[美國]　D. A. 馬戈 等

美國陸軍工程師團堤壩水文風險的評估與處理

[美國]D. A. 馬戈 等

摘要：美國陸軍工程師團(USACE)從僅基于過去40 a收集的水文數據進行分析研究，正逐步轉向風險指引型(risk-informed)決策機制。建立了隨機事件洪水模擬模型，并使用這些工具進行決策支持。USACE已識別出多座大壩存在嚴重漫頂風險，在對水文信息進行更新之后，發(fā)現(xiàn)一些大壩面臨的風險正在顯現(xiàn)。USACE擬定了溢洪道和泄洪口的穩(wěn)健設計策略，以適應假定水文條件的潛在變化。討論了處理漫頂風險的整體策略。

關鍵詞：大壩；灌頂風險；水文信息；風險策略；美國

美國陸軍工程師團(USACE)是一個聯(lián)邦水資源機構，負責美國本土和波多黎各大約700座大壩的運行與維護，其中多座大壩的設計與修建大都在1950～1980年間完成。大壩的作用主要體現(xiàn)在洪水風險管理、航運、供水、水力發(fā)電、環(huán)境管護、魚類和野生生物保護以及休閑娛樂方面。2004～2013年，USACE管理的大壩避免了大約5 000億美元的洪災損失，大壩的平均投資回報率大約是每投資1美元收益8美元。自1970年代以來，USACE一直堅持推進主動的大壩安全計劃，確保這些大壩的完整性。到目前為止，USACE管理的大壩中，一半以上已經超過其50 a的初始設計壽命，需要進行更新改造，并需要大量投資來維持其穩(wěn)定的運行。這些需要更新改造的大壩中有多座存在嚴重的漫頂風險。

1風險指引型方法的轉變

在20世紀80年代，USACE開始從新建大壩轉向對現(xiàn)有大壩的維護與更新改造。盡管當時已經認識到有必要開發(fā)和考慮概率性方法和風險指引型方法，但決策制定仍然是基于傳統(tǒng)的工程設計標準。通過大壩加高和溢洪道改造，對多座大壩進行了更新改造，以符合重新估算的可能最大洪水標準。2005年前后，USACE的大壩安全計劃經歷了重大的基礎性改變，USACE為該計劃引入了風險指引型方法?，F(xiàn)在，USACE采取的是一種多角度的方法來管理其大壩安全風險。風險指引型決策將傳統(tǒng)的工程分析與基于數據估算的風險相結合，以綜合考慮潛在的失事模式、可利用的數據、建筑記錄、案例以及專業(yè)的經驗與判斷。就管理大壩水文風險而言，這種向風險指引型決策的轉變?yōu)楣浪闼臑暮μ峁┝艘环N更為可信的方法，并能給出適應性更強的設計。

2美國水文設計歷史(1970年以前)

在1900年之前，工程師們不得不主要依賴其判斷和經驗來選擇入庫設計洪水。盡管水文循環(huán)的概念已被廣為接受，但當時水文還沒有成為一門科學，而且數據有限。大壩設計可資利用的信息通常是對過去洪水的歷史記錄或坊間證據。洪峰流量多根據高洪洪痕估算，并以其作為設計的主要依據。1800～1900年，多個與水文學相關的政府機構成立，包括美國陸軍工程師團(1802年)、地質調查局(1879年)和氣象局(1891年)。這些機構領導了一項全國性的地形測量和水文調查綜合計劃，從而推進了地表水觀測和數據收集工作的開展。

20世紀初，水文學研究取得進展，這包括建立了更為系統(tǒng)的水文數據收集體系，開發(fā)了多種基于流域特征值估算洪峰流量的方法和公式。

地質調查局負責全美地表水數據收集與維護。氣象局則負責全美降水數據的收集與維護。引入區(qū)域化分析方法，以便利用多個站點的觀測成果。利用外延、移植和包絡線的概念對未被觀測到的極端洪水進行估算。通過對區(qū)域內已被觀測到的最大洪水進行移植和包絡，可為可能出現(xiàn)的極端洪水估算增加置信度。

20世紀30年代出現(xiàn)的下滲和單位線理論，為水文學家估算入庫設計洪水提供了更為合理且科學的方法，使根據設計降雨事件估算設計洪水成為可能。一個區(qū)域觀測到的最大暴雨，可以被移植到研究流域，用于估算設計暴雨以及相應的入庫設計洪水。USACE采納了這一方法，并開始使用“溢洪道設計洪水”一詞。同時，這一概念也被接受，即極端洪水的出現(xiàn)是由一些非常規(guī)事件共同作用的結果。在估算入庫設計洪水時，就需要考慮其他額外的因素，如前期暴雨和積雪融化等。USACE管理的眾多大壩中，許多就是采用這種方法設計的。

統(tǒng)計學方法在水文學的利用始于19世紀中葉。水資源委員會1967年發(fā)布了第15號公報，為聯(lián)邦水資源規(guī)劃與開發(fā)機構提供了統(tǒng)一指南。隨后多次對這一文件進行了更新，包括1976年的第17號公報和1981年的第17B號公報。這些方法被用來評估洪水頻率及500 a一遇或更小洪水導致的洪水風險。

為了估算10 000 a一遇的入庫設計洪水，曾試圖將頻率曲線外延。后來基本上不再使用統(tǒng)計方法來估算極端洪水事件，因為出現(xiàn)了多個實測洪水遠遠超出了定義的洪水頻率關系的情況。當時，對使用外延法作為風險分析或設計極端洪水事件的基礎的信心不足。

可能最大降水概念出現(xiàn)在20世紀30年代，它以氣團分析為基礎。工程師們借助氣象學家來確立出于設計目的降雨量極限值。直到20世紀中葉國家氣象局首次發(fā)布水文氣象報告之前，這些概念都沒有在大壩設計中被廣泛開發(fā)或采用。世界氣象組織(WMO)也為估算可能最大降水發(fā)布了指南。這些報告為最大可能降水的估算提供了數據和方法。該方法的基礎是對已觀測到的極值降雨事件進行移植、最大化和包絡。其中最早的水文氣象報告(HMR)是HMR 39 (1963年)，最近的則是HMR 59 (1999年)。這些通用概念和方法至今仍在使用，HMR的許多方法至今仍然用來估算入庫設計洪水。

3USACE水文設計實踐(1970～2005年)

繼西弗吉尼亞州的布法羅(Buffalo)河壩和南達科他州的壩寧(Canyon)湖壩失事之后，美國國會于1972年通過了《國家大壩檢查法案》，USACE牽頭執(zhí)行該法案的有關規(guī)定，包括對國內所有大壩進行建檔并檢查。為完成這一任務，首個實用的入庫設計洪水標準及大壩分類系統(tǒng)在1974年得以實施。USACE所轄的許多洪水風險管理大壩被確定為不符合這些基本設計指南，因為這些大壩當初并非按最大可能洪水(PMF)設計，或者與原先設計的PMF的估算相比，已發(fā)生變化。

1979年，聯(lián)邦應急管理局發(fā)布了首個大壩安全國家標準，為大壩聯(lián)邦機構業(yè)主和受聯(lián)邦機構管理的大壩業(yè)主提供了指南。這些指南支持在選擇入庫設計洪水時使用風險分析方法，并特別指出，如果大壩失事可能導致生命損失，則必須按最大可能洪水進行設計。這一方法反映了水文實踐的現(xiàn)狀。至此，統(tǒng)計方法在水文學中的使用得以確立，但還不能用來推斷極端事件。

在接下來的20 a里，USACE投入巨資對水文設計條件不夠充分的大壩進行了更新改造，使得它們可以通過入庫設計洪水指標。大壩建設時代逐漸退出舞臺，USACE轉向對大壩改造和現(xiàn)代化管理時代。對水文設計條件進行修正，一般包括使用護墻進行壩體加高，或者通過新建或修改溢洪道設計來增加泄流能力。在這一期間，入庫設計洪水指南相關細則得以更新發(fā)展。例如，依據高度對大壩進行分類的條款從入庫設計洪水選擇指南中剔除，其基礎原則即高風險大壩應按PMF設計則保持不變。

大壩安全管理向風險指引型方法的轉變始于20世紀80年代，當時，USACE發(fā)布了對已建大壩水文設計條件進行修正的評估指南。這些指南包括了對大壩失事后果的考慮，其中之一就是潛在生命損失。需要在降低風險與改造費用之間進行權衡。不過，采用的分析工具和方法仍然不太成熟，這樣，對風險的完全定量評估并不普遍。如果大壩失事與否，其間的差異不大，則也可以選用小于PMF的設計入庫洪水。替代方案以降低風險和剩余風險為基礎，而不僅僅是簡單地選擇最小費用的方案。

同樣是在80年代，出臺了國家經濟和環(huán)境指南，以指導聯(lián)邦水資源投資項目的設計和評估，使項目投資對國家經濟發(fā)展的貢獻率最大化。實現(xiàn)這些目標需要對經濟損失和洪水風險進行評估。此后不久，USACE采用了風險指引型方法來對堤防和類似的水資源基礎設施進行評估和設計。對因水文設計條件缺乏而存在安全問題的大壩的改造要求，并沒有因為這些指南受到太大的影響或改變，而對存在其他安全問題大壩的改造，如內部侵蝕，則受到這些指南的影響，包括需要對經濟和生命損失風險進行明確評估。盡管進行了風險估算，但是總體上，USACE和整個行業(yè)對所使用的工具、方法和結果缺乏經驗和把握，尤其是對極端事件頻率、不同荷載情況下的潰壩概率以及潛在生命損失的估算更是如此。盡管生命安全決策是隱性做出的，但該機構顯然并沒有準備好采用主要關注生命安全風險顯性估值的策略。對高風險項目按照傳統(tǒng)嚴格的設計標準進行評估和設計，依然是相關安全決策的基礎。因此，對水文數據和入庫設計洪水估值的更新方面的投資，優(yōu)先級通常都較低。隨著時間的推移，這些策略和指南的確得到了發(fā)展，并得到了研發(fā)領域投資的支持，只是進展相對緩慢。

4水文設計實踐現(xiàn)狀與未來

2005年，USACE轉向風險指引型大壩安全管理模式，相應地，該機構評估水文危害和設計水工建筑物的實踐也隨之發(fā)生改變。國家關于選擇和提供入庫設計洪水的指南也在2013年進行了更新，這些指南包括使用風險指引型方法來評估水文危害和選擇設計洪水。在這一框架下，大壩安全決策需要入庫設計洪水和水文危害的最新估值，并且這些估值以可資利用的最好數據和科學為基礎。

設計也需要水工建筑物性能好和適應力強，可以在不同荷載條件下運行。為此，USACE和其他聯(lián)邦機構在過去5～10 a里采取了一系列舉措，這些舉措反映了USACE水文設計和危害分析實踐的現(xiàn)狀。

4.1暴雨數據

從歷史暴雨觀測得到的降水數據是水文研究的關鍵信息之一。然而，絕大多數現(xiàn)有數據都不是最新的，而且只以紙質方式保存。目前，USACE正在牽頭一項多機構參與的活動，旨在建立一個國家地理空間數據庫，該數據庫將納入現(xiàn)有記錄，并收集自1973年USACE最后一次發(fā)布暴雨目錄及1999年上一次發(fā)布HMR以來發(fā)生的降水事件的暴雨數據。通過該項目，可增加幾十年的暴雨數據。這些暴雨數據正用于支持多座USACE大壩PMP的估算，包括布盧斯通(Bluestone)壩和瑪爾提斯河(Martis Creek)壩。

4.2最大可能降水

作為估算入庫設計洪水基礎的HMR已經存在了20～50 a。USACE最大可能降水的最新估算以具體站點的研究為基礎，遵循WMO發(fā)布的方法和指南，并且考慮了新近發(fā)生暴雨數據。這些研究提供了更為可靠的入庫設計洪水估值。到目前為止，總體而言，所完成的具體站點PMP估值，要比從HMR報告推導出來的一般化的PMP估值要小10%。

4.3降水頻率

美國國家氣象局通過發(fā)布系列出版物NOAA圖集第14冊，正在對全國范圍內基于頻率的降水估值進行更新。目前，在50個州中，給出了38個州基于頻率的點雨量估值，這些降水重現(xiàn)期1 000 a一遇、歷時5 min到60 d不等。正在對另外7個州展開研究。這些估值以區(qū)域化方法為基礎，使用線性矩法(L-矩法)，并包含了自20世紀60年代發(fā)布最后一次估值以來新增的幾十年數據。這些頻率降水估值可以填補觀測流量記錄與更極端洪水事件之間的缺口。頻率降水估值已經用來對多座大壩的水文-危害關系進行延展。

4.4洪水頻率

正在對國家洪水頻率分析指南進行更新。目前使用的方法是1981年出版的公報17B中發(fā)布的。這些更新中將包括期望矩算法(EMA)的使用，該方法被證明提高了吸收歷史洪水和古洪水信息的能力。分析中將采用該方法綜合USACE多個壩址的古洪水信息。

4.5古洪水分析

USACE正在研究將古洪水數據用到堤壩水文危害評估中。古洪水水文學是對過去洪水的地質記錄進行研究，這些洪水發(fā)生在有人類觀測或直接記錄之前。這些估值可用來支持展延水文危害關系，提供歷史洪水頻率方面的有用信息。2015年，USACE分別在魯克奧特坡因特(Lookout Point)壩、加里森(Garrison)壩和波爾芒特(Ball Mountain)壩開展了試驗研究。

4.6隨機模擬

可以對確定性水文模型進行重建，從而將輸入參數當作概率變量。使用蒙特卡洛采樣技術維護實際觀測到的統(tǒng)計特性，包括參數之間存在的依存關系。

通過模擬概率輸入參數的自然變化特性，這些參數可用來估算極端洪水的概率，模擬那些生成極端洪水事件的因素組合情況，如較大土壤前期濕度加上極端降雨的組合。

也可以通過對模型輸入參數不確定性信息的模擬，來對水文危害估值本身具有的不確定性進行評估。正在對多座大壩進行隨機洪水模擬，包括赫伯特胡佛(Herbert Hoover)壩、布盧斯通壩和瑪爾提斯河壩。

5已建大壩水文條件的修正

在20世紀早期至中葉修建的大壩，通常都使用閘門來調節(jié)溢洪道的下泄量并提供防洪庫容。溢洪道閘門的設計與選擇，在20世紀早期多使用直升式定輪閘門，而到了中葉則幾乎完全使用弧形閘門。采用閘控溢洪道，一方面可以有更大的庫容，另一方面可以增強對下泄流量的控制。溢洪道設計實踐中，也包括使用被動式的、開敞自流式溢洪道。這種設計降低了由漂浮物帶來的風險，消除了機械故障和人為失誤造成的危害。開敞溢洪道的下泄流量，決定了可預測的水庫下泄量，入庫洪水得到調節(jié)，從而避免了因為溢洪道調度而導致的下游洪災增加的潛在風險。

USACE管理的眾多大壩和溢洪道都是按照設計洪水進行設計和修建的，而這些設計洪水比目前的PMF估值要小。這樣，它們就不滿足當前USACE設計指南中關于水文設計條件充分的指標。在2005年之前，重點是放在水文設計條件的修正上，諸如以入庫設計洪水的單一估值為基礎的溢洪道。目前，USACE的設計實踐正在不斷發(fā)生演變，以便開展更詳細的水文研究，并能更好地理解水文風險以及在此基礎上開發(fā)更好的更新方案，從而減少并處理在這些全荷載條件下的風險。通常從以下方面對水文設計條件的缺乏進行修正。

(1) 增加水庫庫容。對已建大壩加高，是增加水庫庫容的一種常用的有效手段，因為隨著大壩加高，水庫面積和容積通常會呈指數級增加。提高庫水位將增加庫容，從而削弱洪水，同時也可以增加現(xiàn)有溢洪道和排泄工程的下泄能力。

(2) 增加水庫下泄能力。修建輔助溢洪道，可以提高下泄能力，通過入庫設計洪水。不過，如果設計不當，輔助溢洪道則可能使下游居民遭遇的殘余淹沒風險增加。

(3) 調整水控計劃。許多水庫調度方案的水控計劃都是針對大壩修建時的流域情況制定的。然而，隨著時間推移，流域的水文條件和開發(fā)量都會發(fā)生變化。對流域當前特征的了解以及提高洪水預報能力，將有助于對水控計劃的調整。這些調整可以支持洪水期間更好的調度決策，并提高項目潛在的效益。不需要對大壩進行任何工程上的改變，就可能實現(xiàn)這些效益。

USACE當下正在規(guī)劃、設計和施工的溢洪道改造項目證明了風險指引型方法的優(yōu)勢，它可以提供一個更為穩(wěn)健的決策平臺。這一方法系統(tǒng)性地處理了水文問題，降低了公眾面臨的風險，同時采用一種更為經濟有效的手段來實施更新改造。下面給出了一系列USACE采用的降低水文和漫頂風險的方案。水文條件修正涉及的項目具有如下特征：增加庫容和下泄能力，以及調整水控計劃以便通過各種洪水并減少項目總投資。

5.1佛爾瑟姆(Folsom)壩

USACE和墾務局聯(lián)合為佛爾瑟姆壩的新溢洪道開發(fā)了一種創(chuàng)新型的消力池設計。該消力池設計的水流速度大于41.7 m/s，單寬流量超過94 m2/s。與傳統(tǒng)的高流速消力池相比，該設計大大降低了消力池的長度和墻體高度，其最大好處在于，降低了建設費用并減小了空蝕損害風險。棋布式消力墩示意圖見圖1。

圖1　超空化棋布式消力墩示意

5.2布盧斯通壩

正在為布盧斯通壩設計一個超空化水躍消力池，處理現(xiàn)有消力池存在的下泄能力不足和侵蝕問題。該設計將使泄洪能力從大約11 327 m3/s增加到33 980 m3/s，允許大壩加高，通過目前的入庫設計洪水。

5.3佩克堡(Fort Peck)壩

佩克堡壩的新水躍消力池是碾壓混凝土技術的獨特應用。該消力池目前正在修建中，其設計用來增加下泄能力，通過目前的入庫設計洪水。

5.4森特希爾(Center Hill)壩

正在設計一個新的RCC重力結構物來降低現(xiàn)有副壩(該副壩也兼作輔助自潰式溢洪道)失事的風險。該結構物可以改善副壩的性能，同時降低在自潰式溢洪道啟動時副壩潰口的風險。

5.5佛爾瑟姆壩

目前正在興建的低水位輔助溢洪道和泄流建筑物，可以在極端洪水事件之前提供足夠下泄能力下泄水庫蓄水，以為遭遇入庫設計洪水時提供更多庫容。正在開發(fā)水控計劃，以支持該設計的實施。

5.6伊莎貝拉(Isabella)壩

該項目中，一種創(chuàng)新型的弧形設計將改善引水條件，并提高迷宮堰的效率。同時，根據該設計，在上游棄用了一個厚1.5 m的水泥地板，混凝土用量減少了20%，節(jié)省了大筆投資。迷宮型設計以猶他州立大學進行的一項研究為基礎。在不需要對現(xiàn)行大壩調度進行任何改變的情況下，該設計通過1條被動式輔助溢洪道，增加下泄能力。大壩加高配合使用迷宮型溢洪道，大壩下游居民潛在的洪災風險得到緩解。

5.7坎頓(Canton)壩

世界上最大的自潰式閘門最近在坎頓壩上安裝完成，它提供了額外的下泄能力，通過目前的入庫設計洪水。

6設計理念的轉變

最近對多個項目的改造耗費巨大，彰顯了轉變溢洪道設計理念的必要性。現(xiàn)行方法已不足以用來設計針對單一靜態(tài)的洪水估值。氣候變化、新數據以及人們對水文學的認識的加深，將對估算水文危害及其相應風險產生影響，而這種累計效應是很難預測的。同時，在已得出的極端洪水事件估值中，存在大量的不確定性。從風險指引型角度考察水工建筑物可發(fā)現(xiàn)，依賴被動式解決方案的建筑物比那些依賴主動式解決方案的建筑物更加穩(wěn)健，適應力更強。主動式解決方案包括那些在汛期必須移動的建筑物或那些需要常規(guī)維護的建筑物，而被動式解決方案建筑物主要依賴重力，極少需要維護或操作。

隨著水文學的不斷演變，一些項目有可能需要適應更多的極端洪水事件。對已建大壩進行改造、增加下泄能力的成本會非常昂貴。為此，有必要考慮如超空化溢洪道這類建筑物，其可以設計用來適應超出設計流量的洪水，而不需要進行大的改造。這些建筑物更加穩(wěn)健，適應力更強，可延長項目的運行壽命。

7結語

2005年以來，USACE使用風險指引型方法對大壩和堤防進行了評估和改造，而該方法的基礎是采用先進的水文模擬和水工建筑物設計方法。與只考慮單一設計荷載條件不同，目前決策都是以考慮所有潛在荷載的綜合評估為基礎。先進水文技術包括使用復雜水文系統(tǒng)的隨機模擬、新出現(xiàn)的洪水預報技術以及有關降雨、徑流和積雪場的附加數據。

通過對胡佛壩水文災害的進一步認識和研究，節(jié)省大壩安全改造費用數百萬美元。同樣地，USACE采用了先進的水工建筑物設計理念，包括使用被動式溢洪道、考慮極端洪水的頻率估值以及使用更高效的水工建筑物和消力池。通過這些方法，大大節(jié)省了溢洪道改造的設計與施工成本。

錢卓洲譯

(編輯：朱曉紅)

收稿日期：2015-12-28

文章編號：1006-0081(2016)04-0017-05

中圖法分類號：X820.4

文獻標志碼：A