黃河流域梯級水庫大壩風險評估與管控的戰(zhàn)略思考

李宗坤 王特 葛巍 景來紅 羅秋實 楊風威 宋志宇 馬福恒

摘 要：梯級水庫群的安全是保障黃河長治久安、促進全流域高質(zhì)量發(fā)展的客觀要求。針對梯級水庫風險格外復(fù)雜、難以量化的問題，基于系統(tǒng)風險識別與分析，將梯級水庫大壩風險分為自身風險和附加風險，將潰壩風險后果分為直接后果和潛在后果，建立了梯級水庫與單個水庫大壩風險計算方法的有效銜接。以連潰條件概率量化風險的傳遞和疊加程度，提出了用于梯級水庫大壩風險概率計算和潰壩風險后果評估的相關(guān)理念和方法。針對不同梯級水庫類別并結(jié)合“四預(yù)”措施，分別從降低風險概率和減小風險后果層面指明了梯級水庫大壩風險管控的方向，可為黃河流域梯級水庫群規(guī)劃、建設(shè)和運行管理提供參考。

關(guān)鍵詞：梯級水庫；風險概率；潰壩后果；洪水；黃河流域

中圖分類號：ＴＶ６９８；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．００１

引用格式：李宗坤，王特，葛巍，等．黃河流域梯級水庫大壩風險評估與管控的戰(zhàn)略思考［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１－６．

黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的實施，為黃河流域發(fā)展帶來了新機遇［１－２］ 。梯級水庫群作為黃河流域水安全保障的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在支撐流域高質(zhì)量發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的作用，其安全穩(wěn)定事關(guān)國家安全、經(jīng)濟安全、能源安全、糧食安全和生態(tài)安全。近年來氣候變化導(dǎo)致的極端暴雨事件頻發(fā)，水庫潰壩事件時有發(fā)生［３－４］ 。相比于單一水庫，梯級水庫之間的風險具有傳遞和疊加效應(yīng)，某一梯級水庫潰壩極易造成下游梯級水庫連潰，在一定程度上給流域安全帶來更大的風險［５］ 。隨著黃河流域梯級水庫開發(fā)的持續(xù)推進和公眾自我防護意識的提高，梯級水庫的風險問題已經(jīng)上升為公共安全問題，亟須對梯級水庫群進行全流域、全生命周期的風險評估與管控，確保工程安全和黃河安瀾。

根據(jù)國際大壩委員會（ＩＣＯＬＤ）的定義，水庫大壩風險一般表示為失事概率與后果的乘積［６－７］ 。目前我國的水庫大壩管理方式正從傳統(tǒng)的安全管理向風險管理轉(zhuǎn)變，用于風險概率計算與風險后果評估的方法和技術(shù)日漸豐富，但大多僅針對單個水庫，對于梯級水庫群風險的研究尚顯不足。李炎隆等［５］ 對梯級水庫群風險分析研究成果進行了綜述，明晰了關(guān)鍵科學問題和后續(xù)研究重點。周建平等［８］ 提出梯級水庫群的工程設(shè)計要充分考慮流域梯級水庫間的相互影響，初步構(gòu)建了流域梯級水庫群風險設(shè)計方法與風險管控體系。Ｗａｎｇ 等［９－１１］ 分析了梯級水庫群風險的傳遞和疊加效應(yīng)，提出了風險概率計算、潰壩風險后果評估和工程等級劃分的相關(guān)理念和方法。現(xiàn)有成果為梯級水庫風險管理提供了思路，但對于系統(tǒng)風險演化機制和量化方法的研究尚不夠深入，且準確性和實用性有待在實際應(yīng)用中進一步論證［１１］ 。

為使梯級水庫群高效服務(wù)于黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，一方面，應(yīng)充分發(fā)揮其在水旱防御、發(fā)電、灌溉和泥沙調(diào)控等方面的積極效益；另一方面，必須重視梯級水庫群的風險問題，并對其進行科學的評估與管控，從而減小其負面影響。本文基于黃河梯級水庫群概況和風險分析方法，從梯級水庫大壩風險概率計算和潰壩風險后果評估兩方面進行了探索與思考，提出了相關(guān)計算方法和風險管控建議，以期完善大壩風險管理理論、提高流域梯級水庫群管理水平。

１ 黃河流域梯級水庫群概況與風險分析

《黃河近期重點治理開發(fā)規(guī)劃》和《黃河流域綜合規(guī)劃（２０１２—２０３０ 年）》明確提出要持續(xù)推進黃河上中游梯級水庫群建設(shè)，形成以龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、三門峽和小浪底等骨干水利樞紐工程為主體的黃河水沙調(diào)控體系［１２－１３］ ，構(gòu)成相對完善的梯級水庫群系統(tǒng)。黃河干流主要梯級水庫分布及參數(shù)見圖１ 及表１。

根據(jù)相關(guān)資料分析［１－２］ ，在自然因素層面，黃河流域梯級水庫群主要存在以下風險：

１）洪水。洪水引起的漫頂是水庫大壩最主要的失事類型，占比超過５０％［１４］ 。梯級水庫群中洪水的來源主要是天然洪水與上游潰壩洪水。其中：天然洪水是由自然降雨和區(qū)間匯流產(chǎn)生的自然性洪水；上游潰壩洪水指因上游梯級水庫潰壩傳遞而來的潰壩洪水，往往通過河道峽谷直接演進至下游水庫，導(dǎo)致下游庫水位驟升甚至漫頂而發(fā)生連潰。歷史上黃河洪水頻發(fā)，決口改道頻繁，災(zāi)難深重。黃河流域上中游較大洪水由暴雨形成，主要出現(xiàn)在７ 月和９ 月，具有緩漲緩落、歷時長、洪峰不高、洪量大和以單峰型為主的特點［１］ 。

２）地震。地震除了直接造成水庫大壩及泄水建筑物破壞，其強烈作用以及余震的反復(fù)振動沖擊還會使庫岸土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和變化，誘發(fā)庫區(qū)滑坡并產(chǎn)生涌浪，最終引發(fā)漫頂。黃河流域是中國地震活動的多發(fā)區(qū)，中上游高原區(qū)眾多的深溝、陡崖在地震活動影響下極易發(fā)生次生災(zāi)害［１５］ 。特別是梯級水庫群，在發(fā)生強烈地震時誘發(fā)的滑坡崩塌等危害比地震直接造成的損失還要大［１６］ 。

３）滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。黃河流經(jīng)的黃土高原，土壤結(jié)構(gòu)疏松， 廣泛存在滑坡發(fā)生的基本條件［１７－１８］ 。據(jù)統(tǒng)計，龍羊峽至劉家峽河段有多達４３ 個滑坡、傾倒體、變形體等地質(zhì)災(zāi)害風險點，治理工程量大、資金投入多且難以徹底治理［１５］ 。河流侵蝕、梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度，以及緊急泄洪等非常工況引起的庫水位驟降，都是誘發(fā)滑坡的主要風險因素。滑坡在梯級水庫群中主要表現(xiàn)為庫岸滑坡和壩體滑坡。其中：庫岸滑坡指近壩庫岸的失穩(wěn)滑動，滑坡體圍堵河道形成堰塞體或產(chǎn)生涌浪導(dǎo)致漫頂失事；壩體滑坡指因大壩壩坡失穩(wěn)而引發(fā)的潰壩。

從風險管理的角度來看，目前黃河上中下游、左右岸、不同區(qū)域管理體制尚不完善，各省（區(qū)）間政策法規(guī)存在一定程度的矛盾，存在“九龍治水” 問題［１－２］ 。此外，梯級水庫工程設(shè)計與管理采用的是單一水庫的設(shè)計標準與方法。參建單位和交叉作業(yè)多，管理難度大，同流域內(nèi)各梯級電站間的應(yīng)急預(yù)案缺乏聯(lián)動和銜接，尚未形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的流域安全管理與風險防控體系［１］ 。這些因素都為流域梯級水庫群風險管理和控制帶來了巨大挑戰(zhàn)。

２ 梯級水庫大壩風險概率計算

２．１ 梯級水庫大壩系統(tǒng)風險分析與劃分

將梯級水庫群看作一個系統(tǒng)， 根據(jù)災(zāi)害學理論［１９］ ，天然洪水、地震及庫區(qū)滑坡為該系統(tǒng)中主要的致災(zāi)因子；潰壩洪水作為系統(tǒng)中各梯級單元之間風險傳遞及疊加的載體，既是下游梯級水庫的致災(zāi)因子，又是梯級系統(tǒng)中的傳災(zāi)體；各梯級水庫大壩（圖２ 中Ｍ、Ｎ、Ｋ）是風險的直接承受體，即風險事故直接指向的對象，為系統(tǒng)中的承災(zāi)體。

為減小梯級水庫群大壩風險分析及概率計算的復(fù)雜性，根據(jù)風險的來源，將梯級水庫群中某一梯級大壩的總風險分為自身風險（ＯＲ ） 和附加風險（ＡＲ ） 兩部分［９］ 。自身風險指不考慮上游梯級水庫影響，某梯級大壩在自身風險因素作用下失事的概率，與梯級水庫群系統(tǒng)中的各致災(zāi)因子相對應(yīng)；附加風險由上游梯級水庫通過潰壩洪水傳遞而來，與梯級水庫群系統(tǒng)中的傳災(zāi)體相對應(yīng)。

２．２ 自身風險計算模型的構(gòu)建

梯級水庫大壩自身風險即不考慮上游潰壩洪水作用的單庫潰壩風險概率，可按照傳統(tǒng)的大壩風險計算方法進行計算。常用于大壩風險概率計算的數(shù)學模型有事件樹、故障樹、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等［２０］ 。根據(jù)梯級水庫大壩風險識別結(jié)果及風險因素作用關(guān)系，構(gòu)建各梯級水庫大壩自身風險貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計算模型，如圖３ 所示。該貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的推理計算需要輸入兩類概率值，一是最外層父節(jié)點的先驗概率，二是各子節(jié)點相對應(yīng)的條件概率。用于確定風險概率的方法總體上可分為絕對性方法和相對性方法［９］ 。其中，絕對性方法的計算結(jié)果具有相通性，不同方法所得概率可直接進行比較和計算，包括資料統(tǒng)計法、專家經(jīng)驗法和可靠度方法等［２０－２２］ 。

２．３ 附加風險的量化

附加風險由上游梯級水庫傳遞而來，指因上游梯級水庫潰壩而造成所研究梯級水庫潰壩（連潰）的風險概率，因此其大小取決于兩個因素：一是上游梯級水庫的潰壩概率，可視為附加風險產(chǎn)生的根源和基數(shù)；二是上游水庫潰壩造成該梯級水庫也發(fā)生潰壩的條件概率（連潰條件概率），也即相鄰梯級水庫間風險傳遞及疊加程度［１１］ 。鑒于梯級水庫運行期庫水位的不確定性，上游梯級水庫潰壩能否造成下游梯級水庫連潰具有一定的隨機性。根據(jù)各梯級水庫水位分布進行庫水位組合的抽樣并統(tǒng)計下游梯級水庫漫壩的次數(shù)，以漫壩頻率作為連潰條件概率［１１－１３］ ，如圖４ 所示。

式中：ＣＭ為Ｍ 總的潰壩風險后果，ＤＣ為直接后果，ＰＣＮＫ和ＰＣＫ為潛在后果。

４ 梯級水庫潰壩風險管控

４．１ 降低潰壩風險概率

由風險概率計算分析可知，梯級水庫總潰壩風險概率等于自身風險和附加風險之和，而附加風險取決于連潰發(fā)生的條件概率。因此，梯級水庫潰壩風險管控應(yīng)從以下兩個方面入手：一方面，結(jié)合傳統(tǒng)工程安全管理，采取工程措施，提高水庫大壩本身的安全性（防洪及結(jié)構(gòu)安全）；另一方面，根據(jù)各梯級水庫風險概率計算結(jié)果及在整個系統(tǒng)中的“角色”，按照薄弱梯級、一般梯級和控制梯級對各梯級水庫進行分類，分別制定針對性的風險管控措施［９］ 。

薄弱梯級水庫作為系統(tǒng)風險觸發(fā)的“短板”，其風險防控的首要目標是保證自身不潰壩，防控措施主要是對防洪標準的調(diào)整及對大壩結(jié)構(gòu)、滲流、抗震及金屬結(jié)構(gòu)的除險加固，以降低其自身失事概率；控制梯級水庫起截斷、削弱系統(tǒng)風險傳遞的作用，應(yīng)提高其調(diào)水調(diào)沙和抵御超標準洪水的能力，以保證其在極端情況下?lián)碛凶銐虻膸烊輥頂r蓄上游洪水；一般梯級水庫自身失事概率往往不高，但易在上游潰壩洪水下形成連潰，其風險防控的重點應(yīng)為提高應(yīng)急調(diào)度和緊急泄洪能力，確保在極端工況下不增大系統(tǒng)風險。此外，在規(guī)劃設(shè)計階段應(yīng)基于風險管理理念充分論證各梯級水庫的選址和布局，如在梯級水庫下游增設(shè)庫容較大的水庫作為控制梯級，為流域安全加裝“保險閥”。梯級水庫劃分及風險管控如圖８ 所示。

４．２ 減輕潰壩風險后果

由圖７ 及式（４）可知，梯級水庫潰壩風險后果主要取決于連潰發(fā)生概率和潰壩洪水下的淹沒損失。而潰壩淹沒損失除了受淹沒范圍、水深、流速等因素影響，還與人口分布、建筑物類型、經(jīng)濟發(fā)展水平和人們的風險意識等社會因素有關(guān)［３］ 。因此，梯級水庫潰壩風險后果的管控除需通過工程措施嚴格控制連潰發(fā)生概率外，還應(yīng)在分析風險后果形成機理的基礎(chǔ)上，對人口、財產(chǎn)分布等影響潰壩風險后果的關(guān)鍵因素進行風險規(guī)避與轉(zhuǎn)移，充分發(fā)揮預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等非工程措施的重要作用［２７］ 。

在風險預(yù)報層面，采用先進科學的技術(shù)手段提高重大災(zāi)情預(yù)報和潰壩淹沒損失預(yù)測的準確性和實用性；在風險預(yù)警層面，根據(jù)連潰概率計算結(jié)果對高風險梯級進行及時預(yù)警，界定受洪水威脅較高的風險區(qū)域并編制洪水風險圖，為風險區(qū)域內(nèi)的人口、工礦企業(yè)、交通干線及其他重大基礎(chǔ)設(shè)施的搬遷和改線提供依據(jù)；在風險預(yù)演層面，緊密結(jié)合智慧水利和數(shù)字孿生等技術(shù)，開展?jié)魏樗葸M分析和人口撤離行為模擬［２８］ ；在風險預(yù)案層面，制定極端洪水下梯級水庫調(diào)度與決策方案，科學規(guī)劃避難場所與轉(zhuǎn)移路徑，完善流域突發(fā)事件應(yīng)急與處置體系［２９－３０］ 。梯級水庫潰壩風險后果管控如圖９ 所示。

５ 結(jié)論與建議

梯級水庫群在流域防洪與資源利用上為人類帶來了益處，然而一旦某一梯級水庫潰壩，就會給下游梯級水庫防洪帶來巨大壓力，極易導(dǎo)致大壩連潰，造成嚴重損失。實現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展，必須重視梯級水庫群風險評估與管控。本文對梯級水庫大壩系統(tǒng)風險進行了思考與分析，通過連潰條件概率量化風險的傳遞和疊加效應(yīng)，提出了梯級水庫群大壩風險評估的相關(guān)理念與方法，使大壩風險評估方法從單個水庫向梯級水庫群過渡。為進一步提高研究成果的準確性和實用性，建議在今后的理論研究與工程實踐中特別關(guān)注以下幾個方面：

１）加快對梯級水庫群大壩風險分析及量化方法的探索。無論是風險概率計算還是風險后果評估，梯級水庫群大壩風險研究中不確定性因素的處理將對最終結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，提出多重不確定條件下的梯級水庫群大壩風險量化方法，既是風險分析的前提，也是準確預(yù)測失事概率和評估風險后果的依據(jù)，已成為亟待解決的關(guān)鍵科學問題。

２）重視梯級水庫群之間風險關(guān)聯(lián)性的定量化研究。流域梯級水庫之間風險的誘發(fā)、傳導(dǎo)及演化機制極其復(fù)雜，現(xiàn)有研究成果及經(jīng)驗尚無法全面揭示，下游梯級水庫大壩在上游潰壩洪水作用下的失事模式和破壞機理研究將是未來工作的重點和難點。在此基礎(chǔ)上，開展針對“上游潰壩洪水－下游梯級壩前水位－附加風險”耦合作用關(guān)系的系統(tǒng)性分析，為梯級水庫風險防控設(shè)計和針對性風險管理措施的制定提供依據(jù)。３）構(gòu)建風險概率、風險后果和風險標準相輔相成的風險評估體系。以風險概率來識別梯級系統(tǒng)中的薄弱單元，把風險后果作為潰壩嚴重性度量及應(yīng)急預(yù)案制定的依據(jù)，以風險標準來衡量各梯級水庫大壩的風險水平。三者通過同一指標來表征風險的關(guān)聯(lián)性，從而形成相輔相成的統(tǒng)一體系。

４）加強風險管理理念及技術(shù)在梯級水庫中的實際應(yīng)用。目前我國梯級水庫群工程漸成規(guī)模，包括規(guī)劃、在建及已建工程，涵蓋設(shè)計、施工及運行等多個階段，為風險管理理念及技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了良好的平臺。下一步應(yīng)緊密結(jié)合工程實際，不斷提高梯級水庫群大壩風險管理相關(guān)理論與技術(shù)的科學性與實用性。

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［２７］ 盛金保，向衍，楊德瑋，等．水庫大壩安全診斷與智慧管理關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［Ｊ］．巖土工程學報，２０２２，４４（７）：１３５１－１３６６．

［２８］ 張士辰，王曉航，厲丹丹，等．潰壩應(yīng)急撤離研究與實踐綜述［Ｊ］．水科學進展，２０１７，２８（１）：１４０－１４８．

［２９］ 孟雪姣，暢建霞，王義民，等．考慮預(yù)警的黃河上游梯級水庫防洪調(diào)度研究［Ｊ］．水力發(fā)電學報，２０１７，３６（９）：４８－５９．

［３０］ 康琳，朱軍，李維煉．基于潰壩洪水模型的山區(qū)堰塞湖避難場所選址［Ｊ］．自然災(zāi)害學報，２０１８，２７（５）：３９－４５．【責任編輯 張華巖】