梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析與防控研究綜述

劉家宏，周晉軍，王 浩

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

1 研究背景

水利水電工程的本質(zhì)是除害興利，可以有效調(diào)節(jié)河道水量，降低洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，在發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、調(diào)水、漁業(yè)、旅游等方面發(fā)揮巨大的效益[1-3]。水電開(kāi)發(fā)是國(guó)家能源安全保障的重大戰(zhàn)略，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要途徑[4-6]。梯級(jí)水電樞紐群是指在擬定的河段上連續(xù)開(kāi)發(fā)和建造多個(gè)水庫(kù)、廠房等，呈現(xiàn)自上游到下游的階梯狀分布，是多個(gè)水電樞紐形成的工程組群[7]。通常水利水電工程多分布在地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)活動(dòng)活躍的深山峽谷地帶，在氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響下，面臨地震、火山、洪水、泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的巨大威脅以及戰(zhàn)爭(zhēng)、爆炸等人為災(zāi)害的破壞風(fēng)險(xiǎn)[8]。在超標(biāo)準(zhǔn)巨震、極端降水、巨型滑坡等極端荷載的作用下，梯級(jí)水電樞紐群中任何一個(gè)水電工程發(fā)生破壞都可能對(duì)組群內(nèi)其他水電工程形成威脅和破壞，且有可能在梯級(jí)樞紐群內(nèi)產(chǎn)生災(zāi)害鏈?zhǔn)椒糯笮?yīng)，造成水庫(kù)連續(xù)潰決，形成難以估量的巨大災(zāi)害損失，嚴(yán)重威脅下游人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，引發(fā)嚴(yán)重的災(zāi)難[9-10]。

巨災(zāi)通常指發(fā)生概率小，但造成的財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡巨大，對(duì)國(guó)家、地區(qū)乃至全世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定和安全造成巨大影響的突發(fā)、不確定事件[11]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有統(tǒng)一的定義或評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，已有對(duì)巨災(zāi)的定義大致可分為定量和定性兩種描述。定量描述例如美國(guó)保險(xiǎn)服務(wù)辦公室(Insurance Service Office，ISO)下屬的財(cái)產(chǎn)理賠服務(wù)署(Property Claim Services，PCS)于1997 年將巨災(zāi)事件定義為損失額為 2500 萬(wàn)美元以上的自然災(zāi)害事件[12]，我國(guó)在構(gòu)建巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)保障體系中將經(jīng)濟(jì)損失大于7500萬(wàn)美元或死亡人數(shù)超20人、2000人以上無(wú)家可歸的災(zāi)害認(rèn)定為巨災(zāi)[13]；定性描述方面認(rèn)為，巨災(zāi)是指災(zāi)害發(fā)生地對(duì)于災(zāi)害的后果已不能自我處置，需借外部力量進(jìn)行救災(zāi)和重建的災(zāi)害事件[14]，其顯著特征表現(xiàn)為：發(fā)生概率低、突發(fā)性強(qiáng)、損失程度巨大、風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、災(zāi)后重建負(fù)擔(dān)巨大[15]。大壩潰決是水利水電工程面臨的主要巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榇髩问撬姽こ讨凶钪匾⒆詈诵牡慕ㄖ?，水?kù)潰壩產(chǎn)生的潰壩洪水量大、流急，具有突發(fā)性和毀滅性的特征[16]。根據(jù)國(guó)際人道主義法，大壩被認(rèn)為是“包含危險(xiǎn)力量的設(shè)施”，因?yàn)樗赡軐?duì)平民人口和環(huán)境造成巨大的破壞。梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)是指梯級(jí)水電樞紐群內(nèi)發(fā)生單個(gè)或多個(gè)水庫(kù)大壩潰決造成重大人員傷亡和巨大財(cái)產(chǎn)損失的不確定災(zāi)害事件，其特點(diǎn)在于發(fā)生的概率極低、造成的損失巨大，其誘發(fā)的因素可能是巨震、極端洪水、巨型滑坡、火山噴發(fā)、巨型泥石流等極端自然災(zāi)害，也可能是戰(zhàn)爭(zhēng)、爆破等人為破壞。梯級(jí)水電樞紐群的巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)屬于極小概率事件(P<10-6)，位于概率分布圖的邊緣，其巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)以潰壩洪水為主，具有水頭高、流速快、沖擊力大等特征。

隨著全球水利工程數(shù)量持續(xù)增多，以及氣候變化影響和人類活動(dòng)干擾下的極端自然災(zāi)害頻發(fā)，水利工程潰壩事件發(fā)生頻率有增加趨勢(shì)[17-18]。僅2000—2009年，全世界發(fā)生了200多起不同程度的大壩潰壩事件，造成了巨大的災(zāi)難損失[19]。我國(guó)是世界上大壩數(shù)量最多的國(guó)家，根據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2020年4月的登記注冊(cè)結(jié)果顯示：全球大壩數(shù)量為58 713座，我國(guó)的大壩數(shù)量為23 841座，占全球總量的40.6%。我國(guó)梯級(jí)水電樞紐群分布最為集中，國(guó)家規(guī)劃的13個(gè)水電基地中9個(gè)水電基地位于西南地區(qū)。梯級(jí)水電樞紐群的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)成為我國(guó)水利水電工程建設(shè)和管理必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[20]，開(kāi)展梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析和防控研究是有效降低巨災(zāi)損失、最大限度減少人員傷亡的必要手段[21]。為了系統(tǒng)梳理梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析與防控方面的研究成果，開(kāi)展了相關(guān)文獻(xiàn)綜述，主要研究思路如下：

首先調(diào)研國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩潰決事件，分析潰壩事件發(fā)生趨勢(shì)特征；其次總結(jié)梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析方法和巨災(zāi)防控方法。最后在綜述分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮梯級(jí)水庫(kù)潰壩的災(zāi)害鏈放大效應(yīng)，研究巨震、巨型滑坡、極端洪水等風(fēng)險(xiǎn)在梯級(jí)水電樞紐群之間的傳播規(guī)律和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理，提出梯級(jí)水電樞紐群(Probable Maximum Disaster，PMD)的內(nèi)涵和量化方法，以期為梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)防控提供理論支撐和技術(shù)支持。

2 國(guó)內(nèi)外歷史潰壩事件

2.1 我國(guó)梯級(jí)水電樞紐群分布特征截至2020年底，我國(guó)形成13處主要的水電基地：東北、黃河上游、黃河北干流、雅礱江、大渡河、金沙江、怒江、烏江、瀾滄江干流、紅水河、湘西、長(zhǎng)江上游、閩浙贛，黃河上游和中游、雅礱江、大渡河、金沙河、瀾滄江、紅河、烏江、貓?zhí)拥攘饔虻奶菁?jí)開(kāi)發(fā)。圖1展示了上述9個(gè)流域的梯級(jí)水電樞紐群的電站分布及水庫(kù)庫(kù)容，結(jié)果顯示各個(gè)梯級(jí)水電樞紐群內(nèi)部的不同電站的水庫(kù)庫(kù)容相差很大，相鄰的電站之間甚至存在1～2個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，上下游之間水電站庫(kù)容存在不規(guī)律的大小交替現(xiàn)象。在這樣的梯級(jí)水電樞紐群流域，如果位于流域上游的大庫(kù)容水電站大壩發(fā)生潰決，將給下游小庫(kù)容電站帶來(lái)巨大的洪水災(zāi)害威脅。

圖1 我國(guó)部分河流梯級(jí)水電樞紐群庫(kù)容分布圖

我國(guó)梯級(jí)水電樞紐群的分布特點(diǎn)是：1)集中分布，我國(guó)大部分梯級(jí)電站分布在西南諸河流域，2021年1—3月西南地區(qū)水電站發(fā)電量占全國(guó)水電站發(fā)電總量的58.95%；2)高壩多，目前世界建成的200 m級(jí)以上高壩77座中，我國(guó)有22座，在建的200 m級(jí)以上高壩19座中，我國(guó)有12座，占63%，且多分布在西南地區(qū)；3)梯級(jí)庫(kù)容上大下小的現(xiàn)象顯著，在我國(guó)主要的梯級(jí)水電樞紐群流域中普遍存在上游庫(kù)容大于下游庫(kù)容的情況，相鄰電站的庫(kù)容存在十倍、百倍以上的巨大差距。我國(guó)西南諸多河流是我國(guó)梯級(jí)水利水電工程的主要分布區(qū)域，同時(shí)也是地震、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生的區(qū)域，因此我國(guó)梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)防控的主要區(qū)域[22]。

2.2 國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩潰決事件統(tǒng)計(jì)我國(guó)是洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，歷史上發(fā)生過(guò)多起與洪水、地震相關(guān)的水電工程災(zāi)害事件。其中1975年，河南板橋和石漫灘等62座水庫(kù)連鎖潰壩巨災(zāi)事件的損失巨大，死亡人數(shù)超過(guò)26 000人[23]。我國(guó)分別于1962年、1979年和1991年進(jìn)行過(guò)3次潰壩事件的統(tǒng)計(jì)，據(jù)水利部大壩安全管理中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1954—2021年之間共發(fā)生潰壩事件3558起，其中中小型水庫(kù)潰壩占比超過(guò)95%[24-25]。圖2(a)展示了1954—2021年我國(guó)水庫(kù)大壩的潰決統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，1954—1980年間潰壩2977座，是我國(guó)潰壩高發(fā)期，其中1971—1980年間潰壩2038座，年平均潰壩數(shù)超過(guò)200座；1981—1999年潰壩480座，是我國(guó)潰壩數(shù)量顯著下降階段[26]；2000—2021年潰壩事件99起，我國(guó)潰壩進(jìn)入低頻率發(fā)生階段。從潰壩的大壩類型看，土壩占比約為89.2%，低于1999年之前的93%[26]。

根據(jù)維基百科統(tǒng)計(jì)的“Dam failure”數(shù)據(jù)繪制了截止2021年全世界120個(gè)典型大壩潰決事件的時(shí)間序列。圖2(b)展示了不同時(shí)間段的世界范圍內(nèi)的典型大壩潰壩數(shù)量分布，圖2(c)展示了1795年至2021年之間世界范圍典型潰壩事件發(fā)生年份及潰壩數(shù)量。從時(shí)間軸來(lái)看，世界范圍的潰壩事件呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，大壩潰決引起的巨災(zāi)事件頻發(fā)，2000—2021年間的潰壩事件已經(jīng)超過(guò)了1960—1999年間的總數(shù)。2021年7月西歐出現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的降雨之后，多國(guó)爆發(fā)極端洪水，比利時(shí)、德國(guó)、荷蘭、盧森堡和瑞士等國(guó)多條河流決堤，比利時(shí)內(nèi)政部長(zhǎng)稱之為該國(guó)有史以來(lái)已知的最大自然災(zāi)害，德國(guó)稱之為自第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)最致命的自然災(zāi)害，山洪、泥石流災(zāi)害造成數(shù)百人死亡[27-28]。

圖2 國(guó)內(nèi)外主要潰壩事件發(fā)生數(shù)量和時(shí)間

國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩潰決巨災(zāi)事件調(diào)研結(jié)果顯示，單壩潰壩巨災(zāi)事件多有發(fā)生，梯級(jí)水庫(kù)連潰的巨災(zāi)事件相對(duì)較少。其原因可能是梯級(jí)水庫(kù)群的規(guī)模在快速增長(zhǎng)過(guò)程中，潰壩事件發(fā)生地梯級(jí)水庫(kù)群規(guī)模小，或者沒(méi)有形成梯級(jí)水庫(kù)群規(guī)模。近幾十年來(lái)，在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響之下，極端暴雨、巨型地震、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，由此引發(fā)的全球水庫(kù)大壩坍塌和潰決等巨災(zāi)事件發(fā)生頻率也有增加的趨勢(shì)[29]。與國(guó)際形勢(shì)不同，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的水庫(kù)大壩潰決的巨災(zāi)事件進(jìn)入到低頻率的發(fā)生階段，這得益于我國(guó)水利水電工程的建設(shè)技術(shù)和優(yōu)質(zhì)的工程建設(shè)質(zhì)量。然而，我國(guó)梯級(jí)水電樞紐群的數(shù)量和規(guī)模都在持續(xù)增大，增大了梯級(jí)水電樞紐群水庫(kù)連潰引發(fā)巨災(zāi)事件的風(fēng)險(xiǎn)。

3 梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

梯級(jí)水電樞紐群是一個(gè)龐大復(fù)雜的工程群體，各個(gè)樞紐之間相互關(guān)聯(lián)和影響，特別是上游樞紐建筑物對(duì)下游大壩及其他樞紐建筑物的安全影響密切。水利水電樞紐群受到地震、火山噴發(fā)等地質(zhì)災(zāi)害和暴雨等氣象水文災(zāi)害的影響，也會(huì)受到這些自然災(zāi)害引發(fā)的次生災(zāi)害，比如滑坡、泥石流、洪水等的威脅和破壞，還可能受到工程事故、戰(zhàn)爭(zhēng)等人為因素引起的破壞。梯級(jí)水電樞紐群的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源主要包括自然風(fēng)險(xiǎn)、工程風(fēng)險(xiǎn)、人為風(fēng)險(xiǎn)，從失事的損失后果可以劃分為生命風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境破壞風(fēng)險(xiǎn)[23]。由于水電樞紐工程質(zhì)量好、大壩修建技術(shù)成熟可靠，當(dāng)前出現(xiàn)梯級(jí)水電樞紐群連潰的可能性較小，但在水庫(kù)運(yùn)行管理中可能會(huì)出現(xiàn)保護(hù)大壩的緊急泄洪或多庫(kù)連續(xù)泄洪的情況，這種情況的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)和可能造成的巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也是梯級(jí)水電樞紐群的巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源。梯級(jí)水電樞紐群可能面臨的災(zāi)害具有極大的不確定性，其發(fā)生概率具有顯著的寬尾特征[30]。巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的特征主要表現(xiàn)在突發(fā)性強(qiáng)、損失程度巨大、風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、災(zāi)后重建耗資巨大等方面[31]。當(dāng)前巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析研究的內(nèi)容主要是利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，建立巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)模型、模擬巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)情景、研究巨災(zāi)損失分布的尾部特征、比較巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的大小等[31-32]。梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較為復(fù)雜，其復(fù)雜性和難度體現(xiàn)在巨災(zāi)發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，影響因素眾多[33]；評(píng)估可參考的案例或數(shù)據(jù)極少(主要因?yàn)樘菁?jí)水電樞紐群巨災(zāi)發(fā)生的概率低)，歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，導(dǎo)致基于概率分析的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法失效[34]。

梯級(jí)水電樞紐群風(fēng)險(xiǎn)分析方法：陳祖煜等[35]開(kāi)發(fā)的DB-IWHR模型，建立了梯級(jí)水庫(kù)連潰風(fēng)險(xiǎn)分析模型。郭新蕾等[10]基于DB-IWHR模型研制開(kāi)發(fā)了水庫(kù)群連潰數(shù)值模擬平臺(tái)，考慮超標(biāo)準(zhǔn)洪水+地震的組合荷載作用下梯級(jí)水庫(kù)群的洪水風(fēng)險(xiǎn)。Cai等[36]將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型與DB-IWHR 模型相結(jié)合，表明可以降低梯級(jí)大壩系統(tǒng)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的主觀性。李炎隆等[37]采用正交試驗(yàn)法開(kāi)展了三級(jí)梯級(jí)水庫(kù)連潰分析模型參數(shù)敏感性分析。蔡文君[38]以大渡河流域梯級(jí)水庫(kù)群系統(tǒng)為例，采用水庫(kù)失效風(fēng)險(xiǎn)率模型分析單元水庫(kù)的失效風(fēng)險(xiǎn)率，建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為理論基礎(chǔ)的梯級(jí)水庫(kù)群系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)率模型，量化了系統(tǒng)中各水庫(kù)及其整體在原設(shè)計(jì)參數(shù)和建議設(shè)計(jì)參數(shù)情況下失效風(fēng)險(xiǎn)，研究了梯級(jí)水庫(kù)群系統(tǒng)的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析問(wèn)題。李炎隆等[23]在闡述我國(guó)流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)建設(shè)和庫(kù)群風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)失事風(fēng)險(xiǎn)概率、風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、梯級(jí)連潰風(fēng)險(xiǎn)、梯級(jí)庫(kù)群風(fēng)險(xiǎn)處置等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，將常用的梯級(jí)水庫(kù)群失事風(fēng)險(xiǎn)率分析方法劃分為歷史經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法、概率分析法、可靠度指標(biāo)法，具體方法分類總結(jié)見(jiàn)圖3。

圖3 梯級(jí)水電樞紐群潰決概率計(jì)算方法[23]

梯級(jí)水電樞紐群風(fēng)險(xiǎn)分析內(nèi)容：生命風(fēng)險(xiǎn)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?jīng)濟(jì)損失方面主要通過(guò)各類商業(yè)軟件和數(shù)學(xué)模型模塊進(jìn)行分析，如元胞自動(dòng)機(jī)、模糊數(shù)學(xué)、支持向量機(jī)、灰度理論等。環(huán)境影響方面主要集中在梯級(jí)水庫(kù)群建設(shè)和常態(tài)工作下對(duì)上下游、左右岸以及河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境的影響。于子波等[39]建立了超標(biāo)準(zhǔn)洪水、管涌作用下雙庫(kù)連潰的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，并綜合 Breach 潰壩模型、HEC-RAS二維水動(dòng)力學(xué)模型的潰壩和洪水演進(jìn)模擬方法進(jìn)行雙庫(kù)連潰風(fēng)險(xiǎn)分析研究。林鵬智等[40]從梯級(jí)單元-庫(kù)群系統(tǒng)角度出發(fā)，基于貝葉斯理論構(gòu)建了超標(biāo)洪水、強(qiáng)地震、上游潰壩洪水等自然風(fēng)險(xiǎn)源單獨(dú)、組合作用下的單庫(kù)漫壩、雙庫(kù)連潰貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)分析模型，應(yīng)用于大渡河干流上下相連的猴子巖-長(zhǎng)河壩兩座水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析。Dewais等[41]將二維全動(dòng)態(tài)模型和簡(jiǎn)化集總模型相結(jié)合，分析了水庫(kù)群復(fù)雜潰壩洪水過(guò)程。Luo等[42]基于三維Navier-Stokes方程和光滑粒子流體力學(xué)理論，開(kāi)展了梯級(jí)水庫(kù)群復(fù)雜潰壩洪水流場(chǎng)模擬，根據(jù)受力分析，將潰壩洪水流場(chǎng)劃分為高速?zèng)_擊區(qū)和壓力傳遞區(qū)。Zhang等[43]開(kāi)展梯級(jí)水庫(kù)群上游大壩潰決、中游大壩完好情況下，中游大壩對(duì)潰壩流的緩沖作用的模型試驗(yàn)研究，觀察到跳躍型和溢流型兩種潰壩流模式。Chen等[44]開(kāi)展了梯級(jí)大壩連續(xù)潰決的試驗(yàn)研究，在下游水壩不同回水工況下，觀測(cè)到爬升型、跳躍型和升壓型三種典型的潰壩流模式，為梯級(jí)大壩連潰機(jī)理分析提供參考。Wang等[45]研究表明在梯級(jí)水庫(kù)連潰模擬中Boussinesq方程比淺水波方程具有更好的模擬效果。Dai等[46]對(duì)比發(fā)現(xiàn)梯級(jí)連潰洪水在下游坡道和水庫(kù)之間傳播模擬中Navier-Stokes方程比淺水波方程的預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。Hu等[47]通過(guò)洪水演進(jìn)模擬和洪水調(diào)節(jié)計(jì)算連接上下游水庫(kù)，建立了梯級(jí)水庫(kù)潰壩模擬數(shù)值模型。

上述文獻(xiàn)綜述表明：國(guó)內(nèi)外針對(duì)梯級(jí)水電樞紐群的風(fēng)險(xiǎn)分析多借鑒單一水電樞紐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，且主要是基于概率理論，采用歷史經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法、概率分析法、可靠度指標(biāo)法等確定流域梯級(jí)失效概率。針對(duì)梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)損失分析的研究主要集中在生命、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面，其中環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面主要集中在梯級(jí)水電樞紐群工程建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響評(píng)價(jià)，在梯級(jí)水電樞紐連潰可能造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面研究不足。傳統(tǒng)基于概率的風(fēng)險(xiǎn)分析，適用于描述歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的相當(dāng)量級(jí)的災(zāi)害事件，且以單個(gè)水電樞紐為主，難以客觀表達(dá)梯級(jí)水電樞紐群潰決的內(nèi)在動(dòng)力聯(lián)系，在理論上無(wú)法滿足超標(biāo)準(zhǔn)極端災(zāi)害下梯級(jí)水電樞紐群的損失分析的要求。在梯級(jí)水電樞紐群連潰洪水演進(jìn)模擬方面建立二維動(dòng)態(tài)、三維N-S方程，結(jié)合模型試驗(yàn)分析梯級(jí)水庫(kù)連潰洪水特征，但是對(duì)于巨震、滑坡、極端洪水等災(zāi)害致災(zāi)因子及其組合作用下導(dǎo)致的鏈?zhǔn)綖?zāi)害效應(yīng)分析不足。當(dāng)前梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析的理論和方法尚不完善，難以滿足梯級(jí)水電樞紐群連潰的巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估需求。

4 梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)防控

風(fēng)險(xiǎn)防控是風(fēng)險(xiǎn)管理者采取各種措施和方法，消滅或減少風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能或減少風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生。常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)處理方法主要有避免風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)、自保風(fēng)險(xiǎn)三種[48]。潰壩洪水屬于一種高風(fēng)險(xiǎn)、低概率事件，相比常規(guī)洪水，潰壩洪水的應(yīng)急防御難度更大，開(kāi)展?jié)魏樗L(fēng)險(xiǎn)科普和應(yīng)急演練工作非常必要，可以有效實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩潰壩的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和風(fēng)險(xiǎn)自救自保[49]。面對(duì)巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)還迫切需要提升對(duì)巨災(zāi)災(zāi)害鏈的預(yù)判能力，優(yōu)化巨災(zāi)應(yīng)對(duì)處置的統(tǒng)籌能力和資源儲(chǔ)備，優(yōu)化防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)設(shè)備部署和配置，完善防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急機(jī)制[50]。劉鐵民[51]建議將巨災(zāi)應(yīng)急準(zhǔn)備和能力建設(shè)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。部分發(fā)達(dá)國(guó)家提出了巨災(zāi)保險(xiǎn)計(jì)劃，如美國(guó)的國(guó)家洪水保險(xiǎn)計(jì)劃(NFIP)、日本和新西蘭的地震保險(xiǎn)，政府都參與這些巨災(zāi)保險(xiǎn)，并且保險(xiǎn)具有強(qiáng)制性[11]。大壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)多層次模糊綜合評(píng)價(jià)體系的建立是保證大壩安全、優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的重要措施，基于模糊數(shù)學(xué)的大壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)可以對(duì)大壩安全狀況進(jìn)行評(píng)估，找到大壩風(fēng)險(xiǎn)防控的薄弱環(huán)節(jié)，找到影響大壩安全的關(guān)鍵因素，指導(dǎo)大壩安全管理，保證大壩安全運(yùn)行[52]。美國(guó)華盛頓州綜合利用概率法、風(fēng)險(xiǎn)概念和以風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定大壩是否已有適當(dāng)級(jí)別的失事保護(hù)措施，對(duì)于不安全的大壩，根據(jù)每個(gè)工程的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，利用優(yōu)先排序方案排序，在大壩安全管理方面取得了較好的效果[53]。美國(guó)田納西河流域管理局(TVA)通過(guò)采取臨時(shí)風(fēng)險(xiǎn)消減措施、設(shè)置潰決預(yù)警系統(tǒng)及其他減災(zāi)措施實(shí)現(xiàn)皮克威克大壩潰決風(fēng)險(xiǎn)防控，建立了“大壩潰決預(yù)警系統(tǒng)”以保證及時(shí)向居民發(fā)出警報(bào)[54]。巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控是針對(duì)巨災(zāi)發(fā)生可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行防范和控制，通常屬于保險(xiǎn)行業(yè)的研究范疇，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)包括大壩潰壩在內(nèi)的各類巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范開(kāi)展了大量研究[55-56]。

不同于巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控，巨災(zāi)防控是對(duì)巨大災(zāi)害的防范和控制，是減少或避免巨大災(zāi)害發(fā)生的技術(shù)方法、管理制度、運(yùn)行方案等。在梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)防控方面，岳華等[9]選取最高水位最低化準(zhǔn)則作為超標(biāo)洪水協(xié)同應(yīng)急調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)，采用逐步優(yōu)化算法求解梯級(jí)水電樞紐群超標(biāo)洪水協(xié)同應(yīng)急調(diào)度模型，建立了梯級(jí)水電樞紐群超標(biāo)洪水應(yīng)急調(diào)度方案。Li等[57]基于災(zāi)后信息建立的潰壩洪水三維仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)潰壩情景的快速重現(xiàn)，在應(yīng)急管理和災(zāi)害信息發(fā)布中具有重要作用。胡良明等[58]研究表明增加預(yù)警信號(hào)提前泄水和增大下游水庫(kù)泄水能力可有效降低梯級(jí)水庫(kù)連續(xù)潰壩的風(fēng)險(xiǎn)。周建平等[59]從公共安全風(fēng)險(xiǎn)防范和梯級(jí)連潰系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析的角度出發(fā)，開(kāi)展了特高壩及其梯級(jí)水庫(kù)群設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)的理論和標(biāo)準(zhǔn)研究。周興波等[22，60]指出梯級(jí)水庫(kù)群在緊急情況下開(kāi)展定量和有效的洪水控制可以有效保證大壩的安全，降低連續(xù)潰決的風(fēng)險(xiǎn)；針對(duì)梯級(jí)土石壩連潰風(fēng)險(xiǎn)分析，提出了土石壩潰決數(shù)值分析方法，包括單壩潰決、洪水演進(jìn)和連續(xù)潰決的水力模型，開(kāi)展了特高壩及梯級(jí)水庫(kù)群設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)研究。李平等[61-62]構(gòu)建了洪水作用下雙庫(kù)連潰的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，來(lái)推求水庫(kù)漫(潰)壩概率及評(píng)估連潰風(fēng)險(xiǎn)。李炎隆等[23]將梯級(jí)水庫(kù)群的風(fēng)險(xiǎn)處置按照梯級(jí)工程生命周期劃分為：1)規(guī)劃階段加強(qiáng)識(shí)別，提出設(shè)計(jì)階段強(qiáng)化規(guī)避或風(fēng)險(xiǎn)最小化；2)建設(shè)階段全面防控，運(yùn)行階段強(qiáng)化監(jiān)測(cè)和應(yīng)急預(yù)案；3)退役階段長(zhǎng)期維護(hù)和管理預(yù)案的巨災(zāi)防控方案。國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目“梯級(jí)水庫(kù)群全生命周期風(fēng)險(xiǎn)孕育機(jī)制與安全防控理論”的研究成果為工程群的巨災(zāi)防控研究奠定了理論基礎(chǔ)。2017年我國(guó)修訂了《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，確定了先劃分工程等別，再劃分建筑物級(jí)別，根據(jù)建筑物級(jí)別制定洪水防御標(biāo)準(zhǔn)的總體框架，針對(duì)梯級(jí)水庫(kù)中起控制作用的水庫(kù)，經(jīng)專家論證并報(bào)主管部門(mén)審批后可適當(dāng)提高洪水標(biāo)準(zhǔn)[63]。水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院還牽頭編制了《梯級(jí)水庫(kù)群風(fēng)險(xiǎn)防控導(dǎo)則》和《梯級(jí)水庫(kù)群全生命周期風(fēng)險(xiǎn)管理研究》等，為我國(guó)梯級(jí)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)和管理以及巨災(zāi)防控提供了規(guī)范與技術(shù)支持。EAP(Emergency Action Plan)是一種災(zāi)難行動(dòng)計(jì)劃，針對(duì)水庫(kù)和大壩下游城市地區(qū)制定EAP可以根據(jù)水力通道路線計(jì)算最大水面高程，利用地形圖數(shù)據(jù)生成洪水圖，為脆弱地區(qū)指定疏散路徑，減輕極端洪水造成的損害[64]。

國(guó)內(nèi)外在潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)管理方面開(kāi)展了大量研究與實(shí)踐，但是缺乏對(duì)巨型地震、巨型滑坡、極端洪水等自然災(zāi)害致災(zāi)因子的防控研究，缺乏對(duì)建筑物、構(gòu)筑物、工作人員、居民等承災(zāi)體的巨災(zāi)承受能力進(jìn)行評(píng)估。防控措施方面，考慮到梯級(jí)水電樞紐群潰壩導(dǎo)致的洪水具有猝發(fā)性、水頭高、流速快、沖擊力大等特征，一旦災(zāi)害發(fā)生其影響范圍將快速擴(kuò)張，防災(zāi)減災(zāi)的反應(yīng)時(shí)間很短，傳統(tǒng)的避讓、轉(zhuǎn)移措施難以實(shí)施。為最大限度的保障人民群眾生命安全，避免巨災(zāi)導(dǎo)致的流域性、系統(tǒng)性破壞，亟需研究巨災(zāi)情景下梯級(jí)水電樞紐群破壞機(jī)理與潰壩洪水演進(jìn)規(guī)律，建立梯級(jí)樞紐群災(zāi)害鏈的阻斷技術(shù)，科學(xué)劃定影響區(qū)等級(jí)，并以此為基礎(chǔ)制定就地避險(xiǎn)、安全撤離等的應(yīng)急避險(xiǎn)方案。防控類型方面，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在大壩潰決的風(fēng)險(xiǎn)因子識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)防控方面，已經(jīng)進(jìn)行了比較深入的研究，但對(duì)于梯級(jí)水電樞紐群的巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析與防控技術(shù)研究尚處于起步階段。今后的研究中，針對(duì)梯級(jí)水電樞紐群中不可移動(dòng)的重要設(shè)施，研發(fā)工程防護(hù)和災(zāi)后恢復(fù)技術(shù)；針對(duì)難以避免的財(cái)產(chǎn)損失，分析巨災(zāi)保險(xiǎn)等風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移措施的適用性；通過(guò)技術(shù)和措施應(yīng)用為制定梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)防控方案提供理論和技術(shù)支撐。隨著巨災(zāi)理論的發(fā)展，巨災(zāi)尾部風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度也會(huì)得到提升[65]。

5 可能最大災(zāi)難(PMD)概念和理論模型

當(dāng)前梯級(jí)水電樞紐群風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的方向主要包括梯級(jí)失效概率計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)損失的評(píng)價(jià)，迫切需要在理論和量化方法上進(jìn)行突破。本研究綜合考慮最大可信地震(Maximum Credible Earthquake，MCE)、可能最大洪水(Probable Maximum Flood，PMF)、巨型滑坡等極端荷載作用，以及樞紐群災(zāi)害鏈放大效應(yīng)，借鑒前人研究成果，提出梯級(jí)水電樞紐群可能最大災(zāi)難(PMD)的概念。PMD是指在水文、氣象、地質(zhì)災(zāi)害以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件和工程背景下，巨震、巨型滑坡、特大洪水等極端荷載單獨(dú)發(fā)生或耦合作用導(dǎo)致的流域梯級(jí)水電樞紐群系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞、庫(kù)區(qū)涌浪、大壩連續(xù)潰決等災(zāi)害鏈?zhǔn)椒糯笮?yīng)，造成承災(zāi)體的傷亡和損失的可能最大災(zāi)害，包括災(zāi)害范圍、人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失及其分布等?？紤]MCE發(fā)生后，梯級(jí)水電樞紐群壩體發(fā)生嚴(yán)重破壞、泄洪設(shè)施設(shè)備故障，上游支流出現(xiàn)山體滑坡堰塞湖，近壩庫(kù)區(qū)滑坡體震松失穩(wěn)等；上述不利事件組合再遭遇汛期洪水、堰塞湖潰決、庫(kù)區(qū)巨型滑坡等致災(zāi)因子耦合作用，導(dǎo)致水電樞紐群各梯級(jí)出現(xiàn)部分或連續(xù)潰決的巨大災(zāi)難；研究推算可能的災(zāi)害放大效應(yīng)在末級(jí)樞紐產(chǎn)生的極值洪水過(guò)程及其在下游區(qū)域形成的可能最大災(zāi)難；基于水動(dòng)力學(xué)模型和巨災(zāi)損失評(píng)估理論，構(gòu)建梯級(jí)水電樞紐群可能最大災(zāi)難(PMD)損失估算模型，繪制災(zāi)難空間的外包線，估算PMD損失上限值。

考慮到梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜性，如自然災(zāi)害的突發(fā)性、致災(zāi)因子眾多，致災(zāi)因子相互影響，梯級(jí)大壩上下游相互影響等，應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)模型和巨災(zāi)評(píng)估理論，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network，BN)提出梯級(jí)水電樞紐群PMD的量化分析方法。首先充分考慮梯級(jí)水電樞紐群風(fēng)險(xiǎn)級(jí)聯(lián)傳遞規(guī)律和災(zāi)害放大效應(yīng)，考慮最大可信地震(MCE)、可能最大洪水(PMF)、巨型滑坡等極端荷載耦合作用，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電樞紐群多級(jí)連潰情景下潰決洪峰流量及其條件概率的定量計(jì)算；然后分析承災(zāi)體的脆弱性、暴露度、易損性，進(jìn)而提出生命、財(cái)產(chǎn)損失量化理論模型，最后開(kāi)展PMD量化分析。PMD研究擬構(gòu)建基于物理機(jī)制的梯級(jí)水電樞紐群可能最大災(zāi)難的科學(xué)量化方法，劃定災(zāi)難空間的外包線和損失上限，圖4展示了梯級(jí)水電樞紐群PMD量化分析模式。

圖4 梯級(jí)水電樞紐群PMD量化評(píng)估分析框架

圖4中PMD表示某梯級(jí)水電樞紐群可能最大災(zāi)難，PMD1、PMD2、PMD3、…、PMDN分別表示梯級(jí)水電樞紐群中大壩1、大壩2、大壩3、…、大壩N潰決產(chǎn)生的可能最大災(zāi)難。其中每個(gè)大壩的可能最大災(zāi)難損失由PMD發(fā)生的概率、樞紐群本身的損失、樞紐群下游的人員傷亡/經(jīng)濟(jì)損失/環(huán)境生態(tài)損失等共同決定。以大壩1為例：

PMD1=F{P1，HAB1，CL1}

(1)

式中：P1為大壩1發(fā)生潰決的概率；HAB1為大壩1承災(zāi)體的災(zāi)損性，包括脆弱性、暴露度、易損性；CL1表示大壩1潰決造成的下游損失，包括生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、生態(tài)環(huán)境損失。

對(duì)于大壩N，可能最大災(zāi)難的分析式是：

PMDN=F{PN| N-1+PN，HABN，CLN}

(2)

式中：PN為大壩N在上游大壩N-1與自身大壩位置之間的巨震、滑坡、堰塞湖、極端暴雨等自然災(zāi)害誘發(fā)作用下發(fā)生潰決的概率；PN| N-1為大壩N在上游大壩N-1潰決洪水導(dǎo)致的自身潰決的概率；HABN表示大壩N的承災(zāi)體的災(zāi)損性，包括脆弱性、暴露度、易損性；CLN為大壩N潰決造成的下游損失，包括人民生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、生態(tài)環(huán)境損失。

6 結(jié)論

論文梳理了國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩潰壩事件，給出了梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)的概念，綜述了梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析和防控方面的研究進(jìn)展，提出了針對(duì)梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析和防控的可能最大災(zāi)難(PMD)內(nèi)涵及理論分析框架，主要的研究結(jié)論如下：

(1)21世紀(jì)以來(lái)，世界范圍的水壩潰決事件的發(fā)生頻率在增大，我國(guó)大壩潰決的數(shù)量和發(fā)生頻率總體在降低，梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)成為我國(guó)水利水電工程面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)。建議在流域尺度建立梯級(jí)水電樞紐群整體巨災(zāi)防控標(biāo)準(zhǔn)，探討多級(jí)串聯(lián)水電工程樞紐的連潰機(jī)理與巨災(zāi)防控理論。

(2)梯級(jí)水電樞紐群風(fēng)險(xiǎn)分析多借鑒單一電站的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，主要采用概率理論相關(guān)方法分析大壩潰壩的概率，缺點(diǎn)對(duì)巨震、極端洪水、巨型滑坡等致災(zāi)因子及其組合作用及梯級(jí)水電樞紐群的鏈?zhǔn)綖?zāi)害效應(yīng)的研究，難以滿足梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析的需求。建議不斷完善梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析理論，為流域水電樞紐群安全管理提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

(3)梯級(jí)水電樞紐群的巨災(zāi)防控技術(shù)研究尚處于起步階段。梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)防控措施和應(yīng)急避險(xiǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)等方面亟需開(kāi)展系統(tǒng)的理論和技術(shù)研究，為應(yīng)急預(yù)案和防災(zāi)策略制定提供基礎(chǔ)支撐。基于致災(zāi)因子時(shí)空分布特征的數(shù)值模擬和流域數(shù)字孿生工程推演平臺(tái)研究也是巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析和防控的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

(4)提出了梯級(jí)水電樞紐群可能最大災(zāi)難(PMD)概念，構(gòu)建了PMD量化分析理論框架。PMD綜合考慮了梯級(jí)水電樞紐群可能面臨的致災(zāi)因子類型、樞紐群耦聯(lián)系統(tǒng)的相互作用、災(zāi)害鏈的傳播放大效應(yīng)等，可為科學(xué)繪制梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)情景下的災(zāi)難空間外包線，估算PMD損失上限值提供科學(xué)基礎(chǔ)。

本文的內(nèi)容主要考慮了巨災(zāi)因子作用下梯級(jí)水電樞紐群巨災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)和傳遞機(jī)制，其風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率低，但災(zāi)難損失程度比常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)高一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此常規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)分析和估算方法難以適用。所提出的PMD量化分析方法僅為理論層面的初步研究，尚不夠系統(tǒng)，有待在進(jìn)一步研究中逐步完善。