基于FMECA-AHP方法的水庫樞紐區脆弱性評價

武文浩，王新華，張慧穎，陳泳江，呂松峰

(云南農業大學，云南 昆明650201)

0 引言

隨著社會經濟高速發展，為了解決洪峰災害、供電不足、農業灌溉用水稀缺、生產生活用水匱乏和航運水位調節等問題，我國曾大范圍新建、改建、擴建水庫。但是隨著時間的推移，因水庫大壩老化、強降雨、地震及人類活動等原因，導致生態環境破壞、水庫大壩事故時有發生，嚴重威脅到了下游群眾的生命和財產安全[1]。因此亟待開展水庫樞紐區脆弱性研究，這不僅有利于制定科學的防災減災策略，還符合可持續發展戰略。

脆弱性的概念由Timmerman于1981年提出，最早應用于地學領域[2]。經多年發展，被廣泛應用于生態環境、水資源、網絡、災害和社會等學科領域[3-5]。在水利工程領域，水庫對下游群眾的影響，現階段的研究大多集中在大壩的安全評價上，很少涉及脆弱性概念。李京陽等[6]建立的震后水庫大壩安全評價指標體系，運用模糊綜合評價對震后的大壩安全程度進行了評估，結果證明該水庫工程基本安全，與實際情況相符合。李守義等[7]構建了潰壩后果綜合評價指標體系，結合層次分析法和可變模糊集理論，將其應用于5座水庫，進行潰壩后果綜合評價。李影[8]提出了一種基于組合賦權和正態云耦合的安全評價模型，構建了大壩安全評價指標體系，對大壩進行安全評估，結果表明該方法可以得出準確的結果。以上研究都是圍繞水庫大壩安全進行的，但是水庫樞紐區覆蓋范圍廣，內部因素復雜多樣且相互聯系，不應該只分析大壩的安全，而應考慮水庫樞紐區系統的綜合影響。

結合脆弱性的概念，提出FMECA-AHP(failure mode，effects，and criticality analysis with analytic hierarchy process)方法，系統研究水庫樞紐區的脆弱性。脆弱性越低，則安全等級越高，反之，安全等級越低。該方法既解決了指標體系選取不合理的問題，也克服了傳統層次分析法1～9標度算法存在的主觀性強、評分偏差大和計算量大等缺點。

將此評估方法用于某水庫大壩工程，結合現場專家的安全評估結果，驗證了其可行性，對今后水利工程的防災減災有著極其重要的理論依據和現實意義。

1 研究方法

1.1基于FMECA法建立水庫樞紐區脆弱性評價指標體系

考慮到水庫樞紐區評價的復雜性和因素多樣性，以及每個工程的獨有特點，先采用FMECA風險分析法分析水庫樞紐區。針對水庫樞紐區系統中每一要素所有可能造成的破壞模式及其對系統可能造成的所有影響，按要素破壞模式、后果發生的原因及其嚴重程度予以分類，嚴酷度定性分級示例如表1所示。然后結合工程情況，查找相關資料，采用推理式的圖表分析識別系統中每一個因素所有可能的破壞模式及其后果，如表2所示。根據水庫樞紐區的FMECA風險分析結果，并參考學者對水庫區危險因素的研究，從不同角度、不同方向和不同層次選取3個準則、9個一級指標和28個二級指標構成評價指標體系(圖1)[9-12]。該體系反映了工程的特性及安全狀況，可以更全面準確評價其脆弱性，體現了評價指標選取的科學性、可行性、顯著性、多樣性和可操作性原則。

表1 嚴酷度分級示例

1.2基于改進的三標度層次分析法確定權重

(1)構造層次結構模型。

將FMECA法與層次分析法相結合，根據研究的對象和影響因素分析其關系構造層次，將指標因素分組，以組為層次，分為目標層、準則層和指標層[13]。

(2)構造判斷矩陣。

首先構建一級指標層的比較矩陣B=(bij)，bij含義如式(1)所示，bij值由8名水利專家打分得出。再將比較矩陣B經式(2)轉換得到二級指標層的判斷矩陣A=(aij)。

表2 某水庫樞紐區FMECA分析

圖1 水庫樞紐區系統脆弱性評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of system vulnerability in reservoir complex area

(1)

(2)

式中n——比較矩陣的階數

ri、rj——比較矩陣的行和

cjk——矩陣中第j行第k列的元素

(3)各指標權重計算。

(3)

(4)

三標度層次分析法確定的各指標因素權重子集為W=(w1，w2， …，wn)。

1.3模糊綜合評價模型

為了更客觀地分析水庫樞紐區的脆弱性，先建立指標評語集V，然后在此基礎上得出各指標因素的隸屬度rij，建立單因素評判模糊矩陣R，再將各指標因素的權重子集W與評判模糊矩陣R進行模糊算子合成，最終得出模糊綜合評價集合D。步驟如下：

U=(u1，u2， …，un)

V=(v1，v2， …，vn)

D=WR

式中U——指標因素集

V——指標評語集

ui——單個因素

vi——評價等級

rij——因素集U中第i個元素對評語集V中第j個元素的隸屬度

2 云南省某水庫樞紐區脆弱性綜合評估

2.1某水庫樞紐區概況

水庫位于瀾滄江水系小黑江支流勐董河上游，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發電、供水、旅游等綜合效益的中型水庫，總庫容1 410萬m3，灌溉面積2 480 hm2，農業灌溉用水1 710.5萬m3，城鎮供水25萬m3。水庫始建于1997年9月19日，2002年底基本建成。水庫防洪設計標準為100年一遇，校核標準為1 000年一遇。校核水位為1 303.72 m，設計洪水位為1 303.21 m，興利水位為1 302.00 m，死水位1 271.00 m。區域地處云貴高原西緣，山巒疊嶂，山體寬厚，山頂高程1 300.00～1 500.00 m，最高點海拔2 605.40 m。水庫下游的防洪重點保護對象為勐董至勐省公路。保護下游勐董鎮、勐角鄉、勐來鄉、勐省鎮，800 hm2耕地，保護人口約1.2萬人。勐董水庫灌區面積2 480萬hm2。水庫屬三等工程。

為進行水庫大壩安全評估，成立了該水庫大壩現場安全檢查專家組，專家組向大壩管理人員了解了大壩運行、監測情況，并對大壩設計、施工、運行資料進行了初步檢查分析，得出如下結論。

(1)由于施工質量差，下游坡1 270.00 m高程以下出現小面積潮濕、滲水，局部坍塌。

(2)水庫大壩安全監測點多處損壞，水文測報和通信設施不完備，防汛道路路況差；管理設施陳舊落后，缺乏技術管理人員。

(3)大壩壩基基巖滲透性微弱，壩基基巖不存在滲漏問題；水庫多年運行后，填筑土與壩基接觸部位存在滲漏問題。

(4)庫盆及庫岸基底由奧陶系片巖及侏羅系含礫砂巖構成，巖體滲透性微弱，水庫不存在基巖裂隙性滲漏問題，水庫庫岸邊坡基本穩定，水庫有輕微淤積問題，不影響水庫正常運行。

2.2基于FMECA-AHP方法確定權重

(1)根據對水庫樞紐區的FMECA風險分析，以及對現場的實際調查，建立了水庫樞紐區系統脆弱性評價指標體系。

(2)通過式(1)建立二級指標層的比較矩陣B，以一級指標層b1為例，比較矩陣Bb1為

(3)由式(2)和比較矩陣Bb1得出相對應二級指標層的判斷矩陣A。

(4)通過式(3)和式(4)，計算出對應的二級指標層歸一化后的權重集。

wb1=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

重復步驟(2)到(4)，可得全部評價指標的權重集，結果如下。

wo=(0.571 4 0.285 7 0.142 9)

wa1=(0.142 9 0.285 7 0.571 4)

wa2=(0.200 0 0.200 0 0.600 0)

wa3=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb1=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

wb2=(0.200 0 0.200 0 0.600 0)

wb3=(0.196 3 0.534 6 0.072 8)

wb4=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

wb5=(0.600 0 0.200 0 0.200 0)

wb6=(0.142 9 0.285 7 0.571 4)

wb7=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb8=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb9=(0.200 0 0.600 0 0.200 0)

2.3模糊綜合評價分析

(1)建立脆弱性評語集V={很高，較高，一般，較低，很低}，以文獻[14]為依據，給出了脆弱性等級評分標準，具體量化值如表3所示。

表3 脆弱性等級評分表

(2)以文獻[15]為依據，結合FMECA風險分析方法和現場實際情況，8名水利專家按脆弱性等級評分表，給該項目的28個二級指標因素打分，各位專家的綜合評定結果如表4所示。

表4 二級指標因素脆弱性等級

(3)根據8名專家對二級指標因素脆弱性的評定結果，可確定一級指標因素b1～b9的隸屬度矩陣，以rb1為例。

b1的權重集wb1=(0.5714 0.1429 0.2857)，故b1的綜合脆弱性評價結果為：

Db1=wb1rb1=[0.571 4 0.142 9 0.285 7]

=[0 0.071 4 0.553 6 0.321 4 0.053 6]

同理，可得出準則層和全部一二級指標層的綜合脆弱性評價結果：

計算結果分析與建議。

根據以上計算，Do權重值最大為0.602 7，其次為0.289 9，對應的脆弱性等級為“一般”，即云南省某水庫樞紐區脆弱性綜合評價等級為“一般”且偏“較低”，無重大安全隱患。但其脆弱性綜合評估結果存在偏高的可能，結合3.1節計算的歸一化綜合權重分析，其中二級指標c8，c11，c21為主要影響因素。

結合計算結果，給出防災減災建議。①由于施工質量較差，應加強對現場的觀測與巡視檢查，建議對大壩進行除險加固。②現場監測儀器和設備要定期檢修，對大壩特殊部位加大監測頻率，并適當增加技術管理人員。③要積極響應當地政策，杜絕任何破壞環境的行為，同時建議當地政府加大環境治理保護的力度[16]。

水庫樞紐區系統脆弱性的最終評估結果與實際工程較為吻合，達到了工程安全評估和災害預防的目的。

3 結論

(1)考慮整個水庫樞紐區對下游居民的影響，以及工程自身獨一無二的特點，在參照相關規范并進行實地考察后，結合FMECA風險分析法，科學合理地建立了水庫樞紐區的脆弱性評價指標體系。

(2)運用改進后的三標度層次分析法，大大減少了主觀判斷，克服了傳統1～9標度算法的弊端。通過構建評語集和隸屬度矩陣，建立模糊綜合評價模型，使之與改進后的三標度層次分析法相結合，評價和分析了整個水庫樞紐區的脆弱性。

(3)將FMECA-AHP方法用于云南省某水庫樞紐區的安全評估與災害預防，得出該水庫樞紐區的脆弱性等級為“一般”，但有個別因素脆弱性等級有偏高的可能性，根據計算結果給出防災減災建議。評估結果與現場專家組安全檢查的結論吻合，證明了該方法的可行性。