基于糙率參數(shù)不確定性的河道防洪能力風(fēng)險(xiǎn)分析*

殷 丹 石鳳君 王 凱

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽 110003)

基于糙率參數(shù)不確定性的河道防洪能力風(fēng)險(xiǎn)分析*

殷 丹 石鳳君 王 凱

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽 110003)

為減少糙率參數(shù)不確定性給河道水面線推求帶來的影響，提高河道防洪能力分析成果可靠性，提出基于參數(shù)不確定性的防洪能力風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)。以柴河水庫下游段為例，采用改進(jìn)的摩爾斯分類篩選法進(jìn)行糙率靈敏度分析，得出不同河段的糙率靈敏度，為模型計(jì)算中的糙率值選取提供依據(jù)。通過對(duì)柴河現(xiàn)狀河道防洪能力以及堤段設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下的河道行洪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，得出行洪風(fēng)險(xiǎn)高的堤段，為防洪應(yīng)急預(yù)案編制提供參考。

糙率； 不確定性； 防洪能力； 風(fēng)險(xiǎn)分析

河道防洪能力分析是根據(jù)不同洪水流量條件下的洪水淹沒范圍和淹沒水深，得出各河段某一保證水位下可以安全下泄的洪水流量。河道防洪能力分析結(jié)果決定著堤防高程的確定，同時(shí)也關(guān)系著堤防保護(hù)區(qū)的安全及其防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定，是影響流域防洪規(guī)劃的重大問題。隨著橋梁、閘壩等涉河工程的建設(shè)以及采砂等人類活動(dòng)，河道形態(tài)不斷發(fā)生變化，從而使河道的防洪能力受到不同程度的影響。在河道防洪能力分析計(jì)算中，控制斷面的初始水位、河道糙率、河道幾何形狀等輸入條件存在一定的不確定性，傳統(tǒng)的河道水面線推求未考慮各種隨機(jī)因素，而以定值方法進(jìn)行計(jì)算，使河道水面線的不確定性難以得到定量的描述。河道糙率n是洪水計(jì)算分析中的一個(gè)重要參數(shù)，其取值是河道一維數(shù)值模擬的關(guān)鍵，糙率n取值準(zhǔn)確與否與直接影響著水動(dòng)力模型的計(jì)算精度，糙率率定是模型計(jì)算的重要步驟。本文以柴河為例，將糙率參數(shù)的不確定性影響引入水面線的推求過程，進(jìn)行局部參數(shù)靈敏度分析，以降低河道行洪風(fēng)險(xiǎn)，提高河道防洪能力計(jì)算結(jié)果可靠度。

1 研究區(qū)概況

柴河為遼河干流的左側(cè)支流，發(fā)源于遼寧省清原縣枸乃甸鄉(xiāng)北樂山天橋嶺，于鐵嶺水文站上游處匯入遼河。流域面積1441km2，河流長度133km，全河比降為1.91‰。柴河上建有柴河水庫，水庫控制面積1355km2，占流域面積的94%。

柴河水庫下游屬低丘平原河流，地勢(shì)較平坦，主槽和灘地不明顯。柴河水庫下游是鐵嶺城市防洪的重點(diǎn)，河段兩岸村屯密布，人口聚集，特別是柴河入遼河河口段為鐵嶺市郊，該次分析范圍選取柴河水庫溢洪道入柴河處至長大鐵路橋，河道長度11.4km，具體見下圖。柴河水庫下游段河道寬約60～270m，治理型式主要為堤防和護(hù)岸，其中柴河大橋下游左岸為鐵嶺市城區(qū)，屬遼河回水段，堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，右岸為50年一遇；柴河大橋至柴河橡膠壩屬于城郊段，防洪標(biāo)準(zhǔn)50年一遇；柴河橡膠壩以上為農(nóng)村段，基本無堤，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。隨著河道采沙以及城市的建設(shè)發(fā)展，不同程度的影響河道過流能力。

2 河道糙率參數(shù)靈敏度分析

2.1 靈敏度分析方法

靈敏度分析是模型參數(shù)識(shí)別過程的重要步驟之一，對(duì)于驗(yàn)證及改進(jìn)數(shù)值模型有重要的作用。在數(shù)值模型計(jì)算中，靈敏度分析可識(shí)別參數(shù)靈敏度的高低，定性或定量地評(píng)價(jià)參數(shù)不確定性對(duì)模擬結(jié)果的影響程度，能有效降低高靈敏度參數(shù)選擇不當(dāng)產(chǎn)生的誤差，提高計(jì)算精度。參數(shù)靈敏度分析方法包括全局靈敏度分析和局部靈敏度分析，其中局部靈敏度分析主要用于計(jì)算單個(gè)參數(shù)的變化對(duì)模擬結(jié)果的影響，計(jì)算時(shí)僅改變一個(gè)固定參數(shù)的值，其他參數(shù)保持不變[1]。局部靈敏度分析只針對(duì)某一個(gè)參數(shù)，操作簡單、易于實(shí)施。本研究重點(diǎn)介紹糙率參數(shù)在模型計(jì)算中的靈敏度，為局部靈敏度分析，即檢驗(yàn)糙率在最佳估計(jì)值附近的微變化對(duì)模擬結(jié)果的影響。

摩爾斯分類篩選法(morris screening method)在局部靈敏度分析中應(yīng)用較為廣泛，方法簡單有效[2]。修正的摩爾斯篩選法，自變量以固定步長變化，靈敏度判別因子取多個(gè)平均值[3]，計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中S——靈敏度判別因子；

n——模型運(yùn)行次數(shù)；

yi——控制斷面在模型第i次運(yùn)行時(shí)的水位值；

y0——水位初值；

yi+1——模型第i+1次運(yùn)行的水位值；

Pi——第i次模型運(yùn)算參數(shù)值變化百分率；

Pi+1——第i+1次模型運(yùn)算的參數(shù)值的變化百分率[4]。

S值越大，則該參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果越靈敏，影響越大。參照靈敏度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分為四級(jí)：0≤|S|<0.05為不靈敏參數(shù)；0.05≤|S|<0.2為中等靈敏參數(shù)；0.2≤|S|<1為靈敏參數(shù)；|S|>1為高靈敏參數(shù)[5]。

2.2 柴河糙率參數(shù)靈敏度分析

選用丹麥DHI水力模擬系列軟件的MIKE11模塊建立河道一維水動(dòng)力模型，計(jì)算河道水面線，MIKE軟件在水力計(jì)算方面應(yīng)用較為廣泛，其計(jì)算原理及過程在此不再贅述。該次計(jì)算橫斷面資料主要采用最新實(shí)測(cè)地形，柴河水庫下游河段計(jì)算長度11.4km，計(jì)算斷面20個(gè)。柴河水庫下游至河口段無較大支流匯入，有部分平原區(qū)及城區(qū)，洪水主要來自柴河水庫的放流，故該區(qū)段設(shè)計(jì)洪水直接采用柴河水庫設(shè)計(jì)情況下的泄流量。設(shè)計(jì)洪水采用《柴河水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中成果，見表1。下邊界采用起始斷面的水位流量關(guān)系。

為分析柴河糙率離散性對(duì)水位的影響，對(duì)糙率靈敏度進(jìn)行分析。根據(jù)河道實(shí)際情況分段計(jì)算，分為上游鄉(xiāng)村段，溢洪道—熊官村；中游農(nóng)田段，熊官村—沈四高速橋；下游城鎮(zhèn)段，沈四高速橋—長大鐵路橋等三段。

采用局部靈敏度分析法檢驗(yàn)糙率在最佳估計(jì)值附近的微變化對(duì)模擬結(jié)果的影響。當(dāng)糙率均值取0.03時(shí)，保持模型邊界條件、初始條件等其他因素不變，僅改變上、中、下游三段的糙率值，進(jìn)行水面線計(jì)算。分別將糙率值以增大或減小10%、20%、30%、40%變化，計(jì)算河段沿程水位變化，并采用摩爾斯分類篩選法進(jìn)行糙率靈敏度計(jì)算，結(jié)果見表2。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，河道不同位置糙率值改變對(duì)水位計(jì)算結(jié)果影響不同，各河段的靈敏度順序依次

為|S|上游>|S|下游>|S|中游。根據(jù)靈敏度分級(jí)情況，柴河水庫溢洪道—熊官村、沈四高速橋—長大鐵路橋段的糙率值為靈敏參數(shù)，而中游的熊官村—沈四高速橋段的糙率為中等靈敏參數(shù)。柴河水庫溢洪道—熊官村的糙率靈敏，主要是由于河道兩岸多坑塘，河道地形變化較大；而下游城市段的糙率參數(shù)靈敏是由于城市河道灘槽明顯，灘地上的草木植物較多。對(duì)于糙率參數(shù)靈敏河段，在計(jì)算過程中要更加注意參數(shù)值的選取，減少計(jì)算步長，提高計(jì)算精度。

3 防洪能力風(fēng)險(xiǎn)分析

柴河長大鐵路橋至柴河大橋有堤防，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇；柴河大橋以上現(xiàn)狀無堤防，分別進(jìn)行50年一遇、20年一遇設(shè)計(jì)洪水的水位計(jì)算，以及現(xiàn)狀斷面保證流量計(jì)算，結(jié)果見表3。有堤段防洪能力基本達(dá)到50年一遇設(shè)計(jì)要求，由于無堤段兩岸地勢(shì)較高，泄流能力較強(qiáng)，該次計(jì)算中將其斷面保證流量確定為不超過100年一遇設(shè)計(jì)洪水流量，即1651m3/s。

由于河道行洪能力計(jì)算過程中參數(shù)不確定，使計(jì)算結(jié)果存在隨機(jī)性，該次研究對(duì)有堤防段進(jìn)行河道行洪風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算。計(jì)算洪水頻率為50年一遇，根據(jù)堤防設(shè)計(jì)情況，堤防安全超高為2m。該次研究考慮糙率參數(shù)不確定性，計(jì)算發(fā)生設(shè)計(jì)洪水時(shí)河道行洪風(fēng)險(xiǎn)情況，結(jié)果見表4。

行洪風(fēng)險(xiǎn)率的數(shù)值為0～1，為方便比較，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定行洪風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，將行洪風(fēng)險(xiǎn)率劃分為5個(gè)等級(jí)，見表5。

根據(jù)表4及表5對(duì)照分析，發(fā)生50年一遇洪水時(shí)，柴河長大鐵路橋斷面右岸堤防行洪風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高，按正常糙率參數(shù)取值時(shí)，已達(dá)到設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)發(fā)生特殊情況時(shí)，如大洪水將上游的樹木、莊稼或建筑物沖毀，將引起下游河道糙率大幅增加，引起水位上漲，有洪水漫溢或潰堤風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

采用摩爾斯分類篩選法進(jìn)行柴河水庫下游段的河道糙率靈敏度分析，得出柴河水庫溢洪道—熊官村以及沈四高速橋—長大鐵路橋段的糙率值為靈敏參數(shù)，而中游的熊官村—沈四高速橋段的糙率為中等靈敏參數(shù)。河道防洪風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果表明，發(fā)生50年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，長大鐵路橋處右岸堤防的行洪風(fēng)險(xiǎn)率高，說明該段堤防在大洪水時(shí)，有洪水漫溢或潰堤風(fēng)險(xiǎn)，在汛期應(yīng)注重該處河段的防汛檢查與應(yīng)急搶險(xiǎn)準(zhǔn)備工作。

[1] 劉玉珍，程世迎.靈敏度分析法確定水文地質(zhì)參數(shù)的基本模型及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2006,37(7):846-850.

[2] 薄會(huì)娟，董曉華，鄧霞.新安江模型參數(shù)的局部靈敏度分析[J].人民長江,2010,41(1):25-28.

[3] 張利茹，管儀慶，葉彬,等.新安江模型參數(shù)敏感性分析的實(shí)證研究[J].水電能源科學(xué)，2008，26(5)：16-17.

[4] 許春東，殷丹.基于MIKE11的河道糙率靈敏度分析[J].水電能源科學(xué)，2014，32(11)：101-103.

[5] Lenhart T,Eckhardt K,Fohrer N,et al.Comparison of two different approaches of sensitivity analysis[J].Physics and Chemistry of the Earth,2002,27(9-10):645-654.

Risk analysis of river flood control capacity based on roughness parameter uncertainty

YIN Dan, SHI Fengjun, WANG Kai

(LiaoningWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Shenyang110003,China)

The flood control capacity risk analysis technology based on parameter uncertainty is proposed in order to reduce the influence of roughness parameter uncertainty on the investigation of river water surface profiles, and improve the reliability of river flood control capacity analysis results. The downstream section of Chaihe River is adopted as an example. Improved Morris screening method is adopted for analyzing roughness sensitivity. The roughness sensitivity in different river sections is obtained, thereby providing basis for selecting roughness value in model calculation. The embankment sections with high flood draining risks are discovered through calculating and analyzing current river flood control ability in Chaihe River and river flood draining risks under embankment design flood standard. Reference is provided for compiling flood control emergency preplans.

roughness; uncertainty; flood control capacity; risk analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.04.012

遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2014212003)

TV82

A

1005-4774(2017)04- 0045- 04