加拿大水電開發(fā)與大壩安全管理體系研究

周興波，張 梁，姚 虞

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

水電作為技術成熟、運行靈活的清潔低碳可再生能源，具有防洪、供水、航運、灌溉等綜合利用功能，是全球水力資源豐富國家國民經濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎設施[1]。我國和加拿大作為全球水力資源大國，水電裝機和發(fā)電量占比均位于世界前列，兩國大規(guī)模的水電開發(fā)建設在高效利用清潔水電能源的同時，也為全球應對氣候變化和清潔能源轉型做出了巨大貢獻。

水電大壩在發(fā)揮社會經濟效益和防災減災作用的同時，其安全管理成為國際社會和中加兩國共同關注的重要內容。2019年第87屆國際大壩委員會年會上，國際大壩委員會執(zhí)委會從大壩安全的客觀條件變化、大壩安全的支撐性文件(如國際大壩委員會公告、失事案例教訓、全生命周期風險管理、業(yè)主責任、國家政府責任)、大壩安全管理方法、大壩安全相關的主要問題等方面，呼吁世界各國政府、國際組織、水電企業(yè)、研究機構、工程師及學者共同提升大壩安全管理水平。

本文在簡要概述加拿大水電建設發(fā)展最新進展的基礎上，歸納總結了加拿大大壩安全管理體系，并結合我國實際情況，提出了加拿大大壩安全管理對我國水庫大壩安全管理的啟示，以及進一步提升我國大壩安全監(jiān)管與風險防控體系的建議。

表2 加拿大已建壩高100 m以上大壩

1 加拿大水力資源與開發(fā)概況

1.1 基本概況

加拿大河湖眾多，水力資源豐富。其主要河流包括圣勞倫斯河、馬更些河、育空河、哥倫比亞河、納爾遜河和渥太華河等。其中，馬更些河是加拿大第一長河，全長4 241 km，僅次于密西西比河，為北美第二長河流，年徑流量9 700 m3/s；圣勞倫斯河為五大湖和大西洋之間的航運通道，全長1 287 km，為加拿大徑流量最大的河流；加拿大湖面面積超過1 000 km2的湖泊高達39個，大熊湖、大奴湖、溫尼伯湖、阿瑟巴斯卡湖、馬尼托巴湖、安大略湖等與河流相互連通，確保了各個流域與湖泊的水量穩(wěn)定，僅大熊湖湖面面積達31 150 km2，儲水量約2 236 km3[2-3]。加拿大多年平均徑流量約3萬億m3，占全球約9%，僅次于巴西、俄羅斯和美國。

加拿大作為僅次于我國和巴西的世界第三大水力發(fā)電生產國，按發(fā)電量計，其水能理論蘊藏量為1 332 TW·h/a，技術可開發(fā)蘊藏量約981 TW·h/a；按裝機容量計，其水電技術可開發(fā)量約160萬kW。截至2018年，加拿大已開發(fā)水電裝機容量76萬kW，年發(fā)電量約355 TW·h，占全國電力生產總量的63%，占全球水力發(fā)電的13%。加拿大分省區(qū)水力發(fā)電資源與開發(fā)情況見圖1。在各省電力結構中水電占比見表1。

圖1 水電資源與開發(fā)現狀(單位：MW)

加拿大水電開發(fā)至今已有120多年歷史。1881年，加拿大在其首都渥太華附近修建紹迪耶爾(Chaudiere)水電站被認為是全國首座水電站。截至2018年，加拿大共有水壩約15 000座，其中933座為壩高15 m以上的大壩，功能以發(fā)電為主，兼顧灌溉、供水、防洪、娛樂等，業(yè)主為聯(lián)邦和省政府、電力公司、工礦企業(yè)、市政部門及個人。按省區(qū)分布，魁北克省有5 200座，安大略省有2 400座，不列顛哥倫比亞省有2 000座。目前，加拿大已建壩高100 m以上的大壩11座，詳見表2。

表1 各省區(qū)電力結構中水電占比

1.2 開發(fā)建設最新進展

近年來，加拿大主要以提升水電大壩安全運行水平為目標，對已建電站進行現代化升級和改造。目前，在建大型水電工程有4座，分別為不列顛哥倫比亞省的Site C電站、馬尼托巴省的Keeyask GS電站、魁北克省的羅曼4 (Romaine- 4) 電站、紐芬蘭與拉布拉多省的拉特瀑布(Churhill Falls)電站。

1.2.1Site C電站

Site C水電大壩是加拿大不列顛哥倫比亞省北部皮斯河上的第3座大壩。電站單機容量183 MW，總裝機容量約1 100 MW，年發(fā)電量5 100 GW·h。樞紐建筑物包括土石擋水壩、混凝土重力支墩壩、主溢洪道、輔助溢洪道和壩后式廠房，其中土石壩段長1 050 m，壩高60 m；混凝土重力支墩壩位于右岸，且壩軸線順河向，壩段長約800 m，最大壩高70 m；發(fā)電廠房位于混凝土壩段靠上游側，主溢洪道和輔助性溢洪道位于混凝土壩段靠下游側。Site C工程總投資約79億加元，約合人民幣420億元。工程建設期為2015年～2024年，將于2020年4月～5月開始蓄水。工程總樞紐布置見圖2[4]。

圖2 Site C電站樞紐布置示意

表3 羅曼梯級電站特征參數

1.2.2Keeyask電站

Keeyask電站位于加拿大馬尼托巴省省會溫伯尼東北725 km的尼爾森河下游，在斯普利特湖和斯蒂芬斯湖之間。電站安裝7臺機組，總裝機容量695 MW?？倶屑~布置包括300 m長的北壩、1 600 m長的中壩、600 m長的南壩、溢洪道和發(fā)電廠房，以及總長約22 km的北堤和南堤。擋水心墻土石壩壩高14～28 m，北堤和南堤最大壩高17 m。樞紐布置見圖3。截至2019年6月，北壩已完建99%，中壩已完建超過70%，南壩將于2020年初完建。

圖3 Keeyask電站樞紐布置示意

1.2.3羅曼4(Romaine4)電站

羅曼4電站是加拿大圣勞倫斯北岸圣皮埃爾港北部的羅曼綜合水力發(fā)電設施的第4座梯級電站，上游羅曼1、羅曼2、羅曼3均已投產運行，羅曼4電站于2006年開工，4座梯級電站特征參數見表3。羅曼4為引水式電站，擋水建筑物包括堆石壩(長435 m，高87.5 m)、左岸溢洪道(2孔寬9.13 m，高21.9 m的閘門)、右岸進水口和引水隧洞；臨時導流洞位于堆石壩和左岸溢洪道之間，長560 m，寬12 m，高12 m；引水隧洞末端的河湖入口布設2臺發(fā)電機組，總裝機容量245 MW，將于2021年投產發(fā)電。樞紐布置見圖4。

圖4 羅曼4電站樞紐布置示意

1.2.4拉特瀑布(Muskrat Falls)電站

拉特瀑布電站位于丘吉爾河下游，在丘吉爾瀑布下游290 km處，設4臺單機容量206 MW，總裝機容量824 MW。工程樞紐包括高39 m的碾壓混凝土北壩，5孔寬5 m、高10.5 m的閘門式溢洪道，河床式發(fā)電廠房和高20 m的心墻堆石南壩。左岸的北部河堤上下游進行了加固，加固堤段長約1 000 m，寬約500 m，高45～60 m，已于2017年8月完工。電站于2013年開工建設，2016年導流，2019年首臺機組發(fā)電。工程樞紐布置示意見圖5。

圖5 拉特瀑布電站樞紐布置示意

2 加拿大大壩安全管理體系

2.1 概述

加拿大聯(lián)邦政府沒有專設的大壩安全監(jiān)管機構，跨境河流的水資源管理由聯(lián)邦層面組建的國際聯(lián)合委員會負責，境內水資源管理和水電開發(fā)利用由各省區(qū)全權負責，各省區(qū)結合自身情況，由省政府主管部門以法律法規(guī)的形式進行許可審批管理。

加拿大大壩協(xié)會作為加拿大全國性的行業(yè)協(xié)會，2007年發(fā)布了《大壩安全導則》，配套發(fā)布了系列技術公報，并于2013年進行了修訂[5]。此外，加拿大大壩協(xié)會于2011年還發(fā)布了《大壩公共安全導則》[6]。這些導則為各省區(qū)大壩安全管理提供推薦性技術指導與實踐依據。

2.2 不列顛哥倫比亞省BC Hydro方法體系

根據不列顛哥倫比亞省大壩安全的基本立法《水資源可持續(xù)發(fā)展法》，森林、土地、自然資源經營和農村發(fā)展部對全省的大壩安全進行審批許可。

1967年，不列顛哥倫比亞省開始實施了大壩安全計劃，于2000年基于《水法》頒布了《大壩安全條例》。同時，為進一步幫助協(xié)助大壩業(yè)主管理好大壩，不列顛哥倫比亞省制定了一系列的導則，如《大壩檢查與維護》《大壩退役和失事后果分級》《不列顛哥倫比亞省基于立法的大壩安全審查》等。以上法規(guī)導則中，重點要求業(yè)主負責大壩的日常安全管理和運維，定期檢查、更新大壩運行維護與監(jiān)管手冊、應急行動計劃。對于后果損失等級為高、非常高、極高的大壩安全計劃至少每5年復核1次；后果損失等級為中級的大壩安全計劃至少10年復核1次，且對于大壩后果損失等級為高、非常高、極高的大壩業(yè)主必須填報大壩安全年度報告。

不列顛哥倫比亞省水電公司(BC Hydro)對其所有的43座水壩曾開展了系統(tǒng)的安全管理。其中，當時僅有11座滿足安全標準。在此基礎上，BC Hydro從1991年將風險管理的方法用于水壩安全管理，并與美國、英國、澳大利亞等國家推動大壩風險管理進步，取得了較好的成果。

BC Hydro在董事會設有分管安全的副總裁，并由大壩安全主任負責大壩安全計劃的實施，組織機構見圖6。BC Hydro的大壩風險管理方法是一套完備的程序，包括許多操作規(guī)程、手冊和準則，并及時更新修訂，以符合實際情況，具體風險管理流程見圖7。圖7中，矩形代表開展的任務事項；菱形代表開展風險評估。通過至少3次風險分析與評估，并最終以建立的風險管理選項將大壩風險控制在可接受范圍。

圖6 BC Hydro大壩安全管理組織機構

圖7 BC Hydro大壩風險管理流程

圖8 安大略省發(fā)電公司OPG大壩風險管理流程

2.3 安大略省OPG方法體系

安大略省根據《河流和湖泊改善法》，由自然資源與林業(yè)廳對全省管轄的3 300座水壩進行監(jiān)管，安大略省發(fā)電公司(Ontario Power Generation，OPG)負責其所有大壩的安全管理。在《河流和湖泊改善法》的基礎上，安大略省頒布了《安大略省建設法規(guī)454/96》《河流和湖泊改善法行政指南》及其配套的9部技術公報(即壩址批準，已建大壩的升級、改造和維修，入庫設計洪水(IDF)和分類，地震隱患，結構設計安全系數，溢洪道和防洪結構，巖土設計安全系數，大壩退役和拆除，維持水管理計劃)，以及2項推薦性管理導則。

安大略省水電開發(fā)需要4個步驟：①進場，即獲得安大略省的土地。水電項目開發(fā)位于省公有土地的，可聯(lián)系安大略省自然資源廳和林業(yè)廳，根據土地管理相關辦法進行審批。如項目涉及私有土地，則需開展盡職調查，根據法律通過財產契約進行交易。②環(huán)境評價。對裝機容量小于200 MW的項目，可采用安大略省水力發(fā)電協(xié)會發(fā)布的《水電項目環(huán)境評估》進行環(huán)評工作。若裝機容量≥200 MW，則需進行單獨環(huán)評工作。③行政許可。水電項目開發(fā)中需要申請多個許可證，并可能隨政策和支持文件的更新有所調整。目前，聯(lián)邦法規(guī)許可包括《水力發(fā)電自治法》《漁業(yè)法》《航運保護法》《瀕危物種法》等共12項。省級法規(guī)許包括《電力法》《環(huán)境評價法》《環(huán)境保護法》等共23項。④開工建設。在完成許可階段所有的審批與許可后，即可開工建設水電項目。

安大略省大壩安全計劃正式實施于1986年，現行內容中包括大壩安全、公共安全和應急管理3部分，制定了嚴格的大壩安全管理流程和管理系統(tǒng)(見圖8)。同時，為保證大壩安全計劃的有效性，OPG制定了詳細的實施模板，列出了每個大壩執(zhí)行大壩安全計劃要求所涉及的所有活動，大壩安全行動計劃需每個季度更新并報告1次。

2.4 加拿大大壩協(xié)會大壩安全導則

2007年，加拿大大壩協(xié)會發(fā)布了《大壩安全導則》，并于2013年修訂，配套8項技術公報，包括洪水、后果和大壩安全分級、大壩設施監(jiān)督、大壩安全的水流控制設備、大壩安全分析和評價、大壩安全水工技術、地震危害、地質技術、結構注意事項。2011年，加拿大大壩協(xié)會發(fā)布了《大壩公共安全導則》，配套3項技術公報，對水庫大壩附近的標識牌、浮漂、聲光報警信號等提出了明確的規(guī)定。

《大壩安全導則》分基本原則、大壩安全管理、運行維護和監(jiān)督、應急準備、大壩安全復核、分析和評價6章內容。該導則明確業(yè)主是大壩安全管理的責任主體，提出大壩安全管理的4條基本原則：①在合理可行的范圍內盡可能降低風險，以保護公眾和環(huán)境不受潰壩或下泄洪水的影響。②大壩安全管理的標準應與其潛在失事后果的增量損失相稱，即大壩等級由潛在后果增量損失確定，按風險人口、生命損失、環(huán)境和文化價值、基礎設施和經濟損失，將大壩分為低、中、高、非常高、極高5級。③安全管理應貫穿大壩全生命周期各個階段，包括設計、建設、運行、退役。④每座水庫大壩均應建立大壩安全管理系統(tǒng)，包括方針政策、職責、計劃與程序、文件管理、培訓，以及對缺陷和不合格項的復核與完善措施。大壩安全管理系統(tǒng)流程見圖9。

圖9 大壩安全管理系統(tǒng)

在運行期，每座水庫大壩均需要制定完善的運行、維護與監(jiān)測手冊(OMS)，并遵循以下原則：①根據大壩失事后果和運行影響情況，制定大壩安全運行、維護和監(jiān)測的要求，并記錄詳細信息。②在正常、異常和緊急工況下，均應按大壩運行和水流控制設備操作規(guī)程執(zhí)行。③應遵守維護規(guī)程，以確保大壩安全運行。④應遵守監(jiān)測規(guī)程，以便早期識別異常情況，及時消除影響大壩安全的風險。⑤水流控制設備必須進行測試，以達到運行要求。

每座水庫大壩均應制定科學有效的應急行動計劃，包括應急響應程序、通訊與對外聯(lián)絡、培訓與演練等，應急行動計劃需定期更新。每座大壩必須定期開展安全復核，包括大壩失事后果分析、運行維護與監(jiān)測規(guī)程和實踐情況、應急行動計劃、之前的大壩安全復核情況、潰壩模式分析、入庫設計洪水分析、地震荷載分析、其他荷載及其組合分析、泄流設施的可靠性分析、大壩安全管理系統(tǒng)的有效性分析等。大壩安全復核需由經驗豐富的注冊專業(yè)工程師負責，提出結論和建議。

此外，2013年修訂版導則中關于大壩安全評價方法不僅包含基于經驗標準的傳統(tǒng)確定性方法，而且還增加了基于風險不確定性的風險告知方法(Risk-informed Approach)。風險告知方法明確了個人風險和社會風險，指出個人風險每年一般不高于10-4，社會風險標準見圖10。根據大壩等級，基于風險告知法和傳統(tǒng)方法的洪水和地震標準分別見表4、5。

圖10 大壩社會風險標準示例

表4 基于風險告知方法的洪水和地震災害標準

大壩等級自然災害最小年超越概率社會風險目標/10-3低1/100—中1/1 000—高1/2 4751/N非常高極高1/10 0001/N1/N

《大壩公共安全導則》作為業(yè)主有效管理近壩區(qū)域安全的指導性文件，包含方針目標與要求、風險評估與處置計劃、公共安全實施計劃、監(jiān)測與評估、審查復核與措施。其中，風險分析建議采用風險矩陣進行分級管理，對大壩及上下游區(qū)域的標志、浮漂、聲光信號等提出了明確要求。

表5 基于傳統(tǒng)方法的洪水和地震災害標準

3 啟示與建議

加拿大水庫大壩修建與運行已有120年歷史，有記錄以來僅有11人死亡，2起潰壩事故，充分說明其大壩安全管理實踐的科學性和有效性，值得我國水庫大壩安全管理學習與借鑒。

3.1 完善大壩安全管理法律法規(guī)體系

加拿大雖在聯(lián)邦政府層面沒有大壩安全的專門立法，但憲法規(guī)定了水資源開發(fā)利用由各省區(qū)負責，而各個省區(qū)都在水資源專門立法下，建立了完善的行政法規(guī)、地方法規(guī)、行業(yè)規(guī)范、標準、導則等。目前，我國已形成以《水法》《防洪法》《安全生產法》《突發(fā)事件應對法》等法律為基礎，《水庫大壩安全管理條例》《防汛條例》《電力監(jiān)管條例》《電力安全事故應急處置和調查處理條例》等行政法規(guī)為核心，部門規(guī)章和行業(yè)規(guī)范性文件相配套，技術與管理標準體系相對完善的水電工程安全建設與運行管理體系。但水庫大壩由于其低失事概率高后果損失的特性，其安全要求應不低于核電，尤其是下游沿岸居住人口密集的水庫大壩，其安全涉及國家安全和公共安全，應研究制定大壩安全管理的相關法律，從國家層面重視并完善我國大壩安全管理法規(guī)體系。

3.2 明確大壩安全管理各方職責

加拿大法規(guī)明確規(guī)定大壩業(yè)主負責大壩安全及管理工作，政府依法依規(guī)履行大壩安全管理監(jiān)督職責，業(yè)主聘請或雇用負責大壩安全管理的工程師需取得政府主管部門的注冊專業(yè)資質。加拿大大壩安全管理機構是以專業(yè)化的方式相對獨立設置，不受行政因素干擾。我國2014年修訂的《安全生產法》明確規(guī)定：“強化和落實生產經營單位的主體責任，建立生產經營單位負責、職工參與、政府監(jiān)管、行業(yè)自律和社會監(jiān)督的機制。”目前，我國水電大壩安全管理均已落實，生產經營單位負責大壩安全管理，政府依法依規(guī)履行監(jiān)管職責。但水利大壩絕大多數屬于地方政府，并沒有真正的業(yè)主，也就是說，地方政府既要負責大壩安全管理，也要負責監(jiān)督大壩安全管理工作有效實施。因此，我國大壩安全管理體制應進一步深化改革，明確政府主管部門監(jiān)督管理職責，大壩安全管理及具體相關工作由專業(yè)化的機構落實實施，確保參與大壩安全管理的各方各負其責、實施有效。

3.3 提升大壩安全管理技術水平

加拿大現行技術規(guī)范要求，大壩在設計階段其等級由潰壩后果損失的嚴重程度確定，并以此作為大壩安全設防標準；在運行階段要求每座水庫大壩均需編制嚴格的運行、維護和監(jiān)測手冊和應急預案，并定期測試和演練，以確保其可靠性；同時，充分考慮各種不確定因素，引入風險管理，并以風險告知方法作為傳統(tǒng)標準安全方法的補充。我國目前水庫大壩安全管理仍采用基于經驗“大老K”的單一安全系數法，認為滿足行業(yè)規(guī)范標準要求即為安全的。但2018年金沙江上游發(fā)生的白格堰塞湖漫頂潰決事故[7]，使得下游水電站遭遇超萬年一遇洪水，完全超規(guī)范標準要求。因此，我國應進一步研究風險管理方法，并充分考慮流域系統(tǒng)的安全性。

3.4 確保多方聯(lián)動應急管理科學有效

加拿大大壩在設計階段充分考慮了大壩失事的后果損失，故在編制應急預案時可更有針對性，便于實際操作。同時，應急預案由業(yè)主定期更新，并報送政府監(jiān)督部門和利益相關方。編制合理、有效、可操作的應急預案，可將潰壩或大壩故障發(fā)生后造成的損失降至最低。當前，我國水庫大壩按照國家防總要求均編制了防洪應急預案，但預案的可行性、可操作性，缺乏專業(yè)審查評價、專設監(jiān)管部門的技術監(jiān)督和國家層面的系統(tǒng)監(jiān)管機制，尤其對于大中型水庫大壩的應急預案與管理，涉及水利、農業(yè)、電力、交通、當地政府等多個部門，應研究建立涉及國家安全的多部門應急聯(lián)動機制，有必要設置國家流域安全與應急中心，各流域設置專門的安全機構，全面協(xié)調流域出現超標洪水或大地震等風險時各梯級水庫之間的調度及風險處置措施。

3.5 推動建設全生命周期大壩風險管理體系

水庫大壩如同人的生老病死一樣，也有規(guī)劃、設計、建設、運行、退役的生命周期。加拿大修建最早的大壩已有近百年，如位于蒙特利爾西南圣勞倫斯河上的博阿努瓦水電站大壩已服役近90年，該電站部分壩段受混凝土堿骨料反應引起的膨脹導致廠房嚴重變形，危及機電設備和廠房安全，故魁北克水電公司對其進行了系統(tǒng)的修復升級。隨著我國水庫大壩由大規(guī)模建設階段向高質量運行階段過渡，大壩結構及材料、金屬結構與設備的時變效應逐漸顯現，加之設計與建設階段未考慮到的環(huán)境因素慢慢出現，全生命周期的大壩安全問題日益凸顯。因此，我國大壩在規(guī)劃、設計、建設階段應盡可能的對下一階段的安全管理預留裕度，并盡早開展退役標準及退役后的安全管理相關問題，推動建設全生命周期大壩風險管理體系。

3.6 加強科普宣傳以提升公眾認識

加拿大通過科普館、官方網站、中小學主題教育、夏令營等多種方式向公眾開展水庫大壩安全管理方面科普宣傳，提升公眾對水電站和水庫大壩的認識與了解。水庫大壩從時間和空間上調控水資源，實現了防洪、發(fā)電、供水等綜合社會效益。水庫大壩攔截蓄水，在短期內對水生物生產繁衍有一定的影響，但相對洪澇災害來說，其生態(tài)保障作用更為顯著。我國水電開發(fā)與利用的實踐證明，科學合理的水電開發(fā)建設不僅提供清潔能源，還可避免天然河道沖刷、掏蝕等破壞。不存在絕對安全的工程，水庫大壩建成蓄水后其風險也是客觀存在的。因此，對社會公眾應積極宣傳、重視水庫大壩及安全管理方面的科普工作，使公眾正確、客觀、科學的認識水電大壩。