高 潔

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

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基于設(shè)計(jì)洪水的梯級水庫防洪安全分析

高 潔

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

以金沙江中游5個(gè)梯級水庫為例，首先對基于不同歷史洪水排頻方案的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果進(jìn)行對比分析；其次在不同方案的基礎(chǔ)上，考慮流域梯級防洪標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性問題，計(jì)算各水庫壩前最高水位，分析采樣單一水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)和梯級協(xié)調(diào)后成果，評價(jià)梯級水庫防洪安全。歷史洪水的選擇將直接影響設(shè)計(jì)洪水成果乃至工程防洪高程，在對單一水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析的同時(shí)應(yīng)重視梯級防洪標(biāo)準(zhǔn)整體協(xié)調(diào)，并開展防洪安全評價(jià)。

梯級水庫防洪；防洪標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)洪水；歷史洪水

0 概 述

目前，世界上約1/3大壩失事是洪水漫頂造成的；我國20世紀(jì)50年代至90年代洪水漫頂失事共1147起，約占同期失事總數(shù)的46.6%[1]。姜樹海[2- 3]提出了以設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為主體的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。即，通過事故樹洪水事件和隨機(jī)偏微分方程的形式對漫頂事故進(jìn)行宏觀和概率層面的分析。其將入庫洪水過程、出庫泄流過程、水位庫容關(guān)系、防洪起調(diào)水位等作為主要輸入條件，分析庫水位的隨機(jī)消長與大壩漫頂風(fēng)險(xiǎn)率的關(guān)系，將水庫水位高于壩頂高程作為漫頂風(fēng)險(xiǎn)的極限標(biāo)志。盡管過去我國大壩的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)略低，根據(jù)20世紀(jì)50年代至90年代統(tǒng)計(jì)資料的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果略小，但是出于不確定性預(yù)留的大壩抗洪潛力使實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)基本低于理論風(fēng)險(xiǎn)。

我國實(shí)測流量資料系列大多在20世紀(jì)30年代～50年代，但是工程設(shè)計(jì)中往往需要以此為基礎(chǔ)推求千年一遇甚至萬年一遇洪水，作為確定工程等級和規(guī)模的依據(jù)。因此，在洪水系列外延加入歷史洪水考證成果可以降低計(jì)算結(jié)果的不確定性?？紤]歷史洪水的頻率計(jì)算有助于提高設(shè)計(jì)洪水的估算精度，但是這一結(jié)論是建立在歷史洪水資料與實(shí)測洪水資料具有同樣的精度且調(diào)查期和排位較為精準(zhǔn)的前提上的[4]。楊遠(yuǎn)東、趙紀(jì)民等[5- 6]對歷史洪水和實(shí)測洪水作為一個(gè)總體中不同樣本的頻率計(jì)算方法進(jìn)行了研究?；贐ayesian MCMC模型，張立杰[7]以西江梧州水文站為例，分析歷史洪水對水文頻率計(jì)算不確定性的影響，發(fā)現(xiàn)基于60、110、500a和700a洪水資料的設(shè)計(jì)值在95%置信區(qū)間的相對離差逐漸降低。較久遠(yuǎn)的特大洪水信息可增加系列外延的可靠性。小凌河錦州水文站系列是否加入歷史洪水的對比分析顯示，考慮歷史洪水后萬年一遇計(jì)算成果較實(shí)測系列偏大31.8%[8]。黃振平等[9]就重現(xiàn)期為200、300、500、800、1 000、1 500a和2 000a等 7種情景條件下的歷史洪水對設(shè)計(jì)成果相對誤差均值、方差的影響研究發(fā)現(xiàn)，歷史洪水重現(xiàn)期越長，設(shè)計(jì)洪水成果的相對誤差越小，設(shè)計(jì)值越接近真值，成果的穩(wěn)定性越高。費(fèi)永法[10]通過在1 000a洪水考證期內(nèi)，逐次加入1～6場歷史洪水的數(shù)字實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一考證期內(nèi)，加入1～2場歷史洪水對提高設(shè)計(jì)洪水成果的穩(wěn)定性和精度作用顯著，加入更多則作用不大。

在設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的基礎(chǔ)上，我國水庫大壩工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參照前蘇聯(lián)國家規(guī)范，普遍基于頻率洪水標(biāo)準(zhǔn)[11]，有別于采用水文氣象法的美國、加拿大、印度體系，以及采用實(shí)測最大洪水加成法的挪威、瑞典體系。與PMF方法相比，實(shí)測洪水佐以歷史洪水的方法具備重現(xiàn)期的概念，與我國采用基于頻率的劃分等級的工程體系具有兼容性。在單一水庫設(shè)計(jì)采用現(xiàn)行洪水標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，隨著流域內(nèi)梯級水庫開發(fā)盛行，具備水力聯(lián)系的梯級水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)等問題也逐漸成為重要議題。楊百銀、王銳琛[12- 13]等將JC法引入水庫泄洪風(fēng)險(xiǎn)分析，研究單一和梯級水庫的泄洪風(fēng)險(xiǎn)模式，并提出梯級水庫的風(fēng)險(xiǎn)傳遞模式。目前，梯級水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)存在不協(xié)調(diào)問題。即上游水庫規(guī)模較小選用的防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，下游水庫規(guī)模較大選用的防洪標(biāo)準(zhǔn)較高；則當(dāng)來水超過上游水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可能造成上游水庫潰壩；當(dāng)上游水庫潰壩大洪水進(jìn)入下游水庫，極可能導(dǎo)致下游水庫連潰。此時(shí)，下游水庫原擬定的較高防洪標(biāo)準(zhǔn)就失去了意義。因此，梯級水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)需要在不改變現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行梯級水庫防洪安全評價(jià)，提出有效的梯級補(bǔ)償措施。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以金沙江中游流域5個(gè)梯級為例，根據(jù)不同數(shù)據(jù)來源的歷史洪水頻率適線，計(jì)算基于單一水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)調(diào)洪演算后的水庫水位和考慮梯級影響后的水庫水位，擬為梯級水庫群風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供初步依據(jù)。

1 方法

(1)通過對金沙江中游梯級布置研究，選定自上而下石鼓水文站、金江街水文站和攀枝花(原渡口)水文站為設(shè)計(jì)依據(jù)站，采用經(jīng)插補(bǔ)延長后1957年～2005年共49a的實(shí)測洪水系列。

(2)擬定三種計(jì)算方案。方案一，采用因水電站修建需要而重新調(diào)查考證的最新歷史洪水資料。方案二，為《中國歷史大洪水調(diào)查資料匯編》(以下簡稱《資料匯編》)部分成果。方案三，為不考慮歷史洪水的實(shí)測洪水系列。

(3)根據(jù)各工程規(guī)模和等級確定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)和校核洪水成果。5個(gè)梯級均為一等大(1)型工程，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)在5 000年一遇洪水以上。根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)站水文成果計(jì)算各壩址頻率洪水設(shè)計(jì)值。

(4)根據(jù)一定的調(diào)洪原則，通過各工程布置的泄水建筑物泄流能力和水位庫容曲線，計(jì)算校核洪水位，以此作為壩頂高程的設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)不同來水特征，本文選用洪峰高的1970年7月實(shí)測第二大洪水過程和洪量大、持續(xù)時(shí)間長的1966年8月實(shí)測第一大洪水過程，分別作為洪水過程縮放典型，計(jì)算不同方案經(jīng)不同典型放大后校核洪水位。

(5)計(jì)算不同方案在單一水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)經(jīng)調(diào)洪演算后的校核洪水位，以及考慮梯級水庫防洪協(xié)調(diào)后的校核洪水位，分析兩者的差異。

2 分析

2.1 歷史洪水對設(shè)計(jì)洪水成果的影響

依據(jù)現(xiàn)行SL44—93《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》計(jì)算洪水要素(均值、Cv、Cs)，實(shí)測系列和歷史洪水按照不連序系列處理。

2.1.1 歷史洪水調(diào)查資料分析

(1)根據(jù)《資料匯編》，石鼓站歷史洪水最大洪峰流量為8 750 m3/s發(fā)生于1892年，此外包括1905年、1970年等洪水；最小歷史洪水為1924年7 070 m3/s。金江街站歷史洪水最大洪峰流量為12 400 m3/s發(fā)生于1924年，此外包括1962年等洪水；最小歷史洪水為1954年8 850 m3/s。攀枝花站歷史洪水發(fā)生于1924年和1962年。在《資料匯編》中，該三站考證期最長為114a，最短為82a。

(2)出于水電工程建設(shè)安全性考慮，設(shè)計(jì)人員在前期勘察工作中，進(jìn)一步開展歷史洪水調(diào)查取證。根據(jù)上下游洪水的傳遞性，考證到金江街站1905年歷史洪水10 100 m3/s，攀枝花站1892年歷史洪水12 600 m3/s，并在流域內(nèi)考證到1863年不定量歷史洪水；從而將最長考證期從114a延長至143a。

2.1.2 歷史洪水選取

(1)方案一采用電站前期勘察設(shè)計(jì)補(bǔ)充完善資料。由于石鼓站2005年洪水量級較大，提出作為特大值處理。此外，歷史洪水僅考慮石鼓站1892年、金江街站1924年和攀枝花站1892年、1924年洪水。(由于洪水系列采用年限等差異，本文與實(shí)際電站采用成果有差別，僅為學(xué)術(shù)討論需要)

(2)方案二中采用《資料匯編》歷史洪水。

(3)方案三僅對實(shí)測洪水按連序系列進(jìn)行頻率計(jì)算。

3 水文站頻率適線成果

3.1 方案比較

各站點(diǎn)不同方案適線成果見圖1及表1。

表1 各站點(diǎn)不同方案適線成果

站點(diǎn)方案適線參數(shù)不同頻率(%)的洪峰流量/m3·s-1洪峰流量均值CvCs/Cv00100202石鼓151400294146001390011500250500274134001280010800351400284141001350011200金江街167100314202001920015800266200304193001840015200366400304194001850015200攀枝花173600314222002110017300272600314219002080017100372600314219002080017100

由表1可知，由于方案一在實(shí)測系列基礎(chǔ)上考慮歷史洪水系列，洪峰均值較方案三整體增大。由圖1b、圖1e和圖1h可知，方案二多次將實(shí)測大洪水提出作為特大值處理，反而導(dǎo)致洪峰均值降低，直接影響設(shè)計(jì)洪水成果。由此可見，從實(shí)測系列中提出特大值應(yīng)審慎考慮。根據(jù)方案一和方案二對比，《資料匯編》中歷史洪水的洪峰量級和重現(xiàn)期均較為準(zhǔn)確；但實(shí)測系列和歷史洪水系列作為同一個(gè)總體的兩個(gè)樣本，適線時(shí)如何區(qū)分兩個(gè)樣本對結(jié)果影響較大。選擇歷史洪水樣本時(shí)應(yīng)盡量避免采用實(shí)測系列中的數(shù)據(jù)，除非該實(shí)測值遠(yuǎn)大于其他實(shí)測數(shù)據(jù)且與考證期歷史洪水在同一量級(10%以內(nèi))；否則，將導(dǎo)致實(shí)測系列樣本均值降低。同一考證期內(nèi)的歷史洪水樣本以不超過兩個(gè)為宜[10]。根據(jù)3個(gè)水文站頻率洪水計(jì)算成果插值出5個(gè)梯級(A，J，Lo，Lu，G)的壩址設(shè)計(jì)洪水見表2(洪量計(jì)算方法與此類似)。

表2 壩址設(shè)計(jì)成果

方案P/%不同頻率洪峰流量/m3·s-11(A)2(J)3(Lo)4(Lu)5(G)100118500189001930020600222000021760018000184001960021100200117600179001840019800219000021670017100175001890020800300117800182001860019900219000021700017300177001890020800

與方案一考慮歷史大洪水相比，方案三只采用實(shí)測系列時(shí)，各壩址在頻率0.01%和0.02%設(shè)計(jì)洪水洪峰流量約偏小4%。不同壩址兩種頻率的設(shè)計(jì)值減小幅度基本一致。方案二由于在適線階段將多個(gè)實(shí)測大洪水提出按歷史洪水處理，導(dǎo)致均值偏低。該方案雖然考慮了歷史洪水的影響，但是各壩址相應(yīng)洪水均不大于方案三，在前三個(gè)壩址比不考慮歷史洪水的方案三尚略小1%。

3.2 調(diào)洪成果

水庫調(diào)洪演算從正常蓄水位起調(diào)，遵循原則：①低于起調(diào)水位時(shí)，按來流下泄；②不低于起調(diào)水位時(shí)，按泄水建筑物的泄流能力下泄；③當(dāng)水庫需要承擔(dān)下游防洪任務(wù)時(shí)，按照下游安全泄量控泄。

根據(jù)水能開發(fā)的工程規(guī)模和當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)條件，5個(gè)梯級均為一等大(1)型工程，前4個(gè)均采用混凝土重力壩，防洪校核標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期為5 000年的洪水。第5級按照左岸、河中混凝土重力壩及右岸粘土心墻壩的混合壩設(shè)計(jì)，由于部分采用土石壩結(jié)構(gòu)，為減少漫頂風(fēng)險(xiǎn)，防洪標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高，校核標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期為10 000年的洪水。

這5個(gè)梯級的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完全符合單一水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，但是從梯級角度卻出現(xiàn)防洪標(biāo)準(zhǔn)不協(xié)調(diào)的情況。當(dāng)上游水庫遭遇大于5 000年一遇洪水時(shí)，存在潰壩風(fēng)險(xiǎn)。如果發(fā)生潰壩洪水，其量級遠(yuǎn)大于天然洪水，第五梯級雖然是按照10 000年一遇洪水設(shè)計(jì)，但是其防洪標(biāo)準(zhǔn)受到上游最低標(biāo)準(zhǔn)的制約，實(shí)際上僅達(dá)到上游5 000年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

針對上述情況的處理措施較為復(fù)雜，一方面應(yīng)從管理角度解決，及時(shí)做好水情預(yù)報(bào)，提前預(yù)泄、保證足夠的防洪庫容。應(yīng)急處理時(shí)，可采取誘導(dǎo)性潰口，避免潰壩大洪水導(dǎo)致量級劇增，把損失降到最低。此外應(yīng)從技術(shù)層面了解上游水庫目前的防洪能力，其設(shè)計(jì)裕度能否緩解梯級超標(biāo)準(zhǔn)洪水對下游的影響。表3分析了梯級水庫遭遇5 000年一遇和10 000年一遇洪水時(shí)，經(jīng)調(diào)洪演算壩前最高水位超過壩頂高程的極限風(fēng)險(xiǎn)。

考慮歷史洪水的方案一由于洪水絕對量值較大，0.01%和0.02%頻率來水的調(diào)洪水位差異相對其他兩種方案明顯些。

根據(jù)調(diào)洪演算成果，部分方案計(jì)算的出庫流量大于泄水設(shè)施泄流能力，按泄流能力下泄，壩前水位顯著雍高。第1、第2和第4梯級水庫當(dāng)遭遇10 000年一遇洪水時(shí)，由于按照5 000年一遇的校核洪水設(shè)計(jì)，泄水設(shè)施的泄流能力無法下泄同期的入庫水量，出現(xiàn)水位雍高顯著的情況，當(dāng)遭遇10 000年一遇和5 000年一遇洪水時(shí)相應(yīng)水位差異大于1.0 m，

圖1 各站點(diǎn)不同方案適線

典型方案P/%1(A)Z001%-Z002%2(J)Z001%-Z002%3(Lo)Z001%-Z002%4(Lu)Z001%-Z002%5(G)Z001%-Z002%19701002150708001150863155142123142207084130024130109085122602122782180113676113762086200215062000115070808814204014211507512994513002407912254712261707011365211373808630021506500011507280781420581421420841299631300420791225471226310841136521137380861966100215072800115099026214213814225611813002813011809012264912286421520021506380011507280901420531421390861299421300280861225701226600903002150668001150748080142074142157083129959130048089122570122674104壩頂高程/m151000142400130300122800114100

注：由于G水庫的水文設(shè)計(jì)依據(jù)站攀枝花站始測年份略晚，未收集到1966年洪水資料。

其他方案水位差異均不超過1.0 m，基本保證最高水位不超過壩頂高程。如果將防洪標(biāo)準(zhǔn)從5 000年一遇提高到10 000年一遇，這3個(gè)梯級應(yīng)結(jié)合壩型設(shè)計(jì)、樞紐布置等進(jìn)一步對建筑物安全進(jìn)行評價(jià)。

圖2揭示第一梯級在遭遇10 000年一遇洪水發(fā)生超泄時(shí)的調(diào)洪過程和水位相應(yīng)變化。

1970年洪水過程和1966年洪水過程分別具有峰高和量大的特征。對于防洪庫容在0.5億m3以上的第1、第2、第4和第5梯級采用1966年洪量較大的典型過程作為入庫過程，調(diào)洪水位更高。第3個(gè)梯級在整個(gè)體系中總庫容和防洪庫容均最小，因此對1970年洪峰陡漲陡落的入庫過程較為敏感，圖3揭示了該調(diào)洪過程。

從單一水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)考慮，本研究的5個(gè)梯級完全滿足防洪要求，且安全裕度均較大。從梯級水庫防洪考慮，根據(jù)壩前最高水位與壩頂高程的對比，前3個(gè)梯級安全裕度充足。第4個(gè)梯級僅在最不利入庫洪水條件下，壩前最高水位比壩頂高程略高。由于前4個(gè)梯級均為混凝土壩，漫頂潰決的風(fēng)險(xiǎn)較低。第5級土石壩在遭遇校核洪水時(shí)壩前水位仍預(yù)留足夠的安全裕度。

4 結(jié) 論

本文以金沙江中游5個(gè)梯級水庫為例，首先對設(shè)計(jì)洪水如何考慮歷史洪水采用不同的計(jì)算方案進(jìn)行對比分析；其次在不同方案的基礎(chǔ)上，考慮流域梯級防洪標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性問題，分別按照單一水庫標(biāo)準(zhǔn)和梯級協(xié)調(diào)要求，計(jì)算各水庫壩前最高水位。分析表明，正確地選擇歷史洪水將直接影響設(shè)計(jì)洪水成果乃至工程防洪高程，在對單一水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)

圖2 第一梯級方案一基于不同洪水過程線0.01%頻率洪水調(diào)洪示意

圖3 第三梯級方案三基于不同洪水過程線0.02%頻率洪水調(diào)洪示意

行分析的同時(shí)應(yīng)重視梯級防洪標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)和防洪安全評價(jià)。

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Analysis on Flood Safety of Cascade Reservoirs Based on Design Flood

GAO Jie

(China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

Taking five cascade reservoirs in the middle reaches of Jinsha River as an example, firstly, the comparisons are made to discuss whether and how to use historical flood information. Secondly, the flood control standards for a single reservoir shall be coordinated with that for cascades, and the highest flood levels are calculated, compared and analyzed for a single reservoir and cascade reservoirs. The results suggest that the determination of historical flood is very important for flood frequency analysis as well as the magnitude and return period of each sample. Attention shall be paid on the coordination of flood control standards and safety evaluation of cascade reservoirs more than just a single reservoir．

flood control for cascade reservoirs; flood control standard; design flood; historical flood

2016- 01- 15

國家973項(xiàng)目(2013CB036403)

高潔(1985—)，女，安徽滁州人，高級工程師，博士，從事水文水資源水電規(guī)劃方面的研究工作．

TV122.3；TV697.13

A

0559- 9342(2016)09- 0093- 06