對水庫汛限水位動態控制風險分析的認識

何曉燕，黃金池

（中國水利水電科學研究院，北京100038）

0 引言

水庫在發揮興利與防洪功能的同時也存在一定的安全風險。從一般風險的意義來看，水庫安全風險總是客觀存在的，如何通過各種途徑認識風險，并通過采取有效措施降低風險或將風險控制在可承受的范圍內是現代社會人們十分關注的問題。汛限水位是水庫興利與防洪功能合理配置的重要特征值，對于發揮水庫綜合效益具有決定性作用，同時也是確定水庫安全風險水平的關鍵因子，汛限水位的高低與水庫安全風險有著直接的關系。

從已有的研究成果看，關于水庫汛限水位與水庫興利作用的關系相對比較清楚，分析計算方法一般也有較為統一的模式，但對于安全風險方面則相對落后。2002年，國家防辦組織相關單位開展了水庫汛限水位專題研究工作，項目歷時3年，在汛限水位動態控制安全風險研究方面也做了一些探索性的工作并相繼提出了一些初步成果，但由于我國在風險評估和風險控制方面的研究工作才剛剛起步，已有的研究成果還有待于進一步完善，尤其是在具體工程的實際風險水平評價方面，現有的基本理論和實踐都還不能滿足工程安全評估的具體需求，嚴重制約著水庫汛限水位動態控制運用。

1 水庫汛限水位動態控制風險的定義

水庫汛限水位動態控制是指在汛期根據實時雨、水情信息及其預報成果，在不降低水庫防洪標準、確保水庫、上下游地區防洪安全的前提下，按照經科學論證并經有關部門審批的水庫汛限水位動態控制范圍對汛期運行水位進行浮動的調度過程。風險，通俗地說是可能發生的損失。目前對風險的定義沒有公論，說法不一。一般認為風險定義應包括以下三方面的內容：

（1）可能會發生什么事故（事故類型）；

（2）發生該類型事故的可能性有多大（概率）；

（3）發生該類型事故的后果如何。

水庫汛限水位調整風險則特指由于水庫調度過程中自然、人為等不確定因素的影響，水庫系統風險在汛限水位調整前后的變化。水庫系統主要包括水庫大壩、上游影響區和下游影響區三個風險主體。

相應地，水庫汛限水位動態控制風險指的是由于水庫調度過程中自然、人為等不確定因素的影響，水庫系統在實施汛限水位動態控制前后的風險變化，主要從風險率變化和后果變化兩方面得以反映。對于上游影響區、水庫大壩和下游影響區，其風險率變化表達式如下。

上游：

水庫大壩：

下游：

式中：Z0、Z1分別為汛限水位動態控制運用前后的洪水起調水位；Z庫尾為水庫回水區末端水位；Z移民為水庫移民高程。研究中為了簡化計算，Z庫尾、Z移民分別取壩前水位和水庫上游移民安全標準對應的壩前水位。Z壩前、Z設計、Z校核分別為壩前水位、大壩設計洪水位和校核洪水位。Q下泄、Q安全泄量分別為水庫下泄流量、水庫下游的防洪安全泄量。采用以上公式計算時，起調水位Z0對應的水庫調度方式為原規劃設計的調度方式，起調水位Z1對應的水庫調度方式為動態調度方式。

后果變化主要通過上、下游淹沒面積變化得以反映。具體是指遭遇不同量級的典型標準洪水時，水庫在實施汛限水位動態控制前后上、下游淹沒面積的變化量△A。其計算式為：

式中：A0上游為當水庫遭遇某標準量級洪水時，以原規劃設計汛限水位起調，采用原規劃設計調度規則進行調度時，相應的庫區最大淹沒面積；A1上游為當水庫遭遇同一標準量級洪水時，以動態調度上限水位起調，采用動態調度方式進行調度時，相應的庫區最大淹沒面積。A0下游為當水庫遭遇某標準量級洪水時，以原規劃設計汛限水位起調，采用原規劃設計調度規則進行調度時，相應的下游最大淹沒面積；A1下游為當水庫遭遇同一標準量級洪水時，以動態調度上限水位起調，采用動態調度方式進行調度時，相應的下游最大淹沒面積。

2 水庫汛限水位動態控制風險分析

在水庫汛限水位動態控制過程中，水庫運行水位會隨著實時的水、雨情信息和預報信息而發生變化，汛限水位調整變化的幅度是根據降雨預報和洪水預報水平、水庫實際防洪標準、下泄能力、上游防洪標準、下游防洪標準及水庫調度人員水平等多方面因素綜合確定的。水庫汛限水位動態控制風險分析主要是分析：（1）水庫實施汛限水位動態控制前后水庫防洪能力的變化；（2）由于實時調度過程中自然、人為不確定因素的影響，導致水庫系統風險在采用水庫汛限水位動態控制前后的變化。其中，水庫汛限水位動態控制之前的風險相對應的水庫水位是原設計的固定汛限水位，水庫汛限水位動態控制風險相對應的水庫水位是在動態調度過程中可能出現的最高水位。水庫系統風險事件就是水庫系統的原設計約束條件。對于水庫上游影響區，其設計約束條件為：當水庫大壩遭遇移民標準洪水時，庫水位為移民水位。對于水庫大壩，其設計約束條件為：當水庫大壩分別遭遇設計標準洪水和校核標準洪水時，庫水位分別為設計洪水位和校核洪水位。對于水庫下游影響區，其設計約束條件為：水庫大壩遭遇下游防洪標準洪水時，水庫此時最大下泄流量為相應標準洪水條件下的安全泄量。通過水庫汛限水位動態控制風險分析，需主要回答以下幾方面問題：

（1）水庫實施汛限水位動態控制前后的防洪標準是否發生變化；

（2）庫區上游移民線以下區域的淹沒頻率、大壩安全（漫壩）風險頻率和下游河道泄量超過安全泄量的頻率如何變化；

（3）特定情景下水庫大壩壩前最高水位變化、壩前水位超過某一水位歷時變化、最大下泄流量變化和最大下泄流量超過某一泄量歷時如何變化；

（4）特定情景下水庫上游影響區、下游影響區的淹沒后果如何變化；

（5）特定情景下水庫潰壩后果如何。

圖1所示為汛限水位動態控制風險分析采用的主要計算方法：在分析水庫防洪標準的變化時，采用調洪最高水位-汛限水位-入庫洪水頻率復相關曲線求解法，即基于調洪最高水位-汛限水位-入庫洪水頻率復相關曲線查詢水庫校核洪水位對應入庫洪水頻率在水庫實施汛限水位動態控制前后的變化。在分析庫區淹沒風險率變化、大壩安全風險率變化、大壩漫壩風險率變化以及下游防洪風險率變化時，通常采用的計算方法主要有蒙特卡羅方法、一次二階矩法、改進一次二階矩法、JC法等。水庫潰壩后果分析通常采用潰壩洪水計算數學模型，庫區淹沒范圍一般通過調洪演算確定水庫水位，再采用水平延伸法確定。此外，對于水庫上游影響區遭遇移民標準洪水時、庫區水位超過某一特征水位歷時變化、水庫大壩遭遇設計標準洪水和校核標準洪水時，壩前最高水位變化和壩前水位超過某一水位歷時變化，下游影響區遭遇下游防洪標準洪水時的最大下泄流量變化和下泄流量超過某一流量歷時變化等指標值的確定，一般主要采用調洪演算方法。對于下游影響區，當需要進一步了解水庫實施汛限水位動態控制前后的下游淹沒情況變化時，則需要通過河道洪水演進數學模型計算確定。

圖1 汛限水位動態控制的風險分析方法Fig.1 Analysis method for risks in dynamic flood level control

3 水庫汛限水位動態控制風險評估

水庫開展汛限水位動態控制風險評估工作，除須滿足國家規定的一些基本要求外，技術上還需滿足以下條件：

（1）已經按照現行規范完成了水庫設計洪水成果復核的研究。

（2）已經完成了水庫汛限水位動態控制域研究。

（3）已經完成了水庫汛限水位動態控制方案的研究。

（4）對于利用降雨預報信息、洪水預報信息實施汛限水位動態控制的水庫，應完成降雨預報信息和洪水預報信息可利用性分析的研究。

水庫汛限水位動態控制風險評估的主要內容包括：

（1）水庫實施汛限水位動態控制前后的防洪標準變化；

（2）水庫實施汛限水位動態控制前后水庫工程風險主體的風險事件發生概率，即防洪控制條件超越概率的變化；

（3）當遭遇上游防洪標準洪水時，水庫在實施汛限水位動態控制前后庫區淹沒范圍的變化；

（4）當遭遇下游防洪標準洪水時，水庫在實施汛限水位動態控制前后下泄流量的變化和下游影響區淹沒范圍的變化。

在汛限水位動態控制風險評估中，風險增量的大小通過多項指標數值予以綜合反映。對于上游影響區，風險增量指標為淹沒風險率變化、庫區水位超過某一特征水位歷時變化和庫區淹沒范圍變化。淹沒風險率變化是指當遭遇移民標準洪水時，水庫實施汛限水位動態控制前后的水庫水位超過移民線的概率變化。庫區水位超過某一特征水位歷時變化是指當遭遇移民標準洪水時，水庫在汛限水位調整前后的水庫水位超過某一特征水位的歷時變化，該特征水位通常為水庫上游影響區風險控制的特征水位。庫區淹沒范圍變化是指當遭遇移民標準洪水時，水庫汛限水位調整前后的水庫庫區淹沒面積變化。對于水庫大壩，風險增量指標為大壩安全風險率變化、大壩漫壩風險率變化、壩前最高水位變化和壩前水位超過某一特征水位歷時變化。大壩安全風險率變化是指當遭遇設計標準洪水時，水庫汛限水位調整前后的水庫水位超過設計洪水位的概率變化。大壩漫壩風險率變化是指當遭遇校核標準洪水時，水庫汛限水位調整前后的水庫水位超過校核洪水位的概率變化。壩前最高水位變化是指當水庫分別遭遇設計標準洪水和校核標準洪水時，水庫汛限水位調整前后的壩前最高水位變化量。壩前水位超過某一特征水位歷時變化是指當水庫分別遭遇設計標準洪水和校核標準洪水時，水庫汛限水位調整前后的壩前水位超過某一特征水位的歷時變化，該特征水位通常為水庫大壩風險控制的特征水位。對于下游影響區，風險增量指標為下游防洪風險率變化、最大下泄流量變化和下泄流量超過某一泄量歷時變化。下游防洪風險率變化是指當遭遇下游防洪標準洪水時，水庫汛限水位調整前后的水庫下泄流量超過該標準洪水時相應下游安全泄量的概率變化。最大下泄流量變化是指當遭遇下游防洪標準洪水時，水庫在汛限水位調整前后的最大下泄流量變化。下泄流量超過某一特征流量歷時變化是指當水庫遭遇下游防洪標準洪水時，水庫在汛限水位調整前后的下泄流量超過某一特征流量的歷時變化，該特征流量通常為下游影響區風險控制的特征流量。

圖2 水庫汛限水位動態控制風險評估指標體系Fig.2 Evaluation indexes for risks in dynamic flood level control

4 結語

水庫汛限水位動態控制是相對于水庫采用固定的汛限水位靜態控制而言的，因此，水庫汛限水位動態控制風險是一種相對風險，是相對于原固定汛限水位條件的一種增量風險。水庫汛限水位動態控制風險評估時，風險評估對象應從水庫大壩本身、水庫上游影響區和下游影響區三個對象著手。水庫汛限水位動態控制風險是由于水庫調度過程中自然、人為等不確定因素的影響，水庫系統風險在實施汛限水位動態控制前后的風險變化。

水庫汛限水位動態控制風險評估的主要內容包括：①水庫實施汛限水位動態控制前后的防洪標準變化；②水庫實施汛限水位動態控制前后的水庫工程風險主體的風險事件發生概率，即防洪控制條件超越概率的變化；③遭遇上游防洪標準洪水時，水庫在實施汛限水位動態控制前后庫區淹沒范圍的變化；④遭遇下游防洪標準洪水時，水庫在實施汛限水位動態控制前后下泄流量的變化和下游影響區淹沒范圍的變化。

水庫汛限水位動態控制風險的大小需要通過上游影響區風險、水庫大壩風險和下游防洪風險等指標數值綜合反映。■

[1]國家防汛抗旱總指揮部辦公室.水庫汛限水位設計與運用研究總報告[R].2006,10.

[2]王棟,朱元甡.防洪系統風險分析的研究評述[J].水文,2003(2):15～20.