利用風(fēng)險(xiǎn)分析模型確定季節(jié)性安全超高

西班牙·Vicent J.Espert-Canet，Manuel Gómez de Membrillera-Ortu?o（西班牙OFITECO公司）

利用風(fēng)險(xiǎn)分析模型確定季節(jié)性安全超高

西班牙·Vicent J.Espert-Canet，Manuel Gómez de Membrillera-Ortu?o（西班牙OFITECO公司）

重點(diǎn)關(guān)注水文安全方面，在水文數(shù)據(jù)和合理的長(zhǎng)期入流系列資料可獲取的前提下，利用組成風(fēng)險(xiǎn)模型的各要素，使用一種簡(jiǎn)單的方法來確定和驗(yàn)證季節(jié)性的安全超高。確定季節(jié)性的安全超高是一個(gè)包含了眾多變量的復(fù)雜問題，比如安全、水文分析、大壩用戶的要求、可應(yīng)用的安全規(guī)章和經(jīng)濟(jì)分析，而安全優(yōu)先通常與高效運(yùn)營(yíng)相抵觸。因此，考慮了大多數(shù)安全因素相關(guān)方面的大壩-水庫風(fēng)險(xiǎn)模型是綜合這眾多變量的有效方法。評(píng)估季節(jié)性安全超高的第一步是對(duì)季節(jié)性水文條件進(jìn)行定性。通常，數(shù)據(jù)不足（如歷史庫水位或入庫流量等）將增加分析的不確定性，因此，只能采用簡(jiǎn)化的方法。再使用洪水演進(jìn)模型，建立季節(jié)性入庫洪水、安全超高和峰值出流量之間的關(guān)系。漫頂?shù)母怕蕟栴}也必須加以說明。然后，再使用將大壩出流量與可能的損失聯(lián)系起來的下游后果模型，其中包括居民生命損失。其最終目標(biāo)是，對(duì)于任意給定洪水，都能獲得其季節(jié)可能性（和其重現(xiàn)期）、大壩-水庫響應(yīng)（比如出流量或甚至是漫頂）以及下游的后果，然后才能進(jìn)行敏感性分析。這樣，對(duì)任意安全條件，都能直接找到最小季節(jié)性安全超高。筆者列舉了一座西班牙大壩作為案例分析和驗(yàn)證季節(jié)性安全超高，其間考慮了數(shù)據(jù)可獲取性、運(yùn)行規(guī)則、下游洪水后果和法律要求等。

風(fēng)險(xiǎn)分析模型；洪水；季節(jié)性安全超高

0 引言

與傳統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)互為補(bǔ)充，將風(fēng)險(xiǎn)分析用于大壩-水庫系統(tǒng)已成為一種被廣泛認(rèn)可的方法。從這個(gè)意義上講，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)將居民生命安全和財(cái)產(chǎn)資源方面與大壩-水庫系統(tǒng)聯(lián)系起來。另外，在評(píng)估投資和降低風(fēng)險(xiǎn)的措施時(shí)進(jìn)行優(yōu)先排序，應(yīng)在信息完備的基礎(chǔ)上進(jìn)行決策。

位于西班牙西北部的杜埃羅河流域管理局最近與西班牙公司OFITECO合作，開展了基于風(fēng)險(xiǎn)的安全工具模型分析，以管理其所轄的27座大壩。模型中結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)被用于確定季節(jié)性的安全超高，這在某幾座大壩的運(yùn)行準(zhǔn)則上有所體現(xiàn)。

文中討論的案例是該流域中的一座混凝土重力壩，其分級(jí)為大型壩，風(fēng)險(xiǎn)類型為“A”，是西班牙標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限制級(jí)最高的大壩。

1 風(fēng)險(xiǎn)模型的結(jié)構(gòu)

風(fēng)險(xiǎn)模型包含與所研究的基礎(chǔ)建筑物相關(guān)的所有風(fēng)險(xiǎn)因素和各種安全管理過程。風(fēng)險(xiǎn)模型遵循一定的邏輯次序，由辨識(shí)出的各失事模式確定，其結(jié)構(gòu)是一系列的事件導(dǎo)致最后大壩的失事。因此，在這個(gè)邏輯次序開始前的每一步計(jì)算都與這些事件或工況中的某一條相符。

風(fēng)險(xiǎn)模型的構(gòu)建應(yīng)包括以下幾項(xiàng)研究：

（1）識(shí)別失事模式，這將決定風(fēng)險(xiǎn)模型中的各事件的次序。

（2）水文研究，旨在獲取合理的重現(xiàn)期范圍中的水庫入流水位曲線。

（3）歷史庫水位，即水位曲線開始點(diǎn)處不超過每個(gè)水位值的概率。

（4）水庫的特性，如特征曲線、溢洪道和泄水建筑物的泄洪-抬升曲線、水保的整體狀態(tài)、功能等。

（5）洪水演進(jìn)計(jì)算，獲取每種可能入流洪水工況下的峰值出流量和庫水位（按重現(xiàn)期分類）以及荷載組合。

（6）系統(tǒng)響應(yīng)，識(shí)別出的失事模式中的每項(xiàng)事件發(fā)生的條件概率。

（7）下游后果研究，旨在建立洪水事件中峰值出流量與潛在下游損失間的關(guān)系，包括經(jīng)濟(jì)損失和居民生命損失。該研究可反饋其他條件，如已編制的應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃等。

（8）降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，在修整選擇的節(jié)點(diǎn)之后重新評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)模型，研究其對(duì)整體結(jié)果的影響。

案例研究：通過上述的研究，借助IPresas軟件，為研究的案例水庫建立了風(fēng)險(xiǎn)模型。數(shù)值結(jié)果顯示，大壩滿足大多數(shù)常用的風(fēng)險(xiǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)（美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)、美國(guó)墾務(wù)局及美國(guó)大壩委員會(huì)）。

2 確定季節(jié)性水文條件

對(duì)大壩的季節(jié)性水文條件進(jìn)行評(píng)估是整個(gè)過程必須的第一個(gè)步驟。有些風(fēng)險(xiǎn)模型細(xì)致到了季節(jié)性水位，但通常模型的唯一輸入量就是水文系列資料，且對(duì)應(yīng)不同的重現(xiàn)期。

2.1 確定季節(jié)性水文條件的方法

根據(jù)可獲取的資料，采用不同的方法來推測(cè)水文的季節(jié)性分布。以下提出的方法是具有代表性的可用于獲取季節(jié)性入流的方法，具體步驟如下：

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（1）將水文年劃分為需要的周期，可以是月、自然季節(jié)或根據(jù)用戶的需求，比如灌溉周期。

（2）在序列資料中的每年內(nèi)，識(shí)別每個(gè)時(shí)段中的最大單次入流洪水事件，洪水事件可通過峰值入流或總量來識(shí)別。

（3）將平均最大單次洪水分配到每個(gè)周期中。

（4）為每個(gè)周期和單次最大洪水量最大的周期分配比例系數(shù)。

（5）用這些比例系數(shù)衡量現(xiàn)有的水文工況，得到每個(gè)周期的季節(jié)性水文入流。

2.2 案例分析：確定季節(jié)性水文工況

水文學(xué)數(shù)據(jù)可以從大壩技術(shù)文件中獲取，這些數(shù)據(jù)包括對(duì)重現(xiàn)期10～10 000年的入流洪水事件進(jìn)行建模。使用皮爾遜III對(duì)數(shù)分布推測(cè)這些數(shù)據(jù)的重現(xiàn)期為50 000和100 000年，如圖2所示。

圖2 獲取的案例水庫的基本水文數(shù)據(jù)Fig.2 General hydrology data available for case study reservoir

1968～2012年間的水文數(shù)據(jù)是可獲取的，如每日入流流量，其被認(rèn)為是具有代表性的。水庫上游未建可改變自然流量的水庫。

圖3 案例水庫可獲取的流量系列Fig.3 Flow series available for case study reservoir

如上所述，這些系列按月份劃分，并找出了月度最大洪水事件中的流量平均值和比例系數(shù)。

3 驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)以驗(yàn)證提出的安全超高是否足夠。通常的標(biāo)準(zhǔn)包括最高庫水位或最大出流。立法通常是最低標(biāo)準(zhǔn)，若必要，可選擇更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 最大入流洪水量和比例系數(shù)Table 1 Maximal incoming flood volumes and proportionality coefficients

3.1 最高可接受水位

安全超高驗(yàn)證的常見情形是設(shè)置最高庫水位，對(duì)確定的洪水重現(xiàn)期內(nèi)的洪水，該水位不能被超過。在該范圍內(nèi)，也不應(yīng)該發(fā)生漫頂。

3.2 最大出流量和洪水后果分析

為確定最大出流量，需要對(duì)下游情況進(jìn)行研究。下游情況研究通常包含在定量風(fēng)險(xiǎn)分析中，即對(duì)幾座大壩發(fā)生失事和不失事的工況進(jìn)行合理的后果評(píng)估。

即使是非失事工況下，對(duì)下游進(jìn)行后果分析也非常重要，特別是對(duì)其下游城區(qū)造成的生命損失，在設(shè)計(jì)出流時(shí)應(yīng)予以認(rèn)真考慮。下游后果分析的典型成果是獲得所提出的工況中生命損失和經(jīng)濟(jì)損失的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與峰值出流量的關(guān)系曲線圖。

對(duì)提出的方法，一個(gè)輸入量就是損失閾值，即對(duì)財(cái)產(chǎn)造成損毀或甚至是對(duì)生命損失形成風(fēng)險(xiǎn)的最小出流量。安全超高或許可通過其是否足以防止形成更大的出流量來評(píng)估，無論是通過使用溢洪道、漫頂或大壩失事，都不行。

3.3 案例分析：洪水后果分析

對(duì)下游洪水后果（經(jīng)濟(jì)和統(tǒng)計(jì)的生命損失）進(jìn)行研究。根據(jù)大壩運(yùn)行人員的意見，對(duì)下游造成損失的保守出流量限值為40 m3/s，并經(jīng)過了模擬模型的驗(yàn)證。

4 洪水演進(jìn)分析

4.1 洪水演進(jìn)分析的實(shí)施過程

洪水演進(jìn)分析是風(fēng)險(xiǎn)分析過程中的一個(gè)重要步驟。其目標(biāo)是提供系統(tǒng)荷載（最高庫水位、漫頂持續(xù)時(shí)間、出流量等）。為完成洪水過程分析，需要的數(shù)據(jù)有：入流水文數(shù)據(jù)、起始庫水位、溢洪道和泄流建筑物特性（包括功能）、水庫物理特性和洪水演進(jìn)過程。之后分析會(huì)再現(xiàn)大壩的這些特性以及其在洪水過程中的運(yùn)行方式。這就形成了參數(shù)型的洪水演進(jìn)分析，考慮了輸入變量所有可能的排列組合。

洪水演進(jìn)分析的重點(diǎn)是獲取大壩-水庫系統(tǒng)對(duì)水文荷載的響應(yīng)，其方法是借助計(jì)算出流水文曲線和庫水位變化。

另外，洪水演進(jìn)分析要求確定在洪水事件中的運(yùn)行規(guī)則，其狹義上與季節(jié)性安全超高相關(guān)，也是測(cè)試各種演進(jìn)策略對(duì)安全超高要求的影響的工具。

4.2 洪水演進(jìn)的案例分析

對(duì)案例分析中的大壩，確定操作策略時(shí)，其主要優(yōu)先關(guān)注點(diǎn)是避免出流量大于40 m3/s，否則會(huì)對(duì)下游造成損失。研究對(duì)象大壩包含配有閘門的溢洪道，其泄流能力超過了這一數(shù)值。在最高法定水位時(shí)，其峰值出流量為1 300 m3/s。只有在最高法定水位被超過且上升的庫水位威脅到大壩安全時(shí)，溢洪道才會(huì)全力泄洪。安全超高設(shè)定的主要關(guān)注重點(diǎn)是在洪水演進(jìn)過程中不會(huì)觸及到該水位。

圖4顯示了對(duì)每個(gè)重現(xiàn)期的入流洪水，其峰值出流量和之前庫水位之間的關(guān)系。最大出流量被控制在40 m3/s以下，除非已超過安全超高。峰值出流量并非完全與洪水的重現(xiàn)期成正比，這是因?yàn)樵谝绾榈篱l門的操作中存在建模延遲效應(yīng)，根據(jù)閘門運(yùn)行規(guī)則，其操作是每30 min或60 min進(jìn)行一次，而入流水文曲線的計(jì)算步長(zhǎng)是6 min。

避免溢洪道的運(yùn)行對(duì)下游產(chǎn)生損毀，這是安全超高的設(shè)定目標(biāo)。因此，絕大部分入流洪水量必須使用安全超高來存蓄。

圖4 每種歷史庫水位和洪水重現(xiàn)期組合下的峰值出流量Fig.4 Peak outflows,for each combination of previous pool level and flood return period in years

5 確定安全超高

下一步，則是通過以下步驟確定或驗(yàn)證每個(gè)季節(jié)和時(shí)期的必要安全超高：

（1）設(shè)定可接受下游后果情況下的大壩出流限制值。

（2）確定季節(jié)性的峰值水文入流，用重現(xiàn)期劃分。

（3）根據(jù)洪水演進(jìn)分析和制定的運(yùn)行規(guī)則，就每種峰值入流和歷史庫水位，預(yù)測(cè)出流量。

（4）預(yù)測(cè)每種出流情況下的下游后果。

（5）對(duì)每種重現(xiàn)期，預(yù)測(cè)能滿足大壩出流限制值的最高歷史庫水位。

（6）進(jìn)行敏感性分析（如果必要的話）。

5.1 安全超高/后果敏感性

洪水后果模型可用于評(píng)估不同安全超高下的損毀概率，研究其敏感性。

在深入分析中，需權(quán)衡因洪水造成的統(tǒng)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失和確定安全超高的成本（用庫容損失計(jì)算，即對(duì)用戶服務(wù)的損失）?？蛇M(jìn)行全面的概率分析。

5.2案例分析：安全超高的確定

遵循以上步驟，繪制出了與安全超高相關(guān)的曲線，即安全超高蓄水量或其對(duì)應(yīng)的庫水位，也可成功繪制出最大峰值入流量，如圖6所示。

圖5 洪水后果模型的流程Fig.5 Diagram for the process

圖6 峰值入流量對(duì)應(yīng)的最小安全超高蓄水量Fig.6 Minimal freeboard volume for each peak inflow

根據(jù)這一曲線，結(jié)合預(yù)測(cè)的季節(jié)性水文條件，可確定每個(gè)設(shè)計(jì)階段的安全超高，其目的是成功應(yīng)對(duì)每個(gè)重現(xiàn)期的洪水。

利用水資源模擬軟件Aquatool對(duì)安全超高的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，適度的安全超高庫容對(duì)供水需求的庫容保障無重大影響。

6 結(jié)語

圖7 根據(jù)洪水重現(xiàn)期確定的必要季節(jié)性安全超高庫容Fig.7 Necessary seasonal freeboard volume for according to flood return period

風(fēng)險(xiǎn)分析過程的一個(gè)間接好處就是遵循荷載-響應(yīng)-后果的結(jié)構(gòu)，可以將大壩安全的許多不同方面集合到一個(gè)單一的模型中。風(fēng)險(xiǎn)模型的整體理念是為大壩運(yùn)行人員提供適用于完成各種日常任務(wù)的信息和研究成果，它已成為大壩-水庫系統(tǒng)綜合安全管理的一部分。

公開的基本方法和一個(gè)完整的風(fēng)險(xiǎn)研究之間的主要區(qū)別是驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的確定性特性（“失事”被定義為達(dá)到水位或出流量的設(shè)定值），而不是失事概率-后果的組合。深入的分析利用全面的概率風(fēng)險(xiǎn)模型，可評(píng)估一系列季節(jié)性安全超高設(shè)定值下的洪水后果概率和嚴(yán)重程度。

公開的方法涉及到一些假設(shè)條件，其在實(shí)施之前必須仔細(xì)考慮。它接受將洪水事件按比例縮放，但這可能不包括個(gè)別現(xiàn)象，比如融雪或不同水庫之間的相互影響。另外，還需考慮可利用的水文數(shù)據(jù)的代表性和可靠性。

Definition of seasonal freeboards using risk analysis models

by Vicent J.Espert-Canet and Manuel Gómez de Membrillera-Ortu?o
Ofiteco,Spain

This paper describes a simple method for the definition and verification of seasonal freeboards taking advantage of elements that make up a risk model,focusing on hydrological safety,and provided that hydrological data and reasonably long incoming flow series are available. Definition of seasonal freeboards can be a complex problem involving many variables,such as safety, hydrological analysis,dam user requirements,applicable safety regulations and economic analysis,with safetyprioritiesoftenbeingatoddswithanefficientoperation.Thus,adam-reservoirriskmodel,whichencompassesmostsafetyrelatedaspects,becomes an efficient way to integrate this wide range of variables. The first step in the evaluation of the seasonal freeboards is a characterization of the seasonal hydrology.Often,lack of sufficient data,such as historic pool levels or incoming water flow adds uncertainty to this analysis,so simplified methods have to be adopted.A flood routing model must then be used, establishing a relationship between incoming seasonal floods,freeboards and peak outflow.The possibility of overtopping must also be addressed. A downstream consequences model,which links dam outflows and possible damages,including loss of human life may then be applied. The final goal is to obtain,for any given flood,its seasonal probability(and its return period),the dam-reservoir response(as an outflow,or even overtopping),and then its downstream consequences,so that a sensibility analysis can be made.Minimal seasonal freeboards for any safety condition can then be directly found. A case study will be provided,in which seasonal freeboards are analyzed and verified for a large Spanish dam,taking into account data availability,operating rules,downstream flood consequences and legal requirements.

risk analysis model;flood;seasonal freeboard

book=63,ebook=69

TV697.1

B

1671-1092（2016）06-0063-05

2016-07-06

文獻(xiàn)來源：International Commission on Large Dams. Proceedings of 81st Annual Meeting Symposium,2013.

翻譯：崔弘毅

校核：許傳桂