第３５卷第１１期 人民黄河 Ｖｏ１．３５．Ｎｏ．１１ ２０１３年１１月 ＹＥＬＬＯＷ ＲＩＶＥＲ ＮＯＶ．，２０１３ 【防洪・治河】 工程防洪体系洪灾风险计算模型研究 陈 艳 ，陈 进 （１．山东科技大学土木建筑学院，山东青岛２６６５１０；２．长江水利委员会长江科学院，湖北武汉４３００１０） 摘要：利用建立的工程防洪体系洪水风险分析模型，通过对简单的线性工程防洪系统进行分析，验证了洪水演进过程 中相关水利工程对于洪灾风险的影响，揭示了不同水工结构可靠度的变化对于区域洪灾风险的影响。结果表明：（ 利用 水库多蓄滞洪水并减小下泄流量虽然增大了大坝的洪水风险，但通过合理设置蓄滞洪方案可以有效地减小整个防洪体 系的洪水风险值；②在防治区域洪水的过程中，可以通过人为降低上游经济损失相对较小堤段的可靠性，在合理部位设 置蓄滞洪区来降低整个防洪体系的防洪风险；③适当提高重点堤段的防洪安全性，可有效降低整个防洪体系的防洪 风险。 关键词：水库；堤防；蓄滞洪区；洪灾风险；防洪体系；工程体系 中图分类号：ＴＶ８７；Ｆ４０７．９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３７９．２０１３．１１．００４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆｌｏｏｄ Ｒｉｓｋ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｆｌｏｏｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＨＥＮ Ｙａｎ ，ＣＨＥＮ Ｊｉｎ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５ １０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ｒｉｖｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｍｅｓ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ ４３００１０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｌｆｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｌｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｌｏｏｄ ｒｉｓｋ ａｎａｌ— ｙｓｉｓ ｍｏｄｅ１．Ｂｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｆｌｏｏｄ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｆｌｏｏｄ ｒｉｓｋ ｗａｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｎ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｆｌｏｏｄ ｒｉｓｋ ｗａｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ａ）Ａｌｔｈｏｕｇｈ ｆｌｏｏｄ ｒｉｓｋ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ｓｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｔａｉｎｉｎｇ ｍｏｒｅ ｆｌｏｏｄ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｖｏｌｕｍｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ，ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｆｌｏｏｄ ｃｏｎｔｏｒｌ ｓｙｓｔｅｍ ｒｉｓｋ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｔｏｒｉｎｇ ｌｆｏｏｄｗａｔｅｒ ａｎｄ ｆｌｏｏｄ ｄｅｔｅｎｔｉｏｎ．ｂ）Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｆｌｏｏｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｌｆｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｒｉｓｋ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｋｅ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｌｏｓｓ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍａｌｌｅｒ ｕｐｓｔｒｅａｍ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙ ａｎｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｓｉｔｅｓ．Ｃ）Ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｌｆｏｏｄ ｃｏｎｔｏｒｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｒｓｋ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｆｌｏｏｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ；ｄｉｋｅ；ｄｅｔｅｎｔｉｏｎ ｂａｓｉｎ；ｆｌｏｏｄ ｒｉｓｋ；ｆｌｏｏｄ ｃｏｎｔｏｒｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 随着现代社会的发展，河流两岸工业和人口密集程度剧 成两方面的工作：①该区域内各相关水工建筑物决定的区域洪 增，人们对于土地和水资源的开发利用使得相同强度降水的汇 灾风险值；②水工建筑物防洪参数的改变对于区域洪水过程演 流时问缩短，形成的洪峰流量增大，作为主要防洪手段的水利 进的影响，即洪水过程的求取。笔者针对第一个问题，探讨了 工程所面临的洪水安全保障压力越来越大。不同属性的水利 符合洪水规律的区域洪灾风险模型。 工程结构组成了某一区域的工程防洪体系，从工程体系角度定 量评价一场洪水所潜在的风险以及制定相应的对策，有着非常 １洪灾风险 现实的意义…。 风险的概念于１９世纪末最早出现在西方经济领域中，目 洪水是较短时间内汇入河道的水体形成的移动波，对其运 前已广泛应用于经济学、社会学、工程科学、环境科学和灾害学 动的描述即为洪水演进。通过水文计算可描绘出洪水的传播 等领域中。迄今为止，学术界和工程界对于风险的定义仍未统 速度、波形和波高等特征要素随时问的变化过程。在防洪区域 一，不同的专业背景、不同的应用背景对风险的定义常常不尽 内，不同属性的水利工程对洪水演进过程均有直接影响，当该 区域降水过程一定时，各水利工程防洪参数的变化会导致洪水 收稿１３期：２０１２—１２－２６ 过程线在该结构后续区域内发生变化，继而影响区域内洪灾风 基金项目：山东科技大学“春蕾计划”资助项目（２００９ＡＺＺ１１７）。 作者简介：陈艳（１９７６一），女，甘肃天水人，博士，研究方向为结构可靠度。 险的大小。由此分析，评价某区域内洪水灾害的风险，需要完 Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｙａｎ６９＠１２６．ｃｏｒｎ ・８・ 人民黄河２０１３年第１１期 相同。从风险理论的研究发展来看，大多数学者认为风险应包 含３个方面的含义：不利事件、不利事件发生的概率、不利事件 可能产生的后果。 从洪水变化过程及洪灾造成损失的特性分析，笔者认为水 工建筑物的洪灾风险有两个主要方面：①防洪区域内某水工建 筑物可能产生的失效事件的失效概率 ；②某一失效事件可能 造成的洪灾经济损失。某水工建筑物的洪灾风险由失效事件 的失效概率与该失效事件相应的经济损失乘积的最大值来量 化，即： ｍａｘ Ｒ＝ ｃ“ （１） 式中：Ｒ为水工建筑物的洪灾风险； 为第ｉ个失效事件的失事 概率； 为第ｉ个失效事件的经济损失；ｍ为失效事件的个数。 ２工程防洪体系的构成及洪灾风险的计算 工程防洪的主要措施包括修建蓄滞洪水库、加高加固堤 防、整治河道和开辟蓄滞洪区。整治河道主要改变河床的水文 参数，影响整个行洪过程而使洪灾风险发生变化，该措施对区 域洪灾风险的影响主要放在洪水过程的求取中进行讨论。笔 者主要讨论工程防洪体系构成中的水库、堤防、蓄滞洪区的洪 灾风险分析，以及这３种工程类型不同的组合方式对于整个区 域内洪灾风险的影响。 ２．１ 水库 在河流防洪工程中，水库常与其他防洪工程措施和非工程 措施结合来共同承担防洪任务。保证水库作用能够正常发挥 的首要前提就是组成水库的水工建筑物的可靠性。洪水期间， 水库洪水位的变化直接影响着水工建筑物的结构可靠性，随着 洪水下泄，库水位下降，水库的洪水风险将会转移到下游。以 水库的挡水建筑物为混凝土重力坝为例，选取主要失事模式为 坝踵受拉破坏、沿坝基面或软弱夹层面的滑动失稳 。 在发生频率为Ｐ的洪水时，水库在蓄滞洪水过程中的防洪 风险主要有两个部分：一是水库结构力学参数的不确定性 造 成的大坝结构破坏风险和坝址下游在溃坝洪水作用下的洪灾 风险（Ｒ ）；二是水库库水位超过设计水位而增加的临时性淹 没损失构成的洪灾风险（戚） 。这两部分洪水风险的大小都 随着库水位的升高而增大，在空间上有顺序性，故水库在频率 为Ｐ的洪水作用下的洪灾风险可由下式计算： Ｒ ＝Ｒ ＋ （２） ２．２堤 防 根据所防护地区的重要性，堤防可以分为重点堤防、重要 堤防和一般堤防等。一般来说，堤防的主要失效模式有漫顶、 渗流和脱坡等 Ｊ。就堤防而言，区域范围内各堤段结构参数差 异较大，洪水在堤防内演进时相应的水文参数变化也较大，作 为整体分析需要考虑的因素较多 Ｊ。 笔者以干支流相交、区间无其他河网汇入的堤段作为分析 对象，把力学参数相对接近的堤防作为一个整体，区间洪水忽 略其坦化变形，以单峰洪水进行逐段考虑。对于相同水力条件 和安全指标的堤防断面而言，若上游某一断面发生溃堤或其他 失效事件导致洪水在该断面分流，则在河床中洪水流量相应减 小时，因无区间洪水加入，故可假设该堤防子系统功能失效只 发生一次。进行堤防安全分析时，忽略其渗流过程发展的时间 因素，可建立流量（水位）与堤防安全的简化模型。在已知堤防 的物理、力学参数和某频率洪水对应的洪峰流量、水位时，以堤 防断面力学特性和堤防长度为参数分析堤段失效概率，可求得 相应的堤防系统破坏风险的大小（Ｒ ）。 ２．３蓄滞洪区 我国的蓄滞洪区大致分为两种类型：一是洪水发生时首当 其冲、运用频率较高的；二是为防御特大洪水、保护重要地区而 预留的。蓄滞洪区的水工建筑物一般包括进洪闸、分洪道、泄 洪闸、分洪区围堤及主河道加固工程等。蓄滞洪区的主要风险 指标为蓄滞洪水水位和高水位淹没历时，这两个指标直接影响 着蓄滞洪区的经济损失，该损失是制定不同频率洪水防洪方案 的前提。蓄滞洪区的使用方案在设定之初就已确定，它的使用 所造成的洪水经济损失风险，和其他防洪风险并存。若其他结 构承担的洪水风险增大，则蓄滞洪区的风险损失会减小。 若区域内规划的蓄滞洪区共有Ⅳ个，则区对应大于频率Ｐ 的洪水总风险（Ｒ ）为 Ｎ Ｒ ＝∑Ｒ ｋ＝ｌ （３） ３工程防洪体系洪灾风险模型 ３．１工程防洪体系及风险模型 水库、堤防、蓄滞洪区的区域特性和洪水影响范围形成了 工程防洪体系。在频率为Ｐ的洪水作用下，其洪灾风险值 可 定义为 Ｒ＝Ｒｆ＋ｍａｘ｛Ｒｄ，Ｒ ｝ （４） 笔者针对简单的线性防洪区域，通过讨论水库、堤防、蓄滞 洪区参数的改变对系统洪灾风险的影响，来验证该体系洪灾风 险定义的合理性和现实意义。 ３．２线性防洪区域洪灾风险的计算 ３．２．１线性防洪区域模拟 现实情况中，在某段河流上修建或扩建水库都会使该水库 下游区域防洪风险发生变化。因此，建立了一个由水库Ａ和堤 防Ｂ构成，保障防护区Ｓ。、Ｓ 的防洪体系。堤防Ｂ长度为Ｌ，根 据水力参数和结构参数的变化，可分为 、 上下游两段，各 段堤防具有相同的统计参数值，河槽断面面积为Ｓ。 ３．２．２工程防洪体系的洪灾风险 已知各类工程在洪水作用下的可靠度，计算发生大于Ｐ的 单峰洪水过程时防洪体系的洪水风险。结合该线性防洪体系 洪灾风险分析模型，分析不同水工结构防洪参数的变化对整体 防洪区域洪灾风险的影响。 各工程在洪水作用下的可靠度可根据水库最高库水位 及相应的最大下泄流量Ｑ：，考虑结构力学参数的随机性，利用 结构体系可靠度的计算原理来求取。随着水库下泄洪水，库水 位由 开始下降，该洪水的洪灾风险也随之向下游转移，由 Ｑ：与堤防水位日的对应关系，以堤防长度为参数，可求得堤防 的可靠指标 在其他参数不变的条件下，堤防的可靠度与堤 防长度及位置有关。如在堤防 。不失效的前提下，才有Ｑ 在 ・９・ 人民黄河２０１３年第ｌ１期 Ｌ 堤防的失效概率，故整段堤防发生破坏的概率应为 （１一 ） 。 坝结构的洪水风险值虽然变大，但合理的蓄滞洪方案，可以有 效减小该防洪体系的洪水风险值（见表２）。随着大坝安全监 测技术的不断发展和广泛应用，在防御区域洪水时，安全合理 地利用或扩大水库蓄、滞洪功能，可有效降低区域防洪风险。 （２）提高堤防的可靠性，可使该子区域洪水风险值减小，见 表３、表４。但从区域洪水风险角度分析，提高上游普通城市堤 防的防护标准，对于其下游重点城市的洪灾风险，不仅没有降 低，反而会使其洪灾风险增大（见表３）。该模型的计算结果符 合自然规律，在防治区域洪水的过程中，可以人为减小上游经 济损失值相对较小堤段的可靠性，在合理部位设置分蓄洪工 程，来降低该防洪体系的防洪风险，在资料充分的条件下，该模 型也可作为蓄滞洪区设置的理论依据。 （３）适当提高重点堤防段（如Ｌ，）的防洪安全性，可有效降 低该防洪体系的防洪风险。 发生大于频率为Ｐ的洪水时，利用结构体系可靠度的计算 原理来求取该防洪体系各部分参数及其相应的经济损失（见 表１）。 表１ 防洪体系各部分的可靠指标及相应风险损失 防护区Ｓ 、Ｓ 分别受 。、，Ｊ 的保护， 。、 任何一个失效的 可能性都将造成经济损失Ｃ ，该防洪体系在发生大于频率为Ｐ 的洪水时的洪水风险分别为Ｒ ＝Ｐ ‘（Ｐ）×Ｃ ＝１３．５万元、 Ｒ（Ｉ２＝［１一Ｐ ‘（Ｐ）］Ｐ （Ｐ）Ｃ【Ｉ２＝７７．３０３万元、Ｒ ＝Ｐ （Ｐ）Ｃ ＝ ７．２３５万元，故Ｒ：７７．３０３万元，即该防洪体系风险的控制位置 在经济防护区Ｓ：相关的堤防位置处。 ３．２．３ 防洪工程系统组成的变化对洪灾风险的影响 （１）水库蓄洪量增大，下泄流量减小。该条件发生变化主 要是在汛期，为了调洪、错峰而使水库超蓄洪水。由于水库上 游水位升高，因此相应的工程可靠度会降低、坝体破坏导致的 经济损失会增大；坝体下游堤防通过流量减小，可靠度增大，相 应的破坏损失降低，见表２。 表２水库泄洪方案变化后防洪体系的参数变化及洪水风险 ４结语 利用建立的工程防洪体系洪水风险分析模型，通过对简单 的线性工程防洪系统进行分析，验证了洪水演进过程中相关水 利工程对于洪灾风险的影响，揭示了不同水工结构可靠度的变 化对于区域洪灾风险的影响。结果表明：①利用水库多蓄滞洪 水并减小下泄流量虽然增大了大坝的洪水风险，但通过合理设 置蓄滞洪方案可以有效地减小整个防洪体系的洪水风险值；② 在防治区域洪水的过程中，可以通过人为降低上游经济损失相 注：Ｒ［１Ｉ＝６．１８４万元；Ｒｄ２＝３６．２３０万元； ＝１１．８５８万元。 对较小堤段的可靠性，在合理部位设置分蓄洪工程来降低整个 防洪体系的防洪风险；③适当提高重点堤段的防洪安全性，可 有效降低整个防洪体系的防洪风险。 （２）某段堤防加固，其他条件不变。较大的流域通常会分 属不同的行政区域管辖，城市建设和规划会使某段堤防的结构 参数发生改变，进而影响当地及下游地区的洪水风险。结合模 型，讨论该问题的２种情况：①普通堤防（ ）安全标准提高，水 文条件不变，见表３；②重点堤防（ ，）安全标准提高，见表４。 表３ 水库功能不变，普通堤防可靠性变化后防洪体系的洪水风险 参考文献： ［１］ 邓玉梅．建立洪水影响评价制度加快城市防洪由控制洪水向洪水管理转变 ［Ｊ］水利发展研究，２００９（３）：２３—２４． ［２］陈进，黄薇．重力坝系统可靠度研究方法探讨［Ｊ］．长江科学院院报，１９９７ （３）：２１—２４ 注：Ｒ＿１１＝４．８３４万元；Ｒ【Ｉ２＝７７．３７０万元；Ｒ ＝７．２３５万元。 ［３］ 中华人民共和国建没部．ＧＢ５０１９９－－１９９４水利水电工程结构可靠度设计统 一标准［ｓ］北京：水利电力出版社，１９９４ 表４水库功能不变，重点堤防可靠性变化后防洪体系的洪水风险 ［４］ 李雷，５Ｅｌ－钟，盛金保，等．大坝风险评价与风险管理［Ｍ］．北京：中同水利 水电出版社，２００６． ［５］ 李青云．长江堤防工程安全评价的理论和方法研究［Ｄ］北京：清华大学， 注－Ｒｄ１＝１３．５００万元；Ｒ ＝３８．６２０万元；Ｒ ＝７．２３５万元。 ２ｏｏ２． 对于简单的线性工程防洪系统，在降雨或洪水标准不变的 前提下，由上述工程防洪体系洪水风险模型可得出以下结论。 ［６］黄夏坤．浔江防洪堤对沿江洪水影响的多方案对比研究［Ｄ］．南京：河海大 学，２Ｏｏ４． 【责任编辑◆ ……０…０… ～０一－…０一－…０…翟戌亮】 ０一● （１）提高水库蓄滞洪的能力，减小下泄洪峰的量值Ｑ：，大 ．．－◆一◆一◆－．＿¨＿．＿◆＿．＿．＿．＿．Ｈ◆－◆－．＿¨－．－◆一◆－．－４．－ｍ（上接第７页） 术，２０１２（２）：２６—２８． ［４］ 易军．基于景观生态学的柳州生态用地规划布局研究［Ｄ］武汉：华中农业 参考文献： ［１］邬建国．景观牛态学一格局、过程、尺度与等级［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，２０００ 『６］ 大学，２０１０． ［５］ Ｌｙｌｅ，Ｊｏｈｎ Ｔｉｌｌｍａｎ．Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｈｕｍａｎ Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ［Ｍ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ Ｄ Ｃ．：Ｉｓ— ｌａｎｄ Ｐｒｅｓｓ，１９９９． 宗跃光．城市景观生态规划中的廊道效应研究：以北京市区为例［Ｊ］．生态 学报，１９９９（３）：１４５—１５０． ［２］ 杜强，干东胜．河道的牛态功能及水文过程的生态效应［ｊ］．中国水利水电 科学研究院学报，２００５（１２）：２８７—２９０． ［３］任贺靖．城市河道整治控制要素及生态护岸结构探讨［Ｊ］．水科学与工程技 【责任编辑翟戌亮】 ・１０・