基于设计洪水的梯级水库防洪安全分析

高 洁

(水电水利规划设计总院，北京100120)



基于设计洪水的梯级水库防洪安全分析

高 洁

(水电水利规划设计总院，北京100120)

以金沙江中游5个梯级水库为例，首先对基于不同历史洪水排频方案的设计洪水计算成果进行对比分析；其次在不同方案的基础上，考虑流域梯级防洪标准的协调性问题，计算各水库坝前最高水位，分析采样单一水库防洪标准和梯级协调后成果，评价梯级水库防洪安全。历史洪水的选择将直接影响设计洪水成果乃至工程防洪高程，在对单一水库防洪标准进行分析的同时应重视梯级防洪标准整体协调，并开展防洪安全评价。

梯级水库防洪；防洪标准；设计洪水；历史洪水

0 概 述

目前，世界上约1/3大坝失事是洪水漫顶造成的；我国20世纪50年代至90年代洪水漫顶失事共1147起，约占同期失事总数的46.6%[1]。姜树海[2- 3]提出了以设计洪水标准和工程设计标准为主体的防洪设计标准体系。即，通过事故树洪水事件和随机偏微分方程的形式对漫顶事故进行宏观和概率层面的分析。其将入库洪水过程、出库泄流过程、水位库容关系、防洪起调水位等作为主要输入条件，分析库水位的随机消长与大坝漫顶风险率的关系，将水库水位高于坝顶高程作为漫顶风险的极限标志。尽管过去我国大坝的洪水设计标准较现行标准略低，根据20世纪50年代至90年代统计资料的设计洪水计算成果略小，但是出于不确定性预留的大坝抗洪潜力使实际风险基本低于理论风险。

我国实测流量资料系列大多在20世纪30年代～50年代，但是工程设计中往往需要以此为基础推求千年一遇甚至万年一遇洪水，作为确定工程等级和规模的依据。因此，在洪水系列外延加入历史洪水考证成果可以降低计算结果的不确定性。考虑历史洪水的频率计算有助于提高设计洪水的估算精度，但是这一结论是建立在历史洪水资料与实测洪水资料具有同样的精度且调查期和排位较为精准的前提上的[4]。杨远东、赵纪民等[5- 6]对历史洪水和实测洪水作为一个总体中不同样本的频率计算方法进行了研究。基于Bayesian MCMC模型，张立杰[7]以西江梧州水文站为例，分析历史洪水对水文频率计算不确定性的影响，发现基于60、110、500a和700a洪水资料的设计值在95%置信区间的相对离差逐渐降低。较久远的特大洪水信息可增加系列外延的可靠性。小凌河锦州水文站系列是否加入历史洪水的对比分析显示，考虑历史洪水后万年一遇计算成果较实测系列偏大31.8%[8]。黄振平等[9]就重现期为200、300、500、800、1 000、1 500a和2 000a等 7种情景条件下的历史洪水对设计成果相对误差均值、方差的影响研究发现，历史洪水重现期越长，设计洪水成果的相对误差越小，设计值越接近真值，成果的稳定性越高。费永法[10]通过在1 000a洪水考证期内，逐次加入1～6场历史洪水的数字实验发现，同一考证期内，加入1～2场历史洪水对提高设计洪水成果的稳定性和精度作用显著，加入更多则作用不大。

在设计洪水计算的基础上，我国水库大坝工程设计标准参照前苏联国家规范，普遍基于频率洪水标准[11]，有别于采用水文气象法的美国、加拿大、印度体系，以及采用实测最大洪水加成法的挪威、瑞典体系。与PMF方法相比，实测洪水佐以历史洪水的方法具备重现期的概念，与我国采用基于频率的划分等级的工程体系具有兼容性。在单一水库设计采用现行洪水标准的基础上，随着流域内梯级水库开发盛行，具备水力联系的梯级水库防洪标准等问题也逐渐成为重要议题。杨百银、王锐琛[12- 13]等将JC法引入水库泄洪风险分析，研究单一和梯级水库的泄洪风险模式，并提出梯级水库的风险传递模式。目前，梯级水库防洪标准存在不协调问题。即上游水库规模较小选用的防洪标准较低，下游水库规模较大选用的防洪标准较高；则当来水超过上游水库防洪标准时，可能造成上游水库溃坝；当上游水库溃坝大洪水进入下游水库，极可能导致下游水库连溃。此时，下游水库原拟定的较高防洪标准就失去了意义。因此，梯级水库防洪标准需要在不改变现行防洪标准体系结构的基础上，进行梯级水库防洪安全评价，提出有效的梯级补偿措施。

在上述研究的基础上，本文以金沙江中游流域5个梯级为例，根据不同数据来源的历史洪水频率适线，计算基于单一水库防洪标准调洪演算后的水库水位和考虑梯级影响后的水库水位，拟为梯级水库群风险评价提供初步依据。

1 方法

(1)通过对金沙江中游梯级布置研究，选定自上而下石鼓水文站、金江街水文站和攀枝花(原渡口)水文站为设计依据站，采用经插补延长后1957年～2005年共49a的实测洪水系列。

(2)拟定三种计算方案。方案一，采用因水电站修建需要而重新调查考证的最新历史洪水资料。方案二，为《中国历史大洪水调查资料汇编》(以下简称《资料汇编》)部分成果。方案三，为不考虑历史洪水的实测洪水系列。

(3)根据各工程规模和等级确定相应标准下设计和校核洪水成果。5个梯级均为一等大(1)型工程，校核洪水标准在5 000年一遇洪水以上。根据设计依据站水文成果计算各坝址频率洪水设计值。

(4)根据一定的调洪原则，通过各工程布置的泄水建筑物泄流能力和水位库容曲线，计算校核洪水位，以此作为坝顶高程的设计依据。根据不同来水特征，本文选用洪峰高的1970年7月实测第二大洪水过程和洪量大、持续时间长的1966年8月实测第一大洪水过程，分别作为洪水过程缩放典型，计算不同方案经不同典型放大后校核洪水位。

(5)计算不同方案在单一水库防洪标准时经调洪演算后的校核洪水位，以及考虑梯级水库防洪协调后的校核洪水位，分析两者的差异。

2 分析

2.1 历史洪水对设计洪水成果的影响

依据现行SL44—93《水利水电工程设计洪水计算规范》计算洪水要素(均值、Cv、Cs)，实测系列和历史洪水按照不连序系列处理。

2.1.1 历史洪水调查资料分析

(1)根据《资料汇编》，石鼓站历史洪水最大洪峰流量为8 750 m3/s发生于1892年，此外包括1905年、1970年等洪水；最小历史洪水为1924年7 070 m3/s。金江街站历史洪水最大洪峰流量为12 400 m3/s发生于1924年，此外包括1962年等洪水；最小历史洪水为1954年8 850 m3/s。攀枝花站历史洪水发生于1924年和1962年。在《资料汇编》中，该三站考证期最长为114a，最短为82a。

(2)出于水电工程建设安全性考虑，设计人员在前期勘察工作中，进一步开展历史洪水调查取证。根据上下游洪水的传递性，考证到金江街站1905年历史洪水10 100 m3/s，攀枝花站1892年历史洪水12 600 m3/s，并在流域内考证到1863年不定量历史洪水；从而将最长考证期从114a延长至143a。

2.1.2 历史洪水选取

(1)方案一采用电站前期勘察设计补充完善资料。由于石鼓站2005年洪水量级较大，提出作为特大值处理。此外，历史洪水仅考虑石鼓站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异，本文与实际电站采用成果有差别，仅为学术讨论需要)

(2)方案二中采用《资料汇编》历史洪水。

(3)方案三仅对实测洪水按连序系列进行频率计算。

3 水文站频率适线成果

3.1 方案比较

各站点不同方案适线成果见图1及表1。

表1 各站点不同方案适线成果

站点方案适线参数不同频率(%)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，由于方案一在实测系列基础上考虑历史洪水系列，洪峰均值较方案三整体增大。由图1b、图1e和图1h可知，方案二多次将实测大洪水提出作为特大值处理，反而导致洪峰均值降低，直接影响设计洪水成果。由此可见，从实测系列中提出特大值应审慎考虑。根据方案一和方案二对比，《资料汇编》中历史洪水的洪峰量级和重现期均较为准确；但实测系列和历史洪水系列作为同一个总体的两个样本，适线时如何区分两个样本对结果影响较大。选择历史洪水样本时应尽量避免采用实测系列中的数据，除非该实测值远大于其他实测数据且与考证期历史洪水在同一量级(10%以内)；否则，将导致实测系列样本均值降低。同一考证期内的历史洪水样本以不超过两个为宜[10]。根据3个水文站频率洪水计算成果插值出5个梯级(A，J，Lo，Lu，G)的坝址设计洪水见表2(洪量计算方法与此类似)。

表2 坝址设计成果

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

与方案一考虑历史大洪水相比，方案三只采用实测系列时，各坝址在频率0.01%和0.02%设计洪水洪峰流量约偏小4%。不同坝址两种频率的设计值减小幅度基本一致。方案二由于在适线阶段将多个实测大洪水提出按历史洪水处理，导致均值偏低。该方案虽然考虑了历史洪水的影响，但是各坝址相应洪水均不大于方案三，在前三个坝址比不考虑历史洪水的方案三尚略小1%。

3.2 调洪成果

水库调洪演算从正常蓄水位起调，遵循原则：①低于起调水位时，按来流下泄；②不低于起调水位时，按泄水建筑物的泄流能力下泄；③当水库需要承担下游防洪任务时，按照下游安全泄量控泄。

根据水能开发的工程规模和当地建设条件，5个梯级均为一等大(1)型工程，前4个均采用混凝土重力坝，防洪校核标准采用重现期为5 000年的洪水。第5级按照左岸、河中混凝土重力坝及右岸粘土心墙坝的混合坝设计，由于部分采用土石坝结构，为减少漫顶风险，防洪标准相应提高，校核标准采用重现期为10 000年的洪水。

这5个梯级的设计标准完全符合单一水库的防洪标准要求，但是从梯级角度却出现防洪标准不协调的情况。当上游水库遭遇大于5 000年一遇洪水时，存在溃坝风险。如果发生溃坝洪水，其量级远大于天然洪水，第五梯级虽然是按照10 000年一遇洪水设计，但是其防洪标准受到上游最低标准的制约，实际上仅达到上游5 000年一遇的防洪标准。

针对上述情况的处理措施较为复杂，一方面应从管理角度解决，及时做好水情预报，提前预泄、保证足够的防洪库容。应急处理时，可采取诱导性溃口，避免溃坝大洪水导致量级剧增，把损失降到最低。此外应从技术层面了解上游水库目前的防洪能力，其设计裕度能否缓解梯级超标准洪水对下游的影响。表3分析了梯级水库遭遇5 000年一遇和10 000年一遇洪水时，经调洪演算坝前最高水位超过坝顶高程的极限风险。

考虑历史洪水的方案一由于洪水绝对量值较大，0.01%和0.02%频率来水的调洪水位差异相对其他两种方案明显些。

根据调洪演算成果，部分方案计算的出库流量大于泄水设施泄流能力，按泄流能力下泄，坝前水位显著雍高。第1、第2和第4梯级水库当遭遇10 000年一遇洪水时，由于按照5 000年一遇的校核洪水设计，泄水设施的泄流能力无法下泄同期的入库水量，出现水位雍高显著的情况，当遭遇10 000年一遇和5 000年一遇洪水时相应水位差异大于1.0 m，

图1 各站点不同方案适线

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坝顶高程/m151000142400130300122800114100

注：由于G水库的水文设计依据站攀枝花站始测年份略晚，未收集到1966年洪水资料。

其他方案水位差异均不超过1.0 m，基本保证最高水位不超过坝顶高程。如果将防洪标准从5 000年一遇提高到10 000年一遇，这3个梯级应结合坝型设计、枢纽布置等进一步对建筑物安全进行评价。

图2揭示第一梯级在遭遇10 000年一遇洪水发生超泄时的调洪过程和水位相应变化。

1970年洪水过程和1966年洪水过程分别具有峰高和量大的特征。对于防洪库容在0.5亿m3以上的第1、第2、第4和第5梯级采用1966年洪量较大的典型过程作为入库过程，调洪水位更高。第3个梯级在整个体系中总库容和防洪库容均最小，因此对1970年洪峰陡涨陡落的入库过程较为敏感，图3揭示了该调洪过程。

从单一水库防洪标准考虑，本研究的5个梯级完全满足防洪要求，且安全裕度均较大。从梯级水库防洪考虑，根据坝前最高水位与坝顶高程的对比，前3个梯级安全裕度充足。第4个梯级仅在最不利入库洪水条件下，坝前最高水位比坝顶高程略高。由于前4个梯级均为混凝土坝，漫顶溃决的风险较低。第5级土石坝在遭遇校核洪水时坝前水位仍预留足够的安全裕度。

4 结 论

本文以金沙江中游5个梯级水库为例，首先对设计洪水如何考虑历史洪水采用不同的计算方案进行对比分析；其次在不同方案的基础上，考虑流域梯级防洪标准的协调性问题，分别按照单一水库标准和梯级协调要求，计算各水库坝前最高水位。分析表明，正确地选择历史洪水将直接影响设计洪水成果乃至工程防洪高程，在对单一水库防洪标准进

图2 第一梯级方案一基于不同洪水过程线0.01%频率洪水调洪示意

图3 第三梯级方案三基于不同洪水过程线0.02%频率洪水调洪示意

行分析的同时应重视梯级防洪标准协调和防洪安全评价。

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(责任编辑 陈 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

国家973项目(2013CB036403)

高洁(1985—)，女，安徽滁州人，高级工程师，博士，从事水文水资源水电规划方面的研究工作．

TV122.3；TV697.13

A

0559- 9342(2016)09- 0093- 06