（水文學及水資源專業(yè)論文）大渡河樞紐的供水風險及可靠性分析.pdf

摘要 論文結合南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水區(qū)的實際情況，根據(jù)工程調(diào)水規(guī)劃初步 方案，對大渡河樞紐供水的風險及可靠性進行了定量的分析。主要研究工作和成 果如下： ( 1 ) 從水文風險和社會風險兩方面討論了風險的組成，給出了風險分析的 功效函數(shù)、可靠性指標。闡述了基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計以及可靠性數(shù)學分析理論 方法的風險分析方法，將徑流模擬方法與風險分析方法結合在一起，對樞紐供水 輸出的風險和可靠性進行評估。 ( 2 ) 探討了徑流系列的組成及隨機模擬方法。通過對徑流系列模擬方法的 研究，充分分析了入庫徑流的不確定性對供水的影響，分別采用宣回歸模型耱 t h o m a s f i e r i n g 模型，成功地模擬了大渡河流域上枉柯、亞爾堂和克櫥三個壩址 的長系列逐月徑流量。 ( 3 ) 研究了南水北調(diào)西線工程大渡河樞紐三座水庫的供水風險和可靠性。 從影響樞紐供水的不確定性因素入手，考慮入庫徑流的隨機特性以及水庫上下游 經(jīng)濟社會的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境用水等因素，從可靠性、恢復性和事故周期三個方面 對樞紐供水的風險因素進行了研究。 研究結果表明：在多年調(diào)節(jié)情況下，大渡河流域上杜柯、亞爾堂和克柯三座 水庫的供永可靠性均可達9 3 8 以上，瑟如果采用小方案調(diào)水時可靠性可達 9 7 4 以上。說明南水北調(diào)西線工程大渡河樞紐規(guī)劃的調(diào)水量是合理的，樞紐的 供水還是比較有保證的。 關鍵詞：南水j 藝調(diào)謠線大渡河樞紐隨機模擬供水風險分新可靠性分析 a b s t r a c t ih ea i mo ft h i sr e s e a r c hi st oe v a l u a t et h er i s ka n dr e l i a b i l i t yo fd a d u h ef i v e r h y d r o - j u n c t i o na c c o r d i n gt ot h eb l u ep r i n to ft h es o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t t h em a i nw o r ka n dr e s u l ta r ei i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t oa c h i e v et h i sg o a l ，t h eo r i g i no fu n c e r t a i n t yi sa n a l y z e da n dh o wi ta f f e c t s t h eo u t c o m eo fw a t e r - s u p p l ys y s t e mi sd e s c r i b e df r o mt h ea s p e c to fd a t ai n p u t ，m o d e l s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s t o c h a s t i cp r o c e s s ，p r o b a b i l i t ym a t h e m a t i c a l ，a n dr e l i a b i l i t y m a t h e m a t i c a lt h e o r ya r ea p p l i e da sa n a l y z i n gt o o l st oc o m b i n et h em e t h o do fr u n o f f s i m u l a t i o na n dr i s ka n a l y s i s ( 2 ) t h ec o m p o s i t i o na n ds i m u l a t i o no ft h er u n o f fh a sb e e ni n t r o d u c e d h o wt h er u n o f f u n c e r t a i n t ya f f e c t st h ew a t e r - s u p p l yh a sb e e nf u l l ya n a l y z e db yt h er e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o n m e t h o d y e a rr u n o f fa n dm o n t hr u n o f fo fd a d u h er i v e r st h r e eb r a n c hh a sb e e n s u c c e s s f u l l ys i m u l a t e d ，a n dt h el e n g t hi s3 0 0 0 0y e a r s ( 3 ) t oa n a l y z et h er i s ka n dr e l i a b i l i t yo fd a d u h er i v e rh y d r o - j u n c t i o n t h e r ea r e t h r e ea s p e c t s ：r e l i a b i l i t y ，r e c o v e r ya n dp e r i o d a n ds t o c h a s t i cp r o c e s s ，e c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，p r o j e c ta n de n v i r o n m e n ts h o u l db ec o n s i d e r e d t h er e s u l to ft h er e s e a r c hi n d i c a t e sw a t e rr e q u i r e m e n ti nt h et r a n s f e rp r o j e c ti s r e a s o n a b l e a f t e rm u l t i - y e a rr e g u l a t i o n ，w a t e r - s u p p l yr e l i a b i l i t yo ft h er e s e r v o i ri s a b o v e9 3 8 i fu s i n gt h es m a l lw a t e rr e q u i r e m e n t w a t e r s u p p l yr e l i a b i l i t yo ft h e r e s e r v o i ri sa b o v e9 7 4 k e yw o r d s ：w e s tr o u t eo fs o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，d a d u h er i v e r h y d r o - j u n c t i o n ，s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n ，w a t e r - s u p p l yr i s ka n a l y s i s ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤鲞盤堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名： 讕f 延 簽字同期：妒彩年石月 2 同 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解丕盜盤堂 有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權丞鲞盤堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名： 調(diào)牝 簽字同期：妒啄年 月2 | r 翩虢場今 簽字r 期：9 - 口島年6 月2 - r 第一章緒論 1 1 研究的背景和意義 第一章緒論 水是人類社會以及地球生物生存的基礎，是基礎自然資源，是生態(tài)環(huán)境建設 的控制因素，同時又是戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源。地球上水的儲量很大，但可利用的淡水 資源只占到了2 5 ，其中可供人類使用的淡水不足1 。據(jù)專家估計，全球陸地 上可更形的淡水資源約4 2 7 5 萬億m 3 ，其中易于使用的約1 2 5 1 4 5 萬億m 3 。按 1 9 9 5 年人口統(tǒng)計，全球人均淡水資源約7 4 5 0 m 3 人，其中易于使用的淡水人均約 2 1 8 0 - - 2 4 4 0 m 3 人i l j ?？梢姡厍蛏系牡Y源是有限的。從1 9 4 0 1 9 9 0 年的5 0 年間，全球總用水量增加了4 倍。1 9 9 5 年全球用水總量己達到了3 6 0 0 0 億m 3 ， 人均用水6 2 8 m 3 ，約占易用淡水資源量的2 7 - - 3 0 。據(jù)估計未來的2 5 年內(nèi)，全 球人口新增加2 0 - 3 0 億，為新增人口提供糧食所需的灌溉水將增加1 5 - - 2 0 ， 而現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉用水占到了全球總取水量的7 0 以上，水將是糧食生產(chǎn)、人類發(fā) 展和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一個關鍵性限制因素【2 j 。 經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展和人口的增加帶來水需求增加的同時，也對生態(tài)環(huán)境帶 來了一定的壓力，水資源不合理開發(fā)和調(diào)配帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。如： 河流水體的污染和富營養(yǎng)化、河川斷流、湖泊萎縮、土地沙漠化、耕地鹽堿化、 植被退化、綠洲消亡、地下水漏斗擴大、海水入侵等。人類活動在需要水的同時 產(chǎn)生廢水，減小了水資源的可利用量和水環(huán)境承載能力，進一步加重了水資源的 短缺現(xiàn)象【j 剖。 南水北調(diào)工程是在水資源可持續(xù)發(fā)展的基礎上，最大可能地從空間上和時間 上調(diào)配水資源，以滿足經(jīng)濟社會對水資源的需求，它需要從水資源系統(tǒng)科學的觀 點出發(fā)，將經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)通過水資源調(diào)配手段有機地耦合在一起，構 成一個有機整體：社會一經(jīng)濟一環(huán)境和水資源系統(tǒng)，以確保社會效益、經(jīng)濟效益 和環(huán)境效益的和諧統(tǒng)一，追求水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展的最終目榭7 。引。 這是一個復雜的綜合大系統(tǒng)，涉及水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟等不同子系 統(tǒng)和不同層面的多維協(xié)調(diào)關系，是一個典型的半結構化、多層次、多目標的群決 策問題【9 】。需要對區(qū)域的自然、地理、水資源、技術、經(jīng)濟、國家政策等多方面 進行研究，是包含了水文學、環(huán)境科學、管理科學、經(jīng)濟學、工程學等多學科在 內(nèi)的綜合體，受到諸如區(qū)域地理位置、氣候季節(jié)變化、降水、流域下墊面狀況( 植 被、土壤種類) 、水質(zhì)、流域內(nèi)人類活動、區(qū)域蓄水量、供水能力、水庫庫容、 第一章緒論 防洪、政策法規(guī)、資源技術理論以及管理水平的局限等諸多因素的影響和制約【l 0 1 ， 這些方方面面的因素及其不確定性都給南水北調(diào)帶來了難度，同時也對樞紐供水 輸出的可靠性帶來了影響。因此在南水北調(diào)工程中必須要認真分析樞紐內(nèi)部的組 成及其相互關系，并考慮樞紐供水的不確定因素對樞紐調(diào)配的影響，尋求合理的、 可持續(xù)的方案l l1 1 。 南水北調(diào)西線工程，是從長江上游干支流調(diào)水入黃河上游的跨流域調(diào)水重大 工程，是補充黃河水資源的不足，解決我國西北地區(qū)干旱缺水問題的重大戰(zhàn)略措 施，是支撐我國西部大開發(fā)和西北地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大基礎設施，也 是為黃河流域和鄰近的河西走廊、黑河、石羊河等地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善提供水資源 保證的重要途徑，與黃河治理開發(fā)關系密切，也是我國“四橫三縱”南水北調(diào)總 體戰(zhàn)略布局的重要組成部分。 南水北調(diào)西線工程分三期實施，從青藏高原冰川退縮的長江上游的通天河、 雅礱江、大渡河調(diào)水，其中一期工程調(diào)水4 0 億m 3 ，二期工程調(diào)水5 0 億m 3 ，三 期工程調(diào)水8 0 億m 3 ，合計1 7 0 億m 3 。 西線工程從長江上游大渡河、雅礱江、通天河上筑壩建水庫，采用隧洞穿過 巴顏喀拉山，向黃河上游補水。其中大渡河、雅礱江支流線路被稱為達曲一賈曲 聯(lián)合自流線路。 南水北調(diào)西線工程的調(diào)水區(qū)水源和生態(tài)環(huán)境影響問題，是工程規(guī)劃設計與運 行調(diào)度的重大基礎命題，也是工程利益相關者爭論的焦點問題之一。應系統(tǒng)、客 觀、公正、科學地就西線工程調(diào)水區(qū)水源和生態(tài)環(huán)境影響的風險及可靠性進行定 量評估，并對相關影響提出可行的調(diào)控方案，維系著西線工程的科學設計與運行 調(diào)度，以及區(qū)域的社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展。本論文將以西線一期工程的大渡河調(diào)水 區(qū)為研究區(qū)，緊密圍繞規(guī)劃調(diào)水方案情勢，并考慮調(diào)水區(qū)當?shù)氐膹搅髑闆r及生態(tài) 環(huán)境需水情況，對西線工程調(diào)水區(qū)水源的供水風險及可靠性進行分析評估。 1 2 樞紐供水風險及可靠性的研究進展 1 2 1 國內(nèi)研究進展 水資源的復雜性和不確定性一直是水問題研究中眾所周知的科學難點問題， 廣泛存在著隨機性、模糊性、未確知性。多年來國內(nèi)學者和專家從多角度、多方 位，對樞紐供水的不確定性進行了不同的廣度和深度的相關研究。從國內(nèi)的研究 文獻來看，基于水資源領域的不確定性研究主要集中在降水一徑流模型、洪水頻 率估計和分析計算、水庫調(diào)度、水質(zhì)模擬、預測、以及地下水的流動和運移等方 第一章緒論 面，這些研究分別從模型的結構、參數(shù)和模型數(shù)據(jù)的輸入方面分析了其不確定性 對輸出結果的影響【1 3 】。 處理各種不確定性已有了各自的數(shù)學方法。處理隨機性的數(shù)學方法是隨機理 論與概率統(tǒng)計；處理模糊性的數(shù)學方法是模糊數(shù)學；處理末確知性的數(shù)學方法是 未確知數(shù)學。但在實踐中常常遇到在同一個樞紐中幾種不確定性同時出現(xiàn)或交叉 出現(xiàn)的情況。因此，研究綜合處理不確定性的數(shù)學方法一不確定性數(shù)學是非常 必要的。不確定性數(shù)學是以概率統(tǒng)計、模糊數(shù)學、未確知數(shù)學為主體，四方面密 切相關、互相滲透組成的數(shù)學體系1 1 4 j 。 不確定性一直是水庫設計和調(diào)度中存在的固有特征，2 0 世紀5 0 年代以來，以 數(shù)學規(guī)劃技術為代表的各種新方法廣泛應用于水庫調(diào)度模型研究，但在水庫實時 調(diào)度的應用中仍然存在困難，其主要原因可以歸結為：為了保持數(shù)學上的正確性 或者形式上的標準化，數(shù)學規(guī)劃技術通常以許多嚴格的假定和前提為基礎，無法 真實地反映水文的不確定性、調(diào)度模型的不確定性等1 1 5 j 。王才君等在分析三峽水 庫汛期調(diào)度不確定性時發(fā)現(xiàn)，水庫流量預報不確定性是影響三峽水庫圍堰發(fā)電期 調(diào)度的主要因素，水位庫容關系曲線不確定性次之，而水位流量關系對調(diào)度結果 影響甚劍1 6 】。曹永強等針對水庫供水調(diào)度系統(tǒng)存在的隨機性、不確定性和模糊性， 從單目標和多目標兩方面對供水調(diào)度系統(tǒng)進行模糊隨機可靠性分析，提出了基于 模糊隨機可靠性的水庫調(diào)度系統(tǒng)管理決策方法【1 1 刀。姜樹海等將短期洪水預報精度 評定指標轉(zhuǎn)化為入庫洪水過程的隨機特征值，并引起水庫調(diào)洪演算隨機數(shù)學模 型，將水文預報風險向預報調(diào)度風險的轉(zhuǎn)化，為合理選擇動態(tài)的汛限水位提供了 科學的依據(jù)| l 引。趙經(jīng)華等認為洪水過程不確定性，包括洪峰位置的不確定性和洪 量的不確定性，是引起水庫泄洪風險的一個重要因素，當考慮洪水過程不確定性 是所計算得到的泄洪風險比不考慮洪水過程不確定性泄洪風險大大降低l l9 | 。蔡華 等針對洪水預報中單位線選擇的不確定性問題，利用模糊綜合決策理論，提出一 種對匯流單位線的選擇進行多因素綜合評判的方法，并以模糊綜合評判指標作為 選擇單位線的依據(jù)，取得了令人滿意的效果【2 們。 陳元芳在隨機模擬法與傳統(tǒng)方法推求設計防洪庫容優(yōu)劣的初步研究中，在設 定總體洪水隨機模型的前提下，利用m o n t e - c a r l o 方法對隨機模擬法及傳統(tǒng)方法 推求設計防洪庫容優(yōu)劣作了初步對比研究。計算結果初步表明，在模型形式正確 的情況下，隨機模擬法比傳統(tǒng)法更能提高設計防洪庫容的計算精度，同頻率法推 求設計防洪庫容精度比同倍比法一般要好1 2 1j 。 供水系統(tǒng)的可靠性研究則主要集中在系統(tǒng)缺水風險分析上，有很多的研究實 例，韓宇平等以系統(tǒng)分析的思想為基礎，考慮來水和用水的不確定性，利用地表 水和地下水聯(lián)合調(diào)配數(shù)學模型，在概率論數(shù)學理論的基礎上，采用隨機模擬技術 第一章緒論 對串聯(lián)水庫聯(lián)合供水的風險進行定量描述，對區(qū)域水資源調(diào)配決策具有參考意義 【2 2 - 2 3 】 o 在水資源調(diào)配方面，針對水資源系統(tǒng)多屬性不確定性決策問題，提出了可用 于研究調(diào)配方案排序的機會約束模型法，該方法既可恰當處理多屬性區(qū)間值的不 同隨機分布假設，又可考慮決策者對綜合評價值的期望水平，避免了對復雜的綜 合評價值隨機分布的簡單化處理，對于復雜的多隨機變量機會約束模型，使用基 于隨機模擬的遺傳算法可以有效地獲得問題的解，且最終方案排序合理。 在水資源風險管理方面，馮平等人也曾研究過供水系統(tǒng)干旱期供水的風險管 理問題【2 4 j 。 1 2 2 國外研究進展 在國外，大型工程的風險分析主要采用事故樹方法。其實質(zhì)是根據(jù)工程的特 點，找出各種可能導致工程失事的基本致因事件，求出各個致因事件的發(fā)生概率， 最終根據(jù)概率組合理論求出工程失事的概率，即風險值。 從國外的研究文獻來看，降水徑流的不確定性研究主要在對模型的參數(shù)和模 型結構以及模型數(shù)據(jù)輸入的不確定性分析方面，v i j a yp s i n g h ( 1 9 9 5 ) 認為模型參數(shù) 的不確定性可以由于模型結構和輸入數(shù)據(jù)的不確定性而引起，并且三者共同帶來 了模型輸出的不確定性1 2 5 1 。t um i n 發(fā)現(xiàn)2 0 世紀早期河道水利工程( 包括閘、河 流航道化、壩) 的建設使得荷蘭m e u s e 河流域支流的夏季河道的低流量相對增大， 而冬季的洪峰流量有所減少【2 6 | 。 樞紐供水的不確定性分析是提高樞紐供水綜合管理的根本途徑，文獻研究表 明，運籌學、網(wǎng)絡技術、信息技術、大型數(shù)據(jù)庫、非線性科學技術、系統(tǒng)工程理 論等方法均被應用到其中口。7 1 。樞紐供水的不確定性來自系統(tǒng)內(nèi)的模糊性、隨機性 及未確知性因素，不同類型的不確定性需采用相應的風險計算模型，目前樞紐供 水的不確定性分析在理論上分別設計了概率論數(shù)學理論、模糊數(shù)學理論等研究方 法【2 8 1 。 從樞紐供水的輸入、輸出以及樞紐內(nèi)部結構三方面組成來看，既存在確定性 一面，又存在不確定性一面。一般來講，樞紐供水的不確定性來自三個方面：其 一是樞紐輸入存在的不確定性；其二是樞紐內(nèi)部結構本身存在的不確定性；其三 是樞紐輸出存在的不確定性。因此，在研究樞紐供水時，不可避免地會遇到不確 定性的處理問題。應該正確理解樞紐供水中存在的不確定性，不能一遇到有關不 確定性問題，就把它概化成簡單的確定性問題，而應該對不確定性問題采取合理 的處理方法，使之更切合實際。 正是由于樞紐供水中客觀存在著不確定性，這就要求人們不僅要科學合理地 第一章緒論 對待不確定性，而且要在實際應用中，識別、評估不確定性因素帶來的風險，并 在此基礎上優(yōu)化組合各種風險管理技術，作出風險決策，包括樞紐供水風險規(guī)劃 與管理，對風險實施有效的控制和妥善處理風險所致?lián)p失的后果，以期以最少的 投入獲得最大的安全保障1 7 。 從上述介紹可見，供水的風險規(guī)劃和管理問題，在國內(nèi)外都已得到了高度的 重視，并在實際中得到了廣泛的研究和應用。但由于該問題涉及的因素眾多且錯 綜復雜，不同的研究對象都有各自不同的特點，因此風險分析的方法都是隨著研 究對象的不同而變化，很難形成固定的研究或應用模式，即目前存在的主要問題 是研究對象大多針對某些風險要素相對獨立的實際問題或方法，都帶有一定的局 限性。也就是說風險分析的方法和途徑只能根據(jù)研究對象的特點，具體問題具體 分析來確定。 1 3 研究的主要內(nèi)容 西線一期工程的調(diào)水區(qū)涉及雅礱江支流上的阿安和仁達，以及大渡河上的上 杜柯、亞爾堂和克柯等5 座引水樞紐，它們分別對雅礱江支流達曲和泥曲，以及 大渡河的上杜柯河、克柯河和阿柯河等5 條水系的來水進行調(diào)節(jié)。對這些調(diào)水量 的配置系統(tǒng)，將在識別諸多風險因素的基礎上，通過對調(diào)水量和調(diào)水區(qū)當?shù)厮Y 源的行為規(guī)律和反應機制的分析、及缺水風險行為和性態(tài)的分析，對主要的風險 因素從兩個維度，即從時間維和空間維進行定量描述風險事件發(fā)生的概率和可能 后果。也就是通過所提出的供水樞紐的缺水風險評估方法，引入供水風險、供水 可靠性、供水恢復性和供水事故周期等風險分析指標，建立供水樞紐風險評價指 標體系。在不同保證率的來水和調(diào)水區(qū)當?shù)貜搅鳁l件下，對調(diào)水方案的風險狀況 進行評價。其研究成果對于西線工程調(diào)水區(qū)的水資源風險管理具有重要意義。 課題主要開展以下三個方面的研究： ( 1 ) 南水北調(diào)西線工程大渡河樞紐的風險識別 ( 2 ) 引水樞紐徑流系列的隨機模擬 采用a r ( p ) 模型和t h o m a s f i e r i n g 模型，模擬各引水樞紐的年、月徑流量。 ( 3 ) 綜合考慮一期調(diào)水區(qū)大渡河三條支流的水量、上下游需水量和生態(tài)環(huán) 境需水量的可持續(xù)發(fā)展的供水風險和可靠性分析 通過所提出的供水樞紐的缺水風險評估方法，引入供水風險、供水可靠性、 供水恢復性和供水事故周期等風險分析指標，建立供水樞紐風險評價指標體系。 根據(jù)水庫的調(diào)度原則，以可靠性數(shù)學分析方法來確定整個樞紐的風險及可 靠性。 第二章大渡河流域基本概況 第二章大渡河流域基本概況 2 1 南水北調(diào)西線一期工程概況 南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水區(qū)位于青藏高原東部邊緣地帶，研究范圍在北緯 3 0 0 4 5 - 3 3 0 5 0 ，東經(jīng)9 8 。4 5 ， 1 0 2 0 5 0 內(nèi)，工程涉及面積近4 9 1 5 5 k m 2 ，東到阿壩， 西至甘孜，南到道孚，北到班瑪，引水樞紐海拔3 5 0 0 m 左右，由北至南分布于大 渡河支流阿柯河、瑪柯河、杜柯河和雅礱江支流色曲、泥曲、達曲上；雅礱江甘 孜以上為上游，甘孜至大河灣為中游，大河灣以下為下游；鮮水河為雅礱江中游 較大支流，在雅礱江上游兩河口處匯入雅礱江。鮮水河上游分為兩支，分別為達 曲和泥曲。大渡河瀘定以上為上游，其中雙江口以上為河源區(qū)，瀘定到銅街子為 中游，銅街子以下為下游。大渡河河源分為東西兩源，東源為足木足河，西源為 綽斯甲河。足木足河上游分為兩支，即麻爾曲和阿柯河；綽斯甲河上游也分兩支， 即色曲和杜柯河。輸水線路過分水嶺串連上述支流引水樞紐，在黃河支流賈曲出 流，工程主要在四川省甘孜、色達、壤塘、阿壩縣，青海省的班瑪和甘肅省的瑪 曲縣境內(nèi)。東距成都約4 0 0 k m ，北距西寧約7 5 0 k m 。 大渡河調(diào)水河流地區(qū)及輸水線路位于整個調(diào)水地區(qū)的東部，區(qū)內(nèi)加塔一燈塔 一阿壩一線北部為丘陵高原地貌，海拔約在3 6 0 0 - 4 5 0 0 m 之間，河流迂回曲折， 兩側有較多的沼澤分布。加塔燈塔一阿壩一線南部，為山塬地貌，山頂仍具有 丘原特征，但河谷深切，由北向南，嶺與谷相對高差逐漸增加。大渡河調(diào)水地區(qū) 除河源較高山地有零星島狀凍土分布，其它多為季節(jié)性凍土。 大渡河流域徑流主要由降水補給，冰雪融水也占相當比例。一般11 月至次 年3 月為枯水期，降水稀少，且以降雪形式為主，徑流來源主要由地下水補給； 4 月5 月為豐、枯過渡期，徑流為融雪及春季降雨補給，6 月1 0 月為豐水期， 該期間以降雨為主，是全年徑流的主要形成期。地下水一般為降水、融水滲入地 表和地殼深部而成。為便于徑流補給的定量分析，常以雨水、融水、地下水3 種 形式進行徑流劃分。由于地下水來源于雨水、融水，在劃分中必然有些重復。大 中河流的補給形式常為混合型，很難出現(xiàn)單一的補給形式 2 9 1 。 一 南水北調(diào)一期工程河流和壩址分布如圖2 1 所示。 第二章大渡河流域基本概況 圖2 1 南水北調(diào)一期工程河流和壩址分布 2 2 大渡河基本概況 2 2 1 自然地理概況 大渡河是金沙江左岸岷江的最大支流，于樂山市匯入岷江，岷江又于宜賓市 匯入長江干流。大渡河干流全長1 0 6 2 k i n ，流域面積7 7 萬k m 2 ，河口處多年平均 徑流量4 9 5 億m 3 。 大渡河是長江的二級支流，位于四川省西部，古稱沫水。發(fā)源于青海省境內(nèi) 的果洛山東南麓，東源有阿柯河和麻爾柯河，于阿壩南部匯合后稱足木足河；西 源有多柯河和色曲河，于垠塘南部匯合后稱綽斯甲河。足木足河與綽斯甲河匯合 后稱大金川，是大渡河主流，南流至丹巴同來自東北的小金川匯合后稱大渡河。 在石棉縣折向東流，到樂山市草鞋渡納青衣江后入岷江。流域內(nèi)溝谷縱橫，支流 眾多，干支流之間組合呈羽狀水系。水力理論蘊藏量豐富，可開發(fā)裝機2 3 3 6 8 萬千瓦，其中干流別格爾至樂山市長5 8 4 k m ，天然落差2 7 8 8 m ，水力蘊藏量2 0 7 5 萬千瓦，是水能資源比較集中的河段。已建有龔咀水電站，裝機7 0 萬千瓦，最 終擴大到2 1 0 萬千瓦；銅街子電站，裝機6 0 萬千瓦，已被列為中國水電能源十 大基地之一。根據(jù)新的河流梯級開發(fā)規(guī)劃，大渡河干流由2 2 級梯級電站組成， 自上而下分別為：下爾呷、巴拉、達維、卜寺溝、雙江口、金川i 、巴底、丹巴、 猴子巖、長河壩、黃金坪、瀘定、硬梁包( 引水式) 、大崗山、龍頭石、老鷹巖、 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙坪、龔嘴( 低) 、銅街子。 第二章大渡河流域基本概況 通天河總的地形特點是西北高、東南低。河流走向為西北一南東向，巴顏喀 拉山為三條河流域與黃河流域的分水嶺。 大渡河流域上下游氣候差異較大，大渡河上游地區(qū)屬高原寒帶干旱區(qū)和高原 亞寒帶半濕潤區(qū)，具有長冬無夏、晝夜溫差大、干濕季分明、多大風、多雷暴、 氣壓低和含氧量少等高原氣候特征。大渡河中部地區(qū)屬高原濕溫帶、溫帶濕潤氣 候區(qū)，氣候垂直分布特征顯著，冬寒夏暖，干濕季節(jié)分明。下游地區(qū)屬暖溫帶和 亞熱帶濕潤氣候區(qū)，水熱條件較好，雨量充沛，日照強烈，森林茂密，冬無嚴寒， 夏無酷暑，四季不分明。大渡河流域年平均氣溫為7 3 ，上游接近o ，下游 為1 5 。大渡河流域降水量由南向北、從東向西遞減。大渡河流域上游地區(qū)降 水量為5 0 0 m m - - - 6 0 0 m m ，中下游地區(qū)逐漸增加到7 0 0 m m - - - 8 0 0 m m ，個別地區(qū)達 1 0 0 0 m m 以上。大渡河流域降水年內(nèi)分配基本一致，5 1 0 月份降水量占全年降 水量的9 0 - - 9 5 1 3 0 。 2 2 2 社會經(jīng)濟概況 大渡河流域社會經(jīng)濟狀況差別較大，上游醫(yī)畜牧業(yè)為主，中游屬半農(nóng)半牧區(qū)， 下游人口稠密，氣候條件較好，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較高。 大渡河流域為我國西南多民族居住區(qū)，主要分布有藏、漢、黎等民族。其中 農(nóng)牧業(yè)人口占8 2 5 ，平均人口密度2 7 9 人k m 2 ，大渡河足木足以上人口密度為 1 3 4 枷2 。由于受地理位置和氣候條件限制，大渡河流域社會經(jīng)濟落后，工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)水平遠低于全國平均水平。大渡河上游地區(qū)以牧業(yè)為主，工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值很低。 大渡河流域自然資源豐富，尤以森林、礦產(chǎn)、水能三大資源著名。干流河段 開發(fā)利用任務以發(fā)電為主，兼顧漂木、航運、灌溉和防洪。 2 3 引水樞紐的布置和調(diào)度原則 南水北調(diào)西線一期調(diào)水工程大渡河調(diào)水方案將在大渡河上游支流設三個取 水點：上杜柯取水點，位于綽斯甲河上游，規(guī)劃年調(diào)水量11 5 億m 3 ；亞爾堂取 水點，位于足木足河西源馬柯河上，規(guī)劃年調(diào)水量1 1 5 億m 3 ；克柯取水點，位 于足木足河主源阿柯河上，年調(diào)水量2 億m 3 。 調(diào)度基本原則是首先必須滿足大壩和下游地區(qū)的防洪要求，其次是供水、發(fā) 電和滿足下游河道航運要求。 根據(jù)調(diào)水工程規(guī)劃方案，在雅礱江、大渡河支流上布置了達曲一賈曲線，即 雅礱江達曲到黃河賈曲的聯(lián)合自流引水線路( 簡稱達一賈線) 。該方案由雅礱江支 流達曲上的阿安壩址引水，途經(jīng)雅礱江支流的泥曲仁達壩址、大渡河支流杜柯河 第二章大渡河流域基本概況 上杜柯壩址、經(jīng)瑪柯河亞爾堂壩址和阿柯河克柯壩址共5 座水庫引水后進入黃河 支流賈曲，引水線路全長2 6 0 k m 。 達賈聯(lián)合自流引水方案指標如表2 1 所示。 表2 1 達賈聯(lián)合自流引水方案指標 引水河流 達曲 泥曲杜柯河 瑪柯河阿柯河 引水壩址阿安仁達上杜柯亞爾堂克柯 壩址高程( m ) 3 6 0 43 6 0 43 4 9 13 4 1 03 4 8 5 控制面積( k m 2 ) 3 5 4 1 4 5 7 4 4 9 1 85 0 5 61 5 2 6 年徑流量( 億m 3 ) 1 1 41 2 71 6 31 6 1 4 1 5 引水位( m ) 3 6 2 03 6 1 53 5 4 03 4 9 53 4 9 5 在南水北調(diào)西線工程規(guī)劃中，大渡河三條支流調(diào)水量計算采用實測系列的資 料進行水庫的調(diào)水計算，在大、小兩種不同調(diào)水量方案下，推算出在工程的設計 引水量如表2 2 所示。 表2 2 大渡河年設計引水量 大調(diào)水量設計方案小調(diào)水量設計方案 壩址 ( 億m 3 )( 億m 3 ) 上杜柯 1 3 51 1 5 亞爾堂 1 3 5l1 5 克柯3 o2 0 南水北調(diào)西線調(diào)水每年將在大渡河上游調(diào)2 5 億m 3 水量【3 1 1 ，第一期工程各引 水樞紐水庫單獨進行調(diào)節(jié)計算，不考慮水庫之間的聯(lián)合運用。通過對各引水壩址 采用維持一定下泄流量和均勻下泄兩種運用方式比較，選擇維持一定下泄流量的 運用方式。水庫下泄流量按基本不小于調(diào)水前最小月流量考慮。水庫采用多年調(diào) 節(jié)，引水期內(nèi)從水庫均勻引水。引水期為1 0 個月，即2 一1 1 月引水，1 2 月和次 年的1 月不引水；樞紐下泄流量全年維持在上述確定的下泄流量以上。 第三章樞紐供水的風險組成及分析方法 第三章樞紐供水的風險組成及分析方法 3 1 風險的定義 韋伯字典把風險定義為“生命與財產(chǎn)損失或損傷的可能性，可見風險本身 是一個“概率”。關于風險的定義有許多種，可以從不同的角度來對風險進行定 義。比如，從探討風險與損失之間的聯(lián)系人手，定義風險是產(chǎn)生損失的可能性； 從某種程度的損失產(chǎn)生的概率人手，定義風險是產(chǎn)生某種程度損失的機會。 1 9 8 1 年，美國風險分析協(xié)會成立不久，即組成了一個專門委員會來研究風 險的定義。然而，經(jīng)過三、四年的工作，該專門委員會列出了多達1 4 種風險的 定義，指出不太可能取得完全統(tǒng)一。他們建議研究者根據(jù)各自的工作，選定適宜 各自領域的定義。 不過，對于回答“什么是風險? 這一問題，現(xiàn)已基本達成以下共識，即它 包括三個方面的內(nèi)容：在此項工程或運作過程中發(fā)生什么事故( 事故類型) ? 發(fā)生該類型事故的可能性有多大( 概率) ? 發(fā)生該類型事故的后果如何( 經(jīng) 濟損失、生態(tài)環(huán)境影響等) ? 任何一個關于風險的完整定義都應該是上述三方面 描述的集合體。 從工程角度，可以定義風險為：系統(tǒng)外來荷載l 大于系統(tǒng)本身抗力r 的概 率 弓= p ( l _ r ) ( 3 1 ) 式中：p 聲良示系統(tǒng)風險；事件( l r ) 表示系統(tǒng)失效。 3 2 風險的組成 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，水資源需求量和排污量與日俱增，使供水的可靠性越來越 小。同時，由于現(xiàn)代工業(yè)化、城市化的特點，水資源己成為工業(yè)、城市和生活的 ，生命線之一，用戶幾乎沒有自我調(diào)節(jié)的能力，缺水造成的損失是巨大的【3 2 1 。因此 供水系統(tǒng)中的風險分析是一個很重要的內(nèi)容。聯(lián)合國教科文組織在1 9 9 4 年召開 的“變化世界中的水資源規(guī)劃”國際學術大會上將此列為四個專題之一： ( 1 ) 通過制定水資源供水系統(tǒng)的風險標準，使水資源系統(tǒng)達到可靠性和經(jīng) 濟性的統(tǒng)一； 第三章樞紐供水的風險組成及分析方法 ( 2 ) 通過供水系統(tǒng)的風險評價，了解供水系統(tǒng)的供水可靠性情況，研究風 險對策，及時采取措施，使風險損失控制在合理的范圍之內(nèi)，防止由于突發(fā)事件 的發(fā)生給國民經(jīng)濟帶來巨大的損失； ( 3 ) 在可靠性理論方法的指導下，工程改建與加固有了科學依據(jù)； ( 4 ) 通過人們對工程可靠程度的深刻認識，一定程度上可以克服松懈麻痹 思想和過分謹慎小心行為。 本文所研究的風險主要有以下兩個方面： ( 1 ) 水文風險：供水量在很大程度上是由徑流量所決定的，當有充足的水 量和水源時，供水量也會提高。而當沒有充足的水量和水源時，水文風險就不可 避免的存在著。 ( 2 ) 社會風險：在供水系統(tǒng)中所講的社會風險主要是指在需水預測過程中 影響需水量的各個因子所帶來的不確定性以及在用水過程中由于經(jīng)濟、環(huán)境、氣 候等的影響所帶來的用水突變【3 3 】。而需水量的預測在整個供水系統(tǒng)中起著舉足輕 重的作用，因此正確分析社會風險至關重要。 3 3 風險分析方法 風險的定義可以概化成如( 3 1 ) 式的形式，但是具體的分析方法已經(jīng)發(fā)展 了好多種，包括直接積分法、蒙特卡羅法、可靠性數(shù)學分析方法等1 3 4 1 。 3 3 1 直接積分法( d c ) 如果能求得z 的各種影響因素z i 的概率密度以及概率關系，就可以直接積分 求得尸，。這種方法理論性強，但實用中受到的限制較多，因為z ，個數(shù)往往較多， 很難找出z ，的概率密度或概率關系，進一步看，即使找到了這種關系，往往又難 以求得解析解、數(shù)值解。 3 3 2 蒙特卡羅法( m c s ) 蒙特卡羅法( m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ) 又稱隨機抽樣法和統(tǒng)計實驗法，是一 種數(shù)值計算方法，它主要用于求解具有隨機性的不確定性問題。由概率定義可知， 某事件的發(fā)生概率可以用大量實驗中該事件發(fā)生的頻率來估算，因此在水資源調(diào) 配的過程中，可以通過對隨機變量( 如某一河流斷面的流量) 進行大量的隨機抽 樣，然后把這些抽樣值一組一組地輸入到模型中，執(zhí)行模型程序，通過模型的多 第三章樞紐供水的風險組成及分析方法 次運行，得出模型輸出的結果的概率統(tǒng)計特征值以及經(jīng)驗頻率分布等等，從而計 算樞紐供水的可靠性和不確定性1 3 5 1 。 在不確定性和可靠性計算方法中，m c s 方法是比較特殊的一種計算方法。因 為此方法模擬的收斂速度與基本隨機變量的維數(shù)無關，功效函數(shù)的復雜程度與模 擬過程無關，更無須將狀態(tài)函數(shù)線性化和隨機變量“當量正態(tài)”化，具有直接解 決問題的能力【1 9 】。 以m c s 方法分析樞紐供水的可靠性，主要是產(chǎn)生已知分布變量的隨機數(shù)。 為了合理、高效地產(chǎn)生給定隨機變量的隨機數(shù)，通常分兩步進行，即首先在區(qū)間 ( 0 ，1 ) 內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的隨機數(shù)，然后再變化成給定分布變量的隨機數(shù)。區(qū)間 ( 0 ，1 ) 內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機數(shù)一般稱偽隨機數(shù)，它產(chǎn)生的方法有取中法、加 同余法、乘同余法、混合同余法、組合同余法等。乘同余法由于其統(tǒng)計性質(zhì)好、 周期長而被廣泛采納，其算式為 x i = i x i 一1 m o d 聊) ，待l ，2 ，3 ， ( 3 2 ) 式中t ，m 是選定的常數(shù)。上式的意義是以m 除以無葺一。后得到的余數(shù)記為 蕾，利用上式算出序列而，x 2 ，x t ，再取 = 砉( 3 - 3 ) 這就得到了標準的( 0 ，1 ) 分布的隨機數(shù)系列，眨，； 設，+ 。是( 0 ，1 ) 區(qū)間內(nèi)的兩個均勻隨機數(shù)，則可通過下列變換得到服 從標準正態(tài)分布n ( o ，1 ) 的兩個隨機數(shù)，+ 。 = ( 一2 i n r ) 7c o s ( 2 7 r r + i ) ( 3 4 ) + l = ( - 2 i n r o ) 7s i n ( 2 7 r r + 1 ) ( 3 - 5 ) 用蒙特卡羅法計算樞紐供水的可靠性可以分為以下幾個步驟： 首先通過隨機抽樣獲得功效函數(shù)中各變量的一組取值x 1 ，恐，瓦； 計算功效函數(shù)值z fz f = g ( 五，x 2 ，x n ) 設抽樣組數(shù)為n ，每組隨機變量計算得到的功效函數(shù)值為z f ，互0 的次 數(shù)為l ，則在大批抽樣之后，樞紐的可靠性可以由式( 3 6 ) 表示 e=丙l(3-6) 即樞紐正常運行的次數(shù)和總抽樣的次數(shù)之比，為樞紐的可靠性，抽樣次數(shù)越 大，計算得到的可靠性越靠近實際值。 蒙特卡羅法不僅通俗易懂，而且解題思路清晰簡單，計算精度高，因而易受 人們接受，除此之外，它還具有不受隨機變量分布規(guī)律限制等優(yōu)點，但它的計算 量很大，而且不能求出對應最大失效概率的設計驗算點x 。目前m c s 被廣泛地 第三章樞紐供水的風險組成及分析方法 應用到了水文徑流模擬、水庫洪水調(diào)度風險分析、結構可靠度分析等方面3 6 1 。 在南水北調(diào)西線大渡河樞紐供水風險分析中，由于影響水資源調(diào)配的可靠性 的因素既多又復雜，很難用統(tǒng)一的方法確定各隨機變量的實際概率分布【3 7 1 ，因此 本文將采用蒙特卡羅模擬方法，來分析估算該樞紐供水的風險及可靠性。 3 3 3 可靠性數(shù)學分析方法 主要包括均值一次兩階矩法、改進一次兩階矩法、二次矩法、j c 法等。 ( 1 ) 一次兩階矩法( f o s m ) 通常，一階矩( 均值) 和二階矩( 方差) 相對容易得到。一次兩階矩方法 ( f o s m ) 就是一種在隨機變量的分布尚不清楚時，采用只有均值和方差的數(shù)學 模型求解的方法，這就是一次兩階矩法。這種方法運用泰勒級數(shù)展開，使之線性 化。根據(jù)線性化點選擇的不同，一次兩階矩法又可分為均值一次兩階矩法 ( m f o s m ) 和改進一次兩階矩法( a f o s m ) 。 m f o s m 假設各影響因素相互獨立，將線性化點選為均值點。由于工程危險 常常發(fā)生于某些影響因素的極值范圍內(nèi)，如果該因素從均值到極值的變化關系與 線性相差較多的的話，m f o s m 計算誤差可能頗大。 a f o s m 是針對m f o s m 前述缺點的改良。該法在泰勒級數(shù)展開時，將線性 化點選為風險發(fā)生的極值點( 風險點) 。風險點的位置事先并不能知道，需根據(jù) 數(shù)據(jù)進行計算。 ( 2 ) 二次矩法( s o ) 這種方法是在運用泰勒級數(shù)展開時，略去高于二次的展開項之后再求解p ，。 此法計算步驟較繁瑣，應用的相對較少。 ( 3 ) j c 法 因國際安全度聯(lián)合委員會( j c s s ) 采用這種方法而得名。j c 法適用于隨機 變量為任意分布的情況，其基本原理是：先將隨機變量x ；的非正態(tài)分布用正態(tài)分 布代替，對于此正態(tài)分布函數(shù)要求在驗算點z ? 處的累計概率分布函數(shù)值( c d f ) 和概率密度函數(shù)值( p d f ) 與原來的分布函數(shù)的c d f 值和p d f 值相同。然后根 據(jù)這兩個條件求得等效正態(tài)分布的均值和標準差，最后用f o s m 法求出風險值。 第三章樞紐供水的風險組成及分析方法 3 4 小結 本章給出了風險的定義，所謂風險是指發(fā)生損失的不確定性。指出風險具有 三個基本特征：客觀性、損失性和不確定性。并從水文風險和社會風險兩方面討 論了風險的組成；闡述了基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計以及可靠性數(shù)學分析理論方法的 風險分析方法，并最終根據(jù)南水北調(diào)西線大渡河樞紐供水的實際情況，確定采用 蒙特卡羅模擬方法進行樞紐供水的風險和可靠性分析。 第四章徑流系列的隨機模擬 第四章徑流系列的隨機模擬 4 1 徑流系列的組成 水文時間序列一般由確定成分和隨機成分組成。確定成分具有一定的物理概 念，包括周期的和非周期的成分：隨機成分由不規(guī)則的震蕩和隨機影響造成，不 能嚴格的從物理上來闡明，只能用隨機過程理論來研究。它分為平穩(wěn)的和非平穩(wěn) 的兩種情況。水文序列成分的一般組成情況如圖4 1 所示。 4 2 徑流系列的模擬方法 4 2 1 理論依據(jù) 圖4 1 水文時間序列組成 水文現(xiàn)象在本質(zhì)上是隨機的。故在分析水文現(xiàn)象時可建立一個水文系統(tǒng)的隨 機數(shù)學模型來模擬和研究這些現(xiàn)象水文要素時間系列分析是建立隨機模型的前 提和基礎。通常水文系列由兩部分組成，即確定性分量和隨機分量，確定性分量 第四章徑流系列的隨機模擬 又分為兩部分：非周期性的( 趨勢、跳變等) 和周期性的。如對于年徑流系列，其 組成可表達為 q ( i ) = 丁( ，) + 尸( ，) + 孝( ，) ( 4 - 1 ) 式中：q ( ，) 為實測年徑流時間序列，t = 1 ，2 ，n ，丁( ，) 和p ( ，) 分別表示 趨勢項和周期項，一般可通過物理成因分析加以估算和預測。趨勢項可用一些常 用的濾波方法濾去，而周期項可用調(diào)和分析方法分析。實用中常用白化法進行處 理。 孝( ，) 則是隨機分量，一般難以嚴格地從物理上加以分析計算可通過為水文 時間系列擬合一個合適的隨機模型，以定量計算這個分量，盡管實測徑流系列一 般較短，然而它卻包含了徑流系列的統(tǒng)計特性和有關徑流形成機制的一些基本信 息，利用和分析所有可得的實測徑流資料即可研制和擬合一個隨機模型。當然， 所建模型必須經(jīng)有效性檢驗【3 8 】。 4 2 2 徑流系列的隨機模擬摸型 隨機模型的基本結構是，模型變量的現(xiàn)值毒是它的一些歷史值 磊“( 后= 1 ，2 ，) 和隨機數(shù)，7 的函數(shù)，即毒= 川缶斗毒彩，仍，組巾】。 由于磊一。和，7 的組合方式不同，出現(xiàn)了不同的徑流系列生成的隨機模型。但 水資源工程中常用到的是線性自回歸模型、多站模型和月徑流模型及其它們的組 合與推廣，現(xiàn)將本文應用的線形自回歸模型和t h o m a s f i e r i n g 模型簡述如下【3 9 】。 4 2 2 1 線性自回歸模型 線性自回歸模型在徑流系列的隨機模擬理論中占有很重要的位置。自回歸模 型常用于描述徑流系列的時間相依性，故一般可用于擬合年徑流系列。 自回歸模型的一般形式為a r ( p ) 。 t 時刻徑流系列隨機分量的數(shù)值缶是( t - 1 ) ，( t - 2 ) ，( f 一尸) 時刻p 個孝值和 一個隨機數(shù)r , 的加權和。 參= 緯，l 參一l + 孕名。2 缶一2 + + ，p 毒一j p + 仇 ( 4 2 ) 式中：緲。，為白回歸系數(shù)。p 為模型階數(shù)。 實際計算中，由實測資料通過模型識別確定模型階數(shù)p ，根據(jù)統(tǒng)計上常用的 相關系數(shù)計算方法計算系列相關數(shù)乃( f = 1 ，2 ，p ) ，將乃( 汪1 ，2 ，尸) 作為自相關 系數(shù)p ( 江l ，2 ，p ) 的估值代入求得自回歸系數(shù)仍( 江1 ，2 ，p ) 及獨立隨機數(shù)方 差才即可確定模型。 自回歸模型模擬步驟如下： 第四章徑流系列的隨機模擬 ( 1 ) 回歸分析 回歸分析是對具有相關關系的兩個或兩個以上變量之間數(shù)量變化的一般關 系進行測定，確定一個相應的數(shù)學表達式，以便從一個