風(fēng)險排序及其在病險水庫除險加固工程中的應(yīng)用

張佩，姜暑芳，李富濱

(1.河南省水利勘測設(shè)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(shù)的36%，數(shù)量大，除險加固資金有限，不可能同時對這些水庫進(jìn)行除險加固。過去對水庫大壩進(jìn)行的安全評價，一般均按照設(shè)計規(guī)范分別對防洪、抗滑、抗震、抗?jié)B、抗裂等功能分項進(jìn)行安全計算，按規(guī)范要求的安全系數(shù)作為安全與否的衡量標(biāo)準(zhǔn)，僅從安全狀況對水庫潰壩進(jìn)行了分析論證。事實上，不同水庫在安全狀況、對下游的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、防洪保護(hù)對象等條件有不盡相同的要求，對下游形成的風(fēng)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(jìn)行評價，即根據(jù)大壩風(fēng)險程度排序的決策方法來進(jìn)行病險水庫的加固，確保將有限的除險加固經(jīng)費用到最需要的地方。

2 風(fēng)險的定義

狹義的風(fēng)險僅僅定義為“失事”概率。該定義可以衡量風(fēng)險事件出現(xiàn)的概率，但不能反映該事件造成損失的程度。廣義的風(fēng)險定義為:事件發(fā)生的后果與預(yù)期后果背離的程度及其發(fā)生的概率。該定義較為全面地衡量了風(fēng)險事件的兩大要素:風(fēng)險率和風(fēng)險后果。我們通常所說的洪災(zāi)風(fēng)險指在各種可能的條件和一定的防洪措施情況下發(fā)生洪災(zāi)造成社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和人員損失的可能性，即洪災(zāi)風(fēng)險R由風(fēng)險率P與洪水災(zāi)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(shù)學(xué)方法對一個復(fù)雜的多指標(biāo)信息進(jìn)行加工和提煉，以求優(yōu)劣等級的評價方法。目前，國內(nèi)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(jù)王仁鐘、李雷［1］、［2］等的研究，潰壩后果綜合系數(shù)L體現(xiàn)了潰壩生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會與環(huán)境的綜合影響。

式中 S1、S2、S3分別為生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會環(huán)境影響的權(quán)重系數(shù);F1、F2、F3分別為生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會環(huán)境影響的嚴(yán)重程度系數(shù)。

由于文中的風(fēng)險計算采用該方法，在此簡要介紹一下其計算過程。

3.1 權(quán)重系數(shù)的確定

將生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、社會與環(huán)境影響3個方面作為潰壩后果綜合評價函數(shù)的子因素，采用AHP法確定各子層因素對母層因素的權(quán)重系數(shù)。AHP［3］、［4］法采用 1 ～9 及其倒數(shù)作為兩個元素重要性比較定量化的標(biāo)度。標(biāo)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(qiáng)烈、極端的重要程度，標(biāo)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(biāo)，ui表示評價元素，ui∈U(i=1，2，…，)。根據(jù)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(yīng)因素的個數(shù);uij為各因素兩兩比較，對實際目標(biāo)貢獻(xiàn)大小的賦值，且uij=1/uji，uii=1。

總目標(biāo)層潰壩后果的各影響因素包括潰壩生命損失(以S1表示)、經(jīng)濟(jì)損失(以S2表示)和社會與環(huán)境影響(S3表示)。借鑒國內(nèi)外潰壩后果嚴(yán)重程度系數(shù)研究，結(jié)合工程所在地的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，將生命損失與經(jīng)濟(jì)損失相比，重要程度視為強(qiáng)烈重要，定為7和1的關(guān)系;社會與環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)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(guān)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(quán)重為0.75，經(jīng)濟(jì)損失的權(quán)重為0.107，社會與環(huán)境影響的權(quán)重為0.143。從所計算的權(quán)重系數(shù)上看，比較符合工程所在地的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況。潰壩后果綜合系數(shù)L為:

3.2 潰壩后果嚴(yán)重程度系數(shù)的確定

潰壩后果嚴(yán)重程度系數(shù)可取用歸一化系數(shù)，李雷［1］、［2］、［5］等人對生命損失嚴(yán)重程度系數(shù) F1、經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度系數(shù)F2、社會與環(huán)境影響嚴(yán)重程度系數(shù)F3進(jìn)行了分析，并建立了相應(yīng)的經(jīng)驗公式。

(1)生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)F1。

影響生命損失的因素很多，如洪水風(fēng)險特征、洪水預(yù)警預(yù)報狀況、人員緊急撤離逃生條件、洪泛區(qū)地理條件、洪泛區(qū)土地利用情況、洪泛區(qū)內(nèi)人口分布以及其他社會經(jīng)濟(jì)因素。

依據(jù)我國現(xiàn)行的有關(guān)法規(guī)和規(guī)定，根據(jù)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(jìn)行控制，生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)采用對數(shù)非線性模型:

(2)經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度系數(shù)F2。

根據(jù)重大事故經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度系數(shù)計算公式如下:

式中 x為經(jīng)濟(jì)損失，單位萬元。

(3)社會環(huán)境影響嚴(yán)重程度系數(shù)F3。

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

式中 N為風(fēng)險人口系數(shù);C為重要城市系數(shù);I為重要設(shè)施系數(shù);h為文物古跡等系數(shù);R為河道生態(tài)系數(shù);l為生物環(huán)境系數(shù);j為人文景觀系數(shù);P為污染工業(yè)系數(shù)。

f最小值為1，最大值為10000，社會影響系數(shù)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(huán)境影響嚴(yán)重程度系數(shù)計算公式如下:

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

4 工程應(yīng)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(jī)容量1000kW。對下游的影響主要有:下游距大壩較近的有田州鎮(zhèn)(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(xiāng)鎮(zhèn)受淹，受洪災(zāi)影響人口達(dá)10萬以上，受淹耕地9.74萬畝，潰壩造成總損失將達(dá)幾十億元人民幣。根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)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(jù)以上分析，水庫風(fēng)險人口為10萬人，根據(jù)工程重要性假設(shè)預(yù)警時間為1h，洪水風(fēng)險Fc取0.5;計算結(jié)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(huán)境影響因素賦值表

表3 潰壩后果綜合評價系數(shù)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(qū)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(wù)局，影響人口約27萬人，耕地10萬畝。根據(jù)《水庫大壩安全評價導(dǎo)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(jù)以上分析，水庫風(fēng)險人口為27萬人，根據(jù)工程的重要性假設(shè)預(yù)警時間為1.5h，洪水風(fēng)險系數(shù)Fc取1。計算結(jié)果見表 2、3。

由表1可知:當(dāng)0.67L＜0.74時，屬于重大事故;當(dāng)0.74L ＜0.79 時，屬于特別重大事故;當(dāng)為0.79L時，應(yīng)立即向國務(wù)院報告。兩樞紐水庫大壩綜合評價系數(shù)均大于0.79，潰壩后果十分嚴(yán)重，與兩水利樞紐大壩的安全鑒定結(jié)果相符合。但由于水利樞紐B的潰壩后果綜合評價系數(shù)為0.8836，大于水利樞紐A的潰壩后果綜合評價系數(shù)0.879，建議優(yōu)先對水利樞紐B進(jìn)行除險加固。

5 結(jié)語

我國在大壩安全鑒定技術(shù)方面的發(fā)展較為成熟，但為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會的迅速發(fā)展以及公眾對大壩風(fēng)險的認(rèn)識，結(jié)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(zhuǎn)化到工程風(fēng)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(huán)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(jù)。

［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(xué)出版社，1986.

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