基于風險分析的小型水庫安全管理研究

方衛華，原建強，何 淇，譚 彩

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京，210012；2.山西省汾河二庫管理局，山西太原，030012；3.河海大學水利水電學院，江蘇南京，210098；4.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州，510610）

0 引言

根據《中國水利統計年鑒2019》統計，截至2018年底，我國共有各類水庫近10萬座，其中小型水庫9萬多座[1]。工程安全是水庫效益發揮的前提和基礎。由于歷史原因、投入不足及相關技術限制，小型水庫相對大中型水庫具有更高的單座失事概率。據統計，我國小型水庫平均病險比例高達1/3，近年來的潰壩事例也都是小型水庫。由于小型水庫數量多、結構各異且地區差異大，如何有效提高小型水庫管理水平一直是行業的研究熱點。風險管理是管理不確定系統的有效方法，郝健等[2]結合中國小型水庫特點，提出了小型水庫風險管理模式及風險管理對策；徐金濤[3]根據平原水庫的特點，分析其潰壩概率和潰壩后果，建立了平原水庫潰壩風險分析評價體系；盛金保等[4]引入潰壩后果綜合評價函數，計算水庫風險指數，作為衡量水庫風險大小的指標，提出了一套適用于小型水庫的風險分析方法。上述研究均是在風險管理的某一個環節進行的探索，難以應用到小型水庫的安全管理之中。

為此，本研究以實際應用為出發點，首先分析小型水庫安全風險源，并基于風險特征對水庫進行分類；在此基礎上，根據風險特征有針對性地從責任落實、資源配置、信息感知、預警預報、維修養護、應急響應、除險加固等方面搭建小型水庫動態風險管理體系，并根據有關文獻和經驗給出相應指標；最后介紹本研究方法在我國某市區域小型水庫的應用情況，從而驗證方法的可行性。

1 工程安全風險分析與分類

1.1 風險現狀

目前小型水庫安全風險主要由下述原因引起：（1）先天存在的設計或施工缺陷、難以適應極端氣候、地質環境、下墊面變化、水庫淤積、擋泄水建筑物及設施變形老化等；（2）對小型水庫安全問題的重視不夠，人員、資金、設備、技術等管理條件不完備、不充分，維修養護不到位，感知、融合、預測、預警和應急響應一體化、體系化不足；（3）安全資料或水文資料短缺，安全評價、鑒定和除險加固不及時。

1.2 風險識別及工程分類

小型水庫總風險因子可以從賦存環境（危險性）、結構材料（脆弱性）、監督管理（有效性）和失事損失（嚴重性）4個方面加以識別，見圖1。

圖1 風險因子體系Fig.1 Risk factor system

賦存環境危險性風險是指水庫（群）所在區域的水文氣象、地形地質、產匯流等因素給水庫安全帶來的風險，在具體評估時應充分利用洪水風險圖、暴雨風險圖和地震區劃圖等資料。結構材料脆弱性風險主要包括：（1）樞紐布置、斷面設計和洪水標準不合理；（2）防滲排水設施設計不合理或老化導致揚壓力或滲透壓力偏高，出現異常滲漏；（3）壩體或上下游邊坡抗滑安全系數不夠；（4）擋泄水建筑物過大變形；（5）擋泄水金屬結構及機電設施老化、無必要備份。監督管理可靠性風險主要包括：（1）責任主體不明確、組織機構不健全、應急處置措施針對性不強以及經費不落實等；（2）必要的監測預警設備設施和技術力量不匹配；（3）維修養護、資料分析、安全評價和除險加固是否規范。失事損失嚴重性風險包括安全方面失事導致的生命、社會、經濟、生態、環境和歷史文化方面的損失。可對照規范[5-8]及運行管理相關規定等逐條對比。根據圖1可將水庫安全總風險表示成4項分風險之和：

式中：TR為水庫安全總風險；ER、SR、MR、LR分別對應賦存環境、結構材料、監督管理、失事損失風險，前3者通過條件概率乘以損失獲得，后者通過失事及其后果經驗統計獲得。通過上述分類，可以有針對性地采取措施降低工程安全總風險。

從另外一個角度，總風險也體現在對上述因子的感知、預測和控制能力上，能力越高，風險越低。

式中：δTR為感知、預測和控制總能力；δER、δSR、δMR、δLR分別對應賦存環境、結構材料、監督管理、失事損失的感知、預測和控制能力。分析上述4個因素的感知、預測和控制能力提升的難易程度、有效性和成本，可以用于指導小型水庫規避安全風險措施的選擇，從而有針對性地提高小型水庫風險管理水平。考慮到很多小型水庫缺乏有效資料，風險分析需融合多學科專家知識加以解決。專家可以通過回顧歷史背景、現場勘探和工程類比，同時借助當地氣候、氣象、地質、地形、泥沙和水庫運行等特點的相關多源信息，對小型水庫安全風險進行快速評估。為提高可操作性，在具體評估時可從水庫位置選擇、樞紐布置、結構材料設計、施工運行和維護管理等幾個方面進行。

1.2.1 單座水庫

針對低洼處小型水庫安全風險評價問題，為克服現有總庫容安全風險評價方法的不足，提出風險庫容的概念。風險庫容指水庫最可能失效模式下下泄的致災水量：

式中，Q R、q、p分別為風險庫容（m3）、可能最嚴重失效模式下的下泄水量（m3）及下泄過程中入滲、入河（海）或漫灌的無害水量（m3）。如對于某些偏遠山谷中的小型水庫，或即使水庫潰壩，下泄洪水也不構成任何災難，則其風險庫容為0。為實現小型水庫的全覆蓋，應先進行城市重要設施上游小型水庫風險評價，再進行干旱或偏遠地區的小型水庫風險評價。考慮到水庫風險因子的變化，水庫風險等級應根據實際情況動態調整，這一周期根據風險演化速度快慢確定，一般為6～10年，見表1。

1.2.2 水庫群

對于一定區域或流域小型水庫群，其總風險是整體安全管理投入的依據。嚴格的定量分析應根據水庫群內單一水庫風險失效概率密度函數，再采用Copula函數方法獲得多個水庫的整體失效概率。對于區域或流域小型水庫群，忽略水庫失事之間的相關性，采用加權求和的方法獲得水庫群的總風險，如式（4）所示，根據總風險大小及風險特征進行管理配置。

表1 單座水庫安全風險等級劃分表Table 1 Safety risk classification of single reservoir

式中：TR g為水庫群總風險；n為區（流）域內小型水庫的數量；ωi為不同風險等級水庫的權系數，考慮到大小水庫相對風險，根據經驗見表2；TR i為單個水庫的安全風險，由式（1）得到。

表2 不同風險等級水庫權系數Table 2 Weight coefficient of reservoirs with different risk levels

根據流域或區域小型水庫群的總風險及其特征，可以引入集中管理，從而發揮專業特色和經驗，有針對性地采取風險規避措施。

2 風險管理及其標準化

風險管理就是從水庫（群）本身的風險大小及風險特征出發，根據針對性和有效性原則采取相應的風險規避措施。

2.1 責任落實及資源配置

責任落實及資源配置是指水庫安全風險的每一個演化控制點都有與之配套的明確責任人和針對性風險規避措施。責任人風險包括健康狀況、專業水平和敬業精神等，應建立與水庫風險相應的責任追究制度。根據水庫業主和“誰受益誰承擔風險”的原則，明確法人為水庫的最高責任人。對于集體所有且暫無業主的水庫，根據風險大小確定相應級別的政府行政首長作為水庫安全責任人，見表3。

表3 無業主不同風險水庫安全責任歸屬Table 3 Safety responsibility taker of reservoirs with different risk levels without owners

機構、規章、人員、設施和經費應根據區（流）域水庫群風險高低和敏感風險源種類進行有針對性地分類分級配置。對于高風險水庫群，要求有獨立完善的配置；對于低（微）風險水庫群，可委托具有相應能力的機構或當地村民代為管理，同時簡化監測系統配置，降低監測及檢測頻次，并適當引入水庫安全保險制度，從而彌補失事后的損失。

2.2 安全信息感知

安全信息感知指通過巡視檢查（含遙感）、儀器監測和檢測及其他有效手段獲得水庫安全信息，采用方法的復雜程度和投入的多少應根據總風險（參照圖1）特征分析確定，感知內容和頻次應根據分項風險大小、安全及其變化的靈敏度確定，同時建立相關信息分級、分權限多終端統計、檢索和查詢系統。對于區域性天氣、氣候、漫頂水位等水庫賦存環境風險因子，其感知的成本低、共享程度高，因此應優先實施。

2.2.1 感知內容

安全信息感知內容包括賦存環境重大危險源、結構材料狀態靈敏響量、監管體系及其效果、失事損失4個方面。結構材料狀態感知內容不僅包括支撐受力結構的材料參數、孔隙率、密實度、塑性區分布和接觸狀態，也包括承擔重要擋水和泄洪任務的閘門以及金屬機電結構的變形、銹蝕閘門開度、限位、荷重、電流/電壓、振動、噪音、油位、油壓、油溫等狀態。對生物風險比較高的水庫，生物危害監測包括白蟻等危害動物監測、影響行洪的淤堵漂浮物監測等。監督管理感知內容包括責任劃分完整度和明確性、安全管理流程合理性、人員設備設施和工程監督覆蓋率、事件操作處置規范性與閉環度、應急措施針對性和有效性、技術和管理人員工程熟悉度及專業水平、資料分析準確性和及時性、經費落實保證率8個方面。失事損失感知內容包括可能損失的類型及總損失大小。

2.2.2 感知方法

感知方法包括巡視檢查、遙感、儀器監測與檢測等。風險感知需利用多源信息，對于賦存環境，可利用日本和美國聯合開發的TRMM衛星降水數據、地理空間數據云平臺DEM、中國氣象科學數據共享服務網、遙感信息及INSAR等。根據小型水庫所在地的DEM、坡度、坡向、經緯度、植被和土壤特征等，采用ArcGIS、SPSS等分析軟件，應用統計降尺度法、來水、流體動力學、滲流力學進行漫壩風險分析。由于小型水庫測點少，當監測（包括巡視檢查）發現問題后，應根據這一問題可能導致的風險大小確定是否需要進行檢測，從而為分析問題的原因或判斷隱患程度提供依據。當檢測發現問題時，除根據問題嚴重程度采取工程措施外，必要時還應設置監測項目和測點進行長期監測。儀器監測與檢測包括常規儀器監測、不定期檢測和視頻圖像監視，其中視頻圖像是利用可見光、紅外光、微光或遙感等對工程關鍵部位（含關鍵機電設施和擋水金屬結構）的輸入、響應及人為操作、入侵等實施監測。應設置視頻圖像監視的部位包括：承擔泄洪任務的溢洪道，其水流沖刷區以及閘門支撐轉動、啟閉機電接口等容易出現故障的部位；汛期來臨時可能會被上游淤積的漂浮物影響流速的泄洪建筑物進水口；存在安全隱患的泄洪區域等。在白蟻活躍區域或漂浮物淤堵區域布設視頻監測項目時，可利用紅外線、圖像識別等技術實時獲取白蟻或漂浮物的活動跡象和數量變化，從而為安全評估提供依據。此外，還應通過與相關單位溝通、無人機調查、公開資料或網絡爬蟲等合法手段和方法感知水庫失事風險影響區大小，及時統計分析影響區人口、工農業、經濟、生態和環境數據。

2.2.3 感知頻次

根據水庫總體安全風險大小采取不同信息感知頻次，見表4。在具體操作時，還應根據子項對整體安全風險影響大小進行細化。

2.3 預警預報

2.3.1 預警指標

（1）巡視檢查：隱患區域的覆蓋度（A1）、覆蓋頻次（A2）、巡視異常上報滯后時間（A3）、隱患嚴重程度判別力（A4）和隱患先兆及時發現力（A5）。

（2）水文氣象：壩前水位（B1），以各控制水位為預警閾值；雨量（B2），包括最大雨量、累積雨量和最大歷時雨量等指標，可以結合水文模型根據B1確定，或根據沖刷與滑坡要求確定相應閾值；對庫水位有重大影響的入庫流量（B3），其閾值主要考慮滑坡以及B1的要求。是否設置臺風、冰凍及春汛相關預警指標與水庫所處具體位置的賦存環境相關。

（3）結構材料：典型或可能失事部位的位移/變形（C1）、揚壓力（C2）、滲流量（C3）、滲透壓力（C4）、應力應變（C5）和溫度（C6）。對于高風險水庫，當采用檢測方法進行結構和材料狀態參數診斷時，也可以建立密實度、孔隙度、銹蝕率、保護層厚度和彈性模量等預警指標及閾值。

表4 監測頻次表Table 4 Monitoring frequency

（4）視頻圖像：滑坡或開裂（D1）、機電設備（D2）、閘門和金屬結構（D3）。視頻圖像預警可采用圖像和視頻系列數據，通過（人員、動物、機動車船等）入侵檢測、模式識別等方法對異常狀態進行識別報警。

（5）金屬機電：設備設施狀態（E1）、機電應急備用（E2）、隱患分析與故障報警（E3）、防雷抗干擾措施有效性（E4）。金屬機電可針對轉軸變位、限位、電壓穩定性等正常工作區間，通過設置一定的安全系數確定閾值。

（6）監督管理：組織機構及責任（F1）、人員和設備配置及工作狀態（F2）、應急能力與流程規范化（F3）、反應速度和演練（F4）、經費保障（F5）。監督管理可采用打分法、層次分析法等，對組織、安全、運行和經費4個方面的針對性、及時性、可靠性和抗干擾性等進行綜合評價，在此基礎上結合風險大小和敏感性確定總體閾值和分項閾值。

預警閾值的確定方法包括規程規范規定、工程類比借鑒、專家知識經驗、數據統計分析及數值模擬等，同時還必須考慮實際工程特點和可接受風險。國家防汛抗旱總指揮部聯合中國水利水電科學研究院進行了200 km2以下流域山洪災害分析評價，給出了計算臨界雨量和危險等級劃分的具體步驟[10]，可為暴雨制定預警指標。

2.3.2 預報模型與方法

根據對應風險從低到高依次選擇簡單到復雜的預報模型和方法。

設計洪水推求主要包括瞬時單位線法、推理公式法、地區經驗公式法和歷史洪水調查分析法[11]，具體方法的適用性與水庫所在區域[12]及水庫類型（山丘還是平原水庫）有關[13]。

針對賦存環境為高風險因子的水庫，借助美國GFS、中國氣象臺和日本氣象廳預報數據，采用與實測數據的同化、降尺度分析顯著提高風險預見性。

對于結構材料為高風險因子的水庫，可通過實測數據或數值模擬建立預報模型[14]。當存在可靠實測資料或實測資料積累到一定程度時，可根據風險大小選擇相應復雜度的模型，如采用逐步回歸、隨機森林、相關向量機和神經網絡等方法建立預報預警模型。

表5 預警指標設置表Table 5 Setting of early warning indexes

2.4 運行調度

水庫分級調度指根據水庫安全風險大小確定汛限水位、泄洪時間和流量，在此過程中根據洪水致災災害鏈及其后果嚴重性確定預留庫容和工程安全裕度，即高風險水庫預留更高的安全系數、更大的備用庫容和更長的預警時間。

運行調度信息的發布方式、范圍和路徑應根據風險大小確定。對于高風險水庫，應設置影響區高音喇叭結合無人機進行信息發布；對于中風險區，可采用電子顯示屏幕結合短信進行發布；對于微風險區，只需要通過授權內網進行信息發布。

2.5 維修養護

針對具體水庫安全風險的風險種類、性質、大小和演化趨勢，采取相應的措施進行維修養護，并借助水庫督查等方式進行質量評估考核。對于高風險水庫及其高風險因子，應設定更高的要求和更大的保險系數。

水庫具有防洪、生態、灌溉、供水和景觀等不同的功能，將上述功能按公益性和經濟性進行分類，對于承擔公益性功能的水庫，國家應承擔相應的維修養護費用，經濟效益的獲取方也應承擔相應的水庫維修養護費用。

2.6 應急管理

通過虛擬仿真、增強現實、潰壩計算、洪水擴散淹沒分析及災害鏈分支分析等，確定應急管理相應的措施、投入和演練逼真度。在應急管理時，應充分考慮真實極端條件下可能對通訊、設施、交通和群體行為等方面產生的不利影響，根據風險演化的災害鏈理論確定不同節點的風險轉化和規避措施。應急方案的詳細程度、備用方案和演練的逼真度應根據水庫風險確定，同時考慮應急管理在惡劣應急條件下的不確定性，根據水庫或水庫群風險大小做好必要的備用措施。

2.7 除險加固

除險加固應根據失事成因、概率及損失確定，同時考慮除險加固本身的投入和設計施工過程中的風險，采取相應的規避措施。若除險加固總收益（包括規避水庫風險方面的收益）大于投入，則應進行除險加固；如水庫安全風險很小，則不需要采取除險加固措施，只需要根據風險情況采取其他處理措施或不采取措施。

3 工程實例

某市下設9區、6縣和4縣級市，共有小型水庫近600座。2018年完成小型水庫安全風險等級分類統計，并計算各區縣小型水庫群的總風險，根據各縣（市）總風險和單個水庫風險排序確定優先投入應用的區域和單個水庫。經過初步計算，浦江、雙流縣為相對高風險區域，率先進行監測系統改造。在此基礎上再對單個水庫風險進行排序，得到浦江、雙流縣風險較高的幾個水庫分別是YA水庫（0.69）、HQ水庫（0.58）、TJ水庫（0.54）和CT水庫（0.43）[14]，將上述4個水庫作為首批試點水庫。

試點水庫感知系統完善過程中，從賦存環境（危險性）、結構材料（脆弱性）、監督管理（有效性）和失事損失（嚴重性）4個方面對每個水庫進行敏感性分析，選擇重要、敏感項目實施自動化監測，對于不敏感監測物理量則不配置監測設施。同時充分利用現有氣象、水文站網和平臺實現資源共享，節約經費投入。通過敏感性分析得到上述4個試點水庫的敏感性因素，YA水庫為變形，HQ水庫為變形和環境量，TJ水庫為變形和滲流，CT水庫為變形和環境量，通過增加測點及監測頻次優化改造敏感性監測量。各水庫感知系統完善升級后接入區（流）域統一管理系統，升級后的系統界面見圖2。同時建立責任落實、資源配置、信息感知、預警預報、維修養護、應急響應、除險加固等動態風險管理體系及相應指標，編制相關管理規程，明確相關責任，實現風險管理的標準化。

4 結語

我國小型水庫具有數量多、安全風險高和管理模式針對性不強等特點，為有效提高小型水庫安全管理水平，必須在分析小型水庫安全風險特征的基礎上，進行分類動態管理。本研究基于小型水庫（群）風險因子和風險等級劃分，實現了單座水庫和水庫群的分類，在此基礎上從風險感知、預警預報、運行維護、應急響應和除險加固等方面給出了相應的安全風險管理體系。實際應用表明，本研究所提出的方法具有較強的針對性和適應性，有一定的推廣應用價值。