第五节　水库设计标准与设计保证率

一、兴利设计保证率

由于入库径流的随机性，在需水一定的情况下，当来水不同时，水库调节的水量不同，需要设置的水库库容就不同，一般情况下，来水越少，需要水库提供的水量越多，相应的水库库容越大。当水库库容设置过小，很多年份的需水量将得不到保证；当库容设置过大，耗费的人力、物力和财力多，但由于发生特殊干旱年的概率较小，导致很多年份库容闲置，显然是不经济和不合理的。所以，有必要确定一个阈值，使水库在长期工作期间，正常用水得到保证。水库在多年工作期间正常用水得到保证的程度常用正常供水保证率（简称设计保证率）来表示。设计保证率是一个统计参数，通常有三种不同的衡量方法，即按保证供水的数量，按保证供水的历时，按保证供水的年数来衡量。三者都是以多年工作期中的相对百分数表示。目前在水库的规划设计中最常用的是第三种衡量方法。例如灌溉水库、年调节以上的水电站、工业和民用供水工程等都用水库在多年工作期中能保证正常工作的相对年数表示（简称为年保证率），即

无调节或日调节水电站及航运部门一般用正常工作的相对日数（历时）表示保证率（简称为历时保证率），即

对于需水具有一定弹性空间的用水部门，有些时候也采用供水量占需水量的百分比表示保证率（简称水量保证率或供需比），即

设计保证率的高低与用水部门的重要性和工程的等级有关。设计保证率愈高，用水部门的正常工作受破坏的机会就愈小，但所需的水库容积就愈大。反之，如设计保证率愈低，则库容可以较小，但正常工作破坏的机会就多。保证率是对工程投资和经济效益影响很大的一个参数。水利计算的任务，是通过调节计算获得设计保证率、库容和调节流量之间的关系，为进一步的经济分析和参数选择提供足够的方案。

选择水电站设计保证率时，要分析水电站所在电力系统的用户组成和负荷特性、系统中水电容量比重、水电站的规模及其在系统中的作用、河川径流特性及水库调节性能，以及保证系统用电可能采取的其他备用措施等。一般地说，水电站的装机容量越大，系统中水电所占比重越大，系统重要用户越多，河川径流变化越剧烈，水库调节性能越高，水电站的设计保证率就应该取大一些。具体见表2－6。

选择灌溉设计保证率，应根据灌区土地和水利资源情况、农作物种类、气象和水文条件、水库调节性能、国家对该灌区农业生产的要求以及工程建设和经济条件等因素进行综合分析。一般地说，灌溉设计保证率在南方水源较丰富地区比北方地区高，大型灌区比中、小型灌区高，自流灌溉比提水灌溉高，远景规划工程比近期工程高。具体见表2－7。

由于工业及城市居民给水遭到破坏时，将会直接造成生产上的严重损失，并对人民生活有极大影响，因此，给水保证率要求较高，一般在95%～99%（年保证率），其中大城市及重要的工矿区可选取较高值。即使在正常给水遭受破坏的情况下，也必须满足消防用水、生产紧急用水及一定数量的生活用水。

航运设计保证率是指最低通航水位的保证程度，用历时（日）保证率表示。航运设计保证率一般按航道等级结合其他因素由航运部门提供。一般一二级航道保证率为97%～99%，三四级航道保证率为95%～97%，五六级航道保证率为90%～95%。

二、洪水设计标准

防洪安全设计一般可分为两类课题：一类是推算工程建成后，在下游防护区将来可能出现的洪水情况，用来研究分析本工程对防护区的防洪安全作用；另一类防洪计算是预估工程所在地点可能出现的洪水情况，用来核算工程本身的安全情况，分析建筑物各部分构件的应力状况和工作条件。

在设计水利水电工程时，为解决上述两类防洪安全设计课题，原则上可以通过风险分析途径，根据投资－效益的综合经济评价选定最优方案。然而，由于水利水电工程的防洪安全事故所造成的损失十分巨大，往往要求的风险率或洪水频率极小，如0.1%、0.01%等。而目前水文频率分析方法的精度是不高的，尤其在罕见的特大洪水部分，其误差可达100%，甚至更大，因而动摇了经济比较的基础。何况防洪安全事故是非常稀遇的小概率事件，必须输入十万甚至百万年以上的洪水资料，才能比较可靠地估算出防洪后果的概率，这在实际中是不可能做到的。此外，在估算人员伤亡的经济价值及洪灾的间接损失，如交通、能源等方面也存在着巨大的实际困难。即使在国外，投资～效益分析途径，也只是偶尔用于事故风险率较高、洪灾损失较轻、人员伤亡风险甚微的防洪安全设计工作中，如城市雨洪排水、公路桥涵等。

因此，目前在防洪安全设计工作中，仍然只得采用统一规定的风险率pf或洪水频率p⌒，作为选用设计方案的依据，称为设计标准。这样，就以洪水出现频率代表防洪安全风险率，以防御该标准的洪水作为确定工程规模的依据。在《防洪标准》（GB 50201—94）中，关于防护区的防洪安全标准，是依据防护对象的重要性分级设定的。例如，确定城市防洪标准时，是根据其社会经济地位的重要性划分成不同等级（4级），不同等级城市取用不同标准（表2－8），其他保护对象防洪标准的确定也是如此。

关于水利水电工程本身的防洪标准，是先根据工程规模、效益和在国民经济中的重要性，将水利水电枢纽工程分为五个等别，见表2－9。而枢纽工程中的各种水工建筑物，如工程运行期间使用的永久性水工建筑物（主要建筑物、次要建筑物）和工程施工期间使用的临时性水工建筑物，又按照其所属的枢纽工程的等别、该水工建筑物本身的作用和重要性分为5个级别，见表2－10。

设计永久性水工建筑物所采用的洪水标准，分为正常运用（设计标准）和非常运用（校核标准）两种情况。通常用正常运用的洪水来确定水利水电枢纽工程的设计洪水位、设计泄洪流量等水工建筑物设计参数，这个标准的洪水称为设计洪水。设计洪水发生时，工程应保证能正常运用，一旦出现超过设计标准的洪水，则水利工程一般就不能保证正常运用了。由于水利工程的主要建筑物一旦破坏，即将造成灾难性的严重损失，因此规范规定洪水在短时期内超过“设计标准”时，主要水利工程建筑仍旧不允许破坏，仅允许一些次要建筑物损毁或失效，这种情况就称为“非常运用条件或标准”，按照非常运用标准确定的洪水称为校核洪水。按照满足在设计标准的洪水条件下，进行正常运用要求而设计的水工结构，有时也是可以满足在校核洪水条件下进行非常运用的要求，不过也有时不能满足。因此，一般都要求同时提供两种标准的洪水情况，分别进行设计与校核，保证在两种运用条件下，主要建筑物都不破坏。永久性水工建筑物的正常运用和非常运用的洪水标准见表2－11。

满足某一标准的洪水的表达形式或计算途径，大体上分为两类：一类是以洪水发生（或通过暴雨）频率（或重现期）表示设计洪水和校核洪水的标准，为苏联和多数国家大中型水利工程普遍采用；另一类是以气象上的“可能最大降水”推算“可能最大洪水”，作为洪水的最高标准，适用于重要大中型（美国也用于小型）水利工程。也有从实测暴雨资料分析提出“标准设计暴雨”推算“标准设计洪水”，适用于一般中型水利工程。还有采用各种折减“可能最大降水”的办法，计算小坝的设计洪水，美国和中低纬度一些国家采用这一类方法。目前，国际上尚无统一的、为多数国家所接受的设计洪水标准。各国现行设计洪水标准相差悬殊，大多根据本国的具体情况，按工程规模、等级、坝型和失事后果等因素，分别制订各自的分级设计标准。

在我国，表2－11中，土石坝1级建筑物校核防洪标准的上限为“可能最大洪水（PMF）或10000年一遇”，其含意是这二者是并列的。即当采用PMF较为合理时（不论其所相当的重现期是多少），则采用PMF；当采用频率分析法所求得的10000年一遇洪水较为合理时，则采用10000年一遇洪水；当所求得的PMF和10000年一遇洪水二者的可靠程度相差不多时，则取二者的平均值或取其大者。另外，对混凝土坝和浆砌石坝，当遭遇短期洪水漫顶，一般不会造成坝体溃决。但是，如果1级建筑物的下游有重要设施，保证其安全是很必要的，所以防洪标准（GB 50201—94）也规定：“如果洪水漫顶可能造成严重损失时，1级建筑物的校核防洪标准，经过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”。