何曉燕,黃金池
(中國水利水電科學(xué)研究院,北京100038)
水庫在發(fā)揮興利與防洪功能的同時也存在一定的安全風(fēng)險。從一般風(fēng)險的意義來看,水庫安全風(fēng)險總是客觀存在的,如何通過各種途徑認(rèn)識風(fēng)險,并通過采取有效措施降低風(fēng)險或?qū)L(fēng)險控制在可承受的范圍內(nèi)是現(xiàn)代社會人們十分關(guān)注的問題。汛限水位是水庫興利與防洪功能合理配置的重要特征值,對于發(fā)揮水庫綜合效益具有決定性作用,同時也是確定水庫安全風(fēng)險水平的關(guān)鍵因子,汛限水位的高低與水庫安全風(fēng)險有著直接的關(guān)系。
從已有的研究成果看,關(guān)于水庫汛限水位與水庫興利作用的關(guān)系相對比較清楚,分析計算方法一般也有較為統(tǒng)一的模式,但對于安全風(fēng)險方面則相對落后。2002年,國家防辦組織相關(guān)單位開展了水庫汛限水位專題研究工作,項目歷時3年,在汛限水位動態(tài)控制安全風(fēng)險研究方面也做了一些探索性的工作并相繼提出了一些初步成果,但由于我國在風(fēng)險評估和風(fēng)險控制方面的研究工作才剛剛起步,已有的研究成果還有待于進一步完善,尤其是在具體工程的實際風(fēng)險水平評價方面,現(xiàn)有的基本理論和實踐都還不能滿足工程安全評估的具體需求,嚴(yán)重制約著水庫汛限水位動態(tài)控制運用。
水庫汛限水位動態(tài)控制是指在汛期根據(jù)實時雨、水情信息及其預(yù)報成果,在不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)、確保水庫、上下游地區(qū)防洪安全的前提下,按照經(jīng)科學(xué)論證并經(jīng)有關(guān)部門審批的水庫汛限水位動態(tài)控制范圍對汛期運行水位進行浮動的調(diào)度過程。風(fēng)險,通俗地說是可能發(fā)生的損失。目前對風(fēng)險的定義沒有公論,說法不一。一般認(rèn)為風(fēng)險定義應(yīng)包括以下三方面的內(nèi)容:
(1)可能會發(fā)生什么事故(事故類型);
(2)發(fā)生該類型事故的可能性有多大(概率);
(3)發(fā)生該類型事故的后果如何。
水庫汛限水位調(diào)整風(fēng)險則特指由于水庫調(diào)度過程中自然、人為等不確定因素的影響,水庫系統(tǒng)風(fēng)險在汛限水位調(diào)整前后的變化。水庫系統(tǒng)主要包括水庫大壩、上游影響區(qū)和下游影響區(qū)三個風(fēng)險主體。
相應(yīng)地,水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險指的是由于水庫調(diào)度過程中自然、人為等不確定因素的影響,水庫系統(tǒng)在實施汛限水位動態(tài)控制前后的風(fēng)險變化,主要從風(fēng)險率變化和后果變化兩方面得以反映。對于上游影響區(qū)、水庫大壩和下游影響區(qū),其風(fēng)險率變化表達式如下。
上游:
水庫大壩:
下游:
式中:Z0、Z1分別為汛限水位動態(tài)控制運用前后的洪水起調(diào)水位;Z庫尾為水庫回水區(qū)末端水位;Z移民為水庫移民高程。研究中為了簡化計算,Z庫尾、Z移民分別取壩前水位和水庫上游移民安全標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的壩前水位。Z壩前、Z設(shè)計、Z校核分別為壩前水位、大壩設(shè)計洪水位和校核洪水位。Q下泄、Q安全泄量分別為水庫下泄流量、水庫下游的防洪安全泄量。采用以上公式計算時,起調(diào)水位Z0對應(yīng)的水庫調(diào)度方式為原規(guī)劃設(shè)計的調(diào)度方式,起調(diào)水位Z1對應(yīng)的水庫調(diào)度方式為動態(tài)調(diào)度方式。
后果變化主要通過上、下游淹沒面積變化得以反映。具體是指遭遇不同量級的典型標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫在實施汛限水位動態(tài)控制前后上、下游淹沒面積的變化量△A。其計算式為:
式中:A0上游為當(dāng)水庫遭遇某標(biāo)準(zhǔn)量級洪水時,以原規(guī)劃設(shè)計汛限水位起調(diào),采用原規(guī)劃設(shè)計調(diào)度規(guī)則進行調(diào)度時,相應(yīng)的庫區(qū)最大淹沒面積;A1上游為當(dāng)水庫遭遇同一標(biāo)準(zhǔn)量級洪水時,以動態(tài)調(diào)度上限水位起調(diào),采用動態(tài)調(diào)度方式進行調(diào)度時,相應(yīng)的庫區(qū)最大淹沒面積。A0下游為當(dāng)水庫遭遇某標(biāo)準(zhǔn)量級洪水時,以原規(guī)劃設(shè)計汛限水位起調(diào),采用原規(guī)劃設(shè)計調(diào)度規(guī)則進行調(diào)度時,相應(yīng)的下游最大淹沒面積;A1下游為當(dāng)水庫遭遇同一標(biāo)準(zhǔn)量級洪水時,以動態(tài)調(diào)度上限水位起調(diào),采用動態(tài)調(diào)度方式進行調(diào)度時,相應(yīng)的下游最大淹沒面積。
在水庫汛限水位動態(tài)控制過程中,水庫運行水位會隨著實時的水、雨情信息和預(yù)報信息而發(fā)生變化,汛限水位調(diào)整變化的幅度是根據(jù)降雨預(yù)報和洪水預(yù)報水平、水庫實際防洪標(biāo)準(zhǔn)、下泄能力、上游防洪標(biāo)準(zhǔn)、下游防洪標(biāo)準(zhǔn)及水庫調(diào)度人員水平等多方面因素綜合確定的。水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險分析主要是分析:(1)水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后水庫防洪能力的變化;(2)由于實時調(diào)度過程中自然、人為不確定因素的影響,導(dǎo)致水庫系統(tǒng)風(fēng)險在采用水庫汛限水位動態(tài)控制前后的變化。其中,水庫汛限水位動態(tài)控制之前的風(fēng)險相對應(yīng)的水庫水位是原設(shè)計的固定汛限水位,水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險相對應(yīng)的水庫水位是在動態(tài)調(diào)度過程中可能出現(xiàn)的最高水位。水庫系統(tǒng)風(fēng)險事件就是水庫系統(tǒng)的原設(shè)計約束條件。對于水庫上游影響區(qū),其設(shè)計約束條件為:當(dāng)水庫大壩遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時,庫水位為移民水位。對于水庫大壩,其設(shè)計約束條件為:當(dāng)水庫大壩分別遭遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時,庫水位分別為設(shè)計洪水位和校核洪水位。對于水庫下游影響區(qū),其設(shè)計約束條件為:水庫大壩遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫此時最大下泄流量為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下的安全泄量。通過水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險分析,需主要回答以下幾方面問題:
(1)水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后的防洪標(biāo)準(zhǔn)是否發(fā)生變化;
(2)庫區(qū)上游移民線以下區(qū)域的淹沒頻率、大壩安全(漫壩)風(fēng)險頻率和下游河道泄量超過安全泄量的頻率如何變化;
(3)特定情景下水庫大壩壩前最高水位變化、壩前水位超過某一水位歷時變化、最大下泄流量變化和最大下泄流量超過某一泄量歷時如何變化;
(4)特定情景下水庫上游影響區(qū)、下游影響區(qū)的淹沒后果如何變化;
(5)特定情景下水庫潰壩后果如何。
圖1所示為汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險分析采用的主要計算方法:在分析水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的變化時,采用調(diào)洪最高水位-汛限水位-入庫洪水頻率復(fù)相關(guān)曲線求解法,即基于調(diào)洪最高水位-汛限水位-入庫洪水頻率復(fù)相關(guān)曲線查詢水庫校核洪水位對應(yīng)入庫洪水頻率在水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后的變化。在分析庫區(qū)淹沒風(fēng)險率變化、大壩安全風(fēng)險率變化、大壩漫壩風(fēng)險率變化以及下游防洪風(fēng)險率變化時,通常采用的計算方法主要有蒙特卡羅方法、一次二階矩法、改進一次二階矩法、JC法等。水庫潰壩后果分析通常采用潰壩洪水計算數(shù)學(xué)模型,庫區(qū)淹沒范圍一般通過調(diào)洪演算確定水庫水位,再采用水平延伸法確定。此外,對于水庫上游影響區(qū)遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時、庫區(qū)水位超過某一特征水位歷時變化、水庫大壩遭遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時,壩前最高水位變化和壩前水位超過某一水位歷時變化,下游影響區(qū)遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時的最大下泄流量變化和下泄流量超過某一流量歷時變化等指標(biāo)值的確定,一般主要采用調(diào)洪演算方法。對于下游影響區(qū),當(dāng)需要進一步了解水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后的下游淹沒情況變化時,則需要通過河道洪水演進數(shù)學(xué)模型計算確定。
圖1 汛限水位動態(tài)控制的風(fēng)險分析方法Fig.1 Analysis method for risks in dynamic flood level control
水庫開展汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險評估工作,除須滿足國家規(guī)定的一些基本要求外,技術(shù)上還需滿足以下條件:
(1)已經(jīng)按照現(xiàn)行規(guī)范完成了水庫設(shè)計洪水成果復(fù)核的研究。
(2)已經(jīng)完成了水庫汛限水位動態(tài)控制域研究。
(3)已經(jīng)完成了水庫汛限水位動態(tài)控制方案的研究。
(4)對于利用降雨預(yù)報信息、洪水預(yù)報信息實施汛限水位動態(tài)控制的水庫,應(yīng)完成降雨預(yù)報信息和洪水預(yù)報信息可利用性分析的研究。
水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險評估的主要內(nèi)容包括:
(1)水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后的防洪標(biāo)準(zhǔn)變化;
(2)水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后水庫工程風(fēng)險主體的風(fēng)險事件發(fā)生概率,即防洪控制條件超越概率的變化;
(3)當(dāng)遭遇上游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫在實施汛限水位動態(tài)控制前后庫區(qū)淹沒范圍的變化;
(4)當(dāng)遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫在實施汛限水位動態(tài)控制前后下泄流量的變化和下游影響區(qū)淹沒范圍的變化。
在汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險評估中,風(fēng)險增量的大小通過多項指標(biāo)數(shù)值予以綜合反映。對于上游影響區(qū),風(fēng)險增量指標(biāo)為淹沒風(fēng)險率變化、庫區(qū)水位超過某一特征水位歷時變化和庫區(qū)淹沒范圍變化。淹沒風(fēng)險率變化是指當(dāng)遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后的水庫水位超過移民線的概率變化。庫區(qū)水位超過某一特征水位歷時變化是指當(dāng)遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫在汛限水位調(diào)整前后的水庫水位超過某一特征水位的歷時變化,該特征水位通常為水庫上游影響區(qū)風(fēng)險控制的特征水位。庫區(qū)淹沒范圍變化是指當(dāng)遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫汛限水位調(diào)整前后的水庫庫區(qū)淹沒面積變化。對于水庫大壩,風(fēng)險增量指標(biāo)為大壩安全風(fēng)險率變化、大壩漫壩風(fēng)險率變化、壩前最高水位變化和壩前水位超過某一特征水位歷時變化。大壩安全風(fēng)險率變化是指當(dāng)遭遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫汛限水位調(diào)整前后的水庫水位超過設(shè)計洪水位的概率變化。大壩漫壩風(fēng)險率變化是指當(dāng)遭遇校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫汛限水位調(diào)整前后的水庫水位超過校核洪水位的概率變化。壩前最高水位變化是指當(dāng)水庫分別遭遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫汛限水位調(diào)整前后的壩前最高水位變化量。壩前水位超過某一特征水位歷時變化是指當(dāng)水庫分別遭遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫汛限水位調(diào)整前后的壩前水位超過某一特征水位的歷時變化,該特征水位通常為水庫大壩風(fēng)險控制的特征水位。對于下游影響區(qū),風(fēng)險增量指標(biāo)為下游防洪風(fēng)險率變化、最大下泄流量變化和下泄流量超過某一泄量歷時變化。下游防洪風(fēng)險率變化是指當(dāng)遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫汛限水位調(diào)整前后的水庫下泄流量超過該標(biāo)準(zhǔn)洪水時相應(yīng)下游安全泄量的概率變化。最大下泄流量變化是指當(dāng)遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫在汛限水位調(diào)整前后的最大下泄流量變化。下泄流量超過某一特征流量歷時變化是指當(dāng)水庫遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫在汛限水位調(diào)整前后的下泄流量超過某一特征流量的歷時變化,該特征流量通常為下游影響區(qū)風(fēng)險控制的特征流量。
圖2 水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險評估指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation indexes for risks in dynamic flood level control
水庫汛限水位動態(tài)控制是相對于水庫采用固定的汛限水位靜態(tài)控制而言的,因此,水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險是一種相對風(fēng)險,是相對于原固定汛限水位條件的一種增量風(fēng)險。水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險評估時,風(fēng)險評估對象應(yīng)從水庫大壩本身、水庫上游影響區(qū)和下游影響區(qū)三個對象著手。水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險是由于水庫調(diào)度過程中自然、人為等不確定因素的影響,水庫系統(tǒng)風(fēng)險在實施汛限水位動態(tài)控制前后的風(fēng)險變化。
水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險評估的主要內(nèi)容包括:①水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后的防洪標(biāo)準(zhǔn)變化;②水庫實施汛限水位動態(tài)控制前后的水庫工程風(fēng)險主體的風(fēng)險事件發(fā)生概率,即防洪控制條件超越概率的變化;③遭遇上游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫在實施汛限水位動態(tài)控制前后庫區(qū)淹沒范圍的變化;④遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時,水庫在實施汛限水位動態(tài)控制前后下泄流量的變化和下游影響區(qū)淹沒范圍的變化。
水庫汛限水位動態(tài)控制風(fēng)險的大小需要通過上游影響區(qū)風(fēng)險、水庫大壩風(fēng)險和下游防洪風(fēng)險等指標(biāo)數(shù)值綜合反映?!?/p>
[1]國家防汛抗旱總指揮部辦公室.水庫汛限水位設(shè)計與運用研究總報告[R].2006,10.
[2]王棟,朱元甡.防洪系統(tǒng)風(fēng)險分析的研究評述[J].水文,2003(2):15~20.