基于水庫(kù)管理中漫壩風(fēng)險(xiǎn)理論分析的運(yùn)用

曹玉華

(延安市王瑤水庫(kù)管理處，陜西延安716000)

觀察中國(guó)北方地區(qū)的水庫(kù)設(shè)計(jì)，多數(shù)汛限水位處于偏低的水平，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于水庫(kù)興利來(lái)講，有著很大的抑制性能。伴隨著不斷增長(zhǎng)的人口，伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，北方地區(qū)水資源的緊缺性日漸凸現(xiàn)，所以通過(guò)盡可能的儲(chǔ)存蓄積汛期的水資源，可以很好地將干旱問(wèn)題解決，可以緩解部分地區(qū)的水資源緊缺現(xiàn)象。但是，水庫(kù)因?yàn)樽陨碓O(shè)計(jì)的缺陷性，很可能因?yàn)檫^(guò)多蓄水，發(fā)生或者出現(xiàn)土石壩漫頂溢流等危險(xiǎn)現(xiàn)象。漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析理論其實(shí)質(zhì)為具體的非工程措施，在不需要對(duì)工程進(jìn)行任何具體的投資的情況下，實(shí)現(xiàn)汛限水位的提升，改善水庫(kù)興利效益。對(duì)于北方地區(qū)來(lái)講，這一理論有著特別的實(shí)踐性意義。

1 實(shí)例描述

1.1 水庫(kù)概況

一大型綜合利用的水庫(kù)，既供水，又防洪，還兼發(fā)電和灌溉等功能，1960年始建，在1971—1979年期間，經(jīng)過(guò)擴(kuò)建，演變成大(2)型，此后還在1995—2001年期間，對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固，總庫(kù)容達(dá)到了1.81億m3，最終水庫(kù)達(dá)到了2 000 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)水庫(kù)擔(dān)負(fù)著諸多巨大的功能，包括了對(duì)下游多達(dá)13.33萬(wàn)km2農(nóng)田的防洪，還包括了對(duì)全市工農(nóng)業(yè)用水的供應(yīng)。本水庫(kù)自建立以來(lái)，一共攔截了18次具有重創(chuàng)性的洪災(zāi)，累計(jì)起來(lái)，水庫(kù)一共向下游供應(yīng)116億m3的用水，所以在本市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，水庫(kù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，不但被譽(yù)為本市的“生命工程”，而且也被譽(yù)為本市的“屏障工程”。

1.2 水庫(kù)調(diào)度中的各種問(wèn)題

作為本市主要的工農(nóng)業(yè)用水水源，水庫(kù)為下游供水量達(dá)到了2億m3/a。觀察本地區(qū)的年度降水情況，年平均降雨量約為560 mm，多達(dá)75%的降雨量集中在每年的7—9月。年降水很不均勻，汛前需要加大防洪泄洪，水資源被嚴(yán)重浪費(fèi)，非汛期時(shí)候，水資源又變得非常的緊缺。從1993年到現(xiàn)在，本水庫(kù)累計(jì)達(dá)到了3.4億m3的棄水量，這種情況使得水資源不足的狀態(tài)更加的凸現(xiàn)。另外，偏低汛限水位的水庫(kù)設(shè)計(jì)，使得汛期蓄水量太小，非汛期無(wú)水可蓄，水庫(kù)本身的興利效益受到嚴(yán)重的制約。

2011年，本水庫(kù)的除險(xiǎn)加固工程被徹底完成，整個(gè)工程進(jìn)展順利，運(yùn)行良好，現(xiàn)在需要予以重點(diǎn)考慮的是如何使用水庫(kù)在防洪的基礎(chǔ)上，提升汛限水位，將水資源予以充分的利用，本文使用漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析理論對(duì)汛限水位提升的可能性和方法予以不同的分析和研究。

2 實(shí)際運(yùn)用漫壩風(fēng)險(xiǎn)理論

2.1 簡(jiǎn)要介紹漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析理論

漫壩，也就是壩前的水位在壩頂之上，或者說(shuō)是水位已經(jīng)溢過(guò)了壩頂流出。風(fēng)險(xiǎn)在這里指的是發(fā)生漫壩現(xiàn)象的幾率。而綜合起來(lái)，漫壩風(fēng)險(xiǎn)為在如下4個(gè)方面，產(chǎn)生的各種不確定性:泄水、風(fēng)浪、入庫(kù)以及庫(kù)容。入庫(kù)洪水本身有很大的隨機(jī)性，對(duì)于此，毋庸多言。制約一個(gè)水庫(kù)泄水能力的因素，傳統(tǒng)水庫(kù)的設(shè)計(jì)層面，包括了泄水孔和溢洪道的具體泄水能力，這兩個(gè)位置的泄水量一般是確定的。但是對(duì)于本文的作者來(lái)講，泄水能力本身也有其不確定的一面。泄水能力的不確定性指的是因?yàn)樗鞯恼鎸?shí)情況為三維的，但是工程預(yù)算的時(shí)候，多將其簡(jiǎn)化為一維模型，這樣就產(chǎn)生了諸多的不確定性，比如糙率取值、再比如模型的縮尺效應(yīng)，再比如幾何尺寸在多個(gè)方面產(chǎn)生的誤差等等。這些不同的因素都使得泄水能力本身也是不確定的，也是隨機(jī)的變量。

水庫(kù)的傳統(tǒng)計(jì)算層面，確定的為水庫(kù)的庫(kù)面積或者水庫(kù)的庫(kù)容。實(shí)際情況位，這些確定的方面，本身也有諸多的不確定性。比如庫(kù)區(qū)的等高線(xiàn)圖存在測(cè)量層面的誤差，而使用等高線(xiàn)圖對(duì)庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，也必然存在計(jì)算層面的誤差，再加上每年汛期，水庫(kù)會(huì)經(jīng)歷大大小小不等的洪水，這樣水庫(kù)就會(huì)出現(xiàn)和產(chǎn)生各種各樣的沖積淤泥，而現(xiàn)實(shí)中并不具備各種因素和力量對(duì)庫(kù)區(qū)水下的精確地形進(jìn)行測(cè)量，這些因素都會(huì)使得庫(kù)容本身是不確定的。除此之外，另外一個(gè)使庫(kù)容產(chǎn)生不確定的因素為風(fēng)，刮風(fēng)時(shí)間，風(fēng)速，風(fēng)力等等這些都是隨機(jī)的，對(duì)土壩而言，風(fēng)力會(huì)使得水庫(kù)內(nèi)水面的壅高e以及浪頭沿著斜坡爬升的高度Rp產(chǎn)生不確定性。除此之外，還需要指出的是，如果庫(kù)水水位在一般狀況，等級(jí)較小的風(fēng)力是不會(huì)造成漫壩現(xiàn)象的。但是在汛期到來(lái)，洪水來(lái)臨的時(shí)候，庫(kù)水水位會(huì)達(dá)到一定的水平，這個(gè)時(shí)候，風(fēng)浪的推動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生漫壩現(xiàn)象。所以對(duì)風(fēng)力這一因素進(jìn)行分析的時(shí)候，需要將每次洪水暴發(fā)時(shí)候的風(fēng)考慮進(jìn)來(lái)，觀察當(dāng)前的手頭資料，這些信息難以獲得，為了安全，就以汛期刮的最大等級(jí)的風(fēng)為依據(jù)進(jìn)行考量。所有能造成漫壩風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)，都是向壩體吹的。

另外一個(gè)不確定的因素為壩頂高程，這一看似確定的因素，實(shí)則也有其不確定性。壩頂高程的不確定性的產(chǎn)生是因?yàn)闇y(cè)量誤差的存在，以及發(fā)生了壩頂沉降現(xiàn)象，對(duì)于所有已經(jīng)建成的工程來(lái)講，水庫(kù)的離散性基本上是不存在的，對(duì)于計(jì)算來(lái)講，精度層面沒(méi)有很大的影響。

2.2 漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析基本理論的主要方法和基本模型

漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析理論的理論依據(jù)包括了隨機(jī)的水力學(xué)、水文學(xué)以及數(shù)學(xué)方法，使用這些方法，對(duì)各種可能產(chǎn)生或者造成漫壩風(fēng)險(xiǎn)的因素，比如泄水、庫(kù)容、風(fēng)浪以及洪水等四個(gè)方面的能力進(jìn)行考量，最終確定能夠抵御洪水與風(fēng)浪雙重作用下發(fā)生的漫壩風(fēng)險(xiǎn)，建立對(duì)應(yīng)的模型，在保證大壩、安全的前提下，擇優(yōu)選擇水庫(kù)對(duì)應(yīng)的汛限水位，為水庫(kù)汛限水位的高水平應(yīng)用做好理論層面的準(zhǔn)備。

2.2.1 基本理論

漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析基本理論中存在兩個(gè)基本的概念:①為漫壩;②為風(fēng)險(xiǎn)。所謂漫壩，也就是壩前的水位在壩頂之上，或者說(shuō)是水位已經(jīng)溢過(guò)了壩頂流出。風(fēng)險(xiǎn)在這里指的是發(fā)生漫壩現(xiàn)象的幾率。而綜合起來(lái)，漫壩風(fēng)險(xiǎn)為在如下4個(gè)方面，產(chǎn)生的各種不確定性:泄水、風(fēng)浪、入庫(kù)以及庫(kù)容。嚴(yán)格講，泄水建筑物、水庫(kù)面積、庫(kù)容以及風(fēng)都是隨機(jī)的，風(fēng)的選擇為汛期，吹向壩體的等級(jí)最大的風(fēng)。

在這些不確定的因素下，水庫(kù)調(diào)洪本身也是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，對(duì)調(diào)洪進(jìn)行演算的方程也是一個(gè)隨機(jī)的微分方程。計(jì)算漫壩風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)候，需要將原本的上限洪水與風(fēng)力進(jìn)行綜合的考量，在時(shí)段不同的情況下，將數(shù)值進(jìn)行積分求取得到。具體計(jì)算的過(guò)程中，壩頂以及防浪墻高程為選取的控制高程，在迎汛水位不同的情況下，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的漫壩風(fēng)險(xiǎn)值。當(dāng)前，在全世界的這個(gè)行業(yè)中都沒(méi)有制定出非常可靠的、安全的標(biāo)準(zhǔn)，一般來(lái)講，能夠接受的漫壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在10－6，這樣的等級(jí)與人力難以對(duì)抗的地震風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相當(dāng)。

2.2.2 模型及方法

漫壩風(fēng)險(xiǎn)模型可表示為下式:

式中:R－為對(duì)抗洪水系列和有效風(fēng)聯(lián)合作用下的漫壩風(fēng)險(xiǎn); Z(t)為壩前水位;Zo為迎汛庫(kù)水位;e為水面風(fēng)壅高度; Hmax為由于洪水產(chǎn)生的庫(kù)水位增加值;Rp為沿壩坡的波浪爬高。

當(dāng)洪水事件［Qi－1，Qi］和風(fēng)事件［Wj－1，Wj］同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)Pij為:

式中:Zc為臨界高程。

編制對(duì)應(yīng)的電算程序，對(duì)上面的方程進(jìn)行求解，漫壩風(fēng)險(xiǎn)模型可以被建立。

計(jì)算水庫(kù)調(diào)度的時(shí)候，傳統(tǒng)上依賴(lài)于將諸多的因素確定化處理，比如泄流能力、風(fēng)浪大小、水庫(kù)面積以及庫(kù)容量大小等等，如果洪水本身爆發(fā)的頻率也是確定的情況下，洪水過(guò)程線(xiàn)基本上也能確定。在這樣的條件下，人們可以借助于安全超高進(jìn)行安全角度的考量，也就是水庫(kù)演算過(guò)程中，在最高水位的基礎(chǔ)之上，添加上一個(gè)新的高度，二者的和就是安全超高，這樣的計(jì)算方法實(shí)則仍然是有諸多的風(fēng)險(xiǎn)和不確定在里面的，因?yàn)樵静淮_定的因素都被定量化處理了，這些不確定因素的確定性考量即使生成了一個(gè)安全超高，效應(yīng)也不會(huì)很大。對(duì)應(yīng)的，如果效率計(jì)算這些不確定性因素，安全超高的存在意義也就不是很大。

2.3 各種不同的效益

2.3.1 經(jīng)濟(jì)角度的效益

在從安全層面對(duì)漫壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的分析之后，在保證安全的前提之下，汛限水位在原來(lái)的基礎(chǔ)上有所提高的話(huà)，調(diào)節(jié)水量就會(huì)被大量的增加，比如水位從102 m提升到103.5 m的時(shí)候，水量就會(huì)增加1 470萬(wàn)m3。用水比例為農(nóng)工3∶7，這樣全市用水供應(yīng)量就可以得到很高的提升，與此同時(shí)，水頭會(huì)被提高1.5 m，新增發(fā)電量47萬(wàn)kW·h，帶動(dòng)農(nóng)工產(chǎn)值增加分別為560萬(wàn)元和70.1萬(wàn)元。

2.3.2 社會(huì)角度的效益

上面闡述了漫壩風(fēng)險(xiǎn)模型所能帶來(lái)的直接層面的經(jīng)濟(jì)效益，除此之外，水庫(kù)本身的供水能力也會(huì)得到很好的提高，地下水需求的壓力就會(huì)得到減輕，水質(zhì)得到改善，水環(huán)境得到提升，帶來(lái)廣泛和全面的生態(tài)和環(huán)境效益。

3 結(jié)論

在全面的考察分析各種不確定因素的基礎(chǔ)之上，漫壩風(fēng)險(xiǎn)理論得到很好的建立，在成功應(yīng)用的基礎(chǔ)之上，可以得出對(duì)于我國(guó)諸多的高土石壩，這一方法具有很好的適用性。實(shí)現(xiàn)安全的前提下，有效的利用水利工程，取得非常顯著和明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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