1、水利水電技術第40卷2009年第3期W ater R esourc es and H ydr o po wer Engineering V ol 140N o 13層次分解法在南水北調東線工程風險因子識別中的運用姜蓓蕾,劉恒,耿雷華,李愛花,徐澎波,陳煉鋼,黃昌碩(南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京210029摘要:將南水北調東線工程分解成提水、輸水和蓄水三大系統,運用層次分解方法系統地分析識別了可能影響三大系統正常運行的工程風險因子。識別分析結果表明,影響提水系統的風險因子有系統功率和工程安全兩大方面,輸水河道風險和蓄水系統風險主要有3種破壞模式:漫堤失事、滲

2、透失事和失穩失事,影響穿黃隧道工程的風險主要是隧道塌陷失事模式。正確識別風險因子可為進一步開展工程風險評估、制定風險預案及實現巨系統的風險管理奠定基礎。關鍵詞:南水北調東線工程;層次分解;風險識別;風險因子中圖分類號:T V698文獻標識碼:A 文章編號: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基金項目:“十一五”科技支撐課題“南水北調運行風險管理關鍵技術研究”(2006BAB04A09資助。作者簡介:姜蓓蕾(1980,女,江蘇南通人,工程師。1引言南水北調工程是緩

8、解我國北方地區水資源短缺的一項重大調水工程,橫跨長江、淮河、黃河和海河4個水資源一級區。東線一期工程主要從揚州附近長江干流取水,輸水北送,出東平湖后分為兩路:一路在位山穿越黃河后,路經小運河等自流至德州大屯水庫;另一路向東開辟山東半島輸水干線至威海米山水庫。調水線路總長達1466150k m ,其中長江至東平湖1045136k m 、黃河以北173149k m 、膠東輸水干線239178k m 、穿黃河段7187k m 1。南水北調東線一期工程預計在“十一五”末將建成通水,未來運行將受到各類不確定性因素的影響,任何不確定因素引發的事件都會造成極為惡劣的后果。因此,為避免或減少風險造成的損失,有

9、必要采56姜蓓蕾,等層次分解法在南水北調東線工程風險因子識別中的運用用運行風險管理。2東線工程運行風險識別針對長距離輸水工程特點,存在兩種風險識別模式:(1階段性風險識別模式,即將輸水系統按工程實施階段劃分,采用系統分析方法對其風險進行識別;(2單元風險識別模式,由于長距離輸水工程沿途建筑物型式及種類較多,可以將其按照工程單元進行分解,然后對各類結構進行逐層分解,找出可能產生的風險,分析各類風險的影響因子,形成樹狀風險識別模式2。根據南水北調東線工程運行特點,本文將采用單元風險識別模式,運用層次分解法對東線運行時的工程風險因子進行識別。南水北調東線工程主要利用泵站工程系統從長江引水,通過現有河

10、道雙線輸水,利用沿線四大湖泊進行庫容調節,穿過黃河后,自流到北方地區。本文將東線工程分成三大系統:提水系統、輸水系統和蓄水系統。211提水系統綜合泵站系統提水效率和泵站系統工程安全兩方面,東線提水系統的風險因子識別結構見圖1。 圖1南水北調東線提水系統風險因子識別結構一期工程主要由新建的21座泵站及江蘇省現有的13座泵站,共160臺套裝機構成。考慮本以識別影響東線工程正常運行的風險因子,故界定提水系統出現的風險特指由于內因和外因引起的提水系統的提水水量不能滿足規劃要求,即:在受水區有需水要求時,提水系統不能滿足水量要求,對部分自身存在防洪要求的泵站,在受到洪水沖擊時,不能正常運行的風險。因此,

11、主要從以下兩個方面分析提水系統的風險因子。21111泵站系統提水效率降低在水泵運行過程中,出水量的變化、水泵需要揚程的變化、電壓波動、水泵陳舊等均可使系統提水效率發生變化,總體來說,可以歸納為3個方面:運行條件、設備質量、技術狀況3,4。運行條件對泵站提水效率的影響主要表現為:(1攔污清污設備。泵站進水流道前設置攔污柵攔截污物,攔污柵及污物阻力形成柵前后水位差,水頭損失造成揚程改變,從而影響泵站提水功率。(2進流漩渦。前池水位低,來流有旋時,葉輪需要克服反旋或利用正旋做功,揚程增大(反旋或減小(正旋,而流量變化不大,因此,水力功率隨之增大或減小,而水泵出口能量基本不變。設備質量影響泵站提水效率

12、主要表現為:(1電網電壓波動。電網電壓波動,端部電壓低于額定電壓時,電動機額定輸出功率減小。如果額定電壓時電動機處于滿負荷工作狀態,則降壓后就會過載,影響泵站提水效率。(2設備老化、磨阻增加。根據江蘇省江水北調近40年的運行現狀來看,泵站系統存在一定程度的老化現象,電機功率在運行過程中存在一定程度的衰減。技術狀況對泵站提水效率表現為:(1水泵特性誤差。通常水泵葉片角度越大,軸功率越大。制造安裝、調節顯示造成水泵葉片角度誤差,同時葉片形狀誤差也會造成水泵實際性能與設計性能的差異。(2管理、維護狀況。根據調查,泵站的年運行時間在10150d /年不等,平日對泵站管理和維護十分重要,例如:淮安三站規

13、定運行滿5年或12000h 后,進行檢修,每年進行定期狀態檢修,汛期前進行安檢。若有關管理部門不能及時對泵站進行管理、維護,則易造成泵站工況點變化,影響提水效率。21112泵站系統工程安全南水北調東線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運行。影響泵站工程安全的主要有河道洪水水位和河堤堤高2個因素。在泵站系統中,建立站身防洪的泵站有:淮安四站、金湖、泗陽、劉老澗二站、睢寧二站、皂河二站、邳州站、劉山、臺兒莊、解臺、韓莊、二級壩、八里灣、淮安二站、皂河一站。建立防洪圈堤的有:寶應、洪澤、萬年閘、長溝、鄧樓。對修建引水渠的泵站而言,影響其安全運行的因素主要是洪水漫堤威脅泵站安全性

14、;對其他類型而言,工程安全的風險因子主要為河道最高洪水水位。212輸水系統輸水系統主要由沿線的河道和穿黃隧道組成。輸水系統的運行風險主要考慮河道堤防的安全穩定性出姜蓓蕾,等層次分解法在南水北調東線工程風險因子識別中的運用現故障,不能滿足其規劃的輸水功能,從而影響輸水河道功能,其主要失事模式有:漫堤失事、滲透失事和失穩失事3種;對穿黃隧道而言,主要考慮隧道工程安全性出現風險,不能滿足隧洞輸水要求。南水北調東線輸水系統風險因子識別結構如圖2所示。 圖2南水北調東線輸水系統風險因子識別結構21211河道系統2121111漫堤失事輸水河道系統的漫堤失事是由于河道堤防高度不足或堤前洪水位過高造成洪水漫過

15、堤防引起潰堤失事。因此,影響輸水系統漫堤失事的主要風險因素為:洪水水位與堤防高度。具體來說,引起堤防高度不足的可能性有:(1工程級別等級較低,設計的堤防高度未能防御河道的洪水;(2堤防設計高度足夠,但在運行過程中,由于地基等因素造成堤防沉降,導致堤防高度不達標;(3施工偷工減料,工程質量未達到設計標準。影響洪水水位的主要因素有:(1強降水條件導致的超設計洪水水位;(2河道淤積導致在相同頻率下水位抬高;(3河道存在阻水障礙物,縮小了河道的泄洪能力,使得洪水水位抬高。2121112滲透失事滲透破壞在堤防工程失事中較為普遍。滲透破壞主要是由于水體的滲透坡降大于土體臨界坡降值,在滲透力的作用下,堤防發

16、生滲透變形,造成滲透破壞。影響滲透失事的主要風險因子有:堤防坡降和臨界比降。影響這兩個風險因子的主要因素有:堤身斷面大小、材料透水性,其中材料透水性與堤身材料的孔隙比、粘粒含量、干密度、顆粒級配等有關。2121113失穩失事失穩失事是指河道河堤發生崩岸、滑坡等,主要是由于堤腳空虛或是堤基松軟而產生的大塊土體移動。不同的失穩形式,影響的外在因素各有不同。對滑坡來講,暴雨是導致滑坡的重要外在因素,水流沖刷力是導致崩岸的主要外在因素。影響失穩失事的內部因素主要指土體的物理參數,包括容重、滲透系數、土體沉積強度指標等。據調查,東線范圍內在丘陵地區的邊坡有發生滑坡的風險,東線沿線主要利用現有河道,大部分

17、未進行護坡,為自然堤岸,部分河段有河岸坍塌災害發生的風險。21212穿黃隧道穿黃隧道的風險主要界定為由于隧道安全性出現故障,不能滿足輸水需求。因此,穿黃隧道的風險因子主要有幾個方面:工程本身引起的風險(例如:隧道突水、突泥等,以及工程外在因素引起的風險(例如:頂部地面塌陷、穿越煤層開采地區地基塌陷等。213蓄水系統南水北調東線工程的蓄水系統主要指輸水沿線包括洪澤湖、駱馬湖、南四湖和東平湖在內的四大天然湖泊。東線工程的調水運行引起沿線湖泊蓄水位的升高。考慮到主要以識別工程風險因子為目的,故將蓄水系統的工程風險界定為天然湖泊堤防失事,從而引起不能滿足規劃要求的調蓄功能。因此,本文212節中分析的輸

18、水系統中河道堤防的3種失效模式及其影響因素同樣適用于湖泊的工程風險因子分析。3結論與建議本文將南水北調東線工程劃分成三大系統:提水系統、輸水系統和蓄水系統,根據這三大系統的不同特點,結合該工程運行的實際情況,對工程風險因子進行識別。需要指出的是南水北調東線工程龐大,在對東線工程不同地段進行多風險因子分析時,將根據各空間段的實際工程情況,考慮主要可能出現的風險。對南水北調東線輸水系統某一特定河段來說,三種失事方式不一定同時發生。例如:濟平干渠全線全斷面襯砌,防滲性能良好,因此,滲透失事的風險可以不考慮;而對南四湖大堤,由于大堤建筑時間較長,堤身存在一定失穩失事的風險。本文通過層次分解方法識別東線

19、工程的風險因子,為下一步進行風險評估、預測及風險調度奠定基礎,為制定運行預案提供依據。參考文獻:1中水淮河工程有限責任公司、中水北方勘測設計研究責任公司1南水北調東線一期工程可行性研究報告(上、中、下冊R 120051(下轉第73頁閆濱,等小波神經網絡在柴河水庫壩基滲流量預測中的應用 圖2滲流量預測值與實測值曲線對比平均絕對誤差:MA E =1nni =1|x i -x i |(7式中,x i 為預測值;x i 為實測值。表1小波神經網絡與B P 網絡滲流量預測精度對比評價指標小波網絡BP 網絡M SE 010*SSE 2160431101MAE0134901388由表1可知,小波神經網絡模型

20、的預測精度高于BP 神經網絡模型,小波與神經網絡結合能夠快速、高效、精確地對滲流量進行預測。3結語本文將小波神經網絡模型應用到柴河水庫土壩0+86415斷面壩基滲流量的預測中。實例計算結果表明,小波神經網絡在滲流量預測中能取得較好的預測效果。同BP 神經網絡相比較,小波神經網絡具有收斂速度快、預測精度高等特點。因此,小波神經網絡在滲流量監測數據預測中具有一定的應用價值。但小波神經網絡也有不足,小波神經網絡中的參數很多,當小波神經網絡輸入節點過多時會使網絡陷入維數災難;對于輸入節點個數、隱層節點的個數、小波函數的選擇問題有待進一步的研究。參考文獻:1李蔭龍1柴河水庫土壩觀測資料整編分析M 1大連

21、:大連理工大學出版社,199712劉泓,莫玉龍1小波神經網絡逼近非線性函數算法J 1應用科學學報,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基于小波網絡的大壩變形監測模型與預報J 1水利學報,2003,(7:107211015羅文輝,張士君,