如果把視線移到宇宙中，會發現地球就好似散發著蔚藍色的光芒，其原因在於地球上72%的面積都被水覆蓋著。但在這個名副其實的“水球”上，可供人類使用的水資源卻少之又少，加上人類毫無節制地索取，這個蔚藍色的“水球”正漸漸變得不再明澈。由此可見，保護水資源任重而道遠。

在水資源研究中，不只存在缺水之難，水資源超負荷同樣令研究人員心力交瘁。近年來，我國洪澇及乾旱問題頻發，一旦發生勢必造成不可挽回的巨大損失。找到問題源頭，將其扼殺在搖籃裡，就成了眾多水利研究人員的研究之重。多年來，“梯級水庫群全生命週期風險孕育機制與安全防控理論”項目團隊在中國工程院院士、首席科學家王浩和首席科學家助理、教授級高級工程師殷峻暹的帶領下潛心研究，不斷探秘水資源開發利用和水利工程安全管理。

念念不忘忠於水

為了研究大型水利工程群綜合調控基礎理論、應用技術以及設計自動化運行調度系統等，項目團隊幾乎每日都埋頭苦幹，辛勤地挖掘著水資源中的寶藏。

與水資源打交道，只和其中一個研究方向“單打獨鬥”絕無可能，勢必要與各個研究分支產生聯繫。團隊圍繞水資源，系統研究多個分支，對水資源有了更加深入的瞭解，他們發現在解決水資源預報和調度上，傳統手段已經“無能為力”，思來想去，信息化進入了水利研究人員的視線中。尤其在近幾年，研究人員將大數據、智能分析等手段和傳統水力學的基礎知識相結合後發現，如果用其來解決水資源預報和調度方面的問題，往往會事半功倍。而且重要的是，預報具有前瞻性，能看到水資源的未來；而調度正是基於研究人員對水資源未來的看法上，對水利工程起到控制作用。由此看來，預報和調度兩者缺一不可，在解決水資源問題上急需配套使用。於是，利用建立的水利工程模型來分析觀測數據會對及時預報調度水資源有巨大幫助。

放到過去，也許這樣的搭配是正確的，但當時建立出的模型卻長時間地“擱置”，無用武之地。早期我國水利工程模型之所以遲遲派不上用場，無非是技術跟不上，導致觀測數據不能及時到位。而如今，觀測數據得到提升，隨著數據的不斷積累，再加上水利模型和大數據分析方法的合理利用，這樣的搭配簡直天衣無縫，對水資源的預報和調度也會更加精準。

找準問題尋答案

試想，當洪水來臨時，水庫必定會在其中起到良好的防洪作用，是防洪安全和經濟發展的重要保障。但水庫一旦潰決，不僅風險會大大增加，還會帶來不可挽回的災難性後果。就拿1975年8月河南汝河流域水庫群連環垮壩事件來說，造成了多達52座水庫的潰決，直接經濟損失佔當年河南省GDP的2/3。

既然如此，對防洪如此重要的水庫，其安全性又該如何保障呢？其中，在水利水電開發中，梯級水庫群是其基本開發形式，更是大規模水電開發的必然選擇。但梯級水庫群不僅要經受洪水、地震、泥石流等自然災害的考驗，還要面臨設計施工缺陷、不合理調度等人為風險的影響，再加上變化多端的氣候以及暴雨頻發等，梯級水庫群的處境可謂是四面楚歌。如此艱難的局面，一度令水利研究人員難以打開研究局面。

事不宜遲，水利部、應急管理部、國家能源局、國家電監會高度重視梯級水庫群的安全運行，明確提出了急需研究制定梯級水庫群和特高壩的技術標準；還聲明在新的特高壩技術標準出臺之前，對200米以上的特高壩的審批核準要再加防護關卡。

在國家水利相關部門的號召下，項目團隊加入了對梯級水庫群全生命週期風險孕育機制與安全防控理論的研究。雖然目前中國已經擁有世界上最高的土石壩和混凝土壩，壩工技術也早已遙遙領先，但梯級水庫群和特高壩相關標準規範卻是一片空白。此前，對單一水庫的設計標準和技術規範確有實例，但將梯級水庫群作為一個整體來進行風險分析卻是首次，也極為不易。項目團隊表示，這就需要從全生命週期角度提出風險防控措施，而且一定要將水庫全生命週期中可能出現的各種極端事件的風險都考慮到其中。

為梯級水庫再加級

目標已定，團隊齊心協力，打起十二分精神，經過與梯級水庫群的一番較量，取得了多項進展。在王浩院士的帶領下，團隊首先從梯級水庫群進行風險防控的基礎，也就是風險評估入手，他們以貝葉斯理論作為基石，採用物理模型實驗、機理分析、數值模擬相結合的技術手段，首次構建了梯級水庫群規劃—設計—運行全生命週期風險動態評估理論體系，自此使得梯級水庫群全生命週期多源複合風險與系統失效的動態聯繫一目瞭然。

基礎戰打響後，團隊更加動力十足，開始向梯級水庫群中的最主要風險——大壩潰決這一難題發起攻擊。團隊對土壩潰壩機理與潰壩洪水過程進行了重點研究，發現了潰壩模型存在的幾個重要問題：

（1）難以有效模擬侵蝕速率與沖刷強度之間的關係； （2）曼寧公式對水力坡度非常敏感； （3）側向展寬過程無法迴避臨界滑裂面搜索； （4）數值求解迭代過程不穩定。

這直接導致了潰壩洪水計算結果的不穩定。為此，在水力學和岩土力學理論的基礎上，在岩土專家、團隊成員陳祖煜院士的指導下，項目團隊提出了一種雙曲線侵蝕率的新模型，有效模擬了潰壩沖刷的過程；他們還採用水頭跌落係數確定了壩頂水流深度，使計算精度得以提高，進而解決了現有潰壩模型不穩定的難點。

“計算過程中，高度非線性迭代的問題該如何解決呢？”有人就此提出疑問。但當團隊將以流速變化為起始輸入變量的計算過程成功建立後，疑問也就此打消。對土石壩潰壩研究取得的一系列成果，引起了國內外水利研究領域的關注，成果還在ASCE期刊上發表了相關最新研究進展論文。

要說水庫設計過程中最為重要的關鍵點是什麼，相信很多人都會想到安全性，的確如此。但所謂安全工程，不是僅僅保證工程本身的安全就萬事大吉了，更為重要的是對公共安全的保障，也就是要達到社會可接受的水平。為了使梯級水庫群達到公共安全的要求，基於相對安全率理論，團隊還首次提出了“風險標準—風險等級—風險設計指標”的梯級水庫群風險設計理論體系。此前，想要在傳統安全係數與風險設計指標之間進行相互換算，始終不能如願，如今，該體系成功突破了技術瓶頸，也為以後梯級水庫風險設計規範的制定提供了很好的模板。

此外，團隊仔細研究大渡河的地形、地質、水文條件等因素，針對高土石壩的壩基地震失穩、壩體滲透破壞和壩頂漫頂潰決等主要破壞模式開展系統分析，揭示了擋水建築物設計、建設、運行全過程的風險防控機理。其中，團隊研發的世界首臺大型水平、豎直雙向離心機振動臺，首次實現了近場強震條件下砂層液化的雙向振動超重力物理模擬；在對深厚覆蓋層動強度參數確定方法建立中，他們將土體原位結構效應考慮到其中，並對原有規範覆蓋層地震液化判斷準則進行了重新修訂，目前已經頒佈實施。

如果說在維護梯級水庫群安全性這場大戰中，前面所做的努力是在打基礎，那麼洩水和交通完全可以稱得上是梯級水庫群最重要的生命線工程了。為了使生命線得以正常運行，團隊合力系統揭示了多風險源下梯級水庫群生命線工程災變機理，他們基於邊坡、隧洞、橋樑等關鍵單元，率先建立了梯級水庫群洩水系統風險定量分析模型，又進一步構建了交通生命線風險評估理論和方法。成果獲得眾多國內外同行知名專家的認可和引用，還發表於Journal of Hydraulic Engineering、Journal of Hydrodynamics等國際知名期刊上。

與此同時，目前對水庫進行的安全監測與應急處置，大部分還是注重單庫單壩，並沒有考慮到流域整體的安全問題，因此接下來要做的就是將梯級水庫群看作一個整體來研究。於是，團隊在梯級水庫群風險動態評估理論基礎上，充分發揮創新力，提出了梯級水庫群風險預警調控技術，並針對水庫安全監測指標體系存在的時空覆蓋範圍和分辨力不足、沒有考慮水庫連潰、缺少應急監測規劃等缺陷，首次提出了基於“流域信息整合”和“災害事件驅動”的梯級水庫群動態安全監測指標體系。

此外，團隊更進一步完善了梯級水庫群的風險預警方法和應急調控技術，他們在全面監測的基礎上，構建了梯級水庫群動態安全評價指標體系，提出了基於貝葉斯網絡的梯級水庫群風險預警方法以及漫壩風險率和失穩風險率的計算方法。有了風險預警的牽頭，團隊進而提出了梯級水庫群關鍵調控閾值、應急調度模式和超額水量分配模型，對大渡河梯級水庫群制定了清晰的應急處置流程，並編制了應急調度預案，力圖將問題在源頭上一舉拿下。

十年磨一劍。團隊付出的努力並沒有白費，據悉，梯級水庫群風險評估、風險預警、應急處置等研究成果，已經成功應用於大渡河流域的工程設計、建設和運行，事實也證明，流域風險管理水平得到了顯著提高。除此之外，風險設計理論也在雙江口水庫開展設計複核工作過程中成功得到應用，值得一提的是，正是在該理論的基礎上，研究人員提出了增加裕富超高等工程措施建議，最終滿足了特等工程設計安全標準的要求。

項目團隊為梯級水庫群的生命週期風險孕育機制與安全防控理論做出了巨大貢獻，沒有人知道他們經歷了多少次嘗試，又飽嘗了多少失敗後的辛酸，但車到山前必有路，即使科研之途再險再難，他們仍會快馬加鞭，一路馳騁，開闢出一條寬闊的“水之路”。

來源：《科學中國人》2019年8月（上）