黄河流域梯级水库大坝风险评估与管控的战略思考_李宗坤.pdf

收稿日期:20230316基金项目:国家自然科学基金资助项目(52179144，52079127，U2243244，U2040224);河南省自然科学基金优秀青年基金资助项目(232300421067);河南省高校科技创新人才 支 持 计 划 项 目(22HASTIT011);黄河实验室(郑州大学)一流课题(YL22I03，YL22LT06)作者简介:李宗坤(1961)，男，河南邓州人，教授，博士生导师，研究方向为水利工程风险评价与管控通信作者:葛巍(1990)，男，江苏沭阳人，教授，博士生导师，研究方向为水利工程风险评价与管控E-mail:gewei zzueducn【黄河流域生态保护和高质量发展】黄河流域梯级水库大坝风险评估与管控的战略思考李宗坤1，2，王特1，2，葛巍1，2，3，景来红3，罗秋实3，杨风威3，宋志宇3，马福恒4(1郑州大学 水利与交通学院，河南 郑州 450001;2郑州大学 黄河实验室，河南 郑州 450001;3黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003;4南京水利科学研究院，江苏 南京 210009)摘要:梯级水库群的安全是保障黄河长治久安、促进全流域高质量发展的客观要求。针对梯级水库风险格外复杂、难以量化的问题，基于系统风险识别与分析，将梯级水库大坝风险分为自身风险和附加风险，将溃坝风险后果分为直接后果和潜在后果，建立了梯级水库与单个水库大坝风险计算方法的有效衔接。以连溃条件概率量化风险的传递和叠加程度，提出了用于梯级水库大坝风险概率计算和溃坝风险后果评估的相关理念和方法。针对不同梯级水库类别并结合“四预”措施，分别从降低风险概率和减小风险后果层面指明了梯级水库大坝风险管控的方向，可为黄河流域梯级水库群规划、建设和运行管理提供参考。关键词:梯级水库;风险概率;溃坝后果;洪水;黄河流域中图分类号:TV698;TV8821文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307001引用格式:李宗坤，王特，葛巍，等黄河流域梯级水库大坝风险评估与管控的战略思考 J 人民黄河，2023，45(7):16Strategic Considerations for isk Assessment and Control of Cascade eservoir Dams in theYellow iver BasinLI Zongkun1，2，WANG Te1，2，GE Wei1，2，3，JING Laihong3，LUO Qiushi3，YANG Fengwei3，SONG Zhiyu3，MA Fuheng4(1School of Water Conservancy and Transportation，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China;2Yellow iver Laboratory，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China;3Yellow iver EngineeringConsulting Co，Ltd，Zhengzhou 450003，China;4Nanjing Hydraulic esearch Institute，Nanjing 210009，China)Abstract:The safe and stable operation of cascade reservoirs is the objective demand to ensure the long-term stability of the Yellow iverand promote the high-quality development of the whole basin In view of the issue that the risk of cascade reservoirs is particularly complexand difficult to quantify，some considerations were made on the risk assessment methods of cascade reservoirs Based on the system risk iden-tification and analysis，the dam risks of cascade reservoirs were divided into the own risk and additional risk，and the risk consequences ofdam failure were divided into direct consequence and potential consequence Then，an effective connection of risk calculation methods be-tween cascade reservoirs and individual reservoirs was established By quantifying the risk transmission and superposition degree with the con-ditional probability of successive dam failures，the relevant concepts and methods for the calculation of risk probability and consequences ofcascade reservoir dams were proposed According to the different types of cascade reservoirs and in combination with the“four pre-measures”measures，the directions of risk management and control were pointed out from the aspects of risk probability reduction and risk consequencemitigation，which could provide reference for the planning，construction and operation management of cascade reservoirs in the Yellow iverBasinKey words:cascade reservoir;risk probability;dam failure consequence;flood;Yellow iver Basin黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施，为黄河流域发展带来了新机遇12。梯级水库群作为黄河流域水安全保障的重要基础设施，在支撑流域高质量发展方面发挥着不可替代的作用，其安全稳定事关国家安全、经济安全、能源安全、粮食安全和生态安全。近年来气候变化导致的极端暴雨事件频发，水库溃坝事件时有发生34。相比于单一水库，梯级水库之间的风险具有传递和叠加效应，某一梯级水库溃坝极易造成下游梯级水库连溃，在一定程度上给流域安全带来更大的风险5。随着黄河流域梯级水库开发的持续推进和公众自我防护意识的提高，梯级水库的风险问题已经上升为公共安全问题，亟须对梯1第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023级水库群进行全流域、全生命周期的风险评估与管控，确保工程安全和黄河安澜。根据国际大坝委员会(ICOLD)的定义，水库大坝风险一般表示为失事概率与后果的乘积67。目前我国的水库大坝管理方式正从传统的安全管理向风险管理转变，用于风险概率计算与风险后果评估的方法和技术日渐丰富，但大多仅针对单个水库，对于梯级水库群风险的研究尚显不足。李炎隆等5 对梯级水库群风险分析研究成果进行了综述，明晰了关键科学问题和后续研究重点。周建平等8 提出梯级水库群的工程设计要充分考虑流域梯级水库间的相互影响，初步构建了流域梯级水库群风险设计方法与风险管控体系。Wang 等911 分析了梯级水库群风险的传递和叠加效应，提出了风险概率计算、溃坝风险后果评估和工程等级划分的相关理念和方法。现有成果为梯级水库风险管理提供了思路，但对于系统风险演化机制和量化方法的研究尚不够深入，且准确性和实用性有待在实际应用中进一步论证11。为使梯级水库群高效服务于黄河流域生态保护和高质量发展战略，一方面，应充分发挥其在水旱防御、发电、灌溉和泥沙调控等方面的积极效益;另一方面，必须重视梯级水库群的风险问题，并对其进行科学的评估与管控，从而减小其负面影响。本文基于黄河梯级水库群概况和风险分析方法，从梯级水库大坝风险概率计算和溃坝风险后果评估两方面进行了探索与思考，提出了相关计算方法和风险管控建议，以期完善大坝风险管理理论、提高流域梯级水库群管理水平。1黄河流域梯级水库群概况与风险分析黄河近期重点治理开发规划 和黄河流域综合规划(20122030 年)明确提出要持续推进黄河上中游梯级水库群建设，形成以龙羊峡、刘家峡、黑山峡、碛口、古贤、三门峡和小浪底等骨干水利枢纽工程为主体的黄河水沙调控体系1213，构成相对完善的梯级水库群系统。黄河干流主要梯级水库分布及参数见图 1 及表 1。图 1黄河干流主要梯级水库分布表 1黄河干流部分梯级水库主要参数水库名称总库容/亿m3正常蓄水位/m装机容量/104kW调节库容/亿m3调节性能坝型主要效益龙羊峡247002 600128019350 多年调节 重力拱坝防洪、防凌、发电拉西瓦10792 4524200150日调节双曲拱坝发电李家峡17502 1802000060日调节双曲拱坝发电公伯峡6202 0051500075日调节 面板堆石坝发电积石峡2641 8561020039日调节 面板堆石坝发电刘家峡57301 73511604750不完全年调节重力坝防洪、防凌、发电万家寨900980108445不完全年调节重力坝供水、发电调峰古贤1294262721003641不完全年调节重力坝防洪、减淤小浪底1265027518005100不完全年调节土石坝防洪、减淤根据相关资料分析12，在自然因素层面，黄河流域梯级水库群主要存在以下风险:1)洪水。洪水引起的漫顶是水库大坝最主要的失事类型，占比超过 50%14。梯级水库群中洪水的来源主要是天然洪水与上游溃坝洪水。其中:天然洪水是由自然降雨和区间汇流产生的自然性洪水;上游溃坝洪水指因上游梯级水库溃坝传递而来的溃坝洪水，往往通过河道峡谷直接演进至下游水库，导致下游库水位骤升甚至漫顶而发生连溃。历史上黄河洪水频发，决口改道频繁，灾难深重。黄河流域上中游较大洪水由暴雨形成，主要出现在 7 月和 9 月，具有缓涨缓落、历时长、洪峰不高、洪量大和以单峰型为主的特点1。2)地震。地震除了直接造成水库大坝及泄水建筑物破坏，其强烈作用以及余震的反复振动冲击还会使库岸土体的内部结构发生破坏和变化，诱发库区滑坡并产生涌浪，最终引发漫顶。黄河流域是中国地震活动的多发区，中上游高原区众多的深沟、陡崖在地震活动影响下极易发生次生灾害15。特别是梯级水库群，在发生强烈地震时诱发的滑坡崩塌等危害比地震直接造成的损失还要大16。3)滑坡、泥石流等地质灾害。黄河流经的黄土高原，土壤结构疏松，广泛存在滑坡发生的基本条件1718。据统计，龙羊峡至刘家峡河段有多达 43 个滑坡、倾倒体、变形体等地质灾害风险点，治理工程量大、资金投入多且难以彻底治理15。河流侵蚀、梯级水库群联合调度，以及紧急泄洪等非常工况引起的库水位骤降，都是诱发滑坡的主要风险因素。滑坡在梯级水库群中主要表现为库岸滑坡和坝体滑坡。其中:库岸滑坡指近坝库岸的失稳滑动，滑坡体围堵河道形成堰塞体或产生涌浪导致漫顶失