水位随机分布特征分析Word下载.docx

《最新水库调洪过程库水位随机分布特征分析Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新水库调洪过程库水位随机分布特征分析Word下载.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

漫顶风险；

风险传递；

最大熵分布；

随机模拟

Thecharacteristicsanalysisofstochasticprobabilitydistributionsofthereservoirlevelsduringthefloodrouting

XiQiuyi,HuangQiang,WangYimin,Linleilei

（InsituteofWaterResourcesandHydroelectricEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048）

Abstract:

Thederivationofprobabilitydistributionofhighestfloodlevelisakeystepinthecalculationofriskforreservoirflood-controlsafety.Accordingtotheviewpointthatotherintervals’floodlevelsmaybeseenthesamplesofhighestfloodlevelexcludingtheinitialreservoirlevelduringfloodroutingofreservoir,firstly,themechanismofrisktransferinducedbyriskfactorsisanalyzedandtheformulationofintervaldistributionriskisgiven,thentothesameflood,withthestochasticsimulationandMaximumEntropyDistributionmethods,thecharacteristicsofrandomdistributionofreservoirlevelsisfurtherinvestigatedinthepaper.Atlast,takingtheAnkangreservoirasacasestudy,theimplementingprocedureofthesimulationmodelisdemonstrated.Itisshownfromtheexamplethatthehighestreservoirfloodleveldoesn’talwaysconformtothenormaldistribution,andithasn’tageneraldistributionforminallreservoirs,theanalysisshouldbetakenforvariousreservoirsandinflowfloodsinpractice.

keywords:

floodrouting;

overtoppingrisk;

risktransfer;

MaximumEntropydistribution;

Stochasticsimulation

1引言

水库是重要的防洪工程措施，一方面可减轻水资源短缺和水库下游遭受洪灾等风险，另一方面又不可避免地形成了大坝失事的新风险。

大坝失事具有损失巨大，后果严重，发生概率低的特点。

对于水库大坝的一种极值荷载情况——极值洪水作用下的防洪安全（漫坝）风险进行评估，国内外已做过广泛的研究[1-4]，在对风险因素的认识和描述以及计算方法上都取得了很大进展。

根据水库防洪安全风险的定义，计算漫坝风险，需要知道水库调洪最高水位的概率分布和坝顶高程（或防浪墙高程）的概率分布，坝顶高程（或防浪墙高程）的概率分布相对比较容易确定，而水库坝前调洪最高水位由于实际资料较少，且往往不包括极值洪水，代表性不足，理论分布常常难以确定。

吴世伟、张思俊[5]等采用K-S非参数检验法检验了我国82座具有19年运行资料的水库坝前年最高水位，认为一般水库的坝上游年水位峰值的分布规律为正态分布或对数正态分布，少数湖泊型水库的库水位峰值分布规律为极值I型分布或正态分布。

丁晶、邓育仁等[6]统计分析了160座遍及我国大部分地区和各大江河，代表各种不同类型、性能的水库的坝前年最高水位系列，认为坝前年最高水位变量分布呈现负偏，可视作服从P-III型分布和三参数的对数正态分布，推荐用三参数的对数正态分布来表征。

熊明[7]则认为坝前水位序列是受人类活动影响的序列，其能否符合一般的理论分布是一个值得探讨的问题，直接采用曲线拟合方法推求这些序列的分布缺乏必要的科学依据，建议通过模拟的方法，推求其经验分布来代替理论分布。

麻荣永[8]在计算土石坝的漫坝风险时，假定由确定的一场洪水引起的坝前最高水位服从于正态分布。

姜树海，范子武等[2,4]采用随机微分方程计算水库的泄洪风险时，依据的前提是水库蓄洪量的变化符合Wiener过程的定义，Wiener过程同时是正态过程，因此，实质上也认为坝前调洪最高水位服从正态分布。

综合上面研究成果，可以看出，多数学者认同直接分析实测资料的统计方法，但该序列是否具有理论分布或服从何种常用理论分布存在分歧，坝前年最高水位的分布在各水库有没有通用性，过去研究也没有予以回答。

坝前调洪最高水位取决于入库洪水大小和调洪过程。

从调洪演算的过程看，水库调洪最高水位的随机变化，是由调洪最高水位出现前逐时段风险因素的随机影响经过累积和抵消作用形成的，调洪演算其余时段库水位的随机变化类似于最高水位，来自于其各自时段前面时段风险的传递，只不过传递的时段数不同，从而，各时段（初时段除外）库水位的随机分布特征可看作是调洪最高水位随机分布特征的一个实例，因此，研究和描述水库调洪演算全过程库水位的随机分布特性和风险传递机理，可以用来推求坝前调洪最高水位的概率分布，具有理论上与实用上的价值。

本文基于这种研究思想，采用随机模拟调洪演算，结合最大熵分布的理论方法建立了调洪演算过程库水位随机分布计算模型，通过求解此模型，获得调洪过程库水位的随机分布特征，以进一步探讨坝前年最高水位的概率分布和水库自身的防洪风险计算问题。

2水库调洪演算过程风险传递分析与计算

2.1水库调洪演算过程的风险传递分析

水库调洪演算是对入库洪水在水库滞蓄作用下的出库变形过程和在此期间库水位变化过程的数值模拟，其依据的基本资料有设计洪水过程、泄洪建筑物的泄流能力曲线、水位库容关系和防洪调度规则等资料，通常采用的计算方法有试算法和数值调洪方法（最早由陈守煜教授提出），水库调洪演算广泛应用于水库规划设计和调洪方案的模拟中。

传统水库调洪演算过程是一确定过程，不考虑调洪所依据各种资料的不确定性，从而当调洪演算成果用于设计和运行管理时，带有一定程度的风险。

综合考虑调洪演算基础资料中水文、水力以及调度规则，初始条件等不确定对调洪演算的影响，用随机的观点审视调洪演算过程，对于改进设计成果，合理评估水库大坝的防洪安全均有良好的指导作用。

严格意义上的水库水量平衡方程是微分方程，而该方程很难采用解析方法求解，通常的做法是采用差分的方式求其近似解。

这样，水库调洪演算过程在具体实现时是一个离散的逐时段求解过程。

随着调洪过程中入库与出库水量的差异和调洪过程中各种风险因素的影响，水库蓄水量W的变化过程，显然是一随机过程，任意调洪时段

的蓄水增量ΔW不仅相互独立，且整个变化过程具有Markov过程的性质，即任意时刻蓄水量W（tn）的条件概率，仅与最近的值有关，而不依赖于水库较早时的蓄水量值，可用下式表示：

（1）

其中，f（Wn,tn|Wn-1,tn-1）为条件转移概率密度函数。

根据以上水库蓄水过程的性质和水量平衡公式：

（2）

用随机的观点可以看出，调洪时段末水库蓄水量的不确定性来自于两部分，一是来自于调洪时段初水库蓄水量的不确定性，另一来自于当调洪时段蓄水增量的不确定性。

调洪时段初水库蓄水量的不确定性又来自于前一时段水库蓄水增量的不确定性和前一时段初水库蓄水量的不确定性，依次累推，则某调洪时段末水库蓄水量的随机变化，是由初始调洪时刻水库蓄水量在调洪过程中，逐步传递和抵消该调洪时段前各时段蓄水增量的随机不确定性而引起的。

水库水位与蓄水量存在着对应关系，对水库蓄水量随机变化的分析，很容易拓展到水库水位的随机分析。

由此可以得出：

调洪演算过程中，由于调洪所依据资料的不确定性，致使库水位的演算结果呈现出随机性，库水位的变化过程是一随机过程。

这里需要注明的是调洪演算模型的不确定性在本研究中不予考虑。

调洪模型的不确定性来自于用公式或方程表达水库洪水调节物理变化过程所做的概化，本文认为在资料准确的前提下，数值调洪演算真实模拟了水库洪水蓄泄过程。

2.2水库调洪演算时段风险计算公式

水库数值调洪演算方程（Euler法）如式（3）所示：

（3）

其中：

hn-1,hn分别表示时段n-1的初、末水位；

In-1,Qn-1分别表示时段n-1的入库流量和出库流量；

A（hn-1）表示库水位hn-1对应的水面面积；

Δt表示调洪时段步长。

将式（3）转换成极限状态方程，则有：

（4）

若G<

0则表示破坏，表明在当前时段末实际水库水位超过了预期调洪水位，存在着风险。

本时段的末水位又是下一时段的初水位，当前时段风险通过时段末水位传递到下一时段，下一时段又传递到再下一时段，依次累推，实际调洪最高水位则存在大于模拟调洪最高水位的风险。

当前时段的风险可按下式计算：

（5）

其中，

表示当前时段的风险；

表示当前时段的分布风险；

表示上时段的传递风险；

表示当前时段的风险与当前时段的分布风险和上时段的传递风险之间的函数关系。

当前时段库水位变化的概率分布是在时段初水位确定下的概率分布，即以时段初水位为条件的条件概率分布。

在入库洪水确定的情况下，导致当前时段的分布风险的风险因子有两个，出库流量Q和水库水面面积A（h），这两个风险因子可看作是相互独立的，并且均服从于正态分布。

当前时段风险的表达式如下：

（6）

若分别用随机变量X1，X2代替出库流量Q和水面面积A（h），用a代替入库流量I，b代替

，令：

（7）

（8）

那么，

（9）

（10）

则

（11）

当前时段下泄流量Q和水面面积取决于时段初库水位，由于当前时段初库水位的风险（即上一时段的传递风险）与当时段的分布风险之间的函数关系无法确定，对于这种风险变量存在复杂影响机制的问题，采用随机模拟的方法，模拟时段初库水位与水位增量变化的组合关系，显然在处理这种问题时有很大的优势。

下节将通过随机模拟的思想，进一步研究风险变化问题。

3水库调洪过程库水位的随机分布特性分析

对于水库调洪过程库水位的随机分布的分析