黄浦江上海市区段防汛墙漫溢风险分析

赵庚润,李羽文,崔 冬,杜小弢（上海市水利工程设计研究院有限公司,上海 200061）



黄浦江上海市区段防汛墙漫溢风险分析

赵庚润,李羽文,崔 冬,杜小弢
（上海市水利工程设计研究院有限公司,上海 200061）

摘要:为明确黄浦江上海市区段防汛墙防御能力,采用2012年防汛墙高程监测数据以及黄浦江防汛墙设计参数,利用蒙特卡罗法计算不同潮位下防汛墙漫溢概率以及远期海平面上升情况下的漫溢概率,提出防汛墙漫溢风险评价准则,并统计相应的漫溢风险。结果表明:现状防汛墙防御能力明显不足,如果再考虑到近年来黄浦江水位趋势性抬高及未来海平面上升,黄浦江防汛形势不容乐观;漫溢高风险区主要集中在市区段上游;黄浦江防汛墙漫溢风险不仅与防汛墙高程欠缺有关,也与不同岸段采用的设计潮位有关。

关键词:防汛墙;漫溢风险;蒙特卡罗法;风险分析;黄浦江;上海市

风险分析理论在20世纪30年代由军工生产发展而来,20世纪50年代引入到水利工程中,至今在防波堤、海岸工程、工程结构抗震标准、岩土工程、土石坝、水利经济、水环境评价、水资源管理、防洪调度等方面得到了应用[1]。Tung等[2]分静态和时变情况,考虑了水文、水力的不确定性,建立了漫堤风险模型。Duckstein等[3]利用蒙特卡罗法计算了交汇河段处防洪堤的漫溢风险。Lee等[4]提出了基于防洪堤的荷载和抗力条件概率分布的防洪堤性能动态模型。Davis[5]基于风险和不确定性的概念提出了一种改进的量化堤防工程中流量、水位和损失的不确定性方法。Wolff[6]将防洪堤不同失效模式的失效功能函数表示为洪水位的函数。van dermeer 等[7]在前人研究的基础上综合考虑水力边界条件、堤顶高程的不确定性、堤防的维修成本、洪水造成的损失及其发生概率等因素对堤防工程进行了风险分析。Vrijling[8]对荷兰防洪系统的概率设计方法进行总结,研究防洪系统的概率设计方法,并通过引入成本效益描述防洪系统的容许风险水平和决策问题。

在国内,朱元甡[9]采用频率组合法对长江防汛墙南京段设计洪水位的风险进行了分析。赵永军等[10]计算了河道堤坝由于水流参数出现偏差而失事的概率。王卓甫等[11]提出了防洪堤的边坡失稳和渗透变形风险计算模型。王光远等[12]建立了“安全-中介-失效”三级工作模式,并建立了依赖于常规“安全-失效”两级模式的计算方法。李青云[13]以长江中下游堤防工程为背景,系统分析堤防工程安全评价方法,提出了堤防工程安全评价的方法和模型。朱勇华等[14]将防洪堤的漫顶破坏风险、渗透破坏风险和滑动失效破坏风险综合起来,研究了防洪堤综合防洪风险率。吴兴征等[15-16]基于可靠性理论,提出了防洪堤的概率设计方法；对国内外土石坝工程可靠性设计与结构风险评估的研究现状和发展趋势作了评述,探讨了堤坝不同失稳模式的可靠度计算模型和计算方法。卢永金[1]分析研究了围海工程设计中各种水力风险,并计算了堤身滑动失效风险。邢万波等[17-18]将堤防水文失事风险分为洪水漫溢风险和洪水漫顶风险,建立了两种风险概率计算模型以及适合于单元堤段分项失事模式的条件失事概率的计算方法。

总体来说,国内外很多学者在堤防工程风险分析领域进行了一些积极的探索,但是仍有许多亟需解决的难点问题。国内的相关研究工作主要集中在洪水水文水力风险分析上,对防洪系统的结构风险研究则相对较少。在黄浦江防汛墙风险研究方面,目前国内相关工作多集中在传统方法上,如设防高程、稳定性研究[19]等,以及风险因子识别与风险管理方面[20],尚未见对防汛墙具体各段漫溢风险的研究。

风险分析中常用的失效概率计算方法有重现期法、直接积分法、随机抽样法、一次二阶矩法及其扩展方法、点估计法、响应面法、优化方法、随机有限元法等。蒙特卡罗法又称统计试验法或随机抽样技巧法,作为随机抽样法一种,通过随机变量的数字模拟和统计分析来求取物理、工程技术问题近似解,目前广泛应用于各领域的概率和风险计算,是预测和估算失效概率常用的方法之一[17]。笔者结合最新的黄浦江防汛墙高程实测资料,分别采用1984年、2004年及预测的远期潮位成果,利用蒙特卡罗法对现状和远期黄浦江上海市区段防汛墙漫溢风险进行了计算,并划分了不同的风险区间范围,对各岸段漫溢风险进行了统计分析。

1 黄浦江上海市区段防汛墙概况

黄浦江上接太湖,下通长江,是太湖流域主要水系——黄浦江水系的主干,是流域重要的排水通道,具有流域行洪、区域排涝（水）、供水、航运、旅游等综合功能。黄浦江上海市区段范围自下游吴淞口至松江区东侧行政边界,市区段河道总长约71 km。

黄浦江防汛墙是指黄浦江河道以及支流各河口至第一座水闸或者已确定的支流河口延伸段之间的两岸堤防。上海市区段防汛墙始建于1956年,左岸自吴淞口至西荷泾,右岸自吴淞口至千步泾[1],总长约283.07km,1988年后按千年一遇（1984年批准的水位）标准设防,其设计高水位和墙顶高程见表1。

表1 防汛墙原设计高水位和设计墙顶高程　m

由于建设周期较长,自建成以来黄浦江上海市区段防汛墙已出现不同程度的沉降,2012年防汛墙高程监测结果如图1所示,黄浦江上海市区段防汛墙达到设计高程的岸线长度仅占总长的24％。防汛墙高程欠缺比较严重的区段位于下游的杨浦区、虹口区、黄浦区和上游的奉贤区,平均欠缺高度分别为0.25m、0.26m、0.3m和0.23m[21]。同时由于全球气候变化、海平面上升、地面沉降和风暴潮加剧等自然环境因素的变化,以及人类活动影响,黄浦江水位出现了趋势性抬高,现行千年一遇设防水位（1984年的潮位分析成果）已不足200年一遇的标准[22]。基于上述因素考虑,准确计算黄浦江上海市区段防汛墙漫溢风险,明确其防御能力是非常必要的。

图1 黄浦江市区段防汛墙现状墙顶高程与原设计设防高程比较

2 计算模型

根据相关规范,黄浦江防汛墙高程可按下式确定:

式中:Z为防洪墙顶标高；Zp为设计洪（潮）水位；hs为波浪爬高；Δ为安全加高；ΔH为墙顶超高,即设计洪（潮）水位以上超高。

防汛墙漫溢风险计算的功能函数为

利用任意随机数un、un+1,采用坐标变换法得到标准正态分布N（0,1）的两个随机数x*n和x*n+1:

再利用下式变成一般正态分布N（μ,σ2）的随机数:

式中μ,σ2分别为正态分布函数N（x）的均值和方差。当变差系数Cs较小时（一般认为Cs＜2）时,可用下式模拟标准化P-Ⅲ分布:

式中:ψi为标准化P-Ⅲ型变量；t*n为标准化正态随机数。根据下式可得满足P-Ⅲ型随机变量xi的样本值:

式中E（X）、Cv分别为P-Ⅲ曲线的均值和变差系数。利用得到的随机数用蒙特卡罗法计算失效概率时,取样数N与计算成果的精度有关。一般工程上采用95％的置信度能够满足精度要求,允许误差为

式中Pf为预先估计的失效概率。经过试算,模拟10组系列与模拟107组系列得出的概率值误差都在0.3％以内。为保证模型精度,模拟了107组。

表2各堤段多年平均最高潮位统计

3 漫溢风险分析

1984年、2004年黄浦江潮位统计成果如表2所示[23]。从表2可以看出,2004年潮位统计成果中高潮位均值普遍比1984年潮位统计成果高0.05～0.2m。将得出的潮位随机抽样数组与最新的黄浦江防汛墙高程实测数据代入功能函数,确定防汛墙漫溢失效与否,即可从中求得防汛墙漫溢的风险概率。

3.1 现状防汛墙漫溢风险分析

分别采用1984年和2004年潮位统计成果计算得出的黄浦江上海市区段防汛墙漫溢风险分布如图2和图3所示。根据GB50201—94《防洪标准》,特别重要城市的防洪工程设计重现期应大于或等于200a；重要城市的防洪工程设计重现期应为200～100 a；中等城市的防洪工程设计重现期应为100～50 a。黄浦江上海市区段防汛墙的设计标准为千年一遇,考虑到上海的重要性及黄浦江防汛墙破坏后导致损失的严重性,初步将黄浦江防汛墙防御能力满足特别重要城市防洪标准的岸段定义为低风险区段,将不满足中等城市防洪标准的岸段定义为高风险区段,则黄浦江防汛墙漫溢风险评价准则见表3。根据拟定的标准,分别采用1984年和2004年潮位统计成果计算得出的黄浦江上海市区段防汛墙漫溢风险如表4所示。

表3 黄浦江防汛墙漫溢风险评价准则

图2 现状防汛墙漫溢风险分布（1984年潮位成果）

图3 现状防汛墙漫溢风险分布（2004年潮位成果）

表4 现状防汛墙漫溢风险

将模拟结果与图1结合来看,在采用相同潮位成果下同一设计潮位的区段内,防汛墙漫溢概率与防汛墙高程欠缺正相关,即现状防汛墙高程欠缺越大,漫溢概率也越大；在相同潮位成果不同设计潮位区段,漫溢概率不仅与防汛墙高程有关,还与不同区段采用的设计潮位有关。同样的潮位统计成果及高程欠缺下,黄浦江上游防汛墙的漫溢概率明显大于下游防汛墙的漫溢概率。例如采用1984年潮位统计成果时,在防汛墙高程欠缺0.2m时,下游吴淞口处防汛墙的漫溢概率为0.002,而上游南（北）沙港处的漫溢概率则为0.004。从图2与图3可以看出,虽然奉贤区防汛墙高程欠缺小于上游的杨浦区、虹口区、黄浦区,但奉贤区的漫溢风险明显超过上游这3个区。因此,在评价黄浦江防汛墙的防御能力时,不能只从防汛墙高程方面考虑,也应考虑到不同岸段采用的设计潮位对漫溢风险的影响。

如采用1984年潮位统计成果,现况工况下黄浦江上海市区段防汛墙约55％的岸段位于漫溢的低风险区,主要位于里程桩号0～40岸段；约34％的岸段位于中风险区；约11％的岸段位于高风险区,中高风险区域主要位于桩号40以上岸段。这表明受沉降等因素的影响,现状黄浦江防汛墙防御能力远未达到设计标准。

如采用2004潮位成果,即考虑到近年来黄浦江水位趋势性抬高的影响,现状工况下黄浦江上海市区段防汛墙仅约13％岸段位于漫溢的低风险区, 49％以上的岸段位于漫溢的中风险区,约38％的岸段位于漫溢的高风险区,黄浦江防汛墙防御能力明显不足。

从整体来看,黄浦江上海市区段防汛墙漫溢高风险区主要集中在上游段,即桩号50以上段,对此部分防汛墙防汛安全需特别注意。

3.2 远期防汛墙漫溢风险分析

为预测黄浦江上海市区段防汛墙远期（2020年）漫溢风险,在2004潮位统计成果的基础上,考虑海平面上升因素。根据《2013年中国海平面公报》[24],预计未来30年,上海沿海海平面将上升85～145mm。鉴于海平面上升对上海市远期防洪防潮的影响巨大,按最大预测上升速率4.8mm/a计算,则至2020年相应的多年平均最高潮位较2004年统计值上升80mm。

根据预测潮位,至2020年黄浦江防汛墙漫溢风险分布如图4和表5所示,此时仅约3％岸段位于漫溢的低风险区,约24％岸段位于漫溢的中风险区,约73％的岸段位于漫溢的高风险区,黄浦江防汛形势不容乐观。

图4 远期防汛墙漫溢风险分布

表5 远期防汛墙漫溢风险　％

4 结 论

a.受沉降及黄浦江水位抬升等因素影响,现状黄浦江上海市区段防汛墙防御能力远未达到设计标准。采用1984年潮位统计成果计算,约11％的岸段位于高风险区；采用2004年潮位统计成果计算, 约38％的岸段位于高风险区,高风险区段主要集中在上游。如考虑远期海平面上升的影响,则至2020 年,将有73％的岸段位于高风险区,黄浦江上海市区段防汛墙防御能力明显不足。

b.黄浦江防汛墙漫溢风险不仅与防汛墙高程有关,也与采用的设计潮位有关。同样的潮位成果和防汛墙高程欠缺下,黄浦江上游防汛墙的漫溢概率明显大于下游防汛墙的漫溢概率。在评价黄浦江防汛墙的防御能力时,不能只从高程方面考虑,也应考虑到不同岸段采用的设计潮位对漫溢风险的影响。

c.本文的风险评价准则是在GB50201—94《防洪标准》中不同城市等级防洪标准的基础上提出的,评价准则的代表性和可靠性尚需更深入的研究。另外,漫溢风险仅是防汛墙防汛风险的一个方面,防汛墙墙身稳定、墙前泥面冲刷趋势、地面沉降趋势,尤其是防汛墙失效后的影响评价,都是防汛墙风险研究的重要组成部分。综合评定黄浦江防汛墙防汛风险尚需更全面的研究。

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中图分类号:TV877

文献标志码:A

文章编号:1006- 7647（2016）03- 0057- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.012

基金项目:2015年上海市青年科技英才扬帆计划（15YF1411000）

作者简介:赵庚润（1985—）,男,工程师,硕士,主要从事河口海岸工程研究。E-mail:zhaogengrun@163.com

收稿日期:（2015- 04 20 编辑:郑孝宇）

Overtopping risk analysis of downtown section of flood wall in Shanghai along Huangpu River

ZHAOgengrun, LIYuwen, CUI Dong, DU Xiaotao（ShangHai Water Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200061, China）

Abstract:In order to determine the defensive capability of the downtown section of flood wall in Shanghai along the Huangpu River, usingmonitoring data of flood wall elevation from 2012 and design parameters of the flood wall along the Huangpu River, themonte Carlomethod was applied to calculate the overtopping probability of the flood wall with different tide levels under the current conditions and future conditions of sea level rise, propose evaluation criteria for overtopping risk analysis of the flood wall, and quantify the corresponding overtopping risk.The results show that the current defensive capability of the flood wall is clearly insufficient and Huangpu River flood prevention is inadequate considering the rising water level of the Huangpu River in recent years and the continuing sea level rise that will occur in the future.The high-risk area of overtopping is concentrated upstream of the downtown section of the flood wall.The overtopping risk of the flood wall is related not only to the lack of elevation but also to different designed tide levels adopted in different sections.

Key words:flood wall；overtopping risk；Monte Carlomethod；risk analysis；Huangpu River；Shanghai