海堤设防标准探讨
卢永金1，2，何友声1，刘　桦1
(1.上海交通大学船舶与建筑工程学院，上海　200030；2.上海市水利工程设计研究院，上海　200063)
［摘要］ 调查分析了国内外海堤设防标准，把海堤破坏归结为6种模式，并分析风浪与潮位（流）对各种模式的影响，提出风浪与高潮遭遇概率粗略算法；根据海堤结构特点及其破坏模式，提出一种基于风浪与高潮遭遇概率，综合反映结构功能、使用要求与潜在风险，三层次设防的海堤设计标准，在此基础上提供了一种基于风险理论的海堤优化设计方法。
［关键词］ 海堤；设计标准；风浪；高潮；遭遇概率；破坏模式；风险；优化设计
［中图分类号］ TV871；U65631
［文献标识码］ A
［文章编号］ 1009-1742(2005)12-0017-07
［收稿日期］ 2004-11-08
［作者简介］ 卢永金（1963- ），男，江苏高邮市人，上海交通大学博士研究生，上海市水利工程设计研究院教授级高级工程师何友声（1931- ），男，浙江宁波市人，中国工程院院士，上海交通大学教授，博士生导师

上海市防御台风战略对策探讨

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卢永金

(上海市水务工程设计研究院)

一、台风与防台工程设施的基本情况

上海滨江临海，北界长江口，南临杭州湾，东濒浩浩东海，横贯市区的母亲河黄浦江，上通太湖，下接长江口。潮汐和季风，加上地势低平，又居势带气旋北上之要冲，决定了上海易受梅雨、暴雨、风暴潮、下泄洪水等影响，濒遭水灾，并以风暴潮影响为大。

统计表明，上海市平均每年受台风影响2次，最多时一年可出现7次（如1990年）；最少时一次也没有（如1950年，2006年也几乎没有台风影响）。每年从5月到10月均可能受台风影响，但8～9月台风次数较多，台风影响上海平均持续2～3天，长的可达5～6天，短的不足1天。对长江口有严重影响的台风有如下三类：正面登陆上海和长江口。近海北上；在浙江北部登陆后继续西进深入内陆，或北上过程中，中心穿过上海后进入黄海。台风的作用往往伴随大风和暴雨，台风影响期间，伴有10级以上大风的占总数的21%，伴的暴雨的台风占24%。

台风影响时，长江口江面盛行最多的风向为东北偏北风，这是最利于长江口增水的风向。如增水出现在大潮汛期间，则潮位异常升高。历史上，有台风影响的年份，黄浦江口吴淞站年最高潮位都与风暴潮有关。吴淞站近二十年以来风暴潮统计见表1。

历史资料反映，自明正统四年（1439年）至1990年的552年间，上海共出现严重风暴潮30次，平均约18.4年一次，与潮汐具有18.6年长周期变化相一致；死人及万的年份10次，平均每50年一次。不仅上海的海堤的设防以风暴潮控制，受潮水上溯影响，黄浦江及其上游干流的设防高程以风暴潮控制，市区排水也基本上是以台风期间的暴雨强度控制。

表1 吴淞站风暴潮增水统计表

序号
年份
发生日期
增水

(m)
高潮位(m)
最大风力

(级)
最大雨量(mm)
台风编号

1
1981
9月1日
1.51
5.74
11～12
22
8114号台风

2
1983
9月27日
1.17
4.86
8～10
24
8310号台风

3
1986
8月27日
1.12
4.50
10
25
8615号台风

4
1989
8月4日
1.11
5.35
10
90.9
8913号台风

5
1997
8月18日
1.45
5.99
8～10
131
9711号台风

6
2000
8月31日
1.38
5.87
12
79
派比安台风

7
2000
9月14日
1.29
5.4
8
82.8
桑美台风

8
2002
9月8日
0.96
5.53
7
小雨
森拉克台风


从1986年10月国务院批准上海市黄浦江及支流208公里防汛墙加高加固工程计划任务书，1988年10月正式开工，至2005年汛前，上海市按千年一遇设防标准建成了黄浦江下游208公里和新增市区110公里的防汛墙，期间结合治太一期按50年一遇防洪标准建设了黄浦江上游干流段 58公里的堤防。并于1997年汛后至2001年汛前，对上海508公里中约93%的海塘进行了达标建设，目前全市海塘的防御能力已由达标前农村地区20年一遇加10至11级风，提高到农村化地区百年一遇高潮位加11级风，城市化地区已达一百年或二百年一遇高潮位加12级的防御标准，规划至2010年全部城市化地区达到二百年一遇高潮位加12级风的标准。这些工程的建设，极大地提高了上海防台抗灾能力，有力地保障了人民生命财产安全和社会稳定。但相对上海的社会经济发展要求，相对发达国家特大型城市的标准，以防台抗灾的角度看，上海仍有不少有待研究提高的地方。

二、高潮位抬高导致设防标准相对下降，黄浦江河口建闸和二轮治太势在必行

1987年开始实施的黄浦江防汛墙加高加固工程是按1984年完成的《黄浦江潮位分析》成果，以千年一遇的标准设计建设的。二十年来，由于人类活动的日益增多，城市发展日益加快，黄浦江上游太湖流域防洪工程建设、黄浦江沿岸并港建闸、下游长江河口段河床演变以及海平面上升、上海市区地面沉降等方面变化的影响，长江口和黄浦江的工情和水情发生较大的变化，超历史最高潮位不断出现。1997年的9711号台风和2000年派比安台风，都超过了市中心区黄浦江公园潮位站的历史记录，分别达到5.72m(超过历史记录0.5m，上海吴淞基面,下同)和5.70m, 相当于1984年水文统计的500年一遇高潮位, 仅比千年一遇低0.14/0.16m。截止2004年的水文统计分析表明, 黄浦江较高潮位出现频繁, 高潮位抬升明显, 尤其是上世纪九十年代以来, 而且越往上游抬升幅度越大。表2是1984年与2004年高潮位水文统计对比表。

表2 黄浦江高潮位统计成果对比表 （单位：米）

潮位站
0.1%
1%
实测最高

1984年统计
2004年统计
差值
1984年统计
2004年统计
差值
1984年前
1984年后

吴淞口
6.27
6.60
0.33
5.74
6.05
0.31
5.74
5.99

黄浦公园
5.86
6.26
0.40
5.40
5.70
0.30
5.22
5.72

米市渡
4.10
4.58
0.48
3.92
3.33
0.41
3.80
4.27


另外，我们对上海最大可能高潮位进行了专题研究，研究表明，台风的强度、移动速度、持续的时间和移动路径直接影响台风的增水，台风越强台风增水越大，但台风的强度也不是无限制地增强，它随纬度减弱较快（我们以台风它所在纬度气压的历史最低值来代表）；台风运动慢，大风作用的时间长，造成的增水就大；反之，台风运动快，大风作用的时间短，造成的增水就小。在对影响上海的大量台风路径分析的基础上，选定具有代表性的5612号台风和8114号台风路径作为典型台风路径，并在此基础上进行合理平移，应用ECOM模型进行数值试验计算，得到黄浦江吴淞口可能产生最大增水可达3.67m。相应市中心黄浦公园处的可能最大高潮位分别约为8.0m。这个值超过现状防汛墙顶达1.0m！

整个黄浦江现状实际防御水平下游仅为200年重现期，中上游则不足200年，已经是国家规定防洪标准的下限，与《国务院办公厅<转发水利部加强太湖流域2001～2010年防洪建设若干意见>的通知》(国办发(2001)089号)中, 上海市黄浦江干流段及主要支流应按千年一遇高潮位设防的要求相差很远。而且，由于黄浦江防汛墙大多数是在上世纪五六十年代兴建的低标准防汛墙上多次加高加固来的，基础差，隐患多，外观不雅，高潮位时渗水漏水时常可见，这与上海的地位极不相称。

面对这一日益突出的严峻形势，对策措施只有两条, 其一是再次加高加固防汛墙, 其二是在黄浦江河口建挡潮闸。如果再次加高加固防汛墙，考虑海平面上升等影响，即使不考虑今后水情、工情的进一步变化以及超标准的最大可能潮位，按40年设计寿命，市中心黄浦公园附近的墙顶高程约8.5m,比现状增高约1.5m, 匡算投资约需60亿元, 动拆迁和施工的社会影响大, 景观差，建设周期长，难以接受。

黄浦江河口建挡潮闸的设想由来已久，上海水务部门断断续续开展了多年的研究，内容涉及水文、河势、航运、城市规划与建设、工程结构等各方面，初步选址在距河口5.8公里的长航锚地, 主通航孔单孔净宽225米, 门底高程-12米, 门顶按一万年一遇设防高程约为8.5m。按此设想，黄浦江闸内防御标准将由现在的不足200年提高到万年，闸内最高水位可控制在不建闸的百年一遇高潮位以下，防汛战线将由现在的数百公里堤防集中于一闸，不仅投资比再加高加固防汛墙节省近20亿元，建设的社会矛盾少，运行管理的可靠性也大大提高。国外荷兰鹿特丹新水道挡潮闸、英国伦敦泰晤士河挡潮闸、俄罗斯圣彼德堡涅瓦河口挡潮闸以及在建的意大利威尼斯河口挡潮闸，都成功地说明，以挡潮闸代替防汛墙是提高城市防汛能力的可靠和可行的选择。在黄浦江河口建挡潮闸是解决上海市防汛的根本措施，技术和经济等方面都不存在不可逾越的障碍，应抓紧研究和建设。

黄浦江河口建闸可以彻底扭转黄浦江防汛的被动局面，但并不能解决黄浦江防台汛的所有问题，尤其是中上游地区。随着一期太湖流域治理工程建设的实施，太湖地区的防台汛能力得到了极大的提高，但黄浦江上游大泖港等重要支流的过流大大增加，上游来水和下游潮水上溯影响加大，近几年台汛期间当地高潮濒现，崩岸塌墙甚至堤顶越流都有发生。这些河流是太湖水系的一部分，治理要求涉及总体部署要求，因此，加快太湖流域二期治理的研究和实施步伐，有助于改善上海西部地区防汛条件，提高上海的总体防台能力，应予大力推动。

三、评估达标海堤实际防御能力，研究控制超标台灾损失的对策措施

上海的海塘达标从1997年9711台风后开始，2001年基本完成，几年来虽经历了麦莎、卡努等台风的考验，但这些台风没有一个正面袭击上海或从上海登陆，影响上海的风力都没有达到设计防御标准，现有海堤真正的防御能力究竟如何，有待分析和考验，摆在面前的有下列几项工作：

1、研究风潮联合作用，科学统一设防水平

本次达标采用的标准是，农村低地区一百年一遇高潮位加11级风，城市化地区是一百年一遇或二百年一遇高潮加12级风，并规定风是正向袭击。这个标准相对于上海原有的“八五”标准，即堤顶高程8m，堤顶宽5m，是一个进步，也是欧美发达国家上世纪六七十年代前较普遍接受的表达形式，它的缺点是以确定的风速反映不确定的台风，没有统计的概念，不能反映不同堤段因潮向不同而存在发生的重现期大不一样的真实情况。上海经常性风向为东南风，冬季为西北风，而受台风影响的强风向则是东北风。在杭州湾一侧，堤防面向南偏东，遭遇12级风正面袭击的重现期超过300年；而在长江口下游南岸的浦东国际机场附近，堤防面向东偏北，遭遇12级风正面袭击的重现期不足50年。因此，同样按二百年一遇高潮位加12级风设防的浦东国际机场的防御水平大大低于按同样标准设防的上海化学工业区；更有，位于上海东南角的临港新城，一侧面向杭州湾，一侧面向长江口，整个堤防采用的统一的二百年一遇加12级风标准，必然存在要么有一段的堤防标准偏低不安全，要么有一段的标准偏高有浪费。

与内陆江湖堤防不同，沿海一线防台防潮防的设防要素除了水位还有风浪，而且往往风浪的作用比水位更重要，水位与风浪又常常是两个不完全相关的事件，不同地区其相关性不一定相同，同一地区其相关性多大，风与潮的联合概率分布如何，急需深入研究。以风与潮联合概率的形式表达海堤的设防标准，是国际上的一个趋势，有利于对现有海堤进行科学的风险评价，有利于将新建或已有海堤加高加固到一个合理的水平。

2、关注涌浪作用，加强波浪观测等基础工作

分析防御能力的另一个重要问题是合理确定涌浪作用，上海在已建的达标海塘中，至今未对涌浪给予足够的认识，都是按风成浪的机理，选择适当的风区中给定设计风速，用莆田公式推算近岸波浪要素，或用二维数值模型，考虑糙率和浅水变形等因素推算近岸波要素。这样的方法在上海多数海塘堤段是合适的，但是随着近年大规模的围垦，海堤逐步向深水推进，在横沙东滩和南汇东滩发现了新的情况，即台风在福建、浙江南部登陆，头顶艳阳高照、清风习习，风速不超过五六级，但堤前波浪汹涌，甚至有个别巨浪超过堤顶。这种情况显然是外海传入的涌浪作用，但因缺乏必要的观测资料，设计建设中难以准确反映。因此，建立必要的水文波浪观测系统，积累原始资料的工作还有必要进一步加强。同时，加大政府间协调，打破封锁，把分散在各部门间（如上海相关地区的部门就有海事局、海洋局、海军、水利部长江委和上海水务等）的资料有效地利用起来，服务于利民利国的好事。

3、评估现状，消除隐患，优化结构，越浪不垮堤

上海的海堤基本上是土堤外包硬质消浪护面加防浪墙的复式结构，消浪护面结构多为栅栏板、螺母体或砌石；防浪墙多为直立或弧形钢筋混凝土墙，也有浆砌石防浪墙；路面多为沥青砼或砼结构，也有泥结石或碎石路面；内坡以草皮护坡加排水沟。这种结构总体上是硬壳罩土——“二面光”。值得关注的两类问题是：其一，在超标准风暴潮作用下，堤顶大规模越浪，海堤决口的机理是什么？与同标准或设防标准更低的允许越浪的“三面光”海堤相比，谁御大灾的能力更强？有无必要对现有海堤进一步改造？如果改造，怎样更安全、更经济、又能体现生态环境的要求？这是一项较大规模的基础性应用研究，涉及水力、岩土、结构、材料、乃至生物与环境等学科。其二，如何及时发现硬壳下堤身和堤基的缺限？如何监视并及时把握漫长防线上台风期间的异常情况？廉价、快捷、可靠的非开挖堤身探伤，和易维护、能防盗的自动化监测传输设备，急待研发和进一步推广使用。

4、保护二线老海堤，控制超标台风致灾范围

围涂造地是解决土地问题首选策略，随着社会经济的进一步发展，这方面的力度还在不断加大。随着深水中海堤的立起，熟悉的堤前高滩没有了，带来的不仅是河势和生态上的问题，更直接面临的是防台保安问题。一方面缺少了堤前高滩的消浪作用，另一方面由于堤前水深，波浪增减，超强台风在两个因素的综合作用下，对新建海堤构成了巨大的考验，它潜在的风险也许要较长的时间才能显现。新围海堤建成后，如果能够完全保留，或不得已只在局部开缺，或只削掉堤顶超高部分，在遭遇超标准风暴潮时，万一外围海堤溃决，内侧老海堤能发挥巨大的减灾作用。原因是，外围海堤不可能被全线扫平，堤内进水后其消浪作用很大，保留的二线老海堤主要挡潮，新老堤联合作用，必将极大地提高老堤内的防御水平，从而有效地控制台风致灾范围，达到防灾减灾目的。

四、统筹城市建设规划，保障蓄排能力，策划调度预案

随着城市的发展，大批河流被填没，而地区汇水能力大大增加，排水除涝的要求极大提高。解决这方面矛盾的基本思路就是“蓄、排、调”。

蓄，即加大城市蓄水能力，一方面严格控制水面率，保证城市应有的排蓄水河道，同时结合城市绿地、公园等场所建设，设立调蓄水池，既减轻泵站排水压力，又可减少雨污水放江入河的环境问题，应将“蓄”的要求纳入城市规划，强制性执行。

排，即加大城市管网收集和泵站排水能力，台风暴雨期间，局部小时降雨强度达百毫米，目前上海大部分城区排水能力为一年一遇小时暴雨（36mm/h），有些改建困难的老城区排水能力仅为半年一遇，排水标准总体不高。2005年8月美国南部遭遇的卡特里娜飓风给我们的启示中有两点，一是风力特别强，达15－16级，在此强风下人员外出抢险是不可能的，因此要求外围的海堤和防汛墙要够高、够强，挡得住，立得稳；另一点是暴雨特别强，一天200－300mm降水普遍超过了上海市排水设防能力，如果再像当时的新奥尔良有泵开不出，有水不能排，后果的灾难性不言而喻。因此，进一步扩大排水能力，确保现有排水能力能及时发挥，是一个值得特别关注的问题。

集中暴雨比长时间中小雨对上海的影响更大，但集中暴雨往往是局部的，这就有条件采用“调”的措施来减少暴雨灾害。研究表明，通过对苏州河两岸水系的调度，可以大大降低苏州河高水位，从而提高地区排水能力，减少城区积水时间，这种研究值得深化和推广，编制运行预案，积极演练，适时投入使用。

五、建议设立全国统一的风暴潮预报中心

风暴潮预报是指导抗台的一个重要技术保障，目前沿海各省市可能都有自己的预报队伍和软件，但水平参差不齐，建立全国统一的预报中心，有利于稳定队伍，提高水平、共享资源，避免低层次重复建设。通过全国性和地区性多套嵌套模型，既可安保证预报的精度，又可满足各地的特殊要求。

防洪减灾风险管理研究综述
武汉水利电力大学 傅湘 王丽萍


http://www.hwcc.com.cn 2001年5月16日 《水利水电科技进展》2001-1 编辑：chentao






摘要：主要对水文风险、水力风险、经济风险、风险决策和洪水保险五个方面的风险管理方法在防洪减灾中的研究现状进行归纳和评述．其中水文风险的研究重点分为线型选择、参数估计、风险率计算三部分；水力风险的研究主要集中在水库泄洪风险及河道或洪泛区的洪水演进研究；经济风险分析主要集中在防洪费用-效益的风险分析；风险决策研究通常表现为防洪问题的可靠性规划和多目标风险分析两种形式；洪水保险的研究主要是利用模拟模型来推导一个最优洪水保险策略．文末阐述了防洪减灾风险管理的发展趋势．

关键词：洪水灾害；防洪减灾；洪水保险；风险管理

中图分类号：TV122；F840．64 文献标识码：A 文章编号：1006-7647（2001）01-0011-05

近几十年来，随着防洪减灾工作的日臻完善和成熟，作为其中一个重要内容的风险问题研究也取得了迅速进展，不断地由定性描述向定量分析发展；研究工作从水文风险一直拓宽到水力、经济、社会、环境、运行管理、保险等一系列风险问题，取得了较为丰硕的成果．纵观风险管理在防洪减灾中的研究对象和重点，其研究内容主要包括以下几个方面．

1 水文风险

洪水是一种复杂的自然现象，它的发生与发展决定于气象因素和地理因素，是一个相当复杂的动态过程．在人类利益存在的地方，它就可能造成巨大的灾难，在这个意义上，洪水就构成了洪水风险．至今已有许多学者对水文风险进行了大量研究，回顾这段发展的历程，可以发现水文风险分析仍停留在统计学范畴．其研究重点主要分为线型选择、参数估计、风险率计算三个部分．

线型分布主要根据曲线的尾部性能，可以区分为两类：一类为薄尾分布，一类为厚尾分布．前者指所有超过概率在尾端（流量增大方向）按负指数律递减的分布，如正态分布、P-Ⅲ型分布、Gumbel极值分布等；后者指所有超过概率在尾端按负幂函数律递减的分布，如对数正态分布、对数P-Ⅲ型分布、Weibull分布等[1]．由于负幂函数律比负指数律趋于零的速度要慢得多，因此厚尾分布对于远离一般点据的特大值，要比薄尾分布拟合得好一些．

至60年代初期，经过研究和实践证明，P-Ⅲ型曲线与我国大部分河流的洪水资料相适应．但是，随着水文资料（包括调查洪水）的日益增加，特大值不断出现，P-Ⅲ型曲线的统计参数Cs／Cv值增加极大，不同线型外延的结果相差很大，鉴于此，孙济良等[2]推出了拓宽的P-Ⅲ型分布，并将它命名为指数г分布曲线，并以此分布为基础，经过分析和推导得出其内涵的10种分布曲线，以适用于不同气候区水文极值的分布特征．

在水文风险分析中，国内外学者对参数估计问题作了大量的研究，已先后提出了矩法、权函数法、数值积分权函数法、极大似然法、概率权重矩法、适线法、模糊权函数法等方法．矩法是数理统计中惯用的参数统计方法，其主要特点是计算简单，但统计特性较差，在采用传统矩法估计P-Ⅲ型分布的参数x，Cv，Cs时，误差较大．基于短差产生的原因，马秀峰提出了权函数法，但它未能解决x，Cv的估计精度问题．黄振平基于对此的认识，在权函数的基础上，采用数值积分代替矩法公式，并进行了统计检验．但刘光文[3]认为该法的估计值尚未达到最优，并在此基础上进一步研究，提出了数值积分双权函数法．极大似然法是数理统计中最有效的参数估计法，但计算较繁，对于P-Ⅲ型分布Cs≥2时，似然方程无解，因而应用受到限制．概率权重矩法是美国Greenwood等[4]提出的一种参数估计法，应用于Gubel，GEV和Wakeby[5]的参数估计．到1988年经过宋德敦等的研究将此法成功地应用于P-Ⅲ型分布的参数估计．适线法在我国已得到广泛应用，主要有目估适线法和计算机适线法[6]．为了得出合理的适线准则和相应的经验频率公式，丛树铮等[7]对此作了大量水文统计试验研究，丘林在1992年提出以经验点据对理想最优频率曲线隶属度为权重的模糊加权优化适线法．

我国现有的设计洪水估算方法，是以1年为一个时段单位对年最大流量进行独立抽样，再按适线法估计得到一条频率曲线，此线就是对年最大洪水流量的总体分布（年超过概率曲线）的一个估计，所以设计洪水频率的计算就是研究洪水年破坏概率（年风险率）的问题[8]，而防洪工程未来运行期N年破坏概率（N年风险率）多采用Ben-chie Yen用二项式分布导出的洪水风险率．为克服此方法单纯在频域内考虑洪水特征的不足，一些学者[9，10]研究了一类新的洪水风险率模型，即用随机点过程理论研究风险率大小，把洪水序列视为一随机过程，以随机点过程（如Poisson随机点过程）理论为依据，吸收时间序列分析方法的特长，研究洪水风险率的大小．

2 水力风险

2 水力风险

长期以来，人们采用重现期法估计水利工程中的风险．近年来的研究表明：重现期方法已不适合水利工程的风险分析，防洪工程的全面风险不仅有水文事件的内在随机性，而且来源于水力、结构、经济等的不确定性．水力风险系指影响河段及泛区洪水水位、流速、洪峰流量、演进过程的各种不确定性因素．在防洪减灾中水力风险问题的研究主要集中在水库泄洪风险及河道或洪泛区的洪水演进研究．

水库泄洪能力根据泄洪建筑物的结构型式，分别按溢洪道的堰流公式和泄洪洞的有压管流公式计算，公式中变量的分布由于目前缺乏实测资料，通常只能分析假设，徐祖信等[11]假设这些不确定量为三角分布，提出了开敞式溢洪道泄洪风险的计算模式．储祥元[12]用假设的四种分布概型进而对水力模型中各因子进行模拟，采用拟优选择的办法确定泄流能力的最佳概率模型．但上述研究未能将库水位变化的动态因素引入分析，为解决这一问题，姜树海[13]根据调洪过程中水库蓄洪量具有Wiener过程特性的分析，建立了带有随机作用项的Ito随机微分方程，以描述和分析调洪过程中库水位的随机变化规律．但它是在一系列的假定下求得的，且应用中存在大量简化，不可避免地存在局限性，据此，谢崇宝[14]从不确定因素的最基础单元着手，推导了多种泄流建筑物的水力风险理论计算公式，给出了相应泄流风险图．显然，分析最基础单元概率分布比假定综合作用的结果的概率分布更为合理和有效；同时指出水力风险使水文风险作用加剧，但不能本末倒置，水文风险仍是风险的主要控制因素．洪水这种水流现象属于典型的非恒定流，描述洪水在水库、河道、渠道及洪泛区平原中演进过程中各种不确定因素，是水力风险研究中的另一重点．洪水演进过程的理论基础是非恒定流水力学，其基本方程是1871年由St．Venant提出的由水流连续方程和动量方程组成的方程组．在此基础上形成两类洪水演进法：水文学演进法和水力学演进法．对于洪水在水库和湖泊中的演进，水文学方法起着重要作用；另一方面，随着电算技术的广泛应用，水力学演进法应用领域日益扩大．刘树坤等[15]从二维不恒定流基本理论出发，模拟洪水在洪泛区内演进过程，绘制了洪泛区风险图．周北达深入探讨了洪水灾害模型的建立，根据洪泛区水流的特性选定二维非恒定流数值模拟模型．熊德迟[16]在此基础上对糙率的率定、动边界的模拟等洪泛区洪水二维模拟中较棘手的问题进行了深入的研究和改进．梅亚东[17]针对蓄滞洪区水流条件复杂的特点，较为系统地研究了描述洪水在蓄滞洪区内动态演进的一维不恒定流模型和拟二维不恒定流模型．朱元胜等[18]针对采用水文学方法描述洪水演进模型存在的不确定性，考虑了洪水演算误差，得出各分段洪水演算误差分布基本呈正态分布．傅湘、纪昌明[19]采用一维非恒定流数学模型进行了三峡—枝城河道水流演进计算，应用系统分析方法建立了水库汛限水位风险分析模型．

3 经济风险

防洪减灾中的经济风险主要来源于工程费用估计中的不确定性，经济因子的不确定性如利率变化、通货膨胀等，有限的数据记录，洪水事件的随机特性及未来人口增长的不确定性．任何已建、待建的防洪工程，都要进行经济评价，以提供合理的决策依据．如何进行经济评价，已成为防洪经济学研究的重要课题．

防洪减灾中的经济风险分析主要集中在防洪费用的风险分析、防洪工程效果即经济评价指标的概率分布研究及防洪效益的风险分析．其基本思路是以概率论、数理统计、随机分析方法、贝叶斯理论、极值统计理论为依据进行经济风险分析．李存斌建议用频率法讨论年效益的计算，将总效益用P-Ⅲ型曲线拟合，描述了总效益的变化规律．王忠法[20]选用某水利工程防洪、发电、航运、建设投资、移民费用等风险因素作为该水利枢纽经济风险分析的基本风险变量，采用三角分布法求得基本风险变量概率分布，然后运用蒙特卡洛方法来推求工程总体的经济效果的概率分布．谢安周采用统计参数解析法-组合频率法及蒙特卡洛模拟法探讨总效益现值的概率分布．覃爱基[21]在此基础上，以实际资料分析、验证水利工程各年经济效益的概率分布为P-Ⅲ型分布，并导出了水利工程总效益现值的偏态系数计算公式．薛年华[22]、寇继虹分别用蒙特卡洛模拟法和最大熵法求解经济评价指标的概率分布．

目前，随着经济风险评价越来越受到重视，防洪效益的定量研究也逐渐丰富起来．如Nassir[23]针对某一经济规划区域，提出了一个估计洪灾损失的理论模型，该模型考虑了水文、水力、经济的风险因素，通过该模型能合理评价该区域防洪方案的防洪效益．Ouellete等[24]提出将洪水的随机特性与洪泛区洪灾损失估计综合起来的方法论，根据洪水与洪灾损失在时间系列上的相似性，给出了洪灾损失估计的概率方法，然后应用极值统计理论推导出损失的分布函数．朱元胜[18]在传统防洪效益计算的数学模型基础上，综合分析了水文、水流、工程施工和运行管理等多种不确定性，建立了长江中游防洪系统防洪效益的风险分析模型．冯平等[25]通过概率组合方法估算了水库的实际防洪能力，然后与水库的设计防洪标准比较，判断水库提高汛限水位的可能性，并对超汛限水位蓄水进行风险效益分析．

随着洪水预警报系统的发展，洪灾经济损失的估算方法也丰富起来，对洪水预报的精度、预见期、发警报时人们的反应能力及时间对经济效益的动态影响均作了考虑[26]．上述防洪效益的计算中，洪灾损失通常用数学期望值来表示，然而这种表示方法在将一个概率问题转变为确定性的问题中，丢失了大量的信息，针对这一问题，PMRM[27]（分区多目标风险分析方法）提供了一条解决途径，它除了考虑期望值风险目标外，还考虑了条件期望风险目标．即通过样本容量及PMRM的分区点将极值统计理论与低概率期望值函数联系起来，并用极值统计理论推导条件期望风险函数[28]，在此基础上，James[29]研究了一个严格单增损失函数Y＝g（X）（Y为洪灾损失，X为洪水位）的极值特点，评估了极值洪灾损失的期望值和方差．

4 风险决策

4 风险决策

在防洪减灾中，上述水文风险、水力风险、经济风险的研究并不是我们的最终目的，它们只是多目标风险决策的一个有力辅助工具，用它们的成果进行洪水控制与决策才是根本的．因此，如何利用这些信息进行方案决策已引起了国内外学者对风险决策的关注和探讨．

防洪问题主要存在两类矛盾：一是防洪与兴利的矛盾；二是防洪内部矛盾．关于它们的风险决策研究通常表现为两种形式：第一种形式为可靠性规划．可靠性规划的概念是由Sengupta提出的，Colorni等首次将可靠性方法引入水资源系统的运行管理中，他建立的水库运行管理模型不预先给定可靠性水平而将可靠性水平作为附加决策变量处理，并将可靠性水平这一变量的效用函数加入目标函数中（或称风险损失函数）．Simonovic等拓宽了上述可靠性规划模型，将一个可靠性约束增至两个，即考虑洪水与干旱可靠性水平，将洪水风险损失函数与干旱风险损失函数加入目标函数．Hashimoto等[30]就水资源系统可靠性规划评价指标进行了深入的研究，提出了有关可靠性、回弹性、脆弱性、稳健性等概念和计算公式，极大地丰富了水资源系统规划与管理中对系统特性的评价方法．Simonovic等[31]讨论了水文预报可靠性与水库运行惩罚项之间多目标权衡问题，并引入可靠性、回弹性和脆弱性作为确定两目标权重的风险准则．Ji等[32]利用大系统递阶分析基本原理建立了水库系统管理多目标可靠性规划数学模型，用以求解包括水库及水电站、复杂防洪系统在内的多目标（防洪、发电、灌溉等）决策问题，同时提出了多目标决策方法——均变率法，得到了最佳均衡解．陶涛探讨了水资源系统性能指标在水利工程管理中的作用，并用改进的层次分析模糊评价方法进行可靠性规划的多目标评价．

防洪工程风险决策研究的另一形式是多目标风险分析．1979美国学者Krgyszmofowicz等考虑决策者对风险所持的态度构造了水库运行时防洪与兴利的效用函数，然后利用对策论来制定水库运行策略．Orloskio等根据设计典型年日径流资料，利用小中取大的决策方法反映决策者对风险所持的谨慎态度来确定Como湖的运行规则．Hu等研究了综合利用水库防洪与兴利矛盾的多目标风险分析，以多目标决策理论为基础，分解-聚合方法为工具，建立了一个模型系统．Nardini等[33]针对供水与防洪管理目标，用风险厌恶及期望成本相结合的方法来确定水库最优运行策略．Ji等[34]利用大系统理论，建立了多目标风险递阶分析模式，并引入了多个评价指标，求解了某大型水利枢纽的多目标风险管理问题．黄志中等[35]针对期望值方法的缺陷，将分区多目标方法（PMRM）应用到防洪系统最优规模决策中，充分考虑了防洪安全、经济发展、洪灾风险之间的关系，有利于正确优选防洪项目及相应的最优规模．涂燕宁[36]结合水电工程实际，建立了经济评价多目标风险决策模型，提出利用风险概念结合改进的ELEC-TRE-2法以及利用随机优势法结合线性分配法求解模型，再用集结技术进行方案的最后排序．

5 洪水保险

保险是风险管理的重要手段，没有风险显然也就无需保险．保险的功用是把不确定的、稀遇的和巨额的灾害损失风险，转化为确定性的、稳定的和小量的开支．洪水保险不仅可为投保户灾后恢复提供有效的帮助，减轻灾后救灾的负担；还可以应用洪水保险作为经济杠杆，来调整和控制洪泛区的经济发展．

迄今，洪水保险已为越来越多的国家所接受，并在美、英、日等发达国家得到了充分的重视和广泛的实施．早在1956年，美国就通过了第一部《洪水保险法规》；1968年发布了《全国洪水保险法》；1973年国会又通过了《洪水灾害防御法》，其中经历的最大变化是从1968年的自愿保险转为1973年的强制保险；1977年至1978年间，又颁布了《全国防洪保险法》；历经几度修正，积累了丰富的实践经验．国外学者们在这方面也作了许多研究工作：Krutilla[37]研究了洪水保险替代工程措施的可行性．为了减少保险公司的经营风险，Lind，Brown和Kunreuther[38]提出强制性全国洪水保险的观点，倡议保险公司在政府的援助下承保区域的特定洪灾损失．

上述的研究大多趋向于概念性的陈述洪水保险较其他防洪减灾措施而言的相对优点，洪水保险研究的另一形式是利用决策框架来推导一个最优保险策略．Schaake等[39]建立了搜索全国洪水保险计划最优策略的模拟模型，得出了最优的保险费率、贴现系数和开业资金额．Karlinger等[40]研制了一个计算机模拟模型，以购买洪水保险的意愿来监测投保者对洪水保险的反应．Tai[41]建立了一个多状态保险费模型，通过最大化个人财产的期望效用函数来获得最优保险费．

我国从80年代开始研究洪水保险．目前已在研究、试点或实行的洪水保险方式，大体可分为四种类型，即通用型洪水保险、定向型洪水保险、集资型供水保险和强制型全国洪水保险．申屠善[42]就洪水保险政策、保险对象和赔偿问题作过探讨．梁达三[43]就洪水保险资金积累、洪水保险自愿原则、洪水保险试点等问题提出了一些看法和意见．周承甫[44]在上述研究的基础上，建立了一个洪水保险基金模拟模型，得出了优化保险费率、保险基金初值以及再保险结构．施国庆等[45]对现行计算防洪保险费的方法进行了探讨，推荐采用改进的危险区域法并给出应用实例．方劲松等[46]对防洪保险中两个重要的核心问题——洪灾风险分析和防洪保险费率的制定进行了研究．华家鹏等[47]提出了三种洪水保险费率的计算模式，并选取浙江省兰溪市为典型研究实例，对洪水保险的费率制定和经营风险问题进行了深入研究，对我国实施洪水保险提出了若干建议．

6 结 语

综上所述，防洪减灾的风险管理问题在国内外已得到了高度的重视，并在水文风险、水力风险、经济风险、风险决策及洪水保险五个方面进行了广泛深入的研究，取得了许多宝贵的经验和成果．但由于防洪减灾的内涵大大拓宽了，从单纯的工程措施发展到非工程措施进一步发展到经济、社会、生态环境、法律等各个部门，因此，防洪减灾风险管理涉及的内容多，难度大．目前存在的主要问题是研究对象大多针对某些风险要素相对独立的实际问题或方法，防洪减灾工程与社会经济、生态环境系统联系不够紧密，带有一定的孤立性和局限性，理论和应用尚未取得大的突破，因此，在风险辨识和估计的基础上，解决各类风险之间的相互影响和转化的机理关系，建立和完善防洪减灾风险管理基本理论体系的研究是当务之急．

参考文献：

楼主这几个都是比较表面的东西，能不能提提更实在的问题!
如"农村低地区一百年一遇高潮位加11级风，城市化地区是一百年一遇或二百年一遇高潮加12级风，并规定风是正向袭击。这个标准相对于上海原有的“八五”标准，即堤顶高程8m，堤顶宽5m"通过你的设计,你觉得合理吗?提提自己的看法和见解!

15 d 为一周期;年内潮一般夏潮高于冬潮。台风和径流对潮位
影响较大,年最大潮位一般出现在汛期。茅洲河入海口海域属
于弱潮型河口,潮差不大。
设计潮位频率计算采用皮尔逊Ⅲ型频率曲线,用图解适线
法进行设计潮水位计算。设计中的偏差系数CS 和变差系数CV
采用实测资料统计值。
2. 7 　洪潮遭遇分析
洪水与潮汐的组合遭遇问题是一个比较复杂的问题,两者
之间既有相关的一面,又有相互独立的一面,不能描述为简单
的事件相乘或事件相加。分析洪潮相遇可以分以洪水为主潮
汐相应和以潮汐为主洪水相应这两个方面进行。
(1) 年最大洪水与潮汐遭遇。根据对赤湾水文站和深圳气
象站的实测统计资料分析,历年最大洪水相应的赤湾站最高潮
位一般都小于多年平均最高潮位,而对于最高潮位高于多年平
均最高潮位所对应的降雨根据分析也只相当于3. 5 a 一遇洪
水。根据分析,采用多年平均最高潮位与设计洪水相遭遇。
(2) 年最高潮位与洪水遭遇。根据对赤湾水文站和深圳气
象站的实测统计资料分析,当赤湾发生最高潮位时,相应的深圳
气象站24 h 降雨量均小于年最大24 h 降雨量,因此采用多年平
均年最大24 h 暴雨产生的洪水与设计年最高潮水位遭遇。
3 　结　语
由于深圳的特殊地理位置和地形地貌,一般河流陡而短
小,又因常遭遇台风暴雨,造成深圳河流洪水历时短、洪峰高的
特点,多数河流入海均受潮汐影响较大。因此,水文特性分析
对于深圳非常重要,直接影响工程实施的费用及效果。□
参考文献:
[ 1 ] 　詹道江,叶守泽. 工程水文学[M] . 北京:中国水利水电出版社,
2000.
[ 2 ] 　深圳市水务局. 深圳市水文资料年鉴[ Z] . 2004.
[ 3 ] 　广东省水文局. 广东省暴雨参数等值线图[ Z] . 2003.
[ 4 ] 　广东省水文总站. 广东省暴雨径流查算图表[ Z] . 1991.

感潮河网地区挡潮闸设计水位组合探讨（姚慰城）


http://www.hwcc.com.cn 2003年1月7日 《上海水务杂志》2002-3 编辑：chentao






前言　平原感潮河网地区挡潮闸工程上下游（内外河）水位差随潮位变化而变化，它不同于丘陵，山区河道上水利工程的上游水位总归高于下游水位，因此平原感潮河网水闸工程设计有一个水位组合问题。本市的水闸工程设计，在考虑最不利的水位组合方面没有统一规定，特别是水闸引排水工况的水位组合更加有一些任意性，而设计考虑的水位组合关系到工程的运行安全和经济合理，所以是一个值得注意的问题。本文对此提出的观点供设计同行参考讨论，希望在水闸工程设计中的水位组合方面有一个相对统一的标准。

１ 水闸挡水的水位组合

水工建筑物荷载设计规范将荷载分为永久作用、可变作用和偶然作用三类：结构自重和土压力等为永久作用荷载；静水压力、扬压力、外水压力和风浪压力等为可变作用荷载；地震作用和校核洪水位时的静水压力为偶然作用荷载。由于可变作用荷载主要是各种水压力，而水压力又直接与水位有关，所以设计研究可能的各种水位组合等于研究可变作用荷载的组合，如果该工程有校核洪水位的规定，则在各种水位组合中等于还考虑了偶然作用荷载。

水闸设计规范对结构稳定性和强度规定的安全系数，由荷载组合中的基本组与特殊组合而规定不同的允许值。本市水闸工程设计荷载组合中的特殊组合只考虑正常荷载组合遇地震的工况，并无校核洪水位的特殊工况，例如黄浦江市区段支流河口水闸按千年一遇高水位设计而并无更高的水位校核。对于挡潮闸而言，千年一遇高水（潮）位是一个控制水位，另一个控制水位可能是千年一遇低水（潮）位，然而规范并无低潮位设计频率的规定，因此设计还考虑出现历史最低潮位的工况，历史最低潮位的静水压力属于可变作用荷载还是属于偶然作用荷载并无统一规定，犹如千年一遇高潮位的静水压力对上海市区的防洪工程是可变作用荷载而对别的城市可能是偶然作用荷载。

根据规范规定作判断，只要存在偶然作用荷载就应在考虑水位组合时分为基本和特殊两种荷载组合情况；在遭遇设计频率（上海市区黄浦江两岸支流河口水闸为千年一遇）风暴潮的河道水位产生的水压力定为可变作用荷载用于基本荷载组合，超过设计频率风暴潮产生的水压力为偶然作用荷载用于特殊荷载组合，但是《城市防洪工程设计规范》ＣＪＪ ５０－９２和《堤防工程设计规范》ＧＢ ５０２８６－９８都没有校核洪水位的规定，所以规范对稳定安全系数的规定，对特殊荷载组合或非常运用条件下的安全系数，大概主要用于地震工况。

设计挡水建筑物须考虑各种可能的水位组合并从中选出最不利的组合工况，为此先要汇集和分析研究主要的特征水位如：历史最高水（潮）位、历史最低水（潮）位、多年平均大潮高水（潮）位、多年平均大潮低水（潮）位，以及主要特征频率（千年一遇、百年一遇等等）的高水位等，还有工程建成后闸内河道规划拟定的正常水位、最高水位、最低水位等等，并需考虑水闸工程建成后闸内河道可能尚未按规划断面整治完成，这时闸内河道的正常水位、最高水位、最低水位可能并非规划拟定的数值。

在拟定基本荷载组合时首先要确定各种可能的可变作用荷载，若将水闸工程两侧命名为内河与外河，两侧的可变作用荷载有其相应的水位，按水工建筑物荷载设计规范推论，外河侧应该有设计高水（潮）位和校核高水（潮）位两个数据，可是本市没有校核高水位的规定，外河侧的低水位更加没有设计和校核的规定。内河侧的正常水位、最高水位、最低水位也没有划分用于设计抑或校核，所以在拟定基本荷载组合与特殊荷载组合时需要加以分析研究。

基本荷载组合必须考虑的水位组合，根据常识推论：第一是外河侧的设计高潮位（市区黄浦江两岸为千年一遇高水位）与内河侧的正常水位组合；第二是内河侧的设计最高水位与外河侧的多年平均大潮低水位组合３；第三是内河侧的最低水位与外河侧的多年平均大潮高水位组合。水工建筑物荷载设计规范条文说明中提到“由于偶然作用在设计基准期内出现的概率很小，两种偶然作用同时出现的概率必然更小，因此在偶然组合中只考虑一种偶然作用。如校核洪水位时的静水压力就不应与地震作用同时参与组合”。据此精神，考虑到本市并无校核洪水位的规定，所以第一项基本荷载组合加地震并非就是必须考虑的特殊荷载组合，因为设计高水位出现的频率很小，实际上与校核洪水位一样是偶然出现的水位，只是出现的频率低一个档次，因此遭遇地震的特殊荷载组合需考虑的水位，建议定为：外河侧的多年平均大潮高水（潮）位与内河侧的正常水位组合；内河侧的正常水位与外河侧的多年平均大潮低水（潮）位组合。本市受水闸控制的内河正常水位有时并不固定，譬如２．５～２．８ｍ、２．８～３．０ｍ等等，在水位组合中应按不利的组合选用其上限或下限。需要考虑的另一种特殊荷载组合是没有地震但是外河遭遇历史最低潮位的情况，这时取内河最高水位与外河历史最低潮位组合。

２ 验算渗透稳定的水位组合

验算渗透稳定按理要考虑渗流过程中的作用水头随着潮位涨落而变化，是不稳定渗流，问题比较复杂，目前还没有简单实用的计算方法。从工程的安全可靠着眼，一般设计计算都直接用最大水位差按常规方法验算渗透稳定，因此验算渗透稳定的水位组合与计算抗滑稳定和地基应力的水位组合完全相同，不需要另外拟定水位组合。

３ 引、排水消能建筑物的水位组合

引排水建筑物（节制闸、船闸、涵闸等）关门不泄水时按挡水建筑物设计，并不涉及消能工，开门泄水才涉及消能工设计，考虑消能的水位组合与水闸挡水工况的水位组合不一定完全相同，所以水闸引水和排水的消能工设计需另外考虑最不利的水位组合。

内河处于正常水位时的引水是调水（水资源调度）的需要，也就是在引水时河道的另一头同时进行排水，河面仍基本保持正常水位，内河最低水位时的引水就不一定另一头同时进行排水。引水使内河水位有逐渐升高的变化，同时外河水位随涨、落潮有逐渐升降的变化，因此在引水过程中内外河水位都不断变化而且没有同步规律，所以设计拟定的水位组合不一定正好符合实际情况，主要是拟定一种控制性工况作为设计依据。引水的基本水位组合以往考虑内河最低水位与外河某一种特征潮位组合，规定水位差超过１ｍ时只允许闸门局部开启或必须关门停止引水。一般暂停引水不会产生严重后果，所以这种带有一些任意性的水位组合不无道理，同样的道理，建议先按常规构造设置引水的消能工，据此反算运行允许的水位差和水深两项限制条件。

内河集水范围普降暴雨是最需要排水的时刻，理论上只要外河水位低于内河就要开闸排水，以往对引水和排水都拟定水闸两侧水位差小于或等于１ｍ才允许闸门全开，意味着不论过闸流量是否大于河道的允许流量，只要水位差超过１ｍ就必须关门成孔口出流或停止泄水。按理在正常水位时发生暴雨就需开闸排水，并非内河达到最高水位时才开启闸门，相反还可能在降雨前为了增加河道容蓄量而开闸排水预降内河水位。内河的最高水位是规划通过河网不稳定流水力计算确定的，在计算中有一定的标准和边界条件，消能工的设计水位应取该水力计算中出现的闸内外最大水位差和闸外最低水位时的水位差，也就是设计需要的规划数据不仅仅是内河的最高水位、最低水位和正常水位，还需要水闸排水时的特征过闸流量及相应的闸前闸后水位。

如果缺乏设计消能工需要的规划计算中的水位、流量数据，则从工程安全出发，设计考虑的基本情况宜取内河最高水位与外河大潮平均低潮位组合，同时根据河床的不冲流速计算该水位下河道的允许流量确定闸门开度；设计考虑的特殊情况是内河最高水位与外河历史最低潮位组合，同时也有其相应的允许流量，超过允许流量的排水造成河床冲刷不是水闸消能工所能左右的。

为了降低消能工造价，设计上或许可以考虑改变闸门局部开启的方式，常规的局部开启是提起闸门成孔口泄流，消能工的作用除了消耗部分动能外，主要是将较大的底流速转向面流，假如过闸水流并非从闸门底下通过，而是从门顶翻水，将过闸水流从水平方向改成接近垂直水面方向，则消能工或许可以作较大改变而降低造价。为此建议将不少工程曾采用过的双扉直升门在启闭方式上加以改变，不是先提起下扉闸门成孔口泄流，而是先将上扉闸门下降从门顶溢水，待消力池水位上升到一定程度后才开启下扉连同上扉闸门提升至全开。对双扉直升门的这种改革，实际上闸门既可以局部开启下扉从门底泄水，又可以局部开启上扉从门顶溢水，为任何高水位的引水、排水创造有利条件。

４ 水闸翼墙的水位组合

水闸翼墙的水位组合是河道水位与地下水位的组合，其最不利工况出现在河道水位最低而地下水位又最高时；某些工程施工期间河道无水，可采取临时降低地下水位的措施，避免施工工况成为控制工程设计的工况。

外河侧的翼墙工程，在设计中应考虑水位骤降因素，它是护岸工程整体稳定的最不利工况，这时应取大潮平均低潮位和最高地下水位组合为基本情况，历史最低潮位与最高地下水位组合为特殊情况。

直立式挡墙设置排水设施降低作用于墙背的地下水压力时，可考虑排水有效是基本情况，排水失效或部分失效为特殊情况；设计通航河道的护岸工程，在允许通航的水位幅度内，应考虑船行波的作用。

作者单位：上海市水利工程设计研究院