基于水库管理中漫坝风险理论分析的运用

时间：2024-07-28

曹玉华

(延安市王瑶水库管理处，陕西延安716000)

观察中国北方地区的水库设计，多数汛限水位处于偏低的水平，这样的设计对于水库兴利来讲，有着很大的抑制性能。伴随着不断增长的人口，伴随着国民经济的发展，北方地区水资源的紧缺性日渐凸现，所以通过尽可能的储存蓄积汛期的水资源，可以很好地将干旱问题解决，可以缓解部分地区的水资源紧缺现象。但是，水库因为自身设计的缺陷性，很可能因为过多蓄水，发生或者出现土石坝漫顶溢流等危险现象。漫坝风险分析理论其实质为具体的非工程措施，在不需要对工程进行任何具体的投资的情况下，实现汛限水位的提升，改善水库兴利效益。对于北方地区来讲，这一理论有着特别的实践性意义。

1 实例描述

1.1 水库概况

一大型综合利用的水库，既供水，又防洪，还兼发电和灌溉等功能，1960年始建，在1971—1979年期间，经过扩建，演变成大(2)型，此后还在1995—2001年期间，对水库除险加固，总库容达到了1.81亿m3，最终水库达到了2 000 a一遇的防洪标准。这个水库担负着诸多巨大的功能，包括了对下游多达13.33万km2农田的防洪，还包括了对全市工农业用水的供应。本水库自建立以来，一共拦截了18次具有重创性的洪灾，累计起来，水库一共向下游供应116亿m3的用水，所以在本市的经济建设和社会发展过程中，水库发挥着至关重要的作用，不但被誉为本市的“生命工程”，而且也被誉为本市的“屏障工程”。

1.2 水库调度中的各种问题

作为本市主要的工农业用水水源，水库为下游供水量达到了2亿m3/a。观察本地区的年度降水情况，年平均降雨量约为560 mm，多达75%的降雨量集中在每年的7—9月。年降水很不均匀，汛前需要加大防洪泄洪，水资源被严重浪费，非汛期时候，水资源又变得非常的紧缺。从1993年到现在，本水库累计达到了3.4亿m3的弃水量，这种情况使得水资源不足的状态更加的凸现。另外，偏低汛限水位的水库设计，使得汛期蓄水量太小，非汛期无水可蓄，水库本身的兴利效益受到严重的制约。

2011年，本水库的除险加固工程被彻底完成，整个工程进展顺利，运行良好，现在需要予以重点考虑的是如何使用水库在防洪的基础上，提升汛限水位，将水资源予以充分的利用，本文使用漫坝风险分析理论对汛限水位提升的可能性和方法予以不同的分析和研究。

2 实际运用漫坝风险理论

2.1 简要介绍漫坝风险分析理论

漫坝，也就是坝前的水位在坝顶之上，或者说是水位已经溢过了坝顶流出。风险在这里指的是发生漫坝现象的几率。而综合起来，漫坝风险为在如下4个方面，产生的各种不确定性:泄水、风浪、入库以及库容。入库洪水本身有很大的随机性，对于此，毋庸多言。制约一个水库泄水能力的因素，传统水库的设计层面，包括了泄水孔和溢洪道的具体泄水能力，这两个位置的泄水量一般是确定的。但是对于本文的作者来讲，泄水能力本身也有其不确定的一面。泄水能力的不确定性指的是因为水流的真实情况为三维的，但是工程预算的时候，多将其简化为一维模型，这样就产生了诸多的不确定性，比如糙率取值、再比如模型的缩尺效应，再比如几何尺寸在多个方面产生的误差等等。这些不同的因素都使得泄水能力本身也是不确定的，也是随机的变量。

水库的传统计算层面，确定的为水库的库面积或者水库的库容。实际情况位，这些确定的方面，本身也有诸多的不确定性。比如库区的等高线图存在测量层面的误差，而使用等高线图对库容进行计算的时候，也必然存在计算层面的误差，再加上每年汛期，水库会经历大大小小不等的洪水，这样水库就会出现和产生各种各样的冲积淤泥，而现实中并不具备各种因素和力量对库区水下的精确地形进行测量，这些因素都会使得库容本身是不确定的。除此之外，另外一个使库容产生不确定的因素为风，刮风时间，风速，风力等等这些都是随机的，对土坝而言，风力会使得水库内水面的壅高e以及浪头沿着斜坡爬升的高度Rp产生不确定性。除此之外，还需要指出的是，如果库水水位在一般状况，等级较小的风力是不会造成漫坝现象的。但是在汛期到来，洪水来临的时候，库水水位会达到一定的水平，这个时候，风浪的推动下，会产生漫坝现象。所以对风力这一因素进行分析的时候，需要将每次洪水暴发时候的风考虑进来，观察当前的手头资料，这些信息难以获得，为了安全，就以汛期刮的最大等级的风为依据进行考量。所有能造成漫坝风险的风，都是向坝体吹的。

另外一个不确定的因素为坝顶高程，这一看似确定的因素，实则也有其不确定性。坝顶高程的不确定性的产生是因为测量误差的存在，以及发生了坝顶沉降现象，对于所有已经建成的工程来讲，水库的离散性基本上是不存在的，对于计算来讲，精度层面没有很大的影响。

2.2 漫坝风险分析基本理论的主要方法和基本模型

漫坝风险分析理论的理论依据包括了随机的水力学、水文学以及数学方法，使用这些方法，对各种可能产生或者造成漫坝风险的因素，比如泄水、库容、风浪以及洪水等四个方面的能力进行考量，最终确定能够抵御洪水与风浪双重作用下发生的漫坝风险，建立对应的模型，在保证大坝、安全的前提下，择优选择水库对应的汛限水位，为水库汛限水位的高水平应用做好理论层面的准备。

2.2.1 基本理论

漫坝风险分析基本理论中存在两个基本的概念:①为漫坝;②为风险。所谓漫坝，也就是坝前的水位在坝顶之上，或者说是水位已经溢过了坝顶流出。风险在这里指的是发生漫坝现象的几率。而综合起来，漫坝风险为在如下4个方面，产生的各种不确定性:泄水、风浪、入库以及库容。严格讲，泄水建筑物、水库面积、库容以及风都是随机的，风的选择为汛期，吹向坝体的等级最大的风。

在这些不确定的因素下，水库调洪本身也是一个随机的过程，对调洪进行演算的方程也是一个随机的微分方程。计算漫坝风险的时候，需要将原本的上限洪水与风力进行综合的考量，在时段不同的情况下，将数值进行积分求取得到。具体计算的过程中，坝顶以及防浪墙高程为选取的控制高程，在迎汛水位不同的情况下，就会出现对应的漫坝风险值。当前，在全世界的这个行业中都没有制定出非常可靠的、安全的标准，一般来讲，能够接受的漫坝风险等级在10－6，这样的等级与人力难以对抗的地震风险等级相当。

2.2.2 模型及方法

漫坝风险模型可表示为下式:

式中:R－为对抗洪水系列和有效风联合作用下的漫坝风险; Z(t)为坝前水位;Zo为迎汛库水位;e为水面风壅高度; Hmax为由于洪水产生的库水位增加值;Rp为沿坝坡的波浪爬高。

当洪水事件［Qi－1，Qi］和风事件［Wj－1，Wj］同时出现时，风险Pij为:

式中:Zc为临界高程。

编制对应的电算程序，对上面的方程进行求解，漫坝风险模型可以被建立。

计算水库调度的时候，传统上依赖于将诸多的因素确定化处理，比如泄流能力、风浪大小、水库面积以及库容量大小等等，如果洪水本身爆发的频率也是确定的情况下，洪水过程线基本上也能确定。在这样的条件下，人们可以借助于安全超高进行安全角度的考量，也就是水库演算过程中，在最高水位的基础之上，添加上一个新的高度，二者的和就是安全超高，这样的计算方法实则仍然是有诸多的风险和不确定在里面的，因为原本不确定的因素都被定量化处理了，这些不确定因素的确定性考量即使生成了一个安全超高，效应也不会很大。对应的，如果效率计算这些不确定性因素，安全超高的存在意义也就不是很大。

2.3 各种不同的效益

2.3.1 经济角度的效益

在从安全层面对漫坝风险进行过详细的分析之后，在保证安全的前提之下，汛限水位在原来的基础上有所提高的话，调节水量就会被大量的增加，比如水位从102 m提升到103.5 m的时候，水量就会增加1 470万m3。用水比例为农工3∶7，这样全市用水供应量就可以得到很高的提升，与此同时，水头会被提高1.5 m，新增发电量47万kW·h，带动农工产值增加分别为560万元和70.1万元。

2.3.2 社会角度的效益

上面阐述了漫坝风险模型所能带来的直接层面的经济效益，除此之外，水库本身的供水能力也会得到很好的提高，地下水需求的压力就会得到减轻，水质得到改善，水环境得到提升，带来广泛和全面的生态和环境效益。