Research on the rank classification method of reservoir projects considering dam failure consequences
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摘要: 针对中国现行水利水电工程等级划分标准对水库大坝失事后果考虑不充分的问题, 在现行标准的基础上引入了"溃坝后果"指标, 构建了考虑溃坝后果的水库工程等级划分体系。通过比较国内外水库大坝分类和工程等级划分方法, 对水库工程等级划分指标进行了分析和论证。基于中国水库大坝社会风险标准和大坝安全标准, 建立了"工程等级-失效概率-溃坝损失"之间的联系, 拟定了不同工程等级所允许的生命损失和经济损失阈值。最后, 提出了基于规模、效益和溃坝后果的水库工程等级划分标准, 并阐述了在水库运行阶段进行工程等级复核与风险管控的相关理念和措施。将该方法应用于常庄、尖岗和郭家咀3座水库的等级划分, 结果表明3座水库工程等别和洪水标准均应在现有基础上有所提高。研究成果对于补充和完善水利水电工程等级划分标准具有重要意义, 并可进一步推动风险管理理念及技术在水库工程中的实际应用。Abstract: A reservoir project classification system considering dam failure consequences is constructed in view of the insufficient thought of dam failure consequences in China. By comparing the classification methods of reservoir projects both domestically and internationally, the classification indexes are analyzed and demonstrated. Based on the social risk criteria and safety standards of reservoir dams in China, a link among "project rank-failure probability-dam failure losses" is established, and the thresholds of life and economic losses allowed for different project ranks are formulated. This manuscript puts forward the classification criteria for reservoir based on scale, benefits and dam failure consequences, and expounds the relevant concepts and measures for engineering grade review and risk management in the operation stage. Applying the method to the rank classification of Changzhuang, Jiangang and Guojiazui reservoirs, the results show that the project rank and flood protection criteria of these three reservoirs should be increased from the existing one. This study is of great significance to supplement and improve the standard for rank classification of water and hydropower projects, and can further promote the practical application of risk management concepts and techniques in reservoir projects.
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Keywords:
- reservoir dam /
- rank classification /
- risk population /
- dam failure losses /
- mortality
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近年来，随着极端气候频发，超标准洪水发生概率增大，使得水库大坝面临着更大的度汛风险[1-3]。2020年5月，强降雨导致美国密歇根州的Edenville大坝和Sanford大坝连续溃决，下游超过1万名居民被迫紧急疏散，基础设施遭到严重破坏[4-5]。2021年7月，郑州发生特大暴雨洪涝灾害，全市143座水库中共有84座出现不同程度险情，给下游市区以及京广铁路干线、南水北调中线工程等重大基础设施安全带来了巨大威胁[6]。其中，郭家咀水库更因溢洪道被施工临时便道堵塞而发生漫顶重大险情，导致下游约10万群众连夜紧急转移[7]。为保证下游人民生命财产安全和工程效益的正常发挥，中国的水利水电工程根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性来划分工程等别和建筑物级别，进而确定相应的设计标准和洪水标准[8]。现行的水利水电工程等级划分标准在一定程度上体现了中国的经济政策和技术政策，但对工程失事后果考虑尚不够充分，也没有给出相应指标[9]。经济社会的快速发展使得水库运行环境、功能和潜在风险等发生了显著变化，社会对于水库的功能定位和运行安全也提出了更高要求[10-11]。鉴于溃坝事件的巨大危害性，其风险问题已经上升为公共安全问题，在进行水库工程等级划分时必须重视其溃坝后果。
随着工程建设规模的增大和公众安全意识的不断提高，许多学者对水库工程等级划分方法及标准进行了研究。Wang等[12]将溃坝后果作为主要指标，提出了梯级水库工程等级划分方法与标准; Ren等[13]对不同国家水库工程分类方法及防洪标准进行了比较和分析，明确了防洪标准的确定与工程等级、坝型和溃坝后对下游的危害等因素有关; 盛金保等[14]针对中国大坝分类方法的局限性进行了剖析和论证，提出在大坝分类时必须对溃坝后果加以考虑; 姜树海等[15]建立了水库工程防洪安全等级与风险概率的对应关系; 李荣容等[9]对国内2 000多座水库划分了工程等别，表明按照坝高指标确定的工程等别普遍比按库容指标确定的工程等别低，且后者更具有实用性; 周建平等[16]建立了中国梯级水库风险等级和风险标准分析模型，初步实现了大坝安全标准和风险标准之间的定量转换与比较; 周兴波等[17-18]初步探索了特高坝和梯级水库群安全标准，并提出了设立特等工程、特级建筑物及其相应安全标准的建议。
以上研究从不同方面进行了水库等级划分方法的探索，相关成果可推动水库工程等级划分方法向更加科学合理的方向迈进，但大多局限于对水库风险等级和溃坝严重性程度的确定，在实际应用时较为片面且缺少与现行工程等级划分标准的有效衔接[19]。此外，对于中国已溃水库案例，现有研究大多是从致灾规律和破坏机理方面开展的具体分析，较少结合溃坝后果，对提高水库原有工程等级和洪水标准的必要性进行论证[18-19]。中国的大坝管理方式正从传统的安全管理向风险管理转变，考虑溃坝后果划分工程等级对于水库的科学管理和风险防控具有重要的理论与现实意义[2, 14, 20]。
本文通过对部分国家水库大坝分类方法及中国现行水利水电工程等级划分标准进行比较和分析，基于现行标准和风险管理理念，提出考虑溃坝后果的水库工程等级划分标准和方法，以郑州“7·20”暴雨中受影响较大的3座水库为例进行具体分析。旨在对中国水利水电工程等级划分标准进行补充和完善，并进一步推动风险管理理念和技术在水库工程规划设计与运行管理中的具体应用。
1 现行水库工程等级划分标准与方法
1.1 世界各国水库大坝分类与工程等级划分方法
水利水电工程的分类与等级划分遵循了自然规律和经济规律，涉及到技术、经济、安全、社会与环境等诸多方面的综合协调。作为大坝安全管理和法律法规制定中界定大坝的一种方式，水库大坝分类和工程等级划分在全世界范围内被广泛应用[14]。欧美发达国家普遍根据水库规模和失事后果对水库大坝进行分类，并据此确定大坝设计与运行管理标准[21-22]，从而实现对大坝的差异化管理。目前国际上常用的水库大坝分类方法和指标如表 1所示。
表 1 常用的水库大坝分类方法和指标Table 1 Common classification methods and indexes for reservoir dams国家 主要依据 分类指标 美国 工程规模和溃坝后果 几何尺寸、生命损失、经济损失和环境影响 俄罗斯 结构和溃坝后果 坝型、坝基类型、坝高、溃坝损失 英国 溃坝后果 生命安全(风险人口或生命损失)和经济损失 加拿大 溃坝后果 风险人口、生命损失、环境和文化损失、基础设施和经济损失 澳大利亚 溃坝后果 风险人口、生命损失 法国 工程规模 库容、坝高 德国 工程规模 库容、坝高 印度 工程规模 库容、水头 中国 工程规模和效益 库容，防洪、治涝、供水和发电效益 由表 1可以看出，溃坝后果已成为大多数国家大坝分类的主要依据，大致包括生命损失、经济损失和环境影响等[2, 23]。随着经济社会的快速发展和公众风险意识的不断提高，水库大坝在发挥重大经济和社会效益的同时，对下游安全造成的威胁同样不可忽视。将溃坝后果作为水库大坝分类指标，体现了风险管理理念和对下游群众生命及财产安全的重视[23]。
1.2 中国现行水利水电工程等级划分标准
根据中国现行的《水利水电工程等级划分及洪水标准: SL252—2017》[8]的相关规定，水利水电工程按照规模、效益及其在经济社会中的重要性划分为5等，水工建筑物按其所在工程的等别、作用和重要性划分为5级。现行的水利水电工程分级指标主要体现了工程的规模和效益，而对于失事后果的考虑尚不够全面。“水库总库容”指标仅可间接反映水库失事后果，一般认为库容越大，其失事影响范围越广、损毁程度越高，但仅参照库容指标并不能完全表征失事后果的严重性[19]。防洪效益指标中的“保护人口”指下游保护区内的常住人口，用以体现下游城市规模和防护对象的重要性，在一定程度上反映了可能遭受洪水伤害的人群，但不足以量化实际遭受溃坝洪水风险的人口和灾害损失[21-23]。此外，对于规模巨大、涉及面广的水利水电工程，如特高坝和梯级水库群工程，其安全性对下游人民生命财产和国民经济威胁远比一般工程大，现行标准中只做了定性规定，并建议对其工程等别、建筑物级别和洪水标准进行专题论证后报上级主管部门批准确定，尚未给出具体的实施方案[24-25]。
中国的大坝管理方式正从传统的安全管理向风险管理转变，相应的等级划分指标与方法也应体现风险管理的理念。根据定义，溃坝风险包括溃坝概率和溃坝后果2个方面[2]。需要指出的是，考虑溃坝风险对水库工程进行等级划分，是将溃坝后果作为工程等级划分的依据之一，而非溃坝概率。其核心理念和目标是结合溃坝可能造成的损失来确定工程等级，并以此为依据合理制定洪水标准等设计安全标准，使得大坝自身的安全状况得到保证，避免溃坝事故的发生。因此，溃坝概率不宜直接成为水库工程等级的划分指标，而是作为工程等级划分之后需要管控和限制的目标，如图 1所示。
2 基于风险分析及现行标准的水库工程等级划分
2.1 水库工程等级划分指标体系构建与阈值分析
结合国内外水利水电工程等级划分标准与方法，选择规模、效益和溃坝后果3个基础指标作为水库工程等级划分的依据。相比于环境影响，社会公众对于生命和经济损失的关注度更高，相关研究也较为丰富，而目前关于溃坝环境影响的量化尚缺乏统一的认识[23]。因此，本文着重从生命和经济两方面分析溃坝后果，后续随着溃坝环境影响研究的不断深入，在水库工程等级划分中也应融入对此方面的考虑。
由表 1可以看出，“生命损失”和“风险人口”均可用于表征溃坝给下游群众生命安全所造成的影响，但两者在概念上并不相同: 风险人口指溃坝洪水影响区内直接暴露于洪水淹没区的所有人员，用来反映下游可能遭受淹没风险的居民数量[26-27]; 生命损失指溃坝造成的实际死亡人数，不包括被紧急转移和救助的人口数量[28]。事实上，即使水库溃坝最终不产生生命损失，风险人口的应急转移和安置也往往伴随着社会资源的巨大消耗，可认为已经产生了相应的后果。从这一角度来看，风险人口作为溃坝后果指标更为全面。然而，水库工程等级划分标准的构建还涉及不同等级工程所对应的指标阈值的确定问题，中国许多行业的相关标准和规范中对生产事故死亡人数和经济损失的容许值进行了特别规定，而对于风险人口尚无明确的数据可以借鉴，导致后续构建标准时难以确定其指标阈值[29-31]。经济损失用于反映溃坝事件对社会经济造成的影响，代表溃坝洪水造成的可由货币直接计量的各类损失。鉴于风险人口应急转移和安置所消耗的社会资源也可转化为以货币为单位的经济价值来进行量化，针对传统生命损失指标不够全面而风险人口指标阈值难以确定的局限性，提出将应急转移和安置所消耗的社会资源归属于溃坝经济损失的一部分，在经济损失指标中得以反映。基于上述考虑，最终选择生命损失和经济损失作为溃坝后果指标构建梯级水库工程等级划分指标体系，如图 2所示。其中，经济损失除考虑溃坝洪水淹没造成的经济损失之外，还包括风险人口、风险经济量的应急转移和安置所耗费的经济价值。
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图 2 水库工程等级划分指标体系Fig. 2 Index system for the rank classification of reservoir projects除指标体系外，确定不同工程等级所对应的指标阈值也是构建等级划分标准的关键。若阈值定的太低，则会导致划分结果过高，造成大多数工程的安全状态不满足工程等级要求，需要投入巨大的人力和资金以提高防护等级；若阈值太高，则又会导致工程等级划分过低，降低了工程应有的防护等级，使下游暴露于较大的风险之中[26-28]。按规模和效益指标划分水库工程等别与大坝级别的方式在中国已使用多年，形成了一整套完整的体系，相关配套法规与技术标准也已相对完善[14]。因此，图 2中规模指标和效益指标的阈值可继续沿用现行标准中的相关规定。对于溃坝后果指标，其阈值需综合考虑国民经济发展水平及公众对于风险的承受能力来确定。
目前中国对于不同等级水库所允许的生命损失和经济损失阈值尚无明确规定，但在相关的工程可靠性技术标准中规定了不同级别水工建筑物所对应的结构安全级别、设计使用年限及目标可靠度[18]。根据可靠度理论[18]，对于服从正态分布的随机变量，其可靠性指标(β)可进一步转换为失效概率(Pf)，如图 3所示。此外，水库大坝社会风险标准能够有效反映公众在不同溃坝概率下所能接受和容忍的溃坝损失值，且此类研究已较为广泛[28-29]。因此，可根据可靠性设计标准中的相关规定，界定不同等级水库大坝所允许的年计失效概率，再结合社会风险标准得到各失效概率值所对应的可接受损失值，从而建立“工程等级-失效概率-溃坝损失”之间的联系，确定不同等级水库所对应的溃坝损失阈值。
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图 3 可靠性指标与失效概率关系示意Fig. 3 Relationship between reliability index and failure probability2.2 基于风险标准与可靠指标的溃坝损失阈值计算
水库大坝社会风险标准是确定风险指标阈值的基础，用于反映某群体遭受特定事故死亡的人数及其相应概率的关系[28-29]，构建社会风险标准常用的准则和方法有最低合理可行(ALARP)准则和F—N曲线等。ALARP准则通过可容忍风险水平线(TRL)和可接受风险水平线(ARL)[31-32]，将风险分为3个区域: 不可容忍区域、最低合理可行区域及可接受区域。F—N曲线用来表示生命损失(N)与事故超过概率(1-FN(x))之间的关系[30]，如式(1)所示:
$$1-F_N(x)<\frac{C}{x^n}$$ (1) 式中: FN(x)为年死亡人数小于x的概率分布函数; C为常数，决定了标准线的起始位置; n为对于风险的偏好程度，为标准线的斜率。
文献[28]结合中国水库大坝安全现状及其他行业已有的风险标准，考虑经济、社会发展水平及群众对于风险接受意愿，提出了水库大坝社会生命风险标准。其中，大中型水库的TRL和ARL分别以10-2和10-3为起点，极值分别为1.34×10-6和1.34×10-7; 小型水库的TRL和ARL分别以10-2和10-3为起点，极值分别为2.62×10-5和2.62×10-6，如图 4所示。此外，在控制生命风险至社会可接受的前提下，可借助于生命风险标准构建经济风险标准，以社会对于生命损失的容许程度推算社会对于经济损失的容许程度[28-30]。
结合中国《水利水电工程结构可靠性设计统一标准: GB50199—2013》[31]中所规定的不同级别建筑物设计使用年限和目标可靠度，计算相对应的年计失效概率，如表 2所示。最后，根据图 4中水库大坝社会风险标准事故超过概率与溃坝损失的关系，确定不同失效概率所对应的生命损失值，作为不同等级工程所允许的生命损失的临界值，如图 5所示。
表 2 不同工程等级所对应的年计失效概率Table 2 Annual failure probability corresponding to different project ranks工程等级 水工建筑物级别 结构安全级别 设计使用年限/a 目标可靠度(脆性破坏) 年计失效概率 Ⅰ 1 Ⅰ 100 4.2 1.34×10-7 Ⅱ、Ⅲ 2、3 Ⅱ、Ⅲ 100 3.7 1.08×10-6 Ⅳ、Ⅴ 4、5 Ⅳ、Ⅴ 50 3.2 1.37×10-5 ![]()
图 5 不同年计失效概率所对应的生命损失Fig. 5 Critical values of loss of life corresponding to annual failure probabilities图 5将5个工程等级所允许的生命损失阈值划分为了3个区间，尚不够细化。中国《生产安全事故报告和调查处理条例》[32]将事故等级分为4个级别，不同事故等级所对应的生命损失阈值如图 6所示[29]。以此为补充，将生命损失进一步整合为5个区间: Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ等工程的失事分别对应于一般事故、较大事故和重大事故，生命损失上限分别为3、10和30人; Ⅰ和Ⅱ等工程的失事均对应于特别重大事故，生命损失临界值为87人，确保调整后的生命损失阈值仍然满足图 5中不同工程等级所允许的损失值上限。对于经济损失，根据国务院《生产安全事故报告和调查处理条例》，1人死亡事故相当于330万~500万元的直接经济损失事故。因此，按照1人对应400万元的比例，选择1 200万、4 000万、12 000万和35 000万元作为不同等级工程所允许的经济损失临界值[28]，如图 6所示。
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图 6 不同等级工程所对应的溃坝损失阈值Fig. 6 Thresholds of dam failure losses corresponding to different project ranks2.3 水库溃坝后果指标量化
溃坝生命损失和经济损失的量化是基于溃坝后果划分水库工程等级的必要环节，常用方法是通过溃坝模拟和洪水淹没分析确定淹没范围和洪水参数，进而结合下游区域人口和经济分布计算可能产生的淹没损失[33-36]。溃坝生命损失通常表示为风险人口与溃坝洪水下风险人口死亡率的乘积，如式(2)所示：
$$L_{\mathrm{OL}}=f P_{\mathrm{AR}}$$ (2) 式中: LOL为溃坝洪水造成的生命损失; PAR为淹没范围内的风险人口; f为溃坝风险人口死亡率。
溃坝经济损失为直接经济损失和间接经济损失之和。其中，间接经济损失涉及面广，内容繁杂，一般采用系数法或基于调查分析的估算方法得出，可表示为直接经济损失与折算系数的乘积[37]。因此，溃坝经济损失评估通常是对直接经济损失的计算，如式(3)所示：
$$L_{\mathrm{OE}}=e E_{\mathrm{AR}}$$ (3) 式中: LOE为溃坝洪水直接造成的经济损失; EAR为风险经济量，代表溃坝洪水淹没范围内可能遭受淹没风险的承灾体经济价值; e为洪灾损失率，表示为淹没区域内各类财产的损失价值与未遭受淹没时的实际经济价值之比。
由式(2)和式(3)可以看出，溃坝风险人口死亡率及洪灾损失率的确定是计算溃坝生命损失和经济损失的关键。其中，根据溃坝风险人口死亡率计算生命损失的方法和模型主要包括基于历史资料的经验模型[31]和基于致灾机理分析的物理模型[34-35]等。随着相关研究的不断深入，溃坝生命损失评估方法中考虑的指标和因素也越来越多，周克发等[36]基于Graham法和RESCDAM法的分析思路并结合中国溃坝历史资料数据，以溃坝洪水严重性(水深为流速之积)、警报时间和风险人口对溃坝洪水严重性的理解程度为主要指标，初步提出了适合中国实际情况的风险人口死亡率建议表(“李-周法”)。洪灾损失率主要与淹没水深、流速、历时等因素有关，可根据研究区域或类似地区历史洪水事件的调查统计资料，通过多元回归分析或者逐步回归分析方法确定[37]。
2.4 考虑溃坝后果的水库工程等级划分
基于水库规模、效益和溃坝后果，构建水库工程等级划分标准，如表 3所示。其中，水库规模指标和效益指标的量化可参照工程资料，仍按现行标准中的有关规定执行; 溃坝后果指标的量化需结合风险分析与评估方法，计算相应的溃坝生命损失和经济损失[36-37]。最后，将各分等指标的量化值与表 3中的阈值相对应划分工程等别。当按照各分等指标确定出的结果不同时，其工程等别按其中最高等别确定[8]。此外，永久性水工建筑物的级别与工程等别紧密相关，仍按照现行标准中的对应值进行确定。
表 3 水库工程等级划分标准Table 3 Rank classification standard for reservoirs projects工程等别 工程规模 总库容 防洪 治涝 灌溉 供水 发电 溃坝后果 保护人口 保护农田面积 保护区当量经济规模 治涝面积 灌溉面积 供水对象重要性 年饮水量 装机容量 生命损失/人 经济损失/ 百万元 Ⅰ 大(1)型 按照《水利水电工程等级划分及洪水标准: SL252—2017》相关规定执行 [87，∞) [350，∞) Ⅱ 大(2)型 [30，87) [120，350) Ⅲ 中型 [10，30) [40，120) Ⅳ 小(1)型 [3，10) [12，40) Ⅴ 小(2)型 [0，3) [0，12) 注: 经济损失包括溃坝洪水下的淹没损失，以及风险人口、风险经济量应急转移和安置所耗费的经济价值。 根据上述分析，一方面，溃坝风险人口死亡率和洪灾损失率对于溃坝后果指标的最终评估结果具有重要影响; 另一方面，若有因风险人口和风险经济量应急转移和安置所产生的社会资源消耗，即使最终不形成溃坝淹没损失，也可根据溃坝后果指标来划分水库的工程等级，更加严谨客观，更能体现风险管理的科学理念。因此，本文所提出的等级划分方法能够将水库工程等级与溃坝风险人口死亡率和洪灾损失率相关联，可有效促进水库管理部门进行风险自查，为避免溃坝后果指标评估结果过大而使工程等级划分过高，增加运行维护和管理成本，水库管理部门需及时通过完善应急预案等非工程措施控制溃坝风险人口死亡率、洪灾损失率以及转移安置所需费用，以确保溃坝后果与自身工程等级划分结果相匹配。此外，对于处于运行阶段、已按照现行标准确定工程等级的梯级水库，也应根据溃坝后果对其原始工程等级进行复核，分析并论证提高工程等级或减小溃坝后果2种管控方案的可行性。
3 实例分析
3.1 工程概况
选择郑州市贾鲁河上游的的常庄、尖岗和郭家咀3座水库作为研究对象，进行工程等级划分。各水库地理位置及基本工程资料如图 7和表 4所示。其中，常庄水库和尖岗水库的主要任务为防洪和供水，均被按照大型水库来管理。3座水库均在郑州“7·20暴雨”中发生了不同程度的险情，郭家咀水库更是因发生漫坝而受到广泛关注[38]。作为灾后恢复重建重工程之一，郭家咀水库恢复建设加固项目已顺利完成，在原有基础上将水库主要建筑物级别提高至2级。
表 4 水库工程概况Table 4 Parameter data of the selected reservoirs水库名称 总库容/亿m3 坝顶高程/m 设计洪水位/m 校核洪水位/m 主要任务 常庄 0.174 135.74 131.34 135.07 防洪、城市供水 尖岗 0.607 158.52 151.35 156.96 防洪、城市供水 郭家咀 0.048 163.50 161.45 162.53 防洪、生态涵养 3.2 指标量化
按照最不利情况，设定各水库在校核洪水位下溃坝，进行溃坝洪水淹没分析和溃坝后果计算，确定各水库溃坝洪水淹没范围、最大水深和流速分布[26]。鉴于溃坝经济损失与下游工矿企业和交通干线等基础设施分布情况有关，包括直接经济损失和间接经济损失，且不同类别洪灾损失率的确定较为复杂，在此以生命损失为例进行溃坝后果的计算。分别将各水库溃坝洪水最大水深与流速相结合，得到洪水严重性分布图层。结合溃坝洪水模拟结果及研究区域实际情况，根据文献[36]中的方法拟定溃坝风险人口死亡率。其中，警报时间选择为“0.25~1.0 h”，群众对于洪水的理解程度为“明确”，则洪水严重性图层可进一步转化为溃坝死亡率分布图层。将溃坝死亡率分布图层与研究区域人口密度分布数据进行空间数据叠加[26]，分别计算各水库溃坝的生命损失，如图 8所示。最后，参照表 4中的工程资料及生命损失评估结果，分别按照规模和溃坝后果对3座水库进行工程等别划分，如图 9所示。
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图 8 水库溃坝洪水淹没范围及生命损失计算Inundation range of dam-break flood and calculation of life losses3.3 结果分析与讨论
由图 9可以看出，若不考虑溃坝后果，依照水库库容，则常庄水库和尖岗水库均为中型水库，工程等别为Ⅲ等; 郭家咀水库为小(Ⅰ)型水库，工程等别为Ⅳ等。相比之下，采用本文所提出的等级划分方法后，常庄、尖岗和郭家咀水库的工程等别分别为Ⅱ等、Ⅰ等和Ⅲ等，均有所提高。
事实上，鉴于防洪位置十分重要，常庄水库和尖岗水库均被按照大型水库进行管理，高于按照现行标准划分出的工程等级，验证了本文所提出的方法的合理性。郭家咀水库按照现行标准所确定的主要建筑物级别为4级，原洪水标准为50年一遇设计，1 000年一遇校核。若考虑溃坝后果，郭家咀水库建筑物级别将提高至3级，相应的洪水标准为100年一遇设计，2 000年一遇校核，则在极端洪水事件下能够更有效地预防漫顶险情的发生，从而避免对应急资源和救灾力量的极大消耗。此外，根据郭家咀水库漫坝事故调查结果[6-7]，即使溢洪道正常运行，经调洪演算后最高库水位约为161.1 m，基本达到设计洪水位，构成水库大坝突发事件中的“Ⅱ级(重大)事件”。因此，郭家咀水库发生漫顶的直接原因虽是溢洪道被施工临时便道堵塞，但也体现出其抵御极端洪水的能力较为薄弱。鉴于极端洪水事件日益频发，对于溃坝后果较为严重的水库，提高其工程等别和洪水标准仍显得十分必要。
4 结论
本文针对国外水库大坝分类方法及中国现行水利水电工程等级划分标准进行了比较和分析，提出了在水库工程等级划分中考虑溃坝后果的理念，主要结论如下:
(1) 选择工程规模、效益和溃坝后果作为基础指标，并将风险人口和风险经济量的应急转移和安置费用归属于溃坝经济损失，构建了水库工程等级划分指标体系。
(2) 以水库大坝安全标准和社会风险标准为基础，通过建立“工程等级-失效概率-溃坝损失”之间的联系，确定了不同等级工程所对应的溃坝生命损失和经济损失阈值。
(3) 提出了综合考虑规模、效益和溃坝后果的水库工程等级划分标准，并对3座水库进行实例分析，结果表明考虑溃坝后果划分水库工程等级更有助于预防重大险情的发生。研究成果可进一步促进风险管理理念及技术在水库工程规划设计与运行管理中的具体应用。
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图 2 水库工程等级划分指标体系
Fig. 2 Index system for the rank classification of reservoir projects
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图 3 可靠性指标与失效概率关系示意
Fig. 3 Relationship between reliability index and failure probability
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图 5 不同年计失效概率所对应的生命损失
Fig. 5 Critical values of loss of life corresponding to annual failure probabilities
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图 6 不同等级工程所对应的溃坝损失阈值
Fig. 6 Thresholds of dam failure losses corresponding to different project ranks
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图 8 水库溃坝洪水淹没范围及生命损失计算
Inundation range of dam-break flood and calculation of life losses
表 1 常用的水库大坝分类方法和指标
Table 1 Common classification methods and indexes for reservoir dams
国家 主要依据 分类指标 美国 工程规模和溃坝后果 几何尺寸、生命损失、经济损失和环境影响 俄罗斯 结构和溃坝后果 坝型、坝基类型、坝高、溃坝损失 英国 溃坝后果 生命安全(风险人口或生命损失)和经济损失 加拿大 溃坝后果 风险人口、生命损失、环境和文化损失、基础设施和经济损失 澳大利亚 溃坝后果 风险人口、生命损失 法国 工程规模 库容、坝高 德国 工程规模 库容、坝高 印度 工程规模 库容、水头 中国 工程规模和效益 库容，防洪、治涝、供水和发电效益 
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表 2 不同工程等级所对应的年计失效概率
Table 2 Annual failure probability corresponding to different project ranks
工程等级 水工建筑物级别 结构安全级别 设计使用年限/a 目标可靠度(脆性破坏) 年计失效概率 Ⅰ 1 Ⅰ 100 4.2 1.34×10-7 Ⅱ、Ⅲ 2、3 Ⅱ、Ⅲ 100 3.7 1.08×10-6 Ⅳ、Ⅴ 4、5 Ⅳ、Ⅴ 50 3.2 1.37×10-5
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表 3 水库工程等级划分标准
Table 3 Rank classification standard for reservoirs projects
工程等别 工程规模 总库容 防洪 治涝 灌溉 供水 发电 溃坝后果 保护人口 保护农田面积 保护区当量经济规模 治涝面积 灌溉面积 供水对象重要性 年饮水量 装机容量 生命损失/人 经济损失/ 百万元 Ⅰ 大(1)型 按照《水利水电工程等级划分及洪水标准: SL252—2017》相关规定执行 [87，∞) [350，∞) Ⅱ 大(2)型 [30，87) [120，350) Ⅲ 中型 [10，30) [40，120) Ⅳ 小(1)型 [3，10) [12，40) Ⅴ 小(2)型 [0，3) [0，12) 注: 经济损失包括溃坝洪水下的淹没损失，以及风险人口、风险经济量应急转移和安置所耗费的经济价值。
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表 4 水库工程概况
Table 4 Parameter data of the selected reservoirs
水库名称 总库容/亿m3 坝顶高程/m 设计洪水位/m 校核洪水位/m 主要任务 常庄 0.174 135.74 131.34 135.07 防洪、城市供水 尖岗 0.607 158.52 151.35 156.96 防洪、城市供水 郭家咀 0.048 163.50 161.45 162.53 防洪、生态涵养
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