水力不确定性因素对堤防防洪风险效益的影响.pdfVIP

第1期 水利水运工程学报 No．1 2011年3月 HYDRo．sI口匮NCEAND同Ⅻ习N口强砸、jG Mar．20ll 水力不确定性因素对堤防防洪风险效益的影响 张铭，范子武 (南京水利科学研究院，江苏南京210029) 摘要：常规防洪安全分析认为，水利工程的失事风险主要来自超标洪水，工程失事洪灾风险损失计算也仅考虑 水文频率因素．对堤防工程而言，其漫溢失事风险不仅受洪水等级水文因素的影响，还受河道沿程糙率、初值水 位、局部损失、河道形态、断面面积等水力随机因素的影响．只有综合考虑了水文和水力随机因素综合影响的堤 防T程防洪效益才更为合理和准确．因此，在常规防洪效益计算的基础上，综合考虑河道糙率等多种水力不确 定性因素的影响，构建河道行洪随机微分数学模型，计算不同频率洪水条件下河道行洪的漫溢失事风险率，并 在此基础上构建堤防工程风险效益计算模型．最后，应用沂沭泗流域洪水“东调南下”续建工程对构建模型进行 了验证． 关 键词：河道行洪；随机微分；数学模型；防洪；失事风险；风险效益 中图分类号：’Ⅳ871 文献标志码：A 在流域堤防防洪系统体系规划与建设中，防洪系统的效益计算是核心．目前常用的防洪效益计算方法， 如频率法和年系列法等¨一J，往往仅考虑洪水频率水文因素的影响，忽略了河道沿程糙率、初值水位、局部损 失、河道形态、断面面积等水力不确定性随机因素的影响．河道行洪本质为一随机过程，而相应的防洪效益则 为具有风险意义的随机变量．河道行洪风险率关系着河道行洪能力和堤防高程的确定，而堤防工程防洪风险 效益的计算则涉及到工程投资规模及其防洪效果．目前国内外防洪效益计算模型要么仅考虑水文频率因素 的影响∞-6J，要么通过离散随机模拟的方法来计算J，前者考虑因素不够全面，后者则数理内涵不足．因此， 本文在微分方程理论和概率论的基础上探索构建具有严格数学物理意义的河道行洪随机微分数学模型，通 过对各种随机影响因素的概率模拟和分析，定量计算不同频率洪水的漫堤风险率，并在此基础上，对堤防工 程防洪风险效益进行计算． 1 河道行洪随机数学模型构建 根据圣维南方程求解河道行洪水面线，可不考虑非恒定性的影响，即偏安全地以设计洪峰流量作为各断 面的已知流量推求水面线．忽略时间因素的作用，可得到如下形式的恒定非均匀流水面线基本方程[8】． 耋=譬m埘屿笋 (1) 式中：Q为流量；K为流量模数；a为流速水头系数；孝为局部损失系数；口为流速；石为断面位置．当河道比较 均匀顺直、相邻断面面积变化不大时，式(1)的末项可忽略不记，可简化为： {多x：5北(九戈) (2) 收稿日期：20lO一06—05 南京水利科学研究院青年科研基金(Y10808)；南京水利科学研究院面上基金(Y109001) 作者简介：张铭(1978一)，男，河南内乡人，工程师，博士，主要从事水文水资源、水力学和风险分析等研究． E·mil：zhaJlgrn@llIIri．cn 72 水 利 水 运 工 程 学 报 2011年3月 式中：妒(z(髫)，菇)=Q2／酽．该常微分方程中的函数为确定性变量，可求解确定性的水面线．然而该方法无法 引入河道糙率等随机因素的作用，难以考察水面线的随机性． 河道水面线可用随机过程模型来模拟．在这一随机过程中，确定断面zi处水位是随机变量，其概率分布 析，可将影响水面线不确定随机因素分作3类引入式(2)． (1)随机系数．决定河道边界条件的特性参数对水流运动状态影响显著．其中，河道糙率n是最重要的 随机参数．自然河道的n值可在0．025—0．045之间变化．通常可将系数凡以正态自变量的形式引入式(2)， 1