层次分解法在南水北调东线工程风险因子识别中的运用

1、水利水电技术第40卷2009年第3期W ater R esourc es and H ydr o po wer Engineering V ol 140N o 13层次分解法在南水北调东线工程风险因子识别中的运用姜蓓蕾,刘恒,耿雷华,李爱花,徐澎波,陈炼钢,黄昌硕(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029摘要:将南水北调东线工程分解成提水、输水和蓄水三大系统,运用层次分解方法系统地分析识别了可能影响三大系统正常运行的工程风险因子。识别分析结果表明,影响提水系统的风险因子有系统功率和工程安全两大方面,输水河道风险和蓄水系统风险主要有3种破坏模式:漫堤失事、渗

2、透失事和失稳失事,影响穿黄隧道工程的风险主要是隧道塌陷失事模式。正确识别风险因子可为进一步开展工程风险评估、制定风险预案及实现巨系统的风险管理奠定基础。关键词:南水北调东线工程;层次分解;风险识别;风险因子中图分类号:T V698文献标识码:A 文章编号:100020860(20090320065204Appli ca ti on of h i erarch i c decom positi on approach to i den ti f i ca ti on of r isk factors for Ea st Route ofSouth 2to 2North W a ter Tran

3、sfer ProjectJ IANG Bei 2lei,L IU Heng,GENG Lei 2hua,L IA i 2hua,XU Peng 2bo,CHEN L ian 2gang,HUANG Chang 2shuo(State Key Laborat ory ofWater Res ources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research I nstitute,Nanjing 210029,J iangsu,China Abstract:The East Route of the South 2t o 2North W ate

4、r Transfer Pr oject consists of three syste m s:water pu mp ing;water convey 2ance and water st orage .The possible risk fact ors of the p r oject those will i m pact the nor mal operati on of the syste m s are syste mati 2cally analyzed and identified with the hierarchic decompositi on app r oach .

5、The results show that the risk fact ors i m pacting the wa 2ter pu mp ing syste m are in the as pects of both the syste m power and the p r oject safety,while the risks on the water conveyance channel and water st orage syste m are mainly rep resented with three failure modes:over 2t opp ing;seepage

6、 and instability,and fur 2ther more,the risk fact or for the Yell ow R iver Cr ossing Pr oject is mainly the collap se of the tunnel .The correct identificati on of the risk fact ors can lay a better basis f or further carrying out the risk assess ment of the p r oject,making contingency p lan and r

7、eal 2izing the risk manage ment of the huge p r oject as well 1Key words:East Route of the S outh 2t o 2NorthW ater Transfer Pr oject;hierarchic deco mpositi on app r oach;risk identity;risk fact or收稿日期:2008208220基金项目:“十一五”科技支撑课题“南水北调运行风险管理关键技术研究”(2006BAB04A09资助。作者简介:姜蓓蕾(1980,女,江苏南通人,工程师。1引言南水北调工程是缓

8、解我国北方地区水资源短缺的一项重大调水工程,横跨长江、淮河、黄河和海河4个水资源一级区。东线一期工程主要从扬州附近长江干流取水,输水北送,出东平湖后分为两路:一路在位山穿越黄河后,路经小运河等自流至德州大屯水库;另一路向东开辟山东半岛输水干线至威海米山水库。调水线路总长达1466150k m ,其中长江至东平湖1045136k m 、黄河以北173149k m 、胶东输水干线239178k m 、穿黄河段7187k m 1。南水北调东线一期工程预计在“十一五”末将建成通水,未来运行将受到各类不确定性因素的影响,任何不确定因素引发的事件都会造成极为恶劣的后果。因此,为避免或减少风险造成的损失,有

9、必要采56姜蓓蕾,等层次分解法在南水北调东线工程风险因子识别中的运用用运行风险管理。2东线工程运行风险识别针对长距离输水工程特点,存在两种风险识别模式:(1阶段性风险识别模式,即将输水系统按工程实施阶段划分,采用系统分析方法对其风险进行识别;(2单元风险识别模式,由于长距离输水工程沿途建筑物型式及种类较多,可以将其按照工程单元进行分解,然后对各类结构进行逐层分解,找出可能产生的风险,分析各类风险的影响因子,形成树状风险识别模式2。根据南水北调东线工程运行特点,本文将采用单元风险识别模式,运用层次分解法对东线运行时的工程风险因子进行识别。南水北调东线工程主要利用泵站工程系统从长江引水,通过现有河

10、道双线输水,利用沿线四大湖泊进行库容调节,穿过黄河后,自流到北方地区。本文将东线工程分成三大系统:提水系统、输水系统和蓄水系统。211提水系统综合泵站系统提水效率和泵站系统工程安全两方面,东线提水系统的风险因子识别结构见图1。 图1南水北调东线提水系统风险因子识别结构一期工程主要由新建的21座泵站及江苏省现有的13座泵站,共160台套装机构成。考虑本以识别影响东线工程正常运行的风险因子,故界定提水系统出现的风险特指由于内因和外因引起的提水系统的提水水量不能满足规划要求,即:在受水区有需水要求时,提水系统不能满足水量要求,对部分自身存在防洪要求的泵站,在受到洪水冲击时,不能正常运行的风险。因此,

11、主要从以下两个方面分析提水系统的风险因子。21111泵站系统提水效率降低在水泵运行过程中,出水量的变化、水泵需要扬程的变化、电压波动、水泵陈旧等均可使系统提水效率发生变化,总体来说,可以归纳为3个方面:运行条件、设备质量、技术状况3,4。运行条件对泵站提水效率的影响主要表现为:(1拦污清污设备。泵站进水流道前设置拦污栅拦截污物,拦污栅及污物阻力形成栅前后水位差,水头损失造成扬程改变,从而影响泵站提水功率。(2进流漩涡。前池水位低,来流有旋时,叶轮需要克服反旋或利用正旋做功,扬程增大(反旋或减小(正旋,而流量变化不大,因此,水力功率随之增大或减小,而水泵出口能量基本不变。设备质量影响泵站提水效率

12、主要表现为:(1电网电压波动。电网电压波动,端部电压低于额定电压时,电动机额定输出功率减小。如果额定电压时电动机处于满负荷工作状态,则降压后就会过载,影响泵站提水效率。(2设备老化、磨阻增加。根据江苏省江水北调近40年的运行现状来看,泵站系统存在一定程度的老化现象,电机功率在运行过程中存在一定程度的衰减。技术状况对泵站提水效率表现为:(1水泵特性误差。通常水泵叶片角度越大,轴功率越大。制造安装、调节显示造成水泵叶片角度误差,同时叶片形状误差也会造成水泵实际性能与设计性能的差异。(2管理、维护状况。根据调查,泵站的年运行时间在10150d /年不等,平日对泵站管理和维护十分重要,例如:淮安三站规

13、定运行满5年或12000h 后,进行检修,每年进行定期状态检修,汛期前进行安检。若有关管理部门不能及时对泵站进行管理、维护,则易造成泵站工况点变化,影响提水效率。21112泵站系统工程安全南水北调东线工程部分泵站需要具有一定的防洪功能,以保障其在汛期的正常运行。影响泵站工程安全的主要有河道洪水水位和河堤堤高2个因素。在泵站系统中,建立站身防洪的泵站有:淮安四站、金湖、泗阳、刘老涧二站、睢宁二站、皂河二站、邳州站、刘山、台儿庄、解台、韩庄、二级坝、八里湾、淮安二站、皂河一站。建立防洪圈堤的有:宝应、洪泽、万年闸、长沟、邓楼。对修建引水渠的泵站而言,影响其安全运行的因素主要是洪水漫堤威胁泵站安全性

14、;对其他类型而言,工程安全的风险因子主要为河道最高洪水水位。212输水系统输水系统主要由沿线的河道和穿黄隧道组成。输水系统的运行风险主要考虑河道堤防的安全稳定性出姜蓓蕾,等层次分解法在南水北调东线工程风险因子识别中的运用现故障,不能满足其规划的输水功能,从而影响输水河道功能,其主要失事模式有:漫堤失事、渗透失事和失稳失事3种;对穿黄隧道而言,主要考虑隧道工程安全性出现风险,不能满足隧洞输水要求。南水北调东线输水系统风险因子识别结构如图2所示。 图2南水北调东线输水系统风险因子识别结构21211河道系统2121111漫堤失事输水河道系统的漫堤失事是由于河道堤防高度不足或堤前洪水位过高造成洪水漫过

15、堤防引起溃堤失事。因此,影响输水系统漫堤失事的主要风险因素为:洪水水位与堤防高度。具体来说,引起堤防高度不足的可能性有:(1工程级别等级较低,设计的堤防高度未能防御河道的洪水;(2堤防设计高度足够,但在运行过程中,由于地基等因素造成堤防沉降,导致堤防高度不达标;(3施工偷工减料,工程质量未达到设计标准。影响洪水水位的主要因素有:(1强降水条件导致的超设计洪水水位;(2河道淤积导致在相同频率下水位抬高;(3河道存在阻水障碍物,缩小了河道的泄洪能力,使得洪水水位抬高。2121112渗透失事渗透破坏在堤防工程失事中较为普遍。渗透破坏主要是由于水体的渗透坡降大于土体临界坡降值,在渗透力的作用下,堤防发

16、生渗透变形,造成渗透破坏。影响渗透失事的主要风险因子有:堤防坡降和临界比降。影响这两个风险因子的主要因素有:堤身断面大小、材料透水性,其中材料透水性与堤身材料的孔隙比、粘粒含量、干密度、颗粒级配等有关。2121113失稳失事失稳失事是指河道河堤发生崩岸、滑坡等,主要是由于堤脚空虚或是堤基松软而产生的大块土体移动。不同的失稳形式,影响的外在因素各有不同。对滑坡来讲,暴雨是导致滑坡的重要外在因素,水流冲刷力是导致崩岸的主要外在因素。影响失稳失事的内部因素主要指土体的物理参数,包括容重、渗透系数、土体沉积强度指标等。据调查,东线范围内在丘陵地区的边坡有发生滑坡的风险,东线沿线主要利用现有河道,大部分

17、未进行护坡,为自然堤岸,部分河段有河岸坍塌灾害发生的风险。21212穿黄隧道穿黄隧道的风险主要界定为由于隧道安全性出现故障,不能满足输水需求。因此,穿黄隧道的风险因子主要有几个方面:工程本身引起的风险(例如:隧道突水、突泥等,以及工程外在因素引起的风险(例如:顶部地面塌陷、穿越煤层开采地区地基塌陷等。213蓄水系统南水北调东线工程的蓄水系统主要指输水沿线包括洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖在内的四大天然湖泊。东线工程的调水运行引起沿线湖泊蓄水位的升高。考虑到主要以识别工程风险因子为目的,故将蓄水系统的工程风险界定为天然湖泊堤防失事,从而引起不能满足规划要求的调蓄功能。因此,本文212节中分析的输

18、水系统中河道堤防的3种失效模式及其影响因素同样适用于湖泊的工程风险因子分析。3结论与建议本文将南水北调东线工程划分成三大系统:提水系统、输水系统和蓄水系统,根据这三大系统的不同特点,结合该工程运行的实际情况,对工程风险因子进行识别。需要指出的是南水北调东线工程庞大,在对东线工程不同地段进行多风险因子分析时,将根据各空间段的实际工程情况,考虑主要可能出现的风险。对南水北调东线输水系统某一特定河段来说,三种失事方式不一定同时发生。例如:济平干渠全线全断面衬砌,防渗性能良好,因此,渗透失事的风险可以不考虑;而对南四湖大堤,由于大堤建筑时间较长,堤身存在一定失稳失事的风险。本文通过层次分解方法识别东线

19、工程的风险因子,为下一步进行风险评估、预测及风险调度奠定基础,为制定运行预案提供依据。参考文献:1中水淮河工程有限责任公司、中水北方勘测设计研究责任公司1南水北调东线一期工程可行性研究报告(上、中、下册R 120051(下转第73页闫滨,等小波神经网络在柴河水库坝基渗流量预测中的应用 图2渗流量预测值与实测值曲线对比平均绝对误差:MA E =1nni =1|x i -x i |(7式中,x i 为预测值;x i 为实测值。表1小波神经网络与B P 网络渗流量预测精度对比评价指标小波网络BP 网络M SE 010*SSE 2160431101MAE0134901388由表1可知,小波神经网络模型

20、的预测精度高于BP 神经网络模型,小波与神经网络结合能够快速、高效、精确地对渗流量进行预测。3结语本文将小波神经网络模型应用到柴河水库土坝0+86415断面坝基渗流量的预测中。实例计算结果表明,小波神经网络在渗流量预测中能取得较好的预测效果。同BP 神经网络相比较,小波神经网络具有收敛速度快、预测精度高等特点。因此,小波神经网络在渗流量监测数据预测中具有一定的应用价值。但小波神经网络也有不足,小波神经网络中的参数很多,当小波神经网络输入节点过多时会使网络陷入维数灾难;对于输入节点个数、隐层节点的个数、小波函数的选择问题有待进一步的研究。参考文献:1李荫龙1柴河水库土坝观测资料整编分析M 1大连

21、:大连理工大学出版社,199712刘泓,莫玉龙1小波神经网络逼近非线性函数算法J 1应用科学学报,1998,16(2:163216913BORRAS D,CASTI L LA M,MORENO N,et al 1W avelate andNeural Structure:a ne w t ool for diagnostic of power syste m disturb 2ancesJ 1I EEE Trans 1on I ndustry App licati ons,2001,15(1:222223514高平,薛桂玉1基于小波网络的大坝变形监测模型与预报J 1水利学报,2003,(7:107211015罗文辉,张士君,