對(duì)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析的認(rèn)識(shí)

何曉燕，黃金池

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

0 引言

水庫(kù)在發(fā)揮興利與防洪功能的同時(shí)也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。從一般風(fēng)險(xiǎn)的意義來(lái)看，水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)總是客觀存在的，如何通過(guò)各種途徑認(rèn)識(shí)風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)采取有效措施降低風(fēng)險(xiǎn)或?qū)L(fēng)險(xiǎn)控制在可承受的范圍內(nèi)是現(xiàn)代社會(huì)人們十分關(guān)注的問(wèn)題。汛限水位是水庫(kù)興利與防洪功能合理配置的重要特征值，對(duì)于發(fā)揮水庫(kù)綜合效益具有決定性作用，同時(shí)也是確定水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)水平的關(guān)鍵因子，汛限水位的高低與水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)有著直接的關(guān)系。

從已有的研究成果看，關(guān)于水庫(kù)汛限水位與水庫(kù)興利作用的關(guān)系相對(duì)比較清楚，分析計(jì)算方法一般也有較為統(tǒng)一的模式，但對(duì)于安全風(fēng)險(xiǎn)方面則相對(duì)落后。2002年，國(guó)家防辦組織相關(guān)單位開(kāi)展了水庫(kù)汛限水位專(zhuān)題研究工作，項(xiàng)目歷時(shí)3年，在汛限水位動(dòng)態(tài)控制安全風(fēng)險(xiǎn)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(guó)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)一步完善，尤其是在具體工程的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)水平評(píng)價(jià)方面，現(xiàn)有的基本理論和實(shí)踐都還不能滿(mǎn)足工程安全評(píng)估的具體需求，嚴(yán)重制約著水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制運(yùn)用。

1 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)的定義

水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制是指在汛期根據(jù)實(shí)時(shí)雨、水情信息及其預(yù)報(bào)成果，在不降低水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)、確保水庫(kù)、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(mén)審批的水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制范圍對(duì)汛期運(yùn)行水位進(jìn)行浮動(dòng)的調(diào)度過(guò)程。風(fēng)險(xiǎn)，通俗地說(shuō)是可能發(fā)生的損失。目前對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的定義沒(méi)有公論，說(shuō)法不一。一般認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)定義應(yīng)包括以下三方面的內(nèi)容：

（1）可能會(huì)發(fā)生什么事故（事故類(lèi)型）；

（2）發(fā)生該類(lèi)型事故的可能性有多大（概率）；

（3）發(fā)生該類(lèi)型事故的后果如何。

水庫(kù)汛限水位調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)則特指由于水庫(kù)調(diào)度過(guò)程中自然、人為等不確定因素的影響，水庫(kù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)在汛限水位調(diào)整前后的變化。水庫(kù)系統(tǒng)主要包括水庫(kù)大壩、上游影響區(qū)和下游影響區(qū)三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)主體。

相應(yīng)地，水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)指的是由于水庫(kù)調(diào)度過(guò)程中自然、人為等不確定因素的影響，水庫(kù)系統(tǒng)在實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的風(fēng)險(xiǎn)變化，主要從風(fēng)險(xiǎn)率變化和后果變化兩方面得以反映。對(duì)于上游影響區(qū)、水庫(kù)大壩和下游影響區(qū)，其風(fēng)險(xiǎn)率變化表達(dá)式如下。

上游：

水庫(kù)大壩：

下游：

式中：Z0、Z1分別為汛限水位動(dòng)態(tài)控制運(yùn)用前后的洪水起調(diào)水位；Z庫(kù)尾為水庫(kù)回水區(qū)末端水位；Z移民為水庫(kù)移民高程。研究中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，Z庫(kù)尾、Z移民分別取壩前水位和水庫(kù)上游移民安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的壩前水位。Z壩前、Z設(shè)計(jì)、Z校核分別為壩前水位、大壩設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。Q下泄、Q安全泄量分別為水庫(kù)下泄流量、水庫(kù)下游的防洪安全泄量。采用以上公式計(jì)算時(shí)，起調(diào)水位Z0對(duì)應(yīng)的水庫(kù)調(diào)度方式為原規(guī)劃設(shè)計(jì)的調(diào)度方式，起調(diào)水位Z1對(duì)應(yīng)的水庫(kù)調(diào)度方式為動(dòng)態(tài)調(diào)度方式。

后果變化主要通過(guò)上、下游淹沒(méi)面積變化得以反映。具體是指遭遇不同量級(jí)的典型標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)在實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后上、下游淹沒(méi)面積的變化量△A。其計(jì)算式為：

式中：A0上游為當(dāng)水庫(kù)遭遇某標(biāo)準(zhǔn)量級(jí)洪水時(shí)，以原規(guī)劃設(shè)計(jì)汛限水位起調(diào)，采用原規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)度時(shí)，相應(yīng)的庫(kù)區(qū)最大淹沒(méi)面積；A1上游為當(dāng)水庫(kù)遭遇同一標(biāo)準(zhǔn)量級(jí)洪水時(shí)，以動(dòng)態(tài)調(diào)度上限水位起調(diào)，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)度時(shí)，相應(yīng)的庫(kù)區(qū)最大淹沒(méi)面積。A0下游為當(dāng)水庫(kù)遭遇某標(biāo)準(zhǔn)量級(jí)洪水時(shí)，以原規(guī)劃設(shè)計(jì)汛限水位起調(diào)，采用原規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)度時(shí)，相應(yīng)的下游最大淹沒(méi)面積；A1下游為當(dāng)水庫(kù)遭遇同一標(biāo)準(zhǔn)量級(jí)洪水時(shí)，以動(dòng)態(tài)調(diào)度上限水位起調(diào)，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度方式進(jìn)行調(diào)度時(shí)，相應(yīng)的下游最大淹沒(méi)面積。

2 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析

在水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中，水庫(kù)運(yùn)行水位會(huì)隨著實(shí)時(shí)的水、雨情信息和預(yù)報(bào)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(bào)和洪水預(yù)報(bào)水平、水庫(kù)實(shí)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(kù)調(diào)度人員水平等多方面因素綜合確定的。水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析主要是分析：（1）水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后水庫(kù)防洪能力的變化；（2）由于實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程中自然、人為不確定因素的影響，導(dǎo)致水庫(kù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)在采用水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的變化。其中，水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制之前的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)應(yīng)的水庫(kù)水位是原設(shè)計(jì)的固定汛限水位，水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)應(yīng)的水庫(kù)水位是在動(dòng)態(tài)調(diào)度過(guò)程中可能出現(xiàn)的最高水位。水庫(kù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)事件就是水庫(kù)系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)約束條件。對(duì)于水庫(kù)上游影響區(qū)，其設(shè)計(jì)約束條件為：當(dāng)水庫(kù)大壩遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，庫(kù)水位為移民水位。對(duì)于水庫(kù)大壩，其設(shè)計(jì)約束條件為：當(dāng)水庫(kù)大壩分別遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，庫(kù)水位分別為設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。對(duì)于水庫(kù)下游影響區(qū)，其設(shè)計(jì)約束條件為：水庫(kù)大壩遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)此時(shí)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(guò)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析，需主要回答以下幾方面問(wèn)題：

（1）水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的防洪標(biāo)準(zhǔn)是否發(fā)生變化；

（2）庫(kù)區(qū)上游移民線(xiàn)以下區(qū)域的淹沒(méi)頻率、大壩安全（漫壩）風(fēng)險(xiǎn)頻率和下游河道泄量超過(guò)安全泄量的頻率如何變化；

（3）特定情景下水庫(kù)大壩壩前最高水位變化、壩前水位超過(guò)某一水位歷時(shí)變化、最大下泄流量變化和最大下泄流量超過(guò)某一泄量歷時(shí)如何變化；

（4）特定情景下水庫(kù)上游影響區(qū)、下游影響區(qū)的淹沒(méi)后果如何變化；

（5）特定情景下水庫(kù)潰壩后果如何。

圖1所示為汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)分析采用的主要計(jì)算方法：在分析水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)的變化時(shí)，采用調(diào)洪最高水位-汛限水位-入庫(kù)洪水頻率復(fù)相關(guān)曲線(xiàn)求解法，即基于調(diào)洪最高水位-汛限水位-入庫(kù)洪水頻率復(fù)相關(guān)曲線(xiàn)查詢(xún)水庫(kù)校核洪水位對(duì)應(yīng)入庫(kù)洪水頻率在水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的變化。在分析庫(kù)區(qū)淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)率變化、大壩安全風(fēng)險(xiǎn)率變化、大壩漫壩風(fēng)險(xiǎn)率變化以及下游防洪風(fēng)險(xiǎn)率變化時(shí)，通常采用的計(jì)算方法主要有蒙特卡羅方法、一次二階矩法、改進(jìn)一次二階矩法、JC法等。水庫(kù)潰壩后果分析通常采用潰壩洪水計(jì)算數(shù)學(xué)模型，庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍一般通過(guò)調(diào)洪演算確定水庫(kù)水位，再采用水平延伸法確定。此外，對(duì)于水庫(kù)上游影響區(qū)遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)、庫(kù)區(qū)水位超過(guò)某一特征水位歷時(shí)變化、水庫(kù)大壩遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，壩前最高水位變化和壩前水位超過(guò)某一水位歷時(shí)變化，下游影響區(qū)遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)的最大下泄流量變化和下泄流量超過(guò)某一流量歷時(shí)變化等指標(biāo)值的確定，一般主要采用調(diào)洪演算方法。對(duì)于下游影響區(qū)，當(dāng)需要進(jìn)一步了解水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的下游淹沒(méi)情況變化時(shí)，則需要通過(guò)河道洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算確定。

圖1 汛限水位動(dòng)態(tài)控制的風(fēng)險(xiǎn)分析方法Fig.1 Analysis method for risks in dynamic flood level control

3 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

水庫(kù)開(kāi)展汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，除須滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)定的一些基本要求外，技術(shù)上還需滿(mǎn)足以下條件：

（1）已經(jīng)按照現(xiàn)行規(guī)范完成了水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水成果復(fù)核的研究。

（2）已經(jīng)完成了水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制域研究。

（3）已經(jīng)完成了水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制方案的研究。

（4）對(duì)于利用降雨預(yù)報(bào)信息、洪水預(yù)報(bào)信息實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制的水庫(kù)，應(yīng)完成降雨預(yù)報(bào)信息和洪水預(yù)報(bào)信息可利用性分析的研究。

水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要內(nèi)容包括：

（1）水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的防洪標(biāo)準(zhǔn)變化；

（2）水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后水庫(kù)工程風(fēng)險(xiǎn)主體的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，水庫(kù)在實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍的變化；

（4）當(dāng)遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)在實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后下泄流量的變化和下游影響區(qū)淹沒(méi)范圍的變化。

在汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，風(fēng)險(xiǎn)增量的大小通過(guò)多項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值予以綜合反映。對(duì)于上游影響區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)增量指標(biāo)為淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)率變化、庫(kù)區(qū)水位超過(guò)某一特征水位歷時(shí)變化和庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍變化。淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)率變化是指當(dāng)遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的水庫(kù)水位超過(guò)移民線(xiàn)的概率變化。庫(kù)區(qū)水位超過(guò)某一特征水位歷時(shí)變化是指當(dāng)遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)在汛限水位調(diào)整前后的水庫(kù)水位超過(guò)某一特征水位的歷時(shí)變化，該特征水位通常為水庫(kù)上游影響區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制的特征水位。庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍變化是指當(dāng)遭遇移民標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)汛限水位調(diào)整前后的水庫(kù)庫(kù)區(qū)淹沒(méi)面積變化。對(duì)于水庫(kù)大壩，風(fēng)險(xiǎn)增量指標(biāo)為大壩安全風(fēng)險(xiǎn)率變化、大壩漫壩風(fēng)險(xiǎn)率變化、壩前最高水位變化和壩前水位超過(guò)某一特征水位歷時(shí)變化。大壩安全風(fēng)險(xiǎn)率變化是指當(dāng)遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)汛限水位調(diào)整前后的水庫(kù)水位超過(guò)設(shè)計(jì)洪水位的概率變化。大壩漫壩風(fēng)險(xiǎn)率變化是指當(dāng)遭遇校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)汛限水位調(diào)整前后的水庫(kù)水位超過(guò)校核洪水位的概率變化。壩前最高水位變化是指當(dāng)水庫(kù)分別遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)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(guò)某一特征水位歷時(shí)變化是指當(dāng)水庫(kù)分別遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)汛限水位調(diào)整前后的壩前水位超過(guò)某一特征水位的歷時(shí)變化，該特征水位通常為水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)控制的特征水位。對(duì)于下游影響區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)增量指標(biāo)為下游防洪風(fēng)險(xiǎn)率變化、最大下泄流量變化和下泄流量超過(guò)某一泄量歷時(shí)變化。下游防洪風(fēng)險(xiǎn)率變化是指當(dāng)遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)汛限水位調(diào)整前后的水庫(kù)下泄流量超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)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(shí)，水庫(kù)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(guò)某一特征流量歷時(shí)變化是指當(dāng)水庫(kù)遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)在汛限水位調(diào)整前后的下泄流量超過(guò)某一特征流量的歷時(shí)變化，該特征流量通常為下游影響區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制的特征流量。

圖2 水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation indexes for risks in dynamic flood level control

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制是相對(duì)于水庫(kù)采用固定的汛限水位靜態(tài)控制而言的，因此，水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)是一種相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，是相對(duì)于原固定汛限水位條件的一種增量風(fēng)險(xiǎn)。水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)象應(yīng)從水庫(kù)大壩本身、水庫(kù)上游影響區(qū)和下游影響區(qū)三個(gè)對(duì)象著手。水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)是由于水庫(kù)調(diào)度過(guò)程中自然、人為等不確定因素的影響，水庫(kù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)在實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的風(fēng)險(xiǎn)變化。

水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要內(nèi)容包括：①水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的防洪標(biāo)準(zhǔn)變化；②水庫(kù)實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后的水庫(kù)工程風(fēng)險(xiǎn)主體的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，水庫(kù)在實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍的變化；④遭遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)在實(shí)施汛限水位動(dòng)態(tài)控制前后下泄流量的變化和下游影響區(qū)淹沒(méi)范圍的變化。

水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制風(fēng)險(xiǎn)的大小需要通過(guò)上游影響區(qū)風(fēng)險(xiǎn)、水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)和下游防洪風(fēng)險(xiǎn)等指標(biāo)數(shù)值綜合反映。■

[1]國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室.水庫(kù)汛限水位設(shè)計(jì)與運(yùn)用研究總報(bào)告[R].2006,10.

[2]王棟,朱元甡.防洪系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析的研究評(píng)述[J].水文,2003(2):15～20.