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梯级水库群全生命周期风险的评估与防控
发布时间: 2017-05-15   来源: 重点实验室

  为实现防洪减灾、开发水资源、发电等诸多目的,我国已建成9.8万座大中小型水库,形成了一系列梯级水库群。单一水库和梯级水库群的安全,历来不可忽视,是关乎国计民生的大问题,历史也用事实说明了这一点。1975年8月,淮河上游发生“75.8”特大暴雨洪水,河南省驻马店地区板桥、石漫滩水库漫顶垮坝,溃坝洪水给下游带来了灾难性后果,1100万人受灾,死亡人数超过23万,经济损失近百亿元。自新中国成立以来,受超标准暴雨洪水、地质灾害及设计、施工和调度运行缺陷等多种因素的影响,累计发生水库溃坝事件3518起,其中土石坝溃决数为3253座,占总数的93%。

  梯级水库群是人类开发自然的一种方式,从长远来看对人类社会的可持续发展有利。梯级水库群是流域防洪体系的一部分,保障了流域防洪安全,江河安澜,人民得以依水而居,城市傍水而建。梯级水库群提供了大量的清洁能源,为减少煤炭开采、节能减排做出了巨大的贡献。梯级水库群还为流域的水资源利用、航运安全和生态稳定提供了必要的调度手段。但是我们也必须认识到,如果不可控的自然、工程以及人为因素作用使得水库发生溃坝,甚至发生梯级水库群连溃,就可能引发灾难性的后果。怎么及时调控,如何合理应对,才能把梯级水库群风险降到最低,避免悲剧的再次的发生,是水利工作者不断反复叩问和思考的问题。

  目前,我国水库大坝传统设计采用的是单一水库的设计标准与方法,安全标准重点考虑区域暴雨洪水、坝址处地质环境特征和工程规模,未能充分考虑库群和全生命周期的安全,不符合梯级水库群存在多源风险的现实。当前,在13个梯级水电基地中,已建和在建水库大坝安全标准的确立均是基于“单库”模式设计,存在潜在风险,亟待考虑流域梯级水库群系统风险的影响,进一步完善在建水库大坝安全标准和风险防控体系。针对该问题,时任国务委员刘延东于2012年1月20日做出批示,应当重视梯级水库群大坝安全风险的研究。

  由中国水利水电科学研究院主持的国家973计划项目“梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论”,以大渡河流域梯级水库群为研究对象,针对梯级水库群风险孕育机理及灾害链效应、梯级水库群风险设计理论与安全防控机制、梯级水库群风险预警与应急处置机制3个关键科学问题展开研究;通过开展梯级水库群全生命周期风险孕育机理与灾害链效应、梯级水库群风险等级确立机制与风险设计理论、梯级水库群关键单元风险防控机理与方法、梯级水库群风险预警与应急处置机制4方面的研究工作,为梯级水库群全生命周期的风险防控提供科学依据。

  项目共设6个课题:(1)梯级水库群风险孕育机制与动态风险评价;(2)梯级水库群大坝溃决机制与灾害链效应;(3)梯级水库群风险等级确定与风险设计;(4)梯级水库群挡水建筑物(土石坝)风险防控机理与方法;(5)梯级水库群泄水与附属建筑物风险防控机理与方法;(6)梯级水库群风险预警与应急处置机理。

  研究队伍由中国水利水电科学研究院、中国科学院武汉岩土力学研究所、清华大学、四川大学、中国电力建设股份有限公司、水电水利规划设计总院、中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司、中国长江三峡集团公司和中国国际工程咨询公司共9家单位组成。

  通过近5年的实施,项目在梯级水库群全生命周期风险孕育及定量评估、溃坝洪水计算、梯级水库群风险设计与风险调控理论等多个方面取得了一系列重要进展,突出的成果主要体现在以下几个方面:

  1.梯级水库群全生命周期风险评估及孕育机制

  梯级水库群全生命周期的风险评估是构建梯级水库群风险设计与风险调控的基础,重点是量化计算梯级水库及水库群的失效概率。项目通过对大渡河流域风险因子的识别与分析,揭示了大渡河流域梯级水库群风险的孕育机制与传导路径,在此基础上构建的大渡河流域梯级水库群贝叶斯网络,具有定量评估大渡河流域梯级水库及库群失效概率的能力,为确定梯级水库群中的薄弱环节、提出针对性的工程和非工程措施奠定了基础。同时,项目综合运用物理模型、数值模拟模型、统计模型,结合梯级水库群的监测信息,动态评估梯级水库群及各组成部分的风险水平,为实现梯级水库群的风险设计与风险调控提供了技术支撑。

  

  2.梯级水库群溃坝洪水分析及应用

  梯级水库溃坝洪水计算及连溃分析是刻画梯级水库群风险传递机制的核心与关键,也是世界性的难题。项目建立了具有自主知识产权的土石坝溃坝计算模型与软件,具有计算简单、结果准确度高、参数敏感性低的特点;成功研制了大型圆筒冲刷设备,并用于测定溃决过程中坝体土料的启动流速和冲蚀速率,填补了国内外空白;建立了系列溃坝水流模拟方法,有效刻画了溃口水流紊动特征与波浪力特性;建立了溃决过程与溃决洪水耦合模拟模型,实现了梯级水库群连溃计算,并开展了大渡河流域梯级水库群连溃仿真,为梯级水库风险等级的确定奠定了基础。

  项目研究成果在重大灾害应对方面得到了实践应用,在云南鲁甸“8.3”地震导致的牛栏江红石岩堰塞湖的应急排险处置工作中发挥了重要作用。项目团队编制的《堰塞湖溃决洪水计算及对上下游的影响分析》报告,为堰塞湖及下游梯级应急排险处置方案选择、下游警戒区范围合理划定提供了依据,得到了国家水利部、云南省水利厅、云南省发改委的高度认可,成为排险处置方案决策的重要支撑。

  3.梯级水库群风险设计理论

  项目构建了包括“风险标准—风险等级—风险设计指标”的梯级水库群风险防控的设计理论框架体系,提出了梯级水库风险标准,基于风险势能分级、溃坝影响分析的梯级水库群风险等级确定原理和方法,针对现行规范未涉及的特高坝工程,提出特等工程水工建筑物的设计标准,拓展了现有水利水电工程等级划分标准,建立了“年计失效概率—可靠指标—安全系数”相统一的梯级水库风险设计指标体系。

  

  项目研究成果在重大工程设计方面得到了实践应用,大渡河流域双江口水库是大渡河上游的控制性工程,对大渡河流域梯级水库群安全影响重大。项目团队应用本次研究提出的风险设计理论,对双江口水库开展试设计工作,研究成果被设计单位采纳。

  4.梯级水库群风险应急调控理论

  项目构建了包括“风险监测预测—风险评估预警—风险应急调控”的梯级水库群风险应急调控理论框架体系,提出了梯级水库群动态安全监测指标体系、暴雨洪水和大坝变形的预测预警方法、梯级水库群风险动态评估方法和洪水过程总风险率计算方法,实现了梯级水库群漫坝风险的实时评估。建立了基于超额水量分配的梯级水库群应急调度模型,采用风险分散原则合理分配超额水量,为控制梯级水库群系统风险提供了有效手段。

  

  项目团队在上述研究的基础上,为规范流域梯级水库群在规划、设计、建设、运行及退役各阶段的风险管理工作,将梯级水库群全生命周期内的风险水平控制在可接受范围内,最大限度地降低梯级水库群风险事故造成的生命伤亡和财产损失,编制了《梯级水库群风险防控导则》,力求使研究成果更好地指导梯级水库群的风险防控工作。

  作者:王浩、殷峻暹

  (王浩,国家973 计划项目首席科学家,中国工程院院士,流域水循环模拟与调控国家重点实验室主任,中国水利水电科学研究院教授级高工;殷峻暹,中国水利水电科学研究院教授级高工)

 
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