以系统治理理念提高中小水库防洪能力

2023-02-10钮新强谭界雄田金章

中国水利 2023年1期

钮新强，谭界雄，李星，田金章

（1.国家大坝安全工程技术研究中心，430010，武汉；2.长江设计集团有限公司，430010，武汉；3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）

据2020年全国水利发展统计公报，我国共建成水库98 566座，中小型水库占比约99.2%，其中中型水库4098座，库容1179亿m3，小型水库93 694座，库容717亿m3。

我国高度重视水库大坝安全。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出要提升水旱灾害防御能力，实施防洪提升工程，解决防汛薄弱环节，加快防洪控制性枢纽工程建设和中小河流治理、病险水库除险加固。水利部高度重视水利工程防洪安全，提出“人员不伤亡、水库不垮坝、重要堤防不决口、重要基础设施不受冲击”的“四不”要求。我国中小型水库量大面广，是水利工程防洪安全的重要组成部分。1954年至今，我国各类水库共发生溃坝约3550座，其中中小型水库大坝占比99.9%，中小型水库防洪能力对水库自身安全及国家整体防洪安全极为重要。

一、中小型水库防洪能力现状

1.防洪标准偏低

我国现行水库等级划分与防洪标准选择方法是以工程规模、效益和在经济社会中的重要性，按库容、防洪、治涝、灌溉、供水、发电等6个类别的9项指标来确定的，采用“就高不就低”的原则，先确定工程等别，再根据工程等别确定建筑物级别，最后根据建筑物级别确定防洪标准。美国现行大坝等级划分和防洪标准是以大坝失事所造成的潜在危害来确定的。

对于失事或调度失误有可能造成生命损失的高风险等级大坝，美国联邦应急管理署（FEMA）的防洪标准采用水文设计最高标准，即PMF。如表1所示，我国山区、丘陵区中小型水库的校核洪水标准最高等级为2000年一遇，最低等级为100年一遇，平原、滨海区中小型水库的校核洪水标准最高等级为300年一遇，最低等级为20年一遇。与美国高风险等级大坝的防洪标准相比，我国中小型水库，尤其是小型水库的防洪标准仍存在一定差距。同时，美国、英国、加拿大等均将水库潜在失事可能造成的生命、财产损失作为确定防洪标准的主要因素，而我国没有明确将生命安全单列为防洪标准的考量因素。

表1 中国与美国防洪标准对比

2.防洪能力复核标准偏低

大坝安全鉴定是水库大坝运行管理工作的重要环节，中小型水库大坝安全鉴定主要按照或参照《水库大坝安全评价导则》（SL 258—2017）执行，按防洪能力复核要求对防洪标准、设计洪水复核计算、调洪计算、大坝抗洪能力进行复核。防洪标准复核是复核水库工程等别、建筑物级别和防洪标准是否符合《防洪标准》（GB 50201—2014）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定。

根据《水库大坝安全评价导则》，对于执行《防洪标准》和《水利水电工程等级划分及洪水标准》确有困难的，水库防洪标准复核按1989年颁布的《水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准的意见》执行。即非常运用洪水标准不得低于近期非常运用洪水标准，洪水标准如表2所示。由表可知，该防洪安全复核的洪水标准明显低于现行规范要求。如土石坝3级建筑物的校核洪水标准，《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定为2000年一遇～1000年一遇，而表2中的土石坝近期非常运用洪水标准规定仅为500年一遇。此外，部分省区确定的4级、5级建筑物近期非常运用标准偏低，有的甚至低于《水利水电工程等级划分及洪水标准》的要求，如表3所示。

表2 永久性水工建筑物近期非常运用洪水标准表

表3 4级和5级永久性水工建筑物近期非常运用洪水标准表

3.部分水库泄洪能力不足

我国早期修建的中小型水库大坝放水设施部分采用坝体埋管形式，超泄能力先天不足，加之运行时间过长、坝体沉降等，涵管老化、破裂、堵塞等问题突出，遭遇洪水时泄洪能力极为有限。

据统计，全国中型水库共有169座无泄洪设施，小型水库3845座无泄洪设施。中小型病险水库除险加固后，部分水库大坝增设了泄洪通道，但部分水库泄洪设施可靠性难以保证，部分行洪通道被侵占，严重影响泄洪能力。

二、中小型水库防洪安全面临的挑战

1.极端天气事件频发

1954—2018年间全国各类水库发生溃坝事件3541起，中小型水库溃坝占比96.27%，其中1/3以上是由于遭遇特大洪水、设计洪水偏低和泄洪设备失灵，引起洪水漫顶而失事。中小型水库由于工程规模小、防洪标准偏低、泄洪能力不足，一旦遇到超过防洪能力的洪水，如无应急措施，工程本身极易被破坏。

受全球性气候变化影响，我国强降水等极端事件增多增强，气候风险水平趋于上升。根据统计，我国1991—2020年气候风险指数平均值（6.8）较1961—1990年平均值（4.3）增加了58%。以全球变暖为主要特征的气候变化，导致大气持水能力增加，增加了特大暴雨、超标准洪水发生的概率和强度。按水库运行阶段统计，因超标准洪水导致的溃坝1954—1979年279座（占比10%），1980—1999年150座（占比28%），2000年至今45座（占比44%），超标准洪水导致溃坝比例呈增大的趋势。

2.运行环境发生变化

随着我国经济社会发展，水库下游影响区人口、社会经济当量增加，“都市型”水库增多，保护对象、运行环境、运行维护边界发生了显著变化。随着城市化进程的加快，大多数水库由“郊野型”变为“都市型”，例如，深圳市共有水库177座（其中中小型水库175座），其中都市型水库134座（占比76%）。大多数都市型水库下游保护对象为人口密集的商业中心、居民区、重要交通通道等，水库大坝必须确保万无一失，例如，湖北省陆水水库主坝和#8副坝紧邻赤壁市城区，城区人口近50万人，下游2～8 km范围内有京广铁路、京广高铁、京港澳高速公路等国家重要交通基础设施，#2副坝泄洪闸和#1B副坝爆溃式非常溢洪道下游行洪通道附近已建成居民区。水库大坝运行环境发生变化后，一旦溃坝造成的损失和危害较原设计时不可同日而语，对水库运行安全、应急保障提出更高的要求。

3.水库大坝超期服役、老龄化严重

《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL 654—2014）规定，中、小型水库合理使用年限为50年，我国中小型水库中的81%建于20世纪50—70年代，已超过规范允许的合理使用年限，且受当时技术水平低、资金有限、施工质量不高等影响，部分水库防洪标准偏低，安全隐患突出，水库出险及溃坝时有发生。

1998年大水后，我国累计投入近3000亿元对2800座大中型病险水库、6.9万座小型病险水库进行除险加固，目前仍有1.3万多座存量病险水库待加固，每年还有增量病险水库，已加固的小型水库中尚有1.65万座未竣工验收，部分大坝处于“亚健康”状态。

4.安全管理智慧化建设滞后

（1）无法及时获取小型水库的运行状态

根据水利部2016年发布的全国水库大坝安全监测设施建设与运行现状调查报告，小型水库设有水位观测、渗流量监测、渗压监测、变形监测设施的分别占49.60%、6.50%、3.09%和9.03%。当前，大部分小型水库仍缺乏安全监测设施，无法及时获取、分析安全监测信息，掌握大坝安全性态。

（2）基于大数据的大坝安全管理存在局限

大坝安全管理尚停留在收集监测数据层面，未建立有效实用的多元信息融合、多维度综合的在线快速分析及智能评价体系用于评判大坝运行性态。此外，目前的大坝安全监测管理系统主要针对单个水库大坝，在面对流域水库群规模庞大、单元众多、关系错综、结构复杂的动态多目标系统时，大坝安全监测海量级数据使得传统的存储方式、分析方法及系统集成方法并不适用。

三、系统提高中小型水库防洪能力

中小型水库量大面广，在农业、工业等方面发挥着重要的作用，特别是小型水库主要分布在农村，是农村重要的水源，对农村经济发展起到积极的作用。中小型水库防洪安全意义重大，需坚持系统治理理念提升其防洪能力。系统治理是指综合运用多种手段，从理念、标准、技术、管理等方面出发，统筹理念与技术、工程措施与非工程措施、分级行政管理与智慧统一管理等，通过创新防洪安全理念、完善洪水标准体系、推进水库除险加固、提高信息化管理水平，不断提升中小型水库防洪能力。

1.创新大坝防洪安全理念

保障上下游水库防洪安全。考虑流域水库规模的协调，统筹考虑上下游水库的设计洪水标准，制定对应的防洪调度方案及应对措施，保障大坝在极端条件下的安全。如2021年内蒙古永安、新发水库连溃事故中，下游新发水库（中型，平原型）的校核洪水标准（300年一遇）低于上游永安水库（小（1）型，山区丘陵型）的校核洪水标准（500年一遇），且下游新发水库的洪水标准未考虑上游水库溃坝的影响。

保障全生命期大坝防洪安全。规划设计阶段，按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）规定的“梯级水库洪水标准要相互协调”，合理选择水库洪水标准，考虑经济社会发展趋势及上下游水库规划情况。建设阶段，选择合适的行洪方式，尤其利用大坝底孔、隧洞、涵管过流时，应考虑洪水流量与过流能力，保障大坝在汛期的安全。运行阶段，加强大坝安全监测，定期开展安全评价，加强极端天气预报预警，制定合理的调度方案与科学、有效的应急预案。

2.适当提升中小型水库防洪标准

引入风险评估技术，根据水库失事或调度失误可能对下游地区造成的人员伤亡和经济损失、“生命线”中断、环境破坏等灾害后果，研究制订我国中小型水库潜在风险等级分类标准，对全国中小型水库的防洪标准开展专项普查，识别高风险等级的中小型水库，建立名录数据库，由第三方独立机构开展抽查评估。

根据水库所在流域位置和坝型、坝高、库容，以及水库失事可能对下游地区造成的人员伤亡、经济损失、环境破坏等灾害后果，充分考虑经济社会发展、水库功能和防洪保护对象发生的变化，复核水库洪水标准，借鉴国外同类经验，适当提高我国高风险等级中小型水库的防洪标准。

3.持续推进中小型病险水库防洪能力达标

根据“十四五”中小型水库除险加固实施方案和年度计划，加快推进中小型水库防洪能力达标，尽早消除水库病险隐患。结合中小型水库所在地区的经济社会发展水平，按轻重缓急原则，分地区、分阶段、科学合理地制订及实施中小型水库除险加固计划。

研究提高大坝安全评价中防洪复核的洪水标准，中小型水库洪水标准统一按现行规范（SL 252—2017）进行防洪能力复核及防洪安全性评价，避免低标准达标，保障中小型水库加固后安全运行。推进制订水库除险加固相关勘察设计规范，构建水库安全鉴定—除险加固—后评估的全过程管理体系，完善水库大坝除险加固机制。

4.数字赋能提高中小型水库信息化管理水平

加强数字科技引领，依靠互联网、大数据、边缘计算等信息化技术手段，解决中小型水库安全管理的“最后一公里”问题。运用大数据技术，汇集中小型水库相关数据，挖掘数据潜在信息价值，并将数据赋能于管理，实现数据的科学有效利用。基于云计算、大数据、物联网、人工智能、移动互联网技术，深度融合水库标准化管理内容与信息化技术手段，全方位提高中小型水库雨水情监测、工程安全监测、洪水预报调度、应急调度与预案、水库巡检等工作的信息化管理水平，实现粗放式管理向精细化管理、传统管理向数字化管理的转变。