中小型水库防洪标准对比研究及对策建议

邹 鹰

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

据2018年全国水利发展统计公报[1]，截至2018年，我国已建成各类水库98 822座，其中中小型水库为98 086座。目前，我国中小型水库的安全隐患主要体现在以下两个方面：一是部分中小型水库所处地区人口密集、经济社会发展水平较高，水库失事可能会造成人员伤亡和重大财产损失。二是水库防洪标准主要是依据库容大小确定，库容越小防洪标准越低，这种做法与美国有所不同，发达国家是以大坝失事后果作为确定大坝防洪标准的依据。对于地处人口密集、经济社会发展水平较高地区的中小型水库而言，根据我国现行标准确定的防洪标准是否与当前的经济社会发展水平相适应值得商榷。

美国现行大坝等级划分和防洪标准选择是以大坝失事所造成的潜在危害来确定的，属于大坝风险管理的范畴。我国现行水库等级划分与防洪标准选择方法是以工程规模、效益和在经济社会中的重要性，按库容、防洪、治涝、灌溉、供水、发电等6个类别的9项指标，采用“就高不就低”的原则，先确定工程等别，再根据工程等别确定建筑物级别，最后根据建筑物级别确定防洪标准。两者相比，属于完全不同的体系，美国采用的方法充分考虑了大坝溃坝后果的影响，我国采用的方法则未量化考虑水库溃坝后果的影响，难以体现以人为本的发展理念[2]。

本文首先介绍美国水库大坝的等级划分标准以及相应的设计洪水选择，再与我国相关标准进行对比，探讨我国中小型水库现行防洪标准的适宜性，分析我国水库大坝失事可能导致重大人员伤亡和财产损失的高风险等级中小型水库提高防洪标准的必要性和可行性，并提出提高我国高风险等级中小型水库防洪能力的对策建议。

1 美国大坝等级划分与入库设计洪水选择

1.1 大坝等级划分的历史沿革

20世纪50年代以前，美国没有大坝等级分类体系和相应的防洪标准，大坝设计时采用的设计洪水主要是以保护大坝安全及其工程效益为目的，通常是根据河流中大水痕迹或是洪水记录，通过经验和工程技术判断来确定。1964年，美国陆军工程师团（USACE，United States Army Corps of Engineers）的工程师富兰克林·F·斯奈德（Franklin F. Snyder）首次提出了一项大坝分类体系建议，在该分类体系中，溢洪道设计采用的设计洪水是根据大坝高度、蓄量以及潜在破坏情况来选定。20世纪70年代初期，美国发生了多起大坝溃坝事件，造成大量的人员伤亡和重大财产损失，这些溃坝事件促使美国于1972年通过了《国家大坝检查法案》，该法案授权USACE负责开展全国大坝安全检查。为了配合美国的大坝安全检查，USACE制定了一项大坝分类体系，该分类体系类似于斯奈德提出的大坝分类体系。1979年，美国联邦应急管理署（FEMA，Federal Emergency Management Agency）和大坝安全跨机构特设委员会(ad hoc Interagency Committee on Dam Safety）发布了联邦大坝安全指南。在该指南中，对于可能造成人员伤亡或重大财产损失的大坝，其溢洪道设计采用的设计洪水应该为没有可能被超过的洪水，即可能最大洪水（PMF，Probable Maximum Flood）。为了统一规范大坝等级分类体系，2004年FEMA发布了两项联邦大坝安全指南，《大坝潜在危险分类体系》[3]和《大坝入库设计洪水的选择与调蓄》[4]，这两项指南对美国的大坝等级划分和入库设计洪水的选择做出了明确规定。

1.2 大坝的等级划分

美国于2006年颁布的国家大坝安全法案中大坝的定义[5]：任何以蓄存或控制水为目的，能够将水、废水或任何含液体物质拦蓄起来的人为屏障。这些屏障符合下列条件之一：①屏障的高度等于或超过7.6 m，该高度是指屏障下游坡脚的天然河床或最低高程起算至最高蓄水位的高度；②屏障的拦蓄库容等于或大于6.17×104m3。

美国联邦和州大坝安全管理部门都是根据大坝失事（溃坝）或调度失误（非计划泄流）可能对大坝上、下游地区造成的潜在影响来进行大坝等级划分[3]。

美国承担大坝安全管理责任的机构主要有FEMA、垦务局（USBR，United States Bureau of Reclamation）、USACE、自然资源保护局（NRCS，Natural Resources Conservation Service）等，这些机构都制定过大坝潜在危险等级分类的指南。美国各州在大坝等级分类上一般都遵循FEMA的等级分类指南。下面简要介绍部分联邦机构发布的大坝潜在危险等级分类。

首先说明一下美国大坝潜在危险等级分类指南中的两个重要术语，即潜在危险和增量后果。潜在危险是指由于大坝失事或调度失误而导致的水库蓄水或存蓄物下泄可能造成的不利增量后果。增量后果是指由于大坝失事或调度失误所造成的影响与没有大坝失事或调度失误所造成的影响之间的超额部分[4]。

1.2.1 FEMA的大坝潜在危险等级分类 在FEMA的大坝潜在危险等级分类体系指南中，大坝的潜在危险等级分为3级，即高风险、显著风险和低风险。高风险潜在危险：大坝失事或调度失误有可能造成生命损失的大坝；显著风险潜在危险：大坝失事或调度失误不会造成生命损失，但会造成经济损失、环境破坏、生命线设施中断或会影响其他关注问题；低风险潜在危险：大坝失事或调度失误不会造成生命损失，只会造成少量经济损失和（或）环境损失。上述大坝潜在危险类别概述见表1。

表 1 FEMA提出的基于潜在危险的大坝等级分类体系[3]Tab. 1 Hazard potential classification system for dams proposedby FEMA[3]

一般情况下，通过调查大坝失事对下游民众和财产的影响就足以确定适当的大坝潜在危险等级。但对蓄存有毒沉积物的尾矿库，则需做进一步评估。

1.2.2 USACE的大坝潜在危险等级分类 USACE也是采用高风险、显著风险和低风险的大坝潜在危险等级分类体系，但分类所依据的基础与FEMA有一些差别。USACE建立了包括生命损失、生命线损失、财产损失和环境损失的分类体系，详见表2。

生命的直接损失被量化为无、有（1个或多个）或不确定。经济上的间接损失分为直接财产损失、环境损失或生命线损失。危险等级完全取决于大坝失事或调度失误对处于风险中的人群与大坝的接近程度，以及基本服务丧失对生命和财产的影响[6]。

1.2.3 其他美国联邦机构的大坝潜在危险等级分类 USBR、NRCS等其他联邦机构也是采用高风险、显著风险和低风险的大坝潜在危险等级分类体系[7]，与FEMA的大坝潜在危险等级分类体系基本一致。

表 2 USACE提出的基于潜在危险的大坝等级分类体系[5]Tab. 2 Hazard potential classification system for dams proposed by USACE[5]

1.3 入库设计洪水的选择

入库设计洪水的选择是评估和设计大坝的第一步，它是指流入水库的洪水过程，用于确定溢洪道和泄水建筑物的规模，估算最大库容、大坝高度以及超高要求等。美国联邦机构FEMA、USACE、USBR等都对大坝入库设计洪水的选择制定了相关的技术标准，下面简要介绍这几个联邦机构的入库设计洪水选择规定。

1.3.1 FEMA的入库设计洪水选择 FEMA的大坝安全指南建议采用下列方法来选择入库设计洪水：

（1）指定式方法：根据大坝的潜在危险等级分类，按照规定标准来设计拟建大坝或对现有大坝进行评估。这是一种保守的做法，既考虑到资源利用的效率，又为公众安全提供合理的保障。由于该方法偏于保守，据此洪水设计的大坝难以保障经济上的合理性。

（2）特定场所的可能最大降水（PMP，Probable Maximum Precipitation）研究（指定式方法的精细化）：对于高风险潜在危险等级的大坝，指定式方法选定的入库设计洪水与PMF有关，而PMF取决于PMP。PMP的最主要来源是美国国家气象局（NWS，National Weather Service）发布的水文气象报告（HMRs，Hydrometeorological Reports）。该报告提供的是大区域的PMP，不是特定流域的PMP，因此应对PMP和PMF进行特定场所的研究，以得到更合理的PMF。

（3）增量后果分析：许多水库的库容与入库洪水的洪量相比，可能要小很多。在这种情况下，可以通过对比有、无大坝时各种入库洪水对大坝下游地区造成的灾害后果，当两种情况造成的灾害后果没有显著差异时的入库洪水就可以确定为入库设计洪水。

（4）基于风险决策：这种方法允许考虑与大坝水文特征相关的风险，据此方法选定的入库设计洪水要确保不超过“可容忍风险”的规定水平。这种方法的优点包括：能够评估提高防洪能力的边际价值，平衡在多种不同失事模式下降低风险的资金投入，以及在各种大坝投资组合中优先考虑降低风险的措施。

以上各种方法中，最常用的是指定式方法，只有当大坝失事的潜在后果与按指定标准所需设计费用之间存在需要特别权衡的问题时，才需要采用其他方法来选择一个较小量级的入库设计洪水。对应于潜在危险等级分类的指定式入库设计洪水标准见表3。

1.3.2 USACE的入库设计洪水选择 USACE的技术规程对其管辖的大坝入库设计洪水选择做出了规定[8]。从避免风险而言，大型土石坝可以作为入库设计洪水选择范围的上限。入库设计洪水选择范围的下限应该是建在农业区的小型大坝，小型大坝失事不会危及生命安全，也不会造成超出大坝业主自我恢复能力的破坏。大坝失事不能危及生命的要求，是大坝设计必须满足的一个先决条件。

入库设计洪水的选择应符合下列标准之一，所采纳标准将取决于具体工程情况以及相关的上下游开发情况：

标准1：适用于大坝失事时，可能危及生命安全或造成重大灾难的大坝的设计。这些大坝的坝高（包括适当的超高）、溢洪道、可调控泄水建筑物以及结构设计等，能够安全下泄坝址以上流域的PMF。

标准2：适用于大部分径流式水力发电或通航大坝、分水坝以及上下游水位差相对较小的类似构筑物的设计。虽然不需要确定唯一的入库设计洪水，但构筑物应该能够安全排泄具有当地典型特征的大洪水，而不致构筑物损坏，且能够继续运行。

标准3：适用于通过分析能够明确说明在某种量级洪水时，大坝失事可以承受。该标准一般是针对满足或超过一个基础安全标准的大坝。基本安全标准是指因大坝失事不会导致处境危险人口显著增加和财产损失增量很小。符合基础安全标准的入库设计洪水上限是PMF，下限是50%PMF。

标准4：适用于许多小型休闲湖泊和农场池塘，通常蓄水容量不超过2.47×104m3。符合该标准的小型工程入库设计洪水一般可根据频率分析确定。

从上述标准可以看出，存在生命损失的高风险危险等级大坝应符合标准1的要求，能够安全下泄PMF。不存在生命损失的显著风险危险等级大坝应符合标准2的要求，能够下泄具有区域典型特征的大洪水，且不造成过度破坏或是运行损失。没有增量生命损失的显著风险危险等级大坝应符合标准3的要求，至少要能下泄50%PMF。符合标准4要求的低风险危险等级大坝没有最小量级洪水要求。

1.3.3 其他美国联邦机构的入库设计洪水选择 USBR、NRCS等美国联邦机构对于大型、高风险潜在危险等级的大坝，都要求应选择PMF作为入库设计洪水。对其他潜在危险等级的大坝，入库设计洪水的选择标准有比较大的变化范围。USBR对于高危险潜在危险等级的大坝，允许采用基于风险决策的方法来选择入库设计洪水。如果通过风险分析能够证明小于PMF的某个特定洪水在发生漫溢和大坝失事时所造成的增量影响与PMF所造成的增量影响几乎没有差别，则可采用这个特定洪水作为入库设计洪水。

表 3 采用指定式方法确定的大坝入库设计洪水要求[4]Tab. 3 Inflow design flood requirements determined by using a prescriptive approach[4]

2 我国水库等级划分与防洪标准

2.1 水库等级划分

我国对以蓄水为目的的水利工程，习惯用水库来称呼。根据水利百科全书[9]的定义，水库是指在河道、山谷、低洼地及地下透水层修建挡水坝或堤堰、隔水墙，形成蓄集水的人工湖。在我国技术标准中，是对水库进行等级划分。

我国对水库的等级划分及设计标准的制定是采用既分等又分级，先分等后分级；防洪标准按建筑物的级别确定[10-11]。等别针对工程，体现了工程的规模、效益和在经济社会中的重要性；级别针对建筑物设计，反映了建筑物的技术和安全要求。

2.2 防洪标准

我国中小型水库工程的防洪标准是根据工程永久性主要建筑物级别和坝型，分别按山区、丘陵区和平原、滨海区来确定的(见表4)。

表 4 水库工程水工建筑物的防洪标准（重现期）Tab. 4 Flood control standards for hydraulic structures of reservoir projects (return period) 单位：a

当山区、丘陵区水库工程永久性挡水建筑物的挡水高度低于15 m，且上下游最大水头差小于10 m时，其防洪标准宜按平原、滨海区标准确定；当平原、滨海区水库工程永久性挡水建筑物的挡水高度高于15 m，且上下游最大水头差大于10 m时，其防洪标准宜按山区、丘陵区标准确定。

2.3 防洪标准对比

我国与美国在水库防洪标准的选择上是有较大差异的。美国是根据大坝的潜在危险等级来选定入库设计洪水，我国则是根据工程等别和建筑物级别来确定相应的设计洪水标准。将我国中小型水库防洪标准与美国高风险潜在危险等级大坝防洪标准列入表5（美国大坝设计采用的防洪标准不分设计洪水和校核洪水，只有一个入库设计洪水）。

表 5 中国与美国防洪标准（重现期）对比Tab. 5 Comparison of flood control standards between China and the United States 单位：a

从表5可以看出，对于高风险潜在危险等级大坝，美国的防洪标准均采用水文设计最高标准，即PMF；我国山区、丘陵区中小型水库的防洪标准最高等级为2 000年一遇，最低等级为200年一遇，平原、滨海区中小型水库的防洪标准最高等级为300年一遇，最低等级为20年一遇。与美国高风险潜在危险等级大坝的防洪标准相比，我国中小型水库，尤其是小型水库的防洪标准还是存在一定差距的。根据文献[12]提供的数据，1990—2013年我国发生小型水库溃坝事故306例，其中明确为超标准洪水所致的溃坝事故150例，约占总溃坝事故的49%，这说明我国小型水库的防洪标准偏低。近些年在我国部分经济比较发达的地区，对于失事后将对水库下游造成特别大危害的小型水库，在除险加固工程设计时都将主要建筑物级别提高1个等级，并相应提高水库设计洪水标准，这也说明我国小型水库防洪标准有进一步提高的现实需求。

3 提高我国中小型水库防洪标准的对策建议

3.1 必 要 性

中小型水库，尤其是小型水库尽管蓄水规模不是太大，但一旦失事，也会造成重大人员伤亡和财产损失，可以用美国峡谷湖大坝（Canyon Lake Dam）的溃坝事故[13]来予以说明。峡谷湖大坝位于美国南达科他州的拉皮特溪（Rapid Creek），坝址以上集水面积为131 km2，坝高6.1 m，坝长152.4 m，库容为23.7×104m3，坝型为土坝，始建于1938年。拉皮特城（Rapid City）就位于大坝下游约11.2 km处，拉皮特溪穿城而过。1972年6月9日下午5时拉皮特溪流域开始出现强降雨过程，导致拉皮特溪流域爆发特大山洪，洪水挟带大量泥石流进入水库，同时随洪水入库的树木残屑又堵塞了溢洪道，导致洪水下泄受阻，库水位快速上涨。5 h后，库水位漫过大坝坝顶，在洪水从坝顶漫溢约45 min后，峡谷湖大坝溃决。溃坝洪水再叠加上流域暴雨洪水，最终在拉皮特城形成洪峰流量约为1 416 m3/s的洪水过程。此次溃坝事故与流域洪水导致238人丧生和直接经济损失1.6亿美元。事后调查结果可以看出，峡谷湖大坝的设计洪水明显偏小。

若按我国规范规定，峡谷湖水库属于小（2）型工程，但该大坝失事后果却是如此严重，可见工程规模的大小与大坝失事后果的严重程度之间并不是对等关系。峡谷湖大坝溃坝事件作为重要影响因素之一，促使美国开始实施严格的大坝安全管理，并推动了大坝等级划分与相应防洪标准等相关联邦指南的发布，这些指南中明确规定失事可能造成生命损失或重大财产损失的大坝，设计洪水标准应采用PMF。

目前，随着我国经济社会的持续快速发展，在部分经济发达地区，很多中小型水库下游的人口不断增长、财富大量集聚，这样的水库一旦失事，所造成的后果将难以估量。近年来，我国政府高度重视水旱灾害防御，在防灾减灾救灾理念上提出，要坚持以防为主，防灾救灾相结合；要坚持常态减灾与非常态救灾相统一。从注重灾后救助向注重灾前预防转变，从应对单一灾种向应对综合减灾转变，从减少灾害损失向减轻灾害风险转变。为了牢固树立安全发展理念，全力维护人民群众生命财产安全，有必要提高我国失事后果严重的高风险中小型水库防洪标准。

3.2 可 行 性

关于提高我国中小型水库防洪标准的问题一直存在争议，其中最主要的争议之一就是我国中小型水库数量规模庞大，如果提高这些水库的防洪标准，势必需要一笔巨大的投入，这笔巨大的投入一方面可能因我国经济社会发展水平与承受能力有限无法负担，另一方面也有可能会因占用大量的水利建设投入而妨碍我国水利工程建设的发展[14]。

美国早期的大坝建设主要考虑的是大坝自身安全和水库所能提供的经济效益，并未把大坝失事的后果作为衡量大坝建设的标准。自20世纪70年代因一系列溃坝事故导致重大人员伤亡和巨大财产损失后，美国联邦政府开始系统实施大坝安全检查法案，并制定了严格的大坝潜在危险等级分类体系以及相应的防洪标准。根据这些分类体系和防洪标准要求，美国许多大坝开始实施高标准的除险加固。

水库防洪标准的问题与经济社会发展水平密切相关。在经济社会发展水平较低时，因财力有限，很难用较高安全标准来进行工程建设，否则就无法满足社会的基本需要。另外，安全意识也有一个不断提高的过程，在基本生活需求尚未解决的时候，解决最迫切的生存问题可能是首要任务，随着经济社会发展水平的提高，国家财力的不断增长，到了一定阶段就有能力通过更高标准的工程建设来保障经济社会的安全发展，同时随着人们生活水平的不断提高，人们对安全生活环境的需求也在不断增长。目前从经济负担的角度来看，我国部分发达地区已经具备了提高失事后果严重的高风险中小型水库防洪标准的经济能力。

3.3 具体对策

（1）开展中小型水库潜在危险等级分类 根据水库失事或调度失误可能对下游地区造成的人员伤亡和经济损失、生命线中断、环境破坏等灾害后果，研究制订我国中小型水库潜在危险等级分类标准。根据该标准，对我国中小型水库开展专项普查，识别出高风险潜在危险等级的中小型水库，并建立高风险潜在危险等级中小型水库的名录数据库。根据高风险潜在危险等级中小型水库的具体情况，结合这些中小型水库所在地区的经济社会发展水平，按轻重缓急原则科学合理地制订中小型水库除险加固计划，并分地区、分阶段地加以实施。

（2）提高高风险等级中小型水库的防洪标准 通过与美国采用的高风险等级大坝设计洪水标准相比，可以看出我国相关设计规范对中小型水库防洪标准的规定还是比较低的，尤其是小型水库。因此，建议适当提高我国高风险等级中小型水库的防洪标准，最高可采用1级水工建筑物的防洪标准。

（3）合理选择高风险等级中小型水库的设计洪水 我国大多数中小型水库的设计洪水都是根据暴雨资料采用频率分析法计算出设计暴雨，然后再通过产汇流计算推算出设计洪水[15]。采用该方法计算超过一定量级稀遇频率的设计暴雨时，存在较大的不确定性。暴雨实测系列较短，基本在百年以内，且历史暴雨事件很难通过技术手段来定量估算，因此根据不足百年的实测暴雨系列外延至千年一遇以上稀遇频率的设计暴雨，其可靠性难以保证。在美国的相关指南中，均不推荐根据实测水文系列资料采用频率计算方法来估算超过千年一遇的水文设计值。针对高风险等级中小型水库，可采用水文气象法计算PMF，并与采用频率分析法计算的结果进行对比，合理选用。

（4）提高高风险等级中小型水库防洪能力的工程措施 针对已建高风险等级中小型水库，可以通过增设非常溢洪道，加大水库泄流能力来满足防洪标准的要求。非常溢洪道的设置可为大坝提供额外的保护，使水库在遭遇超标准洪水时，通过超标准洪水的有序下泄，避免发生坝顶溢流溃决形成溃坝洪水；或在主溢洪道发生突发事故无法正常使用时，可以应急启用泄洪。

（5）加强高风险等级中小型水库大坝安全管理 由于水库基本控制了一般洪水对大坝下游地区的影响，致使无水库调控时常被一般洪水淹没的洪泛区成了产业开发的热点地区，人口不断增多，财产累积大幅增长，一旦大坝失事，导致的潜在后果就会大幅增长，这种现象在世界各国的水库开发过程是一种普遍现象。建议合理规划高风险等级中小型水库下游地区的土地利用模式。

4 结 语

我国与美国在水库大坝等级划分和防洪标准选择上采取了完全不同的体系，美国是以风险分析为基础，量化考虑了水库大坝失事的潜在危害，这种做法充分体现了以人为本的发展理念，值得借鉴。从强化风险管理意识的要求出发，通过与美国相关指南的对比，指出了我国中小型水库的防洪标准相对偏低，与我国当前的经济社会发展水平不相适应，分析了提高我国存在高风险潜在危险中小型水库防洪标准的必要性和可行性，并从潜在危险等级分类、防洪标准确定、设计洪水选择、配套工程措施等多个方面提出了提高我国高风险等级中小型水库防洪能力的对策建议。