應(yīng)對變化條件下的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與評價方法——第24屆國際大壩會議第94議題：“大壩泄洪”議題（一）

郭 軍

（中國水利水電科學(xué)研究院 科研計劃處，北京 100038）

1 概述

泄洪設(shè)施作為大壩的重要建筑物之一，在過去60年的國際大壩委員會學(xué)術(shù)大會上曾8次被列入大會議題進行研討，大壩水力學(xué)專委會已出版了4部與大壩泄洪有關(guān)的技術(shù)公報，在一年一度的年會期間舉辦的技術(shù)研討會也多次列入與大壩泄洪相關(guān)的專題。在2012年日本京都舉行的第24屆大會上，大壩泄洪再次被列入4個議題之一，其主要考慮因素包括：（1）世界上已建成的大壩（壩高超過15m）有4.5萬座之多，相當(dāng)一部分的壩已運行超過40～50年；（2）隨著水文系列資料的延長，有些工程的設(shè)計洪水在復(fù)核后將會有一定的變化；（3）隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人民生活水平的提高和國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，對大壩安全的重視也需要相應(yīng)提高大壩的泄洪標(biāo)準(zhǔn)；（4）全球氣候變化或局部氣象條件的變化將會增加降雨強度或降水量，這對已建水庫的長期泄洪管理也提出了新的要求。面對這些客觀條件的變化，設(shè)計者必須重新評估現(xiàn)有的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及已建水庫大壩溢洪道泄流能力是否滿足新要求、溢洪道升級改造中的新技術(shù)與運行管理等問題。第24屆國際大壩會議第94議題的主題為“大壩泄洪”，4個專題分別為：①設(shè)計洪水與特大洪水標(biāo)準(zhǔn)的評價、修訂與新技術(shù)；②溢洪道設(shè)計技術(shù)發(fā)展新動向以及溢洪道升級改造技術(shù)；③閘門運行管理中的風(fēng)險與水庫漂浮物的影響；④泄洪消能。

本文將重點介紹第94議題總報告[1]中第1專題的研究進展和新技術(shù)，其余的內(nèi)容將另行撰文介紹。

2 設(shè)計洪水與特大洪水標(biāo)準(zhǔn)的評價

2.1 個案工程泄流能力因洪水標(biāo)準(zhǔn)提高而增加設(shè)計洪水復(fù)核的主要依據(jù)是水文系列的延長。已建工程在設(shè)計當(dāng)初依據(jù)水文系列資料普遍較短，所確定的設(shè)計洪水和依此確定的溢洪道設(shè)計能力就有可能不滿足不斷調(diào)整的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)的要求，這也就需要每隔一段時間對溢洪道的設(shè)計洪水進行復(fù)核。比利時的Raviege壩在按新標(biāo)準(zhǔn)用特大洪水復(fù)核后，發(fā)現(xiàn)已建溢洪道的泄洪能力需要提高72% 。另一個案例是位于俄羅斯西伯利亞安加拉河中游的鮑古昌水電站，該水電站工程于1979年開始進行施工準(zhǔn)備，1987年截流，后因資金問題工程幾次停工。2006年復(fù)工后按照新的標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計洪水進行了復(fù)核后認(rèn)為，施工期間的洪水設(shè)計頻率需由以前的P=1%提高到P=0.2%，因而必須通過增減溢洪道以滿足按新標(biāo)準(zhǔn)確定的施工期間的泄洪能力[3]。

2.2 國家層面洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)整體提高在此次提交的論文中，有幾篇文章反映了在國家層面上整體提高洪水的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并對規(guī)范或?qū)t進行了相應(yīng)的修訂。雖然開展此項工作的周期不確定，但其工作是在總結(jié)、評價已有標(biāo)準(zhǔn)和考慮新形勢需要，在大量研究工作成果基礎(chǔ)上修訂洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。捷克整體提高了國家大壩安全標(biāo)準(zhǔn)，對溢洪道的洪水設(shè)計頻率、相應(yīng)的泄流能力和防浪墻高度都有著更嚴(yán)格的規(guī)定[4]，依此標(biāo)準(zhǔn)對已建的Orlík大壩進行了泄洪能力的復(fù)核，從安全泄洪的角度，則需對該壩現(xiàn)有的泄洪設(shè)施進行必要的升級改造，以滿足設(shè)計洪水條件下防波浪的要求。

瑞典洪水設(shè)計導(dǎo)則自20世紀(jì)80年代以來已修訂過兩次。20世紀(jì)90年代，在國家層面上對該國家所有重要的大壩的運行狀態(tài)進行了全面評價，在此基礎(chǔ)上于2007年完成了最新一版的洪水設(shè)計導(dǎo)則修訂工作，規(guī)定確定設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)是必須考慮氣候變化帶來的影響[5-6]，這也就意味著在很多情況下，復(fù)核后的設(shè)計洪水要高于原有的設(shè)計值。經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計洪水值普遍提高15%～50%，另外，可能最大洪水（PMF）或可能最大降水（PMP）的概念已經(jīng)不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求，原因是現(xiàn)在許多河流系統(tǒng)已經(jīng)變得很復(fù)雜，包括梯級開發(fā)形成的水庫群，設(shè)計洪水還應(yīng)考慮強降雨與融雪之間的相互作用。

作為一項國家標(biāo)準(zhǔn)，瑞典尾礦壩的防洪設(shè)計也采用該標(biāo)準(zhǔn)。

法國國家大壩委員會從大壩安全出發(fā)，在總結(jié)大量現(xiàn)有設(shè)計、運行管理工作經(jīng)驗和需求基礎(chǔ)上，完成了溢洪道設(shè)計洪水導(dǎo)則的編制工作[7]。導(dǎo)則規(guī)定，對所有重要的大壩，對那些有可能對大壩安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅的因素，要依據(jù)其影響程度的嚴(yán)峻性優(yōu)先給予風(fēng)險分析。

2.3 極度干旱地區(qū)的洪水與大壩風(fēng)險問題西班牙對處于極度旱地區(qū)大壩的洪水與安全給予了高度關(guān)注，特別是位于其東南地區(qū)Segura河流域的17座具有防洪功能的大壩。在這種極度干旱的地區(qū)，因強降雨引發(fā)的洪水一旦形成，往往具有很強的侵蝕性，會將所流經(jīng)地區(qū)的樹木、灌木和懸浮物品全部帶進水庫[8]。這種風(fēng)險有可能發(fā)生在水庫長時間處于低水位條件下運行時，由于突發(fā)的強降雨使得水庫水位快速上漲、或因為庫水位下降過快而引發(fā)了庫區(qū)山體滑坡，被洪水帶來的大量漂浮物和泥沙可能堆積在閘門前，影響閘門的正常開啟。針對這種情況，西班牙的設(shè)計導(dǎo)則建議在極度干旱地區(qū)的大壩設(shè)計中，采用無閘門控制的溢洪道或在底孔處設(shè)置控制閥。同時，導(dǎo)則還要求制定嚴(yán)格的運行規(guī)則，在保證安全的前提下最大限度地發(fā)揮水庫作用。水庫留有一定的防洪庫容和制定最大限度調(diào)節(jié)水位的運行規(guī)則，也作為泄洪設(shè)施安全運行和大壩安全分析的重要因素。

2.4 潰壩瑞典將設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)分為兩類。第1類為大壩發(fā)生潰壩后可能對下游造成人員傷亡、重大基礎(chǔ)設(shè)施損壞、財產(chǎn)或環(huán)境以及其它重大經(jīng)濟損失；第2類為大壩潰壩后僅對基礎(chǔ)設(shè)施、財產(chǎn)或環(huán)境能夠造成一定的損失[5-6]。

澳大利亞大壩委員會編制的潰壩分析導(dǎo)則中規(guī)定，對潰壩的發(fā)生按造成災(zāi)難的嚴(yán)重程度進行分類，特別是可能造成人員傷亡的大壩必須列入[9]。依此分析，Little Para壩需要滿足PMF條件下的泄洪要求，允許在大洪水條件下漫壩運行。

南非則將河流梯級水庫的潰壩作為特殊的入庫流量進行分析，以不同的組合，包括單座壩潰決或幾座壩的組合潰決作為考慮的條件。這種分析已經(jīng)列為南非水利部編制水庫大壩應(yīng)急預(yù)案的重要考慮因素之一[10]。

2.5 氣候變化瑞典最新的洪水設(shè)計導(dǎo)則中增加的一個重要內(nèi)容就是要考慮氣候變化帶來的不確定性，因此，計算中的假設(shè)條件需要根據(jù)條件變化進行定期修訂，計算的結(jié)果要與實際監(jiān)測的洪水信息進行對比分析，將氣候變化的因素列入敏感性分析方案中。這些因素的考慮都是針對增加大壩的安全性和各種不確定性，在處理上又具有一定的靈活性和一定的富裕度[5]。

針對特大洪水和氣候變化，對溢洪道實行適應(yīng)性管理是基于大壩安全的角度，也是當(dāng)今在洪水設(shè)計中新增加的考慮因素，溢洪道的泄流能力不僅要滿足當(dāng)今的規(guī)范要求，還要考慮未來50年或100年內(nèi)降雨可能增加所帶來的影響。

2.6 現(xiàn)有計算和設(shè)計方法的適用性GRADEX水文計算模型已經(jīng)在法國電力公司應(yīng)用了40年之久，是一個相對比較成熟的模型，廣泛用于法國和北非地區(qū)的部分國家。但是近年來，通過分析比較，法國電力公司的水文工程師認(rèn)為該模型應(yīng)用在某些地區(qū)特大降雨條件下的計算結(jié)果與實際相比偏小，因此他們利用了10年時間開發(fā)了一個新的模型，稱作SCHADEX[11]。

上述列出的文章要點反映出一個值得關(guān)注的問題，從確保大壩安全的角度出發(fā)，溢洪道的泄流能力需要不斷地復(fù)核，并根據(jù)新的要求進行修訂。

3 設(shè)計洪水與特大洪水計算方法

根據(jù)統(tǒng)計的水文資料、PMP/PMF和極端洪水事件計算特大洪水和設(shè)計洪水是國際上廣為采用的方法，氣候變化和潰壩洪水造成的入庫流量增加是近年來新增加的考慮因素。

3.1 頻率法與統(tǒng)計學(xué)方法目前國際上有些國家在評價大壩安全時用萬年一遇洪水頻率確定設(shè)計洪水[4，12]。捷克在評價1962年建成的Orlík壩已建溢洪道、新增或升級改造已建溢洪道時，采用萬年一遇的洪水頻率，考慮了3種情景，即新建一座溢洪道承擔(dān)增加10%的泄流量，以及兩種特大洪水條件，洪峰流量相差20%。

瑞典在進行洪水計算時采用頻率法，在對于第一類工程的洪水計算中，將特大降雨與特大融雪洪水和濕潤土壤幾種條件疊加一起考慮，用14d的降雨過程，采用至少10年的水文觀測數(shù)據(jù)來模擬計算最不利的來流和水位。而對于第二類工程，溢洪道應(yīng)該滿足在正常水位條件下宣泄百年一遇洪水，在確定工程規(guī)模時還應(yīng)考慮到工程投資與效益之間的關(guān)系。

法國在進行洪水計算時采用概率事件法[11]。最近的研究成果中包括考慮：（1）加強對水文學(xué)和水力學(xué)模型的聯(lián)合應(yīng)用，模擬從降雨到產(chǎn)流的過程；（2）洪水事件中包括一個有記錄的洪峰以及若干個次級洪峰。設(shè)計規(guī)范不僅明確了幾個關(guān)鍵水位的確定方法，還給出了考慮特殊水文事件和特大洪水事件的驗證方法，對溢洪道全部失事、部分失事以及安全超高也都有詳細規(guī)定。規(guī)范還規(guī)定了要復(fù)核的情況，即正常運行情況，如大壩及所有的結(jié)構(gòu)物運行狀態(tài)良好，以及特殊運行情況，如增加泄流量時的大壩極限穩(wěn)定性。溢洪道非正常運行風(fēng)險要與上述兩種情況的組合構(gòu)成所有可能的分析情景。

3.2 超越概率（AEP）的考慮羅馬尼亞采用了7個理論分布式模型計算洪水，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在最大洪峰和最大洪量之間存在較大的不確定性，為了確定超越概率，文獻[13]建議計算中采用盡可能多的水文系列資料（如15～20組），剔除與理論模型符合差的部分，剩余的為不確定性的差值，用這種方法計算多瑙河在羅馬尼亞境內(nèi)河段的洪水。

澳大利亞大壩委員會負責(zé)編制該國的大壩洪水設(shè)計導(dǎo)則，編制的指導(dǎo)思想是基于風(fēng)險分析，考慮的兩個重要因素分別為對人類造成的風(fēng)險和潰壩對下游造成的災(zāi)難。按洪水造成災(zāi)害劃分6個等級，PMF被列入第一級，計算特大洪水造成的災(zāi)難時采用，洪水高風(fēng)險等級分為A、B和C三級，對應(yīng)洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)分別為PMP設(shè)計洪水、萬年一遇到PMP設(shè)計洪水或百萬年一遇、以及萬年一遇到PMP設(shè)計洪水或十萬年一遇[14]。對于新建工程，潰壩洪水將作為一項關(guān)鍵的考慮因素，要詳細地分析潰壩后造成的影響，對于溢洪道的更新改造，通常采用風(fēng)險分析方法評價溢洪道的泄流能力。

南非在考慮超越概率情況預(yù)測最大洪峰流量或用記錄的最大洪峰值來預(yù)測最大洪峰等級時，采用了REFSSA方法[15]，計算結(jié)果表明該種方法是有效的。為了驗證其方法的適用性，選擇了面積在100km2到7 000km2范圍內(nèi)3個水文條件相似的流域，計算洪水頻率為P=0.50%～0.01%，結(jié)果是令人滿意的。文章同時還提出如果計算采用100年的系列數(shù)據(jù)來預(yù)測萬年一遇最大洪水，其結(jié)果是否可信，因此作者建議與世界上其它的、具有長系列資料的結(jié)果作比較分析，并利用古洪水資料進行外延。進一步的工作要在今后發(fā)生的特大洪水時認(rèn)真做好水文氣象信息的記錄，其目的是對未來可能的因氣候變化對特大洪水造成的影響進行評價。

3.3 降雨頻率與降雨模型的結(jié)合法國電力公司新開發(fā)了一個洪水計算模型（SCHADEX），其目的是提高計算結(jié)果的可靠性[11]。與其以前采用的GRADEX相比，新模型可將所計算水域內(nèi)可以獲得的氣象條件和水文條件一并考慮，并考慮到強降雨與洪水事件相關(guān)的多種信息，如季節(jié)、氣象、土壤含水量和融雪等。

為了與舊模型相比，模型開發(fā)者做了大量的計算分析比較，選取了60個具流域特性和年降雨條件差異大、有水文系列資料完整的水域，分別采用兩個模型進行計算。結(jié)果表明，在計算P=0.1%洪水時，兩個模型計算的結(jié)果比較接近，但在有些流域中，結(jié)果就有明顯的差別，特別是在山區(qū)的小流域。新模型的完善工作還在繼續(xù)，重點是進一步研究洪水峰值與洪量比值的變化、在無水文資料地區(qū)的應(yīng)用、以及在無氣象資料地區(qū)的應(yīng)用中的技術(shù)問題。

3.4 潰壩洪水南非開展了關(guān)于河流系統(tǒng)中梯級水庫發(fā)生潰壩洪水的計算研究工作，考慮了2種潰壩情景[10]。

（1）晴天發(fā)生潰壩。假設(shè)水庫處于滿庫、無降雨。產(chǎn)生潰壩的原因為土石壩發(fā)生管涌或混凝土壩發(fā)生瞬間潰決。

（2）區(qū)域間最大洪水引發(fā)潰壩。在發(fā)生區(qū)域間最大洪水事件初期水庫為滿庫，發(fā)生漫頂潰壩，區(qū)域間最大流量發(fā)生在每個子流域最末一座梯級。

根據(jù)假設(shè)的潰壩情景，模擬一條河流上3條支流共修建了12座壩，可以有不同的潰壩組合。計算結(jié)果表明，區(qū)間發(fā)生最大洪水引發(fā)的潰壩洪水最為嚴(yán)重。通過這樣一個模擬分析，根據(jù)可能發(fā)生的最不利結(jié)果制定相應(yīng)的預(yù)案，還需要根據(jù)最末一級壩距發(fā)生洪水的上游梯級的距離，確定啟動應(yīng)急預(yù)案的時間。

3.5 氣候變化對特大降雨或入庫流量的影響瑞典針對2座壩開展了氣候變化對設(shè)計洪水影響的研究[5]，一共采用了16種氣候變化模式，其中A1B在瑞典使用得最多，采用了分布式降尺度方法為計算情景提供水文和水情信息。

選取了11個建有水庫大壩和尾礦壩的流域，按照瑞典大壩的分類（高風(fēng)險壩），采用16種氣候變化模式計算2050年的降水變化，12種模式計算2098年的降雨變化。以Seitevare大壩為例，該壩所在流域的洪水是增加的，其余流域的洪水是趨于減少的（圖1）。分析其原因為在這些地區(qū)因氣候變暖造成降雪減少、蒸發(fā)增加。計算結(jié)果還表明，瑞典的水庫受氣候變化影響嚴(yán)重，并存在許多不確定的因素。氣候變化不是影響洪水設(shè)計精度的唯一因素，其它非氣候因素還包括未來土地利用、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

圖1 瑞典采用氣候變化模式研究區(qū)域降水變化對設(shè)計洪水的影響

從大壩安全角度出發(fā)，影響設(shè)計洪水的主要因素在各個國家和地區(qū)是不同的，選取的模型要考慮應(yīng)用條件的特殊性，開展對比、特別是敏感性分析是非常重要的，不同的洪水計算結(jié)果將影響到工程投資。在瑞典，開展氣候變化對設(shè)計洪水影響研究的目的是幫助業(yè)主認(rèn)識未來一個相當(dāng)長時段內(nèi)洪水可能發(fā)生的變化，復(fù)核溢洪道的泄流能力，這項工作對業(yè)主和管理者就顯得尤為重要，他們需要認(rèn)識到可能存在的風(fēng)險，做好溢洪道的升級改造計劃。由于還存在許多不確定因素，這種洪水變化需要持續(xù)不斷地研究，并根據(jù)實測資料進行驗證。

4 結(jié)語與討論

近幾十年來，在全世界范圍內(nèi)對大壩設(shè)計洪水的評估和溢洪道泄洪能力復(fù)核工作的需求不斷增大，今后，這種需求還會隨著社會對大壩安全關(guān)注度的提高和大壩的升級改造工作的開展持續(xù)增加。

隨著水文系列資料的延長和對大壩安全標(biāo)準(zhǔn)的提高，許多國家的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都有不同程度的提高，有些是在國家層面定期或不定期地更新洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或?qū)t，因此需要相應(yīng)提高溢洪道的泄流能力。

在采用傳統(tǒng)的方法進行設(shè)計洪水和特大洪水計算時，值得關(guān)注的是要根據(jù)水文資料系列的延長、氣象條件等變化的影響，深入分析研究這些傳統(tǒng)的、成熟的計算方法的適用性及需要解決或改進的問題，特別是考慮諸多不確定性因素對計算結(jié)果的影響。

氣候變化和潰壩（包括梯級水庫發(fā)生潰壩）對洪水變化的影響將成為未來設(shè)計洪水和特大洪水、以及評價溢洪道泄流能力的研究重點。

我國有9.8萬余座水庫大壩（其中壩高超過30m以上的水庫大壩有5 000余座），有相當(dāng)大一部分是20世紀(jì)50—70年代建成的，這些水庫大壩的泄洪能力是否滿足當(dāng)前設(shè)計規(guī)范要求關(guān)系到工程安全，是水庫大壩安全鑒定中的重要內(nèi)容之一，也是除險加固設(shè)計內(nèi)容之一。本文對國際大壩委員會第24屆大會“大壩泄洪”議題在洪水評價和洪水標(biāo)準(zhǔn)確定方面討論的總結(jié)和歸納，旨在向國內(nèi)同行介紹國際上在這方面工作的發(fā)展動向，同時對國內(nèi)已建工程的泄洪能力評價提供可借鑒的參考。

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