中图分类号: TV697. 1 文献标识码:A doi: 10. 3969 / j. issn. 1000 - 1379. 2010. 05. 061
据统计,中国现有水库86 000多座,其中大型水库423座、中型水库2 700多座,其余8万多座为小型水库,总库容4 900多亿m3 ,这些水库在防洪、发电、供水、灌溉及旅游等方面发挥了重要作用。已建大坝中90%以上为土石坝,虽然它们在防洪中发挥了巨大作用,但是勘测设计不周、施工不良或管理运行不当等,存在对下游人民生命财产的潜在威胁。1954—2004年共发生了3 482起大坝溃决事件,其中大型水库2座、中型水库124座、小(1)型水库668座、小(2)型水库2 668座。在溃决事件中,洪水漫顶引起的溃坝事件占50. 6% ,坝体质量差引起的溃坝事件占38. 0% , 管理和其他问题引起的溃坝事件占11. 4%[ 1 ] 。因此,研究水库土坝漫坝风险问题显得尤为迫切。
1 漫坝危险度
要准确理解并把握漫坝危险度的含义,须从风险的定义入手。风险的概念最早于19世纪末在西方经济学领域提出,现已广泛应用于环境科学、自然灾害、经济学、社会学、建筑工程学等领域。但直到今天,学术界对风险的定义仍未完全统一,不同研究领域的学者对风险有不同的定义。美国经济学家Haynes J定义风险为损失的概率[ 2 ] ;日本学者Saburo Ikeda认为风险是自然或人类行为导致的不利事件发生的可能性[ 3 ] ;瑞士日内瓦大学的Wiegands教授将风险定义为具有已知概率的随机现象[ 4 ] ;国际地质科学联合会( IUGS)滑坡研究组风险评价委员会则将风险定义为对健康、财产和环境不利的事件发生的概率以及可能后果的严重程度,可用发生概率与可能后果的乘积来表示[ 5 ] ;联合国人道主义事务部公布的自然灾害风险定义为在一定区域和给定时段内,由特定的自然灾害引起的人类生命财产和经济活动的期望损失值[ 6 ] ,该定义已得到国内外许多学者和国际组织的认同。
由于对自然灾害风险的定义不同,因此自然灾害风险的数学表达式亦不同。联合国人道主义事务部提出的自然灾害风险表达式为
R = HV (1)
式中: R为风险度; H为危险度; V为易损度。三者的取值范围均为0 ～ 1。
这一表达式较为全面地反映了风险的本质特征,危险度反映了灾害的自然属性,是灾害发生概率的函数;易损度反映了灾害的社会属性,是承灾体人口、财产、经济和环境的函数;风险度是灾害自然属性和社会属性的结合。
该风险表达式的优点: ①明确地将风险度和危险度区分开来; ②危险度和易损度相乘表达风险度,克服了有些学者认为风险度是危险度和易损度相加的不足,当危险度或易损度任何一项为零时,风险度必须为零; ③将危险度、易损度和风险度界定在(0, 1)之间,便于将其等级划分和量化比较,可比性强、易于评判。由自然灾害风险评价模式可以看出:危险度评价是前提,易损度评价是基础,风险度评价是结果。研究危险度是灾害风险评估的重要内容之一。基于此,漫坝危险度的含义应是水库大坝在特定时间内发生漫坝事件的概率,其值为[ 0, 1 ]。
2 漫坝危险度模型
2. 1 漫坝
漫坝是指坝前库水位超过坝顶高程,水流漫过坝顶溢流而下。设Z为坝顶高程, z ( t) 为水库某一时刻坝前库水位, z ( t) 、Z单位相同,有相同的基准面,则漫坝发生的条件为
z (t) ≥ Z (2)
两者均为随机变量,其中z (t) 的不确定性来自洪水、风浪、泄洪、库容等方面的影响; Z的不确定性来自测量、施工等方面的误差。
2. 2 漫坝概率
漫坝概率是指在分析期T (通常为1年) 内坝前库水位超过坝顶高程的概率,用P (T) 表示。分析期内的漫坝概率为
P (T) = p (z (t) ≥ Z) (3)
其中, 0≤t≤T。关于漫坝概率P (T)的计算, 不同学者因研究角度和考虑因素各异而有不同的方法。
(1)基于实测水位序列的方法。该方法通过对水库坝前年最高水位进行频率分析来估算大坝的漫坝概率,即采用非参数假设检验法确定坝前最高水位的分布和参数,根据选定的水位分布F (z)计算漫坝概率,如取漫坝概率Pf = P ( z > Z) ,则有:
Pf = 1 - P (z ≤ Z) = 1 - F (z) (4)
式中: z为坝前最高水位; Z为坝顶高程。
坝前水位是影响大坝安全最直接的因素, 对漫坝概率而言,分析其变化规律有一定意义, 但坝前年最高水位是受人为影响和干预后的非自然序列,因而该方法在应用上存在一定的争议。
(2)基于设计洪水成果的方法。该方法以汛限水位为起调水位,按照水库的调度规则建立调度模型,对各种频率的水库设计洪水进行调洪演算,统计对应的坝前最高水位,从而建立坝前年最高水位和概率之间的关系,由坝顶高程求得漫坝概率。该方法的明显缺陷是假定了设计洪水的频率与调蓄后的坝前最高水位频率相同,即忽略了起调水位的随机性,且不考虑风浪因素,不符合工程实际。
(3)基于洪水随机模拟的方法。该方法根据入库洪水随机模型模拟出能够全面表征水库实测入库洪水统计特性的年最大入库洪水过程序列,并将其作为调洪演算的基础,从而得到坝前年最高水位序列,用以计算漫坝概率。该方法的难点在于能否建立反映洪水总体特性的模型。
笔者采用积分———一次二阶矩法[ 7 ]计算漫坝概率,建立水库大坝在洪水与风浪联合作用下的漫坝概率模型,该方法综合考虑了漫坝影响因子诸如洪水、风浪、库容、泄水能力等方面的不确定性。
2. 3 漫坝危险度
漫坝危险度是漫坝概率的函数,在[ 0, 1 ]区间取值,漫坝概率须通过赋值函数进行转化。目前尚无可使用的漫坝危险度赋值函数,笔者根据水库工程特性及漫坝危险性的特点,提出如下赋值函数:
式中: H为危险度, 取值范围为[0, 1 ]; P 为漫坝概率计算值;Pmax、Pmin 分别为漫坝概率的允许最大值和最小值。Pmax 根据工程等级确定,可取水库校核洪水对应的频率; Pmin 为社会公众所接受的漫坝概率允许值,可取10- 6。
3 漫坝危险度等级划分
漫坝灾害等级按灾害评估研究方法,划分为5个等级:极严重危险、严重危险、中等危险、轻度危险和基本无危险。按照“布拉德福定律”[ 8 ]的区域分析法,在0～1范围内将漫坝危险度等分为0～0. 2、0. 2～0. 4、0. 4～0. 6、0. 6～0. 8和0. 8～1. 0等5个数值区域,相应赋予极低危险、低度危险、中度危险、高度危险、极高危险5 个等级危险。漫坝危险等级的意义,见表1。
表1 漫坝危险度分级标准及意义
根据漫坝危险度分级标准及漫坝特征,水库工程漫坝危险度应控制在“中度危险(0. 4～0. 6) ”以下,以保证水库防洪安全及水库洪水资源化利用。
4 算例
4. 1 工程概况
澄碧河水库总库容为11. 5亿m3 ,属大(1)型水库Ⅰ等工程,为多年调节水库。水库以发电为主,兼顾供水、防洪、灌溉、水产养殖、旅游等功能。坝址断面多年平均流量为37. 8 m3 / s,多年平均径流量为11. 92亿m3。大坝按千年一遇洪水设计,万年一遇洪水校核,正常蓄水位与防洪限制水位重合,为185. 00m。大坝为混凝土防渗心墙土石坝,最大坝高为70. 40 m,坝顶高程为190. 40 m,防浪墙顶高程为191. 80 m。电站为坝后式,装机容量为3万kW,多年平均发电量为1. 237 3亿kW·h。
4. 2 漫坝危险度计算结果与分析
以水库原汛限水位185. 00 m为例,计算水库漫坝危险度。
根据水库所在地的风速资料,求得水库汛期多年平均最大有效风速的均值和均方差分别为6. 25 m / s和1. 97 m / s。经计算,正态化以后风壅高度的均值和均方差分别为0. 069 m和0. 007m,波浪爬高的均值和均方差分别为0. 365 m和0. 165 m。坝顶高程均值取设计值190. 40 m,均方差取0. 10 m。根据入库洪水资料,取定流量步长ΔQ = 300 m3 / s,根据文献[ 7 ]中介绍的方法,计算各级流量出现的概率PQ i和坝前库水位z的均值与均方差,用JC法[ 9 ]计算PQ i与汛期最大有效风联合作用下的漫坝概率Pi。计算所有流量与汛期最大有效风的组合漫坝概率,然后进行叠加,即得到水库原汛限水位185. 00 m情况下的漫坝概率为1. 918 ×10 - 6。将漫坝概率代入式(5)求得漫坝危险度为01009,相应地,漫坝危险属性为“极低危险”级别。
以40 cm为步高,提高水库的汛限水位,并分别计算相应的漫坝危险度,结果见图1。
从图1可以看出,随着汛限水位的提高,水库漫坝危险度随之增大。当汛限水位在185. 00～186. 00 m时,漫坝危险度随汛限水位的提高而提高,但变化较为缓慢,且漫坝危险度属“极低危险”或“低度危险”;当汛限水位高于186. 00 m时,漫坝危险度随汛限水位的提高而明显提高, 且当汛限水位为186. 40 m 时, 漫坝危险度为0. 38,已接近“中度危险”。因此,该水库汛限水位的提高幅度不宜超过1. 40 m。
图1 漫坝危险度与汛限水位变化曲线
参考文献:
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作者简介:莫崇勋(1974—) ,男(壮族) ,广西忻城人,副教授,博士后,主要从事水资源技术经济研究工作。
