公伯峡水电站施工渡汛分析

'西安理工大学工程硕士学位论文极为有利。公伯蛱电站工程位于多年调节的龙羊峡水库和李家峡水库下游，因此其入库洪水应由李家峡水库下泄流量过程组合相应的区间洪水求得。公伯蛱水电站施工期当遇到汛期来水较丰的情况下，施工渡汛方案的确定和决策正确与否，不仅直接影响围堰的安全及其工程施工的安全．而且与工程的工期、投资、施工组织计划关系极大。在汛期，如何获取和利用降雨信息，进行及时准确的洪水预报，以及充分利用上游龙羊峡和李家峡水库的调节作用。尤其是黄河上游的“龙头”水库——龙羊峡水库的巨大调节能力，在保证其自身安全和梯级水库群安全渡汛的前提下，合理进行水库调度，确保公伯峡水电站安全施工渡汛是亟待解决和值得研究的重要课题之一。洪水的实时调度是建立在洪水实时预报基础上的。洪水调度与洪水预报的精度有密切的关系，预报的精度越高，则实时调度的风险就越小，反之实时调度要承担比较大的风险。黄河干流从李家峡到公伯峡的区间流域面积6872km2。在该区间内除有隆务河以外，尚有六条小支沟．一般情况下，区间来水较少．但在汛期，除隆务河有较大来水外，区间常出现短历时高强度的局地暴雨，实测区间洪峰流量达1280m3／s。如果区间洪水与干流洪水遭遇，洪峰流量叠加，将对公伯峡水电站施工防洪安全造成威胁。为了保证施工安全，考虑区间洪水预报。上游龙羊峡和李家峡水库联合进行干流与区间洪水错峰调度。从区间洪水特性看，常出现短历时、高强度的局地暴雨所导致的峰高量小的区间洪水，一般历时只有6小时左右，它与干流洪水往往是同频或超频组成，不利的组合将对公伯峡水电站工程施工、运行造成威胁。鉴于以上情况，对李家峡到公伯峡区间洪水做出准确的预报，并进行干流洪水与区间洪水的联合错峰实时调度，将为公伯峡水电站的施工、运行具有重要的意义和生产实用价值。1．2洪水预报的国内外研究现状和发展趋势水文预报是利用已有的水文气象资料，对未来河流水情变化进行预测。准确及时的预报在抗洪抢险、工农业安全生产、充分利用水资源以及发挥水利措施的作用方面有重要意义。水文预报按预报期可将其分成短期、中期和长期预报三种．水文预报按其预报的项目又可分为径流预报、冰情预报、沙情预报及水质预报。径流预报可分为洪水预报和枯水预报．对于短期洪水预报，是指根据实测降雨资料而得出的预报．预见期将随预报方法的不同而异，其在实用上是十分重要的。一般的短期水文预报常常不能满足生产的要求，需要将预见期加长。然而，预见期加长了，预见期内的随机因素也增多了，从而预报精度就会降低，两者之间是有矛盾的，如何协调这一矛盾，也是众多水文学家研究的一个重要课题。2 概述洪水的实时调度是建立在洪水实时预报基础上的．与洪水预报的精度有密切的关系。预报的精度越高，则实时调度的风险就越小，反之实时调度要承担比较大的风险。实时联机预报是当今水文预报的一门综合新技术，是指利用水文遥测系统，实时收集流域内的雨量和水位等信息．并将信息直接输入计算机进行同步数据处理，作出预报．这种预报技术的特点是快速和准确，信息的收集、传递、数据处理和作出预报几乎是同时进行的，因此增长了以有效预见期．同时，由于利用迅速反馈的信息，可对预报进行实时校正，所以又可提高预报精度．在水文预报系统中，近代流域水文作业系统所采用的预报方法而设置的。流域水文以水文模拟为手段而建立起来的一种预报流域降雨径流的计算途径。由于模型输入输出量测误差、模型结构对实际水文现象概括的羞等原因．因此预报总可能出现误差。有系统偏差，也有随机的偶然误差，为消除或降低预报误差，不断地完善和改进预报模型是重要的一个方面，另一方面，也可以通过某种方法或手段来分析和预测误差的产生和变化规律，对预报模型计算值进行逐时段的误差校正，或根据预报时刻前的实测值，对预报变量或模型参数进行最优估值，期望获得预报发布值与即将出现相应的实测值误差为最小的结果，这就是“实时校正”的概念。它是洪水预报系统的一个重要组成部分，也是现代洪水实时联机预报的一个重要环节⋯。公伯峡水电站将建立水情自动测报系统，为进行实时洪水预报提供了条件，洪水预报模型从六十年代至今得到了长足的发展。水文模型按建模的技术分为水文物理模型和水文数学模型。流域水文预报模型属于水文数学模型中的确定性的范畴。六十年代开始，水文学科领域中引进了数学模拟概念，把流域上实际发生的暴雨洪水产汇流现象分别用数学方程(如水量平衡、运动方程等)来表达，并通过计算机模拟来实现，即把流域上的降雨过程。模拟计算出流域出口断面的流量过程．这就是当前各种近代水文流域模型。目前，世界上有2∞多种流域水文模型．其中比较著名的有：澳大利亚气象局模型(C肼)，法国海外科技研究办公室的模型(Girardi)，日本国家防灾研究中心的水箱I、II型模型(T^NK—I、TANK—II)，罗马尼亚气象和水文所的洪水预报模型(IⅡz-SsVP)，美国陆军工程兵团的径流综合水库调节模型(SS^腿)，美国国家天气局的水文模型(N船H)．美国国家天气局河流预报中心的萨克拉门托河流预报中心水文模型(sRFcH)一萨克拉门托模型(SacrⅫento模型)，美国的斯坦福(st∞ford)模型，原苏联水文气象中心降雨径流模型(删c)，意大利帕维亚大学的约束线性模型(CLs)和我国的新安江系列模型 西安理工大学工程硕士学位论文等”“。模型参数的定量估计是流域水文模型的重要组成部分，这在一定程度上决定了模型的拟合精度。以往大多采用人工调试，通过人工的预报实践经验来最终判别拟合成果的优劣。随着电子计算机的出现，从70年代起，开始引进模型最优化参数的推求方法，目前这种途径已达到实用水平．模型参数的率定、优选是指提供给模型的研制者具有代表性的六年输入、输出资料，调整参数．是模型拟合实测资料最好，即达到最优化，并将最优的一组参数确定下来。陆续出现的拟合方法有：图解显示法、相关分析法和目标最佳拟合法．其中目标最佳拟合法是优选模型参数的最有效方法。目标最佳拟合的准则常常具体化为一个目标函数，并使其达到最小。通常采用的目标函数有误差平方和准则(最小二乘法准则)、误差绝对值和准则、确定性系数准则和洪峰预报合格率准则四种。在优选模型参数时，必须根据具体情况选用一种适宜的目标函数。现行的目标最佳拟合法的最优化技术有：概念性水文模型的最优化技术，常用的有试错法、自动化优选法和人与计算机联合优选法三种；二是回归模型的最优化技术。无论是线性回归模型、非线性回归模型，还是系统理论模型，一般均用最小二乘法求解模型中的参数，其拟合优度可由确定性系数来量测。随着计算机的广泛应用，寻优技术也在不断发展，计算机的自动寻优关键在于模型的数学结构和参数间的相互关系．实践表明，解的多值性和参数间的相关性．一直阻碍着这种途径的发展。关于模型的实时校正，历经半个世纪的发展，见诸文献的方法已经很多。众所周知，流域水文模型是以水文模拟为主要手段而建立起来的一种流域降雨径流计算方法，由于模型输入信息的量测误差、模型结构对实际水文现象概括的差距等原因在作业预报时，必然出现预报值与实测值问的误差(包括系统误差和随机误差)。如何消除这些误差是人们一直探讨的课题。以往多采用人工经验外延误差的方法，有时也能取得较好的效果。60年代初期，在通讯和自动控制中提出了维纳和卡尔曼(KalMn)滤波技术．由于它具有预测、滤波和平滑功能，在70年代引入水文预报系统，80年代开始在国内也有应用．目前又*起一种自适应滤波模型，其定义是：在缺乏对象和量测噪声的统计特性“和风的情况下，这种滤波模型能够给出对象状态变量的精确估计值。它是在利用量测数据进行滤波的同时，不断的对未知的或不确切知道的系统模型参数和噪声统计特性进行估计或修正．以便改进滤波。应用于水文预报中的自适应滤波模型主要是应用于缺乏资料时，流域的水文模型实时修正““”．1．3施工渡汛和上游水库洪水调度水库调度。亦称水库控制运用．水库调度工作是根据水库承担的水利任务的主次及规定4 概述的调度原则，运用水库的调蓄能力，在保证大坝安全的前提下．有计划地对入库的天然径流进行蓄泄，达到除害兴利、综合利用水资源、最大限度地满足国民经济各部门的需要为目的。它是水库运行管理的中心环节，其主要内容包括：拟定各项水利任务的调度方式；编制水库调度规程和年调度计划；确定面l临时段(月、旬)水库蓄泄计划及日常实时操作规则等。它是保障水库安全、充分发挥水库综合效益的最重要的环节。水库调度工作关系到国民经济各部门的发展，调度得当，其增加的效益十分可观；如果调度失误，将造成十分严重的损失。因此，水库调度工作具有十分重要的意义．水库调度始于20世纪初，当时由于大量水库和水电站的兴建，促进了河川径流调节理论的发展，开始应用经验的调度方法(以实测水文要素为依据)，利用水库对洪水和枯水进行调节。1926年苏联莫洛佐夫提出水电站水库调配调节的概念，而后逐步发展形成以水库调度图为指南的水库调度方法。这种方法至今仍被广泛采用。50年代以来，由于现代应用数学、径流调节理论、电子计算技术及其实时控制技术的迅速发展。使得以最大经济效果为目标的水库优化调度成为研究热点之一．尤其是以水电站和电力系统以经济运行为目标的水电站水库优化调度的广泛深入研究，获得了许多开创性的科研成果。并在实际运用中取得了初步效果，使水库调度理论、方法更趋完善和成熟。应用更加广泛．取得的效益十分巨大．在河流上修建水工建筑物，施工期间往往与通航、筏运、渔业、灌j既或水电站运行等水资源综合利用的要求发生矛盾。水利水电工程整个施工过程中的施工导流，可以采取“导、截、拦、蓄、泄”等工程措施来解决施工和水流蓄泄之间的矛盾，避免水流对水工建筑物施工的不利影响，把河水流量全部或部分地导向下游或拦蓄起来，以保证干地施工和施工期不影响或尽可能少影响水资源的综合利用．施工导流的基本方法，大体上可分为两类：一类是分段围堰法导流，水流通过被束窄的河床、坝体底孔、缺口或明槽等往下游宣泄；另一类是全段围堰法导流，水流通过河床外的临时或永久的隧洞、明渠或河床内的涵管等往下游宣泄。导流标准是选择导流设计流量进行麓工导流设计的标准．导流设计流量是选择导流方案。设计导流建筑物的主要依据．施工前，若能预报整个施工期的水情变化．据以拟定导流设计流量，最符合经济与安全施工的原则。但这种长期预报，目前还不很准确，不能作为确定导流设计流量的依据。旌工期可能遭遇的洪水。是一个随机事件．如果标准太高，不仅增加导流费用。而且可能因其规模的太大以致无法按期完成。造成工程施工的被动局面．水电站施工渡汛，根据其上游是否己建有水库．旋工渡汛可分两种情况： 西安理工大学工程硕士学位论文(1)当河流上游未建水库时，水库施工要靠围堰抗御天然洪水，将造成施工围堰的设计标准高，投资大、工期长等问题。(2)当上游有水库时，水库施工可以依靠上游水库的拦蓄洪水的作用，削减施工期洪峰，因此围堰设计标准可以降低。投资小、工期短。在汛期上游水库的调度应积极配合下游电站的施工．完全服从下游电站施工渡汛的要求。1．4本研究的主要内容及特点1．4．1研究的主要内容本研究主要是针对公伯峡水电站在施工期如何安全渡汛的关键技术问题进行研究的，其主要内容包括如下几个方面：(1)流达时间研究流达时间是洪水预报中的一个关键参数。在施工期间。公伯峡水库基本没有回水，从李家峡到公伯峡大约有76公里，不同的流量级别有不同的传播时间，即流达时间。研究洪水流达时间，对确定洪水预见期及上游水库错峰调度至关重要。(2)公伯峡水电站施工期洪水预报针对公伯峡区间流域的地理特征和水文气象条件，结合水情自动测报系统，选择适宜的产、汇流模型，对公伯峡水电站旌工期洪水进行预报。(3)施工洪水控制方案研究根据公伯峡坝址施工期渡汛要求，研究龙羊峡水库单库洪水调度和龙、李两库联合洪水调度，分析不同水文条件及水库运行状态下，龙、李水库错峰调度方案，为公伯峡旅工渡汛及洪水控制提供决策依据。(4)施工渡汛方案风险分析施工渡汛的风险主要来自于两方面：导流工程的风险和洪水不确定性风险。这两种风险。前者是主观风险，后者为客观风险。本次主要研究由客观条件造成的施工渡汛风险．(5)施工渡汛决策支持系统开发为了使本文研究成果便于为公伯峡电站施工渡汛提供实时决策咨询，最终用于生产实际，本文将开发研制操作简便、界面友善的旆工渡汛决策支持系统，系统包括旄工期洪水预报子系统和防洪渡汛子系统。1．4．2研究的主要特点6 概述(1)分析了黄河干流不同流量级的传播历时，为洪水预报预见期的估算提供参考，(2)结合水情自动测报系统的水文站和雨量站的布设。采用分块产汇流洪水预报模型并且采用最小二乘法和卡尔曼滤波法两种实时校正技术，用以提高洪水预报的精度。(3)研究龙、李两水库联合错峰调度方案，对公伯峡旆工期洪水控制意义重大．(4)施工渡汛决策支持系统，面向工程实际．具有报重要的生产实用价值。1．5研究的技术路线根据研究内容，拟定本研究的技术路线如图卜1所示。一图l·l研究技术路线图(1)根据贵德水文站和循化水文站的洪水资料，进行不同流量的洪水流达时间分析，以此作为洪水预报汇流计算的依据．(2)分析李家峡～公伯峡流域的地理特征和水文气象条件．研究和开发产汇流模型，利用有限的水文资料，并参照相似流域，确定产汇流模型中的参数，进行公伯峡坝址洪水预报．(3)研究公伯峡水电站施工渡汛方案和龙羊峡水库控泄的方式，结合区间洪水预报与龙、李两库联合调度，为制订公伯峡电站施工渡汛提供支持．7 西安理工大学工程硕士学位论文(4)渡汛方案随主、客观不确定因素的变化，存在一定的风险，不同的风险给施工带来的危险和收益是不同的．影响到施工方案的决策．利用科学的方法对洪水风险进行分析，对决策者把握施工的风险与利益，并科学决策有一定的参考和指导作用。(5)在上述研究的基础上。开发研制公伯峡电站施工渡汛决策支持系统，为施工渡汛提供实时决策咨询信息，并为决策者提供服务。8 公伯峡水电站概况及基本资科2公伯峡水电站概况及基本资料2．1流域及公伯峡水电站概况2．1．1流域概况黄河发源于青海巴颜喀拉山北麓各恣各雅山下的卡日曲，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东等九省区，于山东省恳利、利津两县之问流入渤海。干流全长5464I咖，流域面积752443km2。黄河上游由一系列纵横交错的河流、星罗棋布的大小湖泊、沼泽和草滩，位于高山之巅的冰川雪源和埋藏于地下的潜水构成了一个完整而复杂的水资源系统，大部分河流穿行于海拔3000～4000Ⅲ的高山峡谷之间，河道迂回曲折，流域植被率高．水土保持良好，径流比较稳定。温度较低，蒸发微弱，河流水量丰沛．黄河流经星宿海、扎陵湖、鄂陵湖后，沿巴颜喀拉山和积石山之间的谷地流向东南。当河水绕过积石山，到达四川若尔盖附近，白河、黑河两支流相继汇入，水量显著增加。河流在此受岷山阻挡折向西北．经甘肃玛曲，又回到青海，穿过40I【m长的龙羊峡峡谷后，进入贵德川，经阿什贡峡、松巴峡、李家峡、水地川进入公伯峡。公伯峡坝址位于青海省循化县和化隆县境内的公伯峡峡谷出口段，距上游贵德水文站大约140．6l锄，距上游李家峡水电站坝址大约76l【m。在坝址上游大约22kⅢ处有支流隆务河汇入。在坝址下游大约25kⅢ处有循化水文站。公伯峡多年平均流量(1919～1990年)717mys。坝址以上流域面积143619J【m2，占黄河流域总面积的19．1％。，水量占全流域水量的47％，处于黄河全流域大面积产流最高和侵蚀模数最小的地区。2．1．2工程概况公伯峡水电站是黄河干流上游龙羊峡至青铜峡河段中。接龙羊峡、拉西瓦、李家峡之后的第四座大型梯级电站。枢纽位于青海省循化撒拉自治县和化隆回族自治县交界处，距循化县城25蛔，距西宁公路里程153l【m(直线距离95km)。公伯峡水电站以发电为主，兼顾灌溉及供水．水库正常蓄水位2005m，正常蓄水位以下库容5．5×10。Ⅲ3，调节库容0．75xlOlm3，为日调节水库。电站装机容量1500H．保证出力495．5Ⅱ，年发电量5l|4×10啊．h，可改善下游16万亩土地灌溉条件．库区淹没耕地7585亩，迁移人口5340人。该工程属一等大(I)工程。永久性挡水和泄水建筑物正常运用(设计)洪水标准为五百年一遇，非常运用(校核)洪水标准为万年一遇或可能最大洪水，详见表2—1。9 西安理工大学工程硕士学位论文表2—1公伯峡水电站主要指标表序号及名称单位数量鲁注一、水文l、藐域面积全漉域l锄2752443坝址以上kr1436192、利用的水文系列年限长7l3、多年平均年径流量xlOlm32264、代表性流量多年平均流量一／s717设计洪水标准及流量(P=O．躺)一／s5440校核洪水标准及流量(P：0．OIx)一／s7860麓工导流标准及流量(P=5％)m3／s3510现降低为20005、洪量宴铡最大洪量(45天)×10lm’123设计洪量(45天)×lO‘m’161校校洪量(45天)×lolm3209二、水库1、水库水位正常蓄水位2005．0设计洪水位2005．0校核洪水位2008．0死水位2002．0极陧死水位1995．0防洪限制水位2005．0序号及名称单位羹量备注2、正常蓄水位时水库面积时223、回承长度53．44、水库容积总库容(校桉洪水位以下)×lOo一6．2调节库容(正常蓄水位到死水位)×l0Iml0．75死库容(死水位以下)×lOo一4．755、调节特性日三、下遣流量及相应下游水位l、设计洪水位时最大下谴蠢量tfs5440相应下游水位1906．62、校棱洪水位时最大下泄流量I，／s74930 公伯峡水电站概况及基本资料相应下游水位1908．83、电站最大引用流量f／s5335相应下游水位1902．14、正常下游尾水位1900．25、量低尾水位1899．1四、工程效益指标装机容量n1500保证出力啊492多年平均发电量姗·h5140年利用小时数h3426公伯峡水电站坝址位于已建成投入使用的龙羊峡和李家峡水库的下游，龙羊峡是一座多年调节的巨型水库．总库容达276亿一。龙羊峡水电站与下游刘家峡水电站联合运行，将使龙羊蛱下游的径流分配趋于均匀，不仅可增加公伯峡的发电效益，而且将大幅度消减公伯峡的入库洪水。李家峡水库只具有日调节性能，调节能力较弱．对改变径流的年内分配作用不大。但对短期洪水具有一定的调节能力，在汛期，利用其进行洪水错峰调度，可以削减公伯蛱的入库洪峰。公伯峡水电站枢纽主要由河床大坝，右岸引水发电系统，左岸溢洪道，放空泄洪洞及深孔泄洪洞等组成．大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高127m，坝顶长423。电站进水口为混凝土重力坝式，最大高度5l—‘4m，后岸五条直径8．0m的外包混凝土明钢管，厂房位于坝下游右岸岸边，装5台单机容量300Mw的水轮发电机组，开敞式开关站在右岸Ⅱ阶地上，以四回330kv出现接入系统(另预留～回)。泄水建筑物由一个深孔泄洪洞，放空泄洪洞及两个表孔溢洪道，最大泄量分别为187l一，s，1190mj，s和4394m’／s。枢纽除导流洞，深孔泄洪洞及放空洞外均为地面工程。主体工程土石方开挖1074．7万m3，混凝土118．0万m3，钢筋钢材4．45万t．工程总工期七年。第五年底，第一台机组发电。工程静态总投资47．3亿元(1993年水平)，单位千瓦投资3153元凰w．2．2气候特征从大气环流来看，黄河上游是以高原季风引起的环流系统．冬春季受北方冷高压的控制．夏季则主要处于大陆热低压的范围内，盛行气流偏南，水汽含量较多(主要来自于孟加拉湾)．每当热带暖湿气团深入．遇北方冷气流抬升形成降水．当太平洋副热带高压西伸，西风槽东移，在付高西北侧外缘冷暖气流交汇时。形成西南东北向的切变线，还由于青藏高原的热力与动力作用产生的低涡．小槽造成降水：秋季(九月)西太平洋付高减退，蒙古高压形成与扩张．但西南部 西安理工大学工程硕士学位论文因低压槽的存在及冷峰面向南推移遇山势阻挡而形成降水，十月份蒙古高压逐渐扩张增强，降水随之减少。从降水地区分布来看，河源地区以玛多站为代表．年降水量为280Ⅲ，向下游降水量逐渐递增，吉迈～玛曲区间年降水量600m，最大可达965咖．自玛曲以下降水量开始递减，唐乃亥～循化区间为黄河上游相对干旱区．年降水量在200—300m之间，循化～兰州区间降水量又有所增加。公伯峡坝址距循化气象站大约25l【m，坝址各气象要素以循化气象站为代表站．多年平均降水量266．1∞，蒸发能力2189口(200m蒸发皿资料)，多年平均气温8．5℃，最大风速24m／s。尖扎、循化水文站气象要素见表2—2。表2—2尖扎、循化站气象要素统计表项目尖扎蕾化年平均降水量(m)350，92661年最大降水量(Ⅲ)515．5最大日降水量(m)75．543．2最长连续降水日数(天)109年平均蒸发量(衄)20922189．4多年平均气温(℃)7．88．5绝对最高气温(℃)34．534．1绝对最低气温(℃)一19．8一19．9多年平均相对湿度(∞50．154最大相对湿度(％)91．0多年平均风速(_／s)2，93．3历年量大风速(“s)24．0年平均日黑时蠡0I)26∞2鳓．6年平均雾日教(天)年平均雹日敦(天)1．7年平均雷暴日教(天)36．4年最少雷暴日敦(天)52年量少霄暴日数(天)21年最早雷暴日敦(月．日)3．2年量迟置暴日数10．2612 公伯峡水电站概况及基本资料年平均霜日数(天)31．2年平均降雪日教(天)8．9年平均积雪日数(天)7．6最早初雪(月．日)8．19盎晚终雪(月．日)6．102．3径流特性黄河上游千流主要有黄河沿、吉迈、玛曲、唐乃亥、贵德、循化、上诠、兰州等水文站。上述测站均为国家基本测站。观测系列较长，资料精度较高。本工程以坝址下游25IcⅢ处的循化水文站为设计代表站。该站建于1945年，1946年开始有观测资料，1949年缺测，根据<黄河公伯峡水电站工程初步设计重编报告》，公伯峡水电站设计时径流计算采用1919～1990年71年系列资料，包括了丰、平、枯三个部分，具有较好的代表性。经频率计算循化站年径流成果见表2_3和表2—4。表2—3循化站年径流频率计算成果表各种频率设计值(隅)l站名均值CoCs／cv10205075909599l循化7170．242944856703595507459378表2—4循化站径流年内分配成果表月份789101112l23456I多年平均流量(f／5)1422122313271093577278216199259367594978l占年水量的百分数(_)16．6H．315．512．96．763．32．52．33．04．36．911．52．4洪水特性黄河上游洪水主要由暴雨形成，洪水涨落较缓，历时较长，一次洪水过程平均40天左右，洪水一般为单峰型，峰量关系较好，另一种为七月份和九月份各出现一次洪峰的“七～九”型双峰洪水。在实测大洪水中，洪峰出现在七月份的洪水约占36％，出现在九月份的洪水约占30％，七月份峰型尖瘦，九月份峰型肥胖。公伯峡设计洪水计算成果见表2—5。 西安理工大学工程硕士学位论文表2—5公伯峡设计洪水成果表流量：一／s，洪量：亿m各种频率设计值(P％)项目均值Co／o0．0l0．05O．10．2l251020洪峰25200．364鹋20769071806鹋055204990428037303160流量15天27．30．344∞．178．974．0∞．157．352．345．239．733．9洪量45天晒．10．3342∞18417216l13412310793．980．5洪量从区间洪水特性看，常出现短历时高强度局地暴雨所导致的峰高量小的区间洪水，一般历时只有6小时左右，它与干流洪水往往是同频或超频的组成。2．5水库泥沙悬移质入库水量：由李家峡水库下泄、支流隆务河来沙及李～公区间来沙三部分组成，见表2．6。衰2-6入库悬移质沙量表入库沙量(×lo．t)来沙组合说明运行20年运行50年李家峡下溏126165根据李家峡水电站初步设计报告支流隆务河159根据隆务河水文站195“19跖年实测资料李—盛区间420根据输沙模数(丝∞‰2)与集水面积推求合计∞5744推移质沙量主要来自李一公河段。根据贵德和循化两站袖测河床组成及水量因素分析估算，该区间推移质输沙模数为73傲m2，求得李～公区间推移质沙量为15×10．t，其中李家峡至公伯峡库尾区间为4．3×lO．t．2．6水库特征曲线2．6．1公伯峡库容～水位关系曲线表2—7公伯峡水位～库容关系曲线l高程㈨1950l卿1970198019902咖2∞5I库容(亿I，)O．480．801．261．952994．515·504 公伯峡水电站概况及基本资科2．6．2公伯峡下游水位流量关系曲线表2—8公伯峡下游水位流量关系曲线水位(-)流量(．"／5)18989018蚰船01900640190111201902l胡01903Z320190430001905390019064880190758901908690019∞7940191090002．6．3公伯峡水库泄水建筑物泄流能力泄水建筑物包括表孔溢洪道为2孔，深孔泄洪洞1孔，放空泄洪洞l孔，具体见表2—9。 西安理工大学工程硕士学位论文卧舟蕈耋鬈誊立擗a誊雄-醛、{萋j写鼍磬蓉毫．鼍●夸bu置上IL^兰；×荟。&u§8叁B奄r雏占警Py蕃X技匀3鹱釜妻蕾曼X¨塞磐器一誉3司●●h，量辩_璺耋X矗答晏骂U嚣挈誊1_司蓦害荟袭雪u‘、埘司垒X也吕垦铁盖品宇菱司雪_-●咎鳘∞营晷若}书6灌u如蘸■温睁鬻 公伯峡水电站施工期洪水预报3公伯峡水电站施工期洪水预报3．1公伯峡水电站洪水预报预见期的估算3．1．1概述预报的预见期是指预报发布时刻与预报特征出现时刻之问的时段长。预报的预见期随预报方案所依据的因素不同而异。但同时预见期随预报方法的不同而有所差异。流域降水径流法预报洪水，是根据实测雨量过程预报流域出流断面的洪水流量过程，因此，在流域均匀降雨的情况下。流域汇流时间就接近洪水预报的预见期：大流域可达几天，小流域则只有几小时。如降雨分布不均匀，除非暴雨中心在上游，一般洪峰流量的预见期都要短于流域汇流时间；如果暴雨中心在下游靠近出口断面。则洪峰流量的预见期将大大缩短。如用相应流量法，根据上断面洪水流量预报下断面相应的洪水流量。则河段的汇流时间就接近于此种预报的预见期．预报的预见期在实际工作中是十分重要的。预见期与预报精度两者是相互矛盾的，预见期短，预报精度高：预见期长。预报精度低，因为预见期加长了，预见期内随机因素的作用也增加了，从而使预报的精度降低。公伯峡水电站位于青海省循化县与化隆县交界处的黄河干流上，距上游龙羊峡水电站184．6l【Ⅲ，距上游李家峡水电站76l【m。计划2002年2月底到3月初完成河道截流工程．公伯峡水电站施工期洪水为二十年一遇，相应防洪标准为2000Ⅲ3／s。水库设计标准为五百年一遇5440m3／s，校核标准为万年一遇7860m3／s。因此，公伯峡水电站洪水预报分两种情况来考虑，即施工期洪水预报和运行期洪水预报。公伯峡施工期坝址洪水(运行期入库洪水)由两部分组成．第一部分是来自李家峡水库出库流量，第二部分是来自李家峡至公伯峡区间的洪水，其中李家峡水库的出库流量是主要部分，区间洪水占的比重不大。因此，公伯峡水电站洪水预报的预见期主要取决于第一部分，即黄河干流李家峡出库流量到公伯蛱的流达时间。旌工期洪水预报预见期是指李家峡出库流量到公伯峡坝址的流达时问，运行期洪水预报预见期是指李家峡出库流量进入公伯峡库区的流达时间．综上所述．公伯峡洪水预报预见期的确定关键在于洪水的流达时间的确定。对一个具体流域的具体断面而言，各次洪水的预见期都是客观存在的．根据历史水文资料，可以初步确定预见期，下面分析黄河干流和支流的流达时间．3．1．2黄河干流各河段流达时间分析n”河道水流流达时间(即流量传播历时)是水量演算的最基本的物理量．流量传播历时的长短与河段长度、流量大小、河道形态、水力条件等因素有关，对于一定的河段．水流传播 西安理工大学工程硕士学位论文的边界条件一定，流达时间主要受流量的影响，是流量的函数。分析流量传播历时有多种方法，如相应流量法、相同流量法、洪峰流量法等。(1)相应流量法：根据实测资料，点绘上、下断面的实测流量过程线，按峰谷对应或流量突变对应原则，统计相应流量在上、下断面的出现时刻，按下式计算相应流量的传播历时：f=f，一f(4一1)式中：f为传播历时：，l、，2分别为相应流量在上、r断面的出现时间。(2)相同流量法：根据实测资料，点绘各断面流量与断面平均流速关系曲线(p～r图)，从pr图上查出各级流量的流速，取上、下断面相同流量级的流速平均值作为该河段出现相应流量的平均流速，由下式计算流量传播历时：f=彩矿：生堕2(4—2)式中：上为河段长；K、K分别为上、下断面平均流速。受实际测验资料所限，本报告根据1981～1984年资料，利用相同流量法分析计算了黄河干流中上游河段不同流量情况下的流量传播历时，其分析结果如表3—1和表3—2。利用相同流量法分析流量传播时间，原理清晰，方法简单。但该方法要求计算河段断面规则，变化较小，或者说上、下断面要有代表性，如果计算河段断面变化很大，则上下断面的流速均值就难以代表整个河段的平均流速，其计算结果也就与实际偏离较大。其次，该方法基于等流量统计传播历时．要求河段流量变化平稳，但实际上河段中大多有水量加入或引出，尤其在小流量时，水量的加入或引出对计算结果影响就更大。 公伯峡水电站施工期洪水预报表3一l不同流量下各河段平均流速(I／s)贵德～小川～兰州～河沿～石嘴山头道拐府谷～龙门～河段小川兰州下河沿石嘴山头道拐～府谷龙门渣关距离(K-)280973623lB663216517135落差“)6922652561639619536288比降(‰)2．472．730．7070．5120．1450．9030．70．652流1000．880．020．780．520．500．580．66量3001．161_251．020．74D．701．161．05级5001．401．601．200．95O．92l-451．46(m’／s7001．751_951．4l1．121．101．681．70)lO∞1．962，241．701．351．261．922．0015002．262．521．84L601．5l2．142．4020002．582．842．151．811．632．402．8030002．923．262．322．261．982．75320表3—2黄河贵德～龙门各河段不同流量的转播历时(h)流量贵德～小川～兰州～下河沿～石膏山～头道拐～府谷～(Ⅲ3／s)小川兰州下河沿石嘴山头道拐府谷龙门10088261291703697l218300672299119263S21375∞56178493200‘l9870044147l79168368l1000401259651163172150034115512228602000309．5474911325513000278．34339932245贵德～小川河道长280l【m，李家峡～公伯峡河道长76h，李家峡距贵德54．6h，所以19 西安理工大学工程硕士学位论文李家峡～公伯蛱属于表1中的贵德～小川河道，根据贵德～小川河道不同流量等级下的流速计算得出李家峡～公伯峡河道不同流量等级下的传播历时，见图3一l和表3—3．表3—3李家峡～公伯峡不同流量传播速度及传播历时河段李寡峡～公怕峡距离(Km)76流量(Ⅲ|／s)流速(m／s)传播历时(h)100O．88243001．16185001．40157001．7512lOOO1．961115002．26920002．58830002．927从图表中可看出，流量与传播时间呈反比，流量越大。传播时间越短，即预见期短；流量越小，传播时间越长，即预见期长。 公伯峡水电站施工期洪水预报3．1．3支流隆务河河道流达时间分析隆务河全长156．8I(Ⅲ，流域面积4959km2，沿河植被较好．河谷狭窄，河床比降大，天然河道比降为11．2‰，在同仁设有水文站，因此．隆务河的洪水预报预见期重点考虑同仁至隆务河河口的流达时间，隆务河的河道比降比李家峡到公伯峡这段黄河干流的河道比降大的多，所以。同流量级的洪水传播速度在隆务河上比干流上大，同仁～隆务河河口长35．8l【Ⅲ，按最不利的情况来考虑，预见期估计约2小时。3．1．4施工期洪水预报预见期估算李家峡～公伯峡区间主要支流是隆务河，隆务河口距公伯峡坝址22KⅢ，李家峡～公伯峡区间洪水预报模型总框架是：李家峡水库下泄流时过程演进到隆务河口．与隆务河支流出口流量过程迭加，再共同演进到公伯峡坝址，因此公伯峡洪水预报预见期可从以下几个方面考虑：(1)李家峡～隆务河口(长54KⅢ)；(2)同仁～隆务河口(长30Km)；(3)李家峡下泄流量过程与隆务河出口流量过程迭加后，演进到公伯峡坝址(长22l【Ⅲ)；李家峡～隆务河口的预见期，可根据表4作出估计，同仁～隆务河口的预见期为2小时，千支流洪水迭加后的流达时间，也可根据表4作出估计。综上所述，施工期公伯峡汛期20年一遇洪水旌工导流流量为2000m3／s，偏最不利的情况来估计，公伯峡施工期洪水预报预见期估计8小时左右。3．1．5正常运行期洪水预报预见期估算水库建成蓄水后．库区成为一个水面宽广的人工湖．一部分径流从水库周边汇入水库，入库洪水的洪峰流量出现时间提前，涨水段的洪量增大。建库前，流域汇流时间为坡面和到坝址断面的全部河道汇流时间之和。建库后，洪水由干支流壅水末端和水库周边入库，而水库库区的水深比原河道大。洪水在库区的传播时间比原河道的传播时间短。因而流域汇流时间缩短。入库洪水未受到被库区淹没的河槽的调蓄作用，因而它的洪峰增高，峰形更尖。库区产流条件改变，库区降雨时，由原来的陆面产流变为水库水面直接产流。因此，同样的降水量。建库后洪水量比建库前大。在运行期，水库蓄水后。正常高水位2005Ⅲ时，水库回水长度53．4踟，支流隆务河回水长度6．35KⅢ。因此，在运行期，李家峡水库下泄流量流经22．6l【m长的河道即进入库区，支流隆务河上同仁水文站断面出口流量流经16．25KⅢ长的河道即进入库区．运行期洪水预报预见期比施工期洪水预报预见期短．在运行期，李家峡水库正常工作情况下，当出库流量按700m3／s考虑(公伯峡正常下游尾2 西安理工大学工程硕士学位论文水位1900．2m，相应流量为717m3／s)，运行期的预报预见期为4小时左右。3．2区间水文布站概况公伯峡坝址位于青海省循化境内的公伯蛱峡谷出口段，距上游贵德水文站140．6km，距上游李家峡水电站坝址76kⅢ，坝址上游22lcⅢ处有支流隆务河汇入．坝址下游25km处有循化水文站。公伯峡多年平均流量(1919一1990年)717m’／s，坝址以上流域面积143619km2。占黄河流域总面积的19．1％，水量占全流域水量的47％，处于黄河全流域大面积产流最高和侵蚀模数壤小的地区。公伯峡距下游循化水文站较近，在公伯峡水电站设计中将循化水文站作为其代表站。在李家峡～公伯蛱区间流域面积6872km2内，只有隆务河上有3个雨量站和2个水文站。隆务河流域面积4959km2，隆务河流域占全区间流域面积的70％多。现有的3个雨量站根本无法控制流域内的降雨．除隆务河以外还有1913kⅢ2的流域面积没有雨量站控制。李家峡至公伯峡区间规划设计了水情自动测报系统，布设的站点共17个，其中水文站1个，水位站4个，雨量站12个。中心站1个。公伯峡水情自动测报系统遥测站网一览表见表3-4。公伯峡水情自动测报站网布设见图3—2。 公伯峡水电站：i卣工期洪水预报 西安理工大学工程硕士学位论文萁妊#茸攀慈也是意型挂描E描蚺幻车粕堪馨巷卜匈斌蚺吼瘿般稚柩粤翻#*g粤“妊爨呻匿皿墨螺帐翼胛砖隹I∈{l卜岛翻Ⅱ枷崔略颦瑙醛钿嫡蛾采刊圳呐咄吨藿晡哺呐呻艇呻呐晡呐呻呐i晕窖一(诔辑稷京控U世U啊求孽曙窿裂{}《基裂枢匿蹬世匣匡匣划单缸翱壕瓤粗每瓤稚瓤舡{-鞭相单瓤哲瓣黠堪碰譬建艟黉黠嶷是嶷射瓣采黉露缸扯杠l删和缸■缸榧缸枢缸■缸I虹嚣竹捌*占驰．匣糕一妊■H精鬻壤<赫■捌划■g赫窿睦窿*，●■●■●■●孵捌目掣g窿睦窿●窿喇*窿晶鞘掣趔●一●■●■●菪*窿靛窿幢世*习誊习暮榧曩嫌匪茌陋赫橙甘馨Ⅲ基球_l捆媳鞋颦盏墨亡帐孽也U礁甘∈磐Ⅲ型藤回∈嫡蚺匣“j11*粕倒{4卜☆棹窿毫霹窿爨韶爨寰宣椭窿定嚎R壬嫡崮求墨帐皿魍窿定窿窟毂瓤舡鲁杈帕耕制口l’葚111】球鼻*型茕噩酊辑捌*褰略心世24群器1匿督露剐螺*器露蒋皿塞簧誉早}匈磨般甲∞懈 公伯峡水电站施工期洪水预报3．3施工期洪水预报方案研究水情自动测报系统可以自动采集、传输和处理李～公区间流域上的实时水文气象数据，及时了解区间流域上的水雨情实况，并可通过水文预报作业，了解未来一定时间之内来水趋势，为水库的防洪和发电调度提供科学的决策依据。公伯峡坝址的流量由两部分组成，一部分来自李家峡水库下泄流量，一部分来李家峡至公伯峡之间的区间洪水流量，其中李家峡水库下泄流量占的比重较大．在汛期，区间内的高强度短历时局地暴雨也是坝址来水的一大部分。因此，公伯峡坝址水文预报方案由以上部分组成，如图3—3。3．3．1区间洪水预报李家峡一公伯峡区间洪水预报，采用水文概念性洪水预报模型。鉴于公伯峡处于黄河上游流域段，属于干旱半干旱地区，根据水文预报方法采取概念性降雨径流模型的超渗产流模型和单位线汇流模型对区间径流进行预报。因为公伯峡区间流域水文资料少。无法率定模型计算所需要的参数，因此区间的水文预报模型，需借助李家峡流域的水文资料，结合本区间的流域特征参数，移用至此，建立本区间的洪水预报模型，并进行验证和修改，完善模型。3．3．2河道洪水演算将李家峡水库的放水流量过程加李家峡——公伯峡区间洪水预报过程经河道洪水演算至公伯峡坝址处。圈3—3公伯峡坝址洪水预报总体结构圈李家峡——公伯峡区间流域洪水预报分产流预报模型、汇流预报模型和卡尔曼滤波实时校正模型三部分：根据降水过程，通过超渗产流预报模型，预报出诤雨过程，净雨过程经瞬时单位线法预报出隆务河、曲家沟、昂思多沟、尕布河滩、安中沟、多让、戈失河出口断面入黄河干流的汇流过程，为消除预报模型带来的误差入各种随机误差。采用卡尔曼滤波实时校正模型，根据水情自动测报系统发布的实时信息，利用最新信息不断地修正洪水预报过程，由团竺一冒 西安理工大学工程硕士学位论文此预报出李家蛱至公伯峡区间的洪水过程，如图3—4所示：图3—4李家峡⋯公伯峡区间洪水预报方案3．3．3产流预报模型3．3．3．1模型建立李家峡一公伯峡区间洪水预报。拟采用概念性水文预报模型。对于概念性的水文预报模型，国内外已经成熟的有两百多种，国内有新安江模型等，这些模型大多应用于湿润地区，效果很好，但在干旱半干旱地区却表现出其局限性，研究采用一种适合于干旱的公伯峡流域的水文模型，模型结构为分敖性的降雨径流模型，首先按每块面积上降雨比较均匀、并有雨量站的原则将流域分为若干个单元面积，分块时尽可能使单元面积差别较小，并和自然流域相结合，以便于利用流域的实测降雨资料；其次，分别计算单元上的产流量，并划分水源：然后进行”元面积上各种径流组成的汇流计算：最后进行单元面积以下的河网汇流计算。产流子模型：鉴于公伯峡处于黄河上游流域段，属于干旱半干旱地区，根据水文预报方法采取概念性降雨径流模型的超渗产流模型对各个单元流域进行产流计算，根据水情自动测报系统站网的布设，先对水文流域分块，然后对单元流域进行产汇流计算．超渗产流模型的模型结构为：当』≤丁曰印；(3—3)i>fR=RS=i—fb一吣式中：』——雨强，单位m／h：曰——净雨，单位m／h；实际应用中的净雨须乘以时段4t，，——土壤下渗率。单位m／h．可由霍顿下渗公式计算：霍顿下渗公式：厂=，f+(厶一正)P一。(3—5)式中：卜t时刻的入渗率￡——稳定入渗率；fr初始入渗率：卜常数。 公伯峡水电站施工期洪水预报在实际计算中．已知初始土壤含水量，采用迭代方法计算霍顿下渗过程，即f过程再通过以下公式进行净雨量的计算：足，=P一，．△f(3—6)式中：尸——一次降雨量(扣除蒸发，∞)：，——入渗率(M／h)：J△t——时段(h)：3．3．3．2参数率定据多次洪水资料，令计算的产流总量斤，”-与实测的产流总量盯女_的误差为最小，可通过最优化方法优选出本流域的最优参数值。目标函数取为：(3—7)3．3．4汇流预报模型3．3．4．1模型建立河网(流域)汇流模型：流域汇流计算一般有两种途径：单位线法(属于黑箱子性质)和等流时线法(属于概化推理性质)。本研究采用单位线法对区间各单元流域径流过程进行预报。单位线采用瞬时单位线，再将瞬时单位线积分，利用s曲线转换为时段单位线，s曲线如下：即)=卜触=高睁“e{d(}(3-s)式中：p一线性水库个数，卜线性水库的调蓄系数。需要根据实际雨洪资料进行计算，厂倒——n的伽马函数．时段净雨量求定之后，可由上式求出一组mⅣ值的纳希瞬时单位线，对不同时段净雨进行分配和叠加，从而得出应用本模型进行预报的洪水过程，即单元出口的洪水过程。3．3．4．2参数率定口，七这两个参数对瞬时单位线形状起着决定性影响。推求一个流域的瞬时单位线．主要的根据是该流域的降雨和洪水资料，计算瞬时单位线的一阶原点矩越⋯和二阶中心矩肛“．对模型参数做出估计：27坠等∑一=数D次水洪式 西安理工大学工程硕士学位论文(3～9)3．3．5河道洪水演算模型3．3．5．1模型建立将李家峡水库的放水流量过程经河道洪水演算至公伯峡坝址处，洪水演算方法采用马斯京根法。朱华马斯京根矩阵方程(以4段为例)：口』：掣+一(1一xj+，)+；出6』=置j+lz：+I一昙出q=剧(1一一)一三出面=盖×+圭址鬟；：：}c2．，=q／ql其中：上标表示时段序号，下标表示子河段序号纠“Q≯1烈“Q_C2．1C3．2％．303．2C0．●C0，3C3，21，正。啦，口lco．3co．2，口lco。·。o，3％，2／口t为时段，i为子河段序号．式(10)写成向量形式：B矩阵的元素为C2．3C3．●％鹾+1／口2。oj，口21，口3co．4吒．3／口2co，．／q1，吼Q(f+1)=mQ(r)+口U×而口：一6，g：+1如g：一6：g}1或口；一屯g；“以“一乩g：+1(3一10)(3—11)(3—12)(3一13)恤肛ⅣH=足n，●●●●●●●●【％％" 公伯峡水电站施工期洪水预报巾矩阵的元素为％2j0f<．，={l，口Jf--，【c。^-1Jf>_『l．，+l3．3．5．2参数率定马斯京根流量演算法的两个参数正J的确定，可以用以下两种方法。(1)经验试算法(3—14)(3一15)根据水量平衡方程和槽蓄方程，假定不同的x值，求Q’～■的关系，以关系单一作为选择x值的标准。水量平衡方程：(‘+厶)等_(ol+02)筹=％一彤(3—16)槽蓄方程：矿=K【“+(1一x)D】Q=订+(1一x)0式中：I．、I：——计算时段始、末河段的入流量，m’／s；0l、02——计算进段始、末河段入出流量，m3／s；■1、w2——计算时段始、末河槽蓄水量，m3／s；△t——计算时段长。s。(2)水力学方法应用断面上稳定流时的水力学特性．用的不是原始实测点据，而是整编平差后的成果所求得的参数值比经验推求法更为可靠。(3一17)b譬c》1f工=一22三K：三Co 西安理工大学工程硕士学位论文式中：z——计算河段长．Ⅲ；J——特征河长，Ⅲ：n厶——稳定流时的断面流量(m3／s)、比降；凸——稳定流波速m／s：当河段较长时，采用马斯京根分段连续演算的方法，把长河段分成为Ⅳ个短河段。每段的尼，卫值可以根据整段的正J值推算出来。整个河段长L，每个短河段长L。则每段的正与L为?IKe=K|N1x。=三一Ⅳc圭一x，(3—18)3．3．6公伯峡水电站洪水预报实时校正模型确定性水文预报模型发展很快．并且已经达到一定的水平。但建模时对客观现象的规律做了一定的概化，考虑了主要因素，忽略了次要因素，造成了模型的结构误差：另一方面，水文信息的获得存在观测误差，由这两方面的误差，导致水文预报模型的预报值偏离实测值。水文预报实时校正模型，根据水情自动测报系统不断地获得的最新观测信息和模型预报产生的预报误差信息，运用最小二乘法和现代控制理论的卡尔曼滤波技术，及时地校正和改善水文预报模型参数和水文预报值，使水文预报误差尽可能减小。当下时段误差参数估计出来后，则相应的误差校正预报值随之就从误差得到，最后附加在确定性预报计算值上，成为经过实时校正的预报值，将使预报结果更接近观测值。3．3．6．1最小二乘法实时校正模型建立最小二乘法原理：用估计的参数还原计算的输出估计值与已知值的误差平方总和达到最小．相应的估计参数就称为最小二乘估计值。(4一19)状态方程：口(七+1)=口位)+叫D观测方程：y似)=Ⅳ(七妒(t)+1，(t)(3—20)式中：口(∞——膏时刻系统目维状态向量：J，(曲——七时刻系统Ⅲ维观测向量：州曲——七时刻系统口×n阶观测矩阵；r(肋——^时刻系统，维模型噪声向量30 公伯峡水电站施工期洪水预报y(肋——女时刻系统m维观测噪声向量。由状态方程和观测方程，根据最小二乘法原理推出预报和滤波两组递推公式。(1)预报估计参数l口(七／七)+x【(七+1)，≈】-【】，(_j})一工7(七)·口(七／女)】岍彬七={鳅舭耋0篡意；(篇爿㈣似枞H泞：。，、119[七，(七一1)】+足【(七+1)／七】．【】，(七)一x。(七)·日(七／七)】【3—2lJI当E(七，七)>点I七／(七一1)]式中：K【(七+1)，．|}】=珂七／(七一1)】·z(七){^+x7(七)·P[．|}“七一1)】·．r(七))。P【(I+1)／七】={尸[七／(七一1)卜足【七／(t一1)]·x1(七)·尸[七，(々一1)】}／^毗(七十J)／朋——本时段k预估下一时段(k+1)r的参数日值；日(缸似——由本时段的观测值，量测估计误差所决定的本时段对参数的滤波值；Ⅱ(k一1)／(k一2)]——Y(k)一xT(k)“(七一』)／(j圳]的估计误差。即为实测值与误差；^，——预报常数(2)滤波估计参数日【(七+1)／(七十1)】=口(七，七)+足【(七+1)／(．i}+1)】·[y(七+1)一．r7(七十1)·p(七，||})】足【(七+1)，(七+1)】=P(七，．|})‘x(t+1)【^2+工7(七+1)‘尸(七／七)。x(t+1)】-1(3—22)H(七+1)，(七+1)】={P(j}，l】})】一置【(_】}+1)／(七+1)】·．r7(_i}+1)·P(七，七))／也式中：^z——滤波常数。其它的变量说明同前。3．3．6．2卡尔曼滤波实时校正模型建立最小二乘法估计应用简便．效果稳定．但从估计理论的角度分析，估计的无偏性并不是总能保障。线性无偏最小方差估计，能保证达到无偏和方差最小两项目标．卡尔曼滤波技术从模型、观测两种噪声的干扰中获得真实信息，估计理论已经证明，无偏最小方差估计是线性估计中性能最佳的一种估计，卡尔曼滤波即是一种最佳线性估计方法。状态方程：吠I+1)=似女+1)厌∞+r(七+1)Ⅵ竹)(3—23)观测方程：y(七)=日(t妒(|】})+1，(七)(3—24)式中：日(∞——七时刻系统月维状态向量：H曲——}时刻系统_维观测向量：o(肋——膏时刻系统月×月阶状态转移矩阵： 西室里三查兰三堡堡主兰垒堡奎一一r(肋——七时刻系统n×r阶模型噪声分配矩阵：胃(曲——々时刻系统口×n阶观测矩阵；r(曲——t时刻系统，维模型噪声向量：r(曲——}时刻系统口维观铡噪声向量。采用具有衰减记忆功能的卡尔曼滤波器，其五个递推估计公式为：(1)状态预溅：一x七1I一1=西In—l工^I々～1+q(3～25)(2)状态预浏误差协方差阵：只l。一，：=．；m。l。一．jj一．J。一．4，：l。一，+r。一．Q。一。11-。‘3—26’^称为衰减记忆因子，o<^毫l。(3)增益矩阵：xt=只¨．日：【日。只旷，日：+RIrl(4)状态滤波：xI忙=工IIt—l+KI[zt—r—日IxII^一1](5)状态滤波误差协方差阵：。只¨=【，一KI矗t】RI^一J3．3．6．3卡尔曼滤波实时校正模型的参数率定n与％噪声统计特性未知．其协方差矩阵为：E{w，)=qE{v，}=r占如：wl。}=口。一。J。一占如，v；一。}=胄。一．5¨一。q、r、Q、R的估计采用Bayes的极大后验估计方法：(3～27)(3—28)(3—29)(3—30)(3—31)(3—32)(3—33)墨：蓑意糍之舻卅r，蠢奎。=警畸知o^w峨^托一一71罴；；：：攀乏j‘：赫州裟主t=譬如+扣0帆‰日j】 公伯峡水电站施工期洪水预报卡尔曼滤波对系统参数的估计是一个链式过程，每个时段上分别由预测和滤波两个环节构成，它是在做到前一个时段参数尽可能准确的基础上，进行下一时段的预报和滤波。当下时段模型的参数估计出来后，则相应的校正预报值随之就从校正模型中得到。3．4洪水预报方案的局限和完善由于李家峡至公伯峡区间流域可资利用的水文资料很少，水文预报模型的参数率定是首要的问题，模型的好坏与参数的选择关系极为密切。园此．李家峡——公伯峡区间水文预报主要存在两点不足：(1)缺乏资料，不能准确率定参数。(2)缺乏资料，不能检验模型。在缺乏资料的情况下，初步进行模型计算时只能借鉴相邻流域李家峡的水情预报方案，率定所需的参数，待今后建立起水情自动测报系统，收集水文资料，进行模型检验，在实际应用过程中应用不断增加的资料逐步修改完善模型，使模型具有良好的实时预报效果。 西安理工大学工程硕士学位论文4施工期洪水控制4．1概述按照公伯峡水电站修订后的施工组织计划，预计最迟于2002年3月初完成截流，从此进入正常施工阶段．2002年为施工导流的第一年，汛期按二十年一遇洪水标准渡汛，主要采用围堰挡水．2003年充分利用面板堆石坝施工速度快的特点，利用坝体挡水，按五十年一遇洪水标准渡汛。随着坝体的升高，渡汛标准相应提高。由此看来，2002年为旆工渡汛的关键之年。基于龙刘联合调度，在保证黄河上游安全渡汛的基础上，充分利用龙羊峡水库前期蓄水阶段和上游来水偏枯导致龙羊峡水库实际库水位远低于汛限水位的实际情况，通过合理地控制龙羊峡水库在不同来水频率的下泄流量，进行龙羊峡水库调洪计算，达到在保证龙库和梯级安全渡汛的前提下，提高公伯峡水电站施工渡汛标准和提高龙羊峡水库的汛限水位，使其能够发挥多年调节水库的作用一蓄汛补非、蓄丰补枯，跨年度调节。要提高公伯峡的渡汛标准，关键在于合理利用龙羊峡水库的巨大调节性能，通过龙羊峡水库的控泄．从宏观上控制干流洪水。龙公区间洪水具有历时短、峰高量小的特点。借助准确的短期洪水预报技术，充分利用具有日、周调节能力的李家峡水库进行洪水错峰调度，李家峡水库进行二级控泄，避免干流洪水与区间洪峰遭遇叠加造成公伯峡导流超标，产生淹没基坑或溢坝危险。4．2黄河上游洪水特性黄河上游流域面积广大，较大洪水的出现必须要有大尺度天气系统所形成的长历时、大面积连续降雨。局部暴雨对造洪影响不大．黄河上游的洪水特性是缓涨缓落。历时较长，一次洪水过程为40天左右。洪水多为单峰型，峰量关系较好．黄河上游洪水主要来源为：在吉迈以上水量主要以地下水和冰雪溶解补给为主．流量相对稳定，吉迈～玛曲区间和玛曲～唐乃亥区间南段降雨量较丰，为黄河上游的主要产洪区，唐乃亥～循化区间为相对干旱区．汇入水量很少。龙羊峡～公伯峡位于唐乃亥～循化区间之间，长历时、高强度全区间降雨较少。一般不发生长历时较大洪水，相对干流而言区间来水较小．但是。本区间常常发生高强度短历时局地暴雨，这种暴雨产生的区间洪水峰高量小．陡涨陡落，历时在一天以内．主要洪量集中在 施工期洪水控制大约6小时以内。龙羊峡～公伯峡区间设计洪水成果和龙羊峡～李家峡区间设计洪水成果分别见表4—1和4—2。其中，二十年～遇李～公区间洪峰流量为5“m3／s。表4—1龙羊峡～公伯蛱区间设计洪水成果流量：m’／5设计频率五年一遇二十年一遇五十年一遏百年一遇五百年一遇洪峰流量5701010131015402070设计频率千年一遢二千年一遇五千年一遢万年一遇洪峰流量2300254028503080表4—2龙羊峡～李家峡区间设计洪水成果流量：m3／s设计频率二十年一遢五十年一遇百年一遢五百年～遇千年一遇洪峰流量466576662860940日平均流量3474264886327764．3黄河上游梯级概况及基本资料黄河上游梯级水库群从上到下已建成的有龙羊峡水库、李家峡水库、刘家峡水库、盐锅峡水库、八盘蛱水库，在建的有尼那水电站、公伯峡水电站等。其中，龙羊峡、李家峡水库位于公伯峡水电站上游．对公伯峡水电站的施工渡汛起着举足轻重的作用。4．3．1龙羊峡水库基本资料龙羊蛱水库位于青海省，上距河源1630l(m，集水面积13．1万Km2，多年平均天然径流量203亿m3，总装机128万¨，是黄河上唯一一座有多年调节能力的水库，同时也是黄河上游的控制性“龙头”水库。水库设计正常蓄水位2600m。相应库容247亿m3；汛期限制水位2594m，相应库容224．85亿Ⅲ3；极限死水位2530m，相应库容53．43亿m3；校核洪水位2607Ⅲ，相应库容274．47亿m3。水库调洪库容(淤积50年)为54亿m3；调节库容为193．544亿m3。其库容～水位关系曲线、下游流量～水位关系曲线见表4—3、表4—4。衰4—3龙羊峡水库设计库容～水位关系单位；-、亿·1水位2530253525402545255025s525602565库容53．4562．3972．1382．3793·36I105·24I¨7·7813I．15续表4—3水位2570257S25802585259025952∞02610库容145．3160．29176．06192．65210·lll229·26246．98286．28 西安理工大学工程硕士学位论文表4—4龙羊峡水电站尾水流量～水位关系单位：m1／s、Ⅲ流量200300400500600700800900水位2450．972451．502452．0l2452．532453．002453．462453．902454．33续表4—4流量10001200200030004000500060007000水位2454．782455．652458．102460．602462．902465．052467．102469．15龙羊峡水电站泄水建筑物有底孔、深孔、中孔和溢洪道，水库水位～泄量关系见表4—5。表4—5龙羊峡水库水位～泄量关系表单位：m3／s、＼水位(m)项目＼＼2570257525802585259026002607、＼底孔(卜5×7m)1254129l13241358139214551498深孔(卜5×7m)10451097114011801218129l1340中孔(卜8×9_)1337146115801686179l20322203溢洪道(2一12×17_)040025334493机组过水700合计4336454947444929550180ll102344．3．2李家峡水库基本资料李家峡水电站位于青海省尖扎县和化隆县交界的黄河干流上，上游距龙羊峡水电站108．6km，与下游刘家峡水电站相距225．4km。坝址以上控制流域面积13．67万km2，其中龙羊峡电站坝址以上13．14万km2，龙羊峡至李家峡区间0．53万km2。李家峡水电站枢纽建筑物主要由砼双曲拱坝、坝后式厂房、发电引水系统、泄水建筑物及下游消能防护工程等组成。双曲拱坝最大坝高155m，最大底宽45m，坝顶宽8m。电站双排布置安装5台单机容量为400胛的水轮发电机组，总装机容量2000姗，设计多年平均年发电量59．0亿k■．h。电站主要任务为发电，并兼顾灌溉供水等综合利用任务，水库正常蓄水位2180m，相应库容16．48亿m3。极限死水位2160Ⅲ．相应库容11．13亿m3，具有日周调节能力，可承担系统的调峰及备用容量。李家峡水电站第1台机组于1997年2月投产发电，目前4台机组已全部投入运行，主体工程也已基本完工，但还有部分尾工还没有完成。其库容～水位关系曲线见表4—6，下游水位～流量关系曲线见表4—7，库水位～泄量关系曲线见表4—8。 施工期洪水控制表4—6李家峡水库设计库容～水位关系I水位(1)2050210021102120213021402150216021702180『库容(_1／s)01．572．573．795．256．968．9211．1313．616．48表4—7李家峡水电站下游水位～流量关系l水位(1)20452047205020542058206220642066I流量(Ⅲ’／s)19227559413002440415051606130表4—8李家峡水库水位～泄量关系单位：m’／s＼水位(m)216821702172217421762178218021822184项目＼＼底孔(卜5×7Ⅲ)105910751090110511251136115411701182中孔(2—8×10Ⅲ)40024105420443044400449l458546704756合计506151805294540955255627573958405938机组过水900总计5961608061946309642565276639674068384．3．3刘家峡水库基本资料刘家峡水库位于甘肃省．距离上游龙羊峡水库340Km，控制流域面积18．2万】【Ⅲ2，坝址处多年平均天然径流量270亿m3，水库总库容57亿m3，调节库容41．5亿m3，为一不完全年调节水库。该库装机116万k■。是黄河宁蒙河段防凌的主要调节水库；水库正常蓄水位1735m，设计死水位1694m，校核洪水位1738m。其库容～水位关系曲线见表4—9。表4—9刘家峡水库设计库容～水位关系水位(Ⅲ)17011705171017151720172517301735库窖(一／s)10．9813．3216．8820．8625．4731．1937．4543．834．4黄河上游防洪渡汛现状及龙羊峡水库设计运行要求自龙羊峡水库建成后，黄河上游梯级水库群的运行调度和防洪调度已经形成了龙羊峡和刘家峡两大水库联合调度的格局。黄河上游防洪对象的防洪任务是通过龙羊峡、刘家峡两库联合调度实现的．两库的联合调度在防洪、发电、灌溉、防凌和供水等方面取得了巨大的经济效益和社会效益。 西安理工大学工程硕士学位论文龙、刘两库联合防洪渡汛的任务为：在确保龙羊硖、刘家峡水库大坝自身安全的前提下，保证下游已建水电站和兰州市的防洪安全以及满足黄河上游在建工程和扩建工程的施工渡汛要求。龙、刘两库联合防洪调度。总的原则是不考虑洪水预报，不考虑水库预泄，以及水库下泄量在蓄水段不超过天然日平均入库流量．既不人为造洪，以便为水库的管理运用留有余地．在龙、刘两库联合防洪调度中．刘家峡水库的下泄量，应按照刘家峡下游防洪对象的防洪标准要求严格控制．而龙羊峡的下泄量需满足龙、刘区间防洪对象的防洪要求，并使刘家峡水库不同频率洪水时的最高库水位不超过设计规定的水位，具有一定的灵活性。在调洪阶段，龙、刘两库按一定的库容比同时蓄水。按龙羊峡水库汛限水位2594m，刘家峡水库汛限水位1726Ⅲ，在满足黄河上游梯级防洪渡汛要求的基础上，遵循龙、刘联合调度的原则，龙羊峡设计调洪结果见表4—10。详细计算见‘黄河龙羊峡水电站技术设计"表4一10龙羊峡水库设计调洪成果单位：m洪水标准百年一遇千年一遇二千年一遇可能最大洪水最高水位2597．752602．252603．82606．754．5公伯峡施工期洪水控制原则4．5．1公伯峡施工期导流方案n们1、原设计公伯峡地处干寒、海拔高、冬季长的地区，汛期正是施工条件较好的夏秋季节，加之河谷狭窄，不采用分期导流方式。为降低围堰工程造价，充分发挥砼面板堆石坝坝体施工上升速度快的优点，采用枯水期围堰挡水，汛期坝体临时断面拦洪，隧洞导流，基坑施工的导流方式。按规范规定，本工程导流建筑物为Ⅳ级．相应设计洪水标准为10～20年一遇，坝体临时断面挡水时渡汛洪水标准为50～100年一遇．上游围堰二十年一遇枯水期流量1460m3／s：导流洞为二十年一遇洪水。流量为3150Ⅲ3／s(经调蓄后流量)：截流后第一、二年汛期坝体临时断面为五十年一遇洪水，流量4440m3／s：截流后第三年坝体临时断面为百年一遇洪水。流量5180m3／s．根据‘黄河公伯峡水电站工程初步设计重编报告》。公伯峡入库洪水以典型年龙羊峡下泄过程和区间叠加推求出公伯峡的入库洪水与过程．为了施工电站的渡汛需要龙羊峡水库汛期 施工期洪水控制限制水位降低2Ⅲ，增加二十年一遇洪水的控泄2500m3／s，因此，公伯峡的旆工洪水亦按龙羊峡下泄过程叠加区间洪水推求，见表4—11，非汛期施工洪水按李家峡机组过水能力考虑。表4一ll公伯峡分期洪水成果单位：m’／s心洪水标准(P_)月毋弋251020l～614607～9499035lO32903070103000280024602090ll～121460工程采用坝体临时断面挡水渡汛，因此各阶段导流标准和上游水位均不同，结合枢纽布置，施工进度等方面综合分析，确定导流规划如表4—12。2、修改后公伯峡目前已经开工，原计划2001年年底截流，由于种种原因未能实现。根据‘公伯峡2002年施工洪水研究报告》，为了实现2004年机组发电，河道截流必须在2002年2月底到3月初完成，2002年汛期按二十年一遇洪水标准渡汛，导流流量2000m3／s。龙羊峡二十年一遇及其以下洪水控制洪量1500m3／s．龙、刘两库2002年汛限水位分别控制在2588m和1726m。2003年坝体挡水，按五十年一遇洪水标准渡汛。按目前施工安捧，从2002年2月底截流到2002年7月初汛期到来这段时间内，施工围堰难以达到安全渡过原设计二十年一遇施工洪水所需的高程。 壁窭翌三查堂三矍堡主堂垡兰苎群交累螺曲鬟H蠼譬甘摧滔镫血蓦根昏嗓葵鞭萋*饕攥蠕=l!|《柱蓦*峨氍芷H翟盖束薰象蓑蛙甍脚卿廿耀璃世琏一砷般怕野粼蒜闻卅{*糊毫驿Em鼍哗口】。t醛担《Ⅱ一当o韬蜮悼若∞掣；譬辱一巨s皤鼬．一幄雕旧∞Ho霉球8驰瞽耀落卜蒜蜜。恒旧瞽富。巅“倒匿一爵当冀蝗一蛙。*蜡∞-督田世鼻“宴墨燕群瓤蹄苫圈世_鸯晷叫捌长辱熙辱器J曩霎薹吲*寡蒜磊嚣艄筐m々肺砷辎捌q薹32q一棼骥簧静最霉器鬟霉罴畦《尝祟斡艇鬲皿吸。正。正N售叮o一_一j}卜廿孬芒正孬苎正孬芒吐“蠊甘瓣∞接摄蠊摄赢拣赢壕酬咿一世7l⋯日一V一 施工期洪水控制4．5．2公伯峡2002年施工洪水控制方案根据‘公伯峡2002年施工洪水研究报告)，从目前公伯峡工程的施工情况来看，电站要在2004年发电．河道截流要拖至2002年底进行己十分困难，目前龙羊峡库水位较低，可以抓住这个有利时机，在2002年2月底实现截流，在龙羊峡少弃水或不弃水的情况下，使公伯峡安全渡过2002年旌工期．2002年公伯峡施工导流方案按二十年一遇洪水，导流流量为2000m3／s。龙羊峡二十年一遇及其以下洪水控制泄量1500Ⅲ‰，龙、刘两库2002年汛限水位分别控制在2588m和1726m。李家峡、盐锅峡、八盘峡、大峡水电站分别达到5000年、2000年、1000年一遇洪水防洪标准：兰州百年一遇洪水不超过6500m3／s。龙、刘两库达到P肝防洪标准，见表4～13。表413龙刘两库调拱推荐方案单位：m、m1／s龙汛限水位2588调洪结果刘汛限永位1726各站名龙羊峡刘家峡龙羊峡刘家峡控制最大种项目库容比库水位频泄量洹量泄量枣5％15003—44290l1500259&242901726．6控1％40004—54290140002597．O42901732．6泄O．1t40004—54510140002601．845101735．1流0．05■60005—67260160002603．072601736．2量PvF60005-6敲泄l60002607．O8200l737．44．5．3公伯峡施工期洪水控制原则(1)不发生超标洪水时，控制龙、李出库流量与区间叠加不超过标准。(2)李～公区间洪水二十年一遇相应日平均流量为495·3／s。洪峰为574m3／s。要保证公伯峡2002年汛期二十年一遇洪水施工导流流量2000m3／s．龙羊峡二十年一遇洪水以下泄量不得超过1500Ⅲ3／s。(3)汛期一旦出现险情，应及时采取措施．并由龙羊峡和李家峡水库控制下泄流量，确保公伯峡水电站施工安全。4．6公伯峡水电站施工渡汛研究4．6．1盈余防洪库容定义4l 西安理工大学工程硕士学位论文防洪库容的定义为：防洪高水位与防洪限制水位之间的水库容积称为防洪库容。为了研究方便，我们定义：洪水来临前水库实际水位与防洪限制水位之间的库容为盈余防洪库容。盈余防洪库容的大小对汛期洪水调度有很大影响，如果盈余防洪库容大，则汛期洪水调度会有充足的调节空间和决策时间，同时。科学的调度可以提高防洪渡汛标准，反之，若盈余防洪库容小，则汛期需要严格按照设计渡汛规则进行洪水调度，决策裕度和防洪标准相对较小。4．6．2调洪演算方法洪水进入水库后形成水库的洪水波运动，水库各断面的水利要素随时间变化的规律可用如下圣维南偏微分方程组表示：动力平衡方程式一丝：旦+婴+土里(4一1)aLCiR98Lg。￡连续方程式筹+鬻=o(4-：)西a￡Lq—zJ式中：z一水位(m)，L一距离(m)，v一流速(m／s)，C一谢才系数，R一水力半径(m)，t一时间(s)．r重力加速度(Ⅲ／s2)，A一过水面积(一)，口一流量(m3／s)。上列方程组至今尚无直接的解法，具体计算方法采用简化计算：①近似考虑动力平衡方程影响的近似动库容法，计算工作量大，但仍是近似算法；②联合求解简化后的圣维南方程组的瞬态法、显式矩形同格差分法等库区洪流演进算法，在理论上较严格，且可求得水库各处的水力要素，但计算工作量大而复杂．在水库调洪中很少采用；③仅考虑连续方程的静库容调洪算法，抓住了问题的主要方面，计算简单，在调蓄能力大的水库中使用是理想的。由于龙羊峡水库有巨大的调洪能力．故调洪计算原理采用方法③。这种方法略去了动力 施工期洪水控制平衡方程，假定水库水面是水平的，水库容积与库水位在时段内成直线变化．及出库泄流量是水库蓄水量的函数。在这种假定下，再将连续性方程用以下有限差的简化形式的水量平衡方程表达，即水库调洪计算的水量平衡原理(半)⋯(半)△f=肾”⋯∽。，式中：9g厂一时段初、末的入库流量；gI、92一时段初、末的入出库流量：矿．K一时段初、末的蓄水量变化值；△矿——△芦段内蓄水量变化值；△厂一时段长度·在水量平衡方程中有两个未知数，求解时还需借助于水库泄量与水库水位或蓄水量的关系：g=，(Z)或g=Jr(矿)4．6．3龙、李两库联合调度研究4．6．3．1龙羊峡水库盈余防洪库容分析(4—4)龙羊峡水库坝高库大，电站仍处于初期蓄水运行阶段，其防洪调度运行也处于过渡期。不同的来水情况、不同的前期蓄水位及不同的防洪要求．都将影响龙羊峡水库的防洪调度运行。龙羊峡水库自从蓄水、发电以来，由于受来水偏枯等因素的影响，水库仍处于低水位运行，至今未能蓄满，不能充分发挥其多年调节水库的作用。然而，正是由于龙羊峡水库的水位偏低，其巨大的水库容积对施工电站的旖工渡汛、梯缀电站的发电和下游综合用水的调节做出了巨大的贡献。2001年汛初(7月初)，龙羊峡水库实际水位为2557．15m。以汛限水位2588m，2592m．2594m为据，龙羊峡水库的盈余防洪库容见表4一14。 西安理工大学工程硕士学位论文表4一142001年龙羊峡水库盈余防洪库容汛限水位(n)2588259025922594l盈余防洪库容(亿‘3)92．4799．28106．65114．032002年汛初(7月初)龙羊峡水库的实际水位对公伯峡水电站旋工渡汛有很大的影响。若库水位较低，意味着有充裕的盈余防洪库容，则可防御较大的洪水，使公伯峡水电站安全渡汛：反之，公伯峡水电站2002年汛期麓工遗受破坏的几率就大．所以首先要分析、预测2001．7—2002．6水平年不同来水和用水情况下，龙羊峡水库于2002年汛初水库水位的变幅范围，在此基础上进行洪水调节计算，可以得出在不同库水位下的不同渡汛方案和渡汛标准。用贵德站1919～1997年共78年的天然年径流系列，考虑梯级水电站的发电要求和水量调度计划．对1919～1997年径流系列进行长系列梯级调节计算，得出不同来水条件下龙羊峡水库2002年汛初的可能库水位见表4—15。表4—152002年汛初龙羊峡水库可能水位来水(n)l20508095【2002年汛韧水位(4)25882586．12568．425402530从表中可以看出，当来水频率为1％，即1981年实测最大来水(330．3亿m3)，2002年汛初可蓄到2588Ⅲ。来水为20％的丰水时，水位达到2586．1m．来水为50％的平水年时．水位达到2568．4m，来水为80％、90％的枯水年时，水位达到1940皿、1930皿，比现在的还要低。由此可知，2002年汛初枯水位的变幅大致在2530～2588之间。不同水位到不同汛限水位的盈余库容分析如表4—16。表4一162002年龙羊峡水库盈余防洪库容分析单位：f／sⅥ水位2588258025752570256525602550汛限水永＼2588(●)027．2342．6l5871．7685．5l109．932590(_)6．8l34．0449．4364．8l78．5792．32116．742592(-)14．1841．4l56．872．1885．9499．69124．1l黄河上游龙羊峡断面十年一遇洪水的洪量为89．3亿m3，二十年一遇洪水的洪量为102亿m3，一百年一遇洪水的洪量为128亿m3。如果在汛期龙羊峡的运行按装机发电不弃水作为水库到达汛期限制水位前的基本运行方式．那么在设计洪水的流量中扣除发电流量，扣除后的水量为蓄洪量，则十年一遇洪水的蓄洪量为43．3亿m3，二十年一遇洪水的蓄洪量为56亿m3． 篪工期洪水控制一百年一遇洪水的蓄洪量为82亿m3。从表4—16可以看出，如果汛限水位为2588Ⅲ，那么2002年汛初．当龙库库水位在2570m时，盈余防洪库容可以拦蓄二十年一遇洪水的蓄洪量，当龙库水位小于等于2560m时．其盈余防洪库容有能力拦蓄百年一遇洪水蓄洪量：如果汛限水位为2592m．那么2002年汛初．当龙库库水位在2575Ⅲ时，盈余防洪库容可以拦蓄二十年一遇洪水的蓄洪量，当龙库水位小于等于2565Ⅲ时，其盈余防洪库容有能力拦蓄百年一遇洪水蓄洪量。同时，由表4—15可知2550m～2575m为2002年汛初龙库的可能蓄水位范围。以上的简要分析说明，龙羊峡水库的盈余防洪库容有拦蓄中小洪水的能力，可以大量的蓄水，同时还可以看出，黄河上游2002年的防洪有一定的余地，如果能对龙羊峡水库进行台理的调度，其有能力帮助下游施工项目的安全渡汛。4．6．3．2李家峡水库错峰能力分析李家峡水库的基本资料详见4．3．2，它是一座只具有日、周调节能力的水电站，防洪库容有限，按汛期限制水位2170m、2175m、2180m分析其防洪库容的大小见表4—17。表4一17不同汛限水位下的李家峡水库防洪库容汛限水位(Ⅲ)217021752180防洪库容(亿。’)4．142．7l_26龙羊峡～李家峡区间在黄河上游属性对干旱地区，以局部暴雨为主．形成的洪水过程一般在一天左右。其区间设计洪水成果见表5—2。区间设计洪水一日洪量见表4—18。表4—18龙羊峡～李家峡区间洪水一日洪量洪水频率二十年一遏五十年一遇百年一逞五百年一遇千年一遇l一日洪量(亿_3)O．30．370．4Z0．550．67从表4—17和4一18可以看出，李家峡水库不同的汛限水位，其防洪库容均能够容纳龙、李区间不同频率的洪水．甚至还具有一定的调节龙羊峡水库的下泄洪峰流量的能力。本次研究中。龙、李联合调度只考虑李家峡水库进行区间洪水的错峰调节．通过李家峡水库的错峰调节，削减了龙～公区间的洪峰流量，同时削减了公伯峡坝址的洪峰流量。达到了提高公伯峡施工渡汛能力的目的。在施工期。充分利用洪水预报系统和网络优势，及时掌握龙羊峡以上、龙李区间、李公区间的洪水信息和气象信息，以及龙、李水库的下泄信息，根据实际的雨情和汛情，利用洪水调度系统做出渡汛分析，争取做到早预防、早判断，保证公伯峡水电站安全渡汛。4．6．3．3龙、李两库联合调度计算45 西安理工大学工程硕士学位论文(1)渡汛标准不变，提高汛限水位龙羊峡水库汛期限制水位的高低对龙羊蛱电站本身和梯级电站的发电效益的影响较大，经长系列径流调节计算可知，龙羊峡水库汛期限制水位从2585Ⅲ提高至2588m，不仅可以使龙羊峡水库多发电2亿多度。而且使梯级其它电站增发电3亿多度：继续提高汛限水位，梯级发电量会有不同程度的提高．由此看来．从提高梯级发电效益的角度讲．在确保梯级安全渡汛的前提下，提高龙羊峡水库的汛限水位是有益的．通过调洪演算，确定不同的汛初水位，所对应的合理的汛限水位。在上述分析的基础上，制订龙、李联合调度的调度规则：1)洪水来临时，若库水位低于汛限水位，那么下泄流量的范围在保证出力和装机出力所需流量之间，本次计算以700m3／s控制：2)水位在汛限水位以上时，若来水频率小于等于二十年一遇，控泄流量1500m3／s：若来水频率在二十年一遇和千年一遇之间．控泄流量4000m3／s：若来水频率大于千年一遇，控泄6000m3／s。3)相邻两时段的泄量差小于等于1000Ⅱ3／s，防止因流量变化过大。对建筑物产生冲刷．表4一19单位：水位(m)流量(-3／s)汛初水位2588洪水频率(■)汛限水位项目5l0+20．10．050．0lPMF最大泄量1500400060002588最高水位2598．962695．68259984260l732600．292604．482607．012592最高水位2601-022597．062600．972602．682601．782606．772609．962594最高水位2601．732597．8l2601．502603．202602．132608．22破坏表4—20单位：水位(m)流量(m’／s)汛初永位衢BO洪水频睾(■)汛限水位项目5l0．20．10．050．0lP肝最大泄量150040006000258B最高水位2594．832591．432594．592596．402595．262602．742605．212592量高水位2595．772594522597．732598．962598．992606．222608．242594量高水位2596．522596．072598．502599．732600．642608．552609．41 施工期洪水控制表4—2l单位：水位(m)流量(f／s)汛初水位2575洪水频率(■汛艉水位项目5l0．20．10．050．01P盯最大泄量1500400060002588最高水位259L782591．122593．552594．782594．822602．302604．332592最高水位2593．472593．872595．872597．102597．822605．BO2607．832594最高水位2594．782599．61Z597．422598652600．082608．132609．00表4—22单位：水位(Ⅲ)流量(m’／s)汛初永位2570洪水频率(t‘汛艰水位项目5l0．20．10．050．0lP盯最大泄量1500400060002588最高水位2589．442594．262591．702592．932593．642603．052603．9l2592量高水位2591．552596．182594．092595．252596．692605．442607．4l2594最高水位2591．552597．122601．702599．862597．462606．702608．57表4—23单位：水位(-)流量(r／s)汛初水位2565洪水频率(■)汛限水位项目5lO．20．10f050．OlP肝最大泄量1500400060002588量高水位2587．632592．452590．362591．522592．962601．942603．9l2592最高水位2587．642594．14259．402600．992594．5l2604．082606．242594量高水位2587．632594．892599．962602．222596．142604．802607．4047 西安理工大学工程硕士学位论文表4—24单位：水位(m)流量(m’／s)汛韧水位2560洪水频率(％汛限水位项目5l0．20．10．050．0lPMF最大泄量1500400060002588最高水位2583．592590．4l2595．672597．322590．782600．582601．572592最高水位2583．592591722596．792599．O】2600892602．032603．902594最高水位2583．59259I．722597。542599．572602．032603．482605．13从龙羊峡水库2002年不同的汛初水位、不同的汛限水位调洪演算结果表4—19～表4—24分析，在龙、刘联合调度保证梯级安全渡汛和满足公伯峡水电站二十年一遇施工渡汛标准(即二十年一遇控泄1500m3／s)的前提下，不改变龙羊峡水库不同频率的下泄流量，也就是不改变龙羊峡以下的水库的防洪标准。随着2002年汛初龙库实际水位的下降，龙库的汛限水位逐步提高。同时也满足了龙库的渡汛要求。有调洪结果可知：当2002年汛初龙库实际水位在2565以下时，龙库的汛限水位可以从2588m提高到2592m：当汛初实际水位在2560m以下时，龙库的汛限水位可以从2588m提高到2594m。(2)汛限水位不变，提高渡汛标准旌工渡汛标准的提高对工程施工组织安排和工程的安全十分有益，有鉴于龙羊峡水库的实际运行状况，其巨大的盈余防洪库容有拦蓄中小洪水的能力，所以有必要研究提高公伯峡水电站施工渡汛标准后。梯级电站和龙库在限亍l!f流量后能否安全渡汛以及安全渡汛的限制条件。若提高2002年公伯峡水电站施工渡汛标准到百年一遇，那么龙羊峡水库应该如何控泄?首先分析李～公区间百年一遇区间洪水的洪峰流量，其最大日平均流量为464n’／s，洪峰流量为896mys，按2002年公伯峡水电站旌工渡汛泄洪能力要求来水小于2000m3／s计算，李家峡水库拦蓄龙～李区间洪水．则要求龙羊峡水库百年一遇洪水限泄1200m3／s．遭遇其余频率的洪水时控泄流量如前。表4—25～4—30为不同限制条件下的调洪结果。 施工期洪水控制表4—25单位：水位(Ⅲ)流量(m’／s)讯初水位2588洪水频率(_汛限水位项目5l0．20．10．050．0lPMF最大泄量15001200400060002588量高水位2598．962606．192600．102602．282603．042605．472609．832592最高水位2601．022607．4B2601．522603．232翩3．9826∞．24破坏2594屉高水位2601．732608．192602．052603．752604．332606．59破坏表4—26单位：水位(Ⅲ)流量(Ⅲ3／s)汛初水位2580洪水频率(％)汛限水位项目5l0．20．10．05O．0lP■F最大泄量15001200400060002588最高水位2594．832601．792595．172596．992597．6l2600．022605．892592最高水位2595．772602．492597．732598．962598．992600．722608．212594最高水位2596．522602．842598．502599．732600．642602．832609．41表4—27单位：水位(m)流量(-’／s)汛初水位2575洪水频率(％汛限水位项目5l0．20．10．050．0lPvF最大滑量15001200400060002588最高水位2591．782598．672593．552594．782594．822596．602604．332592最高水位2593．472599．232595．872597102597．822600．082607．832594最高水位2594．782599．6l2600．122598．652600．082602．412608．99 西安理工大学工程硕士学位论文表4—28单位：水位(士)流量(m3／s)汛初水位2570洪水频率(■)汛限水位项目510．20．10．050．0l蹦F最大泄量15001200400060002588最高水位2589．“2595．252591．702592．932593．642597．162603．9l2592最高水位2591．552596．182601．262595．472596．692599．7l2607．4l2594最高水位2591．552597122602．582604．272597．772600．982608．57表4—29单位：水位(m)流量(Ⅲ3／s)汛初水位2565洪水频率(■)汛限水位项目5l0．20．10．050．01肿最大泄量15001200400060002588最高水位2587．632592．452597．622591．742592．962595．982603．9l2592最高水位2587．632594．142599．402601．872598．822598．252606．242594最高水位2587．632594．892599．962602．222604．832599．032607．4表4—30单位：水位(m)流量(_’／s)汛初永位2560洪水频率(％)汛限水位项目510．20．10．050．0lNF最大泄量150012∞40004∞O6000∞006000●2588最高水位2583．592590．4l2595，682598．262595．092594．522601|572592最高水位2583．59259l_722596．792599．0l2601-682597．402603．902594最高水位2583．592591．722597．542599．S72602．032607．022605．13从表4—25～表4—30可以看出，当汛限水位为2588m时．减小龙库百年一遇洪水的控泄流 施工期洪水控制量，由4000m3／s减小到1500m3／s，随着2002年汛初龙库实际水位的降低，可以满足梯级和龙库的渡汛安全．由调洪结果可知：当水库汛初水位低于2580Ⅲ时。通过龙羊峡水库的控泄，可以提高公伯峡水电站施工渡汛标准到百年一遇．同理，随着汛初水继续降低，还可以提高公伯峡水电站施工渡汛标准。(3)同时提高汛限水位和渡汛标准根据龙羊峡水库运行的实际状况，完全有可能在提高公伯峡水电站施工渡汛标准的同时提高龙羊蛱水库的汛限水位，从表5—25～表5—29的调洪演算结果可以看出，可以同时实现这两个目标。结论如下：当汛初水库实际水位低于2570m时，龙羊峡水库的汛限水可以提高到2592m，公伯峡水电站施工渡汛的标准可以提高到百年一遇：当汛初水库实际水位低于2560m时，龙羊峡水库的汛限水位可以提高到259如，公伯峡水电站施工渡汛的标准可以提高到百年一遇。4．6．5洪水调度合理性分析1)在公伯峡水电站初步设计施工渡汛方案和修改后施工渡汛方案的基础上，根据上游梯级运行的实际状况．分析了在满足梯级和龙库安全渡汛的前提下，通过合理利用龙羊峡水库盈余防洪库容来提高公伯峡水电站施工渡汛标准和龙库汛限水位，来提高梯级电站的发电效益，充分发挥龙库多年调节的性能，降低公伯峡水电站旖工遭受破坏的风险，说明本次研究的立足点和出发点符合实际。2)本次研究是在龙羊峡水库实际运行状况下进行分析的，由于龙羊峡以上多年来水偏枯，导致龙库处于低水位运行，2001年汛初龙库实际水位为2557．14m，远低于设计汛限水位(2594m)，根据表4一15分析结果和200l～2002水文年汛期来水偏枯实际情况，2002年汛初龙库实际水位在2560m左右，由此看来，本次研究的龙羊峡水库2002年汛初水位范围是合理的。3)在调洪演算中，库水位未达到汛限水位以前，水库泄量的控制比较灵活，原则上在零到装机所需流量之间，甚至根据洪水入库趋势进行预泄都是合理的，由于龙羊峡电站在系统中的作用和下游用水的需求，本次研究中在库水位未达到汛限水位以前水库泄量以700m3／s(相等于龙羊峡电站保证出力所需流量)控制。对防洪计算而言，此泄量偏于安全。因此，调洪演算结果对于公伯峡水电站的渡汛是安全可靠的。4．7洪水预警顾名思义，预警即是根据实测资料进行分析、计算、判断，对即将发生的不利事情进行报警。 西安理工大学工程硕士学位论文施工期．特别是施工初期．电站不仅调洪能力较低，而且防洪标准较低，因此，在施工期遭遇渡汛标准洪水的几率很大，那么一但发生等于或大于渡汛标准洪水时，如何使旌工损失降低到最小是管理者所关心的。首先，选择预警指标。从前面的分析研究可知，公伯峡入库洪水主要由区间洪水和龙、李出库洪水组成，且龙羊峡水库的出库为主要控制指标。由此看来，预警指标的选择应以能反映区间与干流洪水大小为主。区间洪水主要由隆务河和六条主要支沟的来水组成。在隆务河上有同仁水文站作为控制站，因此选择同仁站的流量与降雨量作为隆务河的预警指标；六条支沟没有水文站，但布设有雨量站，且由于支沟较小，因此以六条支沟的平均降雨量为一预警指标。干流洪水主要由龙羊峡出库决定，故龙羊蛱出库流量为一预警指标，同时，在汛期李家峡出库主要受龙库出库影响，但当龙、李区间出现大水时，会导致李家峡出库变大，因此，李家峡出库也应为一预警指标。其次，决定预警限值(或阈值)。一般以控制指标超过某一值作为预警触点。支流的预警值以区间洪水二十年一遇为预警限值，干流龙、李出库的预警值以1500Ⅲ3／s为预警阈值，最后，制定预警后行为。本次研究中的预警为某一控制点或控制断面的值，其值不能代表整个流域的水情，所以当预警发出后，应分析整个流域的水情以做出准确的判断，避免因信息不完全而造成的人为决策失误。4．8洪水控制风险分析风险常常伴随着不确定性因素，它是客观存在的，无时不有、无所不在。由于影响水库调度的径流、用水等多为不确定性因素，因此，风险分析对水库调度具有十分重要的意义。可靠性与风险是两个互补的概念．前者的研究始于本世纪30—40年代．用概率论研究机器设备的维修问题；后者研究始于50年代，最早是由军工生产部门提出。随着生产和科学技术的飞速发展，人们生产和研究的各种设备工程系统的结构和运行管理越来越复杂，尤其是军事、核工业和航空航天业的发展，可靠性和风险分析理论得到迅速的发展，至80年代初，逐步形成一门内容丰富，方法多样、理论体系较完整的边缘科学．在水资源工程中可靠性提出和方法的应用早于风险分析，风险分析在70年代后期才渗透到水资源研究领域．目前世界各国对水资源工程中的风险决策以及水资源系统运行的风险分析都引起了高度重视，并开展了广泛的研究，研究范围涉及到水工结构、水文及水资源、水环境等各个方面．但水库调度中的风险分析方法80年代才提出““，我国在这方面研究才刚 施工期洪水控制刚起步。4．8．1风险的概念通俗地说，风险是可能发生的损失和失败。严谨地说，风险是要完成某项工作的特定主体(个体或集体)将要产生不得情况的可能性．对水库系统而言，风险在于水库调度决策和运行、管理策略，导致水库系统达不到预期目标的可能性。目前对风险的定义没有公论，说法不一。黄强””指出在水库调度中风险是指水库在调度、运行期间失事事件发生的可能性或概率。失事事件是广义的，它是指诸如库水位或水库放水流量高于或低于某一规定值，如高于正常蓄水位、防洪限制水位、多年调节水库年末消落水位或低于死水位等任何事件。对承受风险的特定主体(个体或集体)，称之为风险主体。水库系统是水库调度所研究的风险主体。风险不同于危险．危险说的是不安全，某个风险主体如水库、电站等在一个比较安全的状态上受到危害的可能。例如地震、战争等引起垮坝，导致水库系统破坏；电站由于设备事故、人为误操作使电站不能正常工作等危险，均指风险主体处在安全状态上受到危害的可能。而风险则强调主体要完成某项工作。为达到某个既定的期望目标所遇到的各种不利情况。如挫折、失败等可能性．4．8．2水库调度中的风险分析方法定性与定量相结合的风险分析方法对水库调度风险问题是较适宜的。这是因为水库调度中的风险是一种自然的、微观的和可测度的风险。下面对定性和定量风险分析方法分别进行说明。4．8．2．1水库调度中的定性风险分析方法定性分析法主要用于风险可测度很小的风险主体。常用的方法有调查法、矩阵分析法和德尔菲法。德尔菲法是美国咨询机构兰德公司产生提出的。该法主要是借助于有关专家的知识、经验和判断来对风险加以估计和分析。在水资源系统中有些不确定性因素难以分析、计算，因此该法在水库调度风险决策中具有一定的实用价值。4．8．2．2水库调度中的定量风险分析方法定量风险分析方法是借助数学工具研究风险主体中数量特征关系和变化，确定其风险率(或度)的方法。定量风险分析方法有许多．但归纳起来可分为：基于概率论和数理统计的 西安理工大学工程硕士学位论文方法；随机模拟的方法：马尔柯夫过程的方法；模糊数学的方法等。水库调度中存在许多风险问题，如水库放水决策的风险；水库水位控制决策风险：水库弃水损失风险；水库电站年发电量风险：水库调度方案(规则)风险等等。由于水库调度中风险问题不同，采用的分析计算方法也不尽相同。以下分别讨论上述几类方法中的适宜解决水库调度风险的分析方法。1基于概率论与数理统计的风险分析方法概率论与数理统计是研究水库调度中可靠性与风险率最为有力的工具．如过去对水库运行的发电保证率和灌溉保证率等计算均是建立在该基础上的。由于风险与可靠的概念互补同样，该基础理论和方法也适宜于解决风险率的计算。(1)采用典型概率分布函数计算风险率在水库调度中。影响风险主体的不确定性风险变量大都服从一些概率分布，如三角形分布、正态分布、高斯分布、伽玛分布、皮尔逊Ⅲ型分布，因此用上述概率分布函数的分布可分析计算决策指标获取的可靠率或风险率指标。1)当风险变量为一维随机变量x时，其概率分布密度函数为f(x)，在决策目标为极大化情况下，决策指标不小于某一规定值xo的可靠率P(x)为风险率F(x)为po≥‰)=p(x)出∞毛，(z)=l—P(J)=1一p(工)西r=p(工)出^12)当决策目标为极小化时Fo≥‰)=p(x)出(4—5)(4—6)(4—7)3)当风险变量是多维随机变量“b⋯，x．时，其联合概率密度函数为f(x¨x：．⋯，x。)则极大化目标时风险率为，?霹#F(而，x：⋯，k)=』r·p(z．，x：⋯，矗)出，出：出，(4—8) 施工期洪水控制极小化目标时风险率为(4—9)F(_，x：⋯，‘)=J卜·』厂(％x：⋯，‘)出，出：出，，?r：《上述风险计算公式是一般式。在具体应用时，应结合风险问题，选用概率分布函数求详细计算公式。(2)依据贝叶斯原理进行风险率计算推"贝叶斯原理：设B-，B矿⋯··Bn是一互斥的完备事件集．即B．互不相容，则有∑E=Ql=l又设P(B．)>0，则对任一事件A，设P(A)>o，则有P(置，爿)：善坐世∑P(_／旦)·尸(4)式中：P(Bi)为先验概率(己知)，或事前概率P(A／B．)是与先验概率相关的条件概率(己知)(4一l0)P(B．／A)是事件A发生的条件下，引起B．发生的概率，为后验概率(未知)。在水库调度中当B。为水库放水，A为影响水库放水的入库水量和库水位，则P(B．／A)为水库在已知入库水量和库水位条件下，水库放水的概率．(3)风险度分析法用概率分布的特征如标准差盯或半标准差孑，可以说明风险的大小。盯或孑越大则风险越大，反之越小。这是因为概率分布越分散，实际结果远离期望值的概率就越大。或盯：以讶：盯：以瓦：压赢(4一11)(4一12) 西安理工大学工程硕士学位论文式中：^Ⅸ=∥=圭∑x。或∑x．·尸(工。)，‘I=1肛Id是仅统计工．^货，用(5一11)或(5一12)式计算而得。用盯、盯比较风险大小虽简单，但盯概念明确，但为某一物理量的绝对量，当两个比较方案的期望值相差很大时，则其可比性差，同时比较结果可能不准确。为了克服用盯可比性差的不足．可通知其相对量作为比较参数．该相对量定义为风险度FD．．即标准差的比值(也称方差系数)。皿2去2詈沁埘风险度FD．越大，风险越大，反之亦然。2基于模拟的风险分析方法在水资源系统中有时各风险变量之间存在着比较复杂的影响机制，不容易确切估计和确定其分布线型与参数，不容易集中考虑各种变量的相关影响，而用模拟的方法进行复杂水资源系统的风险分折是～种行之有效的方法。模拟是以一个系统、一个方案、一个问题用数学模型进行试验，借以了解它们未来可能发生的变化．求其发展变化规律。模拟可分为两类．确定型模拟和概率型模拟，两者的显著区别是模型的内在因素前者确定的，后者是不确定的。后者适用于风险分析。概率型模拟的方法很多，其中最常用的是蒙特卡洛模拟。蒙特卡洛模拟是用一个随机数发生器产生具有相同发生概率的随机数，将其输入模型进行模拟试验，经过反复多次试验，得出风险变量的布，通过统计分析可得出风险指标。实践证明．试验次数越多，其频率分布越接近于真实的概率分布。3基于马尔柯夫过程的风险分析方法马氏过程是一类变量之间和相互关联影响的非平稳随机过程，其基本特性是无后效性，因此可用马氏过程状态转移概率赤推求水库调度中风险变量的风险率计算问题。“”“”4基于模糊数学的风险分析水库调度中不确定性因素很多，如以径流、用水、库水位变化等，这些不确定性量常常是模糊不清的．具有明显的模糊现象和特征，因而用模糊数学进行风险分析是非常适宜的『lT20l 施工期洪水控制4．8．3风险级别的确定在对水库调度进行定性和定量风险分析的基础上，可以确定所研究问题的风险率F或风险度FD，给决策者提供科学依据。但是当风险指标是多大时，可考虑采取决策，因此需要规范风险级别．根据水库调度及风险特点，定义了以下五个级别的风险。1．零级风险：指完全没有可能发生的风险，F、FD接近于零．2．I级风险：指比较有可能风险，F、FD指标较小。3．Ⅱ级风险：指可能发生的风险．F、FD指标适中。4．Ⅲ级风险：指比较有可能风险，F、FD指标较大。5．Ⅳ级风险：指最有可能性的风险，F、FD指标很大。一般来说，零到Ⅱ级之间的风险对水库威胁不大．可考虑冒险一试，采取决策：Ⅲ，Ⅳ级风险大，威胁大，通常获利也大，但考虑到水库系统关系国计民生．非常重要。一般不必冒此大险，选此级别风险下的方案或决策。4．8．4公伯峡施工渡汛风险分析¨叫1川(1)风险因素分析施工导流工程是风险工程，在进行方案确定、方式选择、设计优化时，工程的风险应作为～个指标参与决策。所以如何确定施工风险就显得十分重要。在风险计算的方法上，已考虑到水力不确定性和其它主观不确定性的影响，由单纯考虑水文风险向综合考虑水文和水力不确定性的全面风险发展。施工导流中的不确定性一般包括自然不确定性和人为不确定性两大类。自然不确定性主要是由于地貌、气象、下垫面情况的随机性导致天然河流中洪水过程和洪峰流量的不确定性。河道的洪水过程是一个随机过程，洪峰流量是随机变量，一般用频率分析方法求得各种大小洪峰流量出现的可能性或出现的频率。施工导流的设计洪水标准不可能采取可能最大洪水，而是选取某一频率作为设计标准，这意味着在旋工期内有发生超过设计标准洪水的可能性．而导流建筑物的泄流量是按设计洪水标准设计的．当发生超标准洪水时就可能造成失事，这就是自然不确定性引起的风险。自然不确定性主要是水文不确定性，水文不确定性包括洪峰流量的不确定性和洪水过程的不确定性，洪水过程的不确定性主要表现为洪峰位置和洪量的不确定性。人为不确定性因素包括人为主观因素和人为客观因素．对于人为客观因素，首先，当进行导流建筑物的设计时，必定按某一水力学公式计算过流能力，但任何水力学公式都不可能57 西安理工大学工程硕士学位论文完全准确地描述实际水流的真实情况，而且公式的应用条件也会和实际情况有出入，因而使得真实流量和计算值不一致：此外，公式中的各变量和各参数值的选取也存在不确定性，例如流量系数是与各种水头损失相联系的，一般由试验确定．而模型实验与原型之间会因缩尺影响而产生误差：又如建筑物的过流尺寸，施工中一般不可能做到与设计值完全相等。这些误差使得导流量的设计值与实际值产生差异；其次，在施工材料的选择上。也往往不会完全符合设计要求，从而导致糙率系数等与设计值不符。影响过流能力：最后，由测量误差引起“水位～面积”和“水位～库容”关系的不确定性，导致影响调洪演算的结果。人为主观因素主要由于时间决策者的个人倾向而引起，如上游水库的下泄量控制等，一般难以定量计算。(2)公伯峡水电站施工渡汛风险因素确定公伯峡水电站的施工渡汛有其自身的特点，在其上游有黄河上唯一一座多年调节水库一龙羊峡水库。龙羊峡水库自建成以来，不仅为梯级防洪、发电做出了巨大贡献，而且为下游在建、改建工程的顺利旋工起到了蓄洪、滞洪、调洪等作用．公伯峡水电站施工渡汛渡标准的确定己考虑了龙羊峡、李家峡水库参与调节，即龙羊峡水库在正常运行下降低汛限水位到2592m，龙库遭遇二十年一遇洪水时控泄2500m3／s，李家峡水库拦蓄龙、李区间洪水。由此看来，公伯峡入库洪水由干流洪水和李、公区间洪水组成。干流洪水的大小由龙库所遭遇的洪水频率决定，其在入库洪水中占有较大比例。公伯峡水电站施工渡汛的水文风险主要来源于龙羊峡水库的入库洪峰流量和李、公区间洪水的洪峰流量。通过对黄河贵德、循化水文站洪水资料分析，李、公区间洪水基本上与龙库入库洪水同频，所以，其水文风险可以通过计算龙库入库洪水频率即可得到．通过文献[45]计算可知．人为客观因素和洪水过程的不确定因素在风险中所占比例为10％左右，但其需要大量的资料，本次研究暂不考虑。综上所述。公伯峡水电站施工渡汛的风险转移为龙羊峡水库入库洪峰流量的不确定性．(3)风险求解在我国，最大洪峰流量系列采用P一Ⅲ型分布，其概率密度函数为，(Q，)=盅(印一6)“19州Q，由’(6<卿<∞)(4_14)詈!：．婴?峰流竺i掣以净；舻寿；p2去；百，为年默洪峰流量系列的均值；C。为变差系数，C。为偏态系数．。 施工期洪水控制由概率密度函数可得到Q，的分布函数为哪)=篙?(Q，-6)引e坝妒6’锄(4—14)酃么洪峰流量超过一定值Q定的概率为：P(Qr>％)：黑7(Q，一6)¨P叫Q，圳姆r‘4。15’P(Q，>Q定)2南基‘Q，。6n烈叫卅嘶””’对随机变量Q，进行标准化，即以f-皇学代入(4—15)式，又川棚产叶6+昙；俐=盯且筇=石，得驯4^16腻：删，>蚓2嵩玉H厕”k石“蛎切(f>_面(4．16)在水文领域对应的t用西p代表。又口=砉，那么f=mP=m(p，口)=m(p，c)在水文领域对应的‘用西∥表a又口2虿’那么‘2mP2m‘p，口’2％c’通过P一Ⅲ型分布表即可求得p值。龙羊峡水库设计洪水洪峰流量的特征值为：均值孬，=2470m3／s，c，=o．36，(三么=4．若龙羊峡水库入库洪峰流量大于421。m3／s，龙库下泄流量与李、公区间洪水叠加后，施工伯峡水电站旌工遭到破坏，那么计算风险如下：标准化变数f=中户=恭=1．9456，c=4cv=1．44查表求得风险率约等于表4—3l不同方案的风险辜龙库百年一遇控泄40001200流量(_1／s)龙库汛初水位(-)《2565t2560<2580(2570<2560龙库汛限水位“)‘2592‘2594；2588‘2592‘2594风险率‘0．05(0．05<0．0l(0．0l