——记“梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论”项目
　　
□　庞红硕

　　
　　
　　如果把视线移到宇宙中，会发现地球就好似散发着蔚蓝色的光芒，其原因在于地球上72%的面积都被水覆盖着。但在这个名副其实的“水球”上，可供人类使用的水资源却少之又少，加上人类毫无节制地索取，这个蔚蓝色的“水球”正渐渐变得不再明澈。由此可见，保护水资源任重而道远。
　　在水资源研究中，不只存在缺水之难，水资源超负荷同样令研究人员心力交瘁。近年来，我国洪涝及干旱问题频发，一旦发生势必造成不可挽回的巨大损失。找到问题源头，将其扼杀在摇篮里，就成了众多水利研究人员的研究之重。多年来，“梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论”项目团队在中国工程院院士、首席科学家王浩和首席科学家助理、教授级高级工程师殷峻暹的带领下潜心研究，不断探秘水资源开发利用和水利工程安全管理。
　　念念不忘忠于水
　　为了研究大型水利工程群综合调控基础理论、应用技术以及设计自动化运行调度系统等，项目团队几乎每日都埋头苦干，辛勤地挖掘着水资源中的宝藏。
　　与水资源打交道，只和其中一个研究方向“单打独斗”绝无可能，势必要与各个研究分支产生联系。团队围绕水资源，系统研究多个分支，对水资源有了更加深入的了解，他们发现在解决水资源预报和调度上，传统手段已经“无能为力”，思来想去，信息化进入了水利研究人员的视线中。尤其在近几年，研究人员将大数据、智能分析等手段和传统水力学的基础知识相结合后发现，如果用其来解决水资源预报和调度方面的问题，往往会事半功倍。而且重要的是，预报具有前瞻性，能看到水资源的未来；而调度正是基于研究人员对水资源未来的看法上，对水利工程起到控制作用。由此看来，预报和调度两者缺一不可，在解决水资源问题上急需配套使用。于是，利用建立的水利工程模型来分析观测数据会对及时预报调度水资源有巨大帮助。
　　放到过去，也许这样的搭配是正确的，但当时建立出的模型却长时间地“搁置”，无用武之地。早期我国水利工程模型之所以迟迟派不上用场，无非是技术跟不上，导致观测数据不能及时到位。而如今，观测数据得到提升，随着数据的不断积累，再加上水利模型和大数据分析方法的合理利用，这样的搭配简直天衣无缝，对水资源的预报和调度也会更加精准。
　　找准问题寻答案
　　试想，当洪水来临时，水库必定会在其中起到良好的防洪作用，是防洪安全和经济发展的重要保障。但水库一旦溃决，不仅风险会大大增加，还会带来不可挽回的灾难性后果。就拿1975年8月河南汝河流域水库群连环垮坝事件来说，造成了多达52座水库的溃决，直接经济损失占当年河南省GDP的2/3。
　　既然如此，对防洪如此重要的水库，其安全性又该如何保障呢？其中，在水利水电开发中，梯级水库群是其基本开发形式，更是大规模水电开发的必然选择。但梯级水库群不仅要经受洪水、地震、泥石流等自然灾害的考验，还要面临设计施工缺陷、不合理调度等人为风险的影响，再加上变化多端的气候以及暴雨频发等，梯级水库群的处境可谓是四面楚歌。如此艰难的局面，一度令水利研究人员难以打开研究局面。
　　事不宜迟，水利部、应急管理部、国家能源局、国家电监会高度重视梯级水库群的安全运行，明确提出了急需研究制定梯级水库群和特高坝的技术标准；还声明在新的特高坝技术标准出台之前，对200米以上的特高坝的审批核准要再加防护关卡。
　　在国家水利相关部门的号召下，项目团队加入了对梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论的研究。虽然目前中国已经拥有世界上最高的土石坝和混凝土坝，坝工技术也早已遥遥领先，但梯级水库群和特高坝相关标准规范却是一片空白。此前，对单一水库的设计标准和技术规范确有实例，但将梯级水库群作为一个整体来进行风险分析却是首次，也极为不易。项目团队表示，这就需要从全生命周期角度提出风险防控措施，而且一定要将水库全生命周期中可能出现的各种极端事件的风险都考虑到其中。
　　为梯级水库再加级
　　目标已定，团队齐心协力，打起十二分精神，经过与梯级水库群的一番较量，取得了多项进展。在王浩院士的带领下，团队首先从梯级水库群进行风险防控的基础，也就是风险评估入手，他们以贝叶斯理论作为基石，采用物理模型实验、机理分析、数值模拟相结合的技术手段，首次构建了梯级水库群规划—设计—运行全生命周期风险动态评估理论体系，自此使得梯级水库群全生命周期多源复合风险与系统失效的动态联系一目了然。
　　基础战打响后，团队更加动力十足，开始向梯级水库群中的最主要风险——大坝溃决这一难题发起攻击。团队对土坝溃坝机理与溃坝洪水过程进行了重点研究，发现了溃坝模型存在的几个重要问题：
　　（1）难以有效模拟侵蚀速率与冲刷强度之间的关系；
　　（2）曼宁公式对水力坡度非常敏感；
　　（3）侧向展宽过程无法回避临界滑裂面搜索；
　　（4）数值求解迭代过程不稳定。
　　这直接导致了溃坝洪水计算结果的不稳定。为此，在水力学和岩土力学理论的基础上，在岩土专家、团队成员陈祖煜院士的指导下，项目团队提出了一种双曲线侵蚀率的新模型，有效模拟了溃坝冲刷的过程；他们还采用水头跌落系数确定了坝顶水流深度，使计算精度得以提高，进而解决了现有溃坝模型不稳定的难点。
　　“计算过程中，高度非线性迭代的问题该如何解决呢？”有人就此提出疑问。但当团队将以流速变化为起始输入变量的计算过程成功建立后，疑问也就此打消。对土石坝溃坝研究取得的一系列成果，引起了国内外水利研究领域的关注，成果还在ASCE期刊上发表了相关最新研究进展论文。
　　要说水库设计过程中最为重要的关键点是什么，相信很多人都会想到安全性，的确如此。但所谓安全工程，不是仅仅保证工程本身的安全就万事大吉了，更为重要的是对公共安全的保障，也就是要达到社会可接受的水平。为了使梯级水库群达到公共安全的要求，基于相对安全率理论，团队还首次提出了“风险标准—风险等级—风险设计指标”的梯级水库群风险设计理论体系。此前，想要在传统安全系数与风险设计指标之间进行相互换算，始终不能如愿，如今，该体系成功突破了技术瓶颈，也为以后梯级水库风险设计规范的制定提供了很好的模板。
　　此外，团队仔细研究大渡河的地形、地质、水文条件等因素，针对高土石坝的坝基地震失稳、坝体渗透破坏和坝顶漫顶溃决等主要破坏模式开展系统分析，揭示了挡水建筑物设计、建设、运行全过程的风险防控机理。其中，团队研发的世界首台大型水平、竖直双向离心机振动台，首次实现了近场强震条件下砂层液化的双向振动超重力物理模拟；在对深厚覆盖层动强度参数确定方法建立中，他们将土体原位结构效应考虑到其中，并对原有规范覆盖层地震液化判断准则进行了重新修订，目前已经颁布实施。
　　如果说在维护梯级水库群安全性这场大战中，前面所做的努力是在打基础，那么泄水和交通完全可以称得上是梯级水库群最重要的生命线工程了。为了使生命线得以正常运行，团队合力系统揭示了多风险源下梯级水库群生命线工程灾变机理，他们基于边坡、隧洞、桥梁等关键单元，率先建立了梯级水库群泄水系统风险定量分析模型，又进一步构建了交通生命线风险评估理论和方法。成果获得众多国内外同行知名专家的认可和引用，还发表于Journal of Hydraulic Engineering、Journal of Hydrodynamics等国际知名期刊上。
　　与此同时，目前对水库进行的安全监测与应急处置，大部分还是注重单库单坝，并没有考虑到流域整体的安全问题，因此接下来要做的就是将梯级水库群看作一个整体来研究。于是，团队在梯级水库群风险动态评估理论基础上，充分发挥创新力，提出了梯级水库群风险预警调控技术，并针对水库安全监测指标体系存在的时空覆盖范围和分辨力不足、没有考虑水库连溃、缺少应急监测规划等缺陷，首次提出了基于“流域信息整合”和“灾害事件驱动”的梯级水库群动态安全监测指标体系。
　　此外，团队更进一步完善了梯级水库群的风险预警方法和应急调控技术，他们在全面监测的基础上，构建了梯级水库群动态安全评价指标体系，提出了基于贝叶斯网络的梯级水库群风险预警方法以及漫坝风险率和失稳风险率的计算方法。有了风险预警的牵头，团队进而提出了梯级水库群关键调控阈值、应急调度模式和超额水量分配模型，对大渡河梯级水库群制定了清晰的应急处置流程，并编制了应急调度预案，力图将问题在源头上一举拿下。
　　十年磨一剑。团队付出的努力并没有白费，据悉，梯级水库群风险评估、风险预警、应急处置等研究成果，已经成功应用于大渡河流域的工程设计、建设和运行，事实也证明，流域风险管理水平得到了显著提高。除此之外，风险设计理论也在双江口水库开展设计复核工作过程中成功得到应用，值得一提的是，正是在该理论的基础上，研究人员提出了增加裕富超高等工程措施建议，最终满足了特等工程设计安全标准的要求。
　　项目团队为梯级水库群的生命周期风险孕育机制与安全防控理论做出了巨大贡献，没有人知道他们经历了多少次尝试，又饱尝了多少失败后的辛酸，但车到山前必有路，即使科研之途再险再难，他们仍会快马加鞭，一路驰骋，开辟出一条宽阔的“水之路”。科