中小流域梯級水庫群風險評估及防范對策研究

謝玉葳 彭雪輝 盛金保 賴瑞勛 楊德瑋 周克發

關鍵詞：梯級水庫群；風險矩陣；風險評估；風險標準；防范對策

在全球氣候變化影響持續加劇、極端氣候事件頻發，以及經濟社會高速發展的大背景下，流域梯級水庫群安全面臨嚴峻挑戰，遭受的風險日益增加。一旦梯級水庫群中某座水庫因特大洪水、強震或重大工程隱患而潰壩，極有可能形成“多米諾骨牌效應”，給整個梯級水庫群安全帶來災難性后果。大江大河上的梯級水庫群建設標準高且存在關鍵性、控制性梯級水庫，風險可以有效化解，而中小流域上的梯級水庫工程規模不同、建設時間不同，存在工程隱患嚴重程度不同、洪水標準不協調等問題，風險難以控制。在此背景下，深入研究中小流域梯級水庫群風險及防范對策，對有效保障流域梯級水庫群安全具有重要的理論與現實意義。

目前，國內針對單個水庫大壩風險評估方法較多，遲福東等［１］采用改進層次分析法建立致災因素權重模型，將其風險評估模型應用到小灣水電站工程中；李宗坤等［２］為研究混凝土壩失事概率的動態特性，建立了動態貝葉斯網絡模型；Ｍｅｎｇ等［３］采用熵權模糊綜合評價法評估水庫洪水調度風險；彭雪輝等［４］基于國內外風險標準，提出了我國生命、經濟、社會與環境三方面的大壩風險標準，為評估大壩潰壩后果提供依據。但是針對梯級水庫群風險評估的研究處于發展階段，李炎隆等［５］從失事風險概率、風險損失、風險標準、梯級連潰風險等方面對我國的梯級水庫群風險研究進行了論述；杜效鵠等［６－７］基于國內外風險標準，提出特高壩及其梯級水庫的風險標準。

國內外梯級水庫連潰案例［８－９］相對較少，學者們的研究大多基于數值方法進行模擬，于子波等［１０］以黑龍江省安邦河干流上的寒蔥溝－定國山梯級水庫為例，提出基于雙庫連潰的貝葉斯網絡模型、耦合Ｂｒｅａｃｈ、ＨＥＣ－ＲＡＳ模型的洪水演進模擬方法，推求潰壩概率、評估連潰風險和模擬洪水演進過程；林鵬智等［１１－１２］構建關鍵風險因素作用下的貝葉斯網絡模型，研究水庫群連潰風險相關問題；Ｙａｎｇ等［１３］利用集對理論確定上下游水庫間的聯系，采用層次分析法和熵權法綜合分析梯級水庫風險，在此基礎上基于系統的脆性理論提出了脆性風險熵作為預測和評價梯級水庫系統是否潰決的性能指標；張銳等［１４］以雙江口水庫為例，將上游潰壩洪水作用考慮到水庫漫壩失事風險分析中，在具體評估水庫承擔的失事風險概率時，提出基于直角梯形模糊數的水庫漫頂失事風險分析模型。

在我國，針對大江大河梯級水庫群提出了風險評估標準，而針對中小流域梯級水庫群尚未形成風險評估標準體系。本文在研究梯級水庫潰壩模式和潰壩路徑基礎上，首先采用貝葉斯理論構建梯級水庫連潰模型，以此來推求梯級水庫連潰概率；然后基于梯級水庫連潰概率和連潰后果，研究梯級水庫風險評估方法及標準；最后將研究成果應用于某一梯級水庫群風險評估案例中。

１梯級水庫群風險分析

梯級水庫群分為串聯、并聯和混聯水庫群，其中混聯水庫群可簡化為多個串聯水庫群和并聯水庫群的組合。單一并聯水庫群之間水力聯系較弱，若下游無共同的防洪保護對象，盡管有共同的防洪保護對象但沒有采取聯合調度，則不形成上下游梯級關系，與單個水庫情形類似，可按單一水庫處理。本文對梯級水庫群的風險分析僅考慮串聯水庫群。

１．１梯級水庫群連潰可能性

１．１．１潰壩模式及潰壩路徑

根據水利部大壩安全管理中心建立的全國３５００余座潰壩水庫基礎資料數據庫、震損水庫數據庫，分析總結在超標準洪水作用下梯級水庫群潰壩模式和潰壩路徑。本文主要闡述梯級水庫群中上庫發生滲透破壞導致下庫發生連潰的潰壩路徑：

１）上庫遭遇超標準洪水—壩體集中滲漏—管涌—干預無效—大壩潰決—潰壩洪水沖擊下庫—下庫漫頂—干預無效—下庫潰決。

２）上庫遭遇超標準洪水—壩基集中滲漏—管涌—干預無效—大壩潰決—潰壩洪水沖擊下庫—下庫漫頂—干預無效—下庫潰決。

３）上庫遭遇超標準洪水—壩下埋管發生接觸沖刷破壞—干預無效—大壩潰決—潰壩洪水沖擊下庫—下庫漫頂—干預無效—下庫潰決。

４）上庫遭遇超標準洪水—下游壩坡大范圍散浸—浸潤線抬高—壩體失穩—壩頂高程降低—漫頂—干預無效—大壩潰決—潰壩洪水沖擊下庫—下庫漫頂—干預無效—下庫潰決。

５）上庫遭遇超標準洪水—壩體滲流管涌破壞—壩體失穩—壩頂高程降低—漫頂＋管涌—干預無效—大壩潰決—潰壩洪水沖擊下庫—下庫漫頂—干預無效—下庫潰決。

１．１．２連潰概率計算

梯級水庫群系統中上庫遭遇洪水發生潰壩，可能會導致下庫功能受限甚至潰壩，這種梯級水庫群系統的水力聯系體現了系統內的聯系。因此，基于貝葉斯網絡理論，本文構建超標準洪水作用下梯級水庫的貝葉斯網絡模型來推求梯級水庫連潰概率。

１．１．２．１貝葉斯網絡模型

貝葉斯網絡模型是一種有向無環圖模型，是聯合概率分布的緊湊表示形式。其擅長分析處理不確定性和概率性事件，能夠根據不完全或不確定的數據和信息進行推理。貝葉斯網絡表示ｎ個隨機變量Ｘ＝｛Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘｎ｝的聯合概率分布，利用貝葉斯網絡理論特有的條件獨立性和條件概率推求方法可將聯合概率分布表示為

１．１．２．２構建基于貝葉斯網絡的梯級水庫系統

假設流域上Ａ、Ｂ、Ｃ三座水庫為串聯水庫，且三座水庫大壩均為土石壩。水庫Ａ潰壩風險源為超標準洪水，水庫Ｂ考慮超標準洪水和水庫Ａ潰壩洪水兩種風險源，水庫Ｃ考慮超標準洪水和水庫Ｂ潰壩洪水兩種風險源。土石壩管涌或漫頂之后考慮人工干預因素，如人工干預無效導致土石壩潰壩。由此構建基于貝葉斯網絡模型的梯級水庫群系統，見圖１。

圖１中Ａ、Ｂ、Ｃ梯級水庫系統，以Ｂ水庫為例，“Ｂ１超標準洪水”表示Ｂ水庫遭遇超標準洪水的概率，“Ｂ２水庫漫頂”表示Ｂ水庫遭遇“Ｂ１超標準洪水”和“上游Ａ水庫潰壩洪水”條件下水庫漫頂的概率，“Ｂ３水庫潰壩”表示Ｂ水庫在漫頂條件下潰壩的概率。

１．２梯級水庫連潰后果計算

潰壩后果包括潰壩生命損失、經濟損失、社會與環境影響。本文主要考慮潰壩生命損失，其計算方法較多，主要考慮采用Ｄｅｋａｙ＆ＭｃＣｌｅｌｌａｎｄ法［１５］，計算公式為

２梯級水庫群風險評估

２．１梯級水庫群風險評估法

風險評估方法總體上可劃分為定性和定量兩種。定性風險評估方法包括預先危險性分析、故障類型和影響分析等，特點是具有良好的可操作性和直觀性，但其結果受專家主觀性影響較大；定量風險評估方法包括風險矩陣法、層次分析法等，特點是適用于難以精確計算概率和后果的系統風險評估。本文綜合考慮梯級水庫群潰壩發生可能性和后果嚴重性，采用風險矩陣來評估梯級水庫群風險。風險矩陣法計算公式為式中：Ｒ為風險值，取值范圍為１～２５；Ｐ為潰壩可能性，取值范圍為１～５；Ｌ為梯級水庫群潰壩后果嚴重性，取值范圍為１～５。

２．２梯級水庫群風險標準及防范對策

２．２．１連潰可能性劃分標準

《中國水庫大壩風險標準研究》［１５］中單座大壩的潰壩發生可能性分級標準和能源行業標準《梯級水庫群安全風險防控導則》（ＮＢ／Ｔ１０８８２—２０２１）［１６］中梯級水庫潰壩可能性分級標準幾乎是一樣的，本文直接采用能源行業標準中的潰壩概率分級標準（見表１）。

２．２．２連潰后果嚴重性劃分標準

本文綜合《中國水庫大壩風險標準研究》［１５］和能源行業標準《梯級水庫群安全風險防控導則》（ＮＢ／Ｔ１０８８２—２０２１）［１６］中潰壩后果嚴重性等級劃分標準，將梯級水庫連潰后果嚴重性分為５級，分別為一般、較大、重大、特別重大和災難性，具體分級標準見表２。

２．２．３風險劃分標準

根據梯級水庫群連潰可能性和連潰后果嚴重性等級劃分標準，結合專家經驗，將風險分為低風險、中風險、高風險和極高風險４級。

１）Ⅳ級，低風險，為可接受風險，風險值為１～３；

２）Ⅲ級，中風險，為可容忍風險，風險值為４～９；

３）Ⅱ級，高風險，為不可接受風險，風險值為１０～１６；

４）Ⅰ級，極高風險，風險值為１７～２５。

２．２．４風險防范對策

對于梯級水庫群，風險等級不同時，可采取不同的工程措施和非工程措施進行風險防范。

１）當梯級水庫群風險等級為Ⅰ級時，應將風險降至中風險或低風險。防范對策主要有：采取除險加固工程措施，開展梯級水庫群聯合調度；進行梯級水庫群連潰洪水分析，做好流域應急預案和洪水淹沒區預警預報；做好流域應急搶險處置方案，加強隱患排查及綜合治理，降低風險等級。

２）當梯級水庫群風險等級為Ⅱ級時，為不可接受風險，應將風險降至中風險或低風險。防范對策主要有：采取應急監測措施，做好梯級水庫群聯合調度方案；開展梯級連潰洪水分析，劃定連潰洪水淹沒范圍，不同區域制定相應的風險處置措施；加強隱患排查及綜合治理，降低風險等級。

３）當梯級水庫群風險等級為Ⅲ級時，為可容忍風險，應加強監測和日常巡視檢查，開展梯級連潰洪水分析，必要時須采取措施降低風險。當風險處理資金有限時，可根據梯級水庫群中各水庫的風險因子重要性排序，確保重要水庫的主要風險因子得以處理。

４）當梯級水庫群風險等級為Ⅳ級時，為可接受風險。防范對策為關注并維持正常的監測頻次和日常巡視檢查。

３案例分析

以Ｓ河流域內Ｄ、Ｅ、Ｈ三座水庫組成的梯級水庫群為典型案例進行梯級水庫風險評估。

３．１流域概況

Ｓ河是某河支流，河道全長５２ｋｍ，控制流域面積３４６ｋｍ２。該流域屬北溫帶大陸性季風氣候區，冷暖氣團交替頻繁，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫分別位于Ｓ河流域的上游、中游、下游（見圖２）。Ｄ水庫以上屬淺山丘陵區，河道平均比降約為１０．０‰，地勢西南高東北低、成一傾斜盆地，土薄石厚，植被較差；Ｄ水庫至Ｅ水庫區間屬丘陵區，河道平均比降約為２．７‰，黃土覆蓋較厚，沖溝發育，水土流失較為嚴重；Ｅ水庫以下為平原區，土地肥沃，多為耕地。據中國歷史地震目錄記載，本地區附近近５００ａ來發生有感地震７次，震中震級多為５級左右。根據《中國地震動參數區劃圖》（ＧＢ１８３０６—２００１），本區地震動峰值加速度為０．１０ｇ，相應地震基本烈度為Ⅶ度。該梯級水庫下游有京廣鐵路、連霍高速、１０７國道、某市郊區，地理位置十分重要，是下游市區防洪體系的重要組成部分。三座梯級水庫基本情況見表３。

３．１．１Ｄ水庫

Ｄ水庫始建于１９５７年１０月，１９５９年３月基本建成，２０００年除險加固，２００６年汛期大壩上游坡塌坑出險、汛后進行了除險加固。２０１１年Ｄ水庫被鑒定為三類壩，主要原因是大壩上游干砌塊石護坡損壞嚴重，壩頂防浪墻混凝土碳化、裂縫，壩體加高部分直墻傾斜；主壩壩坡抗滑穩定和抗震穩定均不滿足規范要求；大壩填土填筑質量較差，壩體滲透系數不滿足規范要求，壩基砂卵石清基不徹底；下游排水系統不完善；溢洪道出口未疏通，洪水不能安全下泄；輸水洞豎井壁滲漏嚴重，混凝土結構碳化、裂縫，閘門無法提起檢修，出口渠節制閘損壞嚴重，無法使用；輸水洞閘門無法檢修，不能正常使用；監測與管理設施不完善等。２０１９年河南省水利廳提出關于水庫除險加固工程初步設計報告的審查意見。２０２０年９月Ｄ水庫除險加固工程開工，工期２４個月。

２０２２年現場調研時，水庫正在除險加固中，庫水位為死水位１６５．００ｍ。上游壩坡新建混凝土連鎖塊護坡，下游壩坡拆除，重建草皮護坡，對排水棱體進行了加寬，下游側設路緣石，壩頂路面還未鋪設瀝青路面，混凝土未見裂縫；溢洪道施工已基本完成，但溢洪道堰頂高程與汛限水位不匹配；原輸水洞已經封堵，新建泄洪洞啟閉塔正在施工。

３．１．２Ｅ水庫

Ｅ水庫大壩主體工程分四期建成，１９５９年１１月開工直至２０００年完工；２０１１年水庫除險加固竣工驗收；２０２０年水庫安全鑒定為二類壩。

２０２２年現場調研時，大壩水庫水位很低；壩頂下游側寬１７ｍ為Ｇ３１０國道，根據《水庫大壩安全管理條例》，壩頂作為公路應經專題論證，目前未見論證；啟閉塔無避雷設施；大壩壩頂、上游壩坡、下游壩坡均未見異常，溢洪道外觀較好、放水管工作正常，放水管金屬結構及啟閉設施未超過損廢折舊年限。

３．１．３Ｈ水庫

Ｈ水庫興建于１９５７年１０月，主體工程竣工于１９５８年５月；２００７年安全鑒定為三類壩；２００９年１１月１７日除險加固工程開工；２０１１年５月完工；２０１２年２月２３日，水庫除險加固工程通過竣工驗收；２０２０年１２月鑒定為二類壩。

２０２２年現場調研時，庫水位很低，主壩壩頂為瀝青混凝土路面，道路平坦，安全鑒定中未論證其安全性；副壩壩頂及漿砌石邊坡局部砂漿脫落、裂縫；大壩上游壩坡坡面較平整，下游壩坡草皮護坡；溢洪道整體外觀較好，運行狀態基本正常。溢洪道陡坡及消能段無沖蝕現象；放水管完好，工作正常；啟閉室有裂縫。交通橋橋面路肩局部表面砂漿脫落；檢修閘門、工作閘門啟閉機外觀正常，放水管金屬結構及啟閉設施未超過損廢折舊年限，電纜線存在龜裂老化現象，電機接地線缺失。

３．１．４Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫群潰壩風險分析

根據梯級水庫群中各水庫的基本資料分析可知：

１）Ｄ水庫防洪標準已經達到規范要求，若防汛調度不出現差錯，出現標準內洪水時水庫潰決可能性不大。但若遭遇超標準洪水，Ｄ水庫存在大壩潰決的風險。若Ｄ水庫發生潰壩，其總庫容比下游Ｅ水庫的大２倍多，則Ｅ水庫漫頂潰壩可能性較大，繼而影響到下游Ｈ水庫使其潰壩。這是該水庫群可能發生的最嚴重事件，近１．０億ｍ３的洪水對該梯級水庫下游的沖擊將影響巨大。

２）如果Ｄ水庫不出現潰壩突發事件，則Ｅ水庫發生漫壩潰決的可能性較小。目前Ｅ水庫大壩壩頂寬２７ｍ，其中下游側１７ｍ為國道公路，路面均為混凝土路面。大壩壩頂寬，壩體斷面大，壩頂全部混凝土路面覆蓋，且溢洪道泄量大，最大泄量為８７１．３ｍ３／ｓ，即使出現漫壩險情，按理險情發展應平緩一些，也存在搶險可能性。

３）如果Ｄ水庫不出現潰決，Ｅ水庫出現潰決可能性也不大，那么Ｈ水庫超標準洪水條件下漫壩潰決的可能性較大。因Ｈ水庫大壩填筑質量較差，且在高水位時曾經出現過壩坡塌陷、庫岸結合處滲水、反濾體淤積等各種工程險情，雖已加固處理，但并沒有從根本上解決壩體壩基滲透破壞、溢洪道邊坡滑塌的問題。因此，遭遇超標準洪水時Ｈ水庫大壩存在潰壩的可能。

綜上所述，該梯級水庫群風險集中：一是Ｄ水庫大壩潰決引發Ｅ、Ｈ水庫相繼潰決，二是Ｈ水庫超標準洪水下潰決。

３．２潰壩可能性分析

依據“１．１．２”節構建的三座水庫串聯的貝葉斯網絡模型來分析Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫群潰壩可能性。當Ｓ河流域遭遇超標準洪水，Ｄ水庫發生管涌或漫頂潰壩，產生的潰壩洪水疊加區間洪水形成下游Ｅ水庫新的入庫流量過程，在Ｅ水庫正常調洪作用下，溢洪道泄洪能力不足，庫水位壅高直至超過Ｅ水庫的壩頂高程造成其漫頂潰壩，進而導致Ｈ水庫漫頂潰壩。

３．２．１工況１：梯級水庫群連潰概率計算

根據“３．１”節對Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫的風險分析，且三座水庫大壩均存在除險加固后未經高水位運行，不能判定水庫原有的滲透點是否封閉，結合“１．１．１”節中的潰壩模式及路徑，Ｓ河流域遭遇超校核標準洪水時，該梯級水庫可能存在的潰壩模式及潰壩路徑為：Ｄ水庫遭遇超標準洪水—壩體集中滲漏管涌—干預無效—Ｄ水庫潰壩—潰壩洪水疊加區間洪水沖擊Ｅ水庫—Ｅ水庫漫頂—干預無效—Ｅ水庫潰壩—潰壩洪水疊加區間洪水沖擊Ｈ水庫—Ｈ水庫漫頂—干預無效—Ｈ水庫潰壩（其中“干預無效”是指干預失敗或未進行干預）。梯級水庫系統潰壩路徑示意見圖３。

采用ＧｅＮｌｅ軟件建立貝葉斯網絡，假設Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫群遭遇超校核標準洪水時，Ｄ水庫發生管涌潰壩，推求造成Ｅ、Ｈ水庫相繼漫頂潰壩的概率。計算得Ｄ水庫發生管涌潰壩，則Ｅ水庫漫頂的后驗概率為５．５０×１０－１，進而Ｈ水庫漫頂的后驗概率為２．９０×１０－１。根據梯級水庫系統中水庫潰壩情況，建立梯級水庫系統貝葉斯網絡，其計算結果表示單座水庫的狀態對梯級水庫系統的影響。圖４（ｂ）中Ｅ、Ｈ水庫漫頂的先驗概率為圖４（ａ）中Ｅ、Ｈ水庫漫頂的后驗概率。梯級水庫系統失效風險概率為３．９×１０－１。

３．２．２工況２：單庫潰壩概率計算

Ｓ河流域遭遇超校核標準洪水，若Ｄ、Ｅ水庫未發生潰壩，Ｈ水庫發生管涌潰壩，根據事件樹法結合專家經驗對各個事件節點概率取值，計算Ｈ水庫發生管涌潰壩的概率見圖５。

梯級水庫群和單座水庫潰壩概率對比見表４。根據表１梯級水庫潰壩事件發生可能性等級標準，工況１中水庫連潰可能性等級為３，工況２中水庫潰壩可能性等級為２。

３．３潰壩后果分析

通過對不同工況的潰壩洪水和洪水演進進行計算，然后統計淹沒范圍內的風險人口，最后結合Ｄｅｋａｙ＆ＭｃＣｌｅｌｌａｎｄ法的公式計算生命損失，其中警報時間?。保?、洪水嚴重性為１。根據表２梯級水庫潰壩后果嚴重性分級標準對應不同工況的后果等級，計算結果見表５。

３．４梯級水庫群風險評估

根據表４、表５梯級水庫群潰壩可能性和潰壩生命損失，綜合得到不同工況下的水庫風險值和風險等級，見表６。從表６可知，工況１表明Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫群的風險等級是高風險，為不可接受風險；工況２表明Ｈ水庫的風險等級是中風險，為可容忍風險?？梢姡雍恿饔蛟庥鐾涣考壓樗畷r，Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫群的潰壩風險主要由Ｄ水庫決定，該梯級水庫潰壩風險為高風險。

３．５梯級水庫群防范對策

由于該梯級水庫群有高風險，應將風險降至中風險或低風險，因此從工程、非工程兩方面提出相應的防范措施。

３．５．１工程措施

Ｄ水庫大壩為三類壩，需盡快完成除險加固工程；Ｅ、Ｈ水庫大壩均為二類壩，但仍存在較嚴重的安全隱患問題，須盡快進行消缺處理，降低水庫自身風險。

３．５．１非工程措施

１）強化該梯級水庫群的預報、預警、預演、預案能力，提升該梯級水庫群應急調度和應急管理水平。

２）開展該梯級水庫群連潰洪水及后果分析，編制具有科學性和可操作性的大壩安全管理應急預案和應急處置方案，完善潰壩洪水淹沒區預警設施。

４結束語

在全球氣候變化與人類活動影響下，中小流域梯級水庫群風險持續增加。本研究采取定性定量分析相結合的方法，基于貝葉斯網絡推求梯級水庫連潰概率，以Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫群為例開展了梯級水庫群風險評估研究。主要結論如下：

１）提出了采用風險矩陣法評估梯級水庫群風險，其中潰壩可能性根據貝葉斯網絡計算梯級水庫連潰概率進行定量評估，潰壩后果嚴重性根據潰壩生命損失進行定量評估。

２）提出了梯級水庫群風險等級劃分標準，以及潰壩可能性分級標準和潰壩后果嚴重性分級標準。

３）案例分析表明，Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水庫群風險主要由Ｄ水庫決定。建議采取工程措施消除Ｄ、Ｅ、Ｈ水庫工程隱患，采取非工程措施如梯級水庫群進行聯合調度、編制應急預案等措施降低潰壩概率，從而降低梯級水庫群的整體風險。

４）我國中小流域存在大量梯級水庫群，一旦梯級水庫群連潰，后果難以承受。本文提出的梯級水庫群風險評估方法簡便易行，對評估為高風險等級及以上的梯級水庫群，建議采取工程、非工程措施降低整個梯級水庫群風險，從而保障我國梯級水庫群高質量安全運行。