气候变化背景下水利工程抗灾韧性设计方法研究

引言

气候变化加剧了极端水文事件的频度与强度，传统水利工程设计标准面临严峻挑战。抗灾韧性设计以动态适应为核心，通过融合气候预测模型与风险量化技术，重构工程防护体系。该方法突破静态防御思维，强调系统在灾害冲击下的学习恢复能力，为应对不确定性气候风险提供了新范式。

1 气候变化对水利工程的影响分析

气候变化正在深刻改变全球水文循环特征，对水利工程设计、建设和运行带来系统性挑战。极端降水事件频率增加导致设计洪水标准被不断突破，传统防洪工程面临漫顶、溃坝风险加剧的严峻局面，同时干旱持续时间延长使得水库调度规则与供水保障能力受到考验。海平面上升引发河口地区咸潮上溯范围扩大，直接影响取水口位置选择和防咸工程设计标准。冰川退缩导致以冰雪融水为主的河流年内分配改变，水电站在运行期面临发电量锐减与调峰能力下降的双重压力。气温升高还加速了混凝土结构碳化进程，影响水工建筑物耐久性，而冻融循环次数变化则对寒区工程基础稳定性构成新的威胁。更值得关注的是，气候变化使流域水文气象要素的时空变异特征更趋复杂，传统基于历史统计的水文计算方法已难以准确预测未来水文情势。这些影响相互叠加，要求水利工程从设计理念到技术标准进行全面革新，构建具有气候适应性的新型工程体系。

2 气候变化背景下水利工程抗灾韧性设计原则

2.1 安全性与可靠性原则

水利工程抗灾韧性设计必须确保在气候变化带来的极端工况下仍能维持结构安全与功能稳定，通过引入气候情景驱动方法重构设计基准，将历史极值统计扩展为考虑气候变化的概率预测，在防洪墙高度确定、坝体断面设计等关键环节预留适应气候变化的安全冗余度。同时建立动态风险评估机制，定期复核工程在更新气候模式下的可靠性指标，形成包含极端洪水、特大干旱、复合灾害等多场景的校核体系，使工程设计既满足当前安全需求又具备应对未来气候不确定性的能力。

2.2 生态友好与协调性原则

韧性设计要求水利工程与自然生态系统形成良性互动关系，在堤防建设中采用生态护岸技术保留河道与洪泛区的自然连通性，通过设置生态鱼道、分层取水等设施减轻对水生生物的影响，在水库调度中引入环境流量保障机制维护下游生态基流。工程设计需特别关注气候变化引发的生态脆弱性变化，如针对植被带迁移调整水土保持措施，依据鱼类洄游时间变化优化生态放流方案，构建既能抵御气候风险又能促进生态修复的复合系统，实现人工基础设施与自然系统的协同适应。

2.3 经济合理性与效益原则

面对气候变化的不确定性，需要平衡工程防御标准提升与投资效益的关系，采用全生命周期成本分析法评估不同设计方案的气候适应效益，优先选择具有成本优势的韧性提升措施。在防洪工程中可采取"硬防御与软适应结合"策略，既适当提高堤防标准，又通过洪水风险区划管理降低保护区内暴露度，在水资源配置系统建设中注重多水源联调与节水技术应用，以弹性策略替代单纯扩大工程规模的传统思路，通过优化投资结构实现有限资源下的最大抗灾效益。

3 气候变化背景下水利工程抗灾韧性设计方法

3.1 结构设计增强抗灾能力的方法

水利工程结构抗灾设计需从静态强度校核转向动态性能控制，针对气候变化带来的新型荷载特点优化结构响应。重力坝设计中采用阶梯状下游面体型改善超标准洪水下的抗滑稳定性，拱坝建设中通过调整拱冠梁形态增强对非对称温度应力的适应能力。泄洪建筑物采用可调节式消能工设计，根据实际来流条件动态改变水流扩散角度以应对流量变幅增大的挑战。对于地下工程，开发考虑围岩渗流-应力耦合作用的支护设计方法，应对极端降水引发的山体地下水文条件突变。在沿海地区，闸门结构需集成风暴潮与海平面上升复合作用下的新型荷载组合，通过双重密封系统和智能预警装置提升防御可靠性。这些创新设计方法共同构成了抵御气候风险的立体防护体系。

3.2 材料选择提升工程韧性的策略

材料性能直接决定工程在气候变化条件下的耐久表现，需要发展具有自修复特性的新型工程材料。研发掺入微生物菌剂的混凝土实现裂缝自动愈合，提高结构在干湿交替加剧环境下的长期性能。开发基于相变材料的温控沥青用于渠道防渗，降低极端高温导致的材料老化速率。针对寒区工程，采用纳米改性橡胶颗粒改善沥青混凝土的抗冻融循环能力，延长冻土区基础工程的使用寿命。对于金属结构，推广使用耐候钢与新型防腐涂层组合体系，抵抗湿热交替环境下的腐蚀加速现象。同时建立材料性能的气候响应数据库，将不同区域的气候预测数据转化为材料退化模型输入参数，实现基于地理位置和气候场景的精准选材，系统性提升工程的气候适应韧性。

3.3 布局规划优化抗灾性能

水利工程空间布局需重构为具有气候适应弹性的网络化体系，通过多层次、多要素的系统整合实现灾害风险的有效分散。在流域综合治理层面，构建"水库群-自然滞洪区-生态河道"的立体防洪体系，既保留洪水自然滞蓄空间又实现水资源梯级利用，将传统对抗式防洪转变为适应性的风险共担模式。城市水系统规划突破单一灰色基础设施局限，通过雨水花园、透水铺装等绿色设施与调蓄池、排水管网等灰色设施的有机融合，形成能随降雨强度自适应调节的海绵体网络。水电能源开发呈现分布式、多元化新特征，在主干流建设调节性能优越的大型电站同时，因地制宜发展中小型径流式电站，形成优势互补的电力供应格局，有效应对来水时空分布变异带来的发电稳定性挑战。农业灌溉系统向多水源协同配置转型，构建包括地表水、浅层地下水、再生水和雨洪资源在内的立体供水网络，通过智能调度系统实现不同水质水量的精准匹配，提升干旱条件下的供水保障能力。在工程选址决策中引入气候风险评估新维度，运用遥感监测和地灾预警技术识别冰川退缩区、滑坡活跃带等高风险区域，通过空间避让策略从源头上降低气候衍生灾害威胁。

结束语

气候变化倒逼水利工程在设计哲学层面进行根本性变革，抗灾韧性方法通过动态平衡安全性与适应性，展现了应对不确定性的技术优势。未来需进一步发展气候-水文-工程耦合模型，并将韧性指标纳入工程评价体系，推动水利基础设施向"预测-适应-恢复"的智慧形态持续进化。

参考文献

[1]刘六宴,李宏恩,周宁,王雪冰,王芳,张铸.气候变化背景下溃坝巨灾特 征、机制与适应性对策研究[J].水利水运工程学报,1-15.

[2]高长胜,胡江.气候变化对我国水利基础设施安全影响及应对建议[J].中国水利,2024,(24):60-67.

[3]王丽.全球气候变化下水利工程适应性管理的最新进展与趋势[J].水上安全,2024,(23):58-60.

[4]马玉东,巨宏臻.气候变化对水利工程质量的影响[A]2024 首届水旱灾害防御与应急抢险技术论坛论文集[C].河海大学、北京水利学会、北京应急管理学会、天津市水利学会、天津市应急产业联盟、河北省应急产业联盟,北京沃特咨询有限公司,2024:8.

[5]魏健芹,巨宏臻.水利工程在应对极端气候事件中的策略[A]2024 首届水旱灾害防御与应急抢险技术论坛论文集[C].河海大学、北京水利学会、北京应急管理学会、天津市水利学会、天津市应急产业联盟、河北省应急产业联盟,北京沃特咨询有限公司,2024:8.