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土石坝水库防洪效益与溃坝效应研究提出临界漫顶洪水判定方法，量化单溃坝效应（SDBE）、平均溃坝效应（DBE）及综合防洪效益（CFCB），案例分析显示效益随水位升高显著下降甚至转为负值，新方法在混凝土坝不适用场景下更准确，为工程决策提供依据。
张亚东|周健|焦玉婷|孙浩远|孙和强|葛伟|李宗坤
郑州大学水利与交通学院，中国郑州450001
摘要
量化土石坝水库的防洪效益（FCB）对于评估投资合理性至关重要。虽然土石坝水库在遇到小规模洪水时可以通过减少洪水损失来产生FCB，但它们在极端洪水中的溃坝会导致更大的洪水损失——这种现象在此被称为溃坝效应（DBE）。本研究提出了确定导致DBE的临界溢流水位的方法，计算水库遭遇极端洪水时的单次溃坝效应（SDBE）以及平均DBE，并通过整合DBE和FCB来量化综合防洪效益（CFCB）。案例研究表明：SDBE随着洪水规模的增加而增加：当水库初始水位为400.5米时，10万年一遇的洪水所造成的SDBE是1万年一遇洪水的1.2倍。此外，DBE还会随着水库初始水位的升高而增加——具体来说，415米时的DBE是400.5米时的两倍多。相比之下，FCB和CFCB则减少：400.5米时的FCB是415.0米时的17.8倍，而CFCB从9810万元下降到-80万元。此外，在较低的水库初始水位（400.5米）下，CFCB主要由FCB构成（占97%）；而在较高水位（例如415米）下，CFCB则主要由DBE构成（占53%）。与传统方法相比，所提出的方法更为准确，尤其是在水库初始水位较高时。该方法还适用于坝型选择、最佳水位确定以及坝体退役决策等方面。
引言
洪水是全球最具破坏性的灾害之一（Wang等人，2024年；Barneveld等人，2025年），而水库是用于控制或减少大规模洪水灾害的关键水利工程（Ge等人，2024年；Nemnem等人，2025年）。大约18%的世界水库是专为防洪目的而建的（ICOLD，2025年）。在一些受洪水严重影响的国家，如中国，几乎所有大型和中型水库（蓄水量≥1000万立方米）都具有防洪功能（中华人民共和国水利部，2025年）。因此，量化水库的FCB对于准确评估水库的总效益及其投资合理性至关重要（Zhang等人，2025a）。
然而，并非所有类型的水库在遇到洪水时都能产生FCB。本研究考虑了一种特殊情况，即当土石坝水库遭遇极端洪水并发生溃坝时。土石坝水库是最常见的水库类型（中国政府网站，2021年），占全球所有水库的72%（ICOLD，2025年）。此外，随着气候变暖，近年来极端降雨事件变得更加频繁（Pathak等人，2020年；Bertola等人，2024年），导致全球范围内极端洪水的发生（Willner等人，2018年；Wa??ga等人，2024年）。因此，未来土石坝水库遭遇极端洪水的概率将会增加（Cho等人，2025年；Nemnem等人，2025年）。与混凝土坝相比，土石坝存在明显的缺陷。也就是说，一旦遇到导致溃坝的极端洪水，由于其建筑材料抗侵蚀能力较差（Pan等人，2015年；Mohamed，2018年），坝体将迅速坍塌。在水库蓄水和极端洪水的共同作用下，溃坝造成的损失将比仅发生极端洪水时（没有水库的情况下）更为严重（Balistrocchi等人，2019年；Nemnem等人，2025年）。在这种情况下，土石坝水库无法履行其防洪功能，因此无法产生FCBDBE）。
土石坝水库发生DBE的前提是水库遭遇极端洪水并发生溢流溃坝。根据水库的水位-蓄水量-泄流量曲线，随着洪水规模的增加，坝前的最大水位也会上升。存在一种恰好使水位达到坝顶高度并导致溢流的洪水，这种洪水被称为临界溢流水位。通常，当洪水规模小于临界溢流水位时，水库可以调节洪水过程，从而减少下游的洪水损失并产生FCB（Xie等人，2013年）。当洪水规模达到或超过临界溢流水位时，土石坝的溃坝将导致更大的下游损失，从而产生DBE（Xiao等人，2022年）。上述分析表明，土石坝水库在遇到小规模洪水时会产生FCB，但在遭遇极端洪水时会产生DBEFCB和DBE至关重要。
许多研究已经开展了关于溃坝损失（经济损失、人员伤亡和环境影响）（Dottori等人，2018年；Ge等人，2022年；Zhang等人，2022年）以及水库防洪效益（Xie等人，2013年；Sulis等人，2018年）的计算，但关于土石坝水库DBE量化的研究仍然很少。尽管有一些混凝土坝溃坝的案例（Petaccia等人，2016年），但与土石坝相比数量极少（Sheng等人，2023年）。此外，混凝土坝在溢流后具有更强的抗冲刷能力，相对难以溃坝（Manenti等人，2024年）。因此，本研究不考虑混凝土坝水库的DBE。可以看出，DBE是土石坝水库特有的现象，由水库的蓄水量和极端洪水的规模共同决定。DBE和FCB都可以通过比较有无水库情况下的洪水损失来计算（Jonkman等人，2004年；Zhao等人，2022年）。从这个角度来看，DBE可以被视为与FCB相对的负面效益，其存在会降低土石坝水库的综合防洪效益（CFCB）。因此，本研究需要同时考虑土石坝水库的FCB和DBE，以科学评估其在不同规模洪水防御中的综合防洪效益（CFCB）。
鉴于土石坝水库的广泛存在及其在防洪中的重要作用，准确评估其防洪效益至关重要。由于土石坝的材料特性，DBE是客观存在的，并对水库的CFCB产生影响。然而，目前仍没有确定临界溢流水位的方法，关于DBE和CFCB量化方法的研究也相对较少。因此，本研究旨在：（1）提出一种确定临界溢流水位的方法以及土石坝水库在极端洪水下的DBE的量化方法；（2）提出一种评估土石坝水库CFCB的方法。本研究首次定义并量化了溃坝效应，并将其纳入土石坝水库综合防洪效益的计算中，将在土石坝水库的设计阶段、运行阶段和退役决策阶段发挥重要作用。
部分摘录
前坪水库与极端洪水
前坪水库位于中国河南省洛阳市，地处淮河流域北汝河的上游。前坪水库的大坝为黏土芯砾石（卵石）坝，因此本研究以此作为案例。该水库主要用于防洪，同时兼具灌溉和供水功能。其总蓄水量为5.84亿立方米，控制流域面积为1325平方公里。其死水位为369.00米，防洪水位为
计算DBE和CFCB的框架
量化DBE和CFCB的过程如图3所示。整个计算过程主要包括三个步骤：
步骤1：确定临界溢流水位和溃坝时间。根据河流的多年径流数据或流域降雨数据，对大坝上游流域进行水文计算，以获得不同重现期洪水的过程和峰值流量。通过分析水库的特性，可以
极端洪水模拟
当水库初始水位分别为400.5米、410.0米和415.0米时，相应的临界溢流水位重现期分别为1万年、6000年和5500年，溃坝时间均为第14小时。本研究进一步计算了不同初始水位下的各种极端洪水的溃坝时间。以初始水位400.5米为例：对于2万年一遇、5万年一遇和
土石坝与混凝土坝的比较
图9a和图9b表明，当洪水规模小于临界溢流水位时，土石坝水库和混凝土坝水库的洪水损失及SFCB是相同的。这是因为这两个数值都取决于水库的调节后洪水流量过程。当水库分别遭遇1万年一遇、2万年一遇、5万年一遇和10万年一遇的洪水时，土石坝水库的经济损失是
结论
土石坝水库在小规模洪水期间可以减少下游洪水损失并产生FCB。然而，极端洪水导致的溢流和土石坝溃坝会造成比无水库情况下更大的下游损失——这在本研究中被称为DBE。为了区分土石坝水库在不同洪水情况下是产生FCB还是DBE，本研究提出了临界溢流水位的概念和确定方法。
作者贡献
张亚东：设计研究并撰写手稿；周健和焦玉婷进行数值模拟；何硕和何硕负责绘图相关工作；葛伟和邹磊收集数据、审阅、编辑并批准手稿。
CRediT作者贡献声明
张亚东：撰写——初稿，获取资金。周健：软件开发。焦玉婷：验证，软件开发。孙浩远：可视化处理。孙和强：数据整理。葛伟：撰写——审阅与编辑。李宗坤：撰写——审阅与编辑，项目管理，获取资金。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42507625、52179144）和2025年河南省高等学校重点研究项目（资助编号：25A570007）的支持。
