江西省鄒家源水庫與網形坑水庫大壩風險排序研究

曾國林

(江西省新干縣水利局，江西 吉安 331300)

0 引 言

風險管理系統中水庫大壩風險排序發揮著重要作用，它是實現應急預案合理制定、水庫大壩風險等級劃分及除險加固經費合理安排的重要依據[1]。針對大壩風險的評價最早起始于1980年，尤其是西方國家的風險管理體系和評價標準較為完善。在風險排序方面我國也取得了一些成果，針對水庫風險評價研究機構建立了一套完整的理論方法和評價體系，并以安徽沙河集水庫為例驗證了其科學有效性。根據下式確定風險指數，即：

α=1000×pf×L

(1)

式中：L為考慮水庫失事后社會環境、經濟和生命損失的綜合系數；Pf為潰壩風險發生概率。

當前，相關研究存在的主要問題包括為：在數據的處理與獲取方面，各類研究方法均存在一定的困難；專家打分法確定各項指標值往往具有主觀隨意性，且缺乏定量的評價標準；未考慮各評價要素間的復雜關系，簡單的疊加處理往往存在較大的偏差。各類方法在一定程度上均受到各因子的影響，其普遍適用性較差。考慮水庫大壩功能作用、潰壩損失和概率等因素合理排序風險要素，全面權衡和綜合評價除險加固改善程度、外部條件、失事后果以及工程自身病險狀況，確定水庫大壩風險等級為當前亟待解決的問題。換而言之，水庫加固工程應優先安排加固效益顯著、失事后果嚴重且失事可能性高的病險水庫。

從水庫效益、潰壩概率和潰壩損失3個方面選擇能夠體現水庫風險的評價因子，對各評價因子綜合排序利用主成分分析法計算，以期為水庫加固方案設計提供一定的參考。

1 主成分分析法

在降維處理高維空間變量時主成分分析法具有較強的適用性與可行性，不僅能夠較好的處理各要素全面性與獨立性間的矛盾關系，而且可有效避免主觀判斷可能引起的有效信息丟失。通過提取幾個綜合變量替代原數據表中的多維變量信息，若這些變量具有較高的精度則可成為一個系統的評估指數。實質上，綜合考慮各方面因素確定1個風險指標即為水庫大壩風險排序問題。依據全國水庫信息管理系統選取簡單易行且可度量的經濟指標，運用經濟上合理、技術上可行的主成分分析法，提取能夠體現水庫大壩風險程度的綜合變量。其基本流程為：①采用標準化計算公式對各要素原始數據進行處理，由此構建相關系數矩陣；②對單位特征向量與特征值的求解，確定累計方差貢獻率；③在滿足方差貢獻率>85%的情況下提取若干主成分，最終確定測評對象的綜合評價值。

2 病險水庫大壩風險排序

2.1 確定初始指標

初始指標的收集應綜合考慮多方面影響因素，水庫大壩的各方面屬性依據各項指標值體現[2-3]。全國水庫除險加固信息管理系統為各項指標數據的主要來源，提取的22項初始指標如表1。選取的22項指標體現了水庫的環境與經濟社會效益、洪水強度、潰壩可能性、潰壩可能造成的損失及淹沒范圍。文章對潰壩的有關參數考慮選用易獲取的其他參數模擬，將一種相對數量關系利用簡化的客觀存在的數據關系來反映，可為主成分計算提供條件。

表1 水庫大壩風險排序初始指標及其屬性

2.2 綜合指標的排序計算

根據確定的22項初始風險排序因子，現對風險排序綜合指標的最終排序利用主成分原理進行分析，提出了3種不同的運算方法。

2.2.1 方法a

該方法利用主成分分析法直接對所有指標分析，從而給出最終的排序結果，具有簡單易行、操作檢點的優點，在具體的分析時存在考慮簡單化、不同層面考慮不全及層次不清晰等缺點。

2.2.2 方法b

該方法是從水庫效益、潰壩損失兩個層面對綜合評價指標分別計算，其表達式為：

Fi=α1×Li+α2×Bi=α1Li×Pi+α2×Bi

(2)

式中：Bi、Li、Fi——為水庫效益、潰壩損失和綜合指標，其中潰壩概率Pi乘以潰壩總損失TLi確定Li。α1、α2——為潰壩損失Li與水庫效益Bi的權重系數，體現了管理者的決策偏好，且滿足約束條件α1+α2=1。

依據下游影響范圍提取的主成分和潰壩洪水各要素確定水庫潰壩總損失TLi，提取的16項初始因子序號為C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C20、C21；根據生態環境、供水、發電、灌溉、水庫防洪因素提取的主成分確定水庫效益指標Bi，提取的10項初始因子序號為C1、C2、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C21。另外，對提取的主成分進行乘法處理時，其運算結果有正、負兩種結果，在乘法運算前需要利用線性轉化法將所有因子值處理至0-1之間，由此確保各因子具有明確的意義。

2.2.3 方法c

在運算過程和方法原理上，該方法與b類似，其主要區別為進一步細分了水庫潰壩總損失指標，將其再細分為下游影響范圍和潰決嚴重性2個部分，采用下式計算確定：

Fi=α1×Li+α2×Bi=α1Fdi×Pi+α2×Bi

(3)

式中：Fdi、Dei——為潰決嚴重性和下游影響范圍指標，其它變量同上。

潰壩洪量、洪水強度為決定潰壩嚴重性Fdi的關鍵因子，提取的11項初始因子序號為C2、C3、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C16、C17、C18、C20；保護區耕地、人口等因素決定了下游影響范圍指標Dei，提取的5項初始因子序號為C12、C13、C14、C15、C21。通過更加詳細的分解潰壩總損失影響因子，在理論上較方法b更加科學合理。

根據以上3種不同方法獲取的風險排序結果，利用主成分法對排序結果進行分析，通過對各類風險因素的合理性分析為水庫風險管理和加固設計提供科學的指導。

3 實例應用

3.1 數據樣本

選取江西省鄒家源水庫、網形坑水庫作為數據樣本，水庫的主要數據見表2。鄒家源水庫壩址座落在贛江水系南源支流橋頭溪上，總庫容486萬m3，設計灌溉面積480hm2，是一座集灌溉、養殖、防洪等功能于一體的小(1)型水庫，具有年調節性能。水庫樞紐工程等別為Ⅳ等，主要建筑物有大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、灌溉涵管和灌溉渠系等，正常高水位84.48m，校核和設計洪水位分別為88.08m、86.75m[4-6]。

網形坑水庫坐落于沂江河支流琴水河上，水庫總庫容166萬m3，有效灌溉面積240hm2，屬于一座集灌溉、養殖、防洪等功能于一體的小(1)型水利樞紐工程，具有年調節性能[7-11]。水利樞紐工程等別為Ⅳ等，水庫樞紐主要建筑物有大壩、溢洪道、灌溉涵管和灌溉渠系等，大壩為均質土壩，正常高水位158.5m，校核和設計洪水位分別為160.81m、160.14m。

江西省鄒家源水庫、網形坑水庫的主要指標值詳見表2。

表2 水庫大壩部分指標的初始值

3.2 潰壩概率計算

水庫潰壩概率為表征潰壩損失的重要指標，評價體系中的參數難以直觀的反映。采用貝葉斯網絡法確定水庫大壩的失事概率及模式，由此確定水庫的潰壩概率見表2，鄒家源和網形坑水庫的潰壩概率分別為2.18×10-3、2.32×10-3。

3.3 風險排序綜合計算結果

依據主成分分析法將風險排序綜合指標分別選用方法a、b、c計算，受文章篇幅限制文章簡要介紹了部分計算結果。

3.3.1 方法a

采用主成分分析法將評價體系中的22項因子進行分析，從而確定累計方差貢獻率達到88.65%的2個主成分。其中，第一主成分為貢獻率達到61.48%的下游保護人口系數最大的0.85指標，第二主成分與洪水參數存在較大的相關性，為0.32-0.48。從各因素排序結果可知，鄒家源水庫的綜合指標值最高，該方法具有操作簡便、原理清晰等優點，可為水庫風險的比較分析提供一定的參考。

3.3.2 方法b

將水庫效益和潰壩損失2個主成分運用該方法進行計算，選入的2個主成分的累計方差貢獻率>88.15%。選取潰壩損失為例(表3)，則第一主成分為下游保護人口系數最大為0.91以上，其貢獻率達到65.72%，第二主成分仍與洪水參數存在較大的相關性，為0.42-0.55。根據各主成分綜合得分可知，鄒家源水庫的綜合指標值最高，風險排序結果與方案a保持一致。

表3 潰壩損失16個指標的主成分信息

對方法b的最終指標利用公式(2)計算，其中決策偏好系數計算了偏重風險(α1=0.8、α2=0.2)或效益與風險同等重要(α1=0.5、α2=0.5)兩種情況，見表4。從表4可知，鄒家源水庫的同等重要指標值較高，而偏重風險較低。

表4 病險水庫風險排序結果

3.3.3 方法c

運用方法c計算，選入的主成分累計貢獻率為85.11%、89.15%，方法b確定的水庫效益指標與該方法相同。采用方法c確定的潰壩嚴重性較高的仍為鄒家源水庫，而網形坑水庫的下游影響最高。將方法c的最終指標利用公式(3)求解，結果如表4。在兩種不同情況下，鄒家源水庫的指標值均較高，該評價結果與水庫大壩運行實際情況基本吻合。

3.4 計算結果分析

采用以上3種方法比較分析鄒家源、網形坑水庫部分指標的風險排序，主要結論如下：

1) 比較3種不同方法的最終風險排序結果發現，3種方法確定的兩個水庫風險排序基本相同，特別是方法b、c排序基本一致。由此表明，較方案a后兩種方法具有更強的適用性。

2) 同時考慮了水庫加固效益和潰壩風險的決策偏好法，較之前的方法具有更強的適用性和廣泛性。個人決策偏好對方法b、c的影響較低，評價結果與實際情況基本一致。

3) 對指標值利用區間劃分和聚類分析法分類，由此可形成一致性結果且有利于淡化參數的細微變化。

4) 綜合考慮了多方面要素的3種分析方法具有較強的科學合理性，綜合比較后認為方法c的效果最好。

綜上分析，基于3種方法的網形坑和鄒家源水庫大壩風險排序基本一致，其中鄒家源水庫的風險指標值較高，偏重風險的程度較低，評價結果與水庫大壩運行情況基本吻合，選用的3種方法具有較強的可行性和適用性。

4 結 論

1)綜合考慮水庫加固效益和潰壩風險的決策偏好，能夠更加全面、系統的反映水庫運行實際情況。將指標值利用聚類分析區間劃分不僅可保證評價結果的一致性，而且能夠淡化不同評價因子的差異。總體而言，方法c的效果最好且具有更強的合理性。

2)從潰壩概率、潰壩損失和水庫效益等方面選擇能夠反映大壩風險概率的評價因子，然后以江西省2座水庫大壩為樣本數據，運用主成分分析法計算了其風險排序。實例表明，對于水庫大壩風險綜合指標值計算主成分分析法具有較強的可行性與合理性。