風險排序及其在病險水庫除險加固工程中的應用

張佩，姜暑芳，李富濱

(1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州 450000;2.中國水利水電第七工程局有限公司一分局，四川彭山 620860)

1 概述

目前我國已建成水庫85000多座，病險水庫約占水庫總數的36%，數量大，除險加固資金有限，不可能同時對這些水庫進行除險加固。過去對水庫大壩進行的安全評價，一般均按照設計規范分別對防洪、抗滑、抗震、抗滲、抗裂等功能分項進行安全計算，按規范要求的安全系數作為安全與否的衡量標準，僅從安全狀況對水庫潰壩進行了分析論證。事實上，不同水庫在安全狀況、對下游的經濟發展、防洪保護對象等條件有不盡相同的要求，對下游形成的風險上有巨大差異，在決策時需全面考慮這些因素的影響。因此，需要用一種新的方法對病險水庫進行評價，即根據大壩風險程度排序的決策方法來進行病險水庫的加固，確保將有限的除險加固經費用到最需要的地方。

2 風險的定義

狹義的風險僅僅定義為“失事”概率。該定義可以衡量風險事件出現的概率，但不能反映該事件造成損失的程度。廣義的風險定義為:事件發生的后果與預期后果背離的程度及其發生的概率。該定義較為全面地衡量了風險事件的兩大要素:風險率和風險后果。我們通常所說的洪災風險指在各種可能的條件和一定的防洪措施情況下發生洪災造成社會、經濟、環境和人員損失的可能性，即洪災風險R由風險率P與洪水災害造成的損失L的乘積。

3 潰壩后果綜合評價法

綜合評價是利用數學方法對一個復雜的多指標信息進行加工和提煉，以求優劣等級的評價方法。目前，國內外已提出眾多評價方法，筆者在此主要介紹層次分析法對潰壩后果的分析。

根據王仁鐘、李雷［1］、［2］等的研究，潰壩后果綜合系數L體現了潰壩生命損失、經濟損失、社會與環境的綜合影響。

式中 S1、S2、S3分別為生命損失、經濟損失、社會環境影響的權重系數;F1、F2、F3分別為生命損失、經濟損失、社會環境影響的嚴重程度系數。

由于文中的風險計算采用該方法，在此簡要介紹一下其計算過程。

3.1 權重系數的確定

將生命損失、經濟損失、社會與環境影響3個方面作為潰壩后果綜合評價函數的子因素，采用AHP法確定各子層因素對母層因素的權重系數。AHP［3］、［4］法采用 1 ～9 及其倒數作為兩個元素重要性比較定量化的標度。標度1、3、5、7、9分別表示一個元素比另一個元素同等、稍微、明顯、強烈、極端的重要程度，標度2、4、6、8分別表示上述相鄰程度的中值。以U表示總目標，ui表示評價元素，ui∈U(i=1，2，…，)。根據上述各符號的意義可得到n×n階判斷矩陣［P］。u1u2…un

式中 n為子層中相應因素的個數;uij為各因素兩兩比較，對實際目標貢獻大小的賦值，且uij=1/uji，uii=1。

總目標層潰壩后果的各影響因素包括潰壩生命損失(以S1表示)、經濟損失(以S2表示)和社會與環境影響(S3表示)。借鑒國內外潰壩后果嚴重程度系數研究，結合工程所在地的社會經濟發展情況，將生命損失與經濟損失相比，重要程度視為強烈重要，定為7和1的關系;社會與環境影響與經濟損失相比，重視程度視為稍微重要與明顯重要之間，定為4和3的關系。由此可得到下面的判斷矩陣:

由此求得潰壩生命損失的權重為0.75，經濟損失的權重為0.107，社會與環境影響的權重為0.143。從所計算的權重系數上看，比較符合工程所在地的社會經濟發展情況。潰壩后果綜合系數L為:

3.2 潰壩后果嚴重程度系數的確定

潰壩后果嚴重程度系數可取用歸一化系數，李雷［1］、［2］、［5］等人對生命損失嚴重程度系數 F1、經濟損失嚴重程度系數F2、社會與環境影響嚴重程度系數F3進行了分析，并建立了相應的經驗公式。

(1)生命損失嚴重程度系數F1。

影響生命損失的因素很多，如洪水風險特征、洪水預警預報狀況、人員緊急撤離逃生條件、洪泛區地理條件、洪泛區土地利用情況、洪泛區內人口分布以及其他社會經濟因素。

依據我國現行的有關法規和規定，根據重大事故生命損失的定義，對死亡3人、10人、30人和50人幾個分界進行控制，生命損失嚴重程度系數采用對數非線性模型:

(2)經濟損失嚴重程度系數F2。

根據重大事故經濟損失的定義，控制住30萬元、100萬元、300萬元和1000萬元幾個分界，得到經濟損失嚴重程度系數計算公式如下:

式中 x為經濟損失，單位萬元。

(3)社會環境影響嚴重程度系數F3。

先確定社會與環境影響指數，社會與環境影響指數定義為所考慮的社會與環境要素的乘積:

式中 N為風險人口系數;C為重要城市系數;I為重要設施系數;h為文物古跡等系數;R為河道生態系數;l為生物環境系數;j為人文景觀系數;P為污染工業系數。

f最小值為1，最大值為10000，社會影響系數的上限和下限之間可以分為4檔:1～10、10～100、100～1000、1000 ～10000。社會環境影響嚴重程度系數計算公式如下:

根據上述控制指標，將這些點的綜合判斷值作為定量轉化為定性的指標，可得潰壩事件綜合評價定性控制表(表1)。

4 工程應用實例

某中型水利樞紐A，大壩以上流域面積760 km2，多年平均入庫徑流量2.51億m3，水庫總庫容9439萬m3，電站裝機容量1000kW。對下游的影響主要有:下游距大壩較近的有田州鎮(15 km)、南昆鐵路(3km)、南百二級公路(7km)等。水庫一旦失事，將會使兩縣四個鄉鎮受淹，受洪災影響人口達10萬以上，受淹耕地9.74萬畝，潰壩造成總損失將達幾十億元人民幣。根據《水庫大壩安全評價導則》(SL258－2000)，該中型水利樞紐A水庫大壩安全綜合評價定為三類壩。根據以上分析，水庫風險人口為10萬人，根據工程重要性假設預警時間為1h，洪水風險Fc取0.5;計算結果見表2、3。

表1 潰壩事件綜合評價定性控制表

表2 社會與環境影響因素賦值表

表3 潰壩后果綜合評價系數表

某大型水利樞紐B，水庫校核洪水位高程為189.85m，水庫總庫容11.5億 m3。大壩下游 1 km和4km分別為324國道(二級路)和南寧至昆明鐵路，下游7km為百色市、百色地區行署所在地。百色下游32km和62km尚有田陽縣城、田東縣城以及右江礦務局，影響人口約27萬人，耕地10萬畝。根據《水庫大壩安全評價導則》(SL258－2000)，該大型水利樞紐B水庫大壩安全綜合評價定為三類壩。根據以上分析，水庫風險人口為27萬人，根據工程的重要性假設預警時間為1.5h，洪水風險系數Fc取1。計算結果見表 2、3。

由表1可知:當0.67L＜0.74時，屬于重大事故;當0.74L ＜0.79 時，屬于特別重大事故;當為0.79L時，應立即向國務院報告。兩樞紐水庫大壩綜合評價系數均大于0.79，潰壩后果十分嚴重，與兩水利樞紐大壩的安全鑒定結果相符合。但由于水利樞紐B的潰壩后果綜合評價系數為0.8836，大于水利樞紐A的潰壩后果綜合評價系數0.879，建議優先對水利樞紐B進行除險加固。

5 結語

我國在大壩安全鑒定技術方面的發展較為成熟，但為了適應經濟和社會的迅速發展以及公眾對大壩風險的認識，結合我國病險水庫多而除險資金有限的實際情況，我們需要把工程安全逐步轉化到工程風險上來，以此判斷病險水庫的病險程度。盡管潰壩后果綜合評價法在生命損失和社會與環境影響方面存在不確定因素，但仍可為病險水庫除險加固排序決策提供參考依據。

［1］趙煥臣，等.層次分析法—一種簡易的新決策方法［M］.北京:科學出版社，1986.

［2］姜樹海，范子武.洪災風險評估和防洪安全決策［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.