中小型水庫防洪標準對比研究及對策建議

鄒 鷹

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

據2018年全國水利發展統計公報[1]，截至2018年，我國已建成各類水庫98 822座，其中中小型水庫為98 086座。目前，我國中小型水庫的安全隱患主要體現在以下兩個方面：一是部分中小型水庫所處地區人口密集、經濟社會發展水平較高，水庫失事可能會造成人員傷亡和重大財產損失。二是水庫防洪標準主要是依據庫容大小確定，庫容越小防洪標準越低，這種做法與美國有所不同，發達國家是以大壩失事后果作為確定大壩防洪標準的依據。對于地處人口密集、經濟社會發展水平較高地區的中小型水庫而言，根據我國現行標準確定的防洪標準是否與當前的經濟社會發展水平相適應值得商榷。

美國現行大壩等級劃分和防洪標準選擇是以大壩失事所造成的潛在危害來確定的，屬于大壩風險管理的范疇。我國現行水庫等級劃分與防洪標準選擇方法是以工程規模、效益和在經濟社會中的重要性，按庫容、防洪、治澇、灌溉、供水、發電等6個類別的9項指標，采用“就高不就低”的原則，先確定工程等別，再根據工程等別確定建筑物級別，最后根據建筑物級別確定防洪標準。兩者相比，屬于完全不同的體系，美國采用的方法充分考慮了大壩潰壩后果的影響，我國采用的方法則未量化考慮水庫潰壩后果的影響，難以體現以人為本的發展理念[2]。

本文首先介紹美國水庫大壩的等級劃分標準以及相應的設計洪水選擇，再與我國相關標準進行對比，探討我國中小型水庫現行防洪標準的適宜性，分析我國水庫大壩失事可能導致重大人員傷亡和財產損失的高風險等級中小型水庫提高防洪標準的必要性和可行性，并提出提高我國高風險等級中小型水庫防洪能力的對策建議。

1 美國大壩等級劃分與入庫設計洪水選擇

1.1 大壩等級劃分的歷史沿革

20世紀50年代以前，美國沒有大壩等級分類體系和相應的防洪標準，大壩設計時采用的設計洪水主要是以保護大壩安全及其工程效益為目的，通常是根據河流中大水痕跡或是洪水記錄，通過經驗和工程技術判斷來確定。1964年，美國陸軍工程師團（USACE，United States Army Corps of Engineers）的工程師富蘭克林·F·斯奈德（Franklin F. Snyder）首次提出了一項大壩分類體系建議，在該分類體系中，溢洪道設計采用的設計洪水是根據大壩高度、蓄量以及潛在破壞情況來選定。20世紀70年代初期，美國發生了多起大壩潰壩事件，造成大量的人員傷亡和重大財產損失，這些潰壩事件促使美國于1972年通過了《國家大壩檢查法案》，該法案授權USACE負責開展全國大壩安全檢查。為了配合美國的大壩安全檢查，USACE制定了一項大壩分類體系，該分類體系類似于斯奈德提出的大壩分類體系。1979年，美國聯邦應急管理署（FEMA，Federal Emergency Management Agency）和大壩安全跨機構特設委員會(ad hoc Interagency Committee on Dam Safety）發布了聯邦大壩安全指南。在該指南中，對于可能造成人員傷亡或重大財產損失的大壩，其溢洪道設計采用的設計洪水應該為沒有可能被超過的洪水，即可能最大洪水（PMF，Probable Maximum Flood）。為了統一規范大壩等級分類體系，2004年FEMA發布了兩項聯邦大壩安全指南，《大壩潛在危險分類體系》[3]和《大壩入庫設計洪水的選擇與調蓄》[4]，這兩項指南對美國的大壩等級劃分和入庫設計洪水的選擇做出了明確規定。

1.2 大壩的等級劃分

美國于2006年頒布的國家大壩安全法案中大壩的定義[5]：任何以蓄存或控制水為目的，能夠將水、廢水或任何含液體物質攔蓄起來的人為屏障。這些屏障符合下列條件之一：①屏障的高度等于或超過7.6 m，該高度是指屏障下游坡腳的天然河床或最低高程起算至最高蓄水位的高度；②屏障的攔蓄庫容等于或大于6.17×104m3。

美國聯邦和州大壩安全管理部門都是根據大壩失事（潰壩）或調度失誤（非計劃泄流）可能對大壩上、下游地區造成的潛在影響來進行大壩等級劃分[3]。

美國承擔大壩安全管理責任的機構主要有FEMA、墾務局（USBR，United States Bureau of Reclamation）、USACE、自然資源保護局（NRCS，Natural Resources Conservation Service）等，這些機構都制定過大壩潛在危險等級分類的指南。美國各州在大壩等級分類上一般都遵循FEMA的等級分類指南。下面簡要介紹部分聯邦機構發布的大壩潛在危險等級分類。

首先說明一下美國大壩潛在危險等級分類指南中的兩個重要術語，即潛在危險和增量后果。潛在危險是指由于大壩失事或調度失誤而導致的水庫蓄水或存蓄物下泄可能造成的不利增量后果。增量后果是指由于大壩失事或調度失誤所造成的影響與沒有大壩失事或調度失誤所造成的影響之間的超額部分[4]。

1.2.1 FEMA的大壩潛在危險等級分類 在FEMA的大壩潛在危險等級分類體系指南中，大壩的潛在危險等級分為3級，即高風險、顯著風險和低風險。高風險潛在危險：大壩失事或調度失誤有可能造成生命損失的大壩；顯著風險潛在危險：大壩失事或調度失誤不會造成生命損失，但會造成經濟損失、環境破壞、生命線設施中斷或會影響其他關注問題；低風險潛在危險：大壩失事或調度失誤不會造成生命損失，只會造成少量經濟損失和（或）環境損失。上述大壩潛在危險類別概述見表1。

表 1 FEMA提出的基于潛在危險的大壩等級分類體系[3]Tab. 1 Hazard potential classification system for dams proposedby FEMA[3]

一般情況下，通過調查大壩失事對下游民眾和財產的影響就足以確定適當的大壩潛在危險等級。但對蓄存有毒沉積物的尾礦庫，則需做進一步評估。

1.2.2 USACE的大壩潛在危險等級分類 USACE也是采用高風險、顯著風險和低風險的大壩潛在危險等級分類體系，但分類所依據的基礎與FEMA有一些差別。USACE建立了包括生命損失、生命線損失、財產損失和環境損失的分類體系，詳見表2。

生命的直接損失被量化為無、有（1個或多個）或不確定。經濟上的間接損失分為直接財產損失、環境損失或生命線損失。危險等級完全取決于大壩失事或調度失誤對處于風險中的人群與大壩的接近程度，以及基本服務喪失對生命和財產的影響[6]。

1.2.3 其他美國聯邦機構的大壩潛在危險等級分類 USBR、NRCS等其他聯邦機構也是采用高風險、顯著風險和低風險的大壩潛在危險等級分類體系[7]，與FEMA的大壩潛在危險等級分類體系基本一致。

表 2 USACE提出的基于潛在危險的大壩等級分類體系[5]Tab. 2 Hazard potential classification system for dams proposed by USACE[5]

1.3 入庫設計洪水的選擇

入庫設計洪水的選擇是評估和設計大壩的第一步，它是指流入水庫的洪水過程，用于確定溢洪道和泄水建筑物的規模，估算最大庫容、大壩高度以及超高要求等。美國聯邦機構FEMA、USACE、USBR等都對大壩入庫設計洪水的選擇制定了相關的技術標準，下面簡要介紹這幾個聯邦機構的入庫設計洪水選擇規定。

1.3.1 FEMA的入庫設計洪水選擇 FEMA的大壩安全指南建議采用下列方法來選擇入庫設計洪水：

（1）指定式方法：根據大壩的潛在危險等級分類，按照規定標準來設計擬建大壩或對現有大壩進行評估。這是一種保守的做法，既考慮到資源利用的效率，又為公眾安全提供合理的保障。由于該方法偏于保守，據此洪水設計的大壩難以保障經濟上的合理性。

（2）特定場所的可能最大降水（PMP，Probable Maximum Precipitation）研究（指定式方法的精細化）：對于高風險潛在危險等級的大壩，指定式方法選定的入庫設計洪水與PMF有關，而PMF取決于PMP。PMP的最主要來源是美國國家氣象局（NWS，National Weather Service）發布的水文氣象報告（HMRs，Hydrometeorological Reports）。該報告提供的是大區域的PMP，不是特定流域的PMP，因此應對PMP和PMF進行特定場所的研究，以得到更合理的PMF。

（3）增量后果分析：許多水庫的庫容與入庫洪水的洪量相比，可能要小很多。在這種情況下，可以通過對比有、無大壩時各種入庫洪水對大壩下游地區造成的災害后果，當兩種情況造成的災害后果沒有顯著差異時的入庫洪水就可以確定為入庫設計洪水。

（4）基于風險決策：這種方法允許考慮與大壩水文特征相關的風險，據此方法選定的入庫設計洪水要確保不超過“可容忍風險”的規定水平。這種方法的優點包括：能夠評估提高防洪能力的邊際價值，平衡在多種不同失事模式下降低風險的資金投入，以及在各種大壩投資組合中優先考慮降低風險的措施。

以上各種方法中，最常用的是指定式方法，只有當大壩失事的潛在后果與按指定標準所需設計費用之間存在需要特別權衡的問題時，才需要采用其他方法來選擇一個較小量級的入庫設計洪水。對應于潛在危險等級分類的指定式入庫設計洪水標準見表3。

1.3.2 USACE的入庫設計洪水選擇 USACE的技術規程對其管轄的大壩入庫設計洪水選擇做出了規定[8]。從避免風險而言，大型土石壩可以作為入庫設計洪水選擇范圍的上限。入庫設計洪水選擇范圍的下限應該是建在農業區的小型大壩，小型大壩失事不會危及生命安全，也不會造成超出大壩業主自我恢復能力的破壞。大壩失事不能危及生命的要求，是大壩設計必須滿足的一個先決條件。

入庫設計洪水的選擇應符合下列標準之一，所采納標準將取決于具體工程情況以及相關的上下游開發情況：

標準1：適用于大壩失事時，可能危及生命安全或造成重大災難的大壩的設計。這些大壩的壩高（包括適當的超高）、溢洪道、可調控泄水建筑物以及結構設計等，能夠安全下泄壩址以上流域的PMF。

標準2：適用于大部分徑流式水力發電或通航大壩、分水壩以及上下游水位差相對較小的類似構筑物的設計。雖然不需要確定唯一的入庫設計洪水，但構筑物應該能夠安全排泄具有當地典型特征的大洪水，而不致構筑物損壞，且能夠繼續運行。

標準3：適用于通過分析能夠明確說明在某種量級洪水時，大壩失事可以承受。該標準一般是針對滿足或超過一個基礎安全標準的大壩。基本安全標準是指因大壩失事不會導致處境危險人口顯著增加和財產損失增量很小。符合基礎安全標準的入庫設計洪水上限是PMF，下限是50%PMF。

標準4：適用于許多小型休閑湖泊和農場池塘，通常蓄水容量不超過2.47×104m3。符合該標準的小型工程入庫設計洪水一般可根據頻率分析確定。

從上述標準可以看出，存在生命損失的高風險危險等級大壩應符合標準1的要求，能夠安全下泄PMF。不存在生命損失的顯著風險危險等級大壩應符合標準2的要求，能夠下泄具有區域典型特征的大洪水，且不造成過度破壞或是運行損失。沒有增量生命損失的顯著風險危險等級大壩應符合標準3的要求，至少要能下泄50%PMF。符合標準4要求的低風險危險等級大壩沒有最小量級洪水要求。

1.3.3 其他美國聯邦機構的入庫設計洪水選擇 USBR、NRCS等美國聯邦機構對于大型、高風險潛在危險等級的大壩，都要求應選擇PMF作為入庫設計洪水。對其他潛在危險等級的大壩，入庫設計洪水的選擇標準有比較大的變化范圍。USBR對于高危險潛在危險等級的大壩，允許采用基于風險決策的方法來選擇入庫設計洪水。如果通過風險分析能夠證明小于PMF的某個特定洪水在發生漫溢和大壩失事時所造成的增量影響與PMF所造成的增量影響幾乎沒有差別，則可采用這個特定洪水作為入庫設計洪水。

表 3 采用指定式方法確定的大壩入庫設計洪水要求[4]Tab. 3 Inflow design flood requirements determined by using a prescriptive approach[4]

2 我國水庫等級劃分與防洪標準

2.1 水庫等級劃分

我國對以蓄水為目的的水利工程，習慣用水庫來稱呼。根據水利百科全書[9]的定義，水庫是指在河道、山谷、低洼地及地下透水層修建擋水壩或堤堰、隔水墻，形成蓄集水的人工湖。在我國技術標準中，是對水庫進行等級劃分。

我國對水庫的等級劃分及設計標準的制定是采用既分等又分級，先分等后分級；防洪標準按建筑物的級別確定[10-11]。等別針對工程，體現了工程的規模、效益和在經濟社會中的重要性；級別針對建筑物設計，反映了建筑物的技術和安全要求。

2.2 防洪標準

我國中小型水庫工程的防洪標準是根據工程永久性主要建筑物級別和壩型，分別按山區、丘陵區和平原、濱海區來確定的(見表4)。

表 4 水庫工程水工建筑物的防洪標準（重現期）Tab. 4 Flood control standards for hydraulic structures of reservoir projects (return period) 單位：a

當山區、丘陵區水庫工程永久性擋水建筑物的擋水高度低于15 m，且上下游最大水頭差小于10 m時，其防洪標準宜按平原、濱海區標準確定；當平原、濱海區水庫工程永久性擋水建筑物的擋水高度高于15 m，且上下游最大水頭差大于10 m時，其防洪標準宜按山區、丘陵區標準確定。

2.3 防洪標準對比

我國與美國在水庫防洪標準的選擇上是有較大差異的。美國是根據大壩的潛在危險等級來選定入庫設計洪水，我國則是根據工程等別和建筑物級別來確定相應的設計洪水標準。將我國中小型水庫防洪標準與美國高風險潛在危險等級大壩防洪標準列入表5（美國大壩設計采用的防洪標準不分設計洪水和校核洪水，只有一個入庫設計洪水）。

表 5 中國與美國防洪標準（重現期）對比Tab. 5 Comparison of flood control standards between China and the United States 單位：a

從表5可以看出，對于高風險潛在危險等級大壩，美國的防洪標準均采用水文設計最高標準，即PMF；我國山區、丘陵區中小型水庫的防洪標準最高等級為2 000年一遇，最低等級為200年一遇，平原、濱海區中小型水庫的防洪標準最高等級為300年一遇，最低等級為20年一遇。與美國高風險潛在危險等級大壩的防洪標準相比，我國中小型水庫，尤其是小型水庫的防洪標準還是存在一定差距的。根據文獻[12]提供的數據，1990—2013年我國發生小型水庫潰壩事故306例，其中明確為超標準洪水所致的潰壩事故150例，約占總潰壩事故的49%，這說明我國小型水庫的防洪標準偏低。近些年在我國部分經濟比較發達的地區，對于失事后將對水庫下游造成特別大危害的小型水庫，在除險加固工程設計時都將主要建筑物級別提高1個等級，并相應提高水庫設計洪水標準，這也說明我國小型水庫防洪標準有進一步提高的現實需求。

3 提高我國中小型水庫防洪標準的對策建議

3.1 必 要 性

中小型水庫，尤其是小型水庫盡管蓄水規模不是太大，但一旦失事，也會造成重大人員傷亡和財產損失，可以用美國峽谷湖大壩（Canyon Lake Dam）的潰壩事故[13]來予以說明。峽谷湖大壩位于美國南達科他州的拉皮特溪（Rapid Creek），壩址以上集水面積為131 km2，壩高6.1 m，壩長152.4 m，庫容為23.7×104m3，壩型為土壩，始建于1938年。拉皮特城（Rapid City）就位于大壩下游約11.2 km處，拉皮特溪穿城而過。1972年6月9日下午5時拉皮特溪流域開始出現強降雨過程，導致拉皮特溪流域爆發特大山洪，洪水挾帶大量泥石流進入水庫，同時隨洪水入庫的樹木殘屑又堵塞了溢洪道，導致洪水下泄受阻，庫水位快速上漲。5 h后，庫水位漫過大壩壩頂，在洪水從壩頂漫溢約45 min后，峽谷湖大壩潰決。潰壩洪水再疊加上流域暴雨洪水，最終在拉皮特城形成洪峰流量約為1 416 m3/s的洪水過程。此次潰壩事故與流域洪水導致238人喪生和直接經濟損失1.6億美元。事后調查結果可以看出，峽谷湖大壩的設計洪水明顯偏小。

若按我國規范規定，峽谷湖水庫屬于小（2）型工程，但該大壩失事后果卻是如此嚴重，可見工程規模的大小與大壩失事后果的嚴重程度之間并不是對等關系。峽谷湖大壩潰壩事件作為重要影響因素之一，促使美國開始實施嚴格的大壩安全管理，并推動了大壩等級劃分與相應防洪標準等相關聯邦指南的發布，這些指南中明確規定失事可能造成生命損失或重大財產損失的大壩，設計洪水標準應采用PMF。

目前，隨著我國經濟社會的持續快速發展，在部分經濟發達地區，很多中小型水庫下游的人口不斷增長、財富大量集聚，這樣的水庫一旦失事，所造成的后果將難以估量。近年來，我國政府高度重視水旱災害防御，在防災減災救災理念上提出，要堅持以防為主，防災救災相結合；要堅持常態減災與非常態救災相統一。從注重災后救助向注重災前預防轉變，從應對單一災種向應對綜合減災轉變，從減少災害損失向減輕災害風險轉變。為了牢固樹立安全發展理念，全力維護人民群眾生命財產安全，有必要提高我國失事后果嚴重的高風險中小型水庫防洪標準。

3.2 可 行 性

關于提高我國中小型水庫防洪標準的問題一直存在爭議，其中最主要的爭議之一就是我國中小型水庫數量規模龐大，如果提高這些水庫的防洪標準，勢必需要一筆巨大的投入，這筆巨大的投入一方面可能因我國經濟社會發展水平與承受能力有限無法負擔，另一方面也有可能會因占用大量的水利建設投入而妨礙我國水利工程建設的發展[14]。

美國早期的大壩建設主要考慮的是大壩自身安全和水庫所能提供的經濟效益，并未把大壩失事的后果作為衡量大壩建設的標準。自20世紀70年代因一系列潰壩事故導致重大人員傷亡和巨大財產損失后，美國聯邦政府開始系統實施大壩安全檢查法案，并制定了嚴格的大壩潛在危險等級分類體系以及相應的防洪標準。根據這些分類體系和防洪標準要求，美國許多大壩開始實施高標準的除險加固。

水庫防洪標準的問題與經濟社會發展水平密切相關。在經濟社會發展水平較低時，因財力有限，很難用較高安全標準來進行工程建設，否則就無法滿足社會的基本需要。另外，安全意識也有一個不斷提高的過程，在基本生活需求尚未解決的時候，解決最迫切的生存問題可能是首要任務，隨著經濟社會發展水平的提高，國家財力的不斷增長，到了一定階段就有能力通過更高標準的工程建設來保障經濟社會的安全發展，同時隨著人們生活水平的不斷提高，人們對安全生活環境的需求也在不斷增長。目前從經濟負擔的角度來看，我國部分發達地區已經具備了提高失事后果嚴重的高風險中小型水庫防洪標準的經濟能力。

3.3 具體對策

（1）開展中小型水庫潛在危險等級分類 根據水庫失事或調度失誤可能對下游地區造成的人員傷亡和經濟損失、生命線中斷、環境破壞等災害后果，研究制訂我國中小型水庫潛在危險等級分類標準。根據該標準，對我國中小型水庫開展專項普查，識別出高風險潛在危險等級的中小型水庫，并建立高風險潛在危險等級中小型水庫的名錄數據庫。根據高風險潛在危險等級中小型水庫的具體情況，結合這些中小型水庫所在地區的經濟社會發展水平，按輕重緩急原則科學合理地制訂中小型水庫除險加固計劃，并分地區、分階段地加以實施。

（2）提高高風險等級中小型水庫的防洪標準 通過與美國采用的高風險等級大壩設計洪水標準相比，可以看出我國相關設計規范對中小型水庫防洪標準的規定還是比較低的，尤其是小型水庫。因此，建議適當提高我國高風險等級中小型水庫的防洪標準，最高可采用1級水工建筑物的防洪標準。

（3）合理選擇高風險等級中小型水庫的設計洪水 我國大多數中小型水庫的設計洪水都是根據暴雨資料采用頻率分析法計算出設計暴雨，然后再通過產匯流計算推算出設計洪水[15]。采用該方法計算超過一定量級稀遇頻率的設計暴雨時，存在較大的不確定性。暴雨實測系列較短，基本在百年以內，且歷史暴雨事件很難通過技術手段來定量估算，因此根據不足百年的實測暴雨系列外延至千年一遇以上稀遇頻率的設計暴雨，其可靠性難以保證。在美國的相關指南中，均不推薦根據實測水文系列資料采用頻率計算方法來估算超過千年一遇的水文設計值。針對高風險等級中小型水庫，可采用水文氣象法計算PMF，并與采用頻率分析法計算的結果進行對比，合理選用。

（4）提高高風險等級中小型水庫防洪能力的工程措施 針對已建高風險等級中小型水庫，可以通過增設非常溢洪道，加大水庫泄流能力來滿足防洪標準的要求。非常溢洪道的設置可為大壩提供額外的保護，使水庫在遭遇超標準洪水時，通過超標準洪水的有序下泄，避免發生壩頂溢流潰決形成潰壩洪水；或在主溢洪道發生突發事故無法正常使用時，可以應急啟用泄洪。

（5）加強高風險等級中小型水庫大壩安全管理 由于水庫基本控制了一般洪水對大壩下游地區的影響，致使無水庫調控時常被一般洪水淹沒的洪泛區成了產業開發的熱點地區，人口不斷增多，財產累積大幅增長，一旦大壩失事，導致的潛在后果就會大幅增長，這種現象在世界各國的水庫開發過程是一種普遍現象。建議合理規劃高風險等級中小型水庫下游地區的土地利用模式。

4 結 語

我國與美國在水庫大壩等級劃分和防洪標準選擇上采取了完全不同的體系，美國是以風險分析為基礎，量化考慮了水庫大壩失事的潛在危害，這種做法充分體現了以人為本的發展理念，值得借鑒。從強化風險管理意識的要求出發，通過與美國相關指南的對比，指出了我國中小型水庫的防洪標準相對偏低，與我國當前的經濟社會發展水平不相適應，分析了提高我國存在高風險潛在危險中小型水庫防洪標準的必要性和可行性，并從潛在危險等級分類、防洪標準確定、設計洪水選擇、配套工程措施等多個方面提出了提高我國高風險等級中小型水庫防洪能力的對策建議。