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        黃河流域梯級水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)評估與管控的戰(zhàn)略思考

        2023-08-27 15:41:53李宗坤王特葛巍景來紅羅秋實(shí)楊風(fēng)威宋志宇馬福恒
        人民黃河 2023年7期

        李宗坤 王特 葛巍 景來紅 羅秋實(shí) 楊風(fēng)威 宋志宇 馬福恒

        摘 要:梯級水庫群的安全是保障黃河長治久安、促進(jìn)全流域高質(zhì)量發(fā)展的客觀要求。針對梯級水庫風(fēng)險(xiǎn)格外復(fù)雜、難以量化的問題,基于系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)識別與分析,將梯級水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)分為自身風(fēng)險(xiǎn)和附加風(fēng)險(xiǎn),將潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果分為直接后果和潛在后果,建立了梯級水庫與單個(gè)水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法的有效銜接。以連潰條件概率量化風(fēng)險(xiǎn)的傳遞和疊加程度,提出了用于梯級水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算和潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果評估的相關(guān)理念和方法。針對不同梯級水庫類別并結(jié)合“四預(yù)”措施,分別從降低風(fēng)險(xiǎn)概率和減小風(fēng)險(xiǎn)后果層面指明了梯級水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)管控的方向,可為黃河流域梯級水庫群規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行管理提供參考。

        關(guān)鍵詞:梯級水庫;風(fēng)險(xiǎn)概率;潰壩后果;洪水;黃河流域

        中圖分類號:TV698;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2023.07.001

        引用格式:李宗坤,王特,葛巍,等.黃河流域梯級水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)評估與管控的戰(zhàn)略思考[J].人民黃河,2023,45(7):1-6.

        黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的實(shí)施,為黃河流域發(fā)展帶來了新機(jī)遇[1-2] 。梯級水庫群作為黃河流域水安全保障的重要基礎(chǔ)設(shè)施,在支撐流域高質(zhì)量發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的作用,其安全穩(wěn)定事關(guān)國家安全、經(jīng)濟(jì)安全、能源安全、糧食安全和生態(tài)安全。近年來氣候變化導(dǎo)致的極端暴雨事件頻發(fā),水庫潰壩事件時(shí)有發(fā)生[3-4] 。相比于單一水庫,梯級水庫之間的風(fēng)險(xiǎn)具有傳遞和疊加效應(yīng),某一梯級水庫潰壩極易造成下游梯級水庫連潰,在一定程度上給流域安全帶來更大的風(fēng)險(xiǎn)[5] 。隨著黃河流域梯級水庫開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)和公眾自我防護(hù)意識的提高,梯級水庫的風(fēng)險(xiǎn)問題已經(jīng)上升為公共安全問題,亟須對梯級水庫群進(jìn)行全流域、全生命周期的風(fēng)險(xiǎn)評估與管控,確保工程安全和黃河安瀾。

        根據(jù)國際大壩委員會(ICOLD)的定義,水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)一般表示為失事概率與后果的乘積[6-7] 。目前我國的水庫大壩管理方式正從傳統(tǒng)的安全管理向風(fēng)險(xiǎn)管理轉(zhuǎn)變,用于風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算與風(fēng)險(xiǎn)后果評估的方法和技術(shù)日漸豐富,但大多僅針對單個(gè)水庫,對于梯級水庫群風(fēng)險(xiǎn)的研究尚顯不足。李炎隆等[5] 對梯級水庫群風(fēng)險(xiǎn)分析研究成果進(jìn)行了綜述,明晰了關(guān)鍵科學(xué)問題和后續(xù)研究重點(diǎn)。周建平等[8] 提出梯級水庫群的工程設(shè)計(jì)要充分考慮流域梯級水庫間的相互影響,初步構(gòu)建了流域梯級水庫群風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)方法與風(fēng)險(xiǎn)管控體系。Wang 等[9-11] 分析了梯級水庫群風(fēng)險(xiǎn)的傳遞和疊加效應(yīng),提出了風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算、潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果評估和工程等級劃分的相關(guān)理念和方法。現(xiàn)有成果為梯級水庫風(fēng)險(xiǎn)管理提供了思路,但對于系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)演化機(jī)制和量化方法的研究尚不夠深入,且準(zhǔn)確性和實(shí)用性有待在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步論證[11] 。

        為使梯級水庫群高效服務(wù)于黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略,一方面,應(yīng)充分發(fā)揮其在水旱防御、發(fā)電、灌溉和泥沙調(diào)控等方面的積極效益;另一方面,必須重視梯級水庫群的風(fēng)險(xiǎn)問題,并對其進(jìn)行科學(xué)的評估與管控,從而減小其負(fù)面影響。本文基于黃河梯級水庫群概況和風(fēng)險(xiǎn)分析方法,從梯級水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算和潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果評估兩方面進(jìn)行了探索與思考,提出了相關(guān)計(jì)算方法和風(fēng)險(xiǎn)管控建議,以期完善大壩風(fēng)險(xiǎn)管理理論、提高流域梯級水庫群管理水平。

        1 黃河流域梯級水庫群概況與風(fēng)險(xiǎn)分析

        《黃河近期重點(diǎn)治理開發(fā)規(guī)劃》和《黃河流域綜合規(guī)劃(2012—2030 年)》明確提出要持續(xù)推進(jìn)黃河上中游梯級水庫群建設(shè),形成以龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、三門峽和小浪底等骨干水利樞紐工程為主體的黃河水沙調(diào)控體系[12-13] ,構(gòu)成相對完善的梯級水庫群系統(tǒng)。黃河干流主要梯級水庫分布及參數(shù)見圖1 及表1。

        根據(jù)相關(guān)資料分析[1-2] ,在自然因素層面,黃河流域梯級水庫群主要存在以下風(fēng)險(xiǎn):

        1)洪水。洪水引起的漫頂是水庫大壩最主要的失事類型,占比超過50%[14] 。梯級水庫群中洪水的來源主要是天然洪水與上游潰壩洪水。其中:天然洪水是由自然降雨和區(qū)間匯流產(chǎn)生的自然性洪水;上游潰壩洪水指因上游梯級水庫潰壩傳遞而來的潰壩洪水,往往通過河道峽谷直接演進(jìn)至下游水庫,導(dǎo)致下游庫水位驟升甚至漫頂而發(fā)生連潰。歷史上黃河洪水頻發(fā),決口改道頻繁,災(zāi)難深重。黃河流域上中游較大洪水由暴雨形成,主要出現(xiàn)在7 月和9 月,具有緩漲緩落、歷時(shí)長、洪峰不高、洪量大和以單峰型為主的特點(diǎn)[1] 。

        2)地震。地震除了直接造成水庫大壩及泄水建筑物破壞,其強(qiáng)烈作用以及余震的反復(fù)振動沖擊還會使庫岸土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和變化,誘發(fā)庫區(qū)滑坡并產(chǎn)生涌浪,最終引發(fā)漫頂。黃河流域是中國地震活動的多發(fā)區(qū),中上游高原區(qū)眾多的深溝、陡崖在地震活動影響下極易發(fā)生次生災(zāi)害[15] 。特別是梯級水庫群,在發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)誘發(fā)的滑坡崩塌等危害比地震直接造成的損失還要大[16] 。

        3)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。黃河流經(jīng)的黃土高原,土壤結(jié)構(gòu)疏松, 廣泛存在滑坡發(fā)生的基本條件[17-18] 。據(jù)統(tǒng)計(jì),龍羊峽至劉家峽河段有多達(dá)43 個(gè)滑坡、傾倒體、變形體等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),治理工程量大、資金投入多且難以徹底治理[15] 。河流侵蝕、梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度,以及緊急泄洪等非常工況引起的庫水位驟降,都是誘發(fā)滑坡的主要風(fēng)險(xiǎn)因素?;略谔菁壦畮烊褐兄饕憩F(xiàn)為庫岸滑坡和壩體滑坡。其中:庫岸滑坡指近壩庫岸的失穩(wěn)滑動,滑坡體圍堵河道形成堰塞體或產(chǎn)生涌浪導(dǎo)致漫頂失事;壩體滑坡指因大壩壩坡失穩(wěn)而引發(fā)的潰壩。

        從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度來看,目前黃河上中下游、左右岸、不同區(qū)域管理體制尚不完善,各?。▍^(qū))間政策法規(guī)存在一定程度的矛盾,存在“九龍治水” 問題[1-2] 。此外,梯級水庫工程設(shè)計(jì)與管理采用的是單一水庫的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與方法。參建單位和交叉作業(yè)多,管理難度大,同流域內(nèi)各梯級電站間的應(yīng)急預(yù)案缺乏聯(lián)動和銜接,尚未形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的流域安全管理與風(fēng)險(xiǎn)防控體系[1] 。這些因素都為流域梯級水庫群風(fēng)險(xiǎn)管理和控制帶來了巨大挑戰(zhàn)。

        2 梯級水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算

        2.1 梯級水庫大壩系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析與劃分

        將梯級水庫群看作一個(gè)系統(tǒng), 根據(jù)災(zāi)害學(xué)理論[19] ,天然洪水、地震及庫區(qū)滑坡為該系統(tǒng)中主要的致災(zāi)因子;潰壩洪水作為系統(tǒng)中各梯級單元之間風(fēng)險(xiǎn)傳遞及疊加的載體,既是下游梯級水庫的致災(zāi)因子,又是梯級系統(tǒng)中的傳災(zāi)體;各梯級水庫大壩(圖2 中M、N、K)是風(fēng)險(xiǎn)的直接承受體,即風(fēng)險(xiǎn)事故直接指向的對象,為系統(tǒng)中的承災(zāi)體。

        為減小梯級水庫群大壩風(fēng)險(xiǎn)分析及概率計(jì)算的復(fù)雜性,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的來源,將梯級水庫群中某一梯級大壩的總風(fēng)險(xiǎn)分為自身風(fēng)險(xiǎn)(OR ) 和附加風(fēng)險(xiǎn)(AR ) 兩部分[9] 。自身風(fēng)險(xiǎn)指不考慮上游梯級水庫影響,某梯級大壩在自身風(fēng)險(xiǎn)因素作用下失事的概率,與梯級水庫群系統(tǒng)中的各致災(zāi)因子相對應(yīng);附加風(fēng)險(xiǎn)由上游梯級水庫通過潰壩洪水傳遞而來,與梯級水庫群系統(tǒng)中的傳災(zāi)體相對應(yīng)。

        2.2 自身風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型的構(gòu)建

        梯級水庫大壩自身風(fēng)險(xiǎn)即不考慮上游潰壩洪水作用的單庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)概率,可按照傳統(tǒng)的大壩風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。常用于大壩風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算的數(shù)學(xué)模型有事件樹、故障樹、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等[20] 。根據(jù)梯級水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)識別結(jié)果及風(fēng)險(xiǎn)因素作用關(guān)系,構(gòu)建各梯級水庫大壩自身風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型,如圖3 所示。該貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的推理計(jì)算需要輸入兩類概率值,一是最外層父節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率,二是各子節(jié)點(diǎn)相對應(yīng)的條件概率。用于確定風(fēng)險(xiǎn)概率的方法總體上可分為絕對性方法和相對性方法[9] 。其中,絕對性方法的計(jì)算結(jié)果具有相通性,不同方法所得概率可直接進(jìn)行比較和計(jì)算,包括資料統(tǒng)計(jì)法、專家經(jīng)驗(yàn)法和可靠度方法等[20-22] 。

        2.3 附加風(fēng)險(xiǎn)的量化

        附加風(fēng)險(xiǎn)由上游梯級水庫傳遞而來,指因上游梯級水庫潰壩而造成所研究梯級水庫潰壩(連潰)的風(fēng)險(xiǎn)概率,因此其大小取決于兩個(gè)因素:一是上游梯級水庫的潰壩概率,可視為附加風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的根源和基數(shù);二是上游水庫潰壩造成該梯級水庫也發(fā)生潰壩的條件概率(連潰條件概率),也即相鄰梯級水庫間風(fēng)險(xiǎn)傳遞及疊加程度[11] 。鑒于梯級水庫運(yùn)行期庫水位的不確定性,上游梯級水庫潰壩能否造成下游梯級水庫連潰具有一定的隨機(jī)性。根據(jù)各梯級水庫水位分布進(jìn)行庫水位組合的抽樣并統(tǒng)計(jì)下游梯級水庫漫壩的次數(shù),以漫壩頻率作為連潰條件概率[11-13] ,如圖4 所示。

        式中:CM為M 總的潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果,DC為直接后果,PCNK和PCK為潛在后果。

        4 梯級水庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)管控

        4.1 降低潰壩風(fēng)險(xiǎn)概率

        由風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算分析可知,梯級水庫總潰壩風(fēng)險(xiǎn)概率等于自身風(fēng)險(xiǎn)和附加風(fēng)險(xiǎn)之和,而附加風(fēng)險(xiǎn)取決于連潰發(fā)生的條件概率。因此,梯級水庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)管控應(yīng)從以下兩個(gè)方面入手:一方面,結(jié)合傳統(tǒng)工程安全管理,采取工程措施,提高水庫大壩本身的安全性(防洪及結(jié)構(gòu)安全);另一方面,根據(jù)各梯級水庫風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算結(jié)果及在整個(gè)系統(tǒng)中的“角色”,按照薄弱梯級、一般梯級和控制梯級對各梯級水庫進(jìn)行分類,分別制定針對性的風(fēng)險(xiǎn)管控措施[9] 。

        薄弱梯級水庫作為系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)觸發(fā)的“短板”,其風(fēng)險(xiǎn)防控的首要目標(biāo)是保證自身不潰壩,防控措施主要是對防洪標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整及對大壩結(jié)構(gòu)、滲流、抗震及金屬結(jié)構(gòu)的除險(xiǎn)加固,以降低其自身失事概率;控制梯級水庫起截?cái)?、削弱系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)傳遞的作用,應(yīng)提高其調(diào)水調(diào)沙和抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水的能力,以保證其在極端情況下?lián)碛凶銐虻膸烊輥頂r蓄上游洪水;一般梯級水庫自身失事概率往往不高,但易在上游潰壩洪水下形成連潰,其風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)應(yīng)為提高應(yīng)急調(diào)度和緊急泄洪能力,確保在極端工況下不增大系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。此外,在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)基于風(fēng)險(xiǎn)管理理念充分論證各梯級水庫的選址和布局,如在梯級水庫下游增設(shè)庫容較大的水庫作為控制梯級,為流域安全加裝“保險(xiǎn)閥”。梯級水庫劃分及風(fēng)險(xiǎn)管控如圖8 所示。

        4.2 減輕潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果

        由圖7 及式(4)可知,梯級水庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果主要取決于連潰發(fā)生概率和潰壩洪水下的淹沒損失。而潰壩淹沒損失除了受淹沒范圍、水深、流速等因素影響,還與人口分布、建筑物類型、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人們的風(fēng)險(xiǎn)意識等社會因素有關(guān)[3] 。因此,梯級水庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果的管控除需通過工程措施嚴(yán)格控制連潰發(fā)生概率外,還應(yīng)在分析風(fēng)險(xiǎn)后果形成機(jī)理的基礎(chǔ)上,對人口、財(cái)產(chǎn)分布等影響潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果的關(guān)鍵因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避與轉(zhuǎn)移,充分發(fā)揮預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等非工程措施的重要作用[27] 。

        在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)層面,采用先進(jìn)科學(xué)的技術(shù)手段提高重大災(zāi)情預(yù)報(bào)和潰壩淹沒損失預(yù)測的準(zhǔn)確性和實(shí)用性;在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警層面,根據(jù)連潰概率計(jì)算結(jié)果對高風(fēng)險(xiǎn)梯級進(jìn)行及時(shí)預(yù)警,界定受洪水威脅較高的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域并編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,為風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人口、工礦企業(yè)、交通干線及其他重大基礎(chǔ)設(shè)施的搬遷和改線提供依據(jù);在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)演層面,緊密結(jié)合智慧水利和數(shù)字孿生等技術(shù),開展?jié)魏樗葸M(jìn)分析和人口撤離行為模擬[28] ;在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案層面,制定極端洪水下梯級水庫調(diào)度與決策方案,科學(xué)規(guī)劃避難場所與轉(zhuǎn)移路徑,完善流域突發(fā)事件應(yīng)急與處置體系[29-30] 。梯級水庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果管控如圖9 所示。

        5 結(jié)論與建議

        梯級水庫群在流域防洪與資源利用上為人類帶來了益處,然而一旦某一梯級水庫潰壩,就會給下游梯級水庫防洪帶來巨大壓力,極易導(dǎo)致大壩連潰,造成嚴(yán)重?fù)p失。實(shí)現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展,必須重視梯級水庫群風(fēng)險(xiǎn)評估與管控。本文對梯級水庫大壩系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了思考與分析,通過連潰條件概率量化風(fēng)險(xiǎn)的傳遞和疊加效應(yīng),提出了梯級水庫群大壩風(fēng)險(xiǎn)評估的相關(guān)理念與方法,使大壩風(fēng)險(xiǎn)評估方法從單個(gè)水庫向梯級水庫群過渡。為進(jìn)一步提高研究成果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性,建議在今后的理論研究與工程實(shí)踐中特別關(guān)注以下幾個(gè)方面:

        1)加快對梯級水庫群大壩風(fēng)險(xiǎn)分析及量化方法的探索。無論是風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算還是風(fēng)險(xiǎn)后果評估,梯級水庫群大壩風(fēng)險(xiǎn)研究中不確定性因素的處理將對最終結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此,提出多重不確定條件下的梯級水庫群大壩風(fēng)險(xiǎn)量化方法,既是風(fēng)險(xiǎn)分析的前提,也是準(zhǔn)確預(yù)測失事概率和評估風(fēng)險(xiǎn)后果的依據(jù),已成為亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

        2)重視梯級水庫群之間風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)性的定量化研究。流域梯級水庫之間風(fēng)險(xiǎn)的誘發(fā)、傳導(dǎo)及演化機(jī)制極其復(fù)雜,現(xiàn)有研究成果及經(jīng)驗(yàn)尚無法全面揭示,下游梯級水庫大壩在上游潰壩洪水作用下的失事模式和破壞機(jī)理研究將是未來工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,開展針對“上游潰壩洪水-下游梯級壩前水位-附加風(fēng)險(xiǎn)”耦合作用關(guān)系的系統(tǒng)性分析,為梯級水庫風(fēng)險(xiǎn)防控設(shè)計(jì)和針對性風(fēng)險(xiǎn)管理措施的制定提供依據(jù)。3)構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)概率、風(fēng)險(xiǎn)后果和風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)相輔相成的風(fēng)險(xiǎn)評估體系。以風(fēng)險(xiǎn)概率來識別梯級系統(tǒng)中的薄弱單元,把風(fēng)險(xiǎn)后果作為潰壩嚴(yán)重性度量及應(yīng)急預(yù)案制定的依據(jù),以風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)來衡量各梯級水庫大壩的風(fēng)險(xiǎn)水平。三者通過同一指標(biāo)來表征風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)性,從而形成相輔相成的統(tǒng)一體系。

        4)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管理理念及技術(shù)在梯級水庫中的實(shí)際應(yīng)用。目前我國梯級水庫群工程漸成規(guī)模,包括規(guī)劃、在建及已建工程,涵蓋設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行等多個(gè)階段,為風(fēng)險(xiǎn)管理理念及技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了良好的平臺。下一步應(yīng)緊密結(jié)合工程實(shí)際,不斷提高梯級水庫群大壩風(fēng)險(xiǎn)管理相關(guān)理論與技術(shù)的科學(xué)性與實(shí)用性。

        參考文獻(xiàn):

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