基于蒙特卡洛隨機(jī)模擬法的水庫防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析

基于蒙特卡洛隨機(jī)模擬法的水庫防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析

0萬家充水水質(zhì)一般要在高影響洪水運(yùn)行,影響了補(bǔ)短板影響社會(huì)運(yùn)行由于防洪水位的限制，中國(guó)北方大部分水庫經(jīng)常發(fā)生大量的洪水，洪水后無法儲(chǔ)存。分期控制汛限水位已在部分水庫得到應(yīng)用,能明顯提高水庫的發(fā)電、供水、灌溉等效益。萬家寨水利樞紐屬一等大(I)型工程,樞紐永久建筑物為I級(jí)水工建筑物。攔河壩正常運(yùn)用(設(shè)計(jì))洪水標(biāo)準(zhǔn)洪水重現(xiàn)期為1000年,非常運(yùn)用(校核)洪水標(biāo)準(zhǔn)洪水重現(xiàn)期為10000年。水庫最高蓄水位980.0m,正常蓄水位977.0m。萬家寨水庫自1998年10月下閘蓄水以來,汛期入庫水量一直偏枯,汛后難以實(shí)現(xiàn)蓄滿的目標(biāo),嚴(yán)重制約了萬家寨電站的非汛期發(fā)電運(yùn)行和下游補(bǔ)水需求。如何在滿足水庫風(fēng)險(xiǎn)要求的前提下,利用汛期來水提高萬家寨水庫的蓄滿率是一個(gè)亟待解決的問題。1最大洪峰流量以20世紀(jì)90年代后萬家寨河段汛期水量一直偏枯,汛期平均徑流量?jī)H為50年代、60年代的50%,最大洪峰流量只有50年代、60年代的25%左右,其年際變化見表1和圖1、圖2。2流域徑流劃分萬家寨壩址年徑流由兩部分組成:第一部分為河口鎮(zhèn)以上流域徑流,第二部分為河口鎮(zhèn)至萬家寨壩址的區(qū)間徑流。這兩種洪水均由降雨形成,但洪水特性有很大差異。2.1月內(nèi)流量及季節(jié)性分配比例據(jù)頭道拐水文站1958年～2005年共47年的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì),多年平均徑流212.40×108m3,最大年徑流量437.24×108m3(1967年),最小年徑流量101.79×108m3(1997年)。年徑流主要集中在汛期7～10月,占全年徑流的49.9%,實(shí)測(cè)各月平均流量年內(nèi)分配比例見表2。從圖3可以看出,頭道拐水文站日最大流量曲線在8月和9月份分別達(dá)到峰值,9月的峰值明顯高于8月(1967年和1981年的洪水),且流量過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。這與表2的趨勢(shì)基本一致。2.2河萬區(qū)間洪水特征統(tǒng)計(jì)放牛溝水文站1955年至2001年共46年的月最大流量和河口鎮(zhèn)至萬家寨壩址區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱河萬區(qū)間)逐月平均流量的數(shù)據(jù),可得:河萬區(qū)間的年平均流量?jī)H為9.68m3/s,多年平均徑流為3.06×108m3,但該區(qū)間易發(fā)生局部暴雨洪水。局部暴雨洪水匯流時(shí)間很短,在暴雨中心偏區(qū)間上游時(shí)其預(yù)見期不超過5h,而暴雨中心在楊家川時(shí)預(yù)見期僅為1h。放牛溝的日最大流量見圖4。從圖4和表3可看出,河萬區(qū)間的短時(shí)間洪水主要發(fā)生在7月中旬～8月中旬的時(shí)間段內(nèi),且洪水過程呈高瘦型,最大流量可達(dá)5830m3/s。由于萬家寨上游的支流較短,流域坡度大,匯流快,使得洪水預(yù)測(cè)和水庫預(yù)泄無法實(shí)現(xiàn)。2.3洪水特征選取河口鎮(zhèn)以上黃河干流洪水和河萬區(qū)間的區(qū)域性洪水同時(shí)出現(xiàn)是萬家寨水利樞紐的最不利防洪情況。結(jié)合圖4.6和圖4.7,萬家寨水庫7月至8月中旬是干流洪水和區(qū)間洪水最可能同時(shí)發(fā)生的時(shí)間段,風(fēng)險(xiǎn)最大。綜合考慮萬家寨水庫控制流域洪水特性,將7月1日～8月20日定為主汛期,將模糊統(tǒng)計(jì)分析得出的8月21日～8月31日定為防洪過渡期,9月1日～10月15日為后汛期。河口鎮(zhèn)以上洪水按內(nèi)蒙古河段過流能力6000m3/s考慮,多余水量在左岸堤外滯洪。后汛期設(shè)計(jì)洪水、校核洪水洪峰流量分別為8270m3/s和10300m3/s。3風(fēng)險(xiǎn)效益計(jì)算3.1分析目標(biāo)函數(shù)蒙特卡羅(Mento—Carlo)又稱統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法或隨機(jī)模擬法。該法是一種通過對(duì)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)和隨機(jī)模擬,求解數(shù)學(xué)和工程技術(shù)問題近似解的數(shù)學(xué)方法,其特點(diǎn)是用數(shù)學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)際概率過程,然后加以統(tǒng)計(jì)處理,是防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析的有效方法之一,設(shè)防洪風(fēng)險(xiǎn)分析目標(biāo)與主要風(fēng)險(xiǎn)因素之間的函數(shù)關(guān)系為:Y=f(X1,X2,…,Xn)(1)式中:變量X1,X2,…,Xn為概率分布已知的不確定因素。蒙特卡洛隨機(jī)模擬利用一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過直接或間接抽樣取出每一組隨機(jī)變量(X1,X2,…,Xn)的值(x1i,x2i,…,xni),然后按y對(duì)于X1,X2,…,Xn的關(guān)系式確定函數(shù)Y的值yi:yi=f(x1i,x2i,…,xni)(2)反復(fù)獨(dú)立抽樣(模擬)多次(i=1,2,…,n),便可得到函數(shù)Y的一批抽樣數(shù)據(jù)y1,y2,…,yn,當(dāng)模擬次數(shù)足夠多時(shí),便可給出與實(shí)際情況相近函數(shù)Y的概率分布及其數(shù)字特征,即完成了防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)。3.2水文預(yù)報(bào)精度從水庫規(guī)模、預(yù)報(bào)水平、氣候條件等方面考慮,且對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,可得:以陸渾水庫的水文預(yù)報(bào)精度來近似代替萬家寨水庫的水文預(yù)報(bào)精度是基本可行的。水庫調(diào)度過程中調(diào)度時(shí)滯的概率分布采用三角形分布進(jìn)行隨機(jī)模擬。千年和萬年一遇洪水的隨機(jī)模擬:萬家寨水庫設(shè)計(jì)洪水典型年為1967年、1978年和1979年。采用頭道拐水文站1958～2001年共44年的實(shí)測(cè)洪水過程,從中選取洪峰過程典型以及歷時(shí)不小于5天的17次后汛期洪水,各洪水過程均歷時(shí)15天,對(duì)17次洪水過程進(jìn)行離散化和重組處理。3.3洪水風(fēng)險(xiǎn)分析根據(jù)萬家寨水庫的實(shí)際情況及所收集資料,對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行以下規(guī)定:(1)在原設(shè)計(jì)汛期限制水位966.0m的基礎(chǔ)上,初擬汛限水位為973.0m,974.0m。(2)對(duì)千年和萬年一遇洪水進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化分析。其中千年一遇洪水控制水位為974.99m,萬年一遇為979.1m。(3)對(duì)應(yīng)不同頻率洪水的下游安全泄量及加泄流量的選取如表4所示。水庫水位超過控制水位,為保證壩體安全水庫按加泄流量進(jìn)行下泄,直到水位降到控制水位以下。按加泄流量泄洪,即認(rèn)為水庫下游防洪安全不能得到保障。3.4洪水高效計(jì)算由于篇幅有限,以下只列出部分計(jì)算結(jié)果,見表5和表6。根據(jù)加泄概率,統(tǒng)計(jì)得出不同頻率洪水,不同汛限水位對(duì)應(yīng)的下游最低防洪標(biāo)準(zhǔn),見表7。可以根據(jù)下游可承受最大泄量,根據(jù)表7統(tǒng)計(jì)結(jié)果選取汛限水位。3.5防洪調(diào)度計(jì)算高汛期限制水位可以增加水庫發(fā)電、供水、灌溉等效益。根據(jù)萬家寨水庫2004和2005的實(shí)際運(yùn)行資料,分別按不同汛限水位進(jìn)行防洪調(diào)度計(jì)算后汛期45d的發(fā)電量和增蓄水量,相對(duì)原方案(966.0m)所增發(fā)電量和增蓄水量如表8所示。從以上計(jì)算結(jié)果可看出,提高汛限水位不僅能增蓄大量水資源,大大提高汛后蓄滿率,且能增加可觀的發(fā)電量,后汛期45天直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)150萬元左右。所增蓄的水量在汛后和次年還可以進(jìn)一步發(fā)揮其巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。4期前預(yù)測(cè)模型建立我國(guó)現(xiàn)有大中型水庫數(shù)量眾多,按分期汛限水位進(jìn)行防洪調(diào)度的水庫寥寥無幾,因此水資源的高效利用還存在很大的空間。本文根據(jù)萬家寨水庫水文信息,從目標(biāo)洪水的成因進(jìn)行分析并確定汛期分期方案,在此基礎(chǔ)上利