应对变化条件下的洪水设计标准与评价方法——第24届国际大坝会议第94议题：“大坝泄洪”议题（一）

郭 军

（中国水利水电科学研究院 科研计划处，北京 100038）

1 概述

泄洪设施作为大坝的重要建筑物之一，在过去60年的国际大坝委员会学术大会上曾8次被列入大会议题进行研讨，大坝水力学专委会已出版了4部与大坝泄洪有关的技术公报，在一年一度的年会期间举办的技术研讨会也多次列入与大坝泄洪相关的专题。在2012年日本京都举行的第24届大会上，大坝泄洪再次被列入4个议题之一，其主要考虑因素包括：（1）世界上已建成的大坝（坝高超过15m）有4.5万座之多，相当一部分的坝已运行超过40～50年；（2）随着水文系列资料的延长，有些工程的设计洪水在复核后将会有一定的变化；（3）随着经济社会的发展，人民生活水平的提高和国家基础设施建设的发展，对大坝安全的重视也需要相应提高大坝的泄洪标准；（4）全球气候变化或局部气象条件的变化将会增加降雨强度或降水量，这对已建水库的长期泄洪管理也提出了新的要求。面对这些客观条件的变化，设计者必须重新评估现有的洪水设计标准以及已建水库大坝溢洪道泄流能力是否满足新要求、溢洪道升级改造中的新技术与运行管理等问题。第24届国际大坝会议第94议题的主题为“大坝泄洪”，4个专题分别为：①设计洪水与特大洪水标准的评价、修订与新技术；②溢洪道设计技术发展新动向以及溢洪道升级改造技术；③闸门运行管理中的风险与水库漂浮物的影响；④泄洪消能。

本文将重点介绍第94议题总报告[1]中第1专题的研究进展和新技术，其余的内容将另行撰文介绍。

2 设计洪水与特大洪水标准的评价

2.1 个案工程泄流能力因洪水标准提高而增加设计洪水复核的主要依据是水文系列的延长。已建工程在设计当初依据水文系列资料普遍较短，所确定的设计洪水和依此确定的溢洪道设计能力就有可能不满足不断调整的设计洪水标准的要求，这也就需要每隔一段时间对溢洪道的设计洪水进行复核。比利时的Raviege坝在按新标准用特大洪水复核后，发现已建溢洪道的泄洪能力需要提高72% 。另一个案例是位于俄罗斯西伯利亚安加拉河中游的鲍古昌水电站，该水电站工程于1979年开始进行施工准备，1987年截流，后因资金问题工程几次停工。2006年复工后按照新的标准对设计洪水进行了复核后认为，施工期间的洪水设计频率需由以前的P=1%提高到P=0.2%，因而必须通过增减溢洪道以满足按新标准确定的施工期间的泄洪能力[3]。

2.2 国家层面洪水设计标准整体提高在此次提交的论文中，有几篇文章反映了在国家层面上整体提高洪水的设计标准，并对规范或导则进行了相应的修订。虽然开展此项工作的周期不确定，但其工作是在总结、评价已有标准和考虑新形势需要，在大量研究工作成果基础上修订洪水设计标准。捷克整体提高了国家大坝安全标准，对溢洪道的洪水设计频率、相应的泄流能力和防浪墙高度都有着更严格的规定[4]，依此标准对已建的Orlík大坝进行了泄洪能力的复核，从安全泄洪的角度，则需对该坝现有的泄洪设施进行必要的升级改造，以满足设计洪水条件下防波浪的要求。

瑞典洪水设计导则自20世纪80年代以来已修订过两次。20世纪90年代，在国家层面上对该国家所有重要的大坝的运行状态进行了全面评价，在此基础上于2007年完成了最新一版的洪水设计导则修订工作，规定确定设计洪水标准是必须考虑气候变化带来的影响[5-6]，这也就意味着在很多情况下，复核后的设计洪水要高于原有的设计值。经过统计分析发现，设计洪水值普遍提高15%～50%，另外，可能最大洪水（PMF）或可能最大降水（PMP）的概念已经不能满足新标准的要求，原因是现在许多河流系统已经变得很复杂，包括梯级开发形成的水库群，设计洪水还应考虑强降雨与融雪之间的相互作用。

作为一项国家标准，瑞典尾矿坝的防洪设计也采用该标准。

法国国家大坝委员会从大坝安全出发，在总结大量现有设计、运行管理工作经验和需求基础上，完成了溢洪道设计洪水导则的编制工作[7]。导则规定，对所有重要的大坝，对那些有可能对大坝安全构成严重威胁的因素，要依据其影响程度的严峻性优先给予风险分析。

2.3 极度干旱地区的洪水与大坝风险问题西班牙对处于极度旱地区大坝的洪水与安全给予了高度关注，特别是位于其东南地区Segura河流域的17座具有防洪功能的大坝。在这种极度干旱的地区，因强降雨引发的洪水一旦形成，往往具有很强的侵蚀性，会将所流经地区的树木、灌木和悬浮物品全部带进水库[8]。这种风险有可能发生在水库长时间处于低水位条件下运行时，由于突发的强降雨使得水库水位快速上涨、或因为库水位下降过快而引发了库区山体滑坡，被洪水带来的大量漂浮物和泥沙可能堆积在闸门前，影响闸门的正常开启。针对这种情况，西班牙的设计导则建议在极度干旱地区的大坝设计中，采用无闸门控制的溢洪道或在底孔处设置控制阀。同时，导则还要求制定严格的运行规则，在保证安全的前提下最大限度地发挥水库作用。水库留有一定的防洪库容和制定最大限度调节水位的运行规则，也作为泄洪设施安全运行和大坝安全分析的重要因素。

2.4 溃坝瑞典将设计洪水标准分为两类。第1类为大坝发生溃坝后可能对下游造成人员伤亡、重大基础设施损坏、财产或环境以及其它重大经济损失；第2类为大坝溃坝后仅对基础设施、财产或环境能够造成一定的损失[5-6]。

澳大利亚大坝委员会编制的溃坝分析导则中规定，对溃坝的发生按造成灾难的严重程度进行分类，特别是可能造成人员伤亡的大坝必须列入[9]。依此分析，Little Para坝需要满足PMF条件下的泄洪要求，允许在大洪水条件下漫坝运行。

南非则将河流梯级水库的溃坝作为特殊的入库流量进行分析，以不同的组合，包括单座坝溃决或几座坝的组合溃决作为考虑的条件。这种分析已经列为南非水利部编制水库大坝应急预案的重要考虑因素之一[10]。

2.5 气候变化瑞典最新的洪水设计导则中增加的一个重要内容就是要考虑气候变化带来的不确定性，因此，计算中的假设条件需要根据条件变化进行定期修订，计算的结果要与实际监测的洪水信息进行对比分析，将气候变化的因素列入敏感性分析方案中。这些因素的考虑都是针对增加大坝的安全性和各种不确定性，在处理上又具有一定的灵活性和一定的富裕度[5]。

针对特大洪水和气候变化，对溢洪道实行适应性管理是基于大坝安全的角度，也是当今在洪水设计中新增加的考虑因素，溢洪道的泄流能力不仅要满足当今的规范要求，还要考虑未来50年或100年内降雨可能增加所带来的影响。

2.6 现有计算和设计方法的适用性GRADEX水文计算模型已经在法国电力公司应用了40年之久，是一个相对比较成熟的模型，广泛用于法国和北非地区的部分国家。但是近年来，通过分析比较，法国电力公司的水文工程师认为该模型应用在某些地区特大降雨条件下的计算结果与实际相比偏小，因此他们利用了10年时间开发了一个新的模型，称作SCHADEX[11]。

上述列出的文章要点反映出一个值得关注的问题，从确保大坝安全的角度出发，溢洪道的泄流能力需要不断地复核，并根据新的要求进行修订。

3 设计洪水与特大洪水计算方法

根据统计的水文资料、PMP/PMF和极端洪水事件计算特大洪水和设计洪水是国际上广为采用的方法，气候变化和溃坝洪水造成的入库流量增加是近年来新增加的考虑因素。

3.1 频率法与统计学方法目前国际上有些国家在评价大坝安全时用万年一遇洪水频率确定设计洪水[4，12]。捷克在评价1962年建成的Orlík坝已建溢洪道、新增或升级改造已建溢洪道时，采用万年一遇的洪水频率，考虑了3种情景，即新建一座溢洪道承担增加10%的泄流量，以及两种特大洪水条件，洪峰流量相差20%。

瑞典在进行洪水计算时采用频率法，在对于第一类工程的洪水计算中，将特大降雨与特大融雪洪水和湿润土壤几种条件叠加一起考虑，用14d的降雨过程，采用至少10年的水文观测数据来模拟计算最不利的来流和水位。而对于第二类工程，溢洪道应该满足在正常水位条件下宣泄百年一遇洪水，在确定工程规模时还应考虑到工程投资与效益之间的关系。

法国在进行洪水计算时采用概率事件法[11]。最近的研究成果中包括考虑：（1）加强对水文学和水力学模型的联合应用，模拟从降雨到产流的过程；（2）洪水事件中包括一个有记录的洪峰以及若干个次级洪峰。设计规范不仅明确了几个关键水位的确定方法，还给出了考虑特殊水文事件和特大洪水事件的验证方法，对溢洪道全部失事、部分失事以及安全超高也都有详细规定。规范还规定了要复核的情况，即正常运行情况，如大坝及所有的结构物运行状态良好，以及特殊运行情况，如增加泄流量时的大坝极限稳定性。溢洪道非正常运行风险要与上述两种情况的组合构成所有可能的分析情景。

3.2 超越概率（AEP）的考虑罗马尼亚采用了7个理论分布式模型计算洪水，研究结果发现，在最大洪峰和最大洪量之间存在较大的不确定性，为了确定超越概率，文献[13]建议计算中采用尽可能多的水文系列资料（如15～20组），剔除与理论模型符合差的部分，剩余的为不确定性的差值，用这种方法计算多瑙河在罗马尼亚境内河段的洪水。

澳大利亚大坝委员会负责编制该国的大坝洪水设计导则，编制的指导思想是基于风险分析，考虑的两个重要因素分别为对人类造成的风险和溃坝对下游造成的灾难。按洪水造成灾害划分6个等级，PMF被列入第一级，计算特大洪水造成的灾难时采用，洪水高风险等级分为A、B和C三级，对应洪水设计标准分别为PMP设计洪水、万年一遇到PMP设计洪水或百万年一遇、以及万年一遇到PMP设计洪水或十万年一遇[14]。对于新建工程，溃坝洪水将作为一项关键的考虑因素，要详细地分析溃坝后造成的影响，对于溢洪道的更新改造，通常采用风险分析方法评价溢洪道的泄流能力。

南非在考虑超越概率情况预测最大洪峰流量或用记录的最大洪峰值来预测最大洪峰等级时，采用了REFSSA方法[15]，计算结果表明该种方法是有效的。为了验证其方法的适用性，选择了面积在100km2到7 000km2范围内3个水文条件相似的流域，计算洪水频率为P=0.50%～0.01%，结果是令人满意的。文章同时还提出如果计算采用100年的系列数据来预测万年一遇最大洪水，其结果是否可信，因此作者建议与世界上其它的、具有长系列资料的结果作比较分析，并利用古洪水资料进行外延。进一步的工作要在今后发生的特大洪水时认真做好水文气象信息的记录，其目的是对未来可能的因气候变化对特大洪水造成的影响进行评价。

3.3 降雨频率与降雨模型的结合法国电力公司新开发了一个洪水计算模型（SCHADEX），其目的是提高计算结果的可靠性[11]。与其以前采用的GRADEX相比，新模型可将所计算水域内可以获得的气象条件和水文条件一并考虑，并考虑到强降雨与洪水事件相关的多种信息，如季节、气象、土壤含水量和融雪等。

为了与旧模型相比，模型开发者做了大量的计算分析比较，选取了60个具流域特性和年降雨条件差异大、有水文系列资料完整的水域，分别采用两个模型进行计算。结果表明，在计算P=0.1%洪水时，两个模型计算的结果比较接近，但在有些流域中，结果就有明显的差别，特别是在山区的小流域。新模型的完善工作还在继续，重点是进一步研究洪水峰值与洪量比值的变化、在无水文资料地区的应用、以及在无气象资料地区的应用中的技术问题。

3.4 溃坝洪水南非开展了关于河流系统中梯级水库发生溃坝洪水的计算研究工作，考虑了2种溃坝情景[10]。

（1）晴天发生溃坝。假设水库处于满库、无降雨。产生溃坝的原因为土石坝发生管涌或混凝土坝发生瞬间溃决。

（2）区域间最大洪水引发溃坝。在发生区域间最大洪水事件初期水库为满库，发生漫顶溃坝，区域间最大流量发生在每个子流域最末一座梯级。

根据假设的溃坝情景，模拟一条河流上3条支流共修建了12座坝，可以有不同的溃坝组合。计算结果表明，区间发生最大洪水引发的溃坝洪水最为严重。通过这样一个模拟分析，根据可能发生的最不利结果制定相应的预案，还需要根据最末一级坝距发生洪水的上游梯级的距离，确定启动应急预案的时间。

3.5 气候变化对特大降雨或入库流量的影响瑞典针对2座坝开展了气候变化对设计洪水影响的研究[5]，一共采用了16种气候变化模式，其中A1B在瑞典使用得最多，采用了分布式降尺度方法为计算情景提供水文和水情信息。

选取了11个建有水库大坝和尾矿坝的流域，按照瑞典大坝的分类（高风险坝），采用16种气候变化模式计算2050年的降水变化，12种模式计算2098年的降雨变化。以Seitevare大坝为例，该坝所在流域的洪水是增加的，其余流域的洪水是趋于减少的（图1）。分析其原因为在这些地区因气候变暖造成降雪减少、蒸发增加。计算结果还表明，瑞典的水库受气候变化影响严重，并存在许多不确定的因素。气候变化不是影响洪水设计精度的唯一因素，其它非气候因素还包括未来土地利用、区域发展规划和基础设施建设。

图1 瑞典采用气候变化模式研究区域降水变化对设计洪水的影响

从大坝安全角度出发，影响设计洪水的主要因素在各个国家和地区是不同的，选取的模型要考虑应用条件的特殊性，开展对比、特别是敏感性分析是非常重要的，不同的洪水计算结果将影响到工程投资。在瑞典，开展气候变化对设计洪水影响研究的目的是帮助业主认识未来一个相当长时段内洪水可能发生的变化，复核溢洪道的泄流能力，这项工作对业主和管理者就显得尤为重要，他们需要认识到可能存在的风险，做好溢洪道的升级改造计划。由于还存在许多不确定因素，这种洪水变化需要持续不断地研究，并根据实测资料进行验证。

4 结语与讨论

近几十年来，在全世界范围内对大坝设计洪水的评估和溢洪道泄洪能力复核工作的需求不断增大，今后，这种需求还会随着社会对大坝安全关注度的提高和大坝的升级改造工作的开展持续增加。

随着水文系列资料的延长和对大坝安全标准的提高，许多国家的洪水设计标准都有不同程度的提高，有些是在国家层面定期或不定期地更新洪水设计标准或导则，因此需要相应提高溢洪道的泄流能力。

在采用传统的方法进行设计洪水和特大洪水计算时，值得关注的是要根据水文资料系列的延长、气象条件等变化的影响，深入分析研究这些传统的、成熟的计算方法的适用性及需要解决或改进的问题，特别是考虑诸多不确定性因素对计算结果的影响。

气候变化和溃坝（包括梯级水库发生溃坝）对洪水变化的影响将成为未来设计洪水和特大洪水、以及评价溢洪道泄流能力的研究重点。

我国有9.8万余座水库大坝（其中坝高超过30m以上的水库大坝有5 000余座），有相当大一部分是20世纪50—70年代建成的，这些水库大坝的泄洪能力是否满足当前设计规范要求关系到工程安全，是水库大坝安全鉴定中的重要内容之一，也是除险加固设计内容之一。本文对国际大坝委员会第24届大会“大坝泄洪”议题在洪水评价和洪水标准确定方面讨论的总结和归纳，旨在向国内同行介绍国际上在这方面工作的发展动向，同时对国内已建工程的泄洪能力评价提供可借鉴的参考。

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