水库（群）防洪安全风险率模型和防洪标准研究

论文摘要

水库是减少洪水灾害的主要工程措施,对其实施风险管理是新时期防洪减灾战略理念的重要体现。水库(群)防洪安全风险分析客观上可以为规划设计方案的比较选择和调度规则的确定提供定量的、一致的概率标准,且能为判断大坝是否安全提供依据,对其研究符合当前技术需求,无论在理论上,还是实践上都具有重要意义。本文以水库和梯级水库为研究对象,以风险率评估方法为主线,分别对单一水库自身防洪安全,下游防护区的防洪安全和梯级水库系统的防洪安全,以及梯级水库防洪标准的确定与系统安全协调,大坝防洪安全风险标准的确定等问题进行了研究,主要成果概括如下:(1)分析了水库防洪安全设计和常规防洪调度运行中存在的风险源,明确了水库防洪安全的主要风险因子集,即荷载因子(入库洪水和风浪),初始条件因子(起调水位),边界条件因子(水位库容关系和水位面积关系)和承载能力因子(泄洪建筑物的泄流能力,坝顶高程或防浪墙顶高程);给出了上述各风险因子的概率分布型式和参数确定方法。(2)在设计泄流能力可靠度定义的基础上,建立了水库泄洪建筑物设计泄流能力可靠度(或风险率)计算的优化模型,并提出与此相适应的PSO优化求解算法。该模型不直接假定泄流能力变量的分布型式和分布参数,而通过分析影响泄流能力最基本风险单元的组合作用来计算风险,避免了主观假定设计泄流能力分布的任意性;同时,可避免常规方法在求解复杂非线性极限状态方程时所要求的偏导运算,计算上比较简单且提高了计算精度。(3)研究分析了水库调洪演算的风险传递机理,采用随机模拟调洪和最大熵分布相结合的方法,结合实例论证了水库坝前最高水位的分布型式,认为对任何水库主观假设某一频率设计洪水下水库坝前最高水位均服从正态分布欠妥当,应当具体水库具体分析,建议采用最大熵分布作为水库坝前最高水位的分布型式来计算风险。(4)建立了洪水与风浪联合作用的漫坝风险计算模型,该模型与常规漫坝风险模型有两处不同:①利用最大熵分布是最小有偏概率分布的优点,以最大熵分布代替坝前最高水位假设的分布型式;②变换了概率组合公式,补充考虑了洪水过程模式对漫坝风险的影响。所建模型考虑因素更为全面和合理,从而提高了漫坝风险计算精度。(5)根据问题的相似性,抽象化洪水地区组成方案拟定问题为结构可靠度理论中的极限状态问题:JC法提供的设计验算点对应于组成方案,风险率对应于发生的可能性,由此来获得最或然洪水地区组成方案,克服了最或然组成方案拟定的困难。提出在推求设计洪水时,建议考虑最或然洪水组成方案,按照“多种方法,综合比较,合理选用”的做法来推求设计洪水,以进一步保证设计工程的安全。(6)利用JC法和结构可靠度理论在求解可靠度(或风险率)方面的优势,建立了下游控制断面组合洪水修正频率的计算模型,洪灾风险率由修正频率曲线内插求出。该模型和求解方法能较好地处理地区洪水的相关性问题,计算也相对简便。(7)分析了梯级水库防洪安全风险率评估方法,定义并给出了梯级水库系统失事风险率与各水库风险率之间的关系公式;提出了从规划设计到运行管理的各个环节协调和提升梯级水库防洪标准的方法和措施。(8)引入了“风险是情感”理论和新经济学中的“前景理论”,解释了人们对大坝风险的规避问题,指出了大坝安全风险标准的确定要特别重视人们对风险的认知情感;提出了大坝安全风险标准确定应遵循的原则和确定程序,以及大坝安全风险标准与防洪安全风险率标准的换算公式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 水库防洪安全风险分析
• 1.2.2 水库防洪安全设计标准演变
• 1.2.3 防洪工程体系风险评估
• 1.2.4 存在的问题
• 1.3 研究思路和框架
• 1.3.1 论文结构框架
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 论文主要创新点
• 2 水库防洪安全风险因素分析和风险模型研究
• 2.1 水库防洪安全风险评估基本框架
• 2.1.1 水库防洪安全风险定义
• 2.1.2 水库防洪安全与大坝安全的关系
• 2.1.3 水库防洪安全风险分析流程
• 2.2 风险因素的识别与概率分布分析
• 2.2.1 设计洪水推求
• 2.2.2 水力和工程风险因素
• 2.2.3 库容曲线和水面面积曲线
• 2.2.4 调洪规则和运行管理的不确定性
• 2.2.5 初始起调水位
• 2.2.6 风浪的影响
• 2.3 设计泄流能力风险计算模型
• 2.3.1 直接求解方法
• 2.3.2 优化求解方法
• 2.3.3 算例分析
• 2.4 水库漫坝风险计算模型
• 2.4.1 漫坝事件极限状态方程
• 2.4.2 模型求解流程
• 2.4.3 设计基准期的漫坝风险
• 2.4.4 算例分析
• 2.5 本章小结
• 3 水库坝前最高水位随机分布特征分析
• 3.1 问题的提出
• 3.2 水库调洪演算过程风险传递分析与计算
• 3.2.1 风险传递机理分析
• 3.2.2 时段风险计算公式
• 3.3 水库调洪过程库水位的随机分布特征分析
• 3.3.1 二阶Runge-Kutta 数值调洪演算方程
• 3.3.2 随机模拟调洪演算模型及实现
• 3.3.3 最大熵原理与分布
• 3.4 实例分析
• 3.4.1 安康水库基本资料
• 3.4.2 调洪过程库水位分布计算结果及分析
• 3.4.3 安康水库自身防洪安全风险计算
• 3.5 本章小结
• 4 水库下游控制断面洪水频率曲线推求与洪灾风险率计算
• 4.1 设计断面受上游水库调蓄影响的设计洪水计算方法
• 4.1.1 现行计算方法原理及适用条件简介
• 4.1.2 现行方法存在的问题
• 4.1.3 完善思路
• 4.2 JC 法基本原理
• 4.2.1 结构可靠度指标β
• 4.2.2 一次二阶矩法（FOSM）
• 4.2.3 当量正态变换与JC 法
• 4.2.4 独立性变换
• 4.3 洪水地区组成发生可能性分析
• 4.3.1 洪水地区组成发生可能性的概率描述
• 4.3.2 最或然地区组成方案推求
• 4.4 受上游水库调蓄影响的下游防洪风险计算
• 4.4.1 单库防洪系统模型
• 4.4.2 两库防洪系统模型
• 4.4.3 调洪函数的确定
• 4.4.4 两库防洪系统下泄流量概率分布计算
• 4.4.5 水库下游防护对象洪灾风险率计算
• 4.5 黄河上游兰州市洪灾风险率计算实例
• 4.5.1 黄河上游龙刘梯级水库基本资料
• 4.5.2 兰州以上地区最或然组成计算
• 4.5.3 刘库独立调洪时兰州断面洪水频率分析
• 4.5.4 龙刘联调时兰州断面洪水频率分析
• 4.5.5 兰州市防洪安全风险分析
• 4.6 本章小结
• 5 梯级水库系统防洪安全风险和防洪标准研究
• 5.1 问题的提出
• 5.1.1 梯级水库结构特征分析
• 5.1.2 存在的问题
• 5.2 梯级水库系统防洪安全风险分析
• 5.2.1 洪水标准和防洪安全标准区分
• 5.2.2 梯级水库系统失事事件定义与表达
• 5.2.3 梯级水库系统防洪安全风险率计算方法
• 5.2.4 串联N 级水库防洪安全风险率近似估算模型
• 5.3 梯级水库经济最优防洪标准的确定
• 5.3.1 单库模型
• 5.3.2 梯级水库模型
• 5.4 梯级水库防洪安全的协调方式
• 5.4.1 防洪标准的调整
• 5.4.2 上下游水库设计泄流能力的协调
• 5.4.3 风险均衡调度
• 5.4.4 算例分析
• 5.5 本章小结
• 6 大坝风险标准确定方法探讨
• 6.1 大坝安全风险标准综述
• 6.1.1 国外风险标准
• 6.1.2 国内风险标准
• 6.2 大坝安全风险标准的确定基础
• 6.2.1 国外确定风险标准的方式
• 6.2.2 确定大坝风险标准应遵循的原则
• 6.3 对公众参与确定风险标准的分析
• 6.3.1 认知风险对决策的影响
• 6.3.2 公众确定风险标准存在的问题
• 6.4 经济风险标准
• 6.5 大坝风险标准的确定思路
• 6.5.1 大坝风险标准的确定程序
• 6.5.2 大坝防洪安全风险率标准推求
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录