張 晨,于 昊,于若蘭,鄭云鶴,楊 蕊,高學(xué)平

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350)

河湖水系連通工程作為解決中國(guó)水災(zāi)害、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)四水問(wèn)題的有效手段,對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化配置、河湖生態(tài)環(huán)境修復(fù)以及區(qū)域綜合競(jìng)爭(zhēng)力提升具有重要作用。關(guān)于河湖水系連通概念至今尚未形成較一致的認(rèn)識(shí),最初概念是河流與湖泊水系之間的連通狀況[1],而實(shí)際包涵的范圍很廣,既有河流自身的縱向連通、又有河流、河湖之間的橫向連通等,目前多將其引申為跨流域調(diào)水實(shí)現(xiàn)不同流域水系之間的相互聯(lián)系[2- 3]。

21世紀(jì)以來(lái),中國(guó)河湖水系連通工程不斷興建,如南水北調(diào)、引江濟(jì)太、常州市主城區(qū)河網(wǎng)以及沂沭泗流域河湖連通等工程[4]。河湖水系連通工程作為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[5],勢(shì)必伴隨一系列潛在風(fēng)險(xiǎn),如調(diào)水與洪水遭遇引起的防洪風(fēng)險(xiǎn)、連通工程引起的污染物轉(zhuǎn)移或滯留風(fēng)險(xiǎn)等[6]。鑒于連通工程的復(fù)雜性、連通內(nèi)涵的多維性與連通伴生風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性,亟需構(gòu)建能夠定量分析連通功能與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的河湖水系連通伴生風(fēng)險(xiǎn)管控方法。分析河湖連通伴生風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源,既存在氣候變化、地質(zhì)災(zāi)害等自然因素,也存在人工調(diào)蓄、河道利用整治等人為因素[7]。在對(duì)人為因素造成的河湖連通工程伴生風(fēng)險(xiǎn)管控中,隨著水力學(xué)模型計(jì)算方法的廣泛應(yīng)用,部分學(xué)者基于河網(wǎng)水動(dòng)力模型,通過(guò)調(diào)節(jié)控制性水工建筑物,改變不同引調(diào)水時(shí)間[8]、引水流量[9]、水量分配方案[10]等條件,對(duì)河網(wǎng)蓄水、輸水調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化,提出河湖水系連通伴生風(fēng)險(xiǎn)管控建議；也有學(xué)者通過(guò)引調(diào)水及閘壩的控制,探析調(diào)控干擾對(duì)河道水生態(tài)環(huán)境或行洪能力的影響特征[11- 12],進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管控下的防汛抗旱、水質(zhì)提升、城市水景觀提升等多目標(biāo)協(xié)同功能。

橡膠壩作為一種新型擋水建筑物被廣泛應(yīng)用于河道治理工程中[13],其能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)壩高控制上游水位,兼具灌溉、防洪、擋潮等效益。目前有關(guān)橡膠壩調(diào)度對(duì)河道防洪能力影響研究表明,倘若洪水期調(diào)度運(yùn)用不當(dāng),易造成連通河網(wǎng)下游洪峰疊加,存在一定的度汛安全隱患[14]；橡膠壩在汛期立壩運(yùn)行,不能保證安全度汛,無(wú)法充分發(fā)揮工程景觀效益[14]；通過(guò)動(dòng)態(tài)控制進(jìn)行調(diào)度后,壩前水位及壩后流速皆會(huì)受到影響[15],可能造成洪水風(fēng)險(xiǎn)空間轉(zhuǎn)移。因此,在復(fù)雜的連通河網(wǎng)中,探究橡膠壩運(yùn)行調(diào)度對(duì)河湖水系連通伴生風(fēng)險(xiǎn)的影響,并提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施,是當(dāng)前面臨的一項(xiàng)科學(xué)問(wèn)題。此外,現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)分析方法多為單一的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法或基于水力學(xué)模型的情景分析方法,或不具備物理過(guò)程模擬,或缺乏對(duì)風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)性的探討,如何將風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)過(guò)程與物理過(guò)程相結(jié)合,進(jìn)而揭示風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生機(jī)制,也是值得探討的科學(xué)問(wèn)題。

本文結(jié)合Vine Copula函數(shù)與水動(dòng)力模型模擬技術(shù),構(gòu)建在空間上考慮連通河網(wǎng)不同河流洪峰相關(guān)性、在物理過(guò)程上通過(guò)隨機(jī)水情條件考慮風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)性的河湖水系連通伴生風(fēng)險(xiǎn)分析模型,以沂沭河水系上游河湖水系連通工程為例,探討不同洪水重現(xiàn)期條件下,橡膠壩調(diào)度運(yùn)行方式對(duì)沂沭河上游水系連通伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響,確定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)安全域,更為直觀地反映風(fēng)險(xiǎn)因子作用范圍,以期突破河湖水系連通工程伴生風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)難題,為流域?qū)嶋H管理提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

沂沭河水系位于淮河流域東北部,山東境內(nèi)控制流域面積17 253 km2,如圖1所示。1951—1953年導(dǎo)沭整沂時(shí)期開(kāi)挖了分沂入沭水道,并在后期建設(shè)不同程度擴(kuò)大工程,從而實(shí)現(xiàn)沂沭河洪水東調(diào)工程計(jì)劃,減輕沂河劉道口以下河道行洪壓力,形成了沂沭河水系連通工程。該水系北起沂蒙山,東臨黃海,多年平均降雨量592.1 mm。沂沭河水系特點(diǎn)鮮明,汛期洪水峰高量大,源短流急,極易造成洪澇災(zāi)害,調(diào)度管理反應(yīng)期較短、防洪難度較大。此外,為優(yōu)化城市水景觀、增強(qiáng)水資源儲(chǔ)備,沂河與沭河分別建有10余座橡膠壩提升蓄水能力,一定程度上起到防汛抗旱的作用。

圖1 沂沭河水系上游連通狀況及水文站分布Fig.1 Connectivity and the distribution of hydrological station in the upstream of Yi & Shu River system

根據(jù)水文數(shù)據(jù)的可獲取性,分別選用水位、流速、流量作為連通水系伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)的衡量指標(biāo)。依據(jù)沂沭河水系水文年鑒,選取豐水年(1957年)、平水年(1985年)、枯水年(1981年)3個(gè)典型水文年的水位、流速、流量數(shù)據(jù),并通過(guò)內(nèi)插得到汛期2h間隔數(shù)據(jù)集,用于模型驗(yàn)證。

1.2 河湖水系連通伴生風(fēng)險(xiǎn)分析模型

1.2.1 風(fēng)險(xiǎn)分析模型控制方程

隨機(jī)水情條件下河湖水系連通伴生風(fēng)險(xiǎn)分析模型集合Vine Copula模型與水動(dòng)力模型模擬技術(shù),采用大數(shù)據(jù)分析研究思路,以計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率為目標(biāo),在水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)Copula函數(shù)構(gòu)建連通河網(wǎng)不同河流洪峰的相關(guān)結(jié)構(gòu),并采用蒙特卡羅法進(jìn)行隨機(jī)模擬,產(chǎn)生隨機(jī)水情條件作為水動(dòng)力模型的邊界進(jìn)行模擬,根據(jù)設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)限值,利用水位、流速、流量模擬結(jié)果計(jì)算求得河道各斷面的風(fēng)險(xiǎn)概率,進(jìn)而完成河湖水系連通伴生風(fēng)險(xiǎn)分析。

二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型聯(lián)立連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程,求解水流運(yùn)動(dòng)[16]。由于風(fēng)險(xiǎn)過(guò)程是一項(xiàng)隨機(jī)發(fā)生的可能性事件,因此,求在控制方程中增加隨機(jī)源匯項(xiàng)(ω),其物理意義為水系連通中引起潛在洪水風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)力。改進(jìn)后的連續(xù)性方程與運(yùn)動(dòng)方程為:

(1)

(2)

式中:u、v為沿x、y方向的流速,m/s；ω為隨機(jī)源匯項(xiàng),s-1,ω=f(x,y,t)；g為重力加速度,m/s2；H為位置水頭,m；h為水深,m；D為量綱一的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),與河床、邊坡形狀相關(guān)；R為水力半徑,m；C為謝才系數(shù),m1/2/s。式(2)等式左側(cè)為加速度項(xiàng),右側(cè)從左至右依次表示重力產(chǎn)生的壓力梯度、黏滯力項(xiàng)、河床底部摩擦及隨機(jī)源匯項(xiàng)。

為量化分析風(fēng)險(xiǎn)隨機(jī)源匯項(xiàng)的不確定性,采用Copula模型構(gòu)建不同河流洪峰變量的聯(lián)合分布,并進(jìn)行蒙特卡羅隨機(jī)模擬,產(chǎn)生隨機(jī)流量邊界作為源匯項(xiàng)。C- Vine Copulan維聯(lián)合密度函數(shù)表達(dá)式[6]:

(3)

式中:x1,x2,…,xn表示關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因子；fi(xi)為邊緣密度函數(shù)；ci,i+j|1:(i-1)為n維的Copula密度函數(shù)；F(xn|x1)為條件密度函數(shù)；θ為Copula函數(shù)中n維變量的相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)。

對(duì)式(3)兩邊進(jìn)行積分得到其n維累積分布函數(shù):

(4)

累積分布函數(shù)的逆函數(shù)C-1(x1,x2,…,xn)代表隨機(jī)生成的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因子x1,x2,…,xn序列,由此可推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程(2)中隨機(jī)源匯項(xiàng)(ω)的表達(dá)式。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律,采用歐拉法描述流體微團(tuán)的質(zhì)量變化,ω可表示為

(5)

式中:qx、qy分別為x、y方向上的單寬流量,m2/s。由于流速、水位都可以表示為流量的函數(shù),故本文風(fēng)險(xiǎn)分析模型例中以流量表述隨機(jī)源匯項(xiàng)。將累積分布函數(shù)的逆函數(shù)C-1(x1,x2,…,xn)代入式(5),得:

(6)

1.2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析模型建立及驗(yàn)證

為更加準(zhǔn)確和直觀地模擬水位水量實(shí)際聯(lián)動(dòng)效果,對(duì)研究區(qū)域河流渠道建立一維數(shù)學(xué)模型,對(duì)水庫(kù)湖泊建立二維數(shù)學(xué)模型,采用一維與二維數(shù)學(xué)模型耦合的方式進(jìn)行模擬。沂河、沭河、分沂入沭3個(gè)一維河道每隔1 km劃分1個(gè)斷面,河段長(zhǎng)度總計(jì)374 km,共劃分375個(gè)斷面；新沭河山東段與新沭河江蘇段2個(gè)一維河道每隔1 km左右劃分1個(gè)斷面,河段長(zhǎng)度總計(jì)78 km,共劃分為70個(gè)斷面。對(duì)于石梁河水庫(kù)采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格建立二維模型,網(wǎng)格尺寸為100 m×100 m,共劃分6 058個(gè)網(wǎng)格。

選取沂河葛溝站、沭河莒縣站以及新沭河大官莊站和大興鎮(zhèn)站對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。由于風(fēng)險(xiǎn)分析模型的隨機(jī)流量條件范圍較大,故選用豐水年、枯水年洪水過(guò)程作為率定期,平水年作為校核期。率定結(jié)果為,沂河與沭河河床及邊坡糙率0.024～0.027,新沭河糙率0.030。部分代表性誤差分析結(jié)果如圖2和圖3所示,率定期和校核期水位誤差統(tǒng)計(jì)值亦列于圖中。結(jié)果表明,平均絕對(duì)誤差(EMA)和均方根誤差(ERMS)低于0.3 m、納什效率系數(shù)(ENS)大于0.85、相對(duì)誤差(ER)小于12%,證明模型可靠。

圖2 模型率定期模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比Fig.2 Comparison of simulated and observed water level during the calibration period

圖3 模型校核期模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比Fig.3 Comparison of simulated and observed water level during the verification period

2 橡膠壩對(duì)沂沭河水系上游連通伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)影響分析

2.1 風(fēng)險(xiǎn)源與模擬方案

沂河、沭河河道上分別修建了10余座橡膠壩,其作為1種阻礙河湖水系連通結(jié)構(gòu)的攔蓄工程,改變了河流原有的結(jié)構(gòu)連通；另一方面,由于沂河與沭河具有相似的水文特性,洪水遭遇時(shí)常發(fā)生。本文結(jié)合這2種風(fēng)險(xiǎn)源,在沂河、沭河最大50年一遇與100年一遇洪水重現(xiàn)期條件下,從流量、水位、流速三方面探究橡膠壩對(duì)沂沭河水系上游連通伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響,并通過(guò)調(diào)節(jié)橡膠壩運(yùn)行高度提出其伴生綜合風(fēng)險(xiǎn)管控建議。

構(gòu)建聯(lián)合分布前,需對(duì)邊緣分布進(jìn)行擬合,本文對(duì)沂河與沭河上游邊界斷面洪峰流量進(jìn)行分布擬合。采用極大似然法估參,并通過(guò)赤池信息準(zhǔn)則(AIC準(zhǔn)則)進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn),AIC值越小代表擬合分布模型適合度越高。選取水文中常用的正態(tài)分布、logistic分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布分別對(duì)沂河與沭河洪峰流量原始序列進(jìn)行邊緣分布擬合,并將各分布對(duì)應(yīng)的AIC值列于表1。

表1 各隨機(jī)變量不同分布類(lèi)型對(duì)應(yīng)AIC值

由表1結(jié)果可知,沂河洪峰流量最優(yōu)擬合分布為正態(tài)分布,沭河洪峰流量最優(yōu)擬合分布為威布爾分布。對(duì)新序列進(jìn)行概率積分轉(zhuǎn)換使其滿(mǎn)足在[0,1]區(qū)間上均勻分布。根據(jù)AIC擬合優(yōu)度檢驗(yàn)準(zhǔn)則,自Gaussian Copula、Student′t Copula、Clayton Copula、Gumbel- hougaard Copula、Frank Copula、Joe Copula、BB族Copula中選取兩變量間最適宜的Pair- Copula類(lèi)型,并采用極大似然法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。結(jié)果可得兩變量間最適宜的Copula函數(shù)類(lèi)型為Rotated Clayton Copula (90°)。

根據(jù)構(gòu)建完成的Copula模型生成變量隨機(jī)序列,在沂河和沭河洪峰流量區(qū)間內(nèi)隨機(jī)組合出水情條件(按正態(tài)分布依據(jù)典型豐水年洪水過(guò)程生成3個(gè)月的洪水過(guò)程線)作為風(fēng)險(xiǎn)源邊界條件。根據(jù)典型風(fēng)險(xiǎn)源連通性特征,將風(fēng)險(xiǎn)模擬方案及邊界條件列于表2。流量區(qū)間下限依據(jù)歷史資料記載的洪災(zāi)較小流量,如沂河1957年的洪峰流量8 120 m3/s；上限依據(jù)沂沭泗水利管理局2012年頒布的《沂沭泗河洪水調(diào)度方案》中50年一遇標(biāo)準(zhǔn)或100年一遇標(biāo)準(zhǔn)確定,每種連通方案下隨機(jī)得到200組或400組水情條件。根據(jù)各連通方案下模擬結(jié)果,提取河道內(nèi)各斷面每組最大流量、最高水位以及最大流速計(jì)算結(jié)果,采用累積分布函數(shù)(CDF)分別對(duì)流量、水位、流速結(jié)果進(jìn)行處理以獲得其概率分布,再分別選取河道警戒水位、不沖流速、校核流量作為判別發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的限值,計(jì)算出流量、水位、流速具體的風(fēng)險(xiǎn)概率(P),如式(7)所示:

表2 模擬方案

(7)

式中:GI≤IL為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)計(jì)算結(jié)果(I)小于等于風(fēng)險(xiǎn)限值IL的模擬組數(shù)；GT為總模擬組數(shù)。

本文定義連通伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)概率介于0～0.2之間為極低風(fēng)險(xiǎn),0.2～0.4為低風(fēng)險(xiǎn),0.4～0.7為中風(fēng)險(xiǎn),0.7～1.0為高風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 橡膠壩對(duì)沂沭河水系連通伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響

沂河、沭河河道橡膠壩壩前蓄水量約814.9萬(wàn)m3,下泄所蓄水量的塌壩時(shí)間平均約6.1 h[17],在洪水來(lái)臨前預(yù)泄能夠避免其與洪峰遭遇疊加。但是汛前塌壩共同下泄蓄水,將人為形成洪峰疊加,可能增加下游防洪風(fēng)險(xiǎn)。為此,本文對(duì)該情景進(jìn)行模擬,其風(fēng)險(xiǎn)概率分布如圖4(a)所示。可以看出:由于洪峰的疊加,所受影響最大的是沭河中下游河段,水位與流速風(fēng)險(xiǎn)均為高風(fēng)險(xiǎn),風(fēng)險(xiǎn)概率在0.8以上；沂河并未表現(xiàn)出相應(yīng)的特點(diǎn),但河道整體處于中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間,臨沂市水位與大官莊水利樞紐流速是需要重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域(概率達(dá)到1)；沂河、沭河及分沂入沭流量風(fēng)險(xiǎn)自上游至下游從0.1～0.3逐漸增加,皆處于低風(fēng)險(xiǎn)以下。由此可知,若在汛前完全塌壩下泄,沂沭河上游,尤其沭河中下游河段將產(chǎn)生極高風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)一步分析不塌壩對(duì)水系行洪能力的影響,對(duì)表2中方案1與方案2進(jìn)行模擬計(jì)算。依據(jù)圖4(b)可知:在50年一遇的洪水重現(xiàn)期條件下,由于橡膠壩對(duì)水體的攔蓄作用,水位大幅上漲溢流使橡膠壩對(duì)泄流風(fēng)險(xiǎn)幾乎沒(méi)有影響；水位方面,若汛前未將橡膠壩前攔蓄水量提前預(yù)泄,壩前水位風(fēng)險(xiǎn)顯著提升至高風(fēng)險(xiǎn),風(fēng)險(xiǎn)概率達(dá)到最大值1,分沂入沭及新沭河所受影響不大,處于極低風(fēng)險(xiǎn)；流速方面,沂河、沭河流速風(fēng)險(xiǎn)因橡膠壩阻水作用位于極低風(fēng)險(xiǎn),概率在0～0.2之間,其余河道無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)洪水重現(xiàn)期升至100年一遇后(圖4(c)),水系內(nèi)各河道流量、水位、流速風(fēng)險(xiǎn)整體均大幅提升至中高風(fēng)險(xiǎn)(0.5以上),橡膠壩對(duì)河湖水系連通的阻礙作用更為顯著,壩址處水位風(fēng)險(xiǎn)概率為1,流速風(fēng)險(xiǎn)概率為0。

圖4 沂沭河水系上游各情景下風(fēng)險(xiǎn)概率分布Fig.4 Risk probability distribution of each scenario in the Yi & Shu River system

綜合以上分析,當(dāng)沂沭河水系面臨較大洪水時(shí),無(wú)法預(yù)泄橡膠壩前所蓄水量將提升河道內(nèi)水位風(fēng)險(xiǎn),而汛前塌壩下泄亦會(huì)造成人為洪峰疊加產(chǎn)生極高風(fēng)險(xiǎn)。

3 橡膠壩運(yùn)行高度管控伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)及安全域

3.1 橡膠壩運(yùn)行高度對(duì)伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響規(guī)律

為有效將橡膠壩對(duì)沂沭河水系河湖連通伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)影響維持在安全可控的范圍內(nèi),本文針對(duì)性地提出調(diào)整橡膠壩運(yùn)行高度的管控措施,其中具體工況與模擬邊界條件詳見(jiàn)表2中方案3和方案4。使用風(fēng)險(xiǎn)齒輪圖探討橡膠壩運(yùn)行高度為25%、50%、75%設(shè)計(jì)壩高3種情況的風(fēng)險(xiǎn)變化規(guī)律,圖內(nèi)涵蓋了不同壩高下水系內(nèi)河道所有斷面的風(fēng)險(xiǎn)概率值。流量在模型中作為邊界條件,故此處不討論流量風(fēng)險(xiǎn)。

如圖5所示,在50年一遇洪水條件下,沂河、沭河水位風(fēng)險(xiǎn)概率與橡膠壩高度正相關(guān),沭河流速風(fēng)險(xiǎn)概率與橡膠壩高度負(fù)相關(guān),每當(dāng)橡膠壩高度升高25%的設(shè)計(jì)壩高時(shí),壩前水位風(fēng)險(xiǎn)提高約70%,沭河流速風(fēng)險(xiǎn)降低約50%,沂河由于河道坡度相對(duì)較小,流速始終在極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間內(nèi)。由于橡膠壩對(duì)水體的攔蓄作用,水位大幅上漲溢流使得橡膠壩對(duì)下游流量風(fēng)險(xiǎn)幾乎沒(méi)有影響,因此,壩高變化對(duì)于下游河道影響甚微,3種運(yùn)行高度情況下風(fēng)險(xiǎn)概率變化幅度較小。需要重點(diǎn)關(guān)注的是河與河、河與湖連接處,可通過(guò)加強(qiáng)河道堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)并提升其附近河段抗沖蝕能力以降低風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 50年一遇重現(xiàn)期不同橡膠壩運(yùn)行高度下沂沭河水系洪水風(fēng)險(xiǎn)齒輪圖Fig.5 Flood risk gear under different rubber dam operating heights during the 50- year flood return period in the Yi & Shu River system

在100年一遇洪水條件下,沂河水位風(fēng)險(xiǎn)變化和沭河水位、流速風(fēng)險(xiǎn)變化,與重現(xiàn)期50年一遇時(shí)在風(fēng)險(xiǎn)變化率上基本呈現(xiàn)出相同的規(guī)律,且在25%設(shè)計(jì)壩高運(yùn)行高度情況下壩址處水位風(fēng)險(xiǎn)概率已經(jīng)達(dá)到最大值。而沂河的流速風(fēng)險(xiǎn)因洪量增加,其與橡膠壩運(yùn)行高度負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)更加顯著,河道上除橡膠壩壩址處流速風(fēng)險(xiǎn)外,風(fēng)險(xiǎn)概率均在0.5以上(中高風(fēng)險(xiǎn))。由于篇幅所限,圖略。

3.2 橡膠壩運(yùn)行調(diào)度管控伴生綜合洪水風(fēng)險(xiǎn)建議

前述研究發(fā)現(xiàn),在沂河、沭河修建橡膠壩的連通狀況下,2條河道水位風(fēng)險(xiǎn)和流速風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)的變化規(guī)律相反。在50年一遇洪水條件下,沂河流速風(fēng)險(xiǎn)始終位于極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間(圖5),由于沭河水力坡度變化較大,相比沂河潛在流速風(fēng)險(xiǎn)高,河段部分區(qū)域水位與流速皆達(dá)到中風(fēng)險(xiǎn)。因此,在調(diào)節(jié)橡膠壩至不同運(yùn)行高度情況下,針對(duì)沂河僅討論水位風(fēng)險(xiǎn)概率規(guī)避效果,再以沭河水深、流速為例,討論橡膠壩運(yùn)行高度對(duì)伴生綜合洪水風(fēng)險(xiǎn)影響。

沂河水位風(fēng)險(xiǎn)概率隨水深增加而增加,且壩高越高時(shí)其正相關(guān)關(guān)系越顯著,如圖6所示,圖中各點(diǎn)為所研究河段不同斷面的結(jié)果。在75%壩高情況下,部分壩前河段水深較大,水位風(fēng)險(xiǎn)概率為1；當(dāng)壩高降至25%與50%時(shí),高風(fēng)險(xiǎn)河段大量減少,水位風(fēng)險(xiǎn)概率均值由管控前0.65降為0.3,即低風(fēng)險(xiǎn)。在圖6中,利用中- 低風(fēng)險(xiǎn)限值0.4與沂河警戒水深10 m圍取沂河斷面安全范圍,25%壩高時(shí)落在安全范圍內(nèi)的河道斷面相對(duì)較多,也存在極少部分?jǐn)嗝嫠伙L(fēng)險(xiǎn)概率為1;壩高升至50%時(shí),這部分河段因?yàn)楦嗨w被上游橡膠壩攔蓄,其水位風(fēng)險(xiǎn)概率下降,但更多河段升至中高風(fēng)險(xiǎn)。沂河水務(wù)部門(mén)提出了“梯級(jí)橡膠壩限蓄,洪水分級(jí),峰小量大,泄量相當(dāng),跟蹤預(yù)報(bào)”等6個(gè)調(diào)度原則[18],有學(xué)者建議沂河汛期最大蓄水壩高為60%設(shè)計(jì)壩高[19]。本研究進(jìn)一步根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析模型計(jì)算,建議沂河橡膠壩在汛前調(diào)節(jié)至小于50%壩高,以使沂河約78%的斷面風(fēng)險(xiǎn)能夠降至低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間。

圖6 沂河橡膠壩運(yùn)行壩高管控措施下水位風(fēng)險(xiǎn)概率隨水深變化關(guān)系Fig.6 Relationship between the water level risk probability and water depth under the control measures of rubber dam operating heights in Yi River

沭河水深、流速與綜合風(fēng)險(xiǎn)概率關(guān)系如圖7所示,根據(jù)計(jì)算結(jié)果將河道斷面用邊界線確定在有效區(qū)域范圍內(nèi),定義水位風(fēng)險(xiǎn)概率或流速風(fēng)險(xiǎn)概率其中之一大于0.4,則此斷面為風(fēng)險(xiǎn)斷面；二者皆小于0.4為安全斷面。可以看出,在安全斷面與風(fēng)險(xiǎn)斷面之間有相對(duì)明顯的界限(水位風(fēng)險(xiǎn)概率為0.4或流速風(fēng)險(xiǎn)概率為0.4),利用此界限與邊界線確定出沭河安全域。對(duì)比圖7(a)—圖7(d),當(dāng)運(yùn)行高度為其設(shè)計(jì)壩高的50%時(shí),沭河安全域最大,能夠承擔(dān)的水深與流速較大(均未超過(guò)沭河最大警戒水深與不沖流速)。同時(shí),該運(yùn)行壩高下,安全斷面亦最多,其余運(yùn)行高度風(fēng)險(xiǎn)斷面均超過(guò)一半以上,且能夠承擔(dān)的最大流速、水深相對(duì)較小。因此,建議沭河橡膠壩在汛前調(diào)節(jié)50%設(shè)計(jì)壩高運(yùn)行,并控制河道水深小于12 m、流速小于2.23 m/s,從而有更多的安全斷面；若以25%壩高運(yùn)行,需滿(mǎn)足河道水深小于12 m,同時(shí)流速小于1.94 m/s；75%與100%運(yùn)行高度情況下,則要保證河道水深與流速分別小于11 m和1.81 m/s。

圖7 不同壩高情況下沭河河道斷面安全域Fig.7 Security domains of river sections under different rubber dam heights in Shu River

洪水重現(xiàn)期升至100年一遇后,沂河、沭河各方面整體均提升至中高風(fēng)險(xiǎn),兩河道水位、流速風(fēng)險(xiǎn)均隨橡膠壩壩高增加呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律,但通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算結(jié)果得知,無(wú)論在何種運(yùn)行高度下,所有河段水位與流速風(fēng)險(xiǎn)概率均在0.5以上,僅壩址處因橡膠壩阻水作用流速風(fēng)險(xiǎn)概率為0。區(qū)別于50年一遇情況,100年一遇條件橡膠壩在較低運(yùn)行高度時(shí)(25%以下),壩址處水位風(fēng)險(xiǎn)概率已大幅增長(zhǎng)至1,上文中所定義安全域無(wú)法適用于100年一遇條件。筆者又對(duì)100年一遇未修建橡膠壩情景進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)此情況下水系內(nèi)各河道流量、水位、流速風(fēng)險(xiǎn)概率全部為0.5左右,處于中低風(fēng)險(xiǎn),并且無(wú)高風(fēng)險(xiǎn)河段。因此,建議在面對(duì)100年一遇洪水時(shí),需要將橡膠壩調(diào)至25%設(shè)計(jì)壩高以下,或汛前盡早緩慢塌壩,才能降低沂沭河水系防洪壓力。

橡膠壩的風(fēng)險(xiǎn)管控方式與湖庫(kù)有較大差別,湖泊水庫(kù)調(diào)度對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管控有一明顯的可容忍區(qū)域[20],而修建橡膠壩的河道蓄水能力相對(duì)較小,其風(fēng)險(xiǎn)彈性有限,在調(diào)控過(guò)程中易造成洪水風(fēng)險(xiǎn)空間轉(zhuǎn)移,因此,需通過(guò)調(diào)控橡膠壩壩高嚴(yán)格控制河道水位與流速,使得洪水風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到最小。

4 結(jié) 論

本文創(chuàng)建了集合Vine Copula函數(shù)與一維二維水動(dòng)力模型的隨機(jī)水情條件下河湖水系連通伴生風(fēng)險(xiǎn)分析模型,形成了不同洪水重現(xiàn)期條件下典型區(qū)域橡膠壩對(duì)河湖連通伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)影響的分析和管控技術(shù)。主要結(jié)論如下:

(1) 利用該風(fēng)險(xiǎn)分析模型對(duì)沂沭河水系河湖連通工程人為洪峰疊加、50年一遇及100年一遇修建橡膠壩3種情景洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。若在汛前完全塌壩下泄橡膠壩所蓄水量形成人為洪峰疊加,對(duì)沭河中下游河段產(chǎn)生極高風(fēng)險(xiǎn)；若將橡膠壩維持在最大高度運(yùn)行,沂河沭河橡膠壩壩址處水位風(fēng)險(xiǎn)大幅提升。

(2) 針對(duì)典型區(qū)域橡膠壩對(duì)連通伴生洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響提出了管控建議。重現(xiàn)期50年一遇時(shí),建議汛前調(diào)節(jié)沂河沭河橡膠壩運(yùn)行高度50%以下,并控制水深與流速在一定限值(安全域)內(nèi)；而在100年一遇情況下,建議將橡膠壩調(diào)至25%設(shè)計(jì)壩高以下,或者汛前盡早緩慢塌壩下泄蓄水,以減輕防洪壓力。