基于設計洪水的梯級水庫防洪安全分析

高 潔

(水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120)

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基于設計洪水的梯級水庫防洪安全分析

高 潔

(水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120)

以金沙江中游5個梯級水庫為例，首先對基于不同歷史洪水排頻方案的設計洪水計算成果進行對比分析；其次在不同方案的基礎上，考慮流域梯級防洪標準的協調性問題，計算各水庫壩前最高水位，分析采樣單一水庫防洪標準和梯級協調后成果，評價梯級水庫防洪安全。歷史洪水的選擇將直接影響設計洪水成果乃至工程防洪高程，在對單一水庫防洪標準進行分析的同時應重視梯級防洪標準整體協調，并開展防洪安全評價。

梯級水庫防洪；防洪標準；設計洪水；歷史洪水

0 概 述

目前，世界上約1/3大壩失事是洪水漫頂造成的；我國20世紀50年代至90年代洪水漫頂失事共1147起，約占同期失事總數的46.6%[1]。姜樹海[2- 3]提出了以設計洪水標準和工程設計標準為主體的防洪設計標準體系。即，通過事故樹洪水事件和隨機偏微分方程的形式對漫頂事故進行宏觀和概率層面的分析。其將入庫洪水過程、出庫泄流過程、水位庫容關系、防洪起調水位等作為主要輸入條件，分析庫水位的隨機消長與大壩漫頂風險率的關系，將水庫水位高于壩頂高程作為漫頂風險的極限標志。盡管過去我國大壩的洪水設計標準較現行標準略低，根據20世紀50年代至90年代統(tǒng)計資料的設計洪水計算成果略小，但是出于不確定性預留的大壩抗洪潛力使實際風險基本低于理論風險。

我國實測流量資料系列大多在20世紀30年代～50年代，但是工程設計中往往需要以此為基礎推求千年一遇甚至萬年一遇洪水，作為確定工程等級和規(guī)模的依據。因此，在洪水系列外延加入歷史洪水考證成果可以降低計算結果的不確定性。考慮歷史洪水的頻率計算有助于提高設計洪水的估算精度，但是這一結論是建立在歷史洪水資料與實測洪水資料具有同樣的精度且調查期和排位較為精準的前提上的[4]。楊遠東、趙紀民等[5- 6]對歷史洪水和實測洪水作為一個總體中不同樣本的頻率計算方法進行了研究?；贐ayesian MCMC模型，張立杰[7]以西江梧州水文站為例，分析歷史洪水對水文頻率計算不確定性的影響，發(fā)現基于60、110、500a和700a洪水資料的設計值在95%置信區(qū)間的相對離差逐漸降低。較久遠的特大洪水信息可增加系列外延的可靠性。小凌河錦州水文站系列是否加入歷史洪水的對比分析顯示，考慮歷史洪水后萬年一遇計算成果較實測系列偏大31.8%[8]。黃振平等[9]就重現期為200、300、500、800、1 000、1 500a和2 000a等 7種情景條件下的歷史洪水對設計成果相對誤差均值、方差的影響研究發(fā)現，歷史洪水重現期越長，設計洪水成果的相對誤差越小，設計值越接近真值，成果的穩(wěn)定性越高。費永法[10]通過在1 000a洪水考證期內，逐次加入1～6場歷史洪水的數字實驗發(fā)現，同一考證期內，加入1～2場歷史洪水對提高設計洪水成果的穩(wěn)定性和精度作用顯著，加入更多則作用不大。

在設計洪水計算的基礎上，我國水庫大壩工程設計標準參照前蘇聯國家規(guī)范，普遍基于頻率洪水標準[11]，有別于采用水文氣象法的美國、加拿大、印度體系，以及采用實測最大洪水加成法的挪威、瑞典體系。與PMF方法相比，實測洪水佐以歷史洪水的方法具備重現期的概念，與我國采用基于頻率的劃分等級的工程體系具有兼容性。在單一水庫設計采用現行洪水標準的基礎上，隨著流域內梯級水庫開發(fā)盛行，具備水力聯系的梯級水庫防洪標準等問題也逐漸成為重要議題。楊百銀、王銳琛[12- 13]等將JC法引入水庫泄洪風險分析，研究單一和梯級水庫的泄洪風險模式，并提出梯級水庫的風險傳遞模式。目前，梯級水庫防洪標準存在不協調問題。即上游水庫規(guī)模較小選用的防洪標準較低，下游水庫規(guī)模較大選用的防洪標準較高；則當來水超過上游水庫防洪標準時，可能造成上游水庫潰壩；當上游水庫潰壩大洪水進入下游水庫，極可能導致下游水庫連潰。此時，下游水庫原擬定的較高防洪標準就失去了意義。因此，梯級水庫防洪標準需要在不改變現行防洪標準體系結構的基礎上，進行梯級水庫防洪安全評價，提出有效的梯級補償措施。

在上述研究的基礎上，本文以金沙江中游流域5個梯級為例，根據不同數據來源的歷史洪水頻率適線，計算基于單一水庫防洪標準調洪演算后的水庫水位和考慮梯級影響后的水庫水位，擬為梯級水庫群風險評價提供初步依據。

1 方法

(1)通過對金沙江中游梯級布置研究，選定自上而下石鼓水文站、金江街水文站和攀枝花(原渡口)水文站為設計依據站，采用經插補延長后1957年～2005年共49a的實測洪水系列。

(2)擬定三種計算方案。方案一，采用因水電站修建需要而重新調查考證的最新歷史洪水資料。方案二，為《中國歷史大洪水調查資料匯編》(以下簡稱《資料匯編》)部分成果。方案三，為不考慮歷史洪水的實測洪水系列。

(3)根據各工程規(guī)模和等級確定相應標準下設計和校核洪水成果。5個梯級均為一等大(1)型工程，校核洪水標準在5 000年一遇洪水以上。根據設計依據站水文成果計算各壩址頻率洪水設計值。

(4)根據一定的調洪原則，通過各工程布置的泄水建筑物泄流能力和水位庫容曲線，計算校核洪水位，以此作為壩頂高程的設計依據。根據不同來水特征，本文選用洪峰高的1970年7月實測第二大洪水過程和洪量大、持續(xù)時間長的1966年8月實測第一大洪水過程，分別作為洪水過程縮放典型，計算不同方案經不同典型放大后校核洪水位。

(5)計算不同方案在單一水庫防洪標準時經調洪演算后的校核洪水位，以及考慮梯級水庫防洪協調后的校核洪水位，分析兩者的差異。

2 分析

2.1 歷史洪水對設計洪水成果的影響

依據現行SL44—93《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》計算洪水要素(均值、Cv、Cs)，實測系列和歷史洪水按照不連序系列處理。

2.1.1 歷史洪水調查資料分析

(1)根據《資料匯編》，石鼓站歷史洪水最大洪峰流量為8 750 m3/s發(fā)生于1892年，此外包括1905年、1970年等洪水；最小歷史洪水為1924年7 070 m3/s。金江街站歷史洪水最大洪峰流量為12 400 m3/s發(fā)生于1924年，此外包括1962年等洪水；最小歷史洪水為1954年8 850 m3/s。攀枝花站歷史洪水發(fā)生于1924年和1962年。在《資料匯編》中，該三站考證期最長為114a，最短為82a。

(2)出于水電工程建設安全性考慮，設計人員在前期勘察工作中，進一步開展歷史洪水調查取證。根據上下游洪水的傳遞性，考證到金江街站1905年歷史洪水10 100 m3/s，攀枝花站1892年歷史洪水12 600 m3/s，并在流域內考證到1863年不定量歷史洪水；從而將最長考證期從114a延長至143a。

2.1.2 歷史洪水選取

(1)方案一采用電站前期勘察設計補充完善資料。由于石鼓站2005年洪水量級較大，提出作為特大值處理。此外，歷史洪水僅考慮石鼓站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異，本文與實際電站采用成果有差別，僅為學術討論需要)

(2)方案二中采用《資料匯編》歷史洪水。

(3)方案三僅對實測洪水按連序系列進行頻率計算。

3 水文站頻率適線成果

3.1 方案比較

各站點不同方案適線成果見圖1及表1。

表1 各站點不同方案適線成果

站點方案適線參數不同頻率(%)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，由于方案一在實測系列基礎上考慮歷史洪水系列，洪峰均值較方案三整體增大。由圖1b、圖1e和圖1h可知，方案二多次將實測大洪水提出作為特大值處理，反而導致洪峰均值降低，直接影響設計洪水成果。由此可見，從實測系列中提出特大值應審慎考慮。根據方案一和方案二對比，《資料匯編》中歷史洪水的洪峰量級和重現期均較為準確；但實測系列和歷史洪水系列作為同一個總體的兩個樣本，適線時如何區(qū)分兩個樣本對結果影響較大。選擇歷史洪水樣本時應盡量避免采用實測系列中的數據，除非該實測值遠大于其他實測數據且與考證期歷史洪水在同一量級(10%以內)；否則，將導致實測系列樣本均值降低。同一考證期內的歷史洪水樣本以不超過兩個為宜[10]。根據3個水文站頻率洪水計算成果插值出5個梯級(A，J，Lo，Lu，G)的壩址設計洪水見表2(洪量計算方法與此類似)。

表2 壩址設計成果

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

與方案一考慮歷史大洪水相比，方案三只采用實測系列時，各壩址在頻率0.01%和0.02%設計洪水洪峰流量約偏小4%。不同壩址兩種頻率的設計值減小幅度基本一致。方案二由于在適線階段將多個實測大洪水提出按歷史洪水處理，導致均值偏低。該方案雖然考慮了歷史洪水的影響，但是各壩址相應洪水均不大于方案三，在前三個壩址比不考慮歷史洪水的方案三尚略小1%。

3.2 調洪成果

水庫調洪演算從正常蓄水位起調，遵循原則：①低于起調水位時，按來流下泄；②不低于起調水位時，按泄水建筑物的泄流能力下泄；③當水庫需要承擔下游防洪任務時，按照下游安全泄量控泄。

根據水能開發(fā)的工程規(guī)模和當地建設條件，5個梯級均為一等大(1)型工程，前4個均采用混凝土重力壩，防洪校核標準采用重現期為5 000年的洪水。第5級按照左岸、河中混凝土重力壩及右岸粘土心墻壩的混合壩設計，由于部分采用土石壩結構，為減少漫頂風險，防洪標準相應提高，校核標準采用重現期為10 000年的洪水。

這5個梯級的設計標準完全符合單一水庫的防洪標準要求，但是從梯級角度卻出現防洪標準不協調的情況。當上游水庫遭遇大于5 000年一遇洪水時，存在潰壩風險。如果發(fā)生潰壩洪水，其量級遠大于天然洪水，第五梯級雖然是按照10 000年一遇洪水設計，但是其防洪標準受到上游最低標準的制約，實際上僅達到上游5 000年一遇的防洪標準。

針對上述情況的處理措施較為復雜，一方面應從管理角度解決，及時做好水情預報，提前預泄、保證足夠的防洪庫容。應急處理時，可采取誘導性潰口，避免潰壩大洪水導致量級劇增，把損失降到最低。此外應從技術層面了解上游水庫目前的防洪能力，其設計裕度能否緩解梯級超標準洪水對下游的影響。表3分析了梯級水庫遭遇5 000年一遇和10 000年一遇洪水時，經調洪演算壩前最高水位超過壩頂高程的極限風險。

考慮歷史洪水的方案一由于洪水絕對量值較大，0.01%和0.02%頻率來水的調洪水位差異相對其他兩種方案明顯些。

根據調洪演算成果，部分方案計算的出庫流量大于泄水設施泄流能力，按泄流能力下泄，壩前水位顯著雍高。第1、第2和第4梯級水庫當遭遇10 000年一遇洪水時，由于按照5 000年一遇的校核洪水設計，泄水設施的泄流能力無法下泄同期的入庫水量，出現水位雍高顯著的情況，當遭遇10 000年一遇和5 000年一遇洪水時相應水位差異大于1.0 m，

圖1 各站點不同方案適線

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壩頂高程/m151000142400130300122800114100

注：由于G水庫的水文設計依據站攀枝花站始測年份略晚，未收集到1966年洪水資料。

其他方案水位差異均不超過1.0 m，基本保證最高水位不超過壩頂高程。如果將防洪標準從5 000年一遇提高到10 000年一遇，這3個梯級應結合壩型設計、樞紐布置等進一步對建筑物安全進行評價。

圖2揭示第一梯級在遭遇10 000年一遇洪水發(fā)生超泄時的調洪過程和水位相應變化。

1970年洪水過程和1966年洪水過程分別具有峰高和量大的特征。對于防洪庫容在0.5億m3以上的第1、第2、第4和第5梯級采用1966年洪量較大的典型過程作為入庫過程，調洪水位更高。第3個梯級在整個體系中總庫容和防洪庫容均最小，因此對1970年洪峰陡漲陡落的入庫過程較為敏感，圖3揭示了該調洪過程。

從單一水庫防洪標準考慮，本研究的5個梯級完全滿足防洪要求，且安全裕度均較大。從梯級水庫防洪考慮，根據壩前最高水位與壩頂高程的對比，前3個梯級安全裕度充足。第4個梯級僅在最不利入庫洪水條件下，壩前最高水位比壩頂高程略高。由于前4個梯級均為混凝土壩，漫頂潰決的風險較低。第5級土石壩在遭遇校核洪水時壩前水位仍預留足夠的安全裕度。

4 結 論

本文以金沙江中游5個梯級水庫為例，首先對設計洪水如何考慮歷史洪水采用不同的計算方案進行對比分析；其次在不同方案的基礎上，考慮流域梯級防洪標準的協調性問題，分別按照單一水庫標準和梯級協調要求，計算各水庫壩前最高水位。分析表明，正確地選擇歷史洪水將直接影響設計洪水成果乃至工程防洪高程，在對單一水庫防洪標準進

圖2 第一梯級方案一基于不同洪水過程線0.01%頻率洪水調洪示意

圖3 第三梯級方案三基于不同洪水過程線0.02%頻率洪水調洪示意

行分析的同時應重視梯級防洪標準協調和防洪安全評價。

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(責任編輯 陳 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

國家973項目(2013CB036403)

高潔(1985—)，女，安徽滁州人，高級工程師，博士，從事水文水資源水電規(guī)劃方面的研究工作．

TV122.3；TV697.13

A

0559- 9342(2016)09- 0093- 06