黄河流域梯级水库大坝风险评估与管控的战略思考

李宗坤 王特 葛巍 景来红 罗秋实 杨风威 宋志宇 马福恒

摘 要：梯级水库群的安全是保障黄河长治久安、促进全流域高质量发展的客观要求。针对梯级水库风险格外复杂、难以量化的问题，基于系统风险识别与分析，将梯级水库大坝风险分为自身风险和附加风险，将溃坝风险后果分为直接后果和潜在后果，建立了梯级水库与单个水库大坝风险计算方法的有效衔接。以连溃条件概率量化风险的传递和叠加程度，提出了用于梯级水库大坝风险概率计算和溃坝风险后果评估的相关理念和方法。针对不同梯级水库类别并结合“四预”措施，分别从降低风险概率和减小风险后果层面指明了梯级水库大坝风险管控的方向，可为黄河流域梯级水库群规划、建设和运行管理提供参考。

关键词：梯级水库；风险概率；溃坝后果；洪水；黄河流域

中图分类号：ＴＶ６９８；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．００１

引用格式：李宗坤，王特，葛巍，等．黄河流域梯级水库大坝风险评估与管控的战略思考［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：１－６．

黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施，为黄河流域发展带来了新机遇［１－２］ 。梯级水库群作为黄河流域水安全保障的重要基础设施，在支撑流域高质量发展方面发挥着不可替代的作用，其安全稳定事关国家安全、经济安全、能源安全、粮食安全和生态安全。近年来气候变化导致的极端暴雨事件频发，水库溃坝事件时有发生［３－４］ 。相比于单一水库，梯级水库之间的风险具有传递和叠加效应，某一梯级水库溃坝极易造成下游梯级水库连溃，在一定程度上给流域安全带来更大的风险［５］ 。随着黄河流域梯级水库开发的持续推进和公众自我防护意识的提高，梯级水库的风险问题已经上升为公共安全问题，亟须对梯级水库群进行全流域、全生命周期的风险评估与管控，确保工程安全和黄河安澜。

根据国际大坝委员会（ＩＣＯＬＤ）的定义，水库大坝风险一般表示为失事概率与后果的乘积［６－７］ 。目前我国的水库大坝管理方式正从传统的安全管理向风险管理转变，用于风险概率计算与风险后果评估的方法和技术日渐丰富，但大多僅针对单个水库，对于梯级水库群风险的研究尚显不足。李炎隆等［５］ 对梯级水库群风险分析研究成果进行了综述，明晰了关键科学问题和后续研究重点。周建平等［８］ 提出梯级水库群的工程设计要充分考虑流域梯级水库间的相互影响，初步构建了流域梯级水库群风险设计方法与风险管控体系。Ｗａｎｇ 等［９－１１］ 分析了梯级水库群风险的传递和叠加效应，提出了风险概率计算、溃坝风险后果评估和工程等级划分的相关理念和方法。现有成果为梯级水库风险管理提供了思路，但对于系统风险演化机制和量化方法的研究尚不够深入，且准确性和实用性有待在实际应用中进一步论证［１１］ 。

为使梯级水库群高效服务于黄河流域生态保护和高质量发展战略，一方面，应充分发挥其在水旱防御、发电、灌溉和泥沙调控等方面的积极效益；另一方面，必须重视梯级水库群的风险问题，并对其进行科学的评估与管控，从而减小其负面影响。本文基于黄河梯级水库群概况和风险分析方法，从梯级水库大坝风险概率计算和溃坝风险后果评估两方面进行了探索与思考，提出了相关计算方法和风险管控建议，以期完善大坝风险管理理论、提高流域梯级水库群管理水平。

１ 黄河流域梯级水库群概况与风险分析

《黄河近期重点治理开发规划》和《黄河流域综合规划（２０１２—２０３０ 年）》明确提出要持续推进黄河上中游梯级水库群建设，形成以龙羊峡、刘家峡、黑山峡、碛口、古贤、三门峡和小浪底等骨干水利枢纽工程为主体的黄河水沙调控体系［１２－１３］ ，构成相对完善的梯级水库群系统。黄河干流主要梯级水库分布及参数见图１ 及表１。

根据相关资料分析［１－２］ ，在自然因素层面，黄河流域梯级水库群主要存在以下风险：

１）洪水。洪水引起的漫顶是水库大坝最主要的失事类型，占比超过５０％［１４］ 。梯级水库群中洪水的来源主要是天然洪水与上游溃坝洪水。其中：天然洪水是由自然降雨和区间汇流产生的自然性洪水；上游溃坝洪水指因上游梯级水库溃坝传递而来的溃坝洪水，往往通过河道峡谷直接演进至下游水库，导致下游库水位骤升甚至漫顶而发生连溃。历史上黄河洪水频发，决口改道频繁，灾难深重。黄河流域上中游较大洪水由暴雨形成，主要出现在７ 月和９ 月，具有缓涨缓落、历时长、洪峰不高、洪量大和以单峰型为主的特点［１］ 。

２）地震。地震除了直接造成水库大坝及泄水建筑物破坏，其强烈作用以及余震的反复振动冲击还会使库岸土体的内部结构发生破坏和变化，诱发库区滑坡并产生涌浪，最终引发漫顶。黄河流域是中国地震活动的多发区，中上游高原区众多的深沟、陡崖在地震活动影响下极易发生次生灾害［１５］ 。特别是梯级水库群，在发生强烈地震时诱发的滑坡崩塌等危害比地震直接造成的损失还要大［１６］ 。

３）滑坡、泥石流等地质灾害。黄河流经的黄土高原，土壤结构疏松， 广泛存在滑坡发生的基本条件［１７－１８］ 。据统计，龙羊峡至刘家峡河段有多达４３ 个滑坡、倾倒体、变形体等地质灾害风险点，治理工程量大、资金投入多且难以彻底治理［１５］ 。河流侵蚀、梯级水库群联合调度，以及紧急泄洪等非常工况引起的库水位骤降，都是诱发滑坡的主要风险因素。滑坡在梯级水库群中主要表现为库岸滑坡和坝体滑坡。其中：库岸滑坡指近坝库岸的失稳滑动，滑坡体围堵河道形成堰塞体或产生涌浪导致漫顶失事；坝体滑坡指因大坝坝坡失稳而引发的溃坝。

从风险管理的角度来看，目前黄河上中下游、左右岸、不同区域管理体制尚不完善，各省（区）间政策法规存在一定程度的矛盾，存在“九龙治水” 问题［１－２］ 。此外，梯级水库工程设计与管理采用的是单一水库的设计标准与方法。参建单位和交叉作业多，管理难度大，同流域内各梯级电站间的应急预案缺乏联动和衔接，尚未形成协调统一的流域安全管理与风险防控体系［１］ 。这些因素都为流域梯级水库群风险管理和控制带来了巨大挑战。

２ 梯级水库大坝风险概率计算

２．１ 梯级水库大坝系统风险分析与划分

将梯级水库群看作一个系统， 根据灾害学理论［１９］ ，天然洪水、地震及库区滑坡为该系统中主要的致灾因子；溃坝洪水作为系统中各梯级单元之间风险传递及叠加的载体，既是下游梯级水库的致灾因子，又是梯级系统中的传灾体；各梯级水库大坝（图２ 中Ｍ、Ｎ、Ｋ）是风险的直接承受体，即风险事故直接指向的对象，为系统中的承灾体。

为减小梯级水库群大坝风险分析及概率计算的复杂性，根据风险的来源，将梯级水库群中某一梯级大坝的总风险分为自身风险（ＯＲ ） 和附加风险（ＡＲ ） 两部分［９］ 。自身风险指不考虑上游梯级水库影响，某梯级大坝在自身风险因素作用下失事的概率，与梯级水库群系统中的各致灾因子相对应；附加风险由上游梯级水库通过溃坝洪水传递而来，与梯级水库群系统中的传灾体相对应。

２．２ 自身风险计算模型的构建

梯级水库大坝自身风险即不考虑上游溃坝洪水作用的单库溃坝风险概率，可按照传统的大坝风险计算方法进行计算。常用于大坝风险概率计算的数学模型有事件树、故障树、贝叶斯网络等［２０］ 。根据梯级水库大坝风险识别结果及风险因素作用关系，构建各梯级水库大坝自身风险贝叶斯网络计算模型，如图３ 所示。该贝叶斯网络模型的推理计算需要输入两类概率值，一是最外层父节点的先验概率，二是各子节点相对应的条件概率。用于确定风险概率的方法总体上可分为绝对性方法和相对性方法［９］ 。其中，绝对性方法的计算结果具有相通性，不同方法所得概率可直接进行比较和计算，包括资料统计法、专家经验法和可靠度方法等［２０－２２］ 。

２．３ 附加风险的量化

附加风险由上游梯级水库传递而来，指因上游梯级水库溃坝而造成所研究梯级水库溃坝（连溃）的风险概率，因此其大小取决于两个因素：一是上游梯级水库的溃坝概率，可视为附加风险产生的根源和基数；二是上游水库溃坝造成该梯级水库也发生溃坝的条件概率（连溃条件概率），也即相邻梯级水库间风险传递及叠加程度［１１］ 。鉴于梯级水库运行期库水位的不确定性，上游梯级水库溃坝能否造成下游梯级水库连溃具有一定的随机性。根据各梯级水库水位分布进行库水位组合的抽样并统计下游梯级水库漫坝的次数，以漫坝频率作为连溃条件概率［１１－１３］ ，如图４ 所示。

式中：ＣＭ为Ｍ 总的溃坝风险后果，ＤＣ为直接后果，ＰＣＮＫ和ＰＣＫ为潜在后果。

４ 梯级水库溃坝风险管控

４．１ 降低溃坝风险概率

由风险概率计算分析可知，梯级水库总溃坝风险概率等于自身风险和附加风险之和，而附加风险取决于连溃发生的条件概率。因此，梯级水库溃坝风险管控应从以下两个方面入手：一方面，结合传统工程安全管理，采取工程措施，提高水库大坝本身的安全性（防洪及结构安全）；另一方面，根据各梯级水库风险概率计算结果及在整个系统中的“角色”，按照薄弱梯级、一般梯级和控制梯级对各梯级水库进行分类，分别制定针对性的风险管控措施［９］ 。

薄弱梯级水库作为系统风险触发的“短板”，其风险防控的首要目标是保证自身不溃坝，防控措施主要是对防洪标准的调整及对大坝结构、渗流、抗震及金属结构的除险加固，以降低其自身失事概率；控制梯级水库起截断、削弱系统风险传递的作用，应提高其调水调沙和抵御超标准洪水的能力，以保证其在极端情况下拥有足够的库容来拦蓄上游洪水；一般梯级水库自身失事概率往往不高，但易在上游溃坝洪水下形成连溃，其风险防控的重点应为提高应急调度和紧急泄洪能力，确保在极端工况下不增大系统风险。此外，在规划设计阶段应基于风险管理理念充分论证各梯级水库的选址和布局，如在梯级水库下游增设库容较大的水库作为控制梯级，为流域安全加装“保险阀”。梯级水库划分及风险管控如图８ 所示。

４．２ 减轻溃坝风险后果

由图７ 及式（４）可知，梯级水库溃坝风险后果主要取决于连溃发生概率和溃坝洪水下的淹没损失。而溃坝淹没损失除了受淹没范围、水深、流速等因素影响，还与人口分布、建筑物类型、经济发展水平和人们的风险意识等社会因素有关［３］ 。因此，梯级水库溃坝风险后果的管控除需通过工程措施严格控制连溃发生概率外，还应在分析风险后果形成机理的基础上，对人口、财产分布等影响溃坝风险后果的关键因素进行风险规避与转移，充分发挥预报、预警、预演、预案等非工程措施的重要作用［２７］ 。

在风险预报层面，采用先进科学的技术手段提高重大灾情预报和溃坝淹没损失预测的准确性和实用性；在风险预警层面，根据连溃概率计算结果对高风险梯级进行及时预警，界定受洪水威胁较高的风险区域并编制洪水风险图，为风险区域内的人口、工矿企业、交通干线及其他重大基础设施的搬迁和改线提供依据；在风险预演层面，紧密结合智慧水利和数字孪生等技术，开展溃坝洪水演进分析和人口撤离行为模拟［２８］ ；在風险预案层面，制定极端洪水下梯级水库调度与决策方案，科学规划避难场所与转移路径，完善流域突发事件应急与处置体系［２９－３０］ 。梯级水库溃坝风险后果管控如图９ 所示。

５ 结论与建议

梯级水库群在流域防洪与资源利用上为人类带来了益处，然而一旦某一梯级水库溃坝，就会给下游梯级水库防洪带来巨大压力，极易导致大坝连溃，造成严重损失。实现黄河流域生态保护和高质量发展，必须重视梯级水库群风险评估与管控。本文对梯级水库大坝系统风险进行了思考与分析，通过连溃条件概率量化风险的传递和叠加效应，提出了梯级水库群大坝风险评估的相关理念与方法，使大坝风险评估方法从单个水库向梯级水库群过渡。为进一步提高研究成果的准确性和实用性，建议在今后的理论研究与工程实践中特别关注以下几个方面：

１）加快对梯级水库群大坝风险分析及量化方法的探索。无论是风险概率计算还是风险后果评估，梯级水库群大坝风险研究中不确定性因素的处理将对最终结果产生较大影响。因此，提出多重不确定条件下的梯级水库群大坝风险量化方法，既是风险分析的前提，也是准确预测失事概率和评估风险后果的依据，已成为亟待解决的关键科学问题。

２）重视梯级水库群之间风险关联性的定量化研究。流域梯级水库之间风险的诱发、传导及演化机制极其复杂，现有研究成果及经验尚无法全面揭示，下游梯级水库大坝在上游溃坝洪水作用下的失事模式和破坏机理研究将是未来工作的重点和难点。在此基础上，开展针对“上游溃坝洪水－下游梯级坝前水位－附加风险”耦合作用关系的系统性分析，为梯级水库风险防控设计和针对性风险管理措施的制定提供依据。３）构建风险概率、风险后果和风险标准相辅相成的风险评估体系。以风险概率来识别梯级系统中的薄弱单元，把风险后果作为溃坝严重性度量及应急预案制定的依据，以风险标准来衡量各梯级水库大坝的风险水平。三者通过同一指标来表征风险的关联性，从而形成相辅相成的统一体系。

４）加强风险管理理念及技术在梯级水库中的实际应用。目前我国梯级水库群工程渐成规模，包括规划、在建及已建工程，涵盖设计、施工及运行等多个阶段，为风险管理理念及技术的推广和应用提供了良好的平台。下一步应紧密结合工程实际，不断提高梯级水库群大坝风险管理相关理论与技术的科学性与实用性。

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