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水库防洪关键问题的理论与方法研究

作　者: 谢小平
导　师: 黄强
学　校: 西安理工大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 防洪标准设计洪水水库漫坝风险汛期水库优化调度施工度汛风险
分类号: TV697.13
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

针对目前水库防洪安全设计和运行管理中存在的问题,本文选取了水库防洪中的几个关键问题进行研究,包括水库防洪标准的制定,设计洪水的计算,梯级水库洪水地区组成分析,水库漫坝风险模型,基于风险的水库汛期优化调度模型,以及梯级水库下游施工度汛问题。初步分析了我国防洪标准偏高的原因,提出了梯级水库防洪标准的制定建议;建立了设计洪水计算机放大的优化模型;改进了常规水库漫坝风险评估方法,提高了漫坝风险的精度;基于允许(或可承受)风险水平,建立了综合利用水库汛期优化调度模型,有效解决了水库防洪安全与兴利之间的矛盾;分析了梯级水库对下游工程导流流量的影响和施工导流中的不确定性因素,提出了施工导流水文风险的计算方法。通过对水库防洪关键问题理论与方法的深入研究,进一步丰富了我国防洪安全设计和管理运行理论,在理论和实践上都具有重要意义。(1)综述了我国防洪标准和国外防洪标准的发展历程,分析了影响防洪标准的制约因素,剖析了我国防洪标准偏高的原因是:在套用苏联和美国模式时,在认识上产生了误解和没有结合具体国情,并且我国防洪标准的制定与经济分析基本相脱离;提出了合理制定水库(包括梯级水库)防洪标准的建议,建议从两种途径降低防洪标准,一是提高工程和建筑物的分等分级指针,来降低工程建筑物的防洪标准;二是保持等级指针不变,直接降低该等级相应的防洪标准。(2)鉴于传统典型洪水放大手工方法具有费时费力,且任意性大的缺点,建立了洪水放大的优化模型。考虑流量组合的过程线类似于蚂蚁觅食的多路径原理,引进先进的集群算法——蚁群算法求解该模型,提高了设计洪水推求的效率和效果。计算机放大洪水的优势是可以把所有实测大洪水或较大洪水作为典型洪水,来放大设计洪水过程线,这样推求的设计洪水对工程相对更安全。(3)在设计洪水地区组成拟定中,引入了结构可靠度理论中的JC法,利用该方法获得的地区分配属最不利的分配形式,并能得到该组成发生的概率,从而为梯级水库设计洪水的推求提出了一种新思路,弥补了常规方法的一些不足。(4)在常规漫坝风险模型和评估方法的基础上,采用拉丁超立方抽样技术代替简单随机抽样技术,对水文随机变量改用有界的分布密度函数代替无界分布密度,其中采用非参核密度估计来估计密度函数,更确切地反映了库水位变量的分布特性,上述这些改进,经实例应用证明,有效提高了水库漫坝风险的计算精度和效率。(5)基于汛期允许风险水平,建立了汛期综合利用水库优化调度模型,该调度模型不仅兼顾水库的防洪安全(以允许风险水平体现),且使水库尽可能地多蓄水,由于在调度中引入了风险的概念,因而更合理、更充分地利用了水库防洪潜力,经过实例应用分析表明,该模型有效地协调了防洪与兴利之间的矛盾。(6)分析了梯级水库对下游施工导流流量的影响,提出了利用上游水库降低施工导流流量的方法:一种途径是降低上游水库的防洪标准,这种途径将使上游水库工程所承担的防洪风险大大增加;另外一种途径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,来减小下游工程施工导流流量,通过兴利损失与节约的设计工程投资对比分析,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。在第二种方法中,对于其它不能用货币表示的指针,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考虑。因此,第二种途径在实际工程设计中采用的较多,较易实现。(7)分析了施工导流中的不确定性因素,其中主要的不确定性因素是水文不确定性。以黄河上游公伯峡水电站施工导流和蜀河施工导流风险为例,给出了施工度汛风险的水文计算公式,并获得了满意的结果,该研究成果对国内同类梯级水库亦有很好的借鉴作用。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
1 绪论  12-26
  1.1 问题的提出  12-14
  1.2 研究目的和意义  14-15
  1.3 国内外研究综述  15-22
    1.3.1 防洪标准与设计洪水  15-17
    1.3.2 大坝防洪安全风险与施工导流风险  17-19
    1.3.3 水库防洪优化调度理论方法  19-22
  1.4 存在的问题  22-23
  1.5 研究内容和技术路线  23-24
  1.6 主要创新点  24-26
2 防洪标准探讨和设计洪水优化计算研究  26-44
  2.1 对我国防洪标准的探讨  26-34
    2.1.1 国内防洪标准概述  26
    2.1.2 我国防洪标准的发展演变  26-27
    2.1.3 国外防洪标准现状与发展趋势  27-29
    2.1.4 影响防洪标准的因素  29-30
    2.1.5 我国现行防洪标准存在的问题  30-31
    2.1.6 对我国防洪标准偏高的分析  31-32
    2.1.7 对我国防洪标准的思考  32-34
  2.2 设计洪水优化计算  34-42
    2.2.1 蚁群算法概述  34-35
    2.2.2 蚁群系统（ACS）原理  35-37
    2.2.3 洪水过程缩放优化模型  37-38
    2.2.4 ACS 算法与洪水过程缩放计算的结合  38-39
    2.2.5 应用实例  39-42
  2.3 本章小结  42-44
3 梯级水库设计洪水推求方法研究  44-60
  3.1 地区组成法推求梯级水库设计洪水的理论与方法  44-45
    3.1.1 洪水地区组成规律的分析  44-45
  3.2 地区组成法推求设计洪水的一般方法  45-46
  3.3 地区组成法推求梯级水库设计洪水的方法  46-50
    3.3.1 设计断面上游有两个梯级水库  47-48
    3.3.2 设计断面位于两个联合调度的梯级水库之间  48-49
    3.3.3 合理性分析检查  49-50
  3.4 现行梯级水库设计洪水计算方法存在的问题  50-51
  3.5 洪水地区组成的JC 法模型  51-55
    3.5.1 JC 法简介  51-52
    3.5.2 结构可靠度指针β  52
    3.5.3 一次二阶矩法（FOSM）  52-54
    3.5.4 当量正态变换与JC 法  54
    3.5.5 模型的建立  54-55
    3.5.6 模型变量的分布函数  55
  3.6 JC 法求解地区组成的计算流程  55-56
    3.6.1 JC 法进行洪量分配及风险计算  55-56
    3.6.2 洪水过程线的推求  56
  3.7 应用实例  56-59
    3.7.1 基本资料  57-58
    3.7.2 洪水地区组成的特性分析  58
    3.7.3 模型求解  58-59
    3.7.4 成果的合理性分析  59
  3.8 本章小结  59-60
4 水库漫坝风险评估方法研究  60-74
  4.1 大坝安全水文风险模型  60-62
    4.1.1 由洪水导致的漫坝风险模型  61
    4.1.2 由风浪导致的漫坝风险模型  61-62
    4.1.3 由洪水与风险联合作用的漫坝风险模型  62
  4.2 大坝水文风险分析存在的问题  62-63
  4.3 大坝安全水文风险分析方法的改进  63-69
    4.3.1 蒙特卡洛随机模拟法（MC 法）  63-66
    4.3.2 拉丁超立方抽样法（LHS）  66-68
    4.3.3 非参数核估计（NKDE）  68-69
  4.4 随机变量的分布分析与模拟  69-70
    4.4.1 初始水位分布的分析与模拟  69-70
    4.4.2 库容曲线不确定性分析  70
    4.4.3 入库洪水生成  70
  4.5 大坝安全水文风险评估  70-72
    4.5.1 大坝安全水文风险评估步骤  70-71
    4.5.2 计算实例  71-72
  4.6 本章小结  72-74
5 基于允许风险的水库汛期优化调度研究  74-82
  5.1 模型建立  74-75
  5.2 模型求解  75-79
    5.2.1 动态规划原理  76-77
    5.2.2 溢流风险  77-79
  5.3 应用实例  79-80
    5.3.1 基本资料  79
    5.3.2 参数设定  79-80
    5.3.3 计算结果分析  80
  5.4 本章小结  80-82
6 梯级水库下游工程施工度汛风险研究  82-103
  6.1 梯级水库对下游工程导流流量的影响分析  82-83
  6.2 公伯峡施工期洪水控制原则  83-86
    6.2.1 公伯峡施工期导流方案  83-84
    6.2.2 公伯峡2002 年施工洪水控制方案  84-86
    6.2.3 公伯峡施工期洪水控制原则  86
  6.3 公伯峡水电站施工渡汛研究  86-94
    6.3.1 盈余防洪库容定义  86
    6.3.2 调洪演算方法  86-87
    6.3.3 龙、李两库联合调度研究  87-94
    6.3.4 洪水调度合理性分析  94
  6.4 施工导流不确定性因素分析  94-96
    6.4.1 施工导流风险定义  94-96
  6.5 公伯峡施工渡汛风险分析  96-99
    6.5.1 公伯峡水电站施工渡汛风险因素确定  96-97
    6.5.2 公伯峡水电站施工渡汛方案风险分析  97-99
  6.6 考虑上游水库控泄的蜀河施工导流风险分析  99-102
    6.6.1 利用安康水库控泄减小蜀河水电站施工导流风险分析  99
    6.6.2 蜀河施工导流风险因素确定  99-100
    6.6.3 施工导流风险率计算模式  100-101
    6.6.4 数值求解方法  101-102
    6.6.5 计算结果分析  102
  6.7 本章小结  102-103
7 总结与展望  103-105
  7.1 总结  103-104
  7.2 展望  104-105
致谢  105-106
参考文献  106-114
攻读博士学位期间发表的论文、参加的科研工作  114-115

水库防洪关键问题的理论与方法研究

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