洪水风险与防洪标准分析

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：因而，上二式实质是相容的，洪水灾害风险率和防洪事故风险率均与洪水概率有关。

洪涝灾害一直是人类的心腹之患。例如，我国长江流域，除青藏高原部分地区外，各地都可能出现暴雨洪水，酿成中下游洪水漫溢、堤防溃决；上游河谷阶地和山间盆地遭淹；众多支流山洪突发，触发滑坡和泥石流，因而流域内洪灾连绵不断。据历史记载，从公元前185年（汉初）至1911年（清末），平均约10年发生一次较大洪灾。近1000年，长江宜昌有8年出现80000m3／s以上的洪峰流量，其中1788年（清乾隆五十三年）、1860年（清咸丰十年）和1870年（清同治九年）相隔不足百年，分别出现86000m3／s、92500m3／s、105000m3／s的流量，造成严重灾害。近代1931年、1935年和1954年洪水，中下游地区生命财产损失也十分惨重。因此，治理洪灾成为历朝历代治国安邦的大事。采取防洪措施，以防治洪水泛滥、缩小淹没范围和减缓灾害损失。一般言之，措施为两类：一为工程措施，主要有堤防、河道整治、分洪蓄工程和水库工程等，扩大河道泄洪能力，分流疏导和拦蓄洪水，以实现防洪的目的；二为非工程措施，主要有洪水预报警报、洪水调度、洪泛区管理、洪水保险、河道管理、非常洪水防治预案以及有关的法规和经济等非工程的防洪对策，以达到预防和减轻洪水威胁、充分发挥工程的作用和减缓洪水灾害的目的。以上两项措施在长江流域兼而有之，构成长江流域防洪体系。

5.1.1.1　洪水灾害风险概念

洪水有常遇洪水和异常洪水之分，采取一定防御措施可免除洪水灾害损失，但因措施有一定的制约因素和使用条件，超过其防洪能力则工程失事仍有损失，甚至造成严重损失。按风险理论：“可能发生的损失和发生损失的概率”即为风险。将其应用于洪水灾害，洪水灾害风险的定义是：产生洪水灾害的概率和洪水灾害的可能损失。简言之，洪水灾害风险是用成灾洪水的概率和可能造成的损失来衡量，可用下式表示：

式中：R为洪水灾害的风险；P为成灾洪水的概率；L为该洪水发生时可能造成的损失。

防洪系统安全设计需要考虑其安全事故风险率，应考虑系统在规定的运行年限内，因洪水超过防洪能力，会使系统遭受损坏而不能完成其预定的功能。设系统遭受的洪水事件为x，系统防洪的能力为y。当x＜y时，系统保持正常运行；反之，x＞y时，则系统局部或整体失效。因x、y均为随机变量，x＞y，系统可能发生安全事故是随机事件，其出现的概率即为该系统可能的风险率，可用下式表示：

式中：R为系统事故风险率；x为洪水事件；y为系统防洪能力；fxy（x，y）为系统遭受的洪水x和防洪能力y的联合分布密度函数。

由式（5.1）、式（5.2）可知，洪水灾害风险率和防洪系统事故风险率的共同点是均与洪水概率有关；不同点是前者直接与损失有关，后者与系统承受洪水能力有关而与失事损失没有直接联系。原则上讲，失事损失也是可以估计的。因而，上二式实质是相容的，洪水灾害风险率和防洪事故风险率均与洪水概率有关。

5.1.1.2　洪水安全设计和防洪标准

由于防洪工程或防洪系统失事的后果，包含了生命财产、社会经济和政治稳定等因素，工程或系统的防洪能力影响因素众多，因此，两者均难用随机性或确定性的函数表征。在传统设计中，将失事后果和承载能力划分成等级并视为确定性函数，简化式（5.2），则工程或系统安全的风险率为：

式中：Px＝P（x＞y）是洪水频率；fx（x）是洪水的概率密度函数；Fx（x）是其分布函数，即水文专业广泛采用的累积频率曲线，简称频率曲线。

因而，防洪安全设计可归结为寻求（或预估）洪水的概率分布函数。由于不同工程或系统的功能不同，设计要求也不同，Fx（x）代表不同的洪水特征；例如，堤防设计一般要求洪峰流量或水位；大中型水库设计要求洪水过程，严格讲应是洪水随机过程，实际上简化为以控制洪水过程的特征值：洪峰、时段洪量和模拟洪水过程。当洪水概率Px选定，则相应的设计值Xp就可由其分布函数推求，亦即水文特征值Xp可由其频率曲线求得。

防洪安全设计按工程或系统的功能可分为两类：一类是预估工程所在地可能出现的洪水情况，以推求指定安全程度（洪水重现期或频率）的设计值，确定工程的规模和水工建筑物尺寸，或核算工程的安全程度；另一类是推算工程建成后，或防洪保护区可能出现的洪水情况，以核算防洪保护区的安全程度，或推求保护区指定洪水重现期（或频率）的设计值。这两种类型的防洪安全设计，其性质和方法均相同，即由暴雨洪水资料分析工程流域暴雨洪水特性，预估工程运行期间可能出现的洪水情势。

以上所述工程或系统的事故风险率，或“安全程度”，或“指定重现期（或频率）”，即防洪安全设计的设计标准。国家制定了GB50201—94《防洪标准》，国家水行政部门制订了SDJ252—2000《水利水电工程等级划分及设计标准》，以确定工程等级和设计标准。

我国防洪标准规定，防洪对象的防洪标准应以防御的洪水或潮水的重现期（频率）表示，对特别重要的对象，可采用可能最大洪水（PMF）表示，根据防洪对象的不同需要，其防洪标准可采用设计一级或设计、校核两级。

（1）水利水电枢纽工程，根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等，见表5.1。

表5.1　水利水电枢纽工程的等别

（2）水利水电枢纽工程的水工建筑物，据其所属枢纽工程的等别、作用和重要性分五级，见表5.2。

表5.2　水工建筑物的级别

（3）水库工程水工建筑物的防洪标准，见表5.3。

表5.3　水库工程水工建筑物的防洪标准

土石坝一旦失事将对下游造成特别重大的灾害时，1级建筑物的校核防洪标准，应采用可能最大洪水（PMF）或10000年一遇洪水；混凝土坝和浆砌石坝，如果洪水漫顶可能造成极其严重的损失时，1级建筑物的校核防洪标准，经专门论证，并报主管部门批准，可采用可能最大洪水（PMF）或10000年一遇洪水。

（4）城市防洪标准，根据其社会经济地位的重要性或非农业人口的数量分为四个等级，见表5.4。

表5.4　城市的等级和防洪标准

（5）乡村防护区防洪标准，根据其人口或耕地面积分为四个等级，见表5.5。