利用风险分析模型确定季节性安全超高

西班牙·Vicent J.Espert-Canet，Manuel Gómez de Membrillera-Ortuño（西班牙OFITECO公司）

利用风险分析模型确定季节性安全超高

西班牙·Vicent J.Espert-Canet，Manuel Gómez de Membrillera-Ortuño（西班牙OFITECO公司）

重点关注水文安全方面，在水文数据和合理的长期入流系列资料可获取的前提下，利用组成风险模型的各要素，使用一种简单的方法来确定和验证季节性的安全超高。确定季节性的安全超高是一个包含了众多变量的复杂问题，比如安全、水文分析、大坝用户的要求、可应用的安全规章和经济分析，而安全优先通常与高效运营相抵触。因此，考虑了大多数安全因素相关方面的大坝-水库风险模型是综合这众多变量的有效方法。评估季节性安全超高的第一步是对季节性水文条件进行定性。通常，数据不足（如历史库水位或入库流量等）将增加分析的不确定性，因此，只能采用简化的方法。再使用洪水演进模型，建立季节性入库洪水、安全超高和峰值出流量之间的关系。漫顶的概率问题也必须加以说明。然后，再使用将大坝出流量与可能的损失联系起来的下游后果模型，其中包括居民生命损失。其最终目标是，对于任意给定洪水，都能获得其季节可能性（和其重现期）、大坝-水库响应（比如出流量或甚至是漫顶）以及下游的后果，然后才能进行敏感性分析。这样，对任意安全条件，都能直接找到最小季节性安全超高。笔者列举了一座西班牙大坝作为案例分析和验证季节性安全超高，其间考虑了数据可获取性、运行规则、下游洪水后果和法律要求等。

风险分析模型；洪水；季节性安全超高

0 引言

与传统安全标准互为补充，将风险分析用于大坝-水库系统已成为一种被广泛认可的方法。从这个意义上讲，风险评估应将居民生命安全和财产资源方面与大坝-水库系统联系起来。另外，在评估投资和降低风险的措施时进行优先排序，应在信息完备的基础上进行决策。

位于西班牙西北部的杜埃罗河流域管理局最近与西班牙公司OFITECO合作，开展了基于风险的安全工具模型分析，以管理其所辖的27座大坝。模型中结构化的数据被用于确定季节性的安全超高，这在某几座大坝的运行准则上有所体现。

文中讨论的案例是该流域中的一座混凝土重力坝，其分级为大型坝，风险类型为“A”，是西班牙标准中规定的限制级最高的大坝。

1 风险模型的结构

风险模型包含与所研究的基础建筑物相关的所有风险因素和各种安全管理过程。风险模型遵循一定的逻辑次序，由辨识出的各失事模式确定，其结构是一系列的事件导致最后大坝的失事。因此，在这个逻辑次序开始前的每一步计算都与这些事件或工况中的某一条相符。

风险模型的构建应包括以下几项研究：

（1）识别失事模式，这将决定风险模型中的各事件的次序。

（2）水文研究，旨在获取合理的重现期范围中的水库入流水位曲线。

（3）历史库水位，即水位曲线开始点处不超过每个水位值的概率。

（4）水库的特性，如特征曲线、溢洪道和泄水建筑物的泄洪-抬升曲线、水保的整体状态、功能等。

（5）洪水演进计算，获取每种可能入流洪水工况下的峰值出流量和库水位（按重现期分类）以及荷载组合。

（6）系统响应，识别出的失事模式中的每项事件发生的条件概率。

（7）下游后果研究，旨在建立洪水事件中峰值出流量与潜在下游损失间的关系，包括经济损失和居民生命损失。该研究可反馈其他条件，如已编制的应急响应计划等。

（8）降低风险的措施，在修整选择的节点之后重新评估风险模型，研究其对整体结果的影响。

案例研究：通过上述的研究，借助IPresas软件，为研究的案例水库建立了风险模型。数值结果显示，大坝满足大多数常用的风险安全标准（美国陆军工程师兵团、美国垦务局及美国大坝委员会）。

2 确定季节性水文条件

对大坝的季节性水文条件进行评估是整个过程必须的第一个步骤。有些风险模型细致到了季节性水位，但通常模型的唯一输入量就是水文系列资料，且对应不同的重现期。

2.1 确定季节性水文条件的方法

根据可获取的资料，采用不同的方法来推测水文的季节性分布。以下提出的方法是具有代表性的可用于获取季节性入流的方法，具体步骤如下：

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（1）将水文年划分为需要的周期，可以是月、自然季节或根据用户的需求，比如灌溉周期。

（2）在序列资料中的每年内，识别每个时段中的最大单次入流洪水事件，洪水事件可通过峰值入流或总量来识别。

（3）将平均最大单次洪水分配到每个周期中。

（4）为每个周期和单次最大洪水量最大的周期分配比例系数。

（5）用这些比例系数衡量现有的水文工况，得到每个周期的季节性水文入流。

2.2 案例分析：确定季节性水文工况

水文学数据可以从大坝技术文件中获取，这些数据包括对重现期10～10 000年的入流洪水事件进行建模。使用皮尔逊III对数分布推测这些数据的重现期为50 000和100 000年，如图2所示。

图2 获取的案例水库的基本水文数据Fig.2 General hydrology data available for case study reservoir

1968～2012年间的水文数据是可获取的，如每日入流流量，其被认为是具有代表性的。水库上游未建可改变自然流量的水库。

图3 案例水库可获取的流量系列Fig.3 Flow series available for case study reservoir

如上所述，这些系列按月份划分，并找出了月度最大洪水事件中的流量平均值和比例系数。

3 验证标准

应设立标准以验证提出的安全超高是否足够。通常的标准包括最高库水位或最大出流。立法通常是最低标准，若必要，可选择更严格的标准。

表1 最大入流洪水量和比例系数Table 1 Maximal incoming flood volumes and proportionality coefficients

3.1 最高可接受水位

安全超高验证的常见情形是设置最高库水位，对确定的洪水重现期内的洪水，该水位不能被超过。在该范围内，也不应该发生漫顶。

3.2 最大出流量和洪水后果分析

为确定最大出流量，需要对下游情况进行研究。下游情况研究通常包含在定量风险分析中，即对几座大坝发生失事和不失事的工况进行合理的后果评估。

即使是非失事工况下，对下游进行后果分析也非常重要，特别是对其下游城区造成的生命损失，在设计出流时应予以认真考虑。下游后果分析的典型成果是获得所提出的工况中生命损失和经济损失的统计数据与峰值出流量的关系曲线图。

对提出的方法，一个输入量就是损失阈值，即对财产造成损毁或甚至是对生命损失形成风险的最小出流量。安全超高或许可通过其是否足以防止形成更大的出流量来评估，无论是通过使用溢洪道、漫顶或大坝失事，都不行。

3.3 案例分析：洪水后果分析

对下游洪水后果（经济和统计的生命损失）进行研究。根据大坝运行人员的意见，对下游造成损失的保守出流量限值为40 m3/s，并经过了模拟模型的验证。

4 洪水演进分析

4.1 洪水演进分析的实施过程

洪水演进分析是风险分析过程中的一个重要步骤。其目标是提供系统荷载（最高库水位、漫顶持续时间、出流量等）。为完成洪水过程分析，需要的数据有：入流水文数据、起始库水位、溢洪道和泄流建筑物特性（包括功能）、水库物理特性和洪水演进过程。之后分析会再现大坝的这些特性以及其在洪水过程中的运行方式。这就形成了参数型的洪水演进分析，考虑了输入变量所有可能的排列组合。

洪水演进分析的重点是获取大坝-水库系统对水文荷载的响应，其方法是借助计算出流水文曲线和库水位变化。

另外，洪水演进分析要求确定在洪水事件中的运行规则，其狭义上与季节性安全超高相关，也是测试各种演进策略对安全超高要求的影响的工具。

4.2 洪水演进的案例分析

对案例分析中的大坝，确定操作策略时，其主要优先关注点是避免出流量大于40 m3/s，否则会对下游造成损失。研究对象大坝包含配有闸门的溢洪道，其泄流能力超过了这一数值。在最高法定水位时，其峰值出流量为1 300 m3/s。只有在最高法定水位被超过且上升的库水位威胁到大坝安全时，溢洪道才会全力泄洪。安全超高设定的主要关注重点是在洪水演进过程中不会触及到该水位。

图4显示了对每个重现期的入流洪水，其峰值出流量和之前库水位之间的关系。最大出流量被控制在40 m3/s以下，除非已超过安全超高。峰值出流量并非完全与洪水的重现期成正比，这是因为在溢洪道闸门的操作中存在建模延迟效应，根据闸门运行规则，其操作是每30 min或60 min进行一次，而入流水文曲线的计算步长是6 min。

避免溢洪道的运行对下游产生损毁，这是安全超高的设定目标。因此，绝大部分入流洪水量必须使用安全超高来存蓄。

图4 每种历史库水位和洪水重现期组合下的峰值出流量Fig.4 Peak outflows,for each combination of previous pool level and flood return period in years

5 确定安全超高

下一步，则是通过以下步骤确定或验证每个季节和时期的必要安全超高：

（1）设定可接受下游后果情况下的大坝出流限制值。

（2）确定季节性的峰值水文入流，用重现期划分。

（3）根据洪水演进分析和制定的运行规则，就每种峰值入流和历史库水位，预测出流量。

（4）预测每种出流情况下的下游后果。

（5）对每种重现期，预测能满足大坝出流限制值的最高历史库水位。

（6）进行敏感性分析（如果必要的话）。

5.1 安全超高/后果敏感性

洪水后果模型可用于评估不同安全超高下的损毁概率，研究其敏感性。

在深入分析中，需权衡因洪水造成的统计经济损失和确定安全超高的成本（用库容损失计算，即对用户服务的损失）。可进行全面的概率分析。

5.2案例分析：安全超高的确定

遵循以上步骤，绘制出了与安全超高相关的曲线，即安全超高蓄水量或其对应的库水位，也可成功绘制出最大峰值入流量，如图6所示。

图5 洪水后果模型的流程Fig.5 Diagram for the process

图6 峰值入流量对应的最小安全超高蓄水量Fig.6 Minimal freeboard volume for each peak inflow

根据这一曲线，结合预测的季节性水文条件，可确定每个设计阶段的安全超高，其目的是成功应对每个重现期的洪水。

利用水资源模拟软件Aquatool对安全超高的经济成本进行了研究。结果显示，适度的安全超高库容对供水需求的库容保障无重大影响。

6 结语

图7 根据洪水重现期确定的必要季节性安全超高库容Fig.7 Necessary seasonal freeboard volume for according to flood return period

风险分析过程的一个间接好处就是遵循荷载-响应-后果的结构，可以将大坝安全的许多不同方面集合到一个单一的模型中。风险模型的整体理念是为大坝运行人员提供适用于完成各种日常任务的信息和研究成果，它已成为大坝-水库系统综合安全管理的一部分。

公开的基本方法和一个完整的风险研究之间的主要区别是验证标准的确定性特性（“失事”被定义为达到水位或出流量的设定值），而不是失事概率-后果的组合。深入的分析利用全面的概率风险模型，可评估一系列季节性安全超高设定值下的洪水后果概率和严重程度。

公开的方法涉及到一些假设条件，其在实施之前必须仔细考虑。它接受将洪水事件按比例缩放，但这可能不包括个别现象，比如融雪或不同水库之间的相互影响。另外，还需考虑可利用的水文数据的代表性和可靠性。

Definition of seasonal freeboards using risk analysis models

by Vicent J.Espert-Canet and Manuel Gómez de Membrillera-Ortuño
Ofiteco,Spain

This paper describes a simple method for the definition and verification of seasonal freeboards taking advantage of elements that make up a risk model,focusing on hydrological safety,and provided that hydrological data and reasonably long incoming flow series are available. Definition of seasonal freeboards can be a complex problem involving many variables,such as safety, hydrological analysis,dam user requirements,applicable safety regulations and economic analysis,with safetyprioritiesoftenbeingatoddswithanefficientoperation.Thus,adam-reservoirriskmodel,whichencompassesmostsafetyrelatedaspects,becomes an efficient way to integrate this wide range of variables. The first step in the evaluation of the seasonal freeboards is a characterization of the seasonal hydrology.Often,lack of sufficient data,such as historic pool levels or incoming water flow adds uncertainty to this analysis,so simplified methods have to be adopted.A flood routing model must then be used, establishing a relationship between incoming seasonal floods,freeboards and peak outflow.The possibility of overtopping must also be addressed. A downstream consequences model,which links dam outflows and possible damages,including loss of human life may then be applied. The final goal is to obtain,for any given flood,its seasonal probability(and its return period),the dam-reservoir response(as an outflow,or even overtopping),and then its downstream consequences,so that a sensibility analysis can be made.Minimal seasonal freeboards for any safety condition can then be directly found. A case study will be provided,in which seasonal freeboards are analyzed and verified for a large Spanish dam,taking into account data availability,operating rules,downstream flood consequences and legal requirements.

risk analysis model;flood;seasonal freeboard

book=63,ebook=69

TV697.1

B

1671-1092（2016）06-0063-05

2016-07-06

文献来源：International Commission on Large Dams. Proceedings of 81st Annual Meeting Symposium,2013.

翻译：崔弘毅

校核：许传桂