（水文學(xué)及水資源專業(yè)論文）大渡河樞紐的供水風(fēng)險及可靠性分析.pdf

摘要 論文結(jié)合南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水區(qū)的實際情況，根據(jù)工程調(diào)水規(guī)劃初步 方案，對大渡河樞紐供水的風(fēng)險及可靠性進(jìn)行了定量的分析。主要研究工作和成 果如下： ( 1 ) 從水文風(fēng)險和社會風(fēng)險兩方面討論了風(fēng)險的組成，給出了風(fēng)險分析的 功效函數(shù)、可靠性指標(biāo)。闡述了基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計以及可靠性數(shù)學(xué)分析理論 方法的風(fēng)險分析方法，將徑流模擬方法與風(fēng)險分析方法結(jié)合在一起，對樞紐供水 輸出的風(fēng)險和可靠性進(jìn)行評估。 ( 2 ) 探討了徑流系列的組成及隨機(jī)模擬方法。通過對徑流系列模擬方法的 研究，充分分析了入庫徑流的不確定性對供水的影響，分別采用宣回歸模型耱 t h o m a s f i e r i n g 模型，成功地模擬了大渡河流域上枉柯、亞爾堂和克櫥三個壩址 的長系列逐月徑流量。 ( 3 ) 研究了南水北調(diào)西線工程大渡河樞紐三座水庫的供水風(fēng)險和可靠性。 從影響樞紐供水的不確定性因素入手，考慮入庫徑流的隨機(jī)特性以及水庫上下游 經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境用水等因素，從可靠性、恢復(fù)性和事故周期三個方面 對樞紐供水的風(fēng)險因素進(jìn)行了研究。 研究結(jié)果表明：在多年調(diào)節(jié)情況下，大渡河流域上杜柯、亞爾堂和克柯三座 水庫的供永可靠性均可達(dá)9 3 8 以上，瑟如果采用小方案調(diào)水時可靠性可達(dá) 9 7 4 以上。說明南水北調(diào)西線工程大渡河樞紐規(guī)劃的調(diào)水量是合理的，樞紐的 供水還是比較有保證的。 關(guān)鍵詞：南水j 藝調(diào)謠線大渡河樞紐隨機(jī)模擬供水風(fēng)險分新可靠性分析 a b s t r a c t ih ea i mo ft h i sr e s e a r c hi st oe v a l u a t et h er i s ka n dr e l i a b i l i t yo fd a d u h ef i v e r h y d r o - j u n c t i o na c c o r d i n gt ot h eb l u ep r i n to ft h es o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t t h em a i nw o r ka n dr e s u l ta r ei i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t oa c h i e v et h i sg o a l ，t h eo r i g i no fu n c e r t a i n t yi sa n a l y z e da n dh o wi ta f f e c t s t h eo u t c o m eo fw a t e r - s u p p l ys y s t e mi sd e s c r i b e df r o mt h ea s p e c to fd a t ai n p u t ，m o d e l s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s t o c h a s t i cp r o c e s s ，p r o b a b i l i t ym a t h e m a t i c a l ，a n dr e l i a b i l i t y m a t h e m a t i c a lt h e o r ya r ea p p l i e da sa n a l y z i n gt o o l st oc o m b i n et h em e t h o do fr u n o f f s i m u l a t i o na n dr i s ka n a l y s i s ( 2 ) t h ec o m p o s i t i o na n ds i m u l a t i o no ft h er u n o f fh a sb e e ni n t r o d u c e d h o wt h er u n o f f u n c e r t a i n t ya f f e c t st h ew a t e r - s u p p l yh a sb e e nf u l l ya n a l y z e db yt h er e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o n m e t h o d y e a rr u n o f fa n dm o n t hr u n o f fo fd a d u h er i v e r st h r e eb r a n c hh a sb e e n s u c c e s s f u l l ys i m u l a t e d ，a n dt h el e n g t hi s3 0 0 0 0y e a r s ( 3 ) t oa n a l y z et h er i s ka n dr e l i a b i l i t yo fd a d u h er i v e rh y d r o - j u n c t i o n t h e r ea r e t h r e ea s p e c t s ：r e l i a b i l i t y ，r e c o v e r ya n dp e r i o d a n ds t o c h a s t i cp r o c e s s ，e c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，p r o j e c ta n de n v i r o n m e n ts h o u l db ec o n s i d e r e d t h er e s u l to ft h er e s e a r c hi n d i c a t e sw a t e rr e q u i r e m e n ti nt h et r a n s f e rp r o j e c ti s r e a s o n a b l e a f t e rm u l t i - y e a rr e g u l a t i o n ，w a t e r - s u p p l yr e l i a b i l i t yo ft h er e s e r v o i ri s a b o v e9 3 8 i fu s i n gt h es m a l lw a t e rr e q u i r e m e n t w a t e r s u p p l yr e l i a b i l i t yo ft h e r e s e r v o i ri sa b o v e9 7 4 k e yw o r d s ：w e s tr o u t eo fs o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，d a d u h er i v e r h y d r o - j u n c t i o n ，s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n ，w a t e r - s u p p l yr i s ka n a l y s i s ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤鲞盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 讕f 延 簽字同期：妒彩年石月 2 同 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解丕盜盤堂 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)丞鲞盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名： 調(diào)牝 簽字同期：妒啄年 月2 | r 翩虢場今 簽字r 期：9 - 口島年6 月2 - r 第一章緒論 1 1 研究的背景和意義 第一章緒論 水是人類社會以及地球生物生存的基礎(chǔ)，是基礎(chǔ)自然資源，是生態(tài)環(huán)境建設(shè) 的控制因素，同時又是戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源。地球上水的儲量很大，但可利用的淡水 資源只占到了2 5 ，其中可供人類使用的淡水不足1 。據(jù)專家估計，全球陸地 上可更形的淡水資源約4 2 7 5 萬億m 3 ，其中易于使用的約1 2 5 1 4 5 萬億m 3 。按 1 9 9 5 年人口統(tǒng)計，全球人均淡水資源約7 4 5 0 m 3 人，其中易于使用的淡水人均約 2 1 8 0 - - 2 4 4 0 m 3 人i l j 。可見，地球上的淡水資源是有限的。從1 9 4 0 1 9 9 0 年的5 0 年間，全球總用水量增加了4 倍。1 9 9 5 年全球用水總量己達(dá)到了3 6 0 0 0 億m 3 ， 人均用水6 2 8 m 3 ，約占易用淡水資源量的2 7 - - 3 0 。據(jù)估計未來的2 5 年內(nèi)，全 球人口新增加2 0 - 3 0 億，為新增人口提供糧食所需的灌溉水將增加1 5 - - 2 0 ， 而現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉用水占到了全球總?cè)∷康? 0 以上，水將是糧食生產(chǎn)、人類發(fā) 展和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵性限制因素【2 j 。 經(jīng)濟(jì)社會的迅猛發(fā)展和人口的增加帶來水需求增加的同時，也對生態(tài)環(huán)境帶 來了一定的壓力，水資源不合理開發(fā)和調(diào)配帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。如： 河流水體的污染和富營養(yǎng)化、河川斷流、湖泊萎縮、土地沙漠化、耕地鹽堿化、 植被退化、綠洲消亡、地下水漏斗擴(kuò)大、海水入侵等。人類活動在需要水的同時 產(chǎn)生廢水，減小了水資源的可利用量和水環(huán)境承載能力，進(jìn)一步加重了水資源的 短缺現(xiàn)象【j 剖。 南水北調(diào)工程是在水資源可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，最大可能地從空間上和時間 上調(diào)配水資源，以滿足經(jīng)濟(jì)社會對水資源的需求，它需要從水資源系統(tǒng)科學(xué)的觀 點出發(fā)，將經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)通過水資源調(diào)配手段有機(jī)地耦合在一起，構(gòu) 成一個有機(jī)整體：社會一經(jīng)濟(jì)一環(huán)境和水資源系統(tǒng)，以確保社會效益、經(jīng)濟(jì)效益 和環(huán)境效益的和諧統(tǒng)一，追求水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展的最終目榭7 。引。 這是一個復(fù)雜的綜合大系統(tǒng)，涉及水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)等不同子系 統(tǒng)和不同層面的多維協(xié)調(diào)關(guān)系，是一個典型的半結(jié)構(gòu)化、多層次、多目標(biāo)的群決 策問題【9 】。需要對區(qū)域的自然、地理、水資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、國家政策等多方面 進(jìn)行研究，是包含了水文學(xué)、環(huán)境科學(xué)、管理科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科在 內(nèi)的綜合體，受到諸如區(qū)域地理位置、氣候季節(jié)變化、降水、流域下墊面狀況( 植 被、土壤種類) 、水質(zhì)、流域內(nèi)人類活動、區(qū)域蓄水量、供水能力、水庫庫容、 第一章緒論 防洪、政策法規(guī)、資源技術(shù)理論以及管理水平的局限等諸多因素的影響和制約【l 0 1 ， 這些方方面面的因素及其不確定性都給南水北調(diào)帶來了難度，同時也對樞紐供水 輸出的可靠性帶來了影響。因此在南水北調(diào)工程中必須要認(rèn)真分析樞紐內(nèi)部的組 成及其相互關(guān)系，并考慮樞紐供水的不確定因素對樞紐調(diào)配的影響，尋求合理的、 可持續(xù)的方案l l1 1 。 南水北調(diào)西線工程，是從長江上游干支流調(diào)水入黃河上游的跨流域調(diào)水重大 工程，是補(bǔ)充黃河水資源的不足，解決我國西北地區(qū)干旱缺水問題的重大戰(zhàn)略措 施，是支撐我國西部大開發(fā)和西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重大基礎(chǔ)設(shè)施，也 是為黃河流域和鄰近的河西走廊、黑河、石羊河等地區(qū)生態(tài)環(huán)境改善提供水資源 保證的重要途徑，與黃河治理開發(fā)關(guān)系密切，也是我國“四橫三縱”南水北調(diào)總 體戰(zhàn)略布局的重要組成部分。 南水北調(diào)西線工程分三期實施，從青藏高原冰川退縮的長江上游的通天河、 雅礱江、大渡河調(diào)水，其中一期工程調(diào)水4 0 億m 3 ，二期工程調(diào)水5 0 億m 3 ，三 期工程調(diào)水8 0 億m 3 ，合計1 7 0 億m 3 。 西線工程從長江上游大渡河、雅礱江、通天河上筑壩建水庫，采用隧洞穿過 巴顏喀拉山，向黃河上游補(bǔ)水。其中大渡河、雅礱江支流線路被稱為達(dá)曲一賈曲 聯(lián)合自流線路。 南水北調(diào)西線工程的調(diào)水區(qū)水源和生態(tài)環(huán)境影響問題，是工程規(guī)劃設(shè)計與運 行調(diào)度的重大基礎(chǔ)命題，也是工程利益相關(guān)者爭論的焦點問題之一。應(yīng)系統(tǒng)、客 觀、公正、科學(xué)地就西線工程調(diào)水區(qū)水源和生態(tài)環(huán)境影響的風(fēng)險及可靠性進(jìn)行定 量評估，并對相關(guān)影響提出可行的調(diào)控方案，維系著西線工程的科學(xué)設(shè)計與運行 調(diào)度，以及區(qū)域的社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本論文將以西線一期工程的大渡河調(diào)水 區(qū)為研究區(qū)，緊密圍繞規(guī)劃調(diào)水方案情勢，并考慮調(diào)水區(qū)當(dāng)?shù)氐膹搅髑闆r及生態(tài) 環(huán)境需水情況，對西線工程調(diào)水區(qū)水源的供水風(fēng)險及可靠性進(jìn)行分析評估。 1 2 樞紐供水風(fēng)險及可靠性的研究進(jìn)展 1 2 1 國內(nèi)研究進(jìn)展 水資源的復(fù)雜性和不確定性一直是水問題研究中眾所周知的科學(xué)難點問題， 廣泛存在著隨機(jī)性、模糊性、未確知性。多年來國內(nèi)學(xué)者和專家從多角度、多方 位，對樞紐供水的不確定性進(jìn)行了不同的廣度和深度的相關(guān)研究。從國內(nèi)的研究 文獻(xiàn)來看，基于水資源領(lǐng)域的不確定性研究主要集中在降水一徑流模型、洪水頻 率估計和分析計算、水庫調(diào)度、水質(zhì)模擬、預(yù)測、以及地下水的流動和運移等方 第一章緒論 面，這些研究分別從模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和模型數(shù)據(jù)的輸入方面分析了其不確定性 對輸出結(jié)果的影響【1 3 】。 處理各種不確定性已有了各自的數(shù)學(xué)方法。處理隨機(jī)性的數(shù)學(xué)方法是隨機(jī)理 論與概率統(tǒng)計；處理模糊性的數(shù)學(xué)方法是模糊數(shù)學(xué)；處理末確知性的數(shù)學(xué)方法是 未確知數(shù)學(xué)。但在實踐中常常遇到在同一個樞紐中幾種不確定性同時出現(xiàn)或交叉 出現(xiàn)的情況。因此，研究綜合處理不確定性的數(shù)學(xué)方法一不確定性數(shù)學(xué)是非常 必要的。不確定性數(shù)學(xué)是以概率統(tǒng)計、模糊數(shù)學(xué)、未確知數(shù)學(xué)為主體，四方面密 切相關(guān)、互相滲透組成的數(shù)學(xué)體系1 1 4 j 。 不確定性一直是水庫設(shè)計和調(diào)度中存在的固有特征，2 0 世紀(jì)5 0 年代以來，以 數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)為代表的各種新方法廣泛應(yīng)用于水庫調(diào)度模型研究，但在水庫實時 調(diào)度的應(yīng)用中仍然存在困難，其主要原因可以歸結(jié)為：為了保持?jǐn)?shù)學(xué)上的正確性 或者形式上的標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)通常以許多嚴(yán)格的假定和前提為基礎(chǔ)，無法 真實地反映水文的不確定性、調(diào)度模型的不確定性等1 1 5 j 。王才君等在分析三峽水 庫汛期調(diào)度不確定性時發(fā)現(xiàn)，水庫流量預(yù)報不確定性是影響三峽水庫圍堰發(fā)電期 調(diào)度的主要因素，水位庫容關(guān)系曲線不確定性次之，而水位流量關(guān)系對調(diào)度結(jié)果 影響甚劍1 6 】。曹永強(qiáng)等針對水庫供水調(diào)度系統(tǒng)存在的隨機(jī)性、不確定性和模糊性， 從單目標(biāo)和多目標(biāo)兩方面對供水調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行模糊隨機(jī)可靠性分析，提出了基于 模糊隨機(jī)可靠性的水庫調(diào)度系統(tǒng)管理決策方法【1 1 刀。姜樹海等將短期洪水預(yù)報精度 評定指標(biāo)轉(zhuǎn)化為入庫洪水過程的隨機(jī)特征值，并引起水庫調(diào)洪演算隨機(jī)數(shù)學(xué)模 型，將水文預(yù)報風(fēng)險向預(yù)報調(diào)度風(fēng)險的轉(zhuǎn)化，為合理選擇動態(tài)的汛限水位提供了 科學(xué)的依據(jù)| l 引。趙經(jīng)華等認(rèn)為洪水過程不確定性，包括洪峰位置的不確定性和洪 量的不確定性，是引起水庫泄洪風(fēng)險的一個重要因素，當(dāng)考慮洪水過程不確定性 是所計算得到的泄洪風(fēng)險比不考慮洪水過程不確定性泄洪風(fēng)險大大降低l l9 | 。蔡華 等針對洪水預(yù)報中單位線選擇的不確定性問題，利用模糊綜合決策理論，提出一 種對匯流單位線的選擇進(jìn)行多因素綜合評判的方法，并以模糊綜合評判指標(biāo)作為 選擇單位線的依據(jù)，取得了令人滿意的效果【2 們。 陳元芳在隨機(jī)模擬法與傳統(tǒng)方法推求設(shè)計防洪庫容優(yōu)劣的初步研究中，在設(shè) 定總體洪水隨機(jī)模型的前提下，利用m o n t e - c a r l o 方法對隨機(jī)模擬法及傳統(tǒng)方法 推求設(shè)計防洪庫容優(yōu)劣作了初步對比研究。計算結(jié)果初步表明，在模型形式正確 的情況下，隨機(jī)模擬法比傳統(tǒng)法更能提高設(shè)計防洪庫容的計算精度，同頻率法推 求設(shè)計防洪庫容精度比同倍比法一般要好1 2 1j 。 供水系統(tǒng)的可靠性研究則主要集中在系統(tǒng)缺水風(fēng)險分析上，有很多的研究實 例，韓宇平等以系統(tǒng)分析的思想為基礎(chǔ)，考慮來水和用水的不確定性，利用地表 水和地下水聯(lián)合調(diào)配數(shù)學(xué)模型，在概率論數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，采用隨機(jī)模擬技術(shù) 第一章緒論 對串聯(lián)水庫聯(lián)合供水的風(fēng)險進(jìn)行定量描述，對區(qū)域水資源調(diào)配決策具有參考意義 【2 2 - 2 3 】 o 在水資源調(diào)配方面，針對水資源系統(tǒng)多屬性不確定性決策問題，提出了可用 于研究調(diào)配方案排序的機(jī)會約束模型法，該方法既可恰當(dāng)處理多屬性區(qū)間值的不 同隨機(jī)分布假設(shè)，又可考慮決策者對綜合評價值的期望水平，避免了對復(fù)雜的綜 合評價值隨機(jī)分布的簡單化處理，對于復(fù)雜的多隨機(jī)變量機(jī)會約束模型，使用基 于隨機(jī)模擬的遺傳算法可以有效地獲得問題的解，且最終方案排序合理。 在水資源風(fēng)險管理方面，馮平等人也曾研究過供水系統(tǒng)干旱期供水的風(fēng)險管 理問題【2 4 j 。 1 2 2 國外研究進(jìn)展 在國外，大型工程的風(fēng)險分析主要采用事故樹方法。其實質(zhì)是根據(jù)工程的特 點，找出各種可能導(dǎo)致工程失事的基本致因事件，求出各個致因事件的發(fā)生概率， 最終根據(jù)概率組合理論求出工程失事的概率，即風(fēng)險值。 從國外的研究文獻(xiàn)來看，降水徑流的不確定性研究主要在對模型的參數(shù)和模 型結(jié)構(gòu)以及模型數(shù)據(jù)輸入的不確定性分析方面，v i j a yp s i n g h ( 1 9 9 5 ) 認(rèn)為模型參數(shù) 的不確定性可以由于模型結(jié)構(gòu)和輸入數(shù)據(jù)的不確定性而引起，并且三者共同帶來 了模型輸出的不確定性1 2 5 1 。t um i n 發(fā)現(xiàn)2 0 世紀(jì)早期河道水利工程( 包括閘、河 流航道化、壩) 的建設(shè)使得荷蘭m e u s e 河流域支流的夏季河道的低流量相對增大， 而冬季的洪峰流量有所減少【2 6 | 。 樞紐供水的不確定性分析是提高樞紐供水綜合管理的根本途徑，文獻(xiàn)研究表 明，運籌學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、大型數(shù)據(jù)庫、非線性科學(xué)技術(shù)、系統(tǒng)工程理 論等方法均被應(yīng)用到其中口。7 1 。樞紐供水的不確定性來自系統(tǒng)內(nèi)的模糊性、隨機(jī)性 及未確知性因素，不同類型的不確定性需采用相應(yīng)的風(fēng)險計算模型，目前樞紐供 水的不確定性分析在理論上分別設(shè)計了概率論數(shù)學(xué)理論、模糊數(shù)學(xué)理論等研究方 法【2 8 1 。 從樞紐供水的輸入、輸出以及樞紐內(nèi)部結(jié)構(gòu)三方面組成來看，既存在確定性 一面，又存在不確定性一面。一般來講，樞紐供水的不確定性來自三個方面：其 一是樞紐輸入存在的不確定性；其二是樞紐內(nèi)部結(jié)構(gòu)本身存在的不確定性；其三 是樞紐輸出存在的不確定性。因此，在研究樞紐供水時，不可避免地會遇到不確 定性的處理問題。應(yīng)該正確理解樞紐供水中存在的不確定性，不能一遇到有關(guān)不 確定性問題，就把它概化成簡單的確定性問題，而應(yīng)該對不確定性問題采取合理 的處理方法，使之更切合實際。 正是由于樞紐供水中客觀存在著不確定性，這就要求人們不僅要科學(xué)合理地 第一章緒論 對待不確定性，而且要在實際應(yīng)用中，識別、評估不確定性因素帶來的風(fēng)險，并 在此基礎(chǔ)上優(yōu)化組合各種風(fēng)險管理技術(shù)，作出風(fēng)險決策，包括樞紐供水風(fēng)險規(guī)劃 與管理，對風(fēng)險實施有效的控制和妥善處理風(fēng)險所致?lián)p失的后果，以期以最少的 投入獲得最大的安全保障1 7 。 從上述介紹可見，供水的風(fēng)險規(guī)劃和管理問題，在國內(nèi)外都已得到了高度的 重視，并在實際中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。但由于該問題涉及的因素眾多且錯 綜復(fù)雜，不同的研究對象都有各自不同的特點，因此風(fēng)險分析的方法都是隨著研 究對象的不同而變化，很難形成固定的研究或應(yīng)用模式，即目前存在的主要問題 是研究對象大多針對某些風(fēng)險要素相對獨立的實際問題或方法，都帶有一定的局 限性。也就是說風(fēng)險分析的方法和途徑只能根據(jù)研究對象的特點，具體問題具體 分析來確定。 1 3 研究的主要內(nèi)容 西線一期工程的調(diào)水區(qū)涉及雅礱江支流上的阿安和仁達(dá)，以及大渡河上的上 杜柯、亞爾堂和克柯等5 座引水樞紐，它們分別對雅礱江支流達(dá)曲和泥曲，以及 大渡河的上杜柯河、克柯河和阿柯河等5 條水系的來水進(jìn)行調(diào)節(jié)。對這些調(diào)水量 的配置系統(tǒng)，將在識別諸多風(fēng)險因素的基礎(chǔ)上，通過對調(diào)水量和調(diào)水區(qū)當(dāng)?shù)厮Y 源的行為規(guī)律和反應(yīng)機(jī)制的分析、及缺水風(fēng)險行為和性態(tài)的分析，對主要的風(fēng)險 因素從兩個維度，即從時間維和空間維進(jìn)行定量描述風(fēng)險事件發(fā)生的概率和可能 后果。也就是通過所提出的供水樞紐的缺水風(fēng)險評估方法，引入供水風(fēng)險、供水 可靠性、供水恢復(fù)性和供水事故周期等風(fēng)險分析指標(biāo)，建立供水樞紐風(fēng)險評價指 標(biāo)體系。在不同保證率的來水和調(diào)水區(qū)當(dāng)?shù)貜搅鳁l件下，對調(diào)水方案的風(fēng)險狀況 進(jìn)行評價。其研究成果對于西線工程調(diào)水區(qū)的水資源風(fēng)險管理具有重要意義。 課題主要開展以下三個方面的研究： ( 1 ) 南水北調(diào)西線工程大渡河樞紐的風(fēng)險識別 ( 2 ) 引水樞紐徑流系列的隨機(jī)模擬 采用a r ( p ) 模型和t h o m a s f i e r i n g 模型，模擬各引水樞紐的年、月徑流量。 ( 3 ) 綜合考慮一期調(diào)水區(qū)大渡河三條支流的水量、上下游需水量和生態(tài)環(huán) 境需水量的可持續(xù)發(fā)展的供水風(fēng)險和可靠性分析 通過所提出的供水樞紐的缺水風(fēng)險評估方法，引入供水風(fēng)險、供水可靠性、 供水恢復(fù)性和供水事故周期等風(fēng)險分析指標(biāo)，建立供水樞紐風(fēng)險評價指標(biāo)體系。 根據(jù)水庫的調(diào)度原則，以可靠性數(shù)學(xué)分析方法來確定整個樞紐的風(fēng)險及可 靠性。 第二章大渡河流域基本概況 第二章大渡河流域基本概況 2 1 南水北調(diào)西線一期工程概況 南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水區(qū)位于青藏高原東部邊緣地帶，研究范圍在北緯 3 0 0 4 5 - 3 3 0 5 0 ，東經(jīng)9 8 。4 5 ， 1 0 2 0 5 0 內(nèi)，工程涉及面積近4 9 1 5 5 k m 2 ，東到阿壩， 西至甘孜，南到道孚，北到班瑪，引水樞紐海拔3 5 0 0 m 左右，由北至南分布于大 渡河支流阿柯河、瑪柯河、杜柯河和雅礱江支流色曲、泥曲、達(dá)曲上；雅礱江甘 孜以上為上游，甘孜至大河灣為中游，大河灣以下為下游；鮮水河為雅礱江中游 較大支流，在雅礱江上游兩河口處匯入雅礱江。鮮水河上游分為兩支，分別為達(dá) 曲和泥曲。大渡河瀘定以上為上游，其中雙江口以上為河源區(qū)，瀘定到銅街子為 中游，銅街子以下為下游。大渡河河源分為東西兩源，東源為足木足河，西源為 綽斯甲河。足木足河上游分為兩支，即麻爾曲和阿柯河；綽斯甲河上游也分兩支， 即色曲和杜柯河。輸水線路過分水嶺串連上述支流引水樞紐，在黃河支流賈曲出 流，工程主要在四川省甘孜、色達(dá)、壤塘、阿壩縣，青海省的班瑪和甘肅省的瑪 曲縣境內(nèi)。東距成都約4 0 0 k m ，北距西寧約7 5 0 k m 。 大渡河調(diào)水河流地區(qū)及輸水線路位于整個調(diào)水地區(qū)的東部，區(qū)內(nèi)加塔一燈塔 一阿壩一線北部為丘陵高原地貌，海拔約在3 6 0 0 - 4 5 0 0 m 之間，河流迂回曲折， 兩側(cè)有較多的沼澤分布。加塔燈塔一阿壩一線南部，為山塬地貌，山頂仍具有 丘原特征，但河谷深切，由北向南，嶺與谷相對高差逐漸增加。大渡河調(diào)水地區(qū) 除河源較高山地有零星島狀凍土分布，其它多為季節(jié)性凍土。 大渡河流域徑流主要由降水補(bǔ)給，冰雪融水也占相當(dāng)比例。一般11 月至次 年3 月為枯水期，降水稀少，且以降雪形式為主，徑流來源主要由地下水補(bǔ)給； 4 月5 月為豐、枯過渡期，徑流為融雪及春季降雨補(bǔ)給，6 月1 0 月為豐水期， 該期間以降雨為主，是全年徑流的主要形成期。地下水一般為降水、融水滲入地 表和地殼深部而成。為便于徑流補(bǔ)給的定量分析，常以雨水、融水、地下水3 種 形式進(jìn)行徑流劃分。由于地下水來源于雨水、融水，在劃分中必然有些重復(fù)。大 中河流的補(bǔ)給形式常為混合型，很難出現(xiàn)單一的補(bǔ)給形式 2 9 1 。 一 南水北調(diào)一期工程河流和壩址分布如圖2 1 所示。 第二章大渡河流域基本概況 圖2 1 南水北調(diào)一期工程河流和壩址分布 2 2 大渡河基本概況 2 2 1 自然地理概況 大渡河是金沙江左岸岷江的最大支流，于樂山市匯入岷江，岷江又于宜賓市 匯入長江干流。大渡河干流全長1 0 6 2 k i n ，流域面積7 7 萬k m 2 ，河口處多年平均 徑流量4 9 5 億m 3 。 大渡河是長江的二級支流，位于四川省西部，古稱沫水。發(fā)源于青海省境內(nèi) 的果洛山東南麓，東源有阿柯河和麻爾柯河，于阿壩南部匯合后稱足木足河；西 源有多柯河和色曲河，于垠塘南部匯合后稱綽斯甲河。足木足河與綽斯甲河匯合 后稱大金川，是大渡河主流，南流至丹巴同來自東北的小金川匯合后稱大渡河。 在石棉縣折向東流，到樂山市草鞋渡納青衣江后入岷江。流域內(nèi)溝谷縱橫，支流 眾多，干支流之間組合呈羽狀水系。水力理論蘊藏量豐富，可開發(fā)裝機(jī)2 3 3 6 8 萬千瓦，其中干流別格爾至樂山市長5 8 4 k m ，天然落差2 7 8 8 m ，水力蘊藏量2 0 7 5 萬千瓦，是水能資源比較集中的河段。已建有龔咀水電站，裝機(jī)7 0 萬千瓦，最 終擴(kuò)大到2 1 0 萬千瓦；銅街子電站，裝機(jī)6 0 萬千瓦，已被列為中國水電能源十 大基地之一。根據(jù)新的河流梯級開發(fā)規(guī)劃，大渡河干流由2 2 級梯級電站組成， 自上而下分別為：下爾呷、巴拉、達(dá)維、卜寺溝、雙江口、金川i 、巴底、丹巴、 猴子巖、長河壩、黃金坪、瀘定、硬梁包( 引水式) 、大崗山、龍頭石、老鷹巖、 瀑布溝、深溪溝、枕頭壩、沙坪、龔嘴( 低) 、銅街子。 第二章大渡河流域基本概況 通天河總的地形特點是西北高、東南低。河流走向為西北一南東向，巴顏喀 拉山為三條河流域與黃河流域的分水嶺。 大渡河流域上下游氣候差異較大，大渡河上游地區(qū)屬高原寒帶干旱區(qū)和高原 亞寒帶半濕潤區(qū)，具有長冬無夏、晝夜溫差大、干濕季分明、多大風(fēng)、多雷暴、 氣壓低和含氧量少等高原氣候特征。大渡河中部地區(qū)屬高原濕溫帶、溫帶濕潤氣 候區(qū)，氣候垂直分布特征顯著，冬寒夏暖，干濕季節(jié)分明。下游地區(qū)屬暖溫帶和 亞熱帶濕潤氣候區(qū)，水熱條件較好，雨量充沛，日照強(qiáng)烈，森林茂密，冬無嚴(yán)寒， 夏無酷暑，四季不分明。大渡河流域年平均氣溫為7 3 ，上游接近o ，下游 為1 5 。大渡河流域降水量由南向北、從東向西遞減。大渡河流域上游地區(qū)降 水量為5 0 0 m m - - - 6 0 0 m m ，中下游地區(qū)逐漸增加到7 0 0 m m - - - 8 0 0 m m ，個別地區(qū)達(dá) 1 0 0 0 m m 以上。大渡河流域降水年內(nèi)分配基本一致，5 1 0 月份降水量占全年降 水量的9 0 - - 9 5 1 3 0 。 2 2 2 社會經(jīng)濟(jì)概況 大渡河流域社會經(jīng)濟(jì)狀況差別較大，上游醫(yī)畜牧業(yè)為主，中游屬半農(nóng)半牧區(qū)， 下游人口稠密，氣候條件較好，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較高。 大渡河流域為我國西南多民族居住區(qū)，主要分布有藏、漢、黎等民族。其中 農(nóng)牧業(yè)人口占8 2 5 ，平均人口密度2 7 9 人k m 2 ，大渡河足木足以上人口密度為 1 3 4 枷2 。由于受地理位置和氣候條件限制，大渡河流域社會經(jīng)濟(jì)落后，工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)水平遠(yuǎn)低于全國平均水平。大渡河上游地區(qū)以牧業(yè)為主，工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值很低。 大渡河流域自然資源豐富，尤以森林、礦產(chǎn)、水能三大資源著名。干流河段 開發(fā)利用任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧漂木、航運、灌溉和防洪。 2 3 引水樞紐的布置和調(diào)度原則 南水北調(diào)西線一期調(diào)水工程大渡河調(diào)水方案將在大渡河上游支流設(shè)三個取 水點：上杜柯取水點，位于綽斯甲河上游，規(guī)劃年調(diào)水量11 5 億m 3 ；亞爾堂取 水點，位于足木足河西源馬柯河上，規(guī)劃年調(diào)水量1 1 5 億m 3 ；克柯取水點，位 于足木足河主源阿柯河上，年調(diào)水量2 億m 3 。 調(diào)度基本原則是首先必須滿足大壩和下游地區(qū)的防洪要求，其次是供水、發(fā) 電和滿足下游河道航運要求。 根據(jù)調(diào)水工程規(guī)劃方案，在雅礱江、大渡河支流上布置了達(dá)曲一賈曲線，即 雅礱江達(dá)曲到黃河賈曲的聯(lián)合自流引水線路( 簡稱達(dá)一賈線) 。該方案由雅礱江支 流達(dá)曲上的阿安壩址引水，途經(jīng)雅礱江支流的泥曲仁達(dá)壩址、大渡河支流杜柯河 第二章大渡河流域基本概況 上杜柯壩址、經(jīng)瑪柯河亞爾堂壩址和阿柯河克柯壩址共5 座水庫引水后進(jìn)入黃河 支流賈曲，引水線路全長2 6 0 k m 。 達(dá)賈聯(lián)合自流引水方案指標(biāo)如表2 1 所示。 表2 1 達(dá)賈聯(lián)合自流引水方案指標(biāo) 引水河流 達(dá)曲 泥曲杜柯河 瑪柯河阿柯河 引水壩址阿安仁達(dá)上杜柯亞爾堂克柯 壩址高程( m ) 3 6 0 43 6 0 43 4 9 13 4 1 03 4 8 5 控制面積( k m 2 ) 3 5 4 1 4 5 7 4 4 9 1 85 0 5 61 5 2 6 年徑流量( 億m 3 ) 1 1 41 2 71 6 31 6 1 4 1 5 引水位( m ) 3 6 2 03 6 1 53 5 4 03 4 9 53 4 9 5 在南水北調(diào)西線工程規(guī)劃中，大渡河三條支流調(diào)水量計算采用實測系列的資 料進(jìn)行水庫的調(diào)水計算，在大、小兩種不同調(diào)水量方案下，推算出在工程的設(shè)計 引水量如表2 2 所示。 表2 2 大渡河年設(shè)計引水量 大調(diào)水量設(shè)計方案小調(diào)水量設(shè)計方案 壩址 ( 億m 3 )( 億m 3 ) 上杜柯 1 3 51 1 5 亞爾堂 1 3 5l1 5 克柯3 o2 0 南水北調(diào)西線調(diào)水每年將在大渡河上游調(diào)2 5 億m 3 水量【3 1 1 ，第一期工程各引 水樞紐水庫單獨進(jìn)行調(diào)節(jié)計算，不考慮水庫之間的聯(lián)合運用。通過對各引水壩址 采用維持一定下泄流量和均勻下泄兩種運用方式比較，選擇維持一定下泄流量的 運用方式。水庫下泄流量按基本不小于調(diào)水前最小月流量考慮。水庫采用多年調(diào) 節(jié)，引水期內(nèi)從水庫均勻引水。引水期為1 0 個月，即2 一1 1 月引水，1 2 月和次 年的1 月不引水；樞紐下泄流量全年維持在上述確定的下泄流量以上。 第三章樞紐供水的風(fēng)險組成及分析方法 第三章樞紐供水的風(fēng)險組成及分析方法 3 1 風(fēng)險的定義 韋伯字典把風(fēng)險定義為“生命與財產(chǎn)損失或損傷的可能性，可見風(fēng)險本身 是一個“概率”。關(guān)于風(fēng)險的定義有許多種，可以從不同的角度來對風(fēng)險進(jìn)行定 義。比如，從探討風(fēng)險與損失之間的聯(lián)系人手，定義風(fēng)險是產(chǎn)生損失的可能性； 從某種程度的損失產(chǎn)生的概率人手，定義風(fēng)險是產(chǎn)生某種程度損失的機(jī)會。 1 9 8 1 年，美國風(fēng)險分析協(xié)會成立不久，即組成了一個專門委員會來研究風(fēng) 險的定義。然而，經(jīng)過三、四年的工作，該專門委員會列出了多達(dá)1 4 種風(fēng)險的 定義，指出不太可能取得完全統(tǒng)一。他們建議研究者根據(jù)各自的工作，選定適宜 各自領(lǐng)域的定義。 不過，對于回答“什么是風(fēng)險? 這一問題，現(xiàn)已基本達(dá)成以下共識，即它 包括三個方面的內(nèi)容：在此項工程或運作過程中發(fā)生什么事故( 事故類型) ? 發(fā)生該類型事故的可能性有多大( 概率) ? 發(fā)生該類型事故的后果如何( 經(jīng) 濟(jì)損失、生態(tài)環(huán)境影響等) ? 任何一個關(guān)于風(fēng)險的完整定義都應(yīng)該是上述三方面 描述的集合體。 從工程角度，可以定義風(fēng)險為：系統(tǒng)外來荷載l 大于系統(tǒng)本身抗力r 的概 率 弓= p ( l _ r ) ( 3 1 ) 式中：p 聲良示系統(tǒng)風(fēng)險；事件( l r ) 表示系統(tǒng)失效。 3 2 風(fēng)險的組成 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源需求量和排污量與日俱增，使供水的可靠性越來越 小。同時，由于現(xiàn)代工業(yè)化、城市化的特點，水資源己成為工業(yè)、城市和生活的 ，生命線之一，用戶幾乎沒有自我調(diào)節(jié)的能力，缺水造成的損失是巨大的【3 2 1 。因此 供水系統(tǒng)中的風(fēng)險分析是一個很重要的內(nèi)容。聯(lián)合國教科文組織在1 9 9 4 年召開 的“變化世界中的水資源規(guī)劃”國際學(xué)術(shù)大會上將此列為四個專題之一： ( 1 ) 通過制定水資源供水系統(tǒng)的風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，使水資源系統(tǒng)達(dá)到可靠性和經(jīng) 濟(jì)性的統(tǒng)一； 第三章樞紐供水的風(fēng)險組成及分析方法 ( 2 ) 通過供水系統(tǒng)的風(fēng)險評價，了解供水系統(tǒng)的供水可靠性情況，研究風(fēng) 險對策，及時采取措施，使風(fēng)險損失控制在合理的范圍之內(nèi)，防止由于突發(fā)事件 的發(fā)生給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的損失； ( 3 ) 在可靠性理論方法的指導(dǎo)下，工程改建與加固有了科學(xué)依據(jù)； ( 4 ) 通過人們對工程可靠程度的深刻認(rèn)識，一定程度上可以克服松懈麻痹 思想和過分謹(jǐn)慎小心行為。 本文所研究的風(fēng)險主要有以下兩個方面： ( 1 ) 水文風(fēng)險：供水量在很大程度上是由徑流量所決定的，當(dāng)有充足的水 量和水源時，供水量也會提高。而當(dāng)沒有充足的水量和水源時，水文風(fēng)險就不可 避免的存在著。 ( 2 ) 社會風(fēng)險：在供水系統(tǒng)中所講的社會風(fēng)險主要是指在需水預(yù)測過程中 影響需水量的各個因子所帶來的不確定性以及在用水過程中由于經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、氣 候等的影響所帶來的用水突變【3 3 】。而需水量的預(yù)測在整個供水系統(tǒng)中起著舉足輕 重的作用，因此正確分析社會風(fēng)險至關(guān)重要。 3 3 風(fēng)險分析方法 風(fēng)險的定義可以概化成如( 3 1 ) 式的形式，但是具體的分析方法已經(jīng)發(fā)展 了好多種，包括直接積分法、蒙特卡羅法、可靠性數(shù)學(xué)分析方法等1 3 4 1 。 3 3 1 直接積分法( d c ) 如果能求得z 的各種影響因素z i 的概率密度以及概率關(guān)系，就可以直接積分 求得尸，。這種方法理論性強(qiáng)，但實用中受到的限制較多，因為z ，個數(shù)往往較多， 很難找出z ，的概率密度或概率關(guān)系，進(jìn)一步看，即使找到了這種關(guān)系，往往又難 以求得解析解、數(shù)值解。 3 3 2 蒙特卡羅法( m c s ) 蒙特卡羅法( m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ) 又稱隨機(jī)抽樣法和統(tǒng)計實驗法，是一 種數(shù)值計算方法，它主要用于求解具有隨機(jī)性的不確定性問題。由概率定義可知， 某事件的發(fā)生概率可以用大量實驗中該事件發(fā)生的頻率來估算，因此在水資源調(diào) 配的過程中，可以通過對隨機(jī)變量( 如某一河流斷面的流量) 進(jìn)行大量的隨機(jī)抽 樣，然后把這些抽樣值一組一組地輸入到模型中，執(zhí)行模型程序，通過模型的多 第三章樞紐供水的風(fēng)險組成及分析方法 次運行，得出模型輸出的結(jié)果的概率統(tǒng)計特征值以及經(jīng)驗頻率分布等等，從而計 算樞紐供水的可靠性和不確定性1 3 5 1 。 在不確定性和可靠性計算方法中，m c s 方法是比較特殊的一種計算方法。因 為此方法模擬的收斂速度與基本隨機(jī)變量的維數(shù)無關(guān)，功效函數(shù)的復(fù)雜程度與模 擬過程無關(guān)，更無須將狀態(tài)函數(shù)線性化和隨機(jī)變量“當(dāng)量正態(tài)”化，具有直接解 決問題的能力【1 9 】。 以m c s 方法分析樞紐供水的可靠性，主要是產(chǎn)生已知分布變量的隨機(jī)數(shù)。 為了合理、高效地產(chǎn)生給定隨機(jī)變量的隨機(jī)數(shù)，通常分兩步進(jìn)行，即首先在區(qū)間 ( 0 ，1 ) 內(nèi)產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)數(shù)，然后再變化成給定分布變量的隨機(jī)數(shù)。區(qū)間 ( 0 ，1 ) 內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)一般稱偽隨機(jī)數(shù)，它產(chǎn)生的方法有取中法、加 同余法、乘同余法、混合同余法、組合同余法等。乘同余法由于其統(tǒng)計性質(zhì)好、 周期長而被廣泛采納，其算式為 x i = i x i 一1 m o d 聊) ，待l ，2 ，3 ， ( 3 2 ) 式中t ，m 是選定的常數(shù)。上式的意義是以m 除以無葺一。后得到的余數(shù)記為 蕾，利用上式算出序列而，x 2 ，x t ，再取 = 砉( 3 - 3 ) 這就得到了標(biāo)準(zhǔn)的( 0 ，1 ) 分布的隨機(jī)數(shù)系列，眨，； 設(shè)，+ 。是( 0 ，1 ) 區(qū)間內(nèi)的兩個均勻隨機(jī)數(shù)，則可通過下列變換得到服 從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布n ( o ，1 ) 的兩個隨機(jī)數(shù)，+ 。 = ( 一2 i n r ) 7c o s ( 2 7 r r + i ) ( 3 4 ) + l = ( - 2 i n r o ) 7s i n ( 2 7 r r + 1 ) ( 3 - 5 ) 用蒙特卡羅法計算樞紐供水的可靠性可以分為以下幾個步驟： 首先通過隨機(jī)抽樣獲得功效函數(shù)中各變量的一組取值x 1 ，恐，瓦； 計算功效函數(shù)值z fz f = g ( 五，x 2 ，x n ) 設(shè)抽樣組數(shù)為n ，每組隨機(jī)變量計算得到的功效函數(shù)值為z f ，互0 的次 數(shù)為l ，則在大批抽樣之后，樞紐的可靠性可以由式( 3 6 ) 表示 e=丙l(3-6) 即樞紐正常運行的次數(shù)和總抽樣的次數(shù)之比，為樞紐的可靠性，抽樣次數(shù)越 大，計算得到的可靠性越靠近實際值。 蒙特卡羅法不僅通俗易懂，而且解題思路清晰簡單，計算精度高，因而易受 人們接受，除此之外，它還具有不受隨機(jī)變量分布規(guī)律限制等優(yōu)點，但它的計算 量很大，而且不能求出對應(yīng)最大失效概率的設(shè)計驗算點x 。目前m c s 被廣泛地 第三章樞紐供水的風(fēng)險組成及分析方法 應(yīng)用到了水文徑流模擬、水庫洪水調(diào)度風(fēng)險分析、結(jié)構(gòu)可靠度分析等方面3 6 1 。 在南水北調(diào)西線大渡河樞紐供水風(fēng)險分析中，由于影響水資源調(diào)配的可靠性 的因素既多又復(fù)雜，很難用統(tǒng)一的方法確定各隨機(jī)變量的實際概率分布【3 7 1 ，因此 本文將采用蒙特卡羅模擬方法，來分析估算該樞紐供水的風(fēng)險及可靠性。 3 3 3 可靠性數(shù)學(xué)分析方法 主要包括均值一次兩階矩法、改進(jìn)一次兩階矩法、二次矩法、j c 法等。 ( 1 ) 一次兩階矩法( f o s m ) 通常，一階矩( 均值) 和二階矩( 方差) 相對容易得到。一次兩階矩方法 ( f o s m ) 就是一種在隨機(jī)變量的分布尚不清楚時，采用只有均值和方差的數(shù)學(xué) 模型求解的方法，這就是一次兩階矩法。這種方法運用泰勒級數(shù)展開，使之線性 化。根據(jù)線性化點選擇的不同，一次兩階矩法又可分為均值一次兩階矩法 ( m f o s m ) 和改進(jìn)一次兩階矩法( a f o s m ) 。 m f o s m 假設(shè)各影響因素相互獨立，將線性化點選為均值點。由于工程危險 常常發(fā)生于某些影響因素的極值范圍內(nèi)，如果該因素從均值到極值的變化關(guān)系與 線性相差較多的的話，m f o s m 計算誤差可能頗大。 a f o s m 是針對m f o s m 前述缺點的改良。該法在泰勒級數(shù)展開時，將線性 化點選為風(fēng)險發(fā)生的極值點( 風(fēng)險點) 。風(fēng)險點的位置事先并不能知道，需根據(jù) 數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。 ( 2 ) 二次矩法( s o ) 這種方法是在運用泰勒級數(shù)展開時，略去高于二次的展開項之后再求解p ，。 此法計算步驟較繁瑣，應(yīng)用的相對較少。 ( 3 ) j c 法 因國際安全度聯(lián)合委員會( j c s s ) 采用這種方法而得名。j c 法適用于隨機(jī) 變量為任意分布的情況，其基本原理是：先將隨機(jī)變量x ；的非正態(tài)分布用正態(tài)分 布代替，對于此正態(tài)分布函數(shù)要求在驗算點z ? 處的累計概率分布函數(shù)值( c d f ) 和概率密度函數(shù)值( p d f ) 與原來的分布函數(shù)的c d f 值和p d f 值相同。然后根 據(jù)這兩個條件求得等效正態(tài)分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，最后用f o s m 法求出風(fēng)險值。 第三章樞紐供水的風(fēng)險組成及分析方法 3 4 小結(jié) 本章給出了風(fēng)險的定義，所謂風(fēng)險是指發(fā)生損失的不確定性。指出風(fēng)險具有 三個基本特征：客觀性、損失性和不確定性。并從水文風(fēng)險和社會風(fēng)險兩方面討 論了風(fēng)險的組成；闡述了基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計以及可靠性數(shù)學(xué)分析理論方法的 風(fēng)險分析方法，并最終根據(jù)南水北調(diào)西線大渡河樞紐供水的實際情況，確定采用 蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行樞紐供水的風(fēng)險和可靠性分析。 第四章徑流系列的隨機(jī)模擬 第四章徑流系列的隨機(jī)模擬 4 1 徑流系列的組成 水文時間序列一般由確定成分和隨機(jī)成分組成。確定成分具有一定的物理概 念，包括周期的和非周期的成分：隨機(jī)成分由不規(guī)則的震蕩和隨機(jī)影響造成，不 能嚴(yán)格的從物理上來闡明，只能用隨機(jī)過程理論來研究。它分為平穩(wěn)的和非平穩(wěn) 的兩種情況。水文序列成分的一般組成情況如圖4 1 所示。 4 2 徑流系列的模擬方法 4 2 1 理論依據(jù) 圖4 1 水文時間序列組成 水文現(xiàn)象在本質(zhì)上是隨機(jī)的。故在分析水文現(xiàn)象時可建立一個水文系統(tǒng)的隨 機(jī)數(shù)學(xué)模型來模擬和研究這些現(xiàn)象水文要素時間系列分析是建立隨機(jī)模型的前 提和基礎(chǔ)。通常水文系列由兩部分組成，即確定性分量和隨機(jī)分量，確定性分量 第四章徑流系列的隨機(jī)模擬 又分為兩部分：非周期性的( 趨勢、跳變等) 和周期性的。如對于年徑流系列，其 組成可表達(dá)為 q ( i ) = 丁( ，) + 尸( ，) + 孝( ，) ( 4 - 1 ) 式中：q ( ，) 為實測年徑流時間序列，t = 1 ，2 ，n ，丁( ，) 和p ( ，) 分別表示 趨勢項和周期項，一般可通過物理成因分析加以估算和預(yù)測。趨勢項可用一些常 用的濾波方法濾去，而周期項可用調(diào)和分析方法分析。實用中常用白化法進(jìn)行處 理。 孝( ，) 則是隨機(jī)分量，一般難以嚴(yán)格地從物理上加以分析計算可通過為水文 時間系列擬合一個合適的隨機(jī)模型，以定量計算這個分量，盡管實測徑流系列一 般較短，然而它卻包含了徑流系列的統(tǒng)計特性和有關(guān)徑流形成機(jī)制的一些基本信 息，利用和分析所有可得的實測徑流資料即可研制和擬合一個隨機(jī)模型。當(dāng)然， 所建模型必須經(jīng)有效性檢驗【3 8 】。 4 2 2 徑流系列的隨機(jī)模擬摸型 隨機(jī)模型的基本結(jié)構(gòu)是，模型變量的現(xiàn)值毒是它的一些歷史值 磊“( 后= 1 ，2 ，) 和隨機(jī)數(shù)，7 的函數(shù)，即毒= 川缶斗毒彩，仍，組巾】。 由于磊一。和，7 的組合方式不同，出現(xiàn)了不同的徑流系列生成的隨機(jī)模型。但 水資源工程中常用到的是線性自回歸模型、多站模型和月徑流模型及其它們的組 合與推廣，現(xiàn)將本文應(yīng)用的線形自回歸模型和t h o m a s f i e r i n g 模型簡述如下【3 9 】。 4 2 2 1 線性自回歸模型 線性自回歸模型在徑流系列的隨機(jī)模擬理論中占有很重要的位置。自回歸模 型常用于描述徑流系列的時間相依性，故一般可用于擬合年徑流系列。 自回歸模型的一般形式為a r ( p ) 。 t 時刻徑流系列隨機(jī)分量的數(shù)值缶是( t - 1 ) ，( t - 2 ) ，( f 一尸) 時刻p 個孝值和 一個隨機(jī)數(shù)r , 的加權(quán)和。 參= 緯，l 參一l + 孕名。2 缶一2 + + ，p 毒一j p + 仇 ( 4 2 ) 式中：緲。，為白回歸系數(shù)。p 為模型階數(shù)。 實際計算中，由實測資料通過模型識別確定模型階數(shù)p ，根據(jù)統(tǒng)計上常用的 相關(guān)系數(shù)計算方法計算系列相關(guān)數(shù)乃( f = 1 ，2 ，p ) ，將乃( 汪1 ，2 ，尸) 作為自相關(guān) 系數(shù)p ( 江l ，2 ，p ) 的估值代入求得自回歸系數(shù)仍( 江1 ，2 ，p ) 及獨立隨機(jī)數(shù)方 差才即可確定模型。 自回歸模型模擬步驟如下： 第四章徑流系列的隨機(jī)模擬 ( 1 ) 回歸分析 回歸分析是對具有相關(guān)關(guān)系的兩個或兩個以上變量之間數(shù)量變化的一般關(guān) 系進(jìn)行測定，確定一個相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以便從一個