漫坝风险分析理论在东武仕水库的应用

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漫坝风险分析理论在东武仕水库的应用

１　东武仕水库基本情况
    东武仕水库位于河北境内子牙河系滏阳河干流上游，距磁县城及京广铁路７ｋｍ，控制流域面积３４０ｋｍ２，是一座以防洪和供水为主，兼顾灌溉、发电等综合利用的大型水库。水库始建于１９５８年，１９７０～１９７６年扩建成为大（Ⅱ）型水库，１９９３年——１９９９年进行了除险加固，总库容１．８１亿ｍ３，防洪标准为２０００年一遇洪水。
    东武仕水库不仅担负着下游京广铁路、１０７国道、京深高速公路、邯郸市７个县区，２５０多万人口、１３．３３多万ｈｍ２农田的防洪安全，还担负着邯郸市的工农业供水任务。自建库以来，共拦截“６３．８”、“９６．８”等致灾洪水１９次，累计向下游供水１１６亿ｍ３，被称为邯郸的“屏障工程”和“生命工程”，在邯郸市社会发展和经济建设中发挥着重要作用。
２　水库调度存在的问题
    邯郸市是一个水资源严重短缺的城市，全市水资源总量为１９．７亿ｍ３，人均水资源占有量２５２．９ｍ３，仅为全国平均值的四分之一。东武仕水库是邯郸市工农业生产的主要水源地，每年为下游供水近２亿ｍ３。
    东武仕水库流域内多年平均降雨量为５６０ｍｍ，其中７５％集中在７～９月。由于防洪的需要，汛前必须将库水位降至汛限水位，宝贵的水资源不得不白白弃掉。自１９９１年至今，累计弃水３．４亿ｍ３，加剧了邯郸市水资源不足的矛盾。由于水库设计汛限水位偏低，汛期有水时不敢蓄，汛期过后又无水可蓄，严重影响了水库兴利效益的发挥。
    １９９９年，东武仕水库完成了除险加固，工程运行状况良好，因此如何在满足水库防洪的基础上，提高水库的汛限水位，充分利用本流域的水资源，减少弃水，我们应用漫坝风险分析理论，从另一个角度来分析研究提高汛限水位的可能性。
３　漫坝风险分析基本理论模型及方法
    漫坝风险分析理论采用随机数学、随机水文学和随机水力学方法，综合考虑影响漫坝的洪水、库容、风浪和泄水能力四方面的随机性，然后研制出东武仕水库大坝在洪水系列与风浪系列联合作用下的漫坝风险模型，并在确保大坝的漫坝安全可靠度高达９９．９９９％以上的前提下，优选水库的汛限水位，从而为提高水库汛限水位打下理论基础。
３．１　基本理论
    漫坝风险分析基本理论涉及到两个基本概念：漫坝和风险。漫坝是指坝前水位超过坝顶、水流漫过坝顶溢流而下。风险是指水库发生漫坝的概率。漫坝风险就是指在分析期内，坝前水位超过坝顶的概率。漫坝风险分析理论认为引起漫坝的主要风险因素来自入库洪水、风浪、库容和泄水能力四个方面的不确定性。对于入库洪水，大家都承认它有随机性。在传统的水库设计及计算中，把泄水建筑物及库容或库面积视为确定性的，但严格的讲，它们是不确定的。风也是随机的，对漫坝风险而言，其有效风应为汛期吹向坝体的最大风系列。这样一来，在全面考虑入库洪水、风浪、库容和泄水能力四个方面的不确定性，水库调洪过程是一随机过程，其调洪演算方程，是随机微分方程。在以校核或设计洪水为其上限的洪水系列与汛期吹向坝体的有效风系列联合作用下，土石坝漫坝风险须逐时段进行数值积分来求得。计算时，控制高程取在坝顶和防浪墙高程时，针对不同的迎汛水位，将分别得出相应的漫坝风险值。用１减去算得的漫坝风险值，就得出该坝在给定的迎汛水位条件下，对校核或设计洪水系列与汛期有效风系列联合作用下的漫坝安全可靠度。目前，尚缺乏漫坝安全可靠度方面的国家或行业标准，经过分析认为，可接受的漫坝风险为１０－６数量级，这相当于人力无法抗拒的地震风险数量级，即可接受漫坝的安全可靠度达在９９．９９９％以上。
３．２　模型及方法
    漫坝风险模型可表示为下式：

          Ｚ（ｔ）——坝前水位
          Ｚｏ——迎汛库水位
          ｅ——水面风壅高度
          Ｈｍａｘ——由于洪水产生的库水位增加值
          Ｒｐ——沿坝坡的波浪爬高
          Ｚｃ——临界高程
    当洪水事件[Ｑｉ－１，Ｑｉ]和风事件〖Ｗｊ－１，Ｗｊ〗同时出现时，风险Ｐｉｊ为：

    通过编制相应的电算程序，可得到预先规定的临界模式的漫坝风险模型。东武仕水库分别取坝顶高程１１２ｍ和防浪墙顶高程１１３．２ｍ作为临界高程Ｚｃ。
４　计算结果及分析
    通过对水库在不同迎汛水位的调度方案下，以２０００年一遇洪水为其上限的洪水系列与有效风系列联合作用下的漫坝风险进行了计算。当汛限水位由１０２．０ｍ抬高到１０４．０ｍ时，所对应的漫坝风险最大值均小于１０－６数量级，安全可靠度为９９．９９９％以上。
    ２００１年汛前，河北省水利水电勘测设计院根据上述研究结果，经过重新调洪演算，确定将东武仕水库的汛限水位由１０２ｍ提高到１０２．８ｍ，并经河北省防汛抗旱指挥部办公室批准执行。汛限水位提高后，水库每年可增加兴利水量７４０万ｍ３，经济效益和社会效益都十分显著。
５　应用前景
    我国北方大多数水库设计汛限水位普遍偏低，严重影响了水库兴利效益的发挥，造成水库管理单位普遍贫困，防汛和水毁工程费用少，工程老化失修，险情不断，无法保证水库的正常、安全运行。
    漫坝风险分析理论采用的是一种非工程措施，不需任何工程投资，即可达到提高汛限水位，提高水库的兴利效益的目的。该理论在我国北方地区，对工程状况完好，水资源紧张，供需矛盾突出的水库，特别是有工业供水任务的水库，对挖掘水库的潜力，增加兴利水量，提高供水保证率，有重要意义。

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