融合歷史潰壩數據的水庫大壩潰壩風險演化機制研究

李宏恩，王 芳，趙建國

（1.南京水利科學研究院，210029，南京；2.水旱災害防御全國重點實驗室，210029，南京）

潰壩是人類社會和國際壩工界面臨的共同挑戰，國內外均有慘痛教訓。為深入挖掘歷史潰壩數據中的有益信息，探索潰壩風險事件間的互饋響應機制，解決潰壩風險分析中的不確定性問題，本研究在全面收集我國1954年以來歷史潰壩案例的基礎上，揭示了我國潰壩的主要成因及時空分布特征，通過文本挖掘手段實現了對潰壩概率的定量表征，提出了潰壩災害鏈演化概率計算方法，提出了從系統論角度分析潰壩案例的非線性因果分析方法，并從網絡結構確定及概率參數確定2 個方面對貝葉斯模型進行了改進，提出了適用于我國潰壩情況的貝葉斯模型構建方法及潰壩路徑推斷方法。

一、1954—2021 年中國歷史潰壩數據統計分析

1.潰壩基本情況統計

1954—2021年，我國水庫共潰壩3558座，年均潰壩52.3座，年均潰壩率5.3/10 000，遠超國際壩工界公認的1/10 000可接受年潰壩率水平。本研究以年均潰壩率為指標將我國潰壩歷史分為3 個階段，各階段潰壩統計情況見表1：

表1 1954—2021年3個階段的潰壩統計

①潰壩高發階段（1954—1979 年），此階段潰壩占比81.9%，其中20 世紀70 年代年均潰壩率高達25.3/10 000，主要由于1973 年潰決水庫570 座，同時“75·8”特大洪水造成包括1 座大型水庫（板橋水庫）在內的62 座水庫大壩潰決，造成嚴重生命財產損失。

②顯著下降階段（1980—1999年），此階段潰壩占比15.3%，得益于我國大壩安全管理相關法律、規章制度不斷頒布與完善，以及大壩設計、施工、安全監測、維修養護等體制機制的不斷規范。本階段潰壩率顯著降低，降至3/10 000以下。

③漸趨穩定階段（2000—2021年），此階段潰壩占比2.78%，年均潰壩率已降至0.4/10 000，低于世界公認的2/10 000的低潰壩率水平，得益于21世紀以來我國水庫安全管理規范化、法治化、現代化、信息化進程的不斷推進。

2.潰壩成因統計與分析

為了進一步挖掘我國歷史潰壩案例中的共性特征，本研究從自然因素、工程因素及管理因素3 個主要方面剖析了歷史潰壩案例的成因。根據統計，洪水漫頂、工程質量缺陷和管理不當是導致潰壩的3 個主要原因，合計占比超90%。其中，導致洪水漫頂的主要原因可進一步細分為遭遇超標準洪水、早期防洪標準偏低、施工度汛措施不當、泄洪能力不足、汛期調度不當等；工程質量缺陷則主要指滲透破壞；管理不當導致潰壩的主要原因包括違規蓄水、非法超蓄、人為扒口等。

2000 年以來，我國年均潰壩率大幅度下降，但從潰壩成因來看，近年來潰壩主要呈現以下4個特征：一是超標準洪水成為水庫漫頂潰決的主因，超標準洪水導致漫頂潰壩的事件占比由1954—1999年的12.26%增長至2000—2021 年的39.22%，這與全球氣候變化導致的極端強降雨等災害日益頻發直接相關；二是水庫因工程質量導致的潰壩問題突出，2000 年以來，在我國水庫建設與管理趨于規范的基礎上，因工程質量問題導致的潰壩占比仍超過30%；三是西部潰壩率較其他地區偏高，其原因主要與極端天氣頻發、筑壩材料抗侵蝕性差和管理水平落后等因素相關；四是運行管理不當成為潰壩事件重要誘因，潰壩往往并非發生于單一要素，而是復合因素影響，因水庫調度不當、維修養護不良、盲目超蓄、閘門操作失靈、無人管理等運行管理問題長期存在，在耦合庫水位等運行條件發生改變時極易導致潰壩事故。

3.潰壩時空分布特征分析

導致潰壩的原因除暴雨洪水、地質地貌、河道比降等自然屬性因素，以及壩高、庫容、壩體結構等工程屬性因素外，與人為及管理等社會屬性因素也有很大關系，具有典型的時空分布特征。

從時間分布看，按年代統計分析的潰壩結果，我國年均潰壩率隨時代發展呈明顯下降趨勢，主要得益于水庫大壩建設和管理技術不斷進步，管理制度逐步建立健全，運行管理漸趨規范，管理水平不斷提高；同時，隨著改革開放后經濟社會的快速發展，各級政府財力不斷增強，水庫管理投入不斷增加，維修養護得以正常開展，病險水庫得到大規模整治，這些都對控制潰壩事故發揮了至關重要的作用。根據按季節統計分析的潰壩結果，潰壩事故主要發生在汛期暴雨洪水高水位期間，但非汛期違規蓄水、巡視檢查和值班制度執行不到位、險情發現和應急處置不及時等人為和管理因素下的社會屬性，同樣會導致潰壩事故發生，2000年以來非汛期潰壩事故比例明顯增加的現象值得警醒。

從空間分布看，根據按地區統計分析的潰壩結果，早期為計劃經濟時代，全國不同地區經濟社會發展水平差異不大，水庫大壩安全管理基礎薄弱，全國范圍各地區潰壩事故均頻繁發生，西北、東北地區年均潰壩率高于東中部地區，主要受氣候、施工條件和工程地質因素的影響。改革開放以后，西北、東北地區潰壩比例相較東中部地區明顯變高，主要體現了潰壩事故空間分布特征的社會屬性。西北和東北地區經濟社會發展水平相對滯后，水庫運行管理投入和專業技術力量不足，運行管理和突發事件應急管理水平相對薄弱，盡管水庫大壩數量不多，但潰壩絕對數量和年均潰壩率仍居高不下，要實現“水庫不垮壩”的防御目標仍然任重道遠。

二、融合歷史數據的水庫災害鏈演化概率計算方法

由潰壩數據統計成果可知，多風險因素耦合的不確定性是潰壩事件的重要特征，也是潰壩風險分析研究中的關鍵難點。因此，以土石壩潰壩風險為例，重點圍繞潰壩風險演化機制展開研究。

1.基于詞頻統計的潰壩風險事件關聯度分析

考慮到掌握的潰壩信息異構性，為了更有效地利用歷史數據探究大壩潰壩風險事件之間的互饋機制，采用基于共現理論的詞頻統計法能夠定量表征2個事件之間的關聯性。以風險事件i和j進行自身和共現的詞頻統計后，其關聯度Rij計算如下式：

其中，Sij表示風險事件i和j的Salton指數；Γ（i）、Γ（j）分別表示風險事件i和j在同一份語言資料中各自出現的頻次；Γ（i）∩Γ（j）表示風險事件i和j在同一份語言資料中共同出現的頻次。

為便于后續分析，首先需要建立如圖1 所示的網絡結構用于進行風險分析，其中A1～C3節點代表了不同的風險事件，其具體建立方法見本章第3節。

圖1 土石壩潰壩風險網絡結構

基于本研究收集的歷史潰壩信息足以形成包含基本潰壩變量的語料庫，圖2（a）為潰壩風險事件頻率矩陣，圖2（b）為基于式（1）建立的關聯度矩陣。

圖2 1954—2021年潰壩變量共現矩陣

2.潰壩風險事件影響度分析方法

采用詞頻共現統計能夠定量表征潰壩災害風險事件之間的關聯程度，依據關聯度計算結果，將某一風險事件與其關聯風險事件的累加關聯度稱為該風險事件的影響度DI（i），其具體含義是指潰壩時該風險事件可能被誘發或其誘發其他風險事件的概率大小，也可理解為該風險事件推動潰壩事件發生的能力，計算公式如下:

式中，Rij表示風險事件i和風險事件j的關聯度，計算公式見（1），DI(i)表示風險事件i的災害影響度。表2中列舉了1954—1979年、1980—1999年、2000—2021年3個階段潰壩影響度排前五的風險事件。

表2 3個階段風險事件影響度計算結果表

3.潰壩災害鏈演化概率計算方法

建立潰壩風險網絡模型后，由于風險事件間的觸發關系已明確，潰壩災害鏈則可根據鏈式法則計算最終演化概率：

式中，P（m-n）表示潰壩災害鏈由風險事件m演化到風險事件n的演化概率；i、j表示災害鏈m-n演化過程中的中間節點風險事件；P（j|i）表示風險事件i引發風險事件j的傳遞概率。

表3為不同時期演化概率較高的潰壩災害鏈，為水庫潰壩災害發生的關鍵路徑，采取針對性措施阻斷災害鏈的發展，能夠最有效地減輕潰壩后果。

表3 不同時期部分潰壩災害鏈演化概率計算結果

三、基于改進貝葉斯的土石壩潰壩風險分析模型

前述研究成果初步驗證了文本挖掘在定量表征潰壩概率方面的優勢，本章進一步圍繞歷史潰壩數據的詞頻統計成果展開研究，并揭示土石壩潰壩的風險演化機制。

1.潰壩案例非線性因果分析方法

土石壩工程作為復雜系統，潰壩過程中風險具有轉化、分解、耦合等演化特征，因此，有必要從系統論角度分析潰壩事件，采用系統動力學因果回路分析方法對50個典型潰壩案例展開分析。通過人為定義潰壩不同發展階段的特征，可以將潰壩過程劃分為3 個階段，即孕災、致災及失效階段。根據潰壩信息中記錄的關鍵事件發生時間確定變量之間的因果關系并繪制了圖3 所示的因果回路圖，其中節點所代表的風險事件反映了1954年以來歷史潰壩的主要風險事件。

圖3 基于系統動力學的非線性因果回路分析

2.改進貝葉斯網絡模型建立方法

現有研究采用貝葉斯模型進行風險分析時，難點集中于模型網絡結構的確定及概率參數的輸入上，這主要是由于缺少潰壩分析樣本。在前述所建立的因果回路圖及關聯度矩陣的基礎上，通過修正網絡、回路統計、概率換算等操作能夠確定貝葉斯網絡結構和節點輸入概率參數。為保證模型修正過程中不受主觀經驗的影響，規定了如圖4所示的網絡模型修正規則，通過評價節點中介效應程度判斷網絡結構中的“邊”是否需要刪減，通過本研究所提出的方法能夠有效減小模型規模，提高運行速度。

圖4 網絡模型修正規則示意圖

3.基于貝葉斯網絡模型的潰壩路徑推斷方法

輸入基于歷史數據的概率參數后，能夠建立適用于我國潰壩風險分析的貝葉斯模型。根據潰壩案例的實際情況，改變不同節點的狀態參數并計算節點更新前后的概率變化情況能夠獲取貝葉斯網絡不同層級下最有可能發生的風險事件，采用重要性指標I來衡量節點更新前后的變化程度，其計算公式為：

其中，P（RN｜GN）和P（RN｜GN'）分別為選定節點GN概率改變情況后關聯節點RN的條件概率。圖5為利用改進的貝葉斯網絡進行潰壩路徑推斷的流程圖，通過對比進行節點敏感性分析能夠充分利用已知信息獲得較為合理的推斷。

四、對策建議

本研究通過充分挖掘潰壩歷史數據，揭示了我國潰壩分布的典型時空特征，通過案例研究、文本挖掘等手段進一步分析了潰壩鏈生災害的孕育、傳遞和演化機制，提出了潰壩事故成因推斷、風險預測的定量方法。基于本項目研究成果，為進一步健全我國水庫大壩風險防控體系，針對性提出防范潰壩策略如下。

一是強化大壩全生命期運行管理，健全大壩安全風險防控機制。加快修訂與水庫大壩安全運行管理相關的《中華人民共和國水法》《中華人民共和國防洪法》《水庫大壩安全管理條例》等法規制度，持續完善水庫大壩安全管理長效機制；持續強化責任制、注冊登記、調度運用、維修養護、安全監測、安全鑒定、應急預案等大壩全生命周期制度執行情況過程監管，不斷健全大壩安全風險防控機制。

二堅持工程措施與非工程措施并重，不斷強化“四預”措施。高度重視氣候變化與強人類活動對水庫安全的疊加影響，促進水利、國土、氣象等部門信息共享，持續完善雨水情、大壩安全監測，以及防汛交通、通信、報警、照明等管理設施，加強“預報、預警、預演、預案”四預措施，提升緊急情況下水庫應急能力，推動“安全管理”向“風險管理”轉變。

三是加大科技攻關力度，大力提升水庫大壩安全科技保障能力。加快提升水庫大壩運行管理與現代信息技術的融合度，以建設智能大壩為總目標，以數字孿生、物聯網+、云平臺、智能監測、人工智能技術等為核心，應用北斗高精度定位、衛星遙感、無人機攝影、圖像識別、機器視覺等現代高新技術與機器學習、數據挖掘等智能分析算法，提升數字賦能水平，提升全要素信息感知、智能分析研判、快速預測預警能力，通過科技創新攻克制約水庫大壩安全保障和提質增效的技術瓶頸，進一步提升水庫大壩安全科技保障能力。