蜀河水电站施工导流流量控制研究

'西安理工大学硕士学位论文蜀河水电站施工导流流量控制研究姓名：蔺蕾蕾申请学位级别：硕士专业：水文学及水资源指导教师：黄强;王义民20070301 中文摘要论文题目：蜀河水电站施工导流流量控制研究学科专业：水文学及水资源研究生：蔺蕾蕾签名：指导教师：黄强教授签名：王义民副教授签名：摘要施工导流流量的大小是影响水电站枢纽施工进度和施工安全的主要因素，同时也是决定工程投资的因素之一。如何兼顾节约与安全是旌工导流设计的关键。在梯级滚动开发中，充分利用上游已建水电站的调蓄作用，控制下游在建水电站施工导流流量是解决这一问题的有效途径。本文根据近年来汉江上游来水偏枯和安康水库的运行特点，针对不同施工期蜀河水电站的导流标准，对安康水库如何进行相应控泄进行了较全面的研究。主要研究成果如下：(1)采用黄金分割法划分洪水特征指标量级，运用概率统计对安康水库的入库洪水特性进行概率分析，并通过复杂性理论分析安康站洪峰流量序列的复杂性，提取出安康水库洪水变化的复杂性特征，为蜀河水电站施工导流控制提供了理论依据。复杂性理论具有计算方便、对时间序列长度等条件的要求相对较低等优点，因而具有实用价值。(2)受库容淤积等因素影响，安康水库特征指标发生一定程度改变，需对水库防洪、蓄泄能力等进行复核。结合安康水库的多年洪水资料和现有运行方式，针对蜀河施工期不同时段的导流标准拟定起调水位方案，提出了安康水库的控泄方式和调度规则，最终达到优化蜀河水电站施工导流量、降低施工导流投资和缩短工期的目的。(3)消落时间可看作是歇洪间期，通过计算水库消落时间可反推出水库可超蓄水位。通过对安康水库超蓄水位、基流和泄流方式的不同组合，进行蓄泄能力分析，再推求出蜀河施工关键期时的不同控泄流量下安康水库的蓄水位与歇洪间期的关系。(4)由于安康水库对洪水具有调节作用，改变了下游天然洪水的时程分配及峰、量值，从而改变了下游蜀河水电站堰前洪水的概率分布。针对安康、安～蜀区间洪水的实际特点，采用概率组合法估算了蜀河水电站堰前设计洪水。(5)与其他常用的风险分析模型对比，蒙特卡罗随机模拟法(Mc)具有受条件限制影响小、易于实现和改进的优点，本文选用蒙特卡罗法来计算施工导流风险。为了克服传统蒙特卡罗法抽样次数要求较高的缺点，做了如下改进：采用拉丁超立方抽样与对偶变数相结合的抽样方法进行抽样，加速方差收敛。改进的蒙特卡洛随机模拟法大大减少了抽样次数，更加精确的反映了输入概率函数中的值的分布。结果表明，蜀河水电站施工导流风监旦逝篓衄 西安理工大学硕士学位论文险与安康水库的运行状况密切相关。通过安康控泄降低蜀河施工导流风险方法是有效的、可行的。关键词：洪水规律；洪水控泄；施工导流；风险分析；蒙特卡罗随机模拟法本研究得到陕西汉江投资开发有限公司项目的资助(HJSH-05—24)，特致谢2 英文摘要Title：THERESEARCHONTHEFLOWCONTROLOFCONSTRUCTIONDlVERSIONOFSHUHEHYDROELECTRlCS1：ATlONSignature：丛垃幽Signature姆％AssociateProf-YiminWANGSignature：AbstractThesizeofconstructiondiversiondischargedeterminesprojectinvestment,whichisoneofthemainfactorstoaffectconstructionprogressandsafetyofhydropowerstationproject．Itiscriticaltocompromisebetweeneconomyandsalty．Incascadescrollingdevelopmentofreserviors，bymeansofthestorageofupperreservoirs，itisaneffectiveapproachtocontroltheconstructiondiversiondischargeofbuildinglowerhydropowerstation．AccordingtothecharacteristicsofdecreasingflowfromtheupstreamofHanjianginlastyearsandoperationInannerofAnkangreservoir,thecomprehensivestudyonhowtocontrolthereleaseofAnkangreservoirisdone，correspondingtothestandantsduringthedifferentconstructionperiod．Theman,_ccctcnt3andconclusionsarepresentedinthispaperasfollows：(1)1hemagnitudeofcharacteristicindicesoffloodarepartitionedbyGolden-sectionalgorithm，andtheinflowcharacteristicsofAnkangreservoirandthecomplexityoffloodpeal【seriesarcanalyzedseparatellybytheprobabilitystatistictheoryandcomplexitytheory,whicharethebasisoftheoryforthefloodcontrolofconstructiondiversionsatShuhehydroelectricstation．Itisconvenienttocalculationandrequiresshortertimeseriesforcomplexitytheory,SOitisworthinpractice．(2)Duetothechangeofcharactadsticindicesthatcausedbysedimentation，thecapacityofreserviorfloodcontrolandthestorage-outflowofAnkangreserviorneedbechecked．Withmultiannualflooddataandexistingoperationmanner,andthemannerofreleasefromAnkangreserviorandoperationrulesarepresentedtoattainthegoalofoptimizingconstructiondiversiondischargeofShuhepowerstation，reducingtheinvestmentandshortingconstructiontime，todifferentinitiallevelsmadedifferentconstructionstageofShtthestation．(3)mcapacityofstorage-outflowisanalyzedbymanydifferentcombinationsofover-impoundmentlevel，baSeflowandoutflow,andthentherelmionofstoragelevelandl 西安理工大学硕士学位论文intervalsbetwP．圯nfloodsisdeducedunderdifferentreleaseduringcriticalconstructionperiodofShuhepowerstation．(4)OwingtotheregulationofAnkangreservoir,thetemporaldistributionofnaturalflooddownstream，thefloodpeaksandquantifieswerechanged，andtheprobabilitydistributionoffloodatdamsiteofShuhehydropowerstationisalsochanged．AimingtothecharacteristicsoffloodinAnkang,Shuheandinterval，thedesignfloodatdamsiteofShuhehydropowerstationisestimatedwithprobabilitycombinationmethod．(5)MCmethodiSselectedtocalculatethediversionriskofShuhebecauseithasmanyadvantagessuchaslittleimpactofconditionlimit,easytorealizeandimprove．Toreducethemuchsampleingtimes，theimprovementhasbeenmadeforMCmethod，whichissampledbyLatinhypercubesamplingandantitheticvariateswithvariancereductiontechnique．TheSamplingtimesofimprovedmodelaregreatlyreduced,andthevauledistributioninputintotheprobabilityfuncgonismoreaccurate．TheresultsshowthattheconstructiondiversionriskofShuhepowerstationisrelatedtotheoperationconditionsofAnkangreservoir．ThefloodconlrolandreleaseofAnkangreservoirisanefficientandfeasiblemaunertoreducethedifficultyofconstructiondiversionriskofShuhehydropowerstation．KeyWords：floodrules；floodcontrolandrelease；constructiondiversions；riskanalysis；MontoCarlorandomsimulationmethodThestudyissupportedbytheSha肋xiHanjiangInvestmentandDevelopmentLtd．(HJSH一05—24)．2 独创性声明秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担～切相关责任论文作者签名：趋查!萱卅年岁月加日学位论文使用授权声明*f#本人连I宣宣在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并已经在西安理工大学申请博士／硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1)已获学位的研究生按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2)为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。本人学位论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权西安理工大学研究生部办理。(保密的学位论文在解密后，适用本授权说明)论文作者签名：鞋导师签名：道盟卿年岁月孙日 1绪论1．1研究背景及目的意义施工导流是水利水电工程施工过程中，将原河道水流通过适当方式导向下游的工程措施，可解决整个施工过程与河道水流蓄泄之间的矛盾，避免水流对建筑物造成不利影响．它是水利水电工程建设中的一项重要工程内容，不仅影响到水利水电工程的施工安全、施工工期及工程造价，还常对坝址下游地区的防洪安全造成不利影响。因此，在水利水电工程建设中，施工导流是控制性的施工项目之一“，。施工导流设计是水利水电工程枢纽总体设计的重要组成部分，是选定枢纽布置、枢纽建筑物型式、施工程序及施工总进度的主要因素之一，是枢纽工程施工组织设计的中心环节，也是编制施工总进度计划的主要依据。施工导流贯穿枢纽建筑物旌工的全过程，为此，应分析研究导流特点和相关关系，全面规划，统筹安排，运用合理的方法处理洪水与施工的矛盾，务求导流方案经济合理、安全可靠，确保枢纽工程建设顺利进行“1。拟建的水利工程上游若具有一定调节能力的水库，施工导流设计充分考虑上游水库的调节作用，通过对上游水库的动态控制，可以有效地降低工程施工导、截流的流量，从而减小了导、截流的难度，极大地节省工程投资Ⅲ。梯级水利水电工程，施工导流的水文条件直接受上游运行水库的控制，其水文特性不同于天然情况，表现为：平、枯水期比天然条件长，流量一般情况下都大于天然流量；而汛期流量比天然流量有所减少。在这种条件下，施工导流设计标准和流量除受天然河道来水量控制外，还要受很多客观条件因素制约，诸如：上游运行电站水库调节能力、控制泄流方式；当地电网系统电力负荷组织运行条件、通航等，所考虑的因素、涉及的问题更加复杂。对于怎样选择确定梯级水利水电工程施工导流设计标准、流量问题，‘水利水电工程施组织设计规范》规定：“当枢纽所在河段上游建有水库时，导流建筑物采用的洪水标准应考虑上游水库的影响及调蓄作用；工程截流期间还可通过水库调度降低出库流量。”另在‘水利水电工程施工组织设计手册》对于上游建有梯级水库的工程洪水标准规定，“上游建有梯级水库时，有调蓄、削峰作用，当水库较大时，可控制其下泄量。下游旌工工程的导流设计洪水标准，一般仍按规范规定的范围，用同频率的上游洪水经水库调节后的下泄量，加区间流量确定。”在汉江梯级水电开发中，从梯级位置看，已建成的安康水库是汉江上游河段库容最大、调节性能最好的水库，且在蜀河水电站的上游98km处。蜀河导流标准为10年一遇，在保证安康水库自身和安康市安全的基础上，充分利用安康水库对洪水调蓄作用，控制不同来水频率的下泄流量，可减小蜀河临时围堰前最高水位，从而能减小II缶时围堰规模，降低 西安理工大学硕士学位论文施工导流投资，缩短工期，提高蜀河水电站施工关键期导流标准。不容置疑，研究安康水库调节作用对蜀河施工导流工程问题，不仅存在着巨大的经济利益，而且对保证工程质量、缩短工期有重要作用，这与我国目前创建节约型社会的目标是一致的，理论上和实践上都具有重要意义。蜀河水电站工程位于安康水库下游，其入库洪水由安康水库下泄流量过程组合相应的区间洪水求得。蜀河水电站施工期当遇到来水较丰的情况下，施工方案的确定不仅直接影响一期围堰施工的安全，而且也影响整个工程的工期、投资与施工组织。由于安康水库具有较大的调洪能力，因此如何利用它的防洪库容来减少下游蜀河水电站施工期洪水流量，减少导流、渡汛的风险，降低施工难度，节约工程量等问题就成为确保蜀河水电站施工期安全所亟待解决和值得研究的重要课题之一。鉴于以上情况，本文对安康水库历年入库洪水通过概率统计法归纳总结出安康水库的入库洪水规律，在此基础上对安康水库进行控泄以及蓄泄能力分析，并使用拉丁超立方抽样与对偶变数抽样相结合的蒙特卡罗随机模拟法“，对控泄后的蜀河施工导流风险进行分析，对蜀河水电站的施工、运行具有重要的意义和生产实用价值。1．2国内外研究现状施工导流是水电工程建设中的一项重要工程内容，但它却是一项风险性的工程。施工导流风险的计算较为复杂，施工导流风险度的选择既影响导流工程的造价，又影响主体工程的施工安全及工期。二十多年来，施工导流风险计算和施工导流方案风险性选择的研究不断深入，取得了一定的进展，对促进水利水电工程建设、节省工程投资起到了积极的作用．1．2．1梯级水库下游设计洪水方面的研究河流中上游调蓄作用较大的水库(群)或分洪、滞洪等工程，对洪水具有调节作用，改变了下游天然洪水的时程分配及峰、量，从而改变了下游洪水的概率分布．研究上游水库(群)如何进行设计才能满足下游控制断面的防洪要求，或者当水库的泄洪设施规模、防洪库容等特征参数确定时，水库对下游控制断面的影响等问题，都需要研究控制断面以上各地区的洪水组成规律，以及受水库(群)调洪影响后下游洪水的概率分布问题。水库下游洪水的概率分布是计算防护对象洪灾风险率的基础。程光明通过对中国和国外防洪工程标准的比较研究，提出非工程防洪措施是现代防洪体系中的重要组成部分151。“非工程防洪措施”立足于通过规划发展和计划管理，从法律和行政两个方面对洪水进行防治(包括洪泛区土地使用管理、建筑物防洪技术措旌、洪水保险、洪水预报警报等)。邓敬存从梯级水库联合拦洪满足下游某地区的防洪要求和大坝2 1绪论防洪安全的相互保证两方面对梯级水库防洪规划设计问题进行了研究，通过研究认为梯级水库大坝的防洪安全问题比较复杂，只能根据具体情况进行具体分析，并考虑其相互影响，才能得到妥善解决“’。宋恩来在浑江梯级水电站设计标准问题一文中介绍了浑江梯级水电站设计标准，按国家现行标准桓仁水电站有余，回龙山水电站不够，太平哨水电站满足。如梯级电站进行联合调度，利用桓仁水电站的余度，可解决回龙山水电站设计标准偏低问题"’。冯平、崔广涛对暴雨洪水共同作用下的多变量防洪计算问题进行了研究“1。张少婕、陈晖对长江上游枯季降雨洪水特征和分期设计洪水进行了分析计算，其成果为三峡决策部门提供了确定大江截流恰当时间的依据“1．【意大利】丸卡斯托来尼，T．莫来马科认为现行的意大利大坝安全法规的若干规定会导致大坝规模过大。为保证大坝设计既安全且更为经济的目的，建议用一种数值方法来确定最优设计洪水。并考虑风险平衡、下游淹没费用和减轻风险所需要的费用[1el。黄光日、邓抒豪提出应根据工程性质、水文资料，因地制宜地提出本电站的导流及渡汛方案，并论证了为施工导流而做的施工进度计划安排的重要性‘1“。程燕通过对国内已建部分梯级水利水电工程导流设计和实施的分析，探讨了对上游有调节能力的运行水库，其下游水利水电施工导流标准及流量的确定方法“”。谢小平、黄灵芝””将结构可靠度计算中的JC法用于上游水库调节的设计洪水地区组成的分析和计算，并结合典型洪水过程推求了设计断面的洪水过程线，弥补了现有方法不能计算设计洪水风险的不足，开辟了一条研究设计洪水地区组成的新途径。席秋义、谢小平、黄强‘7¨针对泄洪风险和施工导流风险计算对洪水缩放的要求和传统洪水同频率放大方法中手工修匀任意性较大等方面的不足，提出采用遗传算法和并行组合模拟退火算法相结合的计算机优化方法来实现洪水过程的自动放大。1．2．2洪水风险分析方面的研究早在20世纪30-40年代，有学者提出了用概率论研究机器设备的维修问题，到了50年代引出了风险的概念，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，至∞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。最近20年其理论方法的研究发展很快。现在各种文献介绍风险分析的方法也很多，诸如专家调查法，故障树法、蒙特卡罗模拟法、上下限法、效用期望值法、CIM(ContronedIntervalandMemoryModeJs)模型、计划详审技术(Ptm3、图示评审技术(Gu田等[131114|el_ouksDP(1981)等通过分析来永洪量与防洪库容之向的关系，得出了在一定防洪库容的情况下，不同洪量所造成的风险””JillaYazicigilH(1983)等对入库洪水与最大库容之间关系进行分析以后，认为由现有典型年设计洪水所计算的水库最高防洪水位，因所选择的典型有时并不恶劣，面使得水库在发生校核频率的洪水时，存在相当大的超过校核洪水位的风险“”。HumbertoM(1996)在计算Infiemillo堆石坝的防洪安全时，入库洪水分布采用了双耿贝尔、对数正态和L2LN三种分布型式，溢流安全富余公式用统计回3 西安理工大学硕士学位论文归的形式给出，并对水库坝顶高程、初始库水位和溢洪道空蚀对防洪安全的影响进行了对比分析m1。ShcngxiangGui(1998)等综合考虑水力不确定性和水文不确定性开发了两种用于水力设计的动态可靠度模型，模型通过定义实际设计洪水为设计洪水与安全系数的乘积，从而将安全系数与可靠度模型恰当结合在一起，实际设计洪水与可靠度之间具有一一对应关系Ⅲ卜‘螗’。胡志根、刘全、贺昌海等用Monte-Carlo方法模拟施工洪水入库过程和导流建筑物泄流的随机性，通过仿真分析确定上游围堰堰前水位变化过程及其分布函数n”。梅亚东和谈广鸣采用MC法计算大坝防洪安全综合风险率，经过水库调洪演算，得到水库最高调洪水位随机分布和洪水漫顶风险率“”。肖义、郭生练、周芬等建立了可接受风险水平约束下的大坝防洪安全标准的风险决策模型，建议我国把基于风险分析的设计洪水标准作为防洪标准规范的使用参考[171。马平，陈根福等通过分析水库的实际防洪能力与水库的设计防洪能力比较，判断了水库提高汛限水位的可能性，提出了水库联合调度下超汛限蓄水的风险分析函数，对超汛限蓄水进行了风险效益分析118]o对于洪水的水力风险，徐祖信等曾假设影响水库泄洪能力的不确定量为三角型分布，提出了溢洪道泄洪的风险计算模式[10l。熊明通过对特征水位推求方法现状的分析，提出了假定防洪安全标准等于洪水设计标准缺乏必要的依据这一基本论点，给出了防洪安全分析计算的原则、方法及其适用条件，认为受人类活动影响的序列不能满足一般的理论分布函数，而随机模拟方法是解决此类问题的最有效的途径啪’。刘树坤等人从二维非恒定流数值计算模型出发，研究了洪水在洪泛区的风险图u“．唐晓阳、肖焕雄等人分析了施工导流系统的水文不确定性和水力不确定性，定义了风险率功能函数，引入了设计演算点的概念，运用当量正态化原理，提出并建立了导流系统设计风险计算模型““。何长宽用概率组合法确定并联水库下游洪峰流量的概率分布m1。谢崇宝从不确定因素的最基础单元着手，推导了多种泄洪建筑物的水力风险理论计算公式，给出了相应的风险图Ⅲ，．王卓甫、张恒全在分析计算水利水电工程施工导流围堰漫顶风险时较全面地考虑了各种主要的不确定因素，并根据年最大洪峰流量和导流建筑物的泄水能力，通过调洪演算，得到年最大洪峰流量和最大泄水流量间的关系，由此建立了围堰漫顶的极限状态方程恤1。(英)彼得．亚当森在洪水风险管理方面的研究中指出洪水风险概率的量化研究本质上是个实践问题啊1。在水库调度风险理论方面，黄强(1998)对水库调度中的风险概念、性质和类型，以及风险管理的基本模式进行了较为系统的研究，接着在1999年针对水库调度的基本问题，进一步探讨了定性风险分析方法和定量风险分析方法，风险决策方法，并指出水库调度风险问题适宜采用定性与定量相结合的风险分析方法IN]州⋯。洪水风险问题涉及的影响因素众多，且错综复杂，很难形成标准的应用研究模式，只能根据不同的研究对象的具体特点做具体分析。4 1绪论1．3本研究的主要内容本研究主要是以安康水库的多年洪水资料和现有运行方式为依据，利用安康水库29亿m3的总库容进行合理分析、有效调度来尽量减少安康水库的下泄流量，从而减小蜀河水电站的施工导流难度和渡汛风险，节省投资。本研究主要包含以下几项内容：(1)安康水库入库洪水规律分析对安康水库历年入库洪水进行年内洪水次数的概率分析，分析年内洪水统计特性(统计参数时序变化)和规律，确定洪水(量级)的概率分布；又通过峰峰问期和洪水间歇期等洪水特征指标的概率分析，寻找相邻洪水之间发生的时间间隔规律；同时利用复杂性理论研究洪峰流量序列的复杂性，及洪水总量的变化趋势，为安康水库控泄和蜀河水电站施工导流量优化提供理论依据。(2)考虑安康水库控泄的蜀河施工期洪水分析在蜀河施工期的不同时段，分别考虑当上游来不同频率，尤其是超过蜀河分期设计洪水标准的洪水时，如何通过安康控泄保证蜀河施工安全。并计算由此带来的安康水库的风险和电量损失等。(3)水库泄洪及超蓄水能力分析收集水库的特性资料(水库库容曲线，特征水位等)、泄洪设施的泄洪曲线、产汇流时间和下游防洪允许最大安全泄量资料，对水库的蓄水和泄洪能力进行分析。同时，根据蜀河施工不周时段行洪能力和要求，分析安康控泄后水库超蓄能力和水位消落关系。(4)蜀河水电站施工导流风险分析从风险识别、风险度量、风险决策、执行决策、效果评估等五个方面，通过拉丁超立方抽样(LHS)与对偶变数抽样相结合的蒙特卡洛随机模拟法对施工期实施安康控泄的风险进行分析，确保上游水库调度安全。(5)研究结论及建议1．4研究的总体思路及技术路线本研究力求安全合理、在应用上简单易行、增加效益，在理论上有所创新的原则，使实践与理论紧密结合，在分析目前安康水库洪水规律的基础上，吸取国内外有关水库洪水预测新成果，采用传统科学和系统科学的方法研究安康水库主汛期动态运用方案，寻找合理的预测、调度方法，考虑洪水的突发性、随机性、相关性、相依性和周期性，用不同的预测方法和模型得到一个满意的结果。其技术路线如图1-1．5 西安理工大学硕士学位论文6图1-1技术路线图Fig．1-1R髑伐m_hroofing 2基本资料2．1流域概况汉江是长江中游最大的一级支流，发源于陕西省宁强县秦岭南麓的潘家山，由西向东流经汉中市辖的勉县、汉中、城固、洋县和安康市辖的石泉、汉阴、紫阳、安康、旬阳、白河等县，于白河县流入湖北省境内，在武汉市汉口注入长江，全长1567km。其中陕西省境内长709km，占汉江干流全河段的45％，在陕西省境内流域面积61959km2，占汉江全流域面积”％。汉江上游水系图见图2-1。蜀河水电站以上流域群山耸立，峡谷纵横，丘陵盆地相间。北部的秦岭山脉海拔高程在2500m以上，最高的太白山峰高为3767m，阻滞了西北寒冷气流的长驱南下，成为我国南北气候分界线。整个流域呈西北高东南低，干流总落差1114m，可利用落差259m，河床平均比降1．76700，落差主要集中在干流中上游陕西境内。汉江上游水系呈羽状分布，蜀河坝址以上流域，北岸支流主要有褒河、胥水河、子午河、月河、旬河等，多发源于秦岭山区；南岸主要支流有牧马河、任河、大道河、岚河、黄洋河等，多发源于大巴山区。一般来说，北岸支流源远流长，南岸支流除牧马河、任河外，支流流程短、比降大，汇流及快。汉江流域气候温和，多年平均气温14～16℃，雨量充沛，多年平均降雨量为800ram左右，由于受季风气候的控制，降水在年内分配很不均匀，夏秋两季降水量占全年降水量的80％，尤以6～9月降水量最大，占全年降水量的60％左右，冬春两季降水量只占全年的20％左右。汉江流域陕西段水资源丰富，多年平均径流量260亿m3，占全省年总径流量的60％。2．2蜀河水电站基本资料蜀河水电站工程位于陕西省旬阳县境内的汉江干流上，工程以发电为主，兼顾航运等功能，是汉江上游梯级开发规划的第6个电站，上游有已建的石泉、安康水电站及在建的喜河水电站。坝址在旬阳县蜀河镇上游约1公里处、距旬阳县城51km，距上游安康水电站约120km。坝址处多年平均流量732ma／s，正常蓄水位217．3m(对应库容1．76亿mj)，装机规模270MW，多年平均电量9．53亿kWh，T程规模属二等大(2)型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，设计和校核洪水标准分别为百年和千年一遇，对应的流量分别为30000m3／s和38t00m3／fl。根据蜀河水电站坝址河床狭窄、洪峰流量大的特点，该工程采用河床式电站布置形式，大坝采用大孔口混凝土闸坝结构，厂房采用厂顶溢流。总体布置格局为左岸布置河床溢流7 球蚺滴H汁棹氡十懈禽寄_吏圈2．p簿筒卜繇辫簿*狲圃_孝．2．H．I—Fnd】目in蒜H譬口jnth西c口盼—8p葛ofII墨ian确 2基本资料式厂房，右岸布置泄洪闸和升船机。电站枢纽主要建筑物有泄洪闸、垂直升船机、电站厂房(含溢流表孔)、左右副坝等，次要建筑物包括上、下游引航墙及靠船墩等。2．2．1气象条件汉江上游流域处于北亚热带边缘大陆性季风气候区，局部气候受秦岭和巴山制约，具有温暖湿润的山地气候特征．夏季高温炎热多雷暴雨，冬季寒冷少雨；春暖干燥，秋凉湿润并多连阴雨。总的特点是，全年气候温和、四季分明、降雨适中、无霜期长。据气象资料统计，蜀河坝址处多年平均气温15．3℃，多年平均降水量776．3mm，每年大于o．1mm的降水天数为109．4天，大于lmm的降水天数为74．5天，多年平均相对湿度69％，旬阳气象站的气象要素统计情况详见表2．1。表二1旬阳气象站主要气象要素表项目单位1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年历年平均气温℃3．45．4lO1620-424326．626．420．915．69．84．9153历年极端最高气温℃18．422．131．934．43940．241540．140．431．627．717．741．5历年极端最低气温℃．9．6-6．6．2．5．1．2711．714．715．19．10．3．2．11．6历年最大冻土深度％96O0O0189月平均水温℃4．76^210315419_523325．026221216．912．18．715．8月平均地温℃2．95．71lj17卫23．529．031531323．116名9．84．717．32．2．2水文资料蜀河坝址附近在1955—1967年问曾由长委会设立过水文站，观测水位、雨量和蒸发资料。因坝址附近无流量资料，故水文分析计算需借助上下游干支流测站的流量资料。坝址上游98km处的安康水文站，控制流域面积38625km2，占蜀河坝址以上流域面积的78．2％，是蜀河水电站水文计算的主要依据站。暴雨本流域暴雨主要发生在5月～lO月，全年降水量的80％都集中在此期间；11月至翌年4月，受西风带环流及西部大陆干冷气流控制，空气干燥，降雨量少，仅占全年的20％。一次暴雨过程一般历时五天左右，雨量主要集中在三天之内，实测最大暴雨一日雨量达307．7ram，三日雨量达644．1ram，五日雨量为784．4ram。径流蜀河坝址处洪水由安康水电站以上洪水和安康水电站一蜀河区间洪水两部分组成，蜀河坝址区控制流域面积为4．94万kin2，其中安康坝址区控制流域面积为3．57万km2，占72．3％。蜀河坝址区天然水位一流量关系曲线见图2．2。9 西安理工大学硕士学位论文蜀河坝址区多年月平均流量见表2。2。表2-2蜀河坝址多年平均逐月流量表单位：m3／s月份123456789101112平均0159147270S577757∞158D111016601嘞5032377弛3蟹谣嚣218蜜208畎198188：÷———●一：j一一。⋯⋯一÷一：：：：二二；；一／；／一r0500010000150002000025000300003500040000图2-2蜀河水电站上坝线2断面H棚曲线图O(m3／s)Fig．2屹Thestage—dischargerelationcurveoncrosssection2ofShuheriver洪水一般从4月下旬至5月底为桃汛期，7月．9月为主汛期，每年的11月到第二年的4月中旬为枯水期，6月份为汛前期，10月份为汛后退水期。由于汉江流域内山高坡陡，岩层透水性差，河槽调蓄作用小，以致洪水汇流速度较快，具有陡长陡落，峰型尖瘦的特点。一次洪水过程一般为5天左右。施工洪水由于汉江上游上己建成了石泉、安康水电站，以及支流上修建的小水电站，改变了汉江蜀河水电站坝址区以上原河道的天然来水情况。因此，蜀河坝址处的流量与安康水电站的运行方式密切相关。安康水电站作为调峰电站，它的发电下泄流量加大了河流枯水期的流量，但同时由于安康水电站坝高库大，具有不完全年调节性能，因此，可充分利用其调节库容进行洪水调蓄，减小洪峰流量，适当延长蜀河水电站枯水期施工时段，降低围堰施工难度，减少临建工程量及洪水造成的施工工期及材料损失。表2-3为安康与蜀河坝址处的区间设计洪水。表2-3安胡目区间设计洪水流量表单位：m3／s分期5％10％20％4．01～6．15195718∞16406．16～10∞72如62∞50301021～11加15加1190蹦12．01～3-31529401279 2基本资料蜀河水电站可研阶段根据本地区来水规律，并结合旌工设计，将全年划分为4月、5月、4月1日～5月15日、6月、7月～9月、10月、11月、12月～3月各期，通过频率分析计算安康站各分期设计洪水，并根据蜀河坝址与安康站洪峰流量关系和安康水库放水规律计算出蜀河坝址各分期设计洪水。蜀河水电站分期洪水设计成果见表24。表2_4蜀河水电站分期施工洪水设计成果表单位矗／sTab．2-4Thedesignaa陆bv蜀咖衄tsjnstageConstructionfloodofShuhchydropowerstationP(％)时间510204月1目4月30日5020385027304月1日_5月15日674055lO42305月1日巧月31日96∞705046206月1日“月30日159∞121∞83107月1B-9月30日231∞197∞1690010月1日一10月31日18700133∞836011月1日～11月30日29902380177012月1日—0月31日253017001580注：P=50％对应的洪峰值为11600m3／s2．2．3安康水库基本资料由于蜀河坝址的施工洪水受安康水库控泄影响很大，本文对安康水库的径流等有关情况作了相应的分析。安康水库位于汉江上游陕西省境内，是一座以发电为主，兼顾防洪、航运等综合利用的大型水利枢纽。坝址火石岩位于安康市城西18Kin处，控制流域集水面积35700km2，且坝址下游与安康市区间有月河加入。地理上属南北过度的亚热带地区，夏季受太平洋副高压气流控制，多暴雨。由于流域内水系条件较为特殊，常遇降雨往往形成稀遇洪水。安康水力发电厂于1982年10月筹建，1990年12月12日首台机组投产发电，1992年12月25日全部投产。安康发电厂的投产发电，缓解了陕西供电紧张的局面，使陕西电网水电比重有了大幅度的增长，提高了陕西电网的调峰、调频能力，增加了事故备用容量。电站装机容量852．5MW，其中四台大机为4×200MW，一台小机为52．5MW，多年平均发电量为28亿kw．h。安康水库为不完全年调节，经新资料校核，水库总库容为29亿m3，其中死库容为9．18亿m3，兴利库容为13．94亿m3，最大调洪库容为9．2亿m3：水库死水位为305m，正常蓄水位为330m，防洪限制水位325m，设计洪水位333．10m，校核洪水位337．05m。水库预留有3．5亿m3的防洪库容。泄洪设施有五台机组、五个表孔、五个中孔、四个底孔。表孔底高程313m，最大泄量18980m3／s；中孔底部高程305m，最大泄量12287m3／s：11 西安理工大学硕士学位论文底孔高程300m，最大泄量4835m3／s。合计最大泄量为37474m3／s。大坝按千年一遇设计，万年一遇校核。千年一遇洪峰流量为36700m3／s，万年一遇洪峰流量为450001n3／s。襄渝铁路的防洪标准为百年一遇洪水，要求水库水位不得超过330m：下游安康市防洪标准为二十年一遇洪水，若发生五年一遇洪水，水库控泄12000m3／s，发生二十年一遇洪水下泄不能超过17000in3／s。安康水电站水库调度设计所用的长系列径流资料即1954年7月～2005年6月共51年以旬为时段的径流资料系列，相应的多年平均径流量为179．36亿m3。表2-5和2．6为安康水库年径流量资料和多年月平均径流量年内分配情况．表2-7为安康水库水位裤容关系曲线表。表2．8为安康水库的泄流关系曲线。表2-5安康水库年径流资料年份年径流(亿一)年份年径流(亿m，)年份年径流(亿m3)1954～1955187391971～1972141睨19鹅～1989199．18195541956294．帖1972～1973130．5419孵～1990226，211956～1957184．71973～1974184．641990～199l181．171957～1958131．561974～1975229。69199l～1992133．011958～1959258．631975～1钾《242∞1992～1993163．711959～19∞78．661976～1977144．981993～1994174．111960～1961挑871977～1978102．681994～1995127-941961～1962176．71978～19_79131．781995～1996105．111962～19632∞．591979～19蜘168．131996～1997137．龃1963～19642603719∞～1981抛．691997～199872．091964～1965297．％1981～1982293圆19％～1999179．691965～1966190．241982～1983247．411999～2咖85．71966～1967151．431983～1984355．32咖～2∞1163．291967～1968188．861984～19＆5276M2∞l～2002105．75196S～1969212曩19跖～198615&142002～舢101．611969～1970142．121986～1987123．820∞～2004242．461970～19711501987～l螂16738平均192．09平均19"平均148．81总平均179．36由表2-5绘制的年径流变化衄线如图2-3所示： 2基本资料图2-3安康水库年径流变化曲线Fig．2-3Therunoffcm"veofAnkangreservoir由图可知，安康水库近50年来，年径流丰枯变化很大，安康水库的年径流总体呈递减趋势。实测最大年径流量355．3亿m3(1983年～1984年水文年)，最枯年平均流量72．09亿m3(1997年～1998年)；最丰年平均流量是最枯年平均流量的5倍。表2-6安康水库多年月平均径流量年内分配表Tab．2-6AnnualdistributiontableofmeRDmonthlyrunoffofAnkangreservoirf月份123456789101112I多年平均月径流量3．193JD453910．9l15．616m31驷23．2834．0521．659．，94．69(亿奶图2-4安康站1954～2004年多年月径流量年内分配图Fig．2-4AnnualdistributionfigureoftaeanmonthlyrunoffatAtlkangreaervoirfroml954t02004由表2-6可知，安康水库年内来水量分配很不均匀。7月、9月仍是来水最多的月份，年内丰水期7月～9月，各月平均流量都超过900m3／s，来水量占全年的一半以上；7月～10月份4个月的来水量占全年的63．71％。4月下旬至5月末为桃汛期，来水量较大。6月份可能发生大洪水，是一年中汉江流量最不稳定的时期。安康水库来水特点依然“枯中有丰、丰中有枯”，年内分配很不均，交化剧烈。这给径流调节带来了一定程度的困难，同时，安康水库调节库容变为13．94亿m3，占多年平均径流量179．36亿m3的7．8％；仅能做到不完全年调节，更增加了水库调度运行的困难。 西安理工大学硕士学位论文表2-7安康水库水位～库容特征值水位库容水位库容水位库容水位库容水位库容(m)(亿奶(m)(亿呐(m)(亿呐(m)(亿面(m)(亿m3)3．42E．042660．79284．53．43038．4232217．722483．78E．04266．50．842853．49303j8．61322．518．040螂4．14l}．042670．88285．53．593048．832318．362494．51B．04267j0．932863．69304．58．99323．518．69249．55．10B．042680．98286．53．793晒9．1832419．012506．7们Ⅲ268．51．032873．93晒．5938324．519．34250．51．03踟32691．∞287-543069．，932S19．6825l0．00二1227269．51．132884．11306．59．79325．520．0l251．55．5m}．032701．19288．54．213071032620352521．08脚270．51．252894．32307．5lO．21326j20．69252．51．83踟22711．31289．54．4330810舵32721．032530．0：18411271．51．372904．55308．510．64327．521．37253．54．11B．022721．4329帖4．6630910舶3勰21．722s45．60B_02272．51．52914．78309．511．08328．522．07254j7．25B．022731j6291j4．931011．3l32922．422559胁靴273^51．632925．∞310j11．54329．52201255-5o．11捌1．692啪5．1531111．7733023．12256O．1327451．762935．2831151233"23．48256．50．152751．83293．55．4131212．2433123．832570．17275j1．92945．5531312．72331．524．18257．50工2761．97294j5．醯313j12．9733224+5225B0．22276．52．n52955．8231413．22332．5孔87258j0．笛2772．12295．55．96314．513朋33325．2l2590．27277j2．192966．131513∞333．525．65259-5032782∞296-56．25315．513．9933426．24260033278．52．352976．431614省334-526．65260jO．362792．4229756．5S316．514．51335”．052610．4279_5”2986．731714．78335-527．45261．50，432加2．58298j6．86317．515．0633627．8S262O．47280．52．672997JD23181533336．5勰埘262．50j2812．75299．57．18318-515．6I33728．84263O．5428152．843007_353191519337-529．2263jO．582822．93300_57．52319-516．1833829．45264O．62282．53．023017．6932016。47338529．87264j0．662833．11301．57．87320．516．7833930．182650．7283j3213028．0532117．09339530．57265j0．742“3-33I脚8．23321．517．434031．08 2基本资料图2-5安康水库水位～库容关系曲线晦2-5Thestage-capacityrelationcⅢtIVeofAnkangreservoir表2-8安康水库水位一泄量关系曲线Tab．2-8Thestage-dischargerelationCulveofAnkangreservoir库水位五个表孔五个中孔四个底孔机组发电总泄流量(m)(ra‰)(m3／s)(m3／$)300305912504309305331512504565310垒5035641250576431525539933I趼12509305320251962734045125014087325彻83394瑚1250198983266843B6664326125021085328860594584419125023732328．4898196094438125024278329_2598069906447712502543933010565102884512125026615330．4511035103084532125027125331．15117861Q5314565125028132332舾127891啪94606125029454333．11401011123465412503103733516347118244741O32912335．817378119174778034073337．0519045122984835036178由表2．8绘制安康泄流能力曲线见图2-6。 西安理工大学硕士学位论文图2-6安康泄流能力曲线图Fig．2-6ThedischargecapacityamMofAnkangreservoir表2-9频率10％洪水过程地区组成表区间同频(1974年典型过程)Tab．2-9Theregionalcompositionoflopercentofflcodwiththecolilmollfsequency火石岩火石岩凋河区间蜀河时间流量时间流量时间流量19，4．吼119：∞7801924．9-1116：003131974-9．1116：∞1唧1974-9．1112：0010601974-9-1119：005241974-9．1119珈15841穸74-9-1115：∞1啪1974．9．1l22：006501974-9．1122：0025201974-9-1118：∞31701974-9-121：∞8111974-9．121舯39811974-9．1121：∞42701矿f4-9-124：008281974-9．124：0050981974．9．120m48001974-9-127：0D7941974-9．127：0055941974-9-123：0054001974-9．1210：008451974-9．1210：0062451974-9-126：00删1974-9．1213舯10201974．9．12”：0070501924_9．129：006．枷19≯4_9-1216：∞11601矿r4-9．1216：∞75601974-9．1212：0065701924—9-1219：∞1230l穸触1219：00780019件9．1215：∞66901974-9-1222：0013201卵4．9．1222：∞∞加1974．9．1218：∞67201974-9．131m13∞1974-9-13l：呻哪!974-9．1221：∞66701974．9434：0014701974-9-134：0081加1974-9．130：00鲫1974．9-137：∞16901974-9-137舯82901974．9．133：0065印1974-9．1310：002040197斗9．1310：00＆伽1974-9．136：∞65201穸74-9．1313：0023∞1974．9．1313舯船201924_9-139：∞66301974-9-1316：0023901974．9-1316舯纠)201974-9-1312：0068901974．9．1319：0032101974-9-1319舯101001矿协1315：0070901974-9．1322：0049101974-9．1322舯12咖1974-9．1318：∞8l∞1974-9．141：∞62001974．9．14l：∞143001974．9．1321：∞111∞1974-9．144：∞56∞1974．9·144：00167801974-9-14O：00143001974．9．147：00451019相．9-147舯188101974-9．143：001F瑚1974-9．1410：∞3鲫1974-9．1410：∞l舢19744．146：∞177001974_9-1413：003230l穸74．9．1413：∞197∞ 2基本资料1974．9．149：00174001974田．1416：0027201974-9．1416：00197001974-9．1412：001590019体9-1419：0022101974-9．1419：00181101974-9-1415：00145001974-9-1422：0019401974-9-1422：∞164401974-9．1418：0012咖1974-9．151：001咖1974-9．151：∞147001974-9-1421：00114001974-9．154舯16∞1974．9-154：∞130901974-9-150娜101001974-9-157：∞1550l少74母．157，∞116501974．9．153：∞85101974-9．1510：0013701974-9-巧10：∞9嘞lyZ4-9．156舯7270197年9．1513：0012201974-9．1513：0084901974-9．159：0061帅1974-9．1516：001啪1974-9-1516：∞72501974．9-1512舯52201974-9。1519：009381974-9．1519：∞61581974-9-151S：∞45001974．9．1522：0084S1974-9-1522：005弭5l穸}4．9．1518：0039∞1924．9．161：∞7砷1974-9．161：∞4740197似1521：0035801974-9．164：呻7011974-9．164：∞42811974-9．160：∞32601974-9．167：∞6501974-9．167瑚39101974-9．163：∞30001974．9．1610：006251974-9-1610：0036251974-9．166：0027901974．9．1613：0063419749．1613：0034241974-9．169：0027501974-9．1616：007351974．9．1616：0034851974-9．1612：0027301974．9．1619：∞9381974-9．1619：003668表2-9为安康水库影响下的蜀河坝址设计洪水，是由火石岩坝址以上洪水和火～蜀区间洪水组成，洪水地区组成采用区间同频方法计算。火～蜀区间设计洪水由区间支流水文站长枪铺、县河口、桂花园、向家坪四站流量错开时间相加，再进行面积指数放大而求得。2．2．4蜀河水电站施工导流方式及设计标准根据蜀河坝址处的地形、水文和工程布置特点等制约因素，在本工程施工期，选择采用围堰分期拦断河流的导流方式．蜀河水电站主体工程为二等大(2)型工程，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。根据《施工组织设计规范》(SDJ338．89)确定主要导流建筑物为4级。根据本工程永久挡水建筑高度比较低的特点，整个旌工导流过程分为原河床过水初期导流阶段(开工至主河床截流，即一期基坑施工期)，明渠过水初期导流阶段(截流至水库蓄水，即一期基坑施工期)和后期导流阶段(下闸至竣工)三个阶段完成，由于后期导流阶段汛期由坝体挡水渡汛，对安康水库无控泄要求，所以本文不对其作具体研究。蜀河主体工程施工分左右两个基坑完成，右岸一期基坑的土建工程量较大，主要临时挡水建筑物有：枯水期草土围堰、纵向导墙、上下游土石围堰等。一期基坑内的泄洪闸将作为二期基坑施工期导流明渠使用。经方案比较，在右岸一期基坑施工期应采用围堰全年挡水，原河床过流的导流方式的方案，全部完工的旆工周期约为两年。经分析，草土围堰建筑级别为5级，其设计标准取4月份5年一遇的来水流量。上下游围堰及纵向导墙的运行时间需要跨越两个汛期，建筑级别为4级，其设计标准为10年一遇洪水(19700m3／s，17 西安理工大学硕士学位论文安康不专门控泄)。左岸二期基坑采用围堰全年挡水，主要临时挡水建筑物有上下游土石围堰，建筑级别为4级，其设计标准为10年一遇洪水(19700m3／s，安康控泄后为17000m3／s)，其具体情况见蜀河施工导流方案设计洪水标准汇总表。表2-10蜀河水电站施工导流方案设计洪水标准汇总表Tab．2-10Thestandardsforthed％jgnfloodoftheconstructiondiversionschemeofShuhereseTvoir肘段设计洪水标准流量(m％)右岸一期基坑旅工期草土围堰；I=20％(4月份)2730纵向导墙和上下游土石围堰：P=10％(不考虑安康水库控泄)(截流前初期导流阶段)(第一年汛期)1y7∞左岸=期蓦坑施工期上下游全年土石围堰和导流明渠。17∞0(安康水库汛期控泄)(截流后初期导流阶段)P=10％(第2年和第3年汛期)考虑到汉江流域洪水具有“丰中有枯、枯中有丰”的特点，一般每年4月下旬至五月末为桃汛期，在此期间有可能发生较大来水影响到蜀河草土围堰的旌工，并且施工期要跨越两个汛期，为了提高蜀河水电站的导流标准，本研究选取4月份和主汛期(7--9月份)作为施工关键时段对安康控泄方式进行研究。在保证安康水库的运行安全的基础上，我们需要对安康洪水规律进行分析，并考虑通过安康水库调蓄控泄，使水库下泄流量有利于蜀河水电站不同施工关键期的要求，最终达到加快施工进度、降低旆工难度、控制旌工期的洪水风险、保证旄工安全、减少l临时建筑物施工费用和确保蜀河枢纽工程顺利进行的目的。 3洪水基本规律分析洪水过程具有随机特性，对洪水基本规律的认识，可以借助概率统计的方法和现代复杂性理论方法来探索研究洪水变化的基本规律。本研究利用概率分析方法对安康水库入库洪水资料进行洪水次数的概率分折，分析年内洪水统计特性(统计参数时序变化)和规律，确定洪水的概率分布；通过对洪水蜂峰间期、歇洪间期、起涨间期和涨水期的概率分析，寻找相邻洪水发生之间时间间隔规律；同时，分析流域洪水的峰型特点和退水特点，为蜀河水电站施工导流动态控制提供理论依据。3．1洪水特征指标对一场洪水而言，洪水强度通常以一次洪水过程的洪峰流量、洪水总量、洪水历时等指标来刻画，统称为洪水三要素。对洪水序列，除了洪水三要素，还需要用其它指标来刻画，才能更好的反映洪水静、动态的各种特征。研究分析上述各指标的相关性和变化过程，可全面描述洪水的变化过程。3．1．1洪水峰峰问期洪水峰峰闯期《强峰问期(I))是指f次与t+1次洪水峰现时阀之差，即：飞峰问期(I)．p+1)峰现．‘岘。‰峰何期O)越大，“1次洪峰出现的越晚，越有利于防洪调度；‰峰阃期(I)越小，f+1次洪峰出现的越早，越不利于防洪调度。3．1．2洪水歇洪间期洪水歇洪间期(氇浃阃期(|))是指f次洪水结束时间‰束与f+1次洪水起涨的时间(I+1)起之差，即；％拱何捆(f)-p+1)商一‘螬柬·孤洪简精p)的大小反映了无洪水的时闯长短，故洪水歇洪间期也称为无洪时间。豫洪闻搠p)越大，“1次洪水出现越晚，一定程度上有利于防洪调度；，．删I问期(1)越小，“1次洪水出现越早，越不利于防洪调度。3．1．3起涨间期洪水起涨间期％蠹阃期∞是指¨1次与f次洪水起涨时间之差，即：％涨阃期9)-O+1)起一龟=z．嵌承历时8)+z-黝I问期《f，。龟穗问新(f)的大小反映了两场洪水闯的时闻长短，也反映了～场洪水的周期长短，故此称为洪水周期，亦记为蠢承罔搬。19 西安理工大学硕士学位论文3．1．4涨水段问期洪水涨水段间期强朔同期p)是指f次洪水的峰现时间与起涨时间之差，即：，k溉嗍(f)-慷现一堍。堍酾问期p)的大小反映了洪水涨水时间的长短。堍我段阿期p)越大，对防洪调度的压力越大：反之，氇最段嗍(f)越小，防洪调度的压力相对越小·3．1．5退水段问期退水段间期‰阃期(f)是指f次洪水的峰现时间与结束时间之间隔，即：强承段甸新(f)一‘鳍一‘峰现。％l糠问期(f)的大小反映了洪水退水时间的长短。‰水段闯期(f)越大，对防洪调度的压力越小：反之，％水殷问期(f)越小，防洪调度的压力相对越大。3．1．6结束问期洪水结束间期嗽甸期(1)是指t-1次与1次洪水结束时间之间隔，即；％柬嗍p)-噜一(I一1)结。，踣柬简搠(f)的大小也反映了两场洪水结束时间的长短，亦即反映了一场洪水的周期长短，故此也称为洪水周期，记为磊啉周期(f)。3．1．7各指标问的换算由各指标的定义可以看出，它们之间存在着如下关系(图3-1)：／。0／＼／‘L敢辨撮术殷间退木段!矗洪撩水段追永最!戢洪鹾水段闻退水段同虬．期。．何期．●．同期．一周期一．问期．●．同期．一期一一廊期一畦永历时。：t矗鬲耐．!一一●一．一：．雠目期。丸i。。，．一起涨周期(k柬厢二)．图3_1洪水特征指标关系示意图Fig．3-1Thesketchmapofrelationamongthefloodcharacteristicindices 3洪水基本规律分析Fig．3—1thesketchmapofrelationamongthefloodcharacteristicindices‰洪闯期(，)=珥峰间期∞．(勉承段婀期(，汁rg㈣(t+1))(3．1)Tcog周m(t)=，．起壤同期(I)=壤承历时p)—L了如同期(f)=巧E涨段闻期O)+Tk浃问期(I)+2’迥承废问期(f)(3．2)驾共承周期(D=‰柬问期(I)=％洪闻期(f—1)．L，知冰历时O)=，-曩洪阀期O—1)+，矗涨段问期(f)+z_遇水段问期(O(3．3)研究分析上述各指标的相关性和变化过程，可全面描述洪水的变化过程，为水库控泄提供依据。3．2洪水发生概率分析3．2．1洪水特征指标值的量级划分方法洪水各特征指标值的分布，与其量级的划分有着密切关系。采用黄金分割率可以较好地解决这个问题。黄金分割率的基本公式：将1分割为0．618和0．382。仔细分析一下这组数据，可以发现它们有如下特点：后一数字与前一数字之比趋近于一个常数，即0．382／0．618—0．618；前一数字与后一数字之比也趋近于一个常数，即0．618／0．382—1．618；1．618与0．618互为倒数，其乘积约等于1。人们将这组数字称之为神秘数字，而将0．618、1．618叫做黄金分割率‘嬲1。研究发现，黄金分割率具有重要的美学价值。黄金分割率作为一个古老的数学问题，尽管还没有从理论上得到科学的阐释，但通过对金字塔建筑几何尺寸的研究，已经使人们充分感受到它的魅力。如在投票表决问题上，一般规定以赞成票不少于总票数的2／3(0．667)或3／5(0．6l为基准，而且这两个基准点已经为人们普遍接受和认同。将这两个基准点与黄金分割率进行比较，不难发现：这两个基准点反映了前者是处于黄金分割率之上的决策，后者则是趋近于黄金分割率的决策。实质上，这种做法体现出了黄金分割率的应用原理。我国数学家华罗庚推广的优选法，是以较少的试验次数迅速地找到最优方案的方法。其中，最常用的黄金分割法就是黄金分割率在优选法中的应用。这说明黄金分割率可以有效地应用于最优方案的选择‘”。将其推广，黄金分割率亦可以有效地应用于量级的划分gaol。设某指标Z的均值为Z，黄金分割率为Q一0．618，则该指标可按下式计算分割点A，实现m个量级的划分：Ai—Q’牙，I卅s埘，i-1,2,⋯，tn侣．∞其中：，和量级数m可依据指标名的值域大小来选取。21 西安理工大学硕士学位论文如：在计算安康水库洪水年内次数分布及其概率时，洪峰流量指标z的均值为Z=8421．2m％，依据实际情况按黄金分割法，依洪峰流量指标值域范围取m=5，，=-2～2，则利用(3．4)式可得5个分割点为：Al-Q2岩-3216，A2mQl牙一5204，A3-Qo牙,=8421．2，A．-Q一1岩一13626，As-Q。2．牙=220453．2．2洪水发生概率分析原理水文水资源领域常用的离散型分布是泊松(Poisson)分布，可用于描述降水日数、暴雨日数、干旱发生次数、洪水发生次数等随机变量。本文使用泊松(Poisson)分布计算分析年内发生洪水次数的概率¨“。对某河流断面，设年洪水次数的观测序列R为：巳一砺(f)卜{6∞，以圆，⋯，，，O))(3．5)式中，{凡(f))表示在第t个观测年中洪水出现的次数。一般地，对由连续降雨形成的多峰洪水和连峰洪水，在分析中按一场洪水统计D”。对乃序列作如下变换：令五为在观测时段(即总的观测年数)内，每年发生x次洪水的总年数，则有序列，：，-{，o，，l，⋯。，I}(3．6)即在n年中，发生0次洪水有／o年，发生1次洪水有，1年，发生t次洪水有矗年。若序列F在口显著水平下符合泊松分布，则每年发生工次洪水的概率确为‘¨1；，∞-等t。(3．7)且年发生洪水期望值为：日O)-印o)(3．8)其中；五-i1岔k厶(3．9)对洪水这一离散过程是否可以应用泊松分布分析，还应检验实际分布与理论分布是否一致。构造统计量为z：，则z3是近似服从具有k-2自由度的z2分布。选定某一显著水平口，则从z2分布表中查得临界值Z。-2，若右-耋％茅‘如cs-·∞ 3洪水基本规律分析3．2．3洪水月分布统计根据汉江洪水的特点，以流量大于等于3000m3／s作为判断是否发生洪水，当洪峰流量大于3000m3／s时，计为一场洪水。统计得到安康站1991～2004年14年共69场洪水。如果将连峰、多峰洪水合计为一场洪水，则整理得出有40场洪水(下同)。进行洪水次数月分布情况分析，结果如表3-1所示。定义出现洪水场次的概率大于10％的月份作为汛期，大于15％的月份为主汛期，小于10％的月份为非汛期。则11～5月为非汛期，6～10月为汛期，7～9月为主汛期。表3-1安康站1991～2004年洪水月分布14Tab·3-1Themonthlydistributionoffloodat12月份月洪水次数百分率10O2O030O405O682071230820982010410ll012O123456789lO1112图3_2年内洪水次数分布曲线Fig．3-2Thedistributionc"UI"Veofannualtimesoffloe从表3-1和图3．2可以看出，汛期洪水次数占全年洪水次数的100％，主汛期洪水次数占全年的70％以上，尤其以7月份洪水发生次数最多。3．2A洪水的年内次数分析及其概率众所周知，河流水情的变化是由非汛期逐渐增强到主汛期，在经过一段衰减期后由主汛期过渡到非汛期。故将主汛期前一段时问称为汛情增强期，主汛期后的一段时间称为汛情衰减期。对安康站，增强期为6月30日前，衰减期为10月1日后。08642O 西安理工大学硕士学位论文表3-2安康站1991～2004年实测洪峰次数及期望分布流量单位：193／sTab．3-2The[imosandcx"pcA枷distributionofrecordedfloodpeaksofAnkangreservoirfroml991t02004洪水场流量增强主汛衰减次工，3216>5204>8421>13626"2：}045期O0241014921012452O2542342103O31304320351016l10总合402918408284年均值2．铂2．071．290．2800．572O．29％l∞57-54510O207010洪水场次J概率Oo．057270．12620．27530．懈00j6550．13530．7483l0．163790．26120．35510217O032230．Zr0670．21720．234220．2703o．22904o．∞15Oo．凹190．27067O．03巧30．223290．18650鹏8490．∞300．01750．18045O册34o．159650JD9656．柳；．05o．∞0200．00250．鹕岫20．∞0250．091320．041．3胁1．28B．0500．∞030肛撕l1．28嘣60．043530．01385．5B—086．18B—口7O2．刀螂0．∞0756．18E．07注：可验证各量级洪水序列在a=0．05时为泊松分布．表3-3安康站1991～2004年实测洪水次数年内分布情况单位：m3／$年洪增强主汛衰减流量场次年份水数期’3216硝204>8421,13626，22045l199132l032O219923O21321l03199310l01l104199421020519954O4O41061嘶313O071997202021O081998404O432091999l010l10O102咖521543O0112∞101220022020 3洪水基本规律分析13瑚3605l631014200440404210总合40828440291840年均值2．860．5720．292拍2．071．29O．280表3q年可能洪水次数及极可能洪水次数洪水量级O椭可能次数概率极可能次数概率流量>321620．234¨40．84流量硝2042o．”03O～30．843流t>842110．35510～30．96流量>136260O．74830～20．997流量>22045O00～20增强期00_5655O～20．98主汛期20．27070～40．95衰减期00．74830～20．997表3．2～表3-4为1991～2004年安康站14(n=14)年40场洪水次数分布情况，洪峰流量指标的均值为8421。2m3／s。在表3-2中，如洪水次数x=2时，则表示在有实测资料的14年内有4年每年发生了2次洪峰流量大于5204m3／s的洪水，其余类推。安康水库均为洪峰流量大于3216m3／s的洪水，其比例占已发生洪水的100％：没有洪峰流量大于22045m3／s的洪水。亦即在1991-2004年间安康水库多为洪峰流量为3216m3／s和22045m3／s之间的洪水。从表34可以看出，洪峰流量大于3216m3／s的洪水，年极可能出现0～4次；洪峰流量大于5204m3／s的洪水，年极可能出现0～3次，而每年主汛期发生洪水的次数极可能在0～4次之间。3．2．5洪水峰峰问期分析表3．5为1991～2004年安康站11年(1993和1999只发生一场、2001年未发生峰值大于3000m3／s的洪水，无法计算峰峰间期，所以只有11年)27场洪水峰峰间期分布情况，经计算，峰峰间期指标的均值约为29天。表3-6为1991～2004年安康站11年洪水峰蜂间期次数及期望分布情况。 西安理工大学硕士学位论文表3-5安康站1991～200,1年实测峰峰间期年内分布情况Tab．3-5TheannualdistributionoftherecordedintervalsbetweenfloodpeaksatAnkangstationfroml991t02004峰峰次数一天卵天>11天>18天总次数27232013年均值2。452．452．091．眈1．18百分率(％)1∞豁276睨48．15表3-6峰峰间期年可能次数及极可能次数Tab．3-4TheannumprobableandballyprobabletimesofintervalsbetweenfloodpeaksatAnkangstationf口rom1991to2004峰峰间期可能次数概率极可能次数概率一天20．261·4o．81卯天2O．27吣0．84>11天10．295¨0．89>18天10．36睨o．88从表3．6中可以看出，峰峰间期大于7天的，年可能出现2次，极可能出现0～3次；峰峰间期大于18天的，年极可能出现O～2次。3．2．6洪水歇洪问期分析表3-7～表3-9为1991～2004年安康站11年27场洪水歇洪间期分布情况，歇洪间期指标的均值约为25天。表3-7安康站1991～2004年实测歇洪间期分布情况Tab．3．7nedis缸ibufionoftherecordedintervalsbetweenfloodsfrom1954to2004歇洪次数“天蝎天蝴天>15天总次数2726222111年均值2．452．3621．911百分率(％)96381．577．7840．7表3-7的结果表明，歇洪间期以大于6天为主，年均发生2次，占总次数的81．5％；大于9天的年均发生1．91次，占总次数的77．78％。安康站洪水歇洪间期的这一分布特征，可为实现施工导流优化设计提供了有利的条件。表3-8年可能歇洪间期次数和极可能歇洪间期次数歇洪闻期可能次数概率极可能次数概率一天20．261—40．8l，6天l0．27lO一3O．嘶>9天10．勰¨O，87>15天1O．3680．-20．92由表3—8可知，歇洪间期大于6天的，年极可能出现O～3次；歇洪间期大于15天的， 3洪水基本规律分析年极可能出现0～2次。表3—9安康站1991—2004年实测歇洪问期年内分布情况Tab．3-9TheannualdistributionofrecordedintervalsbetweenfloodsatAnkangstationfrom1991to2004序号年份歇洪次数一天“天>9天>15天11991212199221319941l4199532l519962619971l1O7199832182∞043292002l1010猢5111200431总合2726222111年均值2．7B2．432．071．641．433．2．7洪水起涨问期分析表3．10和表3．1l为1991～2004年安康站11年27场洪水起涨间期分布情况，起涨间期指标的均值约为27天。表3．10安康站1991．2004年洪水起涨间期分布情况Tab．3-10ThedistributionofintervalsbetweenfloodinitialriseatAnkangstationfrom1991t020()4起涨次数“天蟠天>10天>17天总次数2726242112年均值2．452．362．181．911伪百分率(％)96388．89∞0B44．4表3．10的结果表明，由一场洪水的起涨时间到下一场洪水的起涨时间间隔以大于6天为主，占88．89％。间隔6～10天的有24--21----3次，占11．11％；17天以上的占44．4％。表3．11年可能次数及极可能起涨阅期次数起涨间期可能次数概率极可能次数概率一天2o．261-．4O．81“天20．2680-30．跖>10天10．2830—30．87>16天10．3660—20．9 西安理工大学硕士学位论文由表3．11可知，洪水起涨间期大于6天的，年极可能出现此次数为∞3；起涨间期大于16天的，年极可能出现此次数为O砣。3．2．8洪水涨水段间期分析表3—12和表3—13为1991～2004年安康站14(n=14)年40场洪水涨水段间期分布情况，涨水段问期指标的均值约为1．3天。表3-12安康站1991～2004年实测洪水涨水段间期分布情况涨水次数螂天如．5天"o．8．天>1．3天圯．1天合计40383022113均值2．862．7l2．141．57O．7860．214百分比(％)95755527．57．5表3—13年可能次数及极可能涨水间期次数起涨间期可能次数概率极可能次数概率>03天2O．2240～40．862"O-5天2o．270～4O．93>o．8天1O．3270～3o．925>1．3天0O．4560～20．955观．1天00．8070"--10．粥表3．12的结果表明，由某场洪水的起涨时刻到该场洪水的峰现时刻间隔以大于0．3天为主，占95％。大于O．5天的占75％，表明若用12h作为预见期来预测洪峰流量时，则有75％是可以进行预测的。间隔0．5～O．8天的有30--22=8次，占20％，0．8～1．3天为最多，达27．5％。由表3．13可知，洪水涨水段间期在0．5天以上的，年极可能发生次数为0～4次；间期在0．8天以上的，年极可能发生次数为O～3次。3．2．9径流年型与年洪水次数及年洪水歇洪问期关系分析一般而言，年型的丰枯变化，由年来水量的大小所确定。丰水年来水量大，发生洪水次数就可能多些：枯水年来水量小，发生洪水的次数可能要少些。安康水库的年径流资料见表2．5。由该表可以看出，在51年径流系列中，平均年径流量为179．36亿m3，最大年径流量为355．3亿m3(1983年～1984年水文年)，最枯年径流量72．09m3／s(1997年～1998年)；最丰年平均流量是最枯年平均流量的5倍，从图2-3可以看出安康天然经流量有减小的趋势。为了掌握不同的年型所对应的洪水次数和相应的歇洪间期的统计情况，根据安康站年2R 3洪水基本规律分析径流总量对丰枯年型进行简单划分¨”，如表3．14所示。表3·14丰枯年型划分表状态级别数值区同(亿Ⅲ，)1枯水年年总量‘1嘶2平水年106一<年总量<2633丰水年年总量>／263根据丰枯年型划分表将1954--2004年安康水库50个水文年(7月至次年6月)的丰枯年型进行统计，成果见表3．15。表3_15丰枯年型统计表Tab．3—15Thestatistictableofwet-dryyear年型枯水年平水年丰水年年型枯水年平水年丰水年195919S419551976197719561958197819941957196319791995196019641980199719611粥119舒19鲫196219眩19嘶2呻1196519鼯1987生20021966198419鼯19672003芷19∞分196819901969分1991布19701992布197119931972199619731998l州捌l∞197S年教8339％166618由上表中的统计结果可以看出，1954-1988这35年以平水年与丰水年为主，1985年以来以平水年与枯水年为主。1954-2004年总的来说，安康站以平水年为主，占66％．统计安康站1991～2003年丰枯年型分布、相应的年洪水次数及歇洪间期大4天的次数(简称歇洪4)于表3·15和表3-16中。 西安理工大学硕士学位论文表3．16丰枯年型与年洪水次数及年歇洪间期统计表Tab．3—16Thestatistictableofwet-dryyearandannualfloodtimeandintervalsbetweenfloods径流年型桔水年平水年丰水年洪水次数11196年均洪水次数1．站3．176歇洪410165年均歇洪41．662．675年数61年均歇洪4／g均洪水次数(％)918483从中可以看出，安康站近13年来以枯水年和平水年为主，平枯年交替，约占92％；仅2003年为丰水年，洪水年均发生了6场，歇洪间期大于4天的年均出现了5次，两者之比为83％，即丰水年洪水歇洪间期有83％是大于4天的；平水年洪水年均发生了3．17场，歇洪问期大于4天的年均出现了2．67次，两者之比为84％；而枯水年，洪水年均发生了1．83场，歇洪间期大于4天的年均出现了1．66次，两者之比为91％。以上的统计结果表明，丰水年年均发生的洪水场次较多，其歇洪间期相对较短；枯水年来水量较少，发生的洪水场次就较少，其歇洪间期几乎均大于4天。3．3洪峰流量序列的复杂性分析洪水序列是一个复杂的、非等间距的时间序列，由于洪水序列还没有被揭示出反映其物理本质的动力方程，只能从表象本身来研究其规律性。因此，从时间序列研究构成复杂表象的动力学特征，分析寻找未知的规律，以成为一个引人瞩目的研究课题。如果将洪水时问序列视为洪水状态演化过程的残留点集，则由此洪水时间序列应当可以得到洪水序列动力过程的部分信息。目前，利用时间序列研究水文系统动力过程主要采用了描述复杂动力系统的表征量，如用分数维、李普亚诺夫(Lyapunov)指数等做为度量，但在计算中要求有大量数据，才能保证计算结果的可靠性。这对洪水时问序列来说，显然很少有足够长的资料能够满足这一要求。寻找一个新的表征量，运用到洪水时间序列动力学研究中，将具有重要意义。柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)曾提出了时间序列复杂性的表征量(Kolmogorov，1965)，并由兰帕尔．齐夫(Lempel．A和Ziv．J)具体化成“算法复杂性”来表征一个有限序列所代表的动力系统的周期性和混沌性，并认为对高维系统特别适用(LempclAelal，1976)。兰帕尔．齐夫算法复杂性是对任意给定的有限长度符号序列复杂性的度量，计算方便，适合于对洪水时间序列的研究。因此本研究以它为标准研究安康站洪水时间序列复杂性，以提取洪水变化的复杂性特征。 3洪水基本规律分析3．3．1算法复杂性分析方法1965年柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)定义一个给定字符串的复杂性度量等于能够产生这一字符串的最短计算机程序的字节数，1976年兰帕尔—齐夫(I．￡mpcl．A和ZivJ)提出可以不直接计算产生字符串的最短字节数而只用简单的两种操作，即复制与插入计算作为程序长度有用度量的一个数Co，这个数称为算法复杂性度量，简称算法复杂度。算法复杂度Co是一种随机性测度，反映了序列接近随机的程度。兰帕尔卉夫(I七mpel．A和ZivJ)算法复杂性描述如下⋯卜¨”：(1)假设我们有一数列括仁1勋⋯而}，首先求得这个数列的平均值五，，令跏{1妻：》譬(3．11)0屯。1当石‘x。肘p’这样，我们从仁I忍⋯而}序列得到一个(o"1)符号序列s·扛o，墨，＆，⋯，s。，。(2)对这样的(0，1)序列中已形成的一串字符S={S1，s2，．．．焉)后再加一个或一串字符趴1或{晰1，Sr+2,Sx+3，．．．，Sr+k)称之为Q，得到新序列SQ，令SQv是一串字符SQ减去最后的一个字符，再看Q是否属于sQv字符串中已有的“字句”。如果已经有过，那么把这个字符加在后面称之为“复制”；如果没有出现过，则称之为“插入”。“插入”时用一个“·”把前后分开，下一步则把¨”前面的所有的字符看成S，再重复如上步骤。这样，我们就得到用一”分成段的字符串，分成段的数目，用cO)表示。而对于【O，1】区间上所有值，复杂性都趋向同一个最大值：L—ira(c伽)一万／1。92n)-O(3．131式中：60)一nl092^表示随机序列复杂性的渐进行为。用b(n)将cO)归一化，有：co-c伽)／“目)-(c伽)l092n)／a(3．14)称为算法复杂度，简称复杂度Co[01|e从该算法可知：对有规律的周期时间序列，当n充分大时，c∞不随厅的大小而变，当弗一∞时，c尹CO)／b(n)一0；对于随机时间序列，CO)一直随n而变，没有稳定的有限值，并且序列越随机，C(m)就越大；当弹一oo时，c02C(n)／bO)一l，序列为完全随机，复杂性最大。co的大小反映了序列的随机(复杂)程度的大小，co越大随机(复杂0程度越大。3．3．2洪水时间序列的复杂性分析为了分析安康站洪水时间序列的复杂性，我们选用安康站1954年至2000年的洪峰流量时间序列作为样本，经计算得结果如图3-3所示。 西安理工大学硕士学位论文复杂性co。8丽?泠叭．ⅣVM／^lA／k胪＼／⋯。一V～rM＼洪峰流量复杂性G均值√懒苁》．M，I洪峰号秀％％％笼％龟龟鸟％龟麓麓鸨‰、图3-3安康站洪峰流量序列及复杂性c0变化曲线Fi93-3ThevariationalMofpeakflowtimeseriesandcomplexityCoatAnkangreservior从图3-3中可以看出，洪峰流量序列的复杂性co在0．6～0．88之间变化，表明其随机性较大，但复杂性岛值均小于1，说明洪峰流量的变化中存在着确定性的成分，在一定程度上是可以进行预测的。对比图2-3安康水库年径流变化曲线可以看出，安康站年径流1987～1988水文年前处于丰(平)水文年型阶段，平均径流量相对较大，洪水发生量级相对较高，这反映在洪峰流量序列处于880903洪水(即1988年9月3日，下同)前的复杂性co均小于其平均值co(见图3．3中虚线左侧)；从1987～1988水文年起进入了平(枯)水年阶段，平均径流量减小，洪水发生量级降低，这反映在洪峰流量序列处于8800903洪水后的复杂性co均大于磊(见图3-3中虚线右侧)，洪峰流量的复杂性在逐步增加，随机性加大。表3-17安康站洪峰流量、总洪量及复杂度分析表Tab．3一17Thedataanalysisofpeakflow,totalfloodvolumeandcomplexity洪水洪峰流量均值总洪量总洪量均值复杂度洪峰编号场次数(ad／s)(亿呐(亿而均值780704～88∞9031815520275．2215．290．689髓∞903～2∞010114385534昭．7S11．250．799均值10608379捞13310．72表3．17给出了安康站洪峰流量、总洪量及复杂性c。对比情况。从中可以看出前18场洪水的洪峰流量均值、总洪量均值(总洪量)均大于后43场洪水的洪峰流量均值、总洪量均值(总洪量)；而相应的复杂性co是前18场的复杂性c。小于后43场的复杂性co。这表明，复杂性c0与洪峰流量均值、总洪量均值(总洪量)成反比关系。亦即，洪峰流量均值、总洪量均值(总洪量)均随着复杂性c0的增加而减少。通过上述分析及复杂性c0的变化趋势可以认为：未来的洪峰流量均值、总洪量均值(总洪量)呈减少趋势。987654321O0OnOn 3洪水基本规律分析3．4小结本章在给出了洪水的特征指标基础上，运用黄金分割率、概率统计理论和复杂性理论，全面地分析了安康水库的洪水分布特征，得到以下几个结论：(1)安康水库洪峰流量均大于3216m3／s，其中洪峰流量大于5204m3／s的洪水，其比例占已发生洪水的57％，年可能出现2次；洪峰流量大于8421m3／s的洪水，占45％；洪峰流量大于13626m3／s的洪水，占28％．亦即安康水库多为洪峰流量为3216mS／s和13626缸，／s之间的洪水。(2)洪水峰峰间期是指两次洪水峰现时间之差，是判断洪水特征的重要指标之一。峰峰间期越长越有利于防洪调度。安康站洪水峰峰间期指标的均值约为29天，均大于4天，其中大予7天的占总次数的85．2％，年极可能出现帖3次，非常有利于安康站在退水段拦蓄洪水。(3)一场洪水退水结束到下场洪水开始起涨的时间间隔叫歇洪间期，它直接影响到水库的调度安全。安康站实测洪水歇洪间期时间较长，以大于4天为主，占总次数的96．3％，年极可能出现1～4次；歇洪间期以大于6天占总次数的81．5％，年极可能出现0∞次，计算结果表明，对安康水库进行控泄是有可能的。(4)统计安康站1955～2002年丰枯年型分布、相应的年洪水次数及歇洪间期大于4天的次数的结果表明，安康站丰水年来水量较多，发生的洪水场次较多，其歇洪间期相对较短；枯水年来水量较少，发生的洪水场次较少，其歇洪间期几乎均大于4天。说明完全可在对安康水库实施控泄，以满足康水库的控泄要求。(5)洪峰流量序列的复杂性Co在0．6～0．88之间变化，其随机性较大，但洪峰流量的变化中存在着确定性的成分，在一定程度上是可以进行预测的。分析复杂性co的变化趋势，认为未来的洪峰流量均值、总洪量均值(总洪量)呈减少趋势。以上几点结论，对安康水库主汛期动态运用具有较大的指导作用，特别是歇洪间期指标的实际分布规律，及径流年型变化趋势，为拦蓄洪水，实现洪水资源化提供了重要的理论依据。 西安理工大学硕士学位论文4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制一般梯级水电开发时，往往在上游建设一个库容较大，调蓄能力较强的龙头水库，龙头水库不仅会增加梯级下游水电站的发电、防洪等综合利用效益，而且也为下游在建工程施工导流创造了极为有利的条件m1。4．1下游工程施工期上游梯级水库洪水控制的思路和方法考虑发挥梯级水库对洪水的联合调节作用，尤其是龙头大库的调节作用，为减小梯级水库下游工程施工导流流量，本论文对上游梯级水库的洪水控制进行了研究。当河流梯级开发上游已建水库的库容较大，调蓄能力较强时，在设计下游工程时，往往会提出利用上游已建水库来削减下游在建工程的旆工导流流量的问题。特别在下游工程设计中遇到因导流规模过大将带来许多技术难题或严重影响工期时，更需要通过上游水库或梯级水库的调节减小汛期施工导流流量‘簪’。设某河流梯级开发中规划了矗个水库电站，其中已建水库电站有m个，现有第f个水库在建，如图4_1所示，Q1为梯级第1个水库的入库洪水流量，锄为梯级最后一个水库的下泄流量，QR为梯级各区间洪水。司已建q待李鲫1飒‰瓣112l矗．1矗图4_l河流梯级开发简图Fig．4-1Cascadedevelopmentdiagram为减小在建第f个工程的施工导流流量，要求上游梯级水库在发生与施工导流标准相应的洪水时，控制下泄流量以减小在建工程的导流流量。对该问题的研究思路是：根据施工要求和上游梯级水库的调蓄能力，先拟定上游梯级水库几个下泄流量方案，通过方案计算比较来选定合理的控泄方案，由此确定在建工程的施工导流流量和梯级水库在施工导流期间的运行调度方式“’。由于上游梯级水库是已建水库，坝高和总库容都已确定，可通过两种途径来满足下游在建工程的防洪要求。一是降低上游水库的防洪标准；二是改变上游水库的运行方式，降低汛期限制水位，将一部分兴利库容转化为防洪库容。降低上游水库的防洪标准与获得的 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制施工导流投资减少和工期缩短两种方法进行比较时，由于一个是以防洪风险来表示的，另一个是以货币量来表示的，一般难以直接比较，只能通过经验判断并以上游水库管理部门是否能够接受为前提进行分析选择。一般来说，用降低上游水库防洪标准的办法来削减下游梯级水电站的施工导流流量，将使上游水库工程所承担的防洪风险大大增加伽¨”。经分析可知，上游水库若为下游某水电站施工导流控制泄流量，其防洪标准从可能最大洪水降为万年一遇，则防洪风险将扩大10倍。因此，为下游水电站的施工导流上游水库承担如此大的风险是否合理，值得进一步研究汹1。而通过降低上游水库汛期限制水位来减小下游工程施工导流流量的方法，兴利损失与设计工程投资节约的对比则比较容易，只要节约的投资大于兴利的损失，方案在经济上就是合理的。对于其他不能用货币表示的指标，如工期的缩短、施工难度的减少等，也可通过综合分析判断加以选择。因此，第二种途径在实际工程设计中运用广泛脚1，本论文主要对第二种途径，即通过降低上游水库汛期限制水位来减小下游工程旌工导流流量的方法进行探讨。汉江干流在蜀河坝址以上已经建成了石泉和安康两座水库，其中石泉为季调节水库，调节性能较弱，对洪水过程线影响不大。1990年建成的安康水库，为不完全年调节水库，对洪水有一定的调节能力。因此，研究通过安康控泄保证蜀河施工期的防洪安全具有重要的实际意义。安康水库通过多年运用，由于库容淤积等因素影响，水库的水位库容关系等特征指标已经发生了一定程度的改变，所以首先需要对安康水库自身的防洪能力，蓄泄能力等进行复核研究。水库防洪能力是指水库在某一蓄水位下，能够安全防御或顺利度过某一防洪标准的洪水。对安康水库工程的防洪能力进行复核，是根据运用中水库逐步积累的资料，进行调洪演算，分析目前水库状况是否满足设计标准和规范要求，并计算其实际所具备的防洪能力。4．2水库调洪计算原理水库调洪计算又称调洪演算。它是将水库库容曲线，入库洪水过程和泄洪建筑物类型、尺寸、调洪方式作为已知的基本资料和条件，对水库进行逐时段的水量平衡和动力平衡运算，从而推求水库下泄流量过程线。水库按泄洪能力下泄流量，是水库调洪的最基本方式。从水库调洪作用的分析可以看到，水库之所以能够削减洪峰流量，主要是由于水库蓄洪和泄洪建筑物控制了下泄流量。当水库泄洪建筑物的形式、尺寸大小一定时，下泄的流量受控于泄流水头，泄流水头又受到水库蓄水量的控制，而水库蓄水量的大小又紧紧依赖于入库与出库水量的变化．因此，可以采用水量平衡方程反映水库蓄水量与入库出库水量的变化，用水库蓄泄方程反映水库蓄量与泄量能力的关系。(1)水库水量平衡方程 西安理工大学硕士学位论文在某一时段垃内，入库水量减去出库水量，应等于该时段内水库增加或减少的蓄水量水量平衡方程为：鱼±垒△f一望!±丝血。v2一配21(4．1)式中：Q1，Q2——时段缸始、末的入库流量(m3／s)；吼，窜：——时段Af始、末的出库流量(mj，s)；巧，既——时段缸始、末的水库蓄水量(m3)；缸——计算时段，其长短的选择，应以能较准确地反映洪水过程线的形状为原则。陡涨陡落的，&取短些；反之，取长些。(2)水库蓄泄方程或水库蓄泄曲线水库泄洪建筑物的形式、尺寸一定时，泄流能力鼋仅取决于泄洪设旌的水头日。当水库内水面坡降较小，其泄流水头日只是水库蓄水量矿的函数，即H-，缈)，故下泄流量q成为蓄水量矿的函数，即q-，旧J(4．2)或q。，缈J(4．3)式(4．3)是假设库水面为水平时的水库泄流方程或称口-，杪)曲线。该曲线由静库容曲线和泄流计算公式综合而成。对于狭长的河川式水库，在通过洪水流量时，由于回水的影响，水面常呈现明显的坡降。在这种情况下，按静库容曲线进行调洪计算常带来较大的误差，因此为了满足成果精度的要求，必须采用动库容进行调洪计算。在式(4．1)和(4．3)中，仅鼋2，圪为未知数，故联解可得到。从洪水开始，逐时段连续求解，即可求出水库下泄量过程线，最大下泄量口。，调洪库容‰和水库逐时水位变化过程。4。3安康水库现行防洪调度规则安康水库大坝按千年一遇设计，万年一遇校核。千年一遇洪峰流量为36700m3／s，万年一遇洪峰流量为45000m3／s。襄渝铁路的防洪标准为百年一遇洪水，在百年一遇洪水标准情况下水库水位不得超过330m；下游安康市防洪标准为二十年一遇洪水，若发生五年一遇洪水，水库控泄12000m3／s，发生二十年一遇洪水下泄不能超过17000m3／s。(1)起调水位325m(2)泄量控制原则；a、当Q素<12000m3／s时，Qi--Q来；b、当12000m3／s326m时，Qn=Q※：c、当15100m3／s(Q※<17000m‰，且Z>326m时，0^=Q※；d、当17000m3／s328m时，Q．--0来；e、21500m3／s328m时，0蠢=Q皋；f、当O来>24200m％，泄洪设备全部闸门打开，按泄流能力敞泄；g、P=5％，Q束≥2150【)m‰，Q矗≤17000m3／s：h、P=20％，Q※≥15100m柏，Qt≤12000m3／s。4．4对安康水库原设计调洪演算复核安康水库自1990年建成以来，经过16年的运行，由于受库容淤积等因素影响，水库的水位库容关系曲线等特征指标都已发生一定程度的改变，所以先对安康水库的防洪能力和蓄泄能力等进行复核。本次计算对安康水库防洪能力复核采用旧的水位库容关系，仍取北勘院原设计的1968年洪水作为典型洪水过程，同频率放大得到设计洪水过程线如表舡1所示。采用旧水位库容曲线和泄流能力曲线，按安康水库现行洪水调度规则进行调洪计算，起调水位为汛限水位325．Om，计算时段为3小时。各设计频率洪水调节计算成果见表4-2。表4．1安康水电站设计洪水过程线(1968年典型)单位：n13，s时段1968年典型P；o．1IP=1％P=5％P=20％1400073605860432032402404080306110476035703407086∞65705110381044290936073205780411054510103∞7咖6l∞4310651301120085∞67柏487075750123∞9670741055如863∞】34∞105∞81∞6010969踟145∞11枷蜘63601081∞15咖122∞9S∞675011938017咖13咖101007D10121艏m181∞137∞108∞746013112∞192∞149∞116∞811014126∞21300165∞124∞88301514，：∞2舶舯187∞139∞986016158∞268。o20姗157∞111∞171730030300232∞17700125∞18185003240024800189∞13400 续表4-1时段1968年典型P=0．1％P=I％1"---．5％P=20％1919=I∞34咖269∞203∞144∞20197∞3670028100215∞15l∞211920033700257001970014∞022182∞318∞243∞186∞128∞23168∞29400222001710011啪24149∞252∞189∞1毕7∞1010025126∞219∞168∞128∞90102610伽19枷14卿11100舢27科201710013100103∞7260286790149∞114∞867063舯295670120∞9150711053∞3047舳9970771059904350314340907070105伽3950323910817063lO491035∞33螂72605620437031703433柏圆∞54呻41∞304035321067∞51∞柏20292036307064204950385028∞37294061如474036∞姗38姗5850452035102550392锄55印42903340猢40253052舯40803150231041239049903Ij6030202l∞422320484037402910211043225046903620船20205044217045003510删19804521∞4390339026401910462∞叮4230327025401850471960408031回245017∞481湖393030402360171049181037∞硼姗16505017503650猢219015如51168035102710211015305216∞33702610姗1470 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制表4．2安康水库各设计频率洪水调节复核成果频率(％)项目0．1l520设计36700281∞215CO15100洪峰复核367∞勰1∞215∞15100设计333．10329笛32s掰326f67库水位复核332．9329艏3勰．45326．62设计315∞25700I舢12000下泄复核30446Z∞17咖12咖设计57．002400450031∞削减复核62543231450031∞由上表结果可看出，由于库容淤积等因素引起的新旧资料的差异对洪峰流量并无影响，各频率对应库水位和下泄流量略有减小，对五年、十年一遇的小洪水无影响或影响较小。但相对于29亿m3的总库容，这些改变并不影响安康水库的防洪、蓄泄能力，可用新资料进行调洪演算。4．5对安康水库新资料谓洪计算西勘院完成的汉江蜀河工程可行性研究报告中采用1974年这场洪水作为典型洪水过程。1974年洪水区间洪峰提前发生，但上游来水过程为先发生一个小洪峰，紧接着再发生一个大洪峰的过程，对蜀河水库安全最为不利，故采用1974年这场洪水作为本次水库调控的典型洪水过程。采用新的安康水库水位库容曲线和泄流能力曲线，以及如表4．3所示以1974年发生洪水为典型的洪水过程，按照原安康洪水调度规则，对设计洪水进行调洪计算，其中，起调水位为汛限水位325．Om，计算时段为3小时。各设计频率洪水调节计算成果见表4-4。表4-3安康水电站设计洪水过程线(1974年典型)单位：mS／s时段1974年典型P=O．1％P--0．5％P=I％P=2％P=5％P=10％P=20％1183027762307211218龉1621“10118123650553746014212375932322S13嚣55355lo8359694663585674487942463ss6462209436784l7177640555∞牟7934014569201049887247985712661285333446568140123491026293928382J72嘴62735253789201353211245l。：}929186789968745756892101397211611106279484815670975943994601435211926109159742837772906105 表4．3(续)时段1974年典型P=O．1％P粥％P=l％P=2％P=5％P=10％P=20％lO9570145191嬲110429855蝴737561761194901439711964109509773840473136124129330141541176210765螂8262719060211391柏13866115231054694128094704358粥1489401356311271103159：蛳79176889576915船101336611107lOl659眈7802678956舒1691∞138D611472105∞93718n597012587217lO咖15171126071153810298船567706“531812鲫1911515瞵1453812975111589710813119157002381819793181151616813蝴12098101312019枷292802433l2：1269198751709114舯3l凇21217003，睨127357嬲822346192171F72214003222320035197292482676923曲12哪!78781497123Z舢355∞295∞27∞OZ40卯2眺18032151∞24217∞329212735725∞82：撕19217167221400325197∞298872螂227312嘲71744515181127122617咖27004224加2晒381韶∞15763137171148627159∞241222删18346163741枷01225310："瑚281枷02123917650161541441712398I懈9034291210018357152541396212460107159324780830103∞156261298511鼹51060791217937664731868013168109431∞158939768766895∞l3273∞111969304851576∞65355687476233632095船7968729265∞5597487040783455∞83446934634656644871伽354935495075106240571250”4384381531943644706781563551584603395834452泓3741306，撕52D747654253365731昭26653837805735蚺6s4362389333472913243939370056134665426938103277285123船4039005917491745004016345430052517414090620551564719421236223152姗4242106387530748584∞537283244271743伽644853584904437737643275舢40 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制频率(％)项目O．1l251020洪峰复核3550027咖240972蚴1803215100库水位复核332．27328．31327．22328．073”筋326．6下泄复核29897241752：撕17∞01510012∞O削减复核56∞28251751了7艺蛮13231∞如表4—4所示，将1974洪水放大做为设计洪水过程线进行调洪演算，从计算结果可以看到，校核洪水位和设计洪水位均低于设计值，保证了水库的防洪安全；百年一遇洪水没有超过330．0m，保证了襄渝铁路的安全；二十年一遇洪水的最大下泄量控制在17000m3／s，保证了安康市的防洪安全。由于水库防洪库容淤积较少(仅占总防洪库容的1．54％)，所以水库的各项防洪任务都能够满足。各频率洪水调度结果见图412、4．3、似、4．5、斗6、4．7。0奄V■爝3000025000020000315000袭1000050000⋯一下泄量——入库——水位／＼／／j≮：-、∥·’／N’．夕／心、．，，、．．，’338336334332^330e328划326篙324322320O5101620253035404550时段图4—2千年一遇洪水调度过程线Fig4-2The聆毋llatinghydrographofthousandyearfrequencyflood⋯⋯下泄量一入库一水位八‘∥。弋一．。／j＼．．．／’八、＼／7＼，一·338336334332^3300328电I326*324322320O5101520253035404550时段图4-3百年—遇洪水调度过程线Fig4-3Theregulatinghydrographofhundredyearfxequencyflood41∞∞∞∞∞∞∞∞o伽亘}湖啪耋暑瑚姗砌 西安理工大学硕士学位论文3000025000020000315000爝ml100005000O⋯⋯下泄量一入库一水位／、．、∥＼：／·．．一．＼‘／、、／‘O2500020000之15000～0专、，■嚣5000O1520253035404550图4-4五十年—遇洪水调度过程线Fi94-4mreg删nghydrograph0f丘flyyearf"quencyflood⋯⋯下泄量一入库一水位338335334332，、3303328d326*324322320Zj．＼⋯．：彳’＼i。，√P。＼＼·‘，—’．／／＼∑．／＼．，—～—一．338335334332330e328划326*32432232005101520253035柏4550腿图4．5二十年—遇洪水调度过程线Fi94-5Theregulatinghydrographoftwentyyearfrequencyflood⋯⋯下泄量一入库一水位／，＼／．，-’·，r?，j＼：，＼j，，、＼i．．———‘—√／＼飞．／＼．338336334332330占328毯326*324322320O51015202530354045卯时段图4-6十年—遇洪水调度过程线Fi94-6Theregulat／nghydrographoftenyearfIequcncyflood●塘O0O0O㈣踟蚴伽枷咖啪啪伽茎耄． 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制l踟001400012咖运10000e8000妻6000舢0-⋯-下泄量一入库一水位／＼，／＼．／＼j．／＼i．一／＼．-·厂．一一r1＼＼‘厂＼一．一’，。●3毯*O5lO15∞25∞35∞45∞时段图4H7五年一遇洪水调度过程线Fi94-7Theregulatinghydrographoffiveyearfrequencyflood4．6蜀河水电站施工期关键时段的控泄方案研究在蜀河水电站施工导流规划布置中，主要有以下几个特点：(1)地形地质条件对导流建筑物布置不利，坝址区河床覆盖层厚度达10-20m，两岸自然边坡较高，岩性较差。(2)汛期洪水流量大，基坑渡汛问题突出，坝址区十年一遇的洪峰流量达19700m3／s，水位暴涨暴落明显。为此，在两个基坑施工期，需要对围堰全年挡水方案和汛期渡汛方案进行分析。(3)施工期堰前渡汛设计水位受安康库区城镇淹没要求的影响较大。根据蜀河导流规划布置特点，整个工程采用两期基坑施工的方案。蜀河水电站在基坑旌工过程中有几个关键时段，一期右岸枯永草土围堰保护纵向导墙干地旌工，使用时间为4个月，其设计标准取4月份五年一遇的来水流量设计。一、二期基坑导流建筑物的级别均为4级，由于上下游土石围堰填筑和纵向导墙浇筑工作完成后，其运行时间需要跨越两个汛期，为了保证施工渡汛安全，所以取其设计标准为主汛期十年一遇洪水标准。下面分别对不同施工时段(4月份和主汛期)蜀河分期洪水情况及安康控泄能力分别进行分析。4．6．1四月份草土围堰施工的安康控泄方案分析以1974年全流域型洪水过程为典型洪水过程，按照洪峰放大的原理求得安康水库10月份和4月份的分期设计洪水过程。其中，分期设计洪峰通过1954年至1990年连续洪水资料加上1991年至2004年的14年不连续洪水资料进行排频求出，如表4．5所示。瑚|搴弧抛善；啪l|i蛳暑i善i 西安理工大学项士学位论文表4．5安康水库不同频率分期设计洪水成果表1974年拱水lO月分期洪水4月分期洪水过程P=20％P=IO％P；5％P=10％P=20％1830581．2：108825．1415377．105129321136501159胤1645．774752．14965舒42l551017卯．o】52484／142113S．437啪63562201975．51628045791281．74599771769202197．843120脚1425．993110979881加2鲴5．32136703021677397130493989202833．0544022肿11838．131429102892102925．164152．7611897册1476106294603004-5624265．4861949．40715161091957030∞．4994315删1972．0741534110394903014．094279．01319555的152110949=∞2963．2734206脚1922-61814951昕691402902只硌4121．1991啪．4651465105489402839肋4031．0191842．2511433103l88102798．118爱"Z40B1815舵1412101691∞2890"2244103．1631875．22214581049100∞3176．0745惦．972旧．68416031153126∞4∞1．8485681302259646220191453157004986．437079．0833235．2742516181019：啪6129．8158702．3123977．123l"93222521700胡92．0729瑚．4654471斛姗2502232∞7368．48210460．814780．786371826752姗再132．00410550．9948223伽26粥21700鹋92肿29784．4654471_68434782502197∞6256．858船眈．6714059鲫31572271178∞5653舢8D25．9673鲫．0172舒32052159∞5049．9517169．2623276．48725481舶B1舢4446．4986312．5582884．95722441614121003843．0455455．8542493．4271939139510=}∞32713524644．2392122删165111昭拍鲫2756．8293913．7黼17鹤．6741391100173802=}43．943327．621520．7艏11∞85163202∞7．276艄．6691302．”2101372955∞1746．839姗．934113337688163444701419．7032015j1921．125671651541301311．7171862椰豁1．嘶2466247637801200．5541704391778．”鲒606436 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制续表销1974年洪水10月分期洪水4月分期洪水过程P=20％P=10％P=5％P=10％P=20％39∞1238．6671758棚803．666762545040901299．0131844．169842819765547242lO1337．1251898276B67．54_7967548542501349．站1916312875．7906681490如上表所示，4月份安康五年一遇过程的分期设计洪峰为2698m3／s，十年一遇过程的分期设计洪峰为3750m3／s。由表2-4蜀河分期设计洪水成果及表2-3可知，蜀河坝址4月份五年一遇分期设计洪峰为2730m3／s，4月份五年一遇洪峰流量为1640m3／s，区间十年一遇洪峰流量为1800m3／s。因此按照最不利组合，即上游安康控泄后最大流量和区间洪峰在蜀河坝址遭遇的情形，必须保证在来水为五年一遇时，安康控泄流量不大于1090m3／s，来水为十年一遇时，安康控泄流量不大于930m3／s。因此，改变安康水库调洪规则如下：遇五年一遇洪水，当z≤329．5m且当Q女<1090m3／s时，0m=Q来；当Q来≥1090m3／s时，Q_=1090。当Z>329．5m时，Qat=15100m’／s／。遇十年一遇洪水，z≤329．5m时安康始终保持控泄Q懂=930m％，当Z>329．5m时，Q擅=15100m3／s。4月份已接近水库供水期末，但进入供水期，水库汛限水位不起限制作用，计算中假定水库起调水位可能分别取330以下一系列值，4月份五年一遇和十年一遇调度过程线(仅给出起调水位为325m的情况)分别如图4．8、4．9所示。结果表明当来水为五年一遇时，允许水库最高起调水位为328m，超过328m则不能保证防洪安全；当来水为十年一遇时，允许水库最高起调水位为325m，此水位以下均可保证防洪安全，否则不能保证防洪安全。起调水位与对应频率下水库最高超蓄水位如表4-6所示。3咖25∞廷2000占1500蠹l0005∞0⋯一下泄量一入库⋯水位／^／厂＼‘／＼‘／⋯⋯⋯一＼⋯⋯⋯⋯．‘／一＼‘，—r—r一一。一05101520253035们45图4-84月份五年一遇洪水调度过程线Fi94-8Theregulatinghydrographoffiveyearfrequencyflood=April嚣3323蠹霎326324时段 西安理工大学硕士学位论文40003500—3000考黜500羹：咖5005∞0⋯--下泄量一入库⋯水位／r、·／＼．／＼／＼一／一一；、一‘。，7—’—7一＼·’；，7’’’’’’’’’’’’’：二．；—Pr’’’’’’’’’’’’1‘‘-～⋯’’’．嚣3323黧霎326324O5lO152025∞箱，如45时段图4-94月份十年一遇洪水调度过程线Fi94--9TheregulatinghydrographoftenyearfrequencyfloodinApril表4．6不同起调水位时安康水库最高蓄水位五年一遇十年一遇起调水位(m)最大泄量最高库水位洪峰流量最大泄量最高库水位洪峰流量(M／s)(ms／s)(m)(mS／s)(m3／s)(m)3勰329．86>330327328．86>3303262锑l啪327．873750930蝎30325326．89329．88324325．93328．92为迎接下一场洪水库水位需要回落，根据表4-18所计算控泄logom"／s时安康水库消落时间可知，当基流从200m3／s到800m3／s不等时，水库消落至325m所需的时间为107．5到329．6小时，即4．48到13．73天。同理，由表2-3得到4月份区间二十年一遇洪峰流量为1957m3／s，而蜀河施工期4月份最大允许流量为2730m3／s，按照最不利组合，必须保证在来水为二十年一遇时，安康控泄流量不大于773m3／s。因此改变安康水库调洪规则如下：遇二十年一遇洪水，当Q来<773m3／s时，0疆=Q采；当0采>=773m3／s时，Qt=773，通过试算当起调水位低于321m时才能满足防洪安全要求，与之相对应最高库水位升至329．88m，否则超过330m，4月份二十年一遇调度过程线(仅给出起调水位321的情况)如图4-10所示。60005000瓣10000⋯⋯下泄量一一蜀河入库⋯-水位／／一、＼．7)k一，一／．／／7＼、．，，，，一一一，，。’、＼kZ一，一一051015202530354045图4-10四月份二十年一遇洪水调度过程线Fi94-10TheregulatinghydrographoftwentyyearfrequencyfloodinApril3353303趔325*320时段 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制降低安康水库起调水位至321m则必影响到电站发电量，它主要体现在水头损失和水量损失上。若仅按水量损失计算电量损失，与起调水位为325m比较，水量损失约为2．59亿一，采用耗水年估算大约损失电量0．45亿kW．h；与起调水位为330m比较，从正常蓄水位330至321水位之间库容约为6．03亿m3，通过水量估算大约损失发电量1．05亿kW．h，但此时这样估算不太合理，因为若从该正常蓄水位330m开始调洪，水库风险过大需要预泄，且不可能将此次洪水水量全用来发电，大多仍以弃水方式放掉。因此若仅考虑一场洪水过程的电量损失，通过估算，则大约损失电量0．63亿kW．h。4．6．2汛期7至9月份安康控泄由于上下游围堰和纵向导墙运行时间需要跨越两个主汛期，建筑物级别为4级，土石围堰设计标准取十年一遇洪水标准。期望通过安康控泄，使其在遇十年一遇甚至二十年一遇洪水时，都能确保汛期围堰和基坑安全。当安康水库遭遇十年一遇洪水时，为确保蜀河施工洪水不超过17000m3／s，安康水库下泄流量不得超过10800m3／s(由于安～蜀区间设计洪水流量为6200m3／s)。起调水位降至321m，安康调洪规则如下：(1)当Q来<10800m3／s且z≤328m时，Q曩=Q来；(2)当Q来≥10800m3]s且z≤328m时，Q拉=10800m3／s：当Z>328m时，Qt--17000m3／s；通过调洪演算该方案可以满足安康控泄10800m3／s以及防洪安全的要求，水库最高库水位升至327．59m，其调度过程线如图4．11所示。一·一下泄量一安康入库⋯-水位／＼么⋯．’＼k．、。。—√／7心■～～／1、—舯擀∞2口m；*搬3lt慨图4-11汛期十年一遇洪水调度过程线Fi94-11Theregulatinghydrographoftenyearfrequencyfloodinfloodseas姐当遇到五年一遇洪水时，起调水位为32Am。调度规则为乳当Q毫<10800m3／s且z≤328m时，Qt=Ql；b．当Q来≥10800m3／s且Z≤328m时，Qm=10800。Z>328m时Qn=17000m3／s。水库最高库水位升至327．03m，调度过程线如图4-12所示。47蝴舢啪腓。一．，‘．一_- 西安理工大学硕士学位论文20000—15000色10000一璃5000O⋯一。下泄量⋯一入库⋯’水位／7＼。1-·⋯·J、···，一一一／j≮7．厂／、之‰—帑_．，051015202530354045图4-12汛期五年一遇洪水调度过程线3373353333313329曩327325323时段Fig4_12Theregulatinghydrographoffiveyearfrequencyfloodinflood∞ason当水库遭遇二十年一遇洪水时，安康洪峰流量20722m3／s，此时火一蜀区间洪峰流量为7300m3／s，仍要确保蜀河施工段洪水不超过17000m％，按最不利情况组合，经过试算，为满足下游蜀河施工渡汛、安康水库上游襄渝铁路的安全及下游安康市防洪安全要求，起调水位需降至314．5m，采用的调洪规则如下：a．当Q采<9700m3／s且z≤328m时，Q矗=Q采，当Z>328m时，Qt=lT000m3／s；b．当Q束≥9700m3／s且Z≤328m时，Q*=9700m3／s；当Z>328m时，Q_：17000m％。25∞020000右15000■10000罄50∞0⋯⋯下泄量一入库⋯·水位／＼／，《＼／9—。—一，’，，＼＼．．．．／／■～—”051015202530354045图4-13汛期二十年—遇洪水调度过程线Fig4-13TheregulatinghydrographoftwentyyearfiⅨluencyfloodinflood∞oson此时，水库最高库水位升至328m。通过降低安康水库汛限水位来满足蜀河施工渡汛安全，势必影响到安康水电厂韵发电效益，带来较大的发电损失。考虑上游水库控泄的水利工程施工导流主要是针对下游枢纽在发生略高于不同施工期设计洪水标准的洪水时，采取的一种措施。例如对5年一遇的导流标准可考虑通过上游水库控泄，当发生10年甚至20年一遇洪水时正常导流。但这并不意味着无条件地控泄所有标准的洪水。在汛期对于二十年一遇以上洪水，由于安康水库的发电损失和防洪风险过大，所以不宜采用其进行调蓄，应按安康水库原调度规则操作运行以保证安康水库以及上游襄渝铁路的安全。48一I)掣*撮啪鹕粥m詈；哳|冀蚴m詈|卅m． 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制4．6-3安康控泄方案可行性分析在针对蜀河施工关键期制定临时控泄方案时，对安康入库洪水采取已知其洪水频率大小的方式，即在4月份，若安康水库来五年一遇洪水，为确保下游蜀河水利枢纽的施工安全，其下泄流量不应超过1090m3／s，来水为十年一遇时，安康控泄流量不大于930m3／g，汛期同理。然而现实中，水库未来时段的入库洪水大小一般是未知的、不确定的，所以本文针对安康控泄方案的可行性进行了以下研究。上游安康水库的调控实际上是一种基于预报的水库调度控泄方式。传统的水库调度方式是采用有线与无线相结合的方式，各个水雨情站的数据由人工观测、编报，在汛期只有少数测站设置短波电台，大部分是利用邮电部门的有线线路传递水情，雨量站多数还要步行到邮电所发报，电厂收到信息，需要2≈小时。通过整理这些信息，然后采用降雨径流相关法或合成流量法制作洪水预报、调洪方案，再启闭闸门。这种方式不但耽误时间，而且在汛期大洪水来临之际，当遇有恶劣天气，往往由于暴风骤雨吹断通信干线，使线路中断，信息的可靠性无法保障。完成一次水库调度过程需3巧小时。近几年来，随着水库现代化水雨情遥测系统的建立，计算机、卫星、微波等先进工具在水库防洪调动中的应用，预报精度、合格率有了很大提高，预见期得以延长，为挖掘水库潜力奠定了基础。水雨情自动测报系统就是应用遥感、通信和计算机等先进技术来实现水文数据的自动采集、传输、处理和预报的现代化信息系统，已成为洪水预报合调度的重要组成部分。现阶段，卫星通信、微波、遥感技术、网络、计算机等技术的迅速发展，使得及时采集、传输、处理和预报范围更加扩大，预报更加准确。经过多年的努力，我国已经研制出具有我国特色、比较完整的自报式系统系列设备和中心站数据处理软件。安康水库承担着重要的防洪任务，汉江上游洪水峰高量大，汇流速度快；同时，安康水电厂作为陕西电网的骨干电源之一，发电任务繁重，在系统中承担着调峰、调频任务。在保证大坝自身安全的前提下，既要满足水库下游安康市防洪渡汛的要求，还要照顾上游襄渝铁路防洪渡汛的需要，这就要求应用系统科学的方法，建立一套方便、实用、稳定的水库调度自动化系统。安康电厂水调自动化系统从1992年开始，采取统一规划，分步实施、循序渐进的原则，不断摸索，不断完善，经过十年的建设，逐步实现了水库调度的各个环节的自动化。主要分三个阶段实现：一期工程为野外遥测站点的改造；二期工程为中心站系统改造及功能完善；三期工程为闸门控制系统。安康水电厂的水情自动测报系统于1996年投入运行，共设有25个雨量、8个水位雨量、5个中继站共38个站点，是全国第一个列入基建项目的水情自动测报系统工程。系统采用超短波(150岫z)、应答式工作体制，三级中级超短波通信方式，中心站计算机前、后工作模式，联机洪水预报。安康水电厂子1997年和1999年分别对野外遥测站和中心站计算机系统进行了更新。改造后的系统充分结合了国外90年代最新Rtu遥测站、计算机硬件、软件产品、网络技术、实时工业控制产品与未来发展趋势，全新的分布开放式总线‘9 西安理工大学硕士学位论文型计算机控制系统结构，具有良好的可靠性、可扩充性、可移植性，支持异型机网络互联．安康水调自动化系统中心的SCADA具有系统集成性能高、各软件之间结合紧密的特点，克服了一些电厂水调自动化系统不同厂家开发的软件之间难以结合的缺点，是整个系统的关键。该系统具有以下功能：数据自动采集与处理功能、实时监视功能、雨情信息查询功能、数据管理功能、洪水预报功能、洪水调度功能、气象卫星云图功能、等等。安康水调自动化系统主体投运后，取得了良好的应用效果，数据测报传递及时准确。其功能、指标、系统管理等方面均已达到了《水电厂水情自动测报系统实用化要求及验收细则(试行)》的要求，为洪水预报、调度决策提供了第一手资料。其中，净雨、入库洪峰、峰现时间、最高洪水位的作业预报精度均在90％以上，各月数据畅通率均大于或等于95％，6至9月累计数据畅通率为98．9％，结果表明系统数据畅通率满足大于92％的实用化要求；水文预报可以预报未来8小时来水情况，合格率达到100％，满足大于90％的实用化要求，预报精度如表4．7示；其水文预报和调度方案分析计算系统反应速度也远少于lO分钟的实用化要求。总之，安康水库水雨情自动测报系统设备运行稳定，信息测报传递及时准确，可用于预报。由于安康水库水雨情自动测报系统16年来一直运行良好，洪水预报精确度较高，所以安康水库可以依据该系统对未来8一12小时入库洪水峰量进行预报，预测的准确性确保了安康控泄方案的可行性。表4_7安康水库洪水预报精度实测洪峰预报洪峰预见期预报精度序号洪号结论(叠h)(—‰)(天)(％)12∞1070429163038195．8水文预报合格率高于22∞10807523054"／51953实用化要求4．7安康水库蓄泄能力分析洪水调度过程一般按三部分考虑：洪水发生前到起涨段(包括起涨段)、洪峰段和退水段，风险调度主要涉及第一和第三阶段的水库运用问题。具体操作是在洪水发生前(预报洪水肯定发生)和起涨段，加大机组出力，预泄使水库水位消落到汛限水位以下，当洪水起涨且库水位回升至汛限水位时，水库开始蓄洪，按常规调度方法进行调度；在退水段拦蓄洪尾超汛限水位蓄水，并利用发电或开启泄流孔泄流确保在下次洪水来临前能使库水位消落至汛限水位。图4-14表示在一场洪水的退水段拦蓄洪水动态运用图，图中Q(f)为洪水过程线；鼋(f)为泄流孔的泄流过程线；Qa为机组满发流量，当机组满发时，由于水头对发电流量的影响比较小，为了简化分析且不失分析结果的可接受性，将发电流量视为一常数。to为决策 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制时刻，该时刻水库的蓄水量为Vo；t1为关闸时刻，对应的水库蓄水量为h；t2为关闸后水库所能蓄达的最高水位z2出现的时刻，该水位相应的水库蓄水量为V2；t3为水库关闸后一直以最大发电流量Q。泄水消落水库水位至汛限水位z_的时刻；△矸"为预计决策时刻到真正关闸时刻通过泄流孔和发电的总泄水量与此时段的入库洪量之差；△-晚为水库关闸后水库可能拦蓄的水量；△H§为本次洪水水库实际超蓄水量，大小即为超蓄水位与汛限水位之间的库容；zm为调洪最高水位；Z酣为拦蓄洪尾超蓄最高水位。OZZ■图4—14退水段拦蓄洪尾风险调度过程Fig．4-14TheriskregulatingoDu№ofimpoundedtailwateroffloodatrecessionsegment对于4-14图示水库运行方式可作如下的分析：假设退水过程Q∞可由退水规律给出，目@由水库调洪规则确定，水电站机组过水能力Q。由设计给定；面临时刻to的蓄水量娲可由蓄水位的观测值经库容曲线内插得到，允许回蓄的水位z2及相应库容圪由超蓄水位方案给出，因此可计算出下闸蓄水时刻和库水位能消落到汛限水位的时刻。计算原理：根据图4-14所示，在幻～^期间水库总的泄流量大于入库流量，水库可腾出库容△矾AWa—J：(鼋(f)+Q口一Q(t))at(4·4)tl～如期间水库的回蓄水量为厶彤：。J：2(Q(1>一Qt)at(4．5)由水量平衡关系可知％一△％+A％-％(4．6)即v0一J：(g(f)+Q。一Q(t))dt+J：：2(Q(f)一Q。)at-V2(4·7) 西安理工大学硕士学位论文vo+rQ(f)办一J：口(f渺一Q。(f2一te)_V2(4-8)式中除tl为待定值之外，其余均为已知量，求tl时可采用试算法。水库由时刻t2的蓄水位z2消落到防洪限制水位z_的水量平衡关系为V2一J：(Q_一Q(f))出-y限(4·9)即Vz—Qq(f，一t2)4-ft：Q(t)dt。‰“．10)给定退水过程Q(f)，可求出t3。安康水库在水位330m时，对应设计库容25．85亿m3(淤积后库容23．12亿m3)，设计防洪库容3．5亿m3；复核后现有防洪库容3．445亿m3，较原设计减小了0．055亿m3，安康水库防洪库容相当于20年一遇洪水三天洪量的二十分之一。因此对于中小型洪水，安康水库能起到较好的调蓄作用。一场洪水退水段超蓄运用的容许蓄洪量是根据歇洪间期的下泄能力确定的，消落时间可看作是歇洪间期，从而可由歇洪间期反推出可超蓄水位。4．7．1一般情况下安康水库超蓄后的泄流能力假定在退水段蓄水至最高水位后，入库流量分别以200至IOOOm3，s九个级别入库(每一级增幅IOOm3／s)，库水位消落到汛限水位有多种组合泄流方式。对安康水库超蓄水位、基流和泄洪方式的不同组合，进行蓄泄能力分析，得到了不同超蓄水位对应的消落时间计算表，分别见表4．8至4-19，计算时考虑了下游防洪安全的要求，控制最大泄量为17000m3／s。其中表4．8为电站机组满发时从不同超蓄水位消落到汛限水位所需时间的计算结果，最大消落时间为382．3h，最短消落时间为18．2h。表4-9～4-16列出了不同组合泄流方式水库水位消落时间。安康大坝的泄流能力较强，设有14孔泄洪闸门，分别为底孔(共4孔，代号P1)，中孔(P2，共5孔，若开3孔中孔，则记为P2(3)，余类推)，表孔(P3，共4孔，若开2孔表孔，则记为P3(2)，余依次类推)，其水位一泄量关系曲线见表2-7，水电站共装有五台发电机组，总装机容量852．5MW(4X200+52．5MW)。在汛期假定一般采用满发方式泄流，则将满发流量视为一常数，按12150m3／s计． 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制表4．8安康按满发(1250m3／s)泄流时不同超蓄水位的消落时间Tab．铷Thedrawdowntimeofdifferentover-impoundmentlevelsofAnkangreservoi，atwaterdischarge1250m3／s起始水位消落后水库容差基流消落时间起始水消落后库容差基流消落时(m)位(m)(m)t毋啕th)位(m)水位(m)(m)l母胁间∞330325掣140211∞2∞91．13253193749∞l∞2∞9933303253纠06S1∞30010n73253193凇95∞300109．7330325343929l∞枷112．53253193749088∞400122．6330325343钙16：B∞5∞127j3253193749633∞5∞1393303253441905∞6∞147．23一153193Z时孔i伽6∞1卯．43303笱344045300700173．9325319375042300700189j330325344190∞0800212_5325319374979100蝴231．53303253441∞9∞90027333253193750851∞900297．9330325344152咖1咖38乞33253193750533∞lO呻416．93293252249809∞3008帖3253184299141∞300125．83293252750971004009032531842粥町4004001加．6329325275126400500102325318429763600500159．3329325275165200600117．7325318429828600600183．8329325275l飘"3∞70013911325318429892700700217．23293252751575∞8∞169．9325318429913300咖265．4329325Z75205l∞900218．632531843∞∞1∞900341．53293252752172肿1咖305．83253184299436∞1咖477．932832520601040020054．632531748457S500200128332832520623560030060．4325317484636700300141．832832520626510040067．5325317484780000400158-532832520625600050076．5325317484833800500179．7328325206373900600踞．332531748481480060D20733283252063153007∞10433253174847432加700244．9328325206287100800127．43253174848476∞8加29933283252c163∞1400900163．93253174847阳2009003853283252c163715001000229．432531748哪33800lO∞53&9327325137：螂舢2∞36．43253165397612∞枷14293”32513714I}柏03004023253165397012∞3∞157．93273251374156∞伽453253165395伽400176A3273251，7加56∞50051325316539t路40∞5∞20032732513734姗60058．832531653蛄671∞鲫230．73273251374231∞70069j3253165395936007∞272．632732513741670080084．93253165396198∞8∞333．13”3251374136∞咖1∞．2325316539704湖900428．63273251374056∞1000152．8325316539724∞01000599．93263256841510020018．23253155945鹋800200157．4 续表4-8起始水位消落后水库容差基流消落时间起始水消落后库容差基流消落时(m)位(m)(m)(m3／s)∞位(m)水位(m)Cm)td嶙问∞326325684082∞30020．13253155944238∞3∞173．93263256855475040022．5325315594651300400194．432632568荔r7呦5∞2543253155944343005∞22033263256跖57310鲫29．43253155945533∞60025牝326325685135407∞34．7325315594642咖7∞300．4326325685463∞湖42A3253155945541∞鲫367326325685178帅螂54-5325315594619伽900472232632568硼加1咖76．2325315594614J啪1咖66n9325324635013102∞16．9325314642950锄2001砒325324636149∞30018．732531464：19901∞3∞1嬲．1325324636579踯40020．93253146430D68∞400210．232532463’吣6705∞23．7325314613025700500238．3325324636436506002733253146429戤I∞06∞274．932532463761150700323325314642958000700324．832532463醐48卯80039．4325314“3伽65∞8∞396-9325324637I堪6701000’09325314643c12570010∞714．73253231删洲2∞33．9325313691332，啪20018332532312757舢姗37．43253136912l伽300202．232532312A12舢40041．83253136913624∞4002263253231276117姗5∞47．43253136913471∞500256．232532312．惭30060054．7325313691或127006∞295．632S32312彻3∞70064．63253136912739∞7∞349．23253231278559∞8舯793一15313691296咖800426．73253231278413∞900101．6325313691350姗咖5493253231Z『867300100014互23253136914371∞10∞768．53253221916379∞2∞50．83253127397147∞2∞195．8325322191871∞030056．23253127397806∞3∞216．43253221918921∞40062．8325312739718咖400241．83253221919359005∞712325312739螂∞5∞27重13253221918669006∞82．1325312739623枷6∞316．2325322191髫仍∞7∞973253127397戳咖700373．7325322191＆舛8∞800118．53253127397491008∞456．6325322191950B∞900152．53253127397161∞900587．43253221919359001咖213．432531273975踟1000822．232532l2558952∞枷67．83笱3117880966∞2∞208．6325321255828∞0枷74．93253117880D49003∞230j325321255856100枷昭．732531178∞736∞400257．63253212559145005∞94．9325311787989卿5∞292 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制续表4-8起始水位消落后水库客差基流消落时间起始水消落后库容差基流消落时(m)位(m)(m)t霉目∞位(m)水位(m)(m)(m3／s)间∞32S3212559785006∞10953253117880581∞600336．932532125∞34瑚7∞129．43253117881∞7∞7∞398．1325321256∞58∞啪158．13253117882015008∞486．53253212560604009∞203．432531178踟6∞蝴625．93253212560945001咖284．73253117881699∞1咖8763253加3201524∞2∞84．83253108364786∞枷221．43253203加127∞0姗93．73253108365711∞300244．7325320320126200枷104．73253108364292∞400273．4325320320163100500118．73253108365812∞5∞3103253203200901∞600136．932531083649：’舢6∞357．63253203201919∞7∞161．8325310836419600700422．53253203加嘶咖8加197．7325310836491800咖516．332532032017000090025433253108365732009∞664．33253203201631001000355．93253108365812001000929．8表4-9满发流量(1250m3／s)+P3(1)泄流超蓄水位消落时间超蓄水消落后水库容差基流消落时间超蓄水位消落后水库容差基流消落时位(m)∞(mS／s)∞(m)位(m)∞I面嗡间∞330325螂152∞抛35．93283252058324∞7∞勰．7330325343∞9∞3∞37332832520633510080030333032534355610040038．832832520583190090031．933032534386510050040．5328325205896200100033．83303253438208006∞42332732513677760020015．83303253439388∞7004433273251369467∞30016．5330325，}40545∞啪46．53273251373875∞400173330325，姗15009∞48．932732513728舢5∞18．13303253441148001咖51．632732513732400060019329325Z『4牾68∞2∞29．63273251374065∞700203293252745215∞30030．83273251374lo=啪咖21．132932527527810040032．2327325137261鲫卿22．332932527514螂5∞33．632732513737舢l咖23．73293252．M咄∞6∞35．1326325681875202∞8．23293252748211∞70036．83263256螂34603∞8．63293252749919∞80038．7326325684976604009329325Z啊∞洲90040．8326325682343705009A3293252749韶7001咖43．1326325683632606009．93283252061靶枷200233263256815219070010．43283252057449003∞23．9326325681925108001l 西安理工大学硕士学位论文3283252061％5∞4002532632568382210咖11．7f3283252059324∞5∞26．132632568∞仃75010∞12．43283252062981∞鲫2740O0O表4-10满发流量(1250m3／s)+P3(3)泄流超蓄水位消落时间超蓄水位消落后水库容差基流消落时间超蓄水位消落后库容差基流消落时闻(m)位(m)∞哂}哂∞(m)水位(m)∞t击恸01)3303253430845∞2∞1633283252(硒碰134∞70011．83303253432522∞50017．23283252【I册8∞1咖12．5330325342971姗60017j327325137367枷瑚"33032534402050070017．93273251365932∞3∞7．63303253433660008∞18232732513_73741∞4007．83303253稻9471∞90018．63273251364374005007．9330325342918咖1咖18．93273251369737006008．1329325274l粥伽2∞13．63273251373933007∞83329325275023螂姗13．932732S1361998∞啪8．432932527410660040014．13273251363789009008．63293252746463005∞14．43273251364316∞10∞8．832932527500440060014．7326325673173∞2加3．932932527518910070015326325伽74703∞4329325275165咖咖15．3326325679356204004．13293252749737009∞15．6326325681422105004．23293252JM610啪1咖15．9326325甜2836506∞4．33勰3252059735002∞10．7326325683549407004．4328325205950咖3∞10．9326325683594308∞4．53283252n5795踟040011．1326325682899209004163283252晒52690050D113326325681542401咖4．73勰3252晒1195∞咖11．5O0O0表4-11满发流量(1250m％)+P3(5)泄流超蓄水位消落时间超蓄水位消落后水库容差基流消落时超蓄水消落后水库容差基流清落时问(m)位(m)∽‘d畸间∞位(m)(mb姻÷陶∞3303253431816∞20010．6328325204576湖7007．43303253426771∞3∞10．73船3252l蜥74008∞7．53303253421463∞40010．8328325烈)4703抛9007．63303253439909005∞113283252D46856001咖113303253433∞1∞鲫11．13273251363031∞2004．93303253425586∞7∞11．232732S13725020030053303253“0970∞80011-43273251356653004005330325343224咖9∞11．53273251365280005005．1330325342291咖1咖11．6327325137323000咖5．2 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制3293252748646002008．93273251356746007005．232932527476900030093”3251363629008005．33293252746047004009．13273笱1369966∞9005．43293252743744005∞923273251352{j64∞10005．43293252．r4097700600933263256741醯30枷2．6329325扔765瑚7∞9．43263256刚9380姗2．63凹32527337=16∞8∞953263256818=10柏400上7329325275209l∞9∞”326325672942105∞2．732932527468l鲫1咖9．8326325664064∞6∞2．73283252057∞7∞2007326325678950407∞2．83283252060708003007．1326325669803508002．8328325加38991∞4007．1326325683636509002．9328325204195l∞5∞7．2326325674188∞1咖2．9328325204416500鳓73O0O0表4-12满发流量(1250m3／s)+P3阱Pl(4趟流超蓄水位消落时间超蓄水消落后水库容差基流消落时超蓄水消落后水库容差基流消落时位㈤位(m)(mb(m3／s)间(h)位(m)(m’(m3／s)间伪)3303答3428407002007．13283252055707007004．83303253406595∞枷7．2328325204049000咖4．8330325螂281∞400723勰32520637：蝈∞9004．93303253加嬲B6∞5∞7．33嚣32521)48Z『枷1咖4．93303巧3420567006∞”3273251364093002003．23303253437347007007．432732513S3659003003．23303253414761008007_53273251343368004003，23303253430657009007．53”3251372822∞5003333032S34077080010∞7．6327325136拼7006003．33293252733∞7002加5193273251351375∞7003．33293252714765∞3005．93273251事10627008加3．33293252736852004006327325136艏伽9003．43293252718369∞5∞6327325135巧04001咖弘3293252739334006∞6．1326325679205102加1．73293252720549007006．1326325673664003001．73293252，『4叫面8∞咖6．2326325668213∞4001．73293笱272157700蛐6．2326325㈣∞蕊5∞1．732932527加591∞1咖633263256570：10206∞1．73283252050126002004．6326325651493107001．73283252035575003004．63263256847档∞8001．83283250061138004004．7326325678845409001．83283252046240005004．73263256729屺1010∞1．83283252031377006004．70O0 西安理工大学硕士学位论文表4-13满发流量(1250m％)+P3(5卜P1(啪P2(2)泄流超蓄水位消落时间Tab．4-13Thedrawdowntimeofover-impoundmentlevelatthewaterdischarge超蓄水消落后水位基流消落时超蓄水消落后水库容差基流消落时位(m)(m)库容差(m3)t矗嘲问∞位(m)∽(矗协间(h)3303253432106∞抛5．932832520212洲7∞3．7330325340933800姗5．93283252058281∞8∞3．83303253438895∞40063283252lM4078∞9003．83303253415731∞5∞63283笱2029爱咖1咖3．83303253392598∞伽6327325134044铷2舶2533032534，m776∞7006．13273251331524∞3∞”330325篓19718300啪6．13273251322扁!∞04002j3303253424|D0009∞623273251365676∞5∞2．5330325340042伽l咖配3273251356447∞鲫2．5329325273494l∞2∞4．83273251347212∞7002．63293巧27167=l咖3∞¨3273251337957008002．63293252_『50895∞4004．8327325132{；694∞9002．63293252．，3241)6∞5004．93273251369588∞l咖2．6329325271391400鲫4．932632564320130抛133293252746596∞7004．932632563眇19703∞1．33293巧Z功80400啪4．932632563465600400133293252708916∞咖53263256淌0105∞133293252740189001咖5326325疗丌7267060013328325抛7697002003．6326325诵嫡4n7∞13328325202414l∞3∞3．63263256鲳46210啪1．43283252062931∞4003．73263256638，7409001．43283252019036∞5∞3．73263256592474010∞1．4328325嬲201006003．7O0表4-14满发流量(1250m3／s)+P3(5)+P1(4)+P2(3)泄流超蓄水位消落时间Tab．4-14Thedrawdowntimeofover-impoundmentlevelatthewaterdischarge超蓄水消落后水库容差基流消落时超蓄水消落后水库容差基流消落时位(m)∞(m／s)间∞位(m)∽(m3／s)间OO3303253432910∞枷5．7328325202176∞07003．63303253409瑚姗3005．8328325205920锄8∞3．63303253439821∞4005．83丝3252044彤姗9∞3．63303253416358∞5005．9328325捌∞3拭mO1咖3．63303253393019∞铷5．93273251340钙卿2∞233303253421440007005．93273251332∞∞03∞2333032533976∞∞鲫63273251323∞8∞400243303253425嘴3009∞6327325136t商舢5002．433032534∞899∞10∞63273，1513571删6002．4 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制3293252735624002004．63273251347840007∞2．43293252717258∞3004．63273251338488008002．43293252751岱7∞4004．73”3251329135009002．432932S2733删}7∞5∞4．73”3251370511∞1咖2．43293252714406∞枷4．7326325“36彻2∞1．2329325讶铂乳蛳q711114．73263256393伽3001．232932527瑚《}4∞8∞4．832632563S043∞枷1．232932527093螂9∞4．8326325醴32：13∞5∞1．232932527410：13∞10∞4．8326325678595∞6∞1．23283252038308∞2003j3263256739："舢7001．232832520倒《}4003∞3．5326325669244208001．2328325201鹕口2∞40113．5326325664567∞9001．23283252049815∞5∞3．53263峦6598758010001．23勰3252035794006∞3．60O0表4-15满发流量(1250m3／s)+P3(5卜P1(4)+P2(4)泄流超蓄水位消落时间Tab．4-15The击awdowntimeofover-impoundmentlevelatthewaterdischarge1250m3／s+P3(5)+PlO)+P214)超蓄水位消落后水基流消落时超蓄水位消落后水基流消落时间(m)位(m)库容差(曲库容差(m3)(m3／s)间∞(m)位(m)(m3／s)(h)33032534五1940∞2∞5．73283252021760∞7003．633032534鹏嘲Ⅻ∞3∞5．83镐325205920啪8003．63303253439821004005．83勰3252044826加9003．6330325341635枷5∞5．83嚣325203n387∞10003．63303253393019006005．9327325l孓1099姗2002．33303253421440007005．932732513320010003002．33303253397660008∞6327325132300咖4002．4330325蝴08姗900632732513665451305002．4330325掣田∞99001咖63273251357192006002．43293252735624002004．63273251347＆舢7∞2．432932527172s8∞姗4．63273巧1338d88∞8002．43293252751857∞4004．7327325132913姗蝴2．4329325Z73姗7005∞4．73”3251370511∞1咖24329325271440600锄417326325“367锄2加1．2329325∞4’S猢7004．732632563936咖3∞1232932527瑚_4=坤∞8∞4．8326325635043∞4001_23293252709394009004．8326325683273∞5∞1．23293252741023001咖4．8326325618595褐6001-23283252038308∞2003．5326325673920∞7001．232832520凹634003∞3532632566924420啪1．23283252010972004003．5326325664567∞9001-232832520498】5005003．53263256598硝8010001．2 西安理工大学项士学位论文表4-16满发流量(1250m3／s)+P3∽P1(4)+P2(5)泄流超蓄水位消落时间Tab．4-16Thedrawdowntimeofover-impoundmentlevelatthewaterdischarge超蓄水泊落后水库容差基流消落时超蓄水消落后水库容差基流消落时位(m)∞心畸间∞位(m)∽‘蕾吣问∞330325掣13294∞O2∞5．73鹅32S202176∞O7∞3．6330325螂髓4∞3∞5．83镐3252059206∞8∞3．63303253439821∞4005．83勰3252044826009003．63303253416358005∞5．8328325203Ⅸ啦7∞1咖3．63303253393019∞6∞5．932732513∞95伽2∞2-33303253421440007∞5．93273笛1332舢03∞23330325339766000啪632732513为∞8∞400“3303253425明3∞9∞632732513酗645∞500203303253400899001000632732s1357192∞铷2．43293笱2735624002∞4．632732S1掣17lH∞07002．43293252717258∞3∞4．632732S133吕488呻啪24329325275185700400^132732S132913500咖2．43293252733瑚渤5∞4．732732s1370511∞10∞2．83293252714406006∞4．732632S643t|76202∞12,329325∞铂虢撇7∞4．732632563936咖30012329325Z陀翻3枷8∞4．8蜥32S635043804001．23293252：聊94009∞4．83263笛683273005∞1．2329325274102300l咖4．8326325678595806∞1．23283252038铷㈣2∞3．532632s67392咖7∞1．23283252∞4634∞3∞3．532632s6鹋口4伽跏1．232832520105疗2004003j326325664567∞螂1．23283252049815∞5∞3．5326325659875∞l咖1．232832520357舛l∞鲫3．5O0O4．7．2蜀河施工期安康水库控泄流量下的水库消落规律为了满足蜀河施工期不同阶段的控泄需求，需要计算不同控泄流量下安康水库蓄水位与消落时间的关系。根据上一章节中对蜀河施工期各关键时段安康控泄流量的分析，这里分别计算了汛期(7～9月份)安康控泄10800m3／s、五年～遇控泄1090m3／s、四月十年一遇控泄930m3／s时，安康水库库水位从330m消落到325m所需的消落时间。结果分别见下表4-17至4-19所示。60 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制表4-17安康控泄流量10800m3／s时水库蓄水位消落时间Tab．4-17Thedrawdowntimeofover-impoundmentlevelatthewaterdischargelOSOOm3／s蓄水位滑落后水库容差基流消落时问蓄水位消落后水库容差基流消落时问(m)位(m)∽(m3／s)(h)(m)位(m)∽心吣∞33032S3434掣12∞2舯9．13253212558952∞瑚6．7330325343982枷3∞9．23253212558280∞3∞6．83303253407040004009．23巧321255跖61∞4006．83303253411333∞5∞9．33253212559145∞5∞6．9330325341502咖6∞9．4325321255嘣∞6∞6．9733032534178l∞O7009j32532125印347007∞7．043303253419945∞咖9．6325321256035啪8∞7．113303253421471∞咖9．73253212560604009007．18330325342209湖1㈣9．83253212560伽0010∞7．263293252747474002∞7．33253203201524002008．393293252721609003∞7．33253203201Z彻3∞8．4732932527”120∞4007．4325320320126200伽8．553293252743912005007．53253203201631005008．633293252717327∞600"3253203200901006008．72329325272铆鲫7∞7．63253203201919∞7∞8．81329325嬲967008∞7173253203202068008加8．∞3293252．m305009∞7．83253∞32017舢9∞8．98329325275179咖10∞19325320320163l∞1咖9．0732832520f；0605∞2∞5．53253193749601002009．833283252041192003005．53253193748495003009．923283252059200004005．6325319374908800400103283252039409005005．632531937496330050010．13283252056356006005．7325319375076400湖1023283252036142∞7∞5．73253193750423007∞10．33283252051991∞8005．832531937497910080010．43283252031498009005．83253193750舒1∞90010．532832520462∞∞10∞5．93253193750533∞1咖10．63273251373738∞瑚3．73253184299141003∞11_43273251360788∞姗3．732531842999740040011．53273251347＆4∞O4003．73253184297636005∞11．63273251371972∞5∞3．832531842粥286006∞11．73273251358662∞6∞3．8325318429鹋口瑚70011．8327325134530{；007Do3．83253184299】33∞80011．9327325136800咖咖3．932531843000010090012．13273251354332∞9003．9325318429943600100012．232732513406170010003．932531848457550020012．7326325648710402001．832531748463670030012．8 西安理工大学硕士学位论文续表4-17蓄水位消落后水库容差基流消落时蓄水位消落后水库容差基流消落时间(m)位(m)∞(m3／s)间OO(呻位(m)㈤(m3／s)∞32632568∞94203001．9325317484780∞040012．9326325673920∞4001-93253174848338∞5∞13．1326325667445805∞1．932531748档148∞60013．232632566啁口嘲6∞1．93253174847432∞7∞133326325654474207001．93253174848476∞8∞13．53263256840舢栅232531748478螂90013．632632567716610咖23253174848338∞10∞13．73263256铷B0910l咖23笛31653976120020014．13笱324635013102∞1．663253165弱口012003∞14332532463614980瑚1．6832531653956260040014．432S324636579804001．7325316539634咖5∞14．6325324637蜥705∞1．73253165395671∞60014．732532463“36506001．732531653959360070014．832532463761l卯7001．7632531653961980080015325324636848∞咖1．77325316539加H3∞90015．132532463708670lO∞1．83253165397240∞10∞15．3掰3231嬲86∞2∞3．33253155945胡删2∞15．6325323127572咖枷3332531559彻咖3∞15．73253231276220∞4003．43253155946513∞40015．93253231276873005003．43253155944纠300’5∞1632532312嬲3006003．4325315594553300600162325323lZ—2咖7003．532531559464200070016』3253231278559∞8∞3-532s3155945541∞8∞16j3253231278413009∞3．63253155946194∞90016．73253231278673∞10∞3．63253155946143∞1咖16．93253221916379002∞53253146429508∞2∞16卫鲻3221918710∞3005．13253146429901∞3∞173253221918921∞4005．132531464300680040017．23253221919359∞5005工3253146430257005∞173325322191866900伽5．23253146429880∞6∞17j3253221918．丌5007005．3325314“拼800070017-73253221918翻∞0咖53325314矗帕0065008∞17．93253221919508∞9005．33253146430257∞10∞18．2325322191935900l咖5．4 4考虑安康控泄的蜀河施工期洪水控制表4-18安康控泄流量1090m3／s时水库蓄水位消落时间蓄水位渭落后水库容差基流消落时蓄水位消落后水库容差基流消落时(m)位(m)∞(m3／O间(h)(m)位(m)∽(m3／s)间(h)3303253441581∞枷107．53283252063693∞6001l7．1330325344143400300121．132832520雠7∞70014733032534401569040013&63283252062翻黝800197．6330325344105l枷5∞162．13273笱1374447∞200433303253441252∞6∞195．23273251373729∞3∞48．43303253441498∞700245．332732513739170040055—4330325344159，肿800329．63273251373917∞5∞64．8329325275Z们000200863273251374031006∞783293252750铷B0030096．832732S1374673007∞983293252752311∞400110．93273251374536∞啪131．7搿32527526娶啪50e12殳73263256856218020021．53293252751590∞600156．13263256854426030024．2329325275268400700196．23263256832320040027．6329325275220500800263．6326325683773柏50032332832520633790D瑚64．532632S6843699060038．93283252嘶2016∞3∞72．63263256852301070048．93283252061980∞40083．13263256851789080065．73勰3252062啷19∞5∞970O0表4-19安康控泄流量930mS／s时水库蓄水位消落时间蓄水位消落后水库容差基流消落时蓄水位消落后水库容差基流消落时(m)位(m)(nO【矗崎间(h)(呻位(m)(mb(m询问(h)3303253440644002舯131328325206327咖6∞173．83303253卅0799∞3∞151．83283252063359∞700249．33303253441793∞4001鲫．5328325206365400800440．63303253441498∞5∞222．4327325137436咖2∞52．43303253441172∞枷船9．832732513745Q50030060．7330325344176啪7004163273251374106∞40072．133032534419：1300啪734．83273251374198∞5∞88．93293252751814∞2舯104．83273251374331∞鲫115．83293252751278∞3∞121．43273251373917007∞166329325275138600400144．3327325137452000800293_53293252752282005∞177．93263256832384020026．13293252752225006∞231．832632568498430300303329325275215∞O7∞332．63263256851443040036329325275278800800587．73263256855514050044．4 西安理工大学硕士学位论文328325卸62985∞2∞78．63263256853837060057．8328325206175700300913263256848883070082．83283252062886∞400108．232632568538620鲫146．4328325铷伽6005∞133．4O0O从表4"17～4-19所示结果可以看出：在主汛期当安康控泄loSoom％时，按平均来流(基流200m3／s～1000m3／s)情况，对二十年一遇洪水，从水位325m消落到起调水位314m只需要16．8～18．2小时，参照第三章统计出的安康站实测歇洪间期分布情况(表3-7)可知，安康洪水歇洪间期均大于6天，所以主汛期在下场洪水到来前库水位可以消落到起调水位，可以考虑预泄蓄洪减小下泄，在不影响安康自身安全的前提下，降低蜀河施工导流风险。在四月份遇五年一遇洪水安康控泄W90m3／s时，按平均来流(基流200m3／s～SOOm％)情况，从水位330m消落到汛限水位325m需要107．5～329．6小时，约4．78～13．7天，当遇十年一遇洪水安康控泄930m3／s时，按平均来流(基流200m3／s～lOOOm3／s)情况，从水位330m消落到汛限水位325m需要44．3～70．4小时，约1．85～2．9天；一场洪水退水段运用的允许蓄洪量是根据歇洪问期的下泄能力确定的，消落时间可看作是歇洪间期，从而可由歇洪间期反推出可蓄水位。对施工期4月份，如果下一场洪水为五年一遇频率，歇洪间期如果大于2．9天，可保证蓄水位为330m；拦蓄洪尾是为了充分利用洪水，进行风险超蓄再将蓄水量用弃水的方式泄掉，既冒风险又不获利，显然不合理，所以将蓄水量全部满发是最理想的利用方式。 5考虑安康水库调控作用的蜀河水电站施工导流风险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，工程的风险应作为一个指标参与决策“¨“”。所以，如何确定施工导流工程的综合风险就显得十分重要。目前，施工导流工程中所存在的风险问题己经引起广泛的重视，并已将风险与导流标准的选择联系起来，以期达到经济和安全的统一。在风险计算的方法上，已从水力不确定性和其他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，那么一旦发生等于或大于渡汛标准洪水时，如何使施工期损失降到最小是管理者所关心的“”。本文在对水库防洪风险和施工导流风险研究的基础上，提出利用上游已建水库控泄减小下游施工导流风险的实旌方法和风险评估模型。即当河流上游已建成有调蓄能力的水库时，考虑通过水库调蓄控泄，使下泄流量满足下游枢纽不同施工期的要求，控制施工期的洪水风险，保证施工安全，或适当降低导流设计标准，减少临时建筑物施工费用。5．1风险(Risk)的概念风险的概念最早出现于西方经济学领域，发展至今仍没有一个统一的定义。通俗地说，风险是可能发生的失败和损失；严谨地说，风险是要完成某项工作的特定主体将要发生不利情况的概率；从可靠性角度出发，定义为生命或财产损失、损伤的可能性(或机率)；从管理的角度出发，定义为损失的可能性。归纳起来，完整的风险定义应至少包括以下三方面的内容：不利事件，发生不利情况的概率以及可能出现的后果。不利事件发生的概率也成为风险率。图5．1风险分析过程图Fig．5·1Theprocessfigureofriskanalysis风险分析包括四方面内容，即风险识别(RiskRecognition)、风险估计(RiskEstimation)、 西安理工大学硕士学位论文风险评价@iskA蹒essm％t)和风险决策aRiskDecision)，并按照上述次序周而复始进行，是一个动态过程。5．1．1风险因素分析在风险计算的方法上，由考虑到水力不确定性、其它主观不确定性的影响和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。对于暴雨补给的河流，旆工坝址处的洪水过程和洪峰流量取决于降雨的分布和雨量、降雨区的植被情况及暴雨区至坝址的距离等。而这些都是难以事先预料的、是随机的。对于融雪和暴雨共同补给的河流，又与气温、暴雨时间和空间位置有关，而这些因素同样是随机的。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f44|。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，这意味着在施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，后者主要表现在洪峰位置和洪量的不确定性上。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“水位一面积”和“水位罅容”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。5．1．2风险分析方法风险分析就是要通过分析计算给出某一风险发生的概率以及其后果的性质和程度的66 5考虑安康水库调控作用的蜀河水电站施工导流风险分析概率。风险分析方法很多，基本上都是先分析不确定性影响因子的概率分布，再采用适当的方法识别分布函数的参数，进而推求防洪风险事件的风险率。概括起来主要有以下几种：a．重现期法重现期法是水文和水利工作者最熟悉的方法“1。它仅考虑自然事件或降雨等的随机性，并通过其频率分析得出其统计特性。重现期耳定义为荷载二等于或大于特定抗力R的平均时间长度，若以年计，则L在任一年内等于或大于设计R的概率为：P(L苫m-lIT,(5．1)如果水文风险定义为任一年内工大于R的概率，则一年内不失事的概率为：P(L量R)-1—1／t(5．2)如果假定L的出现是独立的，且水文系统是不随时间变化的，则Ⅳ年内的风险为：尸弛>R)-I一(1—11r,)“(5．3)或近似为：P∞>R)=1一P帆(对于较大的露)(5．5)PcL>R)；Ⅳ／t(对于耳>堋(5．5)b．直接积分法直接积分法是计算风险的一种解析方法。在这种方法中，风险可以直接通过对荷载和抗力的概率密度函数进行解析和数值分析得到Ⅲ1。风险可表示为：P，2J=』fR,L(Y,1)aral(5．6)式中，厶。(，，z)是R和L的联合概率密度函数。当R和L统计独立时，式(5．6)也可表示为P|一蠹《f,(Of。(1)ardl伯_)或P，一蠹FR∞f。舭(5．8)式中B(f)是R在工处的概率分布函数。显然，如果要直接积分(5．7)式，应确切知道矗似．五∞或R和工的联合概率密度分布函数厶(，，z)。如果这些密度函数正确的描述了荷载和抗力，则用直接积分计算的风险是准确的。直接积分法理论概念明确，在研究随机变量因素个数较少尚可应用，但如果影响因素较多，就难以找出影响因素的联合概率密度函数或相关关系，即使能找到，也因为概率密度函数的复杂而难以求得分布的解析解或数值解。所以，直接积分法在实用时限制很多。c．统计参数解析法统计参数解析法的基本思路是，依据多元随机变量的有关理论，由影响防洪安全的各 西安理工大学硕士学位论文个风险变量的统计参数(均值、方差)来推求防洪安全指标(期望值、方差)。该方法对风险变量的表达形式没有任何要求，即无论以离散型的数据给出，还是以连续型的分布给出均可。因此，这种方法具有广阔的适用范围。由于客观情况和人们认识的局限，有时难以依据客观估计的方法给出风险变量的概率分布，但根据搜集到的信息，能够比较准确地估计各个风险变量的特征值(如最大值、最小值、最可能值)，并概化为一些简单的分布(如三角形分布、梯形分布、均匀分布等)，这种分布虽然不符合实际，但由它计算风险变量的统计参数还是具有一定精度的，根据影响因素的多少及变化特性，通常可用正态分布，分段正态分布、PHI型分布等来描述，依据计算出的期望值、方差以及通过确定的线型，即可求出某一评价指标与其实现的累积概率的关系曲线，进一步计算出风险．统计参数解析法的优点是不需要风险变量客观真实的分布，可以避免因分布的不真实而造成的误差传递，这种方法为有效地利用主观估计的数据创造了条件，反过来也为广泛地利用、推广这种方法奠定了可行的基础。d．结构可靠度方法结构可靠度方法包括一次二阶矩法(FOSM)、改进的一次二阶矩法(AFOSM)和Jc法n”141"1。JC法由FOSM和AFOSM发展而来，适用于随机变量为任意分布的情况，克服了FOSM和AFOSM只适用于正态分布的不足。一次二阶矩法(FOsM)是一种近似分析法，它是将功能函数用泰勒级数展开时，线性化点取在均值点，将其二次项和更高次项略去的一种分析方法。该方法只采用了两个统计矩，即随机变量的期望之和方差，这可从泰勒级数展开点计算得到。这种方法可以考虑影响系统风险的所有因素，并可得出系统的总风险。计算时对每个因素而言只要知道均值和标准差，无需知道概率分布，计算量适中，比Monte-Carlo法和直接积分法工作量少得多，这种方法计算简单，可以考虑各种不确定性因素是计算风险值的一种较好的方法。但它也有缺点：1．用这种方法计算风险值时，只有当各种随机变量都服从正态分布且相互独立时，计算出的风险值才是准确的；2．当功能函数的非线性程度比较高时，计算误差较大；3．当功能函数的表达式不同时，风险制的计算结果也会不同。AFOSM则针对FOSM这种缺点进行改进，将线性化点选在临界失事面，避免了FOSM的问题。FOSM和AFOSM法都假设随机变量相互独立且服从正态分布，而为了适用计算其它非正态分布随机变量导致的风险，拉格维茨．菲斯莱(Rackwitz-Hcsslcr)等人又在AFOSM法的基础上，加入了当量正态化公式，使其应用范围大大增加，这种方法被国际结构安全度联合委员会(JointCommitteeOnStructuralSafety，简称JCSS)所采用，故又被广泛称为JC法。Jc法虽解决了非正态分布问题，但仍只适用随机变量是相互独立的情况，因而也有一定限制。 5考虑安康水库调控作用的蜀河水电站施工导流风险分析5．1．3蒙特卡洛随机模拟法(MC法)a．蒙特卡罗模拟概述蒙特卡罗(Monte．CarloMethod)，又称随机抽样技巧法或统计试验法“”“”，是应用随机生成的办法模拟真实系统的功能和发展规律，从而达到揭示系统运行规律的目的。就数学特征而言，随机模拟方法可追溯到1777年法国学者蒲丰(B．ffon)随机投针实验求Ⅱ值的问题m’。1946年，为解决原子弹研制工作中，裂变物质的中子随机扩散问题，美国数学家冯诺伊曼(yonNenmann)和乌拉姆(Ulam)等提出蒙特卡罗模拟方法。由于当时工作是保密的，就给这种方法起了一个代号叫蒙特卡罗，即摩纳哥的一个赌城的名字。现在，蒙持卡罗已成为数字模拟试验的专用术语。由于此方法在中子的随机行为和飞机轰炸任务的效能研究中应用非常成功，所以被普遍传播，成为一个重要的运筹学技术。在工业中的首次应用是用于确定最大潜在生产力[ell[521Is3][s4lts$]。蒙持卡罗模拟的实质是利用服从某种分布的随机数来模拟现实系统中可能出现的随机现象。由于每次模拟试验只能描述所考察系统可能出现的一次情况，在进行了大量次数的模拟试验后，根据概率论中心极限定理和大数定理，即可得出有价值的统计结论。由于计算机的发展，蒙持卡罗模拟己成为一种实用有效的风险分析方法。假定函数Y满足：Y--／(X)；X=(xl，X2,X3,⋯，翮)(5．9)式中：x为服从某一概率分布的随机变量；．f∞为一未知或是非常复杂的函数式，用解析法不能求得y的概率分布(包括分布率及其它统计参数，如期望值、方差等)。所谓的Monte—Carlo法就是通过直接或间接抽样求出每一随机变量工，然后带入式(5．9)求出函数值y，这样反复的独立模拟计算多次，便得出函数y的一批数据H，配，玛，．．．，K。当独立模拟的次数相当多时，就可由此来确定函数y得概率特征，并可用样本均值：●ⅣF．三了×(5．10)月舟’近似作为函数y的期望值。样本标准差："膏$-寿善@一而2(5·11)作为矿的精度统计估计。上两式中，Ⅳ为模拟计算次数，即y的子样数；M为模拟计算所得函数y的第i个子样，i=I，2，3，⋯』n根据概率论的有关知识，如果某一风险变量z的期望u和方差o2(标准差)均存在，。．生!且O≠o口．贝Ⅱx就非风险变量)，蒙特卡罗模拟的误差为：。√N。．^．1．其中，_7岳一j。dt．1一詈，九为正态差；a为显著性水平；Ⅳ为样本数；。为标 西安理工大擘硕士擘位论丈准差。在实际运用中，通常用样本标准差s代替0．上式中误差￡只与标准差S和样本容量Ⅳ有关，而与样本元素所在空间无关，即蒙特卡罗方法收敛的速度和概率性与问题的维数无关，这对于解决多维数问题非常有意义。蒙特卡罗的模拟步骤如下：(1)确定输入变量(主要风险因素)及其概率分布(单因素风险估计结果)；(2)通过模拟试验，独立地随机抽取各输入变量的值，并使所抽取得随机数值符合既定的概率分布；(3)建立数学模型，按照研究目的编制程序计算各输出变量；(4)确定试验(模拟)次数以满足预定的精度要求，以逐渐积累的较大样本来模拟输出函数的概率分布。通过上述计算过程，虽然产生的是数值样本，即可以与其他的统计样本一样，进行数理统计。一般情况下，y的分布形式受起控制作用的基本变量的概率分布形式控制。蒙特卡罗模拟的优点[561[ST][SS]由于蒙特卡罗模拟是通过大量简单重复抽样来实现，受条件限制影响较小，所以方法简单灵活，易于实现和改进，不受状态函数是否非线性、随机变量是否非正态分布等条件限制，只要模拟次数足够多就可得到比较精确的统计特征值。且模拟估计的标准误差及收敛速度与所解决问题的维数具有较强的独立性，适用于多变量、多时间阶段的高维问题，并且模拟误差容易确定。蒙特卡罗模拟的局限性嘲’：(1)对一些复杂问题，要想达到较高的模拟精度需要进行较多的模拟次数，否则就可能产生较大的误差。(2)结果给出的是具有概率特征的置信区间，即得到统计层面上近似的结果(趋势)，而不是对于特定结果的精确的数据描述．在应用Monte．Carlo方法解决实际问题过程中大体上有如下几个内容：(1)对求解的问题建立简单而又易于实现的概率统计模型，使所有的解恰好是所建立模型的概率分布或数学期望。(2)根据概率统计模型的特点和计算实践的需要，尽量改进模型，以便减小方差和降低费用，提高计算效率。(3)建立对随机变量的抽样方法，其中包括建立产生伪随机数的方法和建立对所遇到的分布产生随机变量的抽样方法。(4)给出获得所求解的统计估计值及其方差或标准误差的方法。b．随机数的产生与检验利用蒙特卡罗模拟进行风险决策分析，首先需对各随机变量进行统计抽样，生成独立随机数可再生序列的能力是模拟的关键．产生随机数的方法有两类：(1)手工或物理方法产生随机数瑚¨刚 5考虑安康水库调控作用的蜀河水电站施工导流风险分析掷骰子，可用普通六面体骰子或正二十面体的骰子。抽签，是制作一批签牌，在签牌上分别标上某随机数，而标某随机数的签牌数则由该随机数的频数或频率决定，然后随机抽取。利用物理设备，如1947年RAND公司曾以随机脉冲源为信息源，用电子旋转轮产生随机数。随机数表，是将0到9这十个数字排列而成的表格，在表上，不论上下左右或斜向等任何方向出现的机会大致相等。1927年铁彼脱(L．W．Tippe0发表的41600随机数表可能是第一张随机数表，最著名，也可能是最后一个随机数表是RAND公司1955年提出的百万随机数表。用掷骰子或抽签所缛的随机数很有限，而用随机数表，除表的内容仍有限外，输入计算机将占用大量的内存。而物理方法设备费用昂贵，随机过程无法重现，其后都逐渐被数学方法淘汰。(2)用数学方法产生伪随机数。即用数学方法生成一递推公式，便于用电计算机处理。利用数学方法产生随机数具有占用内存小、产生速度快、容易重复、不受计算机条件限制等优点，因而被大量使用。因数学方法产生的随机数是根据确定的递推公式计算的，存在周期现象，不满足真正随机数的要求，这种随机数称为伪随机数。在实际应用中，只要伪随机数能通过一系列统计检验，即可作为“真正”的随机数应用。产生随机数的数学方法，常用的有同余法，反馈位移寄存器法(FSR法)，反馈位移寄存器法(VSR法)，平方取中法。其中，乘同余法和混合同余法能够产生周期长且统计性质优良的数值序列，因而应用也最广。BASIC、FORTRAN、C等高级程序设计语言典型地使用线性同余生成器生成随机数，如rand0函数等。如果产生的伪随机数通过各类检验，其差异均不显著，即接受其为均匀总体随机数的子样。需要指出的是，若所产生的伪随机数序列通过某种随机性检验，只是说它与随机数的性质和规律不矛盾，不能拒绝它，并不是说其已具有随机数的性质与规律。因此检验所产生的伪随机数序列时，所通过的检验越多，随机数序列就越靠得住。常用的随机数检验方法有：均匀性检验、独立性检验、组合规律检验、游程检验。其中，均匀性检验又称频率检验，意在检验伪随机数的经验频率与理论频率的差异是否显著。有卡方检验、K-SC柯尔莫洛夫．斯米尔诺夫_l检验，序列检验等。c．随机变量特定概率分布的抽样随机变量抽样基本原理由VonNeumann在1951年完成，1954年Kahu对其理论予以系统化扩充。此后，抽样的基本原理未有太大突破，主要是对一些分布类和重要分布设计更好的抽样方法m儿圳。在得到10，11上均匀分布的随机数序列之后，需给出随机模型中不同分布随机变量的抽样，才能进行蒙特卡罗模拟。常用的抽样方法有离散型随机变量抽样和连续随机变量抽样(直接抽样、变换抽样、舍选抽样、复合抽样、近似值抽样等)。逆变换法(反函数法)定理：设z是具有概率密度函数，及分布函数F的随机变量，y 西安理工大学硕士学位论文是由r--F(x)定义的随机变量，则y在【O，1】上服从均匀分布u(o，1)。即若随机交tR～U(0,1)，则F1(R)的分布函数为F(矽。故对产生的【O，1】上均匀分布的随机变量R作F1(R)即得服从分布F的随机变量。逆变换法适用于存在反函数的连续分布函数，属于直接抽样法，可用来产生任意离散分布。但分布随机数的逆变换法不适用于每种概率分布，特别在封闭式数学解不存在的时候(如正态分布)。以上讨论的是如何产生(O，1)的随机数。为了判别所得随机数的优劣，一般还应对伪随机数进行统计检验，主要是检验其均匀性和独立性，参见文献1921。d．拉丁超立方法与对偶变数相结合的抽样方法在介绍拉丁法(LHS)之前，首先介绍分层抽样得相关概念[621[e3]。我们考虑一维的单个变量输入问题：y亏触)，工是一个随机变量。分层抽样通过如下步骤来进行：(1)定义参与计算机运行的抽样数目Ⅳ；(2)将石等概率等分为若干个区域：和qla2《白<⋯％c‰+1<⋯《珥；使得盹q％+沪吉；(3)样本依次落入哪一区域中取决于该分区的概率密度函数。样本‰使得‰一1a。<而+1，且概率为j弘；Xu0，可将上式变为厶O)-限，如O／吼)如(锄)由一(5·23)．o我国一般采用P-Ⅲ型分布描述入库洪峰以及未受控区间的洪水的概率密度分函数，它的概率密度函数为：，-怎‰叫¨e呻一(5．24)舯m虿_(1-2争，a-专，卢-磊2，玩为最大洪峰流量系列的均值’Cv为变差系数，G为偏态系数。而下泄洪水z经上游水库调节后不再具有天然洪水的特性，需要单独进行分析‘7“·所以如(钆)、，r()，)采用P-m_型。厶伽O／吼)可以假定服从正态分布，梳‰)-赤；卅丢t≯2】∞卫功式中：；为某一必下x的均值；吒为某一幽下石的条件方差，它们都是幽的函数。x的确定是通过线性回归计算，检验；与幽的相关系数，建立；与Q4的相关关系，由；．一x(Q．)计算得到‘93】。吒同样通过回归计算确定⋯1，由给定某一洪峰流量幽计算得到———夺-咿酾(5．26)由屯(吼)和厶，跏O／吼)按(5—23)可以确定厶@)，再由厶O)、，r(y)按式(5·20)求得厶G)，所以可得下游施工导流风险率为：n№如卜妒惮。缈缸功聃舭(5．27)缸细”fS27"-lllk缸一确fx‰(x／qOlQ。ql№^触矗■。0式(5．27)难以得到解析解，只能寻求数值方法或简化近似(离散叠加法)方法求解。 西安理工大学硕士学位论文5．3．4数值求解方法本文具体应用蒙特卡罗方法(Monte-Carlo)法，简称MC法求解式(5．27)。MC法作为一种仿真方法，它的基本思想前文已讲述，即根据各随机变量的概率模型，进行抽样试验，并用试验结果作为原始问题的近似解。根据上述基本思想，本文求解的问题的随机变量有如(吼)、厶协G／劬)和，y()，)，它们概率分布模型见表5．1。表5．1随机变量的概率密度分布函数随机变量分布函数入库洪峰流量．乞乜)，·怎峨卅4c讹嘲6t屯t。厶伽0／qA)“㈨)-士卅詈t≯2】区问洪峰流量矗()，)㈨‘去叶丢印2】5．3．5计算结果分析根据安康1954～1991年实测洪水过程资料，利用逐年Q-和通过调洪演算所得的z的相关关系，求到x的表达式；．_(Q。)，q是工的函数，按式(5．26)对其进行计算。通过传统MC法和将拉丁超立方与对偶变数抽样法相结合的改进MC法分别进行编程计算，得出四月和主汛期的施工导流风险值R，成果见表5-2。表5-2蜀河施工导流风险计算结果Tab．5_2ThccalculationresultsofconsLructiondiversionriskatShuheRiver枯水围堰(四月)纵向导墙、上下游土石围堰(主汛期)设计标准20％10％5％10％5％MC(I删偶)0．∞2120．01841O．020．01350．0212RMCO．∞2780．01950．02160．01372O．0245l从表中可以看出，蜀河水电站施工导流风险的大小与安康水库的运行状况密切相关。当安康水库在枯水期(4月)对入库洪水进行控泄后，针对不同设计标准计算得到的蜀河施工导流风险率降均不超过2％(用传统MC法计算最大不超过2．16％)，比设计导流标准(20％)减少了十倍以上；在主汛期对安康水库入库洪水进行控泄后，蜀河水电站坝址处不同设计标准下的施工导流风险计算结果也纷纷降低到1．35％和2．12％，比设计导流标 5考虑安康水库调控作用的蜀河水电站施工导流风险分析准分别减少了--NJK倍，大大提高了蜀河水电站在施工期的安全度，达到了对安康水库实施控泄的预期目的。所以，安康控泄方案是切实可行的。此外，通过本文实例运用可以得出，超立方拉丁抽样变偶对数抽样法与传统蒙特卡罗随机模拟法相比，可在计算结果相差不大(--者误差在1％以下)，但抽样次数大大减少(MC抽样十万次)，所以利用该方法计算施工导流风险率是可行、有效的，满足工程应用要求。 西安理工大学硕士学位论文6结论与建议6．1结论施工导流设计是水利水电工程枢纽总体设计的重要组成部分，是选定枢纽布置、枢纽建筑物型式、施工程序及施工总进度的主要因素之一，是枢纽工程施工组织设计的中心环节，也是编制施工总进度计划的主要依据。若拟建的水利工程上游具有一定调节能力的水库，施工导流设计充分考虑上游水库的调节作用，通过对上游运行水库的动态控制，可以有效地降低工程施工导、截流的流量，从而减小了导、截流的难度，极大地节省工程投资。梯级水利水电工程，旆工导流的水文条件多直接受上游运行水库的控制，其水文特性不同于天然情况，旌工导流设计标准和流量除受天然河道来水量控制外，还要受很多客观条件因素制约，诸如：上游运行电站水库调节能力、控制泄流方式等，所考虑的因素、涉及的问题更加复杂。在这种情况下，本文将安康水库的调度运行与蜀河水电站工程施工的实际情况紧密结合，通过对安康水库入库洪水规律、蜀河施工导流标准及其风险的研究，得出以下结论：(1)采用黄金分割法划分洪水特征指标量级，运用概率统计对安康水库入库资料的洪水特性进行概率分析，并通过复杂性理论分析安康站洪峰流量序列的复杂性，提取出安康水库洪水变化的复杂性特征，为蜀河水电站施工导流量控制提供了理论依据。复杂性理论具有计算方便，对时间序列长度等条件的要求相对较低等优点，因而具有实用价值。(2)安康水库经过16年运行，受库容淤积等因素影响，水库特征指标发生一定程度改变，需对水库防洪、蓄泄能力等进行复核。通过调洪演算，结果显示各频率对应库水位和下泄流量略有减小，但并不影响安康水库的防洪、蓄泄能力。结合安康水库的多年洪水资料和现有运行方式，针对蜀河施工期不同时段的导流标准拟定起调水位方案，提出安康水库的控泄方式的调度规则，以降低蜀河水电站施工难度。(3)一场洪水退水段超蓄运用的容许蓄洪量是根据歇洪间期的下泄能力确定的，消落时间可看作是歇洪间期，从而可由歇洪问期反推出可超蓄水位。通过对安康水库超蓄水位、基流和泄流方式的不同组合，进行蓄泄能力分析，得到不同蓄水位的消落时间，再推求出蜀河施工关键期安康水库可蓄水位．(5)水库下游洪峰流量概率分布的确定是防洪设计中的重要内容，对于水库下游建筑物的防洪风险和规划设计防洪工程具有重要意义．由于安康水库对洪水具有调节作用，改变了下游天然洪水的时程分配及峰、量值，从而改变了下游蜀河水电站堰前洪水的概率分布。本文针对安康、安～蜀区间洪水的实际特点，采用概率组合法估算了蜀河水电站堰前设计洪水。(4)与其他施工导流风险率模型对比，蒙特卡罗随机模拟法(Mc)具有受条件限制∞ 6结论与建议影响小、易于实现和改进的优点，本文选用蒙特卡罗法计算蜀河施工导流风险。为了克服传统蒙特卡罗法抽样次数要求较高的缺点，本文做了如下改进：采用拉丁超立方抽样与对偶变数相结合的抽样方法进行抽样，加速方差收敛。改进的模型抽样次数大大减少，并更加精确的反映了输入概率函数中的值的分布，理论上计算结果更加合理。施工导流过程中不确定性因素众多，本文由于资料短缺仅考虑水文不确定性，在此基础上，采用改进的蒙特卡洛随机模拟法对安康控泄下的蜀河旌工导流风险进行计算。结果表明，蜀河水电站施工导流风险与安康水库的运行状况密切相关。通过安康控泄降低蜀河施工导流风险方法是有效的、可行的。6．2建议(1)在对安康水库洪水规律分析时，由于收集到的洪水资料有限，洪水序列较短，经分析统计得出的峰峰间期、歇洪间期等洪水特征可能会存在一些误差，建议今后应继续收集汉江流域洪水资料，使统计结果更加客观、合理。(2)施工导流风险分析计算历来为水利工程界所关注，由于施工导流中存在着许多不确定因素，如水文的不确定性、水力的不确定性、数据的不确定性和计算中的不确定性等，所以其风险计算起来相当复杂。本文仅考虑水文不确定性，建议在计算风险时将其他因素也考虑进去。(3)本文在进行风险分析时仅采用蒙特卡罗法，建议与其他风险分析方法如Jc法、基于熵权的多目标决策、安全系数法、一次二阶矩法和改进的一次二阶矩法等方法进行比较，说明本研究提出的方法的优缺点，以进一步对其进行完善。 西安理工大学硕士学位论文致谢本论文是在我的恩师黄强教授和王义民副教授的精心指导下完成的。两位恩师深厚的学术造诣，严谨的治学态度，忘我的工作热情和仁德谦和的为人品格使我受益匪浅，永远是我学习的楷模。在此，向恩师三年来的亲切关怀和教诲表示最诚挚的感谢和最崇高的敬意!在论文的选题和完成过程中，得到了西安理工大学沈冰教授、解建仓教授、费良军教授、畅建霞副教授、秦毅副教授、罗纨教授、薛小杰副教授、贾忠华副教授、中北大学佟春生教授等的大力支持，他们无私的帮助令我没齿难忘，在此，向他们表示衷心的感谢l非常感谢我的同窗挚友刘招、席秋义、张洪波、刘涵、燕爱玲、吴新、张双虎、吴洪寿、原文林、黄灵芝、张雯怡、李子婷、杨菊香、杨文娟、吕玉洁、雷艳、张永永、于兴杰等在本人硕士学习期间给予的热忱支持和帮助!感谢大家陪我度过这三年的求学时光。非常感谢西安理工大学研究生部、水利水电学院、水资源研究所等各级领导和同事们三年来对我工作、学习的关心和帮助!非常感谢评阅老师在百忙之中对我的论文提出批评指正!非常感谢我的家人对我学业的理解和大力支持，他们的支持、帮助、关心和无私的奉献是我学习的根本动力和源泉l感谢所有关心、支持、帮助我的朋友们l蔺蕾蕾2007年3月于西安理工大学水资源研究所 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