基于水庫管理中漫壩風險理論分析的運用

曹玉華

(延安市王瑤水庫管理處，陜西延安716000)

觀察中國北方地區的水庫設計，多數汛限水位處于偏低的水平，這樣的設計對于水庫興利來講，有著很大的抑制性能。伴隨著不斷增長的人口，伴隨著國民經濟的發展，北方地區水資源的緊缺性日漸凸現，所以通過盡可能的儲存蓄積汛期的水資源，可以很好地將干旱問題解決，可以緩解部分地區的水資源緊缺現象。但是，水庫因為自身設計的缺陷性，很可能因為過多蓄水，發生或者出現土石壩漫頂溢流等危險現象。漫壩風險分析理論其實質為具體的非工程措施，在不需要對工程進行任何具體的投資的情況下，實現汛限水位的提升，改善水庫興利效益。對于北方地區來講，這一理論有著特別的實踐性意義。

1 實例描述

1.1 水庫概況

一大型綜合利用的水庫，既供水，又防洪，還兼發電和灌溉等功能，1960年始建，在1971—1979年期間，經過擴建，演變成大(2)型，此后還在1995—2001年期間，對水庫除險加固，總庫容達到了1.81億m3，最終水庫達到了2 000 a一遇的防洪標準。這個水庫擔負著諸多巨大的功能，包括了對下游多達13.33萬km2農田的防洪，還包括了對全市工農業用水的供應。本水庫自建立以來，一共攔截了18次具有重創性的洪災，累計起來，水庫一共向下游供應116億m3的用水，所以在本市的經濟建設和社會發展過程中，水庫發揮著至關重要的作用，不但被譽為本市的“生命工程”，而且也被譽為本市的“屏障工程”。

1.2 水庫調度中的各種問題

作為本市主要的工農業用水水源，水庫為下游供水量達到了2億m3/a。觀察本地區的年度降水情況，年平均降雨量約為560 mm，多達75%的降雨量集中在每年的7—9月。年降水很不均勻，汛前需要加大防洪泄洪，水資源被嚴重浪費，非汛期時候，水資源又變得非常的緊缺。從1993年到現在，本水庫累計達到了3.4億m3的棄水量，這種情況使得水資源不足的狀態更加的凸現。另外，偏低汛限水位的水庫設計，使得汛期蓄水量太小，非汛期無水可蓄，水庫本身的興利效益受到嚴重的制約。

2011年，本水庫的除險加固工程被徹底完成，整個工程進展順利，運行良好，現在需要予以重點考慮的是如何使用水庫在防洪的基礎上，提升汛限水位，將水資源予以充分的利用，本文使用漫壩風險分析理論對汛限水位提升的可能性和方法予以不同的分析和研究。

2 實際運用漫壩風險理論

2.1 簡要介紹漫壩風險分析理論

漫壩，也就是壩前的水位在壩頂之上，或者說是水位已經溢過了壩頂流出。風險在這里指的是發生漫壩現象的幾率。而綜合起來，漫壩風險為在如下4個方面，產生的各種不確定性:泄水、風浪、入庫以及庫容。入庫洪水本身有很大的隨機性，對于此，毋庸多言。制約一個水庫泄水能力的因素，傳統水庫的設計層面，包括了泄水孔和溢洪道的具體泄水能力，這兩個位置的泄水量一般是確定的。但是對于本文的作者來講，泄水能力本身也有其不確定的一面。泄水能力的不確定性指的是因為水流的真實情況為三維的，但是工程預算的時候，多將其簡化為一維模型，這樣就產生了諸多的不確定性，比如糙率取值、再比如模型的縮尺效應，再比如幾何尺寸在多個方面產生的誤差等等。這些不同的因素都使得泄水能力本身也是不確定的，也是隨機的變量。

水庫的傳統計算層面，確定的為水庫的庫面積或者水庫的庫容。實際情況位，這些確定的方面，本身也有諸多的不確定性。比如庫區的等高線圖存在測量層面的誤差，而使用等高線圖對庫容進行計算的時候，也必然存在計算層面的誤差，再加上每年汛期，水庫會經歷大大小小不等的洪水，這樣水庫就會出現和產生各種各樣的沖積淤泥，而現實中并不具備各種因素和力量對庫區水下的精確地形進行測量，這些因素都會使得庫容本身是不確定的。除此之外，另外一個使庫容產生不確定的因素為風，刮風時間，風速，風力等等這些都是隨機的，對土壩而言，風力會使得水庫內水面的壅高e以及浪頭沿著斜坡爬升的高度Rp產生不確定性。除此之外，還需要指出的是，如果庫水水位在一般狀況，等級較小的風力是不會造成漫壩現象的。但是在汛期到來，洪水來臨的時候，庫水水位會達到一定的水平，這個時候，風浪的推動下，會產生漫壩現象。所以對風力這一因素進行分析的時候，需要將每次洪水暴發時候的風考慮進來，觀察當前的手頭資料，這些信息難以獲得，為了安全，就以汛期刮的最大等級的風為依據進行考量。所有能造成漫壩風險的風，都是向壩體吹的。

另外一個不確定的因素為壩頂高程，這一看似確定的因素，實則也有其不確定性。壩頂高程的不確定性的產生是因為測量誤差的存在，以及發生了壩頂沉降現象，對于所有已經建成的工程來講，水庫的離散性基本上是不存在的，對于計算來講，精度層面沒有很大的影響。

2.2 漫壩風險分析基本理論的主要方法和基本模型

漫壩風險分析理論的理論依據包括了隨機的水力學、水文學以及數學方法，使用這些方法，對各種可能產生或者造成漫壩風險的因素，比如泄水、庫容、風浪以及洪水等四個方面的能力進行考量，最終確定能夠抵御洪水與風浪雙重作用下發生的漫壩風險，建立對應的模型，在保證大壩、安全的前提下，擇優選擇水庫對應的汛限水位，為水庫汛限水位的高水平應用做好理論層面的準備。

2.2.1 基本理論

漫壩風險分析基本理論中存在兩個基本的概念:①為漫壩;②為風險。所謂漫壩，也就是壩前的水位在壩頂之上，或者說是水位已經溢過了壩頂流出。風險在這里指的是發生漫壩現象的幾率。而綜合起來，漫壩風險為在如下4個方面，產生的各種不確定性:泄水、風浪、入庫以及庫容。嚴格講，泄水建筑物、水庫面積、庫容以及風都是隨機的，風的選擇為汛期，吹向壩體的等級最大的風。

在這些不確定的因素下，水庫調洪本身也是一個隨機的過程，對調洪進行演算的方程也是一個隨機的微分方程。計算漫壩風險的時候，需要將原本的上限洪水與風力進行綜合的考量，在時段不同的情況下，將數值進行積分求取得到。具體計算的過程中，壩頂以及防浪墻高程為選取的控制高程，在迎汛水位不同的情況下，就會出現對應的漫壩風險值。當前，在全世界的這個行業中都沒有制定出非常可靠的、安全的標準，一般來講，能夠接受的漫壩風險等級在10－6，這樣的等級與人力難以對抗的地震風險等級相當。

2.2.2 模型及方法

漫壩風險模型可表示為下式:

式中:R－為對抗洪水系列和有效風聯合作用下的漫壩風險; Z(t)為壩前水位;Zo為迎汛庫水位;e為水面風壅高度; Hmax為由于洪水產生的庫水位增加值;Rp為沿壩坡的波浪爬高。

當洪水事件［Qi－1，Qi］和風事件［Wj－1，Wj］同時出現時，風險Pij為:

式中:Zc為臨界高程。

編制對應的電算程序，對上面的方程進行求解，漫壩風險模型可以被建立。

計算水庫調度的時候，傳統上依賴于將諸多的因素確定化處理，比如泄流能力、風浪大小、水庫面積以及庫容量大小等等，如果洪水本身爆發的頻率也是確定的情況下，洪水過程線基本上也能確定。在這樣的條件下，人們可以借助于安全超高進行安全角度的考量，也就是水庫演算過程中，在最高水位的基礎之上，添加上一個新的高度，二者的和就是安全超高，這樣的計算方法實則仍然是有諸多的風險和不確定在里面的，因為原本不確定的因素都被定量化處理了，這些不確定因素的確定性考量即使生成了一個安全超高，效應也不會很大。對應的，如果效率計算這些不確定性因素，安全超高的存在意義也就不是很大。

2.3 各種不同的效益

2.3.1 經濟角度的效益

在從安全層面對漫壩風險進行過詳細的分析之后，在保證安全的前提之下，汛限水位在原來的基礎上有所提高的話，調節水量就會被大量的增加，比如水位從102 m提升到103.5 m的時候，水量就會增加1 470萬m3。用水比例為農工3∶7，這樣全市用水供應量就可以得到很高的提升，與此同時，水頭會被提高1.5 m，新增發電量47萬kW·h，帶動農工產值增加分別為560萬元和70.1萬元。

2.3.2 社會角度的效益

上面闡述了漫壩風險模型所能帶來的直接層面的經濟效益，除此之外，水庫本身的供水能力也會得到很好的提高，地下水需求的壓力就會得到減輕，水質得到改善，水環境得到提升，帶來廣泛和全面的生態和環境效益。

3 結論

在全面的考察分析各種不確定因素的基礎之上，漫壩風險理論得到很好的建立，在成功應用的基礎之上，可以得出對于我國諸多的高土石壩，這一方法具有很好的適用性。實現安全的前提下，有效的利用水利工程，取得非常顯著和明顯的社會經濟效益。

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