中小流域梯级水库群风险评估及防范对策研究

谢玉葳 彭雪辉 盛金保 赖瑞勋 杨德玮 周克发

关键词：梯级水库群；风险矩阵；风险评估；风险标准；防范对策

在全球气候变化影响持续加剧、极端气候事件频发，以及经济社会高速发展的大背景下，流域梯级水库群安全面临严峻挑战，遭受的风险日益增加。一旦梯级水库群中某座水库因特大洪水、强震或重大工程隐患而溃坝，极有可能形成“多米诺骨牌效应”，给整个梯级水库群安全带来灾难性后果。大江大河上的梯级水库群建设标准高且存在关键性、控制性梯级水库，风险可以有效化解，而中小流域上的梯级水库工程规模不同、建设时间不同，存在工程隐患严重程度不同、洪水标准不协调等问题，风险难以控制。在此背景下，深入研究中小流域梯级水库群风险及防范对策，对有效保障流域梯级水库群安全具有重要的理论与现实意义。

目前，国内针对单个水库大坝风险评估方法较多，迟福东等［１］采用改进层次分析法建立致灾因素权重模型，将其风险评估模型应用到小湾水电站工程中；李宗坤等［２］为研究混凝土坝失事概率的動态特性，建立了动态贝叶斯网络模型；Ｍｅｎｇ等［３］采用熵权模糊综合评价法评估水库洪水调度风险；彭雪辉等［４］基于国内外风险标准，提出了我国生命、经济、社会与环境三方面的大坝风险标准，为评估大坝溃坝后果提供依据。但是针对梯级水库群风险评估的研究处于发展阶段，李炎隆等［５］从失事风险概率、风险损失、风险标准、梯级连溃风险等方面对我国的梯级水库群风险研究进行了论述；杜效鹄等［６－７］基于国内外风险标准，提出特高坝及其梯级水库的风险标准。

国内外梯级水库连溃案例［８－９］相对较少，学者们的研究大多基于数值方法进行模拟，于子波等［１０］以黑龙江省安邦河干流上的寒葱沟－定国山梯级水库为例，提出基于双库连溃的贝叶斯网络模型、耦合Ｂｒｅａｃｈ、ＨＥＣ－ＲＡＳ模型的洪水演进模拟方法，推求溃坝概率、评估连溃风险和模拟洪水演进过程；林鹏智等［１１－１２］构建关键风险因素作用下的贝叶斯网络模型，研究水库群连溃风险相关问题；Ｙａｎｇ等［１３］利用集对理论确定上下游水库间的联系，采用层次分析法和熵权法综合分析梯级水库风险，在此基础上基于系统的脆性理论提出了脆性风险熵作为预测和评价梯级水库系统是否溃决的性能指标；张锐等［１４］以双江口水库为例，将上游溃坝洪水作用考虑到水库漫坝失事风险分析中，在具体评估水库承担的失事风险概率时，提出基于直角梯形模糊数的水库漫顶失事风险分析模型。

在我国，针对大江大河梯级水库群提出了风险评估标准，而针对中小流域梯级水库群尚未形成风险评估标准体系。本文在研究梯级水库溃坝模式和溃坝路径基础上，首先采用贝叶斯理论构建梯级水库连溃模型，以此来推求梯级水库连溃概率；然后基于梯级水库连溃概率和连溃后果，研究梯级水库风险评估方法及标准；最后将研究成果应用于某一梯级水库群风险评估案例中。

１梯级水库群风险分析

梯级水库群分为串联、并联和混联水库群，其中混联水库群可简化为多个串联水库群和并联水库群的组合。单一并联水库群之间水力联系较弱，若下游无共同的防洪保护对象，尽管有共同的防洪保护对象但没有采取联合调度，则不形成上下游梯级关系，与单个水库情形类似，可按单一水库处理。本文对梯级水库群的风险分析仅考虑串联水库群。

１．１梯级水库群连溃可能性

１．１．１溃坝模式及溃坝路径

根据水利部大坝安全管理中心建立的全国３５００余座溃坝水库基础资料数据库、震损水库数据库，分析总结在超标准洪水作用下梯级水库群溃坝模式和溃坝路径。本文主要阐述梯级水库群中上库发生渗透破坏导致下库发生连溃的溃坝路径：

１）上库遭遇超标准洪水—坝体集中渗漏—管涌—干预无效—大坝溃决—溃坝洪水冲击下库—下库漫顶—干预无效—下库溃决。

２）上库遭遇超标准洪水—坝基集中渗漏—管涌—干预无效—大坝溃决—溃坝洪水冲击下库—下库漫顶—干预无效—下库溃决。

３）上库遭遇超标准洪水—坝下埋管发生接触冲刷破坏—干预无效—大坝溃决—溃坝洪水冲击下库—下库漫顶—干预无效—下库溃决。

４）上库遭遇超标准洪水—下游坝坡大范围散浸—浸润线抬高—坝体失稳—坝顶高程降低—漫顶—干预无效—大坝溃决—溃坝洪水冲击下库—下库漫顶—干预无效—下库溃决。

５）上库遭遇超标准洪水—坝体渗流管涌破坏—坝体失稳—坝顶高程降低—漫顶＋管涌—干预无效—大坝溃决—溃坝洪水冲击下库—下库漫顶—干预无效—下库溃决。

１．１．２连溃概率计算

梯级水库群系统中上库遭遇洪水发生溃坝，可能会导致下库功能受限甚至溃坝，这种梯级水库群系统的水力联系体现了系统内的联系。因此，基于贝叶斯网络理论，本文构建超标准洪水作用下梯级水库的贝叶斯网络模型来推求梯级水库连溃概率。

１．１．２．１贝叶斯网络模型

贝叶斯网络模型是一种有向无环图模型，是联合概率分布的紧凑表示形式。其擅长分析处理不确定性和概率性事件，能够根据不完全或不确定的数据和信息进行推理。贝叶斯网络表示ｎ个随机变量Ｘ＝｛Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘｎ｝的联合概率分布，利用贝叶斯网络理论特有的条件独立性和条件概率推求方法可将联合概率分布表示为

１．１．２．２构建基于贝叶斯网络的梯级水库系统

假设流域上Ａ、Ｂ、Ｃ三座水库为串联水库，且三座水库大坝均为土石坝。水库Ａ溃坝风险源为超标准洪水，水库Ｂ考虑超标准洪水和水库Ａ溃坝洪水两种风险源，水库Ｃ考虑超标准洪水和水库Ｂ溃坝洪水两种风险源。土石坝管涌或漫顶之后考虑人工干预因素，如人工干预无效导致土石坝溃坝。由此构建基于贝叶斯网络模型的梯级水库群系统，见图１。

图１中Ａ、Ｂ、Ｃ梯级水库系统，以Ｂ水库为例，“Ｂ１超标准洪水”表示Ｂ水库遭遇超标准洪水的概率，“Ｂ２水库漫顶”表示Ｂ水库遭遇“Ｂ１超标准洪水”和“上游Ａ水库溃坝洪水”条件下水库漫顶的概率，“Ｂ３水库溃坝”表示Ｂ水库在漫顶条件下溃坝的概率。

１．２梯级水库连溃后果计算

溃坝后果包括溃坝生命损失、经济损失、社会与环境影响。本文主要考虑溃坝生命损失，其计算方法较多，主要考虑采用Ｄｅｋａｙ＆ＭｃＣｌｅｌｌａｎｄ法［１５］，计算公式为

２梯级水库群风险评估

２．１梯级水库群风险评估法

风险评估方法总体上可划分为定性和定量两种。定性风险评估方法包括预先危险性分析、故障类型和影响分析等，特点是具有良好的可操作性和直观性，但其结果受专家主观性影响较大；定量风险评估方法包括风险矩阵法、层次分析法等，特点是适用于难以精确计算概率和后果的系统风险评估。本文综合考虑梯级水库群溃坝发生可能性和后果严重性，采用风险矩阵来评估梯级水库群风险。风险矩阵法计算公式为式中：Ｒ为风险值，取值范围为１～２５；Ｐ为溃坝可能性，取值范围为１～５；Ｌ为梯级水库群溃坝后果严重性，取值范围为１～５。

２．２梯級水库群风险标准及防范对策

２．２．１连溃可能性划分标准

《中国水库大坝风险标准研究》［１５］中单座大坝的溃坝发生可能性分级标准和能源行业标准《梯级水库群安全风险防控导则》（ＮＢ／Ｔ１０８８２—２０２１）［１６］中梯级水库溃坝可能性分级标准几乎是一样的，本文直接采用能源行业标准中的溃坝概率分级标准（见表１）。

２．２．２连溃后果严重性划分标准

本文综合《中国水库大坝风险标准研究》［１５］和能源行业标准《梯级水库群安全风险防控导则》（ＮＢ／Ｔ１０８８２—２０２１）［１６］中溃坝后果严重性等级划分标准，将梯级水库连溃后果严重性分为５级，分别为一般、较大、重大、特别重大和灾难性，具体分级标准见表２。

２．２．３风险划分标准

根据梯级水库群连溃可能性和连溃后果严重性等级划分标准，结合专家经验，将风险分为低风险、中风险、高风险和极高风险４级。

１）Ⅳ级，低风险，为可接受风险，风险值为１～３；

２）Ⅲ级，中风险，为可容忍风险，风险值为４～９；

３）Ⅱ级，高风险，为不可接受风险，风险值为１０～１６；

４）Ⅰ级，极高风险，风险值为１７～２５。

２．２．４风险防范对策

对于梯级水库群，风险等级不同时，可采取不同的工程措施和非工程措施进行风险防范。

１）当梯级水库群风险等级为Ⅰ级时，应将风险降至中风险或低风险。防范对策主要有：采取除险加固工程措施，开展梯级水库群联合调度；进行梯级水库群连溃洪水分析，做好流域应急预案和洪水淹没区预警预报；做好流域应急抢险处置方案，加强隐患排查及综合治理，降低风险等级。

２）当梯级水库群风险等级为Ⅱ级时，为不可接受风险，应将风险降至中风险或低风险。防范对策主要有：采取应急监测措施，做好梯级水库群联合调度方案；开展梯级连溃洪水分析，划定连溃洪水淹没范围，不同区域制定相应的风险处置措施；加强隐患排查及综合治理，降低风险等级。

３）当梯级水库群风险等级为Ⅲ级时，为可容忍风险，应加强监测和日常巡视检查，开展梯级连溃洪水分析，必要时须采取措施降低风险。当风险处理资金有限时，可根据梯级水库群中各水库的风险因子重要性排序，确保重要水库的主要风险因子得以处理。

４）当梯级水库群风险等级为Ⅳ级时，为可接受风险。防范对策为关注并维持正常的监测频次和日常巡视检查。

３案例分析

以Ｓ河流域内Ｄ、Ｅ、Ｈ三座水库组成的梯级水库群为典型案例进行梯级水库风险评估。

３．１流域概况

Ｓ河是某河支流，河道全长５２ｋｍ，控制流域面积３４６ｋｍ２。该流域属北温带大陆性季风气候区，冷暖气团交替频繁，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。Ｄ、Ｅ、Ｈ梯级水库分别位于Ｓ河流域的上游、中游、下游（见图２）。Ｄ水库以上属浅山丘陵区，河道平均比降约为１０．０‰，地势西南高东北低、成一倾斜盆地，土薄石厚，植被较差；Ｄ水库至Ｅ水库区间属丘陵区，河道平均比降约为２．７‰，黄土覆盖较厚，冲沟发育，水土流失较为严重；Ｅ水库以下为平原区，土地肥沃，多为耕地。据中国历史地震目录记载，本地区附近近５００ａ来发生有感地震７次，震中震级多为５级左右。根据《中国地震动参数区划图》（ＧＢ１８３０６—２００１），本区地震动峰值加速度为０．１０ｇ，相应地震基本烈度为Ⅶ度。该梯级水库下游有京广铁路、连霍高速、１０７国道、某市郊区，地理位置十分重要，是下游市区防洪体系的重要组成部分。三座梯级水库基本情况见表３。

３．１．１Ｄ水库

Ｄ水库始建于１９５７年１０月，１９５９年３月基本建成，２０００年除险加固，２００６年汛期大坝上游坡塌坑出险、汛后进行了除险加固。２０１１年Ｄ水库被鉴定为三类坝，主要原因是大坝上游干砌块石护坡损坏严重，坝顶防浪墙混凝土碳化、裂缝，坝体加高部分直墙倾斜；主坝坝坡抗滑稳定和抗震稳定均不满足规范要求；大坝填土填筑质量较差，坝体渗透系数不满足规范要求，坝基砂卵石清基不彻底；下游排水系统不完善；溢洪道出口未疏通，洪水不能安全下泄；输水洞竖井壁渗漏严重，混凝土结构碳化、裂缝，闸门无法提起检修，出口渠节制闸损坏严重，无法使用；输水洞闸门无法检修，不能正常使用；监测与管理设施不完善等。２０１９年河南省水利厅提出关于水库除险加固工程初步设计报告的审查意见。２０２０年９月Ｄ水库除险加固工程开工，工期２４个月。

２０２２年现场调研时，水库正在除险加固中，库水位为死水位１６５．００ｍ。上游坝坡新建混凝土连锁块护坡，下游坝坡拆除，重建草皮护坡，对排水棱体进行了加宽，下游侧设路缘石，坝顶路面还未铺设沥青路面，混凝土未见裂缝；溢洪道施工已基本完成，但溢洪道堰顶高程与汛限水位不匹配；原输水洞已经封堵，新建泄洪洞启闭塔正在施工。

３．１．２Ｅ水库

Ｅ水库大坝主体工程分四期建成，１９５９年１１月开工直至２０００年完工；２０１１年水库除险加固竣工验收；２０２０年水库安全鉴定为二类坝。

２０２２年现场调研时，大坝水库水位很低；坝顶下游侧宽１７ｍ为Ｇ３１０国道，根据《水库大坝安全管理条例》，坝顶作为公路应经专题论证，目前未见论证；启闭塔无避雷设施；大坝坝顶、上游坝坡、下游坝坡均未见异常，溢洪道外观较好、放水管工作正常，放水管金属结构及启闭设施未超过损废折旧年限。

３．１．３Ｈ水库

Ｈ水库兴建于１９５７年１０月，主体工程竣工于１９５８年５月；２００７年安全鉴定为三类坝；２００９年１１月１７日除险加固工程开工；２０１１年５月完工；２０１２年２月２３日，水库除险加固工程通过竣工验收；２０２０年１２月鉴定为二类坝。

２０２２年现场调研时，库水位很低，主坝坝顶为沥青混凝土路面，道路平坦，安全鉴定中未论证其安全性；副坝坝顶及浆砌石边坡局部砂浆脱落、裂缝；大坝上游坝坡坡面较平整，下游坝坡草皮护坡；溢洪道整体外观较好，运行状态基本正常。溢洪道陡坡及消能段无冲蚀现象；放水管完好，工作正常；启闭室有裂缝。交通桥桥面路肩局部表面砂浆脱落；检修闸门、工作闸门启闭机外观正常，放水管金属结构及启闭设施未超过损废折旧年限，电缆线存在龟裂老化现象，电机接地线缺失。

３．１．４Ｄ、Ｅ、Ｈ梯级水库群溃坝风险分析

根据梯级水库群中各水库的基本资料分析可知：

１）Ｄ水库防洪标准已经达到规范要求，若防汛调度不出现差错，出现标准内洪水时水库溃决可能性不大。但若遭遇超标准洪水，Ｄ水库存在大坝溃决的风险。若Ｄ水库发生溃坝，其总库容比下游Ｅ水库的大２倍多，则Ｅ水库漫顶溃坝可能性较大，继而影响到下游Ｈ水库使其溃坝。这是该水库群可能发生的最严重事件，近１．０亿ｍ３的洪水对该梯级水库下游的冲击将影响巨大。

２）如果Ｄ水库不出现溃坝突发事件，则Ｅ水库发生漫坝溃决的可能性较小。目前Ｅ水库大坝坝顶宽２７ｍ，其中下游侧１７ｍ为国道公路，路面均为混凝土路面。大坝坝顶宽，坝体断面大，坝顶全部混凝土路面覆盖，且溢洪道泄量大，最大泄量为８７１．３ｍ３／ｓ，即使出现漫坝险情，按理险情发展应平缓一些，也存在抢险可能性。

３）如果Ｄ水库不出现溃决，Ｅ水库出现溃决可能性也不大，那么Ｈ水库超标准洪水条件下漫坝溃决的可能性较大。因Ｈ水库大坝填筑质量较差，且在高水位时曾经出现过坝坡塌陷、库岸结合处渗水、反滤体淤积等各种工程险情，虽已加固处理，但并没有从根本上解决坝体坝基渗透破坏、溢洪道边坡滑塌的问题。因此，遭遇超标准洪水时Ｈ水库大坝存在溃坝的可能。

综上所述，该梯级水库群风险集中：一是Ｄ水库大坝溃决引发Ｅ、Ｈ水库相继溃决，二是Ｈ水库超标准洪水下溃决。

３．２溃坝可能性分析

依据“１．１．２”节构建的三座水库串联的贝叶斯网络模型来分析Ｄ、Ｅ、Ｈ梯级水库群溃坝可能性。当Ｓ河流域遭遇超标准洪水，Ｄ水库发生管涌或漫顶溃坝，产生的溃坝洪水叠加区间洪水形成下游Ｅ水库新的入库流量过程，在Ｅ水库正常调洪作用下，溢洪道泄洪能力不足，库水位壅高直至超过Ｅ水库的坝顶高程造成其漫顶溃坝，进而导致Ｈ水库漫顶溃坝。

３．２．１工况１：梯级水库群连溃概率计算

根据“３．１”节对Ｄ、Ｅ、Ｈ梯级水库的风险分析，且三座水库大坝均存在除险加固后未经高水位运行，不能判定水库原有的渗透点是否封闭，结合“１．１．１”节中的溃坝模式及路径，Ｓ河流域遭遇超校核标准洪水时，该梯级水库可能存在的溃坝模式及溃坝路径为：Ｄ水库遭遇超标准洪水—坝体集中渗漏管涌—干预无效—Ｄ水库溃坝—溃坝洪水叠加区间洪水冲击Ｅ水库—Ｅ水库漫顶—干预无效—Ｅ水库溃坝—溃坝洪水叠加区间洪水冲击Ｈ水库—Ｈ水库漫顶—干预无效—Ｈ水库溃坝（其中“干预无效”是指干预失败或未进行干预）。梯级水库系统溃坝路径示意见图３。

采用ＧｅＮｌｅ软件建立贝叶斯网络，假设Ｄ、Ｅ、Ｈ梯級水库群遭遇超校核标准洪水时，Ｄ水库发生管涌溃坝，推求造成Ｅ、Ｈ水库相继漫顶溃坝的概率。计算得Ｄ水库发生管涌溃坝，则Ｅ水库漫顶的后验概率为５．５０×１０－１，进而Ｈ水库漫顶的后验概率为２．９０×１０－１。根据梯级水库系统中水库溃坝情况，建立梯级水库系统贝叶斯网络，其计算结果表示单座水库的状态对梯级水库系统的影响。图４（ｂ）中Ｅ、Ｈ水库漫顶的先验概率为图４（ａ）中Ｅ、Ｈ水库漫顶的后验概率。梯级水库系统失效风险概率为３．９×１０－１。

３．２．２工况２：单库溃坝概率计算

Ｓ河流域遭遇超校核标准洪水，若Ｄ、Ｅ水库未发生溃坝，Ｈ水库发生管涌溃坝，根据事件树法结合专家经验对各个事件节点概率取值，计算Ｈ水库发生管涌溃坝的概率见图５。

梯级水库群和单座水库溃坝概率对比见表４。根据表１梯级水库溃坝事件发生可能性等级标准，工况１中水库连溃可能性等级为３，工况２中水库溃坝可能性等级为２。

３．３溃坝后果分析

通过对不同工况的溃坝洪水和洪水演进进行计算，然后统计淹没范围内的风险人口，最后结合Ｄｅｋａｙ＆ＭｃＣｌｅｌｌａｎｄ法的公式计算生命损失，其中警报时间取１ｈ、洪水严重性为１。根据表２梯级水库溃坝后果严重性分级标准对应不同工况的后果等级，计算结果见表５。

３．４梯级水库群风险评估

根据表４、表５梯级水库群溃坝可能性和溃坝生命损失，综合得到不同工况下的水库风险值和风险等级，见表６。从表６可知，工况１表明Ｄ、Ｅ、Ｈ梯级水库群的风险等级是高风险，为不可接受风险；工况２表明Ｈ水库的风险等级是中风险，为可容忍风险。可见Ｓ河流域遭遇同一量级洪水时，Ｄ、Ｅ、Ｈ梯级水库群的溃坝风险主要由Ｄ水库决定，该梯级水库溃坝风险为高风险。

３．５梯级水库群防范对策

由于该梯级水库群有高风险，应将风险降至中风险或低风险，因此从工程、非工程两方面提出相应的防范措施。

３．５．１工程措施

Ｄ水库大坝为三类坝，需尽快完成除险加固工程；Ｅ、Ｈ水库大坝均为二类坝，但仍存在较严重的安全隐患问题，须尽快进行消缺处理，降低水库自身风险。

３．５．１非工程措施

１）强化该梯级水库群的预报、预警、预演、预案能力，提升该梯级水库群应急调度和应急管理水平。

２）开展该梯级水库群连溃洪水及后果分析，编制具有科学性和可操作性的大坝安全管理应急预案和应急处置方案，完善溃坝洪水淹没区预警设施。

４结束语

在全球气候变化与人类活动影响下，中小流域梯级水库群风险持续增加。本研究采取定性定量分析相结合的方法，基于贝叶斯网络推求梯级水库连溃概率，以Ｄ、Ｅ、Ｈ梯级水库群为例开展了梯级水库群风险评估研究。主要结论如下：

１）提出了采用风险矩阵法评估梯级水库群风险，其中溃坝可能性根据贝叶斯网络计算梯级水库连溃概率进行定量评估，溃坝后果严重性根据溃坝生命损失进行定量评估。

２）提出了梯级水库群风险等级划分标准，以及溃坝可能性分级标准和溃坝后果严重性分级标准。

３）案例分析表明，Ｄ、Ｅ、Ｈ梯级水库群风险主要由Ｄ水库决定。建议采取工程措施消除Ｄ、Ｅ、Ｈ水库工程隐患，采取非工程措施如梯级水库群进行联合调度、编制应急预案等措施降低溃坝概率，从而降低梯级水库群的整体风险。

４）我国中小流域存在大量梯级水库群，一旦梯级水库群连溃，后果难以承受。本文提出的梯级水库群风险评估方法简便易行，对评估为高风险等级及以上的梯级水库群，建议采取工程、非工程措施降低整个梯级水库群风险，从而保障我国梯级水库群高质量安全运行。