1、南水北調中線總干渠防洪風險評估方法的研究摘要：本文以風險理論為根底，提出了先建立二維復合事件風險組合模型，然后再進展兩兩組合，逐步給出整個引水工程防洪風險的估算方法。并以河北省段為例，對該方法進展了應用，結果說明：南水北調中線工程河北省段的防洪風險大約為30年一遇左右，其輸水的平安性是有保證的，這為南水北調中線工程的論證提供了有利的科學根據。關鍵詞：南水北調工程穿插建筑物洪水防洪風險南水北調中線工程是由丹江口水庫引水樞紐、輸水總干渠和沿途省市供水區組成的大型調水工程，跨江、淮、黃、海四大流域到達天津、北京，線路全長1264k。南水北調中線工程是以解決京津及華北地區用水，緩解水資源緊缺為主要目的

2、1。南水北調中線總干渠沿線河流水系興隆，與大小近千條河流穿插。其左側的太行山區和伏牛山區曾發生過“63.8和“75.8兩場國內最著名的特大暴雨，因此，中線總干渠如遭遇超標準的特大洪水而使其中任一座穿插建筑物發生失事時，那么整個工程就可能受到影響，以致被迫中斷運行，并且中線總干渠的走向幾乎與所有穿插河流成正交或斜交之勢而易受到洪水的沖擊。可見，該工程存在許多不確定性和風險因素，特別是引水工程穿插建筑物的綜合防洪風險問題，傳統的水文計算方法很難解決，簡單的概率疊加結果也使許多人疑心該引水工程的可行性。對該問題一直爭論不休，至今尚未達成統一的共識。在南水北調工程即將施行之際，對該問題的認識及評估，已

3、成為工程迫切需要解決的問題之一。1防洪風險估算模型的建立在南水北調工程中線總干渠上，假設有n個穿插建筑物，其設計標準分別為P1、P2、Pn，在暴雨和洪水同頻率的根底上，相應的設計洪水或設計暴雨分別為F1、F2、Fn，那么整個南水北調中線總干渠因穿插建筑物因超標準洪水出現而中斷運行的風險為R=P(F1FP1)(F2FP2)(FnFPn)(1)可見，為了推求上述組合事件的概率，需要各穿插建筑物設計洪水或設計暴雨的n維結合概率密度分布函數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維的結合概

4、率密度分布函數。由數理統計學可知，在各變量的概率密度分布函數f(F1)，f(F2)，f(Fn)均屬正態分布或對數正態分布時，其結合概率密度分布函數f(F1，F2，Fn)等才可能會有函數表達式。而實際上，水文變量大都是偏態分布，特別是暴雨和洪水。這樣當n較大時，在實際水文資料條件下是不可能推求出這些結合概率密度分布函數的。針對上述情況，20世紀80年代初期開始，人們為理解決多項因素共同作用下的風險計算問題，不得不通過模擬技術求解數值解。由于受到計算才能的限制，最初在保證計算精度的前提下，如何減少計算機時就成為重點考慮的問題。因此，BurgundU和GBuher曾提出重點抽樣法ISPUD(iprt

5、anesaplingpredureusingdesign)的模擬技術2。而其應用理論主要包括結合概率法、變量構造法和多元極值理論等，其中變量構造法在分析問題前，需要先確定所研究變量的函數表達式，如JnathanAT曾把區域降雨量表達為其中、是有關參數，xj代表各雨量站的降雨量3。多元極值理論的根據是極值點過程理論，其邊際分布一般為標準Gubel分布。實際降雨過程的復雜性，及水文變量非標準Gubel分布,使變量構造法和多元極值理論的應用，在水文風險計算上受到了很大的限制。為此，朱元NFDA9等人曾討論過二維復合事件的風險計算模型，并用于分析南水北調中線工程的防洪風險問題4。馮平等人也曾研究過暴雨

6、洪水共同作用下的多變量防洪計算問題5。但對于二維情況，根據結合概率理論有p(F1F2)=P(F1)+P(F2)-P(F1F2)(2)其中(3)(4)及(5)式中f(x)和f(y)分別為兩個穿插建筑物設計洪水或設計暴雨的概率密度分布函數，按我國的防洪標準二者均采用Pearsin型分布6，即(6)及(7)而f(y/x)是暴雨或洪水的條件概率密度分布函數，它是由兩部分決定的：(1)在暴雨或洪水x條件下，暴雨或洪水y的條件期望值E(y/x)，它決定了這兩個暴雨或洪水之間的關系；(2)在給定暴雨或洪水x下，暴雨或洪水y在E(y/x)附近的離散分布情況，它是因下墊面情況、暴雨時空分布等諸多不同因素綜合作用

7、的結果，因此由中心極限定理可假定其近似符合正態分布，即(8)假設有足夠的暴雨或洪水資料，(1)部分可以通過建立這兩個暴雨或洪水的相關關系來確定；(2)部分是給定某一暴雨或洪水x下，暴雨或洪水y的條件方差值y/x，也可以通過實測暴雨或洪水資料估算。假設暴雨或洪水資源有限，或上述正態分布的假定難以保證，可以通過冪變換法等方法把x和y正態化處理，并且對正態化后資料系列可采用偏峰檢驗法進展正態化檢驗7。將x和y轉換為正態系列x1和y1后，那么有(9)及(10)式(9)和式(10)中：Ex1和Ey1分別是2個穿插河流的暴雨或洪水正態化系列的均值；x1和y1分別是其均方差；r1是其相關系數。因此(11)兩

8、個穿插建筑物因水毀而中斷運行的組合風險計算問題，就是求解式(1)式(5)給出的二維復合隨機模型，其中式(3)和式(4)可以通過傳統的Pearsin型分布曲線，即通過這2個穿插建筑物的設計防洪標準給出。而式(5)可以采用數值積分方法或ntearl等方法計算。假設采用數值積分方法，式(5)可由下式近似給出：(12)式中：和n分別是概率密度分布函數f(x1)和f(y1/x1)在(x1p,)和(y1p,)區域的離散區間數。按照前述分析，對于南水北調中線總干渠上的穿插建筑物，便可以采用逐漸開展起來的風險分析方法，先建立二維復合事件風險組合模型，然后如圖1所示，對整個總干渠上不同穿插建筑物的防洪風險進展兩

9、兩組合，并在第1層組合的根底上，進展第3層、第4層等的逐步組合，最后就可以給出整個引水工程總干渠的防洪風險。圖1引水工程總干渠的防洪風險估算過程示意轉貼于論文聯盟.ll.2實際應用本文將以南水北調中線總干渠的河北省段為例，來分析論證引水工程總干渠防洪風險的估算方法。南水北調中線工程總干渠自河南省安陽市豐樂鎮西進入河北省后，根本沿太行山東麓和京廣鐵路西側北行，途徑河北省22個縣(市)和石家莊市(郊)，于涿州市西潼村北穿北拒馬河中支進入北京市境內，在河北省境內線路總長461k。并且在河北省境內穿越大小河溝201條，無明顯天然河溝的坡水區36處，共計237條(處)。2.1沿線暴雨、洪水一致區的劃分與

10、確定對于河北省段的237條(處)穿插河流，由于很難搜集到每個穿插河流的洪水或暴雨資料，因此采用了劃分暴雨、洪水一致區的方法，并假定每個一致區內的暴雨和洪水是同頻率的。中線工程總干渠河北省段的237條大小穿插河流，除滹沱河、沙河(北)、唐河、拒馬河上游部分山區外，均處于較大或特大暴雨的覆蓋范圍內。另外，根據歷史暴雨洪水資料統計，中線總干渠河北省段滏陽河中上游山區和大清河中上游山區有兩個明顯的高值區，同時銘河流域、磁河與沙河之間的坡水區及北易水與拒馬河之間的坡水區為相對低值區，說明總干渠沿線各河之間的暴雨洪水有明顯的相關程度，即明顯的區域一致性特征，具備了劃分總干渠沿線暴雨、洪水一致區的根本條件。

11、這樣，根據統計的歷史暴雨分布特點，并考慮穿插建筑物工程構造和設計標準的不同，把總干渠河北省段沿線劃分成了32個暴雨、洪水一致區，在每個區域內選定了相應的典型雨量站。2.2相鄰暴雨洪水一致區之間的相關特征分析針對初步所劃定的32個暴雨洪水一致區的114個典型雨量站，從海河流域水文年鑒和水文數據庫上查得了各典型雨量站的暴雨系列資料?？紤]到各穿插河流的匯流特征，是以年最大24h暴雨為代表系列。該點暴雨系列的最大長度是從19501997年共計48年，最短長度為19621997年計36年。暴雨洪水一致區是根據降雨的空間分特征，及其資料情況盡最大限度來劃定的，因此，通過分析相鄰暴雨洪水一致區之間分區雨量系

12、列的相關特征，是可以用來檢驗暴雨洪水一致區劃分的合理性的。各相鄰暴雨洪水一致區的年最大24h暴雨之間相關系數的計算結果如表1所示。表1相鄰區域年最大24h暴雨系列的相關特征序號系列1系列2系列長度相關系數12345678910111213141516171819202122232425262728293031滏陽河片牛河片銘河一支片銘河片沙溝片南沙河片七里河片白馬河片小馬河片李陽河片河片午河片涕河片槐河片潴龍河片河片滹沱河片滹沱河片滹沱河磁河之間坡水區片磁河片沙河片孟良河片沙河唐河之間坡水區片唐河片曲逆河片界河片漕河片瀑河片中易水片北易水片馬頭溝片拒馬河片牛河片銘河一支片銘河片沙溝片南沙河片七

13、里河片白馬河片小馬河片李陽河片河片午河片涕河片槐河片潴龍河片河片滹沱河片滹沱河片滹沱河磁河之間坡水區片磁河片沙河片孟良河片沙河唐河之間坡水區片唐河片曲逆河片界河片漕河片瀑河片中易水片北易水片馬頭溝片拒馬河片北拒馬河片434348474646404046484141484343484847474848474747474040474343470.8500.7540.8140.8010.8850.8990.8570.8880.7590.7180.7960.8110.9460.9140.9620.8950.6100.6030.8040.5910.7430.8160.8520.7080.8730.835

14、0.8030.7570.7850.6390.723從表1中可以看出，除了銘河、滹沱河、磁河、沙河、唐河、拒馬河等流域面積較大水系中某些河流與相鄰一致區的暴雨相關程度較小外，各相鄰暴雨洪水一致區之間的暴雨相關程度還是很大。上述這些大水系已經單獨劃分為一個區域，這說明所劃分暴雨洪水一致區還是足夠細的，根本可以滿足計算的需要。2.3防洪風險的計算結果對于引水總干渠河北省段，集水面積大于20k2的主要穿插建筑物設計標準均為100年一遇設計，300年一遇校核，而集水面積小于20k2的一般穿插建筑物設計標準均為50年一遇設計，100年一遇校核。這樣，在劃分32個暴雨洪水一致區的情況下，需要經過5層逐步組合

15、計算，就可以給出整個南水北調引水總干渠河北省段的防洪風險值，結果如表2所示。表2穿插建筑物的防洪風險計算結果穿插建筑物的標準暴雨洪水一致區域主要建筑物一般建筑物322216100年一遇300年一遇50年一遇100年一遇28.6年一遇40.8年一遇28.7年一遇42.1年一遇31.2年一遇44.3年一遇2.4不同暴雨洪水一致區的劃分對計算結果的影響為了評估暴雨洪水一致區劃分的多少對計算結果的影響，根據太行山迎風區多年暴雨分布資料，還在劃分22個及16個暴雨洪水一致區情況下，分別計算了防洪設計標準和校核標準情況下的防洪風險值。從表2給出的結果可以看到，在不同數量暴雨洪水一致區劃分的情況下，所得到的

16、防洪風險值雖有一定差異，但仍比較接近。因此，可以說不同數量暴雨洪水一致區的劃分對計算結果的影響是可以承受的，這也說明本文給出的方法是合理的。2.5成果的分析論證在本次研究中，估算出南水北調中線工程河北省段在設計標準情況下的防洪風險為30年一遇左右，在校核標準情況下的防洪風險為41年一遇左右。對這一計算結果的合理性及其與實際情況的符合程度，可以從以下幾個方面加以論證：(1)采用太行山迎風區近200年來實際發生的最大洪水與本斷面洪水頻率計算成果進展比照。在與中線總干渠河北省段穿插的大小河流中，從1794年至今的200多年內，發生接近于300年一遇的特大洪水有4次，其中，17941900年之間有17

17、94、1801年兩次特大洪水，19012000年之間有1963、1996年兩次特大洪水；發生接近于100年一遇的特大洪水有7次，其中，17941900年之間有1849、1853、1871年3次特大洪水，19012000年之間有1917、1939、1963、1996年4次特大洪水。所以，從河北省段近200年來發生的實際特大洪水資料分析可見，發生到達100年一遇和300年一遇量級洪水的重現期大約分別為30年一遇和50年一遇，與本次計算的風險值比較接近。(2)用“63.8洪水的重現期進展比照分析。“63.8洪水是太行山區20世紀有實測資料以來發生的最大洪水，也是國內外最知名的特大暴雨洪水之一，造成的

18、災害極為嚴重?！?3.8這樣稀遇的特大暴雨洪水也只是在獐么暴雨中心區域的大小河流，可滏陽河系的河、南沙河、洛河、槐河產生了接近300年一遇的洪水，在涕河、漕河、瀑河、中易水已接近100年一遇，而在其它河流只是接近或低于50年一遇。因此可以推斷，在南水北調中線工程全線或河北省段發生“63.8這樣的暴雨和超過100年或300年一遇洪水的機率都是稀遇的，所以，中線總干渠大小穿插工程確定的300年和100年一遇的洪水設防標準是一個較高的標準，應該是非常平安的。(3)用京廣鐵路的水毀資料來比照分析中線總干渠穿插工程的防洪風險。由于南水北調中線引水總干渠和京廣鐵路的走向根本一致，位于其西側，因此可以通過分

19、析洪水對京廣鐵路的危害，來間接論證本文的研究結果。京廣鐵路在1963年以前屢次遭遇洪水的破壞，主要原因是：當時鐵路橋涵的防洪標準偏低，泄洪規模偏校1963年洪水后，鐵路部門對京廣鐵路橋逐步進展了改建、擴建。據理解，目前大部分橋孔已到達100年一遇以上的防洪標準。另外，1960年以后，太行山區10多座大型水庫和20多座中型水庫相繼建成，逐步發揮了攔洪削峰的作用?？梢灶A計，今后假設再次遭遇同樣規模的洪水，災情將會比以前減輕。如1996年8月的洪水，滏陽河系的南沙河洪水已接近300年一遇，河、槐河洪水已超過100年一遇，但京廣鐵路當年遭受破壞較輕，火車沒有停運。因此，在現有條件下，只有1963年那樣

20、的大洪水才可能對京廣鐵路可以造成洪水危害。京廣鐵路橋的一般設計標準為100年一遇，校核標準為300年一遇，但其橋孔總長均比中線總干渠穿插建筑物泄洪口門寬度校也就是說遭遇一樣流量的洪水時，京廣鐵路的水毀程度和災情將比中線總干渠穿插建筑物的水毀程度和災情嚴重。因此，考慮到京廣鐵路平安運行的事實，總干渠河北省段的防洪風險應該是可以承受的，本文給出的結果應該是合理的。3結語本文在文獻4給出二維復合事件風險組合模型的根底上，提出了通過對不同區域內的防洪風險進展兩兩組合，逐步給出整個引水總干渠的防洪風險的技術方法。該技術方法巧妙地解決了南水北調中線工程防洪風險計算中的相關性問題，比文獻4假定全線暴雨特性與某一區域相似，然后通過該區域風險進展線性外推給出全線防洪風險的途徑更直觀合理，從而找到了一種計算長間隔 引水工程防洪組合風險的計算方法。并