水利預(yù)言戰(zhàn)隊(duì)
——記“梯級(jí)水庫群全生命周期風(fēng)險(xiǎn)孕育機(jī)制與安全防控理論”項(xiàng)目

□ 龐紅碩

王浩院士

如果把視線移到宇宙中，會(huì)發(fā)現(xiàn)地球就好似散發(fā)著蔚藍(lán)色的光芒，其原因在于地球上72%的面積都被水覆蓋著。但在這個(gè)名副其實(shí)的“水球”上，可供人類使用的水資源卻少之又少，加上人類毫無節(jié)制地索取，這個(gè)蔚藍(lán)色的“水球”正漸漸變得不再明澈。由此可見，保護(hù)水資源任重而道遠(yuǎn)。

在水資源研究中，不只存在缺水之難，水資源超負(fù)荷同樣令研究人員心力交瘁。近年來，我國洪澇及干旱問題頻發(fā)，一旦發(fā)生勢(shì)必造成不可挽回的巨大損失。找到問題源頭，將其扼殺在搖籃里，就成了眾多水利研究人員的研究之重。多年來，“梯級(jí)水庫群全生命周期風(fēng)險(xiǎn)孕育機(jī)制與安全防控理論”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在中國工程院院士、首席科學(xué)家王浩和首席科學(xué)家助理、教授級(jí)高級(jí)工程師殷峻暹的帶領(lǐng)下潛心研究，不斷探秘水資源開發(fā)利用和水利工程安全管理。

念念不忘忠于水

為了研究大型水利工程群綜合調(diào)控基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)以及設(shè)計(jì)自動(dòng)化運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)等，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)幾乎每日都埋頭苦干，辛勤地挖掘著水資源中的寶藏。

與水資源打交道，只和其中一個(gè)研究方向“單打獨(dú)斗”絕無可能，勢(shì)必要與各個(gè)研究分支產(chǎn)生聯(lián)系。團(tuán)隊(duì)圍繞水資源，系統(tǒng)研究多個(gè)分支，對(duì)水資源有了更加深入的了解，他們發(fā)現(xiàn)在解決水資源預(yù)報(bào)和調(diào)度上，傳統(tǒng)手段已經(jīng)“無能為力”，思來想去，信息化進(jìn)入了水利研究人員的視線中。尤其在近幾年，研究人員將大數(shù)據(jù)、智能分析等手段和傳統(tǒng)水力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)相結(jié)合后發(fā)現(xiàn)，如果用其來解決水資源預(yù)報(bào)和調(diào)度方面的問題，往往會(huì)事半功倍。而且重要的是，預(yù)報(bào)具有前瞻性，能看到水資源的未來；而調(diào)度正是基于研究人員對(duì)水資源未來的看法上，對(duì)水利工程起到控制作用。由此看來，預(yù)報(bào)和調(diào)度兩者缺一不可，在解決水資源問題上急需配套使用。于是，利用建立的水利工程模型來分析觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)及時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度水資源有巨大幫助。

放到過去，也許這樣的搭配是正確的，但當(dāng)時(shí)建立出的模型卻長時(shí)間地“擱置”，無用武之地。早期我國水利工程模型之所以遲遲派不上用場(chǎng)，無非是技術(shù)跟不上，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)不能及時(shí)到位。而如今，觀測(cè)數(shù)據(jù)得到提升，隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，再加上水利模型和大數(shù)據(jù)分析方法的合理利用，這樣的搭配簡直天衣無縫，對(duì)水資源的預(yù)報(bào)和調(diào)度也會(huì)更加精準(zhǔn)。

找準(zhǔn)問題尋答案

試想，當(dāng)洪水來臨時(shí)，水庫必定會(huì)在其中起到良好的防洪作用，是防洪安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。但水庫一旦潰決，不僅風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大增加，還會(huì)帶來不可挽回的災(zāi)難性后果。就拿1975年8月河南汝河流域水庫群連環(huán)垮壩事件來說，造成了多達(dá)52座水庫的潰決，直接經(jīng)濟(jì)損失占當(dāng)年河南省GDP的2/3。

既然如此，對(duì)防洪如此重要的水庫，其安全性又該如何保障呢？其中，在水利水電開發(fā)中，梯級(jí)水庫群是其基本開發(fā)形式，更是大規(guī)模水電開發(fā)的必然選擇。但梯級(jí)水庫群不僅要經(jīng)受洪水、地震、泥石流等自然災(zāi)害的考驗(yàn)，還要面臨設(shè)計(jì)施工缺陷、不合理調(diào)度等人為風(fēng)險(xiǎn)的影響，再加上變化多端的氣候以及暴雨頻發(fā)等，梯級(jí)水庫群的處境可謂是四面楚歌。如此艱難的局面，一度令水利研究人員難以打開研究局面。

事不宜遲，水利部、應(yīng)急管理部、國家能源局、國家電監(jiān)會(huì)高度重視梯級(jí)水庫群的安全運(yùn)行，明確提出了急需研究制定梯級(jí)水庫群和特高壩的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；還聲明在新的特高壩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之前，對(duì)200米以上的特高壩的審批核準(zhǔn)要再加防護(hù)關(guān)卡。

在國家水利相關(guān)部門的號(hào)召下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)加入了對(duì)梯級(jí)水庫群全生命周期風(fēng)險(xiǎn)孕育機(jī)制與安全防控理論的研究。雖然目前中國已經(jīng)擁有世界上最高的土石壩和混凝土壩，壩工技術(shù)也早已遙遙領(lǐng)先，但梯級(jí)水庫群和特高壩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范卻是一片空白。此前，對(duì)單一水庫的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范確有實(shí)例，但將梯級(jí)水庫群作為一個(gè)整體來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析卻是首次，也極為不易。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)表示，這就需要從全生命周期角度提出風(fēng)險(xiǎn)防控措施，而且一定要將水庫全生命周期中可能出現(xiàn)的各種極端事件的風(fēng)險(xiǎn)都考慮到其中。

大渡河瀘定電站

為梯級(jí)水庫再加級(jí)

目標(biāo)已定，團(tuán)隊(duì)齊心協(xié)力，打起十二分精神，經(jīng)過與梯級(jí)水庫群的一番較量，取得了多項(xiàng)進(jìn)展。在王浩院士的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)首先從梯級(jí)水庫群進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防控的基礎(chǔ)，也就是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估入手，他們以貝葉斯理論作為基石，采用物理模型實(shí)驗(yàn)、機(jī)理分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，首次構(gòu)建了梯級(jí)水庫群規(guī)劃—設(shè)計(jì)—運(yùn)行全生命周期風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估理論體系，自此使得梯級(jí)水庫群全生命周期多源復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)與系統(tǒng)失效的動(dòng)態(tài)聯(lián)系一目了然。

基礎(chǔ)戰(zhàn)打響后，團(tuán)隊(duì)更加動(dòng)力十足，開始向梯級(jí)水庫群中的最主要風(fēng)險(xiǎn)——大壩潰決這一難題發(fā)起攻擊。團(tuán)隊(duì)對(duì)土壩潰壩機(jī)理與潰壩洪水過程進(jìn)行了重點(diǎn)研究，發(fā)現(xiàn)了潰壩模型存在的幾個(gè)重要問題：

（1）難以有效模擬侵蝕速率與沖刷強(qiáng)度之間的關(guān)系；

（2）曼寧公式對(duì)水力坡度非常敏感；

（3）側(cè)向展寬過程無法回避臨界滑裂面搜索；

（4）數(shù)值求解迭代過程不穩(wěn)定。

這直接導(dǎo)致了潰壩洪水計(jì)算結(jié)果的不穩(wěn)定。為此，在水力學(xué)和巖土力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，在巖土專家、團(tuán)隊(duì)成員陳祖煜院士的指導(dǎo)下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了一種雙曲線侵蝕率的新模型，有效模擬了潰壩沖刷的過程；他們還采用水頭跌落系數(shù)確定了壩頂水流深度，使計(jì)算精度得以提高，進(jìn)而解決了現(xiàn)有潰壩模型不穩(wěn)定的難點(diǎn)。

項(xiàng)目組成員考察大渡河電站

“計(jì)算過程中，高度非線性迭代的問題該如何解決呢？”有人就此提出疑問。但當(dāng)團(tuán)隊(duì)將以流速變化為起始輸入變量的計(jì)算過程成功建立后，疑問也就此打消。對(duì)土石壩潰壩研究取得的一系列成果，引起了國內(nèi)外水利研究領(lǐng)域的關(guān)注，成果還在ASCE期刊上發(fā)表了相關(guān)最新研究進(jìn)展論文。

要說水庫設(shè)計(jì)過程中最為重要的關(guān)鍵點(diǎn)是什么，相信很多人都會(huì)想到安全性，的確如此。但所謂安全工程，不是僅僅保證工程本身的安全就萬事大吉了，更為重要的是對(duì)公共安全的保障，也就是要達(dá)到社會(huì)可接受的水平。為了使梯級(jí)水庫群達(dá)到公共安全的要求，基于相對(duì)安全率理論，團(tuán)隊(duì)還首次提出了“風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)—風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)—風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)指標(biāo)”的梯級(jí)水庫群風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)理論體系。此前，想要在傳統(tǒng)安全系數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)指標(biāo)之間進(jìn)行相互換算，始終不能如愿，如今，該體系成功突破了技術(shù)瓶頸，也為以后梯級(jí)水庫風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范的制定提供了很好的模板。

此外，團(tuán)隊(duì)仔細(xì)研究大渡河的地形、地質(zhì)、水文條件等因素，針對(duì)高土石壩的壩基地震失穩(wěn)、壩體滲透破壞和壩頂漫頂潰決等主要破壞模式開展系統(tǒng)分析，揭示了擋水建筑物設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行全過程的風(fēng)險(xiǎn)防控機(jī)理。其中，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的世界首臺(tái)大型水平、豎直雙向離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)，首次實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)強(qiáng)震條件下砂層液化的雙向振動(dòng)超重力物理模擬；在對(duì)深厚覆蓋層動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)確定方法建立中，他們將土體原位結(jié)構(gòu)效應(yīng)考慮到其中，并對(duì)原有規(guī)范覆蓋層地震液化判斷準(zhǔn)則進(jìn)行了重新修訂，目前已經(jīng)頒布實(shí)施。

如果說在維護(hù)梯級(jí)水庫群安全性這場(chǎng)大戰(zhàn)中，前面所做的努力是在打基礎(chǔ)，那么泄水和交通完全可以稱得上是梯級(jí)水庫群最重要的生命線工程了。為了使生命線得以正常運(yùn)行，團(tuán)隊(duì)合力系統(tǒng)揭示了多風(fēng)險(xiǎn)源下梯級(jí)水庫群生命線工程災(zāi)變機(jī)理，他們基于邊坡、隧洞、橋梁等關(guān)鍵單元，率先建立了梯級(jí)水庫群泄水系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)定量分析模型，又進(jìn)一步構(gòu)建了交通生命線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論和方法。成果獲得眾多國內(nèi)外同行知名專家的認(rèn)可和引用，還發(fā)表于Journal of Hydraulic Engineering、Journal of Hydrodynamics等國際知名期刊上。

大渡河梯級(jí)水庫建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

與此同時(shí)，目前對(duì)水庫進(jìn)行的安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置，大部分還是注重單庫單壩，并沒有考慮到流域整體的安全問題，因此接下來要做的就是將梯級(jí)水庫群看作一個(gè)整體來研究。于是，團(tuán)隊(duì)在梯級(jí)水庫群風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估理論基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮創(chuàng)新力，提出了梯級(jí)水庫群風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警調(diào)控技術(shù)，并針對(duì)水庫安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系存在的時(shí)空覆蓋范圍和分辨力不足、沒有考慮水庫連潰、缺少應(yīng)急監(jiān)測(cè)規(guī)劃等缺陷，首次提出了基于“流域信息整合”和“災(zāi)害事件驅(qū)動(dòng)”的梯級(jí)水庫群動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。

此外，團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步完善了梯級(jí)水庫群的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法和應(yīng)急調(diào)控技術(shù)，他們?cè)谌姹O(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了梯級(jí)水庫群動(dòng)態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的梯級(jí)水庫群風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法以及漫壩風(fēng)險(xiǎn)率和失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)率的計(jì)算方法。有了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的牽頭，團(tuán)隊(duì)進(jìn)而提出了梯級(jí)水庫群關(guān)鍵調(diào)控閾值、應(yīng)急調(diào)度模式和超額水量分配模型，對(duì)大渡河梯級(jí)水庫群制定了清晰的應(yīng)急處置流程，并編制了應(yīng)急調(diào)度預(yù)案，力圖將問題在源頭上一舉拿下。

十年磨一劍。團(tuán)隊(duì)付出的努力并沒有白費(fèi)，據(jù)悉，梯級(jí)水庫群風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、應(yīng)急處置等研究成果，已經(jīng)成功應(yīng)用于大渡河流域的工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行，事實(shí)也證明，流域風(fēng)險(xiǎn)管理水平得到了顯著提高。除此之外，風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)理論也在雙江口水庫開展設(shè)計(jì)復(fù)核工作過程中成功得到應(yīng)用，值得一提的是，正是在該理論的基礎(chǔ)上，研究人員提出了增加裕富超高等工程措施建議，最終滿足了特等工程設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)為梯級(jí)水庫群的生命周期風(fēng)險(xiǎn)孕育機(jī)制與安全防控理論做出了巨大貢獻(xiàn)，沒有人知道他們經(jīng)歷了多少次嘗試，又飽嘗了多少失敗后的辛酸，但車到山前必有路，即使科研之途再險(xiǎn)再難，他們?nèi)詴?huì)快馬加鞭，一路馳騁，開辟出一條寬闊的“水之路”。