对水库汛限水位动态控制风险分析的认识

何晓燕，黄金池

（中国水利水电科学研究院，北京100038）

0 引言

水库在发挥兴利与防洪功能的同时也存在一定的安全风险。从一般风险的意义来看，水库安全风险总是客观存在的，如何通过各种途径认识风险，并通过采取有效措施降低风险或将风险控制在可承受的范围内是现代社会人们十分关注的问题。汛限水位是水库兴利与防洪功能合理配置的重要特征值，对于发挥水库综合效益具有决定性作用，同时也是确定水库安全风险水平的关键因子，汛限水位的高低与水库安全风险有着直接的关系。

从已有的研究成果看，关于水库汛限水位与水库兴利作用的关系相对比较清楚，分析计算方法一般也有较为统一的模式，但对于安全风险方面则相对落后。2002年，国家防办组织相关单位开展了水库汛限水位专题研究工作，项目历时3年，在汛限水位动态控制安全风险研究方面也做了一些探索性的工作并相继提出了一些初步成果，但由于我国在风险评估和风险控制方面的研究工作才刚刚起步，已有的研究成果还有待于进一步完善，尤其是在具体工程的实际风险水平评价方面，现有的基本理论和实践都还不能满足工程安全评估的具体需求，严重制约着水库汛限水位动态控制运用。

1 水库汛限水位动态控制风险的定义

水库汛限水位动态控制是指在汛期根据实时雨、水情信息及其预报成果，在不降低水库防洪标准、确保水库、上下游地区防洪安全的前提下，按照经科学论证并经有关部门审批的水库汛限水位动态控制范围对汛期运行水位进行浮动的调度过程。风险，通俗地说是可能发生的损失。目前对风险的定义没有公论，说法不一。一般认为风险定义应包括以下三方面的内容：

（1）可能会发生什么事故（事故类型）；

（2）发生该类型事故的可能性有多大（概率）；

（3）发生该类型事故的后果如何。

水库汛限水位调整风险则特指由于水库调度过程中自然、人为等不确定因素的影响，水库系统风险在汛限水位调整前后的变化。水库系统主要包括水库大坝、上游影响区和下游影响区三个风险主体。

相应地，水库汛限水位动态控制风险指的是由于水库调度过程中自然、人为等不确定因素的影响，水库系统在实施汛限水位动态控制前后的风险变化，主要从风险率变化和后果变化两方面得以反映。对于上游影响区、水库大坝和下游影响区，其风险率变化表达式如下。

上游：

水库大坝：

下游：

式中：Z0、Z1分别为汛限水位动态控制运用前后的洪水起调水位；Z库尾为水库回水区末端水位；Z移民为水库移民高程。研究中为了简化计算，Z库尾、Z移民分别取坝前水位和水库上游移民安全标准对应的坝前水位。Z坝前、Z设计、Z校核分别为坝前水位、大坝设计洪水位和校核洪水位。Q下泄、Q安全泄量分别为水库下泄流量、水库下游的防洪安全泄量。采用以上公式计算时，起调水位Z0对应的水库调度方式为原规划设计的调度方式，起调水位Z1对应的水库调度方式为动态调度方式。

后果变化主要通过上、下游淹没面积变化得以反映。具体是指遭遇不同量级的典型标准洪水时，水库在实施汛限水位动态控制前后上、下游淹没面积的变化量△A。其计算式为：

式中：A0上游为当水库遭遇某标准量级洪水时，以原规划设计汛限水位起调，采用原规划设计调度规则进行调度时，相应的库区最大淹没面积；A1上游为当水库遭遇同一标准量级洪水时，以动态调度上限水位起调，采用动态调度方式进行调度时，相应的库区最大淹没面积。A0下游为当水库遭遇某标准量级洪水时，以原规划设计汛限水位起调，采用原规划设计调度规则进行调度时，相应的下游最大淹没面积；A1下游为当水库遭遇同一标准量级洪水时，以动态调度上限水位起调，采用动态调度方式进行调度时，相应的下游最大淹没面积。

2 水库汛限水位动态控制风险分析

在水库汛限水位动态控制过程中，水库运行水位会随着实时的水、雨情信息和预报信息而发生变化，汛限水位调整变化的幅度是根据降雨预报和洪水预报水平、水库实际防洪标准、下泄能力、上游防洪标准、下游防洪标准及水库调度人员水平等多方面因素综合确定的。水库汛限水位动态控制风险分析主要是分析：（1）水库实施汛限水位动态控制前后水库防洪能力的变化；（2）由于实时调度过程中自然、人为不确定因素的影响，导致水库系统风险在采用水库汛限水位动态控制前后的变化。其中，水库汛限水位动态控制之前的风险相对应的水库水位是原设计的固定汛限水位，水库汛限水位动态控制风险相对应的水库水位是在动态调度过程中可能出现的最高水位。水库系统风险事件就是水库系统的原设计约束条件。对于水库上游影响区，其设计约束条件为：当水库大坝遭遇移民标准洪水时，库水位为移民水位。对于水库大坝，其设计约束条件为：当水库大坝分别遭遇设计标准洪水和校核标准洪水时，库水位分别为设计洪水位和校核洪水位。对于水库下游影响区，其设计约束条件为：水库大坝遭遇下游防洪标准洪水时，水库此时最大下泄流量为相应标准洪水条件下的安全泄量。通过水库汛限水位动态控制风险分析，需主要回答以下几方面问题：

（1）水库实施汛限水位动态控制前后的防洪标准是否发生变化；

（2）库区上游移民线以下区域的淹没频率、大坝安全（漫坝）风险频率和下游河道泄量超过安全泄量的频率如何变化；

（3）特定情景下水库大坝坝前最高水位变化、坝前水位超过某一水位历时变化、最大下泄流量变化和最大下泄流量超过某一泄量历时如何变化；

（4）特定情景下水库上游影响区、下游影响区的淹没后果如何变化；

（5）特定情景下水库溃坝后果如何。

图1所示为汛限水位动态控制风险分析采用的主要计算方法：在分析水库防洪标准的变化时，采用调洪最高水位-汛限水位-入库洪水频率复相关曲线求解法，即基于调洪最高水位-汛限水位-入库洪水频率复相关曲线查询水库校核洪水位对应入库洪水频率在水库实施汛限水位动态控制前后的变化。在分析库区淹没风险率变化、大坝安全风险率变化、大坝漫坝风险率变化以及下游防洪风险率变化时，通常采用的计算方法主要有蒙特卡罗方法、一次二阶矩法、改进一次二阶矩法、JC法等。水库溃坝后果分析通常采用溃坝洪水计算数学模型，库区淹没范围一般通过调洪演算确定水库水位，再采用水平延伸法确定。此外，对于水库上游影响区遭遇移民标准洪水时、库区水位超过某一特征水位历时变化、水库大坝遭遇设计标准洪水和校核标准洪水时，坝前最高水位变化和坝前水位超过某一水位历时变化，下游影响区遭遇下游防洪标准洪水时的最大下泄流量变化和下泄流量超过某一流量历时变化等指标值的确定，一般主要采用调洪演算方法。对于下游影响区，当需要进一步了解水库实施汛限水位动态控制前后的下游淹没情况变化时，则需要通过河道洪水演进数学模型计算确定。

图1 汛限水位动态控制的风险分析方法Fig.1 Analysis method for risks in dynamic flood level control

3 水库汛限水位动态控制风险评估

水库开展汛限水位动态控制风险评估工作，除须满足国家规定的一些基本要求外，技术上还需满足以下条件：

（1）已经按照现行规范完成了水库设计洪水成果复核的研究。

（2）已经完成了水库汛限水位动态控制域研究。

（3）已经完成了水库汛限水位动态控制方案的研究。

（4）对于利用降雨预报信息、洪水预报信息实施汛限水位动态控制的水库，应完成降雨预报信息和洪水预报信息可利用性分析的研究。

水库汛限水位动态控制风险评估的主要内容包括：

（1）水库实施汛限水位动态控制前后的防洪标准变化；

（2）水库实施汛限水位动态控制前后水库工程风险主体的风险事件发生概率，即防洪控制条件超越概率的变化；

（3）当遭遇上游防洪标准洪水时，水库在实施汛限水位动态控制前后库区淹没范围的变化；

（4）当遭遇下游防洪标准洪水时，水库在实施汛限水位动态控制前后下泄流量的变化和下游影响区淹没范围的变化。

在汛限水位动态控制风险评估中，风险增量的大小通过多项指标数值予以综合反映。对于上游影响区，风险增量指标为淹没风险率变化、库区水位超过某一特征水位历时变化和库区淹没范围变化。淹没风险率变化是指当遭遇移民标准洪水时，水库实施汛限水位动态控制前后的水库水位超过移民线的概率变化。库区水位超过某一特征水位历时变化是指当遭遇移民标准洪水时，水库在汛限水位调整前后的水库水位超过某一特征水位的历时变化，该特征水位通常为水库上游影响区风险控制的特征水位。库区淹没范围变化是指当遭遇移民标准洪水时，水库汛限水位调整前后的水库库区淹没面积变化。对于水库大坝，风险增量指标为大坝安全风险率变化、大坝漫坝风险率变化、坝前最高水位变化和坝前水位超过某一特征水位历时变化。大坝安全风险率变化是指当遭遇设计标准洪水时，水库汛限水位调整前后的水库水位超过设计洪水位的概率变化。大坝漫坝风险率变化是指当遭遇校核标准洪水时，水库汛限水位调整前后的水库水位超过校核洪水位的概率变化。坝前最高水位变化是指当水库分别遭遇设计标准洪水和校核标准洪水时，水库汛限水位调整前后的坝前最高水位变化量。坝前水位超过某一特征水位历时变化是指当水库分别遭遇设计标准洪水和校核标准洪水时，水库汛限水位调整前后的坝前水位超过某一特征水位的历时变化，该特征水位通常为水库大坝风险控制的特征水位。对于下游影响区，风险增量指标为下游防洪风险率变化、最大下泄流量变化和下泄流量超过某一泄量历时变化。下游防洪风险率变化是指当遭遇下游防洪标准洪水时，水库汛限水位调整前后的水库下泄流量超过该标准洪水时相应下游安全泄量的概率变化。最大下泄流量变化是指当遭遇下游防洪标准洪水时，水库在汛限水位调整前后的最大下泄流量变化。下泄流量超过某一特征流量历时变化是指当水库遭遇下游防洪标准洪水时，水库在汛限水位调整前后的下泄流量超过某一特征流量的历时变化，该特征流量通常为下游影响区风险控制的特征流量。

图2 水库汛限水位动态控制风险评估指标体系Fig.2 Evaluation indexes for risks in dynamic flood level control

4 结语

水库汛限水位动态控制是相对于水库采用固定的汛限水位静态控制而言的，因此，水库汛限水位动态控制风险是一种相对风险，是相对于原固定汛限水位条件的一种增量风险。水库汛限水位动态控制风险评估时，风险评估对象应从水库大坝本身、水库上游影响区和下游影响区三个对象着手。水库汛限水位动态控制风险是由于水库调度过程中自然、人为等不确定因素的影响，水库系统风险在实施汛限水位动态控制前后的风险变化。

水库汛限水位动态控制风险评估的主要内容包括：①水库实施汛限水位动态控制前后的防洪标准变化；②水库实施汛限水位动态控制前后的水库工程风险主体的风险事件发生概率，即防洪控制条件超越概率的变化；③遭遇上游防洪标准洪水时，水库在实施汛限水位动态控制前后库区淹没范围的变化；④遭遇下游防洪标准洪水时，水库在实施汛限水位动态控制前后下泄流量的变化和下游影响区淹没范围的变化。

水库汛限水位动态控制风险的大小需要通过上游影响区风险、水库大坝风险和下游防洪风险等指标数值综合反映。■

[1]国家防汛抗旱总指挥部办公室.水库汛限水位设计与运用研究总报告[R].2006,10.

[2]王栋,朱元甡.防洪系统风险分析的研究评述[J].水文,2003(2):15～20.