加拿大水电开发与大坝安全管理体系研究

周兴波，张 梁，姚 虞

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

水电作为技术成熟、运行灵活的清洁低碳可再生能源，具有防洪、供水、航运、灌溉等综合利用功能，是全球水力资源丰富国家国民经济可持续发展的重要基础设施[1]。我国和加拿大作为全球水力资源大国，水电装机和发电量占比均位于世界前列，两国大规模的水电开发建设在高效利用清洁水电能源的同时，也为全球应对气候变化和清洁能源转型做出了巨大贡献。

水电大坝在发挥社会经济效益和防灾减灾作用的同时，其安全管理成为国际社会和中加两国共同关注的重要内容。2019年第87届国际大坝委员会年会上，国际大坝委员会执委会从大坝安全的客观条件变化、大坝安全的支撑性文件(如国际大坝委员会公告、失事案例教训、全生命周期风险管理、业主责任、国家政府责任)、大坝安全管理方法、大坝安全相关的主要问题等方面，呼吁世界各国政府、国际组织、水电企业、研究机构、工程师及学者共同提升大坝安全管理水平。

本文在简要概述加拿大水电建设发展最新进展的基础上，归纳总结了加拿大大坝安全管理体系，并结合我国实际情况，提出了加拿大大坝安全管理对我国水库大坝安全管理的启示，以及进一步提升我国大坝安全监管与风险防控体系的建议。

表2 加拿大已建坝高100 m以上大坝

1 加拿大水力资源与开发概况

1.1 基本概况

加拿大河湖众多，水力资源丰富。其主要河流包括圣劳伦斯河、马更些河、育空河、哥伦比亚河、纳尔逊河和渥太华河等。其中，马更些河是加拿大第一长河，全长4 241 km，仅次于密西西比河，为北美第二长河流，年径流量9 700 m3/s；圣劳伦斯河为五大湖和大西洋之间的航运通道，全长1 287 km，为加拿大径流量最大的河流；加拿大湖面面积超过1 000 km2的湖泊高达39个，大熊湖、大奴湖、温尼伯湖、阿瑟巴斯卡湖、马尼托巴湖、安大略湖等与河流相互连通，确保了各个流域与湖泊的水量稳定，仅大熊湖湖面面积达31 150 km2，储水量约2 236 km3[2-3]。加拿大多年平均径流量约3万亿m3，占全球约9%，仅次于巴西、俄罗斯和美国。

加拿大作为仅次于我国和巴西的世界第三大水力发电生产国，按发电量计，其水能理论蕴藏量为1 332 TW·h/a，技术可开发蕴藏量约981 TW·h/a；按装机容量计，其水电技术可开发量约160万kW。截至2018年，加拿大已开发水电装机容量76万kW，年发电量约355 TW·h，占全国电力生产总量的63%，占全球水力发电的13%。加拿大分省区水力发电资源与开发情况见图1。在各省电力结构中水电占比见表1。

图1 水电资源与开发现状(单位：MW)

加拿大水电开发至今已有120多年历史。1881年，加拿大在其首都渥太华附近修建绍迪耶尔(Chaudiere)水电站被认为是全国首座水电站。截至2018年，加拿大共有水坝约15 000座，其中933座为坝高15 m以上的大坝，功能以发电为主，兼顾灌溉、供水、防洪、娱乐等，业主为联邦和省政府、电力公司、工矿企业、市政部门及个人。按省区分布，魁北克省有5 200座，安大略省有2 400座，不列颠哥伦比亚省有2 000座。目前，加拿大已建坝高100 m以上的大坝11座，详见表2。

表1 各省区电力结构中水电占比

1.2 开发建设最新进展

近年来，加拿大主要以提升水电大坝安全运行水平为目标，对已建电站进行现代化升级和改造。目前，在建大型水电工程有4座，分别为不列颠哥伦比亚省的Site C电站、马尼托巴省的Keeyask GS电站、魁北克省的罗曼4 (Romaine- 4) 电站、纽芬兰与拉布拉多省的拉特瀑布(Churhill Falls)电站。

1.2.1Site C电站

Site C水电大坝是加拿大不列颠哥伦比亚省北部皮斯河上的第3座大坝。电站单机容量183 MW，总装机容量约1 100 MW，年发电量5 100 GW·h。枢纽建筑物包括土石挡水坝、混凝土重力支墩坝、主溢洪道、辅助溢洪道和坝后式厂房，其中土石坝段长1 050 m，坝高60 m；混凝土重力支墩坝位于右岸，且坝轴线顺河向，坝段长约800 m，最大坝高70 m；发电厂房位于混凝土坝段靠上游侧，主溢洪道和辅助性溢洪道位于混凝土坝段靠下游侧。Site C工程总投资约79亿加元，约合人民币420亿元。工程建设期为2015年～2024年，将于2020年4月～5月开始蓄水。工程总枢纽布置见图2[4]。

图2 Site C电站枢纽布置示意

表3 罗曼梯级电站特征参数

1.2.2Keeyask电站

Keeyask电站位于加拿大马尼托巴省省会温伯尼东北725 km的尼尔森河下游，在斯普利特湖和斯蒂芬斯湖之间。电站安装7台机组，总装机容量695 MW。总枢纽布置包括300 m长的北坝、1 600 m长的中坝、600 m长的南坝、溢洪道和发电厂房，以及总长约22 km的北堤和南堤。挡水心墙土石坝坝高14～28 m，北堤和南堤最大坝高17 m。枢纽布置见图3。截至2019年6月，北坝已完建99%，中坝已完建超过70%，南坝将于2020年初完建。

图3 Keeyask电站枢纽布置示意

1.2.3罗曼4(Romaine4)电站

罗曼4电站是加拿大圣劳伦斯北岸圣皮埃尔港北部的罗曼综合水力发电设施的第4座梯级电站，上游罗曼1、罗曼2、罗曼3均已投产运行，罗曼4电站于2006年开工，4座梯级电站特征参数见表3。罗曼4为引水式电站，挡水建筑物包括堆石坝(长435 m，高87.5 m)、左岸溢洪道(2孔宽9.13 m，高21.9 m的闸门)、右岸进水口和引水隧洞；临时导流洞位于堆石坝和左岸溢洪道之间，长560 m，宽12 m，高12 m；引水隧洞末端的河湖入口布设2台发电机组，总装机容量245 MW，将于2021年投产发电。枢纽布置见图4。

图4 罗曼4电站枢纽布置示意

1.2.4拉特瀑布(Muskrat Falls)电站

拉特瀑布电站位于丘吉尔河下游，在丘吉尔瀑布下游290 km处，设4台单机容量206 MW，总装机容量824 MW。工程枢纽包括高39 m的碾压混凝土北坝，5孔宽5 m、高10.5 m的闸门式溢洪道，河床式发电厂房和高20 m的心墙堆石南坝。左岸的北部河堤上下游进行了加固，加固堤段长约1 000 m，宽约500 m，高45～60 m，已于2017年8月完工。电站于2013年开工建设，2016年导流，2019年首台机组发电。工程枢纽布置示意见图5。

图5 拉特瀑布电站枢纽布置示意

2 加拿大大坝安全管理体系

2.1 概述

加拿大联邦政府没有专设的大坝安全监管机构，跨境河流的水资源管理由联邦层面组建的国际联合委员会负责，境内水资源管理和水电开发利用由各省区全权负责，各省区结合自身情况，由省政府主管部门以法律法规的形式进行许可审批管理。

加拿大大坝协会作为加拿大全国性的行业协会，2007年发布了《大坝安全导则》，配套发布了系列技术公报，并于2013年进行了修订[5]。此外，加拿大大坝协会于2011年还发布了《大坝公共安全导则》[6]。这些导则为各省区大坝安全管理提供推荐性技术指导与实践依据。

2.2 不列颠哥伦比亚省BC Hydro方法体系

根据不列颠哥伦比亚省大坝安全的基本立法《水资源可持续发展法》，森林、土地、自然资源经营和农村发展部对全省的大坝安全进行审批许可。

1967年，不列颠哥伦比亚省开始实施了大坝安全计划，于2000年基于《水法》颁布了《大坝安全条例》。同时，为进一步帮助协助大坝业主管理好大坝，不列颠哥伦比亚省制定了一系列的导则，如《大坝检查与维护》《大坝退役和失事后果分级》《不列颠哥伦比亚省基于立法的大坝安全审查》等。以上法规导则中，重点要求业主负责大坝的日常安全管理和运维，定期检查、更新大坝运行维护与监管手册、应急行动计划。对于后果损失等级为高、非常高、极高的大坝安全计划至少每5年复核1次；后果损失等级为中级的大坝安全计划至少10年复核1次，且对于大坝后果损失等级为高、非常高、极高的大坝业主必须填报大坝安全年度报告。

不列颠哥伦比亚省水电公司(BC Hydro)对其所有的43座水坝曾开展了系统的安全管理。其中，当时仅有11座满足安全标准。在此基础上，BC Hydro从1991年将风险管理的方法用于水坝安全管理，并与美国、英国、澳大利亚等国家推动大坝风险管理进步，取得了较好的成果。

BC Hydro在董事会设有分管安全的副总裁，并由大坝安全主任负责大坝安全计划的实施，组织机构见图6。BC Hydro的大坝风险管理方法是一套完备的程序，包括许多操作规程、手册和准则，并及时更新修订，以符合实际情况，具体风险管理流程见图7。图7中，矩形代表开展的任务事项；菱形代表开展风险评估。通过至少3次风险分析与评估，并最终以建立的风险管理选项将大坝风险控制在可接受范围。

图6 BC Hydro大坝安全管理组织机构

图7 BC Hydro大坝风险管理流程

图8 安大略省发电公司OPG大坝风险管理流程

2.3 安大略省OPG方法体系

安大略省根据《河流和湖泊改善法》，由自然资源与林业厅对全省管辖的3 300座水坝进行监管，安大略省发电公司(Ontario Power Generation，OPG)负责其所有大坝的安全管理。在《河流和湖泊改善法》的基础上，安大略省颁布了《安大略省建设法规454/96》《河流和湖泊改善法行政指南》及其配套的9部技术公报(即坝址批准，已建大坝的升级、改造和维修，入库设计洪水(IDF)和分类，地震隐患，结构设计安全系数，溢洪道和防洪结构，岩土设计安全系数，大坝退役和拆除，维持水管理计划)，以及2项推荐性管理导则。

安大略省水电开发需要4个步骤：①进场，即获得安大略省的土地。水电项目开发位于省公有土地的，可联系安大略省自然资源厅和林业厅，根据土地管理相关办法进行审批。如项目涉及私有土地，则需开展尽职调查，根据法律通过财产契约进行交易。②环境评价。对装机容量小于200 MW的项目，可采用安大略省水力发电协会发布的《水电项目环境评估》进行环评工作。若装机容量≥200 MW，则需进行单独环评工作。③行政许可。水电项目开发中需要申请多个许可证，并可能随政策和支持文件的更新有所调整。目前，联邦法规许可包括《水力发电自治法》《渔业法》《航运保护法》《濒危物种法》等共12项。省级法规许包括《电力法》《环境评价法》《环境保护法》等共23项。④开工建设。在完成许可阶段所有的审批与许可后，即可开工建设水电项目。

安大略省大坝安全计划正式实施于1986年，现行内容中包括大坝安全、公共安全和应急管理3部分，制定了严格的大坝安全管理流程和管理系统(见图8)。同时，为保证大坝安全计划的有效性，OPG制定了详细的实施模板，列出了每个大坝执行大坝安全计划要求所涉及的所有活动，大坝安全行动计划需每个季度更新并报告1次。

2.4 加拿大大坝协会大坝安全导则

2007年，加拿大大坝协会发布了《大坝安全导则》，并于2013年修订，配套8项技术公报，包括洪水、后果和大坝安全分级、大坝设施监督、大坝安全的水流控制设备、大坝安全分析和评价、大坝安全水工技术、地震危害、地质技术、结构注意事项。2011年，加拿大大坝协会发布了《大坝公共安全导则》，配套3项技术公报，对水库大坝附近的标识牌、浮漂、声光报警信号等提出了明确的规定。

《大坝安全导则》分基本原则、大坝安全管理、运行维护和监督、应急准备、大坝安全复核、分析和评价6章内容。该导则明确业主是大坝安全管理的责任主体，提出大坝安全管理的4条基本原则：①在合理可行的范围内尽可能降低风险，以保护公众和环境不受溃坝或下泄洪水的影响。②大坝安全管理的标准应与其潜在失事后果的增量损失相称，即大坝等级由潜在后果增量损失确定，按风险人口、生命损失、环境和文化价值、基础设施和经济损失，将大坝分为低、中、高、非常高、极高5级。③安全管理应贯穿大坝全生命周期各个阶段，包括设计、建设、运行、退役。④每座水库大坝均应建立大坝安全管理系统，包括方针政策、职责、计划与程序、文件管理、培训，以及对缺陷和不合格项的复核与完善措施。大坝安全管理系统流程见图9。

图9 大坝安全管理系统

在运行期，每座水库大坝均需要制定完善的运行、维护与监测手册(OMS)，并遵循以下原则：①根据大坝失事后果和运行影响情况，制定大坝安全运行、维护和监测的要求，并记录详细信息。②在正常、异常和紧急工况下，均应按大坝运行和水流控制设备操作规程执行。③应遵守维护规程，以确保大坝安全运行。④应遵守监测规程，以便早期识别异常情况，及时消除影响大坝安全的风险。⑤水流控制设备必须进行测试，以达到运行要求。

每座水库大坝均应制定科学有效的应急行动计划，包括应急响应程序、通讯与对外联络、培训与演练等，应急行动计划需定期更新。每座大坝必须定期开展安全复核，包括大坝失事后果分析、运行维护与监测规程和实践情况、应急行动计划、之前的大坝安全复核情况、溃坝模式分析、入库设计洪水分析、地震荷载分析、其他荷载及其组合分析、泄流设施的可靠性分析、大坝安全管理系统的有效性分析等。大坝安全复核需由经验丰富的注册专业工程师负责，提出结论和建议。

此外，2013年修订版导则中关于大坝安全评价方法不仅包含基于经验标准的传统确定性方法，而且还增加了基于风险不确定性的风险告知方法(Risk-informed Approach)。风险告知方法明确了个人风险和社会风险，指出个人风险每年一般不高于10-4，社会风险标准见图10。根据大坝等级，基于风险告知法和传统方法的洪水和地震标准分别见表4、5。

图10 大坝社会风险标准示例

表4 基于风险告知方法的洪水和地震灾害标准

大坝等级自然灾害最小年超越概率社会风险目标/10-3低1/100—中1/1 000—高1/2 4751/N非常高极高1/10 0001/N1/N

《大坝公共安全导则》作为业主有效管理近坝区域安全的指导性文件，包含方针目标与要求、风险评估与处置计划、公共安全实施计划、监测与评估、审查复核与措施。其中，风险分析建议采用风险矩阵进行分级管理，对大坝及上下游区域的标志、浮漂、声光信号等提出了明确要求。

表5 基于传统方法的洪水和地震灾害标准

3 启示与建议

加拿大水库大坝修建与运行已有120年历史，有记录以来仅有11人死亡，2起溃坝事故，充分说明其大坝安全管理实践的科学性和有效性，值得我国水库大坝安全管理学习与借鉴。

3.1 完善大坝安全管理法律法规体系

加拿大虽在联邦政府层面没有大坝安全的专门立法，但宪法规定了水资源开发利用由各省区负责，而各个省区都在水资源专门立法下，建立了完善的行政法规、地方法规、行业规范、标准、导则等。目前，我国已形成以《水法》《防洪法》《安全生产法》《突发事件应对法》等法律为基础，《水库大坝安全管理条例》《防汛条例》《电力监管条例》《电力安全事故应急处置和调查处理条例》等行政法规为核心，部门规章和行业规范性文件相配套，技术与管理标准体系相对完善的水电工程安全建设与运行管理体系。但水库大坝由于其低失事概率高后果损失的特性，其安全要求应不低于核电，尤其是下游沿岸居住人口密集的水库大坝，其安全涉及国家安全和公共安全，应研究制定大坝安全管理的相关法律，从国家层面重视并完善我国大坝安全管理法规体系。

3.2 明确大坝安全管理各方职责

加拿大法规明确规定大坝业主负责大坝安全及管理工作，政府依法依规履行大坝安全管理监督职责，业主聘请或雇用负责大坝安全管理的工程师需取得政府主管部门的注册专业资质。加拿大大坝安全管理机构是以专业化的方式相对独立设置，不受行政因素干扰。我国2014年修订的《安全生产法》明确规定：“强化和落实生产经营单位的主体责任，建立生产经营单位负责、职工参与、政府监管、行业自律和社会监督的机制。”目前，我国水电大坝安全管理均已落实，生产经营单位负责大坝安全管理，政府依法依规履行监管职责。但水利大坝绝大多数属于地方政府，并没有真正的业主，也就是说，地方政府既要负责大坝安全管理，也要负责监督大坝安全管理工作有效实施。因此，我国大坝安全管理体制应进一步深化改革，明确政府主管部门监督管理职责，大坝安全管理及具体相关工作由专业化的机构落实实施，确保参与大坝安全管理的各方各负其责、实施有效。

3.3 提升大坝安全管理技术水平

加拿大现行技术规范要求，大坝在设计阶段其等级由溃坝后果损失的严重程度确定，并以此作为大坝安全设防标准；在运行阶段要求每座水库大坝均需编制严格的运行、维护和监测手册和应急预案，并定期测试和演练，以确保其可靠性；同时，充分考虑各种不确定因素，引入风险管理，并以风险告知方法作为传统标准安全方法的补充。我国目前水库大坝安全管理仍采用基于经验“大老K”的单一安全系数法，认为满足行业规范标准要求即为安全的。但2018年金沙江上游发生的白格堰塞湖漫顶溃决事故[7]，使得下游水电站遭遇超万年一遇洪水，完全超规范标准要求。因此，我国应进一步研究风险管理方法，并充分考虑流域系统的安全性。

3.4 确保多方联动应急管理科学有效

加拿大大坝在设计阶段充分考虑了大坝失事的后果损失，故在编制应急预案时可更有针对性，便于实际操作。同时，应急预案由业主定期更新，并报送政府监督部门和利益相关方。编制合理、有效、可操作的应急预案，可将溃坝或大坝故障发生后造成的损失降至最低。当前，我国水库大坝按照国家防总要求均编制了防洪应急预案，但预案的可行性、可操作性，缺乏专业审查评价、专设监管部门的技术监督和国家层面的系统监管机制，尤其对于大中型水库大坝的应急预案与管理，涉及水利、农业、电力、交通、当地政府等多个部门，应研究建立涉及国家安全的多部门应急联动机制，有必要设置国家流域安全与应急中心，各流域设置专门的安全机构，全面协调流域出现超标洪水或大地震等风险时各梯级水库之间的调度及风险处置措施。

3.5 推动建设全生命周期大坝风险管理体系

水库大坝如同人的生老病死一样，也有规划、设计、建设、运行、退役的生命周期。加拿大修建最早的大坝已有近百年，如位于蒙特利尔西南圣劳伦斯河上的博阿努瓦水电站大坝已服役近90年，该电站部分坝段受混凝土碱骨料反应引起的膨胀导致厂房严重变形，危及机电设备和厂房安全，故魁北克水电公司对其进行了系统的修复升级。随着我国水库大坝由大规模建设阶段向高质量运行阶段过渡，大坝结构及材料、金属结构与设备的时变效应逐渐显现，加之设计与建设阶段未考虑到的环境因素慢慢出现，全生命周期的大坝安全问题日益凸显。因此，我国大坝在规划、设计、建设阶段应尽可能的对下一阶段的安全管理预留裕度，并尽早开展退役标准及退役后的安全管理相关问题，推动建设全生命周期大坝风险管理体系。

3.6 加强科普宣传以提升公众认识

加拿大通过科普馆、官方网站、中小学主题教育、夏令营等多种方式向公众开展水库大坝安全管理方面科普宣传，提升公众对水电站和水库大坝的认识与了解。水库大坝从时间和空间上调控水资源，实现了防洪、发电、供水等综合社会效益。水库大坝拦截蓄水，在短期内对水生物生产繁衍有一定的影响，但相对洪涝灾害来说，其生态保障作用更为显著。我国水电开发与利用的实践证明，科学合理的水电开发建设不仅提供清洁能源，还可避免天然河道冲刷、掏蚀等破坏。不存在绝对安全的工程，水库大坝建成蓄水后其风险也是客观存在的。因此，对社会公众应积极宣传、重视水库大坝及安全管理方面的科普工作，使公众正确、客观、科学的认识水电大坝。