美国陆军工程师团堤坝水文风险的评估与处理

[美国]　D. A. 马戈 等

美国陆军工程师团堤坝水文风险的评估与处理

[美国]D. A. 马戈 等

摘要：美国陆军工程师团(USACE)从仅基于过去40 a收集的水文数据进行分析研究，正逐步转向风险指引型(risk-informed)决策机制。建立了随机事件洪水模拟模型，并使用这些工具进行决策支持。USACE已识别出多座大坝存在严重漫顶风险，在对水文信息进行更新之后，发现一些大坝面临的风险正在显现。USACE拟定了溢洪道和泄洪口的稳健设计策略，以适应假定水文条件的潜在变化。讨论了处理漫顶风险的整体策略。

关键词：大坝；灌顶风险；水文信息；风险策略；美国

美国陆军工程师团(USACE)是一个联邦水资源机构，负责美国本土和波多黎各大约700座大坝的运行与维护，其中多座大坝的设计与修建大都在1950～1980年间完成。大坝的作用主要体现在洪水风险管理、航运、供水、水力发电、环境管护、鱼类和野生生物保护以及休闲娱乐方面。2004～2013年，USACE管理的大坝避免了大约5 000亿美元的洪灾损失，大坝的平均投资回报率大约是每投资1美元收益8美元。自1970年代以来，USACE一直坚持推进主动的大坝安全计划，确保这些大坝的完整性。到目前为止，USACE管理的大坝中，一半以上已经超过其50 a的初始设计寿命，需要进行更新改造，并需要大量投资来维持其稳定的运行。这些需要更新改造的大坝中有多座存在严重的漫顶风险。

1风险指引型方法的转变

在20世纪80年代，USACE开始从新建大坝转向对现有大坝的维护与更新改造。尽管当时已经认识到有必要开发和考虑概率性方法和风险指引型方法，但决策制定仍然是基于传统的工程设计标准。通过大坝加高和溢洪道改造，对多座大坝进行了更新改造，以符合重新估算的可能最大洪水标准。2005年前后，USACE的大坝安全计划经历了重大的基础性改变，USACE为该计划引入了风险指引型方法。现在，USACE采取的是一种多角度的方法来管理其大坝安全风险。风险指引型决策将传统的工程分析与基于数据估算的风险相结合，以综合考虑潜在的失事模式、可利用的数据、建筑记录、案例以及专业的经验与判断。就管理大坝水文风险而言，这种向风险指引型决策的转变为估算水文灾害提供了一种更为可信的方法，并能给出适应性更强的设计。

2美国水文设计历史(1970年以前)

在1900年之前，工程师们不得不主要依赖其判断和经验来选择入库设计洪水。尽管水文循环的概念已被广为接受，但当时水文还没有成为一门科学，而且数据有限。大坝设计可资利用的信息通常是对过去洪水的历史记录或坊间证据。洪峰流量多根据高洪洪痕估算，并以其作为设计的主要依据。1800～1900年，多个与水文学相关的政府机构成立，包括美国陆军工程师团(1802年)、地质调查局(1879年)和气象局(1891年)。这些机构领导了一项全国性的地形测量和水文调查综合计划，从而推进了地表水观测和数据收集工作的开展。

20世纪初，水文学研究取得进展，这包括建立了更为系统的水文数据收集体系，开发了多种基于流域特征值估算洪峰流量的方法和公式。

地质调查局负责全美地表水数据收集与维护。气象局则负责全美降水数据的收集与维护。引入区域化分析方法，以便利用多个站点的观测成果。利用外延、移植和包络线的概念对未被观测到的极端洪水进行估算。通过对区域内已被观测到的最大洪水进行移植和包络，可为可能出现的极端洪水估算增加置信度。

20世纪30年代出现的下渗和单位线理论，为水文学家估算入库设计洪水提供了更为合理且科学的方法，使根据设计降雨事件估算设计洪水成为可能。一个区域观测到的最大暴雨，可以被移植到研究流域，用于估算设计暴雨以及相应的入库设计洪水。USACE采纳了这一方法，并开始使用“溢洪道设计洪水”一词。同时，这一概念也被接受，即极端洪水的出现是由一些非常规事件共同作用的结果。在估算入库设计洪水时，就需要考虑其他额外的因素，如前期暴雨和积雪融化等。USACE管理的众多大坝中，许多就是采用这种方法设计的。

统计学方法在水文学的利用始于19世纪中叶。水资源委员会1967年发布了第15号公报，为联邦水资源规划与开发机构提供了统一指南。随后多次对这一文件进行了更新，包括1976年的第17号公报和1981年的第17B号公报。这些方法被用来评估洪水频率及500 a一遇或更小洪水导致的洪水风险。

为了估算10 000 a一遇的入库设计洪水，曾试图将频率曲线外延。后来基本上不再使用统计方法来估算极端洪水事件，因为出现了多个实测洪水远远超出了定义的洪水频率关系的情况。当时，对使用外延法作为风险分析或设计极端洪水事件的基础的信心不足。

可能最大降水概念出现在20世纪30年代，它以气团分析为基础。工程师们借助气象学家来确立出于设计目的降雨量极限值。直到20世纪中叶国家气象局首次发布水文气象报告之前，这些概念都没有在大坝设计中被广泛开发或采用。世界气象组织(WMO)也为估算可能最大降水发布了指南。这些报告为最大可能降水的估算提供了数据和方法。该方法的基础是对已观测到的极值降雨事件进行移植、最大化和包络。其中最早的水文气象报告(HMR)是HMR 39 (1963年)，最近的则是HMR 59 (1999年)。这些通用概念和方法至今仍在使用，HMR的许多方法至今仍然用来估算入库设计洪水。

3USACE水文设计实践(1970～2005年)

继西弗吉尼亚州的布法罗(Buffalo)河坝和南达科他州的坝宁(Canyon)湖坝失事之后，美国国会于1972年通过了《国家大坝检查法案》，USACE牵头执行该法案的有关规定，包括对国内所有大坝进行建档并检查。为完成这一任务，首个实用的入库设计洪水标准及大坝分类系统在1974年得以实施。USACE所辖的许多洪水风险管理大坝被确定为不符合这些基本设计指南，因为这些大坝当初并非按最大可能洪水(PMF)设计，或者与原先设计的PMF的估算相比，已发生变化。

1979年，联邦应急管理局发布了首个大坝安全国家标准，为大坝联邦机构业主和受联邦机构管理的大坝业主提供了指南。这些指南支持在选择入库设计洪水时使用风险分析方法，并特别指出，如果大坝失事可能导致生命损失，则必须按最大可能洪水进行设计。这一方法反映了水文实践的现状。至此，统计方法在水文学中的使用得以确立，但还不能用来推断极端事件。

在接下来的20 a里，USACE投入巨资对水文设计条件不够充分的大坝进行了更新改造，使得它们可以通过入库设计洪水指标。大坝建设时代逐渐退出舞台，USACE转向对大坝改造和现代化管理时代。对水文设计条件进行修正，一般包括使用护墙进行坝体加高，或者通过新建或修改溢洪道设计来增加泄流能力。在这一期间，入库设计洪水指南相关细则得以更新发展。例如，依据高度对大坝进行分类的条款从入库设计洪水选择指南中剔除，其基础原则即高风险大坝应按PMF设计则保持不变。

大坝安全管理向风险指引型方法的转变始于20世纪80年代，当时，USACE发布了对已建大坝水文设计条件进行修正的评估指南。这些指南包括了对大坝失事后果的考虑，其中之一就是潜在生命损失。需要在降低风险与改造费用之间进行权衡。不过，采用的分析工具和方法仍然不太成熟，这样，对风险的完全定量评估并不普遍。如果大坝失事与否，其间的差异不大，则也可以选用小于PMF的设计入库洪水。替代方案以降低风险和剩余风险为基础，而不仅仅是简单地选择最小费用的方案。

同样是在80年代，出台了国家经济和环境指南，以指导联邦水资源投资项目的设计和评估，使项目投资对国家经济发展的贡献率最大化。实现这些目标需要对经济损失和洪水风险进行评估。此后不久，USACE采用了风险指引型方法来对堤防和类似的水资源基础设施进行评估和设计。对因水文设计条件缺乏而存在安全问题的大坝的改造要求，并没有因为这些指南受到太大的影响或改变，而对存在其他安全问题大坝的改造，如内部侵蚀，则受到这些指南的影响，包括需要对经济和生命损失风险进行明确评估。尽管进行了风险估算，但是总体上，USACE和整个行业对所使用的工具、方法和结果缺乏经验和把握，尤其是对极端事件频率、不同荷载情况下的溃坝概率以及潜在生命损失的估算更是如此。尽管生命安全决策是隐性做出的，但该机构显然并没有准备好采用主要关注生命安全风险显性估值的策略。对高风险项目按照传统严格的设计标准进行评估和设计，依然是相关安全决策的基础。因此，对水文数据和入库设计洪水估值的更新方面的投资，优先级通常都较低。随着时间的推移，这些策略和指南的确得到了发展，并得到了研发领域投资的支持，只是进展相对缓慢。

4水文设计实践现状与未来

2005年，USACE转向风险指引型大坝安全管理模式，相应地，该机构评估水文危害和设计水工建筑物的实践也随之发生改变。国家关于选择和提供入库设计洪水的指南也在2013年进行了更新，这些指南包括使用风险指引型方法来评估水文危害和选择设计洪水。在这一框架下，大坝安全决策需要入库设计洪水和水文危害的最新估值，并且这些估值以可资利用的最好数据和科学为基础。

设计也需要水工建筑物性能好和适应力强，可以在不同荷载条件下运行。为此，USACE和其他联邦机构在过去5～10 a里采取了一系列举措，这些举措反映了USACE水文设计和危害分析实践的现状。

4.1暴雨数据

从历史暴雨观测得到的降水数据是水文研究的关键信息之一。然而，绝大多数现有数据都不是最新的，而且只以纸质方式保存。目前，USACE正在牵头一项多机构参与的活动，旨在建立一个国家地理空间数据库，该数据库将纳入现有记录，并收集自1973年USACE最后一次发布暴雨目录及1999年上一次发布HMR以来发生的降水事件的暴雨数据。通过该项目，可增加几十年的暴雨数据。这些暴雨数据正用于支持多座USACE大坝PMP的估算，包括布卢斯通(Bluestone)坝和玛尔提斯河(Martis Creek)坝。

4.2最大可能降水

作为估算入库设计洪水基础的HMR已经存在了20～50 a。USACE最大可能降水的最新估算以具体站点的研究为基础，遵循WMO发布的方法和指南，并且考虑了新近发生暴雨数据。这些研究提供了更为可靠的入库设计洪水估值。到目前为止，总体而言，所完成的具体站点PMP估值，要比从HMR报告推导出来的一般化的PMP估值要小10%。

4.3降水频率

美国国家气象局通过发布系列出版物NOAA图集第14册，正在对全国范围内基于频率的降水估值进行更新。目前，在50个州中，给出了38个州基于频率的点雨量估值，这些降水重现期1 000 a一遇、历时5 min到60 d不等。正在对另外7个州展开研究。这些估值以区域化方法为基础，使用线性矩法(L-矩法)，并包含了自20世纪60年代发布最后一次估值以来新增的几十年数据。这些频率降水估值可以填补观测流量记录与更极端洪水事件之间的缺口。频率降水估值已经用来对多座大坝的水文-危害关系进行延展。

4.4洪水频率

正在对国家洪水频率分析指南进行更新。目前使用的方法是1981年出版的公报17B中发布的。这些更新中将包括期望矩算法(EMA)的使用，该方法被证明提高了吸收历史洪水和古洪水信息的能力。分析中将采用该方法综合USACE多个坝址的古洪水信息。

4.5古洪水分析

USACE正在研究将古洪水数据用到堤坝水文危害评估中。古洪水水文学是对过去洪水的地质记录进行研究，这些洪水发生在有人类观测或直接记录之前。这些估值可用来支持展延水文危害关系，提供历史洪水频率方面的有用信息。2015年，USACE分别在鲁克奥特坡因特(Lookout Point)坝、加里森(Garrison)坝和波尔芒特(Ball Mountain)坝开展了试验研究。

4.6随机模拟

可以对确定性水文模型进行重建，从而将输入参数当作概率变量。使用蒙特卡洛采样技术维护实际观测到的统计特性，包括参数之间存在的依存关系。

通过模拟概率输入参数的自然变化特性，这些参数可用来估算极端洪水的概率，模拟那些生成极端洪水事件的因素组合情况，如较大土壤前期湿度加上极端降雨的组合。

也可以通过对模型输入参数不确定性信息的模拟，来对水文危害估值本身具有的不确定性进行评估。正在对多座大坝进行随机洪水模拟，包括赫伯特胡佛(Herbert Hoover)坝、布卢斯通坝和玛尔提斯河坝。

5已建大坝水文条件的修正

在20世纪早期至中叶修建的大坝，通常都使用闸门来调节溢洪道的下泄量并提供防洪库容。溢洪道闸门的设计与选择，在20世纪早期多使用直升式定轮闸门，而到了中叶则几乎完全使用弧形闸门。采用闸控溢洪道，一方面可以有更大的库容，另一方面可以增强对下泄流量的控制。溢洪道设计实践中，也包括使用被动式的、开敞自流式溢洪道。这种设计降低了由漂浮物带来的风险，消除了机械故障和人为失误造成的危害。开敞溢洪道的下泄流量，决定了可预测的水库下泄量，入库洪水得到调节，从而避免了因为溢洪道调度而导致的下游洪灾增加的潜在风险。

USACE管理的众多大坝和溢洪道都是按照设计洪水进行设计和修建的，而这些设计洪水比目前的PMF估值要小。这样，它们就不满足当前USACE设计指南中关于水文设计条件充分的指标。在2005年之前，重点是放在水文设计条件的修正上，诸如以入库设计洪水的单一估值为基础的溢洪道。目前，USACE的设计实践正在不断发生演变，以便开展更详细的水文研究，并能更好地理解水文风险以及在此基础上开发更好的更新方案，从而减少并处理在这些全荷载条件下的风险。通常从以下方面对水文设计条件的缺乏进行修正。

(1) 增加水库库容。对已建大坝加高，是增加水库库容的一种常用的有效手段，因为随着大坝加高，水库面积和容积通常会呈指数级增加。提高库水位将增加库容，从而削弱洪水，同时也可以增加现有溢洪道和排泄工程的下泄能力。

(2) 增加水库下泄能力。修建辅助溢洪道，可以提高下泄能力，通过入库设计洪水。不过，如果设计不当，辅助溢洪道则可能使下游居民遭遇的残余淹没风险增加。

(3) 调整水控计划。许多水库调度方案的水控计划都是针对大坝修建时的流域情况制定的。然而，随着时间推移，流域的水文条件和开发量都会发生变化。对流域当前特征的了解以及提高洪水预报能力，将有助于对水控计划的调整。这些调整可以支持洪水期间更好的调度决策，并提高项目潜在的效益。不需要对大坝进行任何工程上的改变，就可能实现这些效益。

USACE当下正在规划、设计和施工的溢洪道改造项目证明了风险指引型方法的优势，它可以提供一个更为稳健的决策平台。这一方法系统性地处理了水文问题，降低了公众面临的风险，同时采用一种更为经济有效的手段来实施更新改造。下面给出了一系列USACE采用的降低水文和漫顶风险的方案。水文条件修正涉及的项目具有如下特征：增加库容和下泄能力，以及调整水控计划以便通过各种洪水并减少项目总投资。

5.1佛尔瑟姆(Folsom)坝

USACE和垦务局联合为佛尔瑟姆坝的新溢洪道开发了一种创新型的消力池设计。该消力池设计的水流速度大于41.7 m/s，单宽流量超过94 m2/s。与传统的高流速消力池相比，该设计大大降低了消力池的长度和墙体高度，其最大好处在于，降低了建设费用并减小了空蚀损害风险。棋布式消力墩示意图见图1。

图1　超空化棋布式消力墩示意

5.2布卢斯通坝

正在为布卢斯通坝设计一个超空化水跃消力池，处理现有消力池存在的下泄能力不足和侵蚀问题。该设计将使泄洪能力从大约11 327 m3/s增加到33 980 m3/s，允许大坝加高，通过目前的入库设计洪水。

5.3佩克堡(Fort Peck)坝

佩克堡坝的新水跃消力池是碾压混凝土技术的独特应用。该消力池目前正在修建中，其设计用来增加下泄能力，通过目前的入库设计洪水。

5.4森特希尔(Center Hill)坝

正在设计一个新的RCC重力结构物来降低现有副坝(该副坝也兼作辅助自溃式溢洪道)失事的风险。该结构物可以改善副坝的性能，同时降低在自溃式溢洪道启动时副坝溃口的风险。

5.5佛尔瑟姆坝

目前正在兴建的低水位辅助溢洪道和泄流建筑物，可以在极端洪水事件之前提供足够下泄能力下泄水库蓄水，以为遭遇入库设计洪水时提供更多库容。正在开发水控计划，以支持该设计的实施。

5.6伊莎贝拉(Isabella)坝

该项目中，一种创新型的弧形设计将改善引水条件，并提高迷宫堰的效率。同时，根据该设计，在上游弃用了一个厚1.5 m的水泥地板，混凝土用量减少了20%，节省了大笔投资。迷宫型设计以犹他州立大学进行的一项研究为基础。在不需要对现行大坝调度进行任何改变的情况下，该设计通过1条被动式辅助溢洪道，增加下泄能力。大坝加高配合使用迷宫型溢洪道，大坝下游居民潜在的洪灾风险得到缓解。

5.7坎顿(Canton)坝

世界上最大的自溃式闸门最近在坎顿坝上安装完成，它提供了额外的下泄能力，通过目前的入库设计洪水。

6设计理念的转变

最近对多个项目的改造耗费巨大，彰显了转变溢洪道设计理念的必要性。现行方法已不足以用来设计针对单一静态的洪水估值。气候变化、新数据以及人们对水文学的认识的加深，将对估算水文危害及其相应风险产生影响，而这种累计效应是很难预测的。同时，在已得出的极端洪水事件估值中，存在大量的不确定性。从风险指引型角度考察水工建筑物可发现，依赖被动式解决方案的建筑物比那些依赖主动式解决方案的建筑物更加稳健，适应力更强。主动式解决方案包括那些在汛期必须移动的建筑物或那些需要常规维护的建筑物，而被动式解决方案建筑物主要依赖重力，极少需要维护或操作。

随着水文学的不断演变，一些项目有可能需要适应更多的极端洪水事件。对已建大坝进行改造、增加下泄能力的成本会非常昂贵。为此，有必要考虑如超空化溢洪道这类建筑物，其可以设计用来适应超出设计流量的洪水，而不需要进行大的改造。这些建筑物更加稳健，适应力更强，可延长项目的运行寿命。

7结语

2005年以来，USACE使用风险指引型方法对大坝和堤防进行了评估和改造，而该方法的基础是采用先进的水文模拟和水工建筑物设计方法。与只考虑单一设计荷载条件不同，目前决策都是以考虑所有潜在荷载的综合评估为基础。先进水文技术包括使用复杂水文系统的随机模拟、新出现的洪水预报技术以及有关降雨、径流和积雪场的附加数据。

通过对胡佛坝水文灾害的进一步认识和研究，节省大坝安全改造费用数百万美元。同样地，USACE采用了先进的水工建筑物设计理念，包括使用被动式溢洪道、考虑极端洪水的频率估值以及使用更高效的水工建筑物和消力池。通过这些方法，大大节省了溢洪道改造的设计与施工成本。

钱卓洲译

(编辑：朱晓红)

收稿日期：2015-12-28

文章编号：1006-0081(2016)04-0017-05

中图法分类号：X820.4

文献标志码：A