堤防工程險情風險評估與管控研究進展

關鍵詞：堤防工程；險情；災變機制；不確定性；風險評估；風險管控

中圖分類號：TV87 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0001-13

堤防是中國防洪工程體系的重要組成部分，具有抵御洪水和保護人民生命財產與生產安全的重要功能［1］。截至2022年年底，全國共建成5級及以上各類堤防設施達33. 06萬km，保護人口6. 82億和耕地6. 29億畝［2］（1畝約等于667 m²，下同）。然而，目前堤防工程防洪標準普遍偏低，并且受限于堤身填筑施工工藝和歷史條件，存在堤基結構復雜和堤身材料參數特性不確定性大等問題，致使大量堤防工程存在失事風險和重大險情。例如，1998年長江流域發生超大洪水，誘發堤防險情9000多處，淹沒耕地300多萬畝，受災人口近1億，直接經濟損失約1500億元［3］。2020年江西省鄱陽湖流域多座堤防發生潰決，其中發生決口險情的圩堤有14座，包括2座萬畝圩堤（問桂道圩堤和中洲圩），受災人口達625886人，緊急轉移安置群眾71012人，農作物受災面積達50. 2萬畝，直接經濟損失5. 5億元［4-5］。因此，亟需深入開展堤防工程險情風險評估與管控研究。

堤防工程賦存環境條件是決定能否發生堤防險情的先決條件［6］。由于堤防工程經歷多次填筑，且堤基受長期固結沉降作用，所以堤身/堤基土層空間分布及土體參數存在較大不確定性［7-8］。再加上地震、極端強降雨等外荷載因素的復雜性和隨機性，明顯增加了堤防險情賦存環境識別和表征、堤防險情災變機制研究的難度。目前國內外學者采用理論分析、物理模型試驗和數值模擬方法在堤防工程失事模式、險情判別和控制等方面開展了一系列研究，并揭示了洪水漫溢和滲透破壞是引起堤防失事的主要原因［9-10］，同時也常伴隨著管涌和散浸等其他堤防險情［11］。但是，當前研究沒有充分考慮堤防工程堤身/堤基材料性質的不確定性和參數空間變異性特征，不能較好地模擬洪水漫溢和滲透破壞等引起的堤防工程潰決大變形破壞和洪水演進過程，導致無法精準進行防災預警工作。因此，迫切需要對堤防工程賦存環境進行準確識別和定量表征，并闡明堤防險情災變機制，這對于堤防險情風險評估和管控及指導險情處置至關重要。

另一方面，堤防工程失事后造成的破壞后果和損失不容忽視，主要分為生命損失、經濟損失以及社會與生態環境損失［12］。雖然國內外學者們建立了各類堤防險情后果損失評估方法，并且從人為因素占主導的定性-定量分析方法逐漸轉變為可考慮多種不確定性因素的風險評估方法，但是當前仍是以統計分析為基礎的半定性半定量方法為主，缺少一套系統、科學、可操作性強的風險定量評估方法。其主要原因是考慮的風險因子不夠全面，并且缺少堤防工程全生命周期的風險評價體系。對堤防工程材料的不確定性和土體參數空間變異性定量表征困難［13-14］，堤防工程失事潰決后洪水災害演進過程及其對承災體的影響范圍和作用強度不能準確定量描述。

綜上，為了進一步提高中國堤防工程險情風險管控能力，降低堤防工程失事造成的損失，落實預報、預警、預演、預案這“四項”防御措施一直是防災減災部門關注的重點。深入研究堤防險情賦存環境識別和表征，可獲得大量有效數據，從而實現精準的災害預報和預警工作。同時，深入研究堤防險情災變機制與演變過程以及后果分析與風險評估，可前瞻性地對受災區域進行有效的災害預演，進而制定有效的風險管控預案，對于保障堤防工程安全運行與險情防控具有重要的科學意義和工程價值。為此，本文針對堤防工程賦存環境不確定性表征、堤防險情災變機制、風險評估與管控難題，分別從堤防險情賦存環境識別和表征、堤防險情災變機制與演變過程、堤防險情后果分析、堤防險情風險評估及堤防險情風險管控這5個方面的研究進展進行了文獻調研和實地考察，指出了當前研究存在的不足，并初步總結歸納了堤防工程險情風險評估與管控領域未來重點研究內容，期望為堤防險情風險評估與科學防控提供參考。

1堤防工程險情風險評估與管控研究進展

通過文獻調研、數據統計、理論分析和實地考察，得出目前堤防工程險情風險評估與管控研究框架，見圖1。下面從5個方面進行概述。

1. 1堤防險情賦存環境識別和表征

堤防險情發生類型和失事模式不僅與水文信息（洪水水位波動）、極端降雨和地震等外荷載因素息息相關［15-16］，還受到堤基/堤身結構及土體性質不確定性等內在因素的影響。一方面，堤身在洪水長期浸泡作用下，土體強度降低，在未加防護措施的情況下易受水流側向沖刷，堤身變薄和堤岸抗沖刷能力下降，為滲流侵蝕創造條件。此時，不僅在堤防工程背水坡發生滲漏、流土和管涌等險情［7］，而且在臨水坡也會因河流沖刷、波浪掏刷出現崩塌等險情，最終導致堤岸發生失穩破壞［17］。圖2給出了堤防工程滲漏、崩岸、管涌和滲流共4種險情示意圖。另一方面，堤基土體通常由新近堆積的粉土和細粉砂等物質組成，在地震、振動等作用下易發生液化現象，抗剪強度降低和承載能力喪失，從而引起堤身上部出現不均勻沉降而失事［18］，嚴重時會導致整個堤防工程發生潰決破壞，完全失去抗洪能力。

因為堤防工程的修建大多就地取材，堤身材料的性質差異性明顯和空間分布不均勻性強，并且歷經多次填筑加固，使得堤身結構和密實度等參數存在較大的不確定性［7，19］。目前一些學者采用隨機場理論和有限元數值模擬手段，深入探索了土體參數空間變異性與堤防工程安全性之間的作用機制。例如，宋軒等［20］基于隨機場理論表征堤防工程中巖土體參數的空間變異性，并結合Monte Carlo模擬方法對堤防岸坡進行可靠度分析。蘭滔等［21］結合現場監測資料和有限元數值模型，對加高培厚堤土體參數空間變異性進行定量表征和沉降預測，較好地量化了土體參數空間變異性對加高培厚堤防最終沉降量和沉降穩定時間的影響，為加高培厚堤防風險評估提供了基礎條件。Chi等［13］提出了一種考慮土壩滲流參數空間變異性的概率反分析方法，并評估了土壩安全系數和失效概率，但是該方法沒有充分考慮非穩態滲流的影響。Robbins等［14］采用隨機有限元法表征巖土體滲透系數空間變異性，并評估其對反向侵蝕管涌的影響規律，進一步闡明了反向侵蝕管涌的致災機制。Jiang等［22］針對非飽和路堤邊坡滲流穩定性問題，充分考慮了土體參數（抗剪強度和水力參數）的空間變異性，提出了一種非侵入式可靠度分析方法，為定量計算非均質邊坡的穩定性和可靠度提供了新方法，極大地促進了堤防工程風險定量評估研究。

綜上可見，堤防工程填筑工藝、堤身結構特征、筑堤材料性質及其參數空間變異性是造成堤防險情的主要內在因素。雖然目前堤防險情賦存環境識別和表征研究取得了可喜的進展，不僅考慮了地震、極端降雨和洪水水位等外荷載因素對堤防險情的影響，采用室內物理模型試驗研究了不同外荷載作用下堤防險情的成災機理和災變機制，而且考慮堤基材料性質和堤身土體參數的不確定性，采用有限元法、顆粒流等數值模擬手段進行了堤防險情發展全過程模擬及失效概率分析，但是當前研究仍存在以下不足。①水文信息、降雨和地震等外荷載因素的隨機性較強，無法準確地預測其對堤防工程安全性的影響，進而不能為預防堤防工程險情提供有效的措施。②堤基大多為天然堤基，經歷長期的固結沉降作用，并且堤身填筑過程中難以保障嚴格規范的設計和施工，導致堤身土體密實度、水力和強度等土工參數存在較大的空間變異性。同時，由于缺乏足夠的土工參數資料，導致對堤防工程賦存環境的不確定性研究遠遠不夠。③堤防險情的發展是一個隨機過程，各因素間相互作用復雜，而關于特定賦存環境條件及其組合關系下堤防險情研究較少。尤其對堤防險情從發生至潰堤的致災條件、演變過程、災變機制和險情危害等認識尚不清楚，致使在防汛搶險過程中仍以經驗和定性分析方法判斷堤防險情為主，難以準確研判堤防險情的發展趨勢。

在可預見的將來，中國還可能遭遇極端降雨和更大范圍的流域性洪水，未來重點研究內容應包括：①需要充分考慮因筑堤材料碾壓密實度不均勻造成的堤身性質不確定性和土體參數空間變異性，實現對堤基材料、堤身土體水力和強度等參數空間變異性定量表征，進而揭示其對堤防工程險情類別、失事模式和災變機制的影響；②融合現場試驗數據、勘察資料、堤身變形、水頭和孔隙水壓等監測資料與觀測信息進行參數概率反分析，降低堤防工程中賦存環境不確定性對堤防工程安全運行的影響，并提前預警預報極端降雨和超標準洪水發生的時間，進而制定相應措施降低極端降雨和超標準洪水對堤防工程造成的潛在危害。

1. 2 堤防險情災變機制與演變過程

堤防工程一旦失事發生潰決破壞，會引發洪水災害，威脅保護區內人民生命財產安全，因此厘清堤防工程災變機制與演變過程對于保障堤防工程正常運行與指導工程應急搶險具有重要意義。由于影響堤防工程安全運行的不確定性因素較多，并且同時考慮各種因素比較困難，因此將堤防工程按照失事模式進行分類有利于進行堤防工程安全分析［17］。通過文獻綜述發現堤防工程主要失事模式包括洪水漫溢、洪水漫頂、滲透破壞（管涌、流土、散浸）和岸坡失穩等［23-24］。圖3給出了堤防工程常見的4種失事模式。其中洪水漫溢和滲透破壞引起的堤防工程失事占比80%以上，是導致堤防工程失事的主要模式［9］。

盡管目前國內關于大壩工程災變機制與演變過程研究取得了豐碩成果，尤其在面板壩、高心墻壩及堰塞壩等壩體潰決機理和潰壩過程模擬研究方面處于世界領先水平［25-27］，而在堤防工程潰決災變機制方面研究比較薄弱。雖然大壩和堤防在潰決機理和洪水演進方面雖然存在一定的相似性，但是二者也存在明顯差別。比如，大壩潰決洪水流動方向常垂直大壩軸線，而堤防潰決水流一般為側向運動；潰壩水位降落快，潰堤水位降落慢。此外，不同堤身材料的堤防工程受水流侵蝕后的潰決機理與演變過程也存在較大差異，黏性土材料堤防工程的潰決過程表現為“陡坎”沖刷模式，而非黏性土材料堤防工程潰決過程以表面侵蝕后退模式為主［28］。因此，不能直接套用大壩潰決機理和演變過程的相關成果來分析潰堤機理和演變過程。為此，物理模型試驗和數值模擬方法逐漸被廣泛應用于堤防工程潰決機理和演變過程研究中，一定程度上促進了這一薄弱研究的發展。其中，鄔愛清等［29］系統研究了管涌、崩岸、接觸沖刷及堤防潰決4種典型險情的致災機制，進一步促進了堤防工程安全分類、堤防險情演化機理和智能化監測與信息化預警等方面的發展。Van Beek等［30］對比室內試驗與數值模擬結果，構建了模擬管涌形成過程的模型，并闡明了管涌產生和發展的控制方程。彭斯格［31］在雙層堤基堤防工程中開展了考慮覆蓋層薄弱程度的管涌試驗，研究了覆蓋層不同薄弱程度下發生管涌破壞時出口附近砂粒的運動特性與演化規律，但對于管涌破壞過程中松散區擴展變化模型及破壞模式的差異性仍需進一步深入研究。劉陽等［32］在分析大量管涌險情研究成果上，歸納了國內外管涌過程模擬的有限元、離散元等數值方法的優勢和不足，為堤防險情災變機制與演變過程研究提供了幫助。

雖然堤防岸坡失穩在堤防失事模式中占比比較小，但是堤防岸坡失穩易引發涌浪等次生災害，造成巨大的生命和經濟財產損失，因此該失事模式已逐漸成為堤防險情災變機制與演變過程研究中的重要內容。常見的堤防岸坡失事模式包括堤防岸坡滑動破壞和沖刷崩岸。其中，堤防岸坡滑動破壞是指堤防岸坡在降雨等外荷載作用下發生滑動破壞的現象，常用的分析方法包括極限平衡法和有限元強度折減法。與極限平衡法相比，有限元強度折減法能更好地求解復雜邊界條件下邊坡穩定性問題［33］。另外，一些學者開展室內模型試驗研究了堤防岸坡滑動破壞的成因與模式，揭示了降雨與蓄水作用下堤防岸坡滑動破壞機理。沖刷崩岸是指在重力作用下堤防土體受水流沖刷、掏蝕后，岸坡出現崩塌、崩落破壞等現象，國外較早開展了針對堤防崩岸坡體穩定性的理論與試驗研究，探索了河流崩岸機理及防治措施［34-35］。國內學者近年來系統梳理了堤防崩岸類型及分類，闡明了崩岸形成過程、影響因素和演變規律［36-37］。

綜上可見，堤防險情災變機制與演變過程研究仍存在以下不足。①物理模型試驗方法受比尺和模型邊界的影響，往往模擬范圍較小，且無法模擬上下游給水狀態與滲流過程的真實狀態，難以準確揭示堤防災變機制與演變過程。數值模擬方法難以實現對堤防工程失事后大變形全過程的模擬。在堤身土體被侵蝕和變形逐漸增大的過程中，不僅需要考慮滲透水流對土顆粒侵蝕的作用，而且還需要重點關注孔隙度變化、土體顆粒粗化等因素對土體參數變化的影響，從而對堤防工程中滲透水流過程產生反饋。②目前在基于數值模擬方法的堤防險情失事模式研究中，主要進行了滲流特征分析，并側重于模擬險情形成條件和發展過程，沒有充分考慮堤防險情發生演化過程中水流動力學及連續與非連續力學機理。因此亟需在細觀尺度和水-土耦合機制的研究基礎上，揭示大尺度條件下管涌等險情的形成機制和致潰條件，進而建立相應的隨機力學模型。當堤身土體變形引起堤防結構失效時，滲透破壞已由“土中水”轉變為“水中土”，然而現有數值模擬技術難以實現對這一階段災變機制與演變過程的模擬。

針對當前堤防險情災變機制與演變過程研究存在的不足，未來重點研究內容應包括：①應針對不同工程等級的堤防工程，開展不同尺度的物理模型試驗，分析不同尺度條件下堤防工程失事模式和條件，進而建立堤防災變機制與尺度之間的聯系，降低物理模型試驗的尺度效應，為揭示堤防工程災變機制與演變過程奠定基礎；②應針對現有數值模擬技術難以實現對堤防失事大變形階段模擬的難題，闡明基于堤身內部土體侵蝕過程的土-水耦合機制，建立一套能模擬堤防工程從失事啟動至結構失效全過程模擬方法；③將建立的堤防工程從失事啟動至結構失效的全過程模擬、物理模型試驗結果和工程實際相結合，并相互驗證，進一步闡明堤防工程災變機制與演變過程。

1. 3堤防險情后果分析

堤防工程發生失事潰決后，會對防護區域（保護區）內人民生命、財產安全及建筑物等基礎設施的正常運行造成重大損失。例如，2016年6月20日鄱陽湖區鄱陽縣向陽圩發生決口，見圖4a，圩堤內1. 03萬畝耕地受淹，1. 3萬名群眾緊急轉移。2020年7月8日鄱陽縣問桂道圩發生決口，見圖4b，造成圩堤內1. 5 萬畝耕地受淹，9000余名群眾緊急轉移。2020年7月12日永修縣修河三角聯圩出現潰決險情，見圖4c，決口長度已經擴散到200余米，共緊急轉移群眾23 411人。堤防工程失事后果主要包括三部分，即生命損失、經濟損失、社會與生態環境損失［38-39］，圖5為堤防險情后果分析結構。

在堤防工程發生潰決時，影響生命損失的影響因素主要包括洪水參數、風險人口、警報時間和暴露因素等。近年來，生命損失后果評估研究逐步得到國內外學者的重視，并相繼提出了一系列評估方法。例如，邢萬波［40］采用故障樹分析方法對單元堤段的不同失事模式進行分析，建立了單元堤段分項失事模式風險率計算模型。王小兵等［41］分別從堤防工程失事模式、風險因子劃分和險情風險評估方法等方面進行了綜述，并指出中國堤防工程風險評估方面存在的不足。同時，國外也已提出了多種生命損失后果評估方法，并采用可接受傷亡風險率建立了人員生命風險標準［42-43］。如Brown等［44］制定了可評估單個水壩失事對人員生命構成威脅的程序，并建立了影響潰壩造成生命損失的變量概念模型，進而提出了一種基于面臨潰壩風險的人口數量和預警時間方法。經濟損失具體可分為直接經濟損失和間接經濟損失。其中，直接經濟損失主要包括堤防工程本身的結構破壞、堤防工程破壞后對下游淹沒區造成的損失及工程收益。目前估算直接經濟損失的方法有分類損失率、人均綜合損失和單位面積綜合損失法。而間接經濟損失評估則比較復雜，常用的估算方法主要有直接估算法與系數法。如蔣水華等［12］通過MIKE 21 模型建立了鄱陽湖康山大堤蓄滯洪區的洪水演進模型，并開發了相應的經濟損失評估方法。社會與生態環境損失由環境污染損失和生態破壞損失構成，相較于生命損失和經濟損失評估，社會與生態環境損失評估過程更為復雜，涉及的影響因素更多，且覆蓋面更廣。目前國際上主要采用定性方法進行社會與生態環境損失評估。國內在研究堤防潰堤后的社會與生態環境損失方面，起步較晚，相關的研究成果較少。

綜上可見，目前關于堤防險情后果分析存在的不足主要如下：①堤防工程防護區域洪水演進過程研究薄弱，對防護區域洪水演進過程進行精細化模擬是確定堤防潰決后淹沒范圍、淹沒水深等信息的關鍵，然而由于防護區域地形復雜、堤防工程賦存環境不確定性大和質量差別明顯，致使堤防工程失事后的洪水演進過程十分復雜，且難以建立統一的洪水演進計算模型，從而限制了相關研究的發展；②缺少一套比較完整、科學的、可操作性強的堤防工程險情后果綜合評估方法和衡量標準。現階段堤防工程險情生命損失、經濟損失以及社會與生態環境損失定量評估方法發展不成熟，仍以傳統的半定性半定量方法為主，無法實現精細化定量評價，尤其對間接經濟損失和社會與生態環境損失的評估研究不夠。

針對當前堤防險情后果分析研究存在的不足，未來重點研究內容應包括：①針對不同規模堤防工程防護區域的實際情況，借助水動力學模擬軟件建立切實可行且適用性強的洪水演進計算模型，進而基于現代信息技術準確計算堤防工程潰決后的淹沒范圍、淹沒水深等信息，為堤防工程險情后果定量評估奠定基礎；②根據防護區域社會經濟發展狀況，通過模擬和預測堤防工程可能發生的不同險情（包括次生災害），發展堤防工程險情后果損失綜合評估方法，并結合洪澇災害特點、堤防潰決后的淹沒范圍和淹沒水深等信息，定量評估堤防工程險情生命損失、經濟損失及社會與生態環境損失，并建立一套科學統一的衡量標準；③充分考慮極端降雨事件等因素對堤防工程潰堤洪水演進過程的影響，并進行全過程精細化模擬，進而結合現代信息技術建立不同極端氣候條件下堤防工程險情后果定量評估模型。

1. 4堤防險情風險評估

堤防險情（如管涌、漫頂、崩岸、散浸等）風險定義為堤防工程失事概率與所造成險情后果的乘積。一般風險是指以下因素的集合，見式（1）。

當前堤防險情風險評估是針對堤防工程可能存在的險情，并結合堤防工程中各類風險因子，基于長期積累的專家知識經驗，運用歸納、演繹和總結等方法分析堤防工程運行過程中的風險，進而提出應急預案和采用各種管控技術進行風險防控與決策。堤防險情風險評估關鍵環節和組成部分主要包括5個環節，見圖6。

目前國內外堤防險情風險評估研究歷史較長，最早是由于美國等發達國家發生了較為嚴重的潰壩事故，進而開始潰壩風險分析［45］。隨后Gillis等［46］首先提出風險概念，并采用相對風險指數作為大壩風險衡量的標準。1991年，Hydro公司首先在大壩風險評估中采用概率分析方法［47］。1994年，在由澳大利亞大壩委員會編制的《大壩風險評價指南》中，提出了大壩風險評價的相關基礎概念，為堤防險情風險評估研究提供了參考。國內堤防險情風險評估研究雖然過去較長時間滯后于國外，但是從長江流域遭遇巨大的洪水災害后，國內研究者在堤防工程風險評估方面開展了深入研究，并取得了豐富的研究成果［48-52］。例如，王亞軍等［53］在考慮堤防工程水、土兩相系材料特點的前提下，采用層次分析法和模糊一致理論，構建了模糊綜合評判系統結構模型，為實現堤防工程全面風險分析提供一種有效手段。焦小超［54］基于國內外堤防工程失事風險成果，從堤防工程典型失事模式和失事風險因素出發，采用蒙特卡洛模擬法繪制堤防工程脆弱性曲線，進而分析堤防工程的安全狀態。楊子桐等［49］建立了包含荷載作用、堤身特性等5個方面和20項指標的堤防工程風險評價指標體系和云模型評價方法，但該評價體系還具有很大的主觀性。

另一方面，目前堤防險情風險識別主要通過提取影響堤防工程安全的風險因子，然后采用風險評估方法對堤防工程安全狀態進行評價。堤防工程風險因子是指能反映堤防工程安全運行和風險特性的因子［55-56］，具體可分為堤防工程材料與結構方面的風險因子（包括堤基地質條件和地層結構，堤防工程斷面形式，堤身材料級配、密實度和滲透性等），堤防工程施工過程中的風險因子（包括施工工藝、速度、質量、土石配方和護坡形式等），堤防工程運行中的風險因子（包括自身安全性、連接建筑物運行狀況、上游水庫調度方式、水位變化和極端降雨等）和堤防工程管控中的風險因子（包括管控模式和體系、日常維護情況、監測系統、數據分析能力等）。而準確識別堤防工程險情中的風險因子是進行風險評估和管控的重要基礎，例如，圖7a為堤防工程堤身材料和斷面形式，可以獲取堤身材料和斷面形式相關參數等風險因子；圖7b為連鎖袋式防洪子堤現場施工，可獲取堤防工程施工工藝和土石配比等風險因子；圖7c為堤防工程系統中常用的紅外熱像儀監測儀器，可以及時監測堤防工程變形特征，獲取堤防工程管控中的風險因子，從而獲得堤防工程的安全狀態。

堤防險情風險評估方法包括常規的定性分析、定值安全評價和考慮不確定性因素的風險分析方法。由于常規的定性分析方法受人為主觀因素影響較大，難以形成適用于各種堤防工程險情的統一評價標準，因此評估結果準確性較差。使用最廣泛的定值安全評價方法是層次分析法，該方法從方案、準則、目標等層面進行思維過程層次化，逐層比較多種關聯因素，進而為風險分析、評價、預測等提供定量依據［57-58］。然而，常規的定值安全評價方法難以充分考慮設計變量的變異性和堤防工程的復雜特性。常用的考慮不確定性因素的風險分析方法包括可靠性分析方法、模糊綜合評價方法［59］、灰色系統評價方法［60］和人工神經網絡方法。其中，以概率論為基礎的可靠性分析方法［61-63］由于可以量化堤防工程中存在的不確定性因素，在國內外都得到了廣泛應用。人工神經網絡方法［64］具有準確、效率高和容錯能力強等優點，也逐漸被廣泛應用于堤防險情風險評估中。此外，堤防險情風險評估還常用到突變級數評價法、網絡分析法、后果逆向擴散和分層賦權法等評價方法［41］。綜上，近年來，堤防險情風險評估從人為因素占主導的堤防風險定性-定量分析方法向考慮堤防工程不確定性因素的風險定量評價方法轉變已成為必然趨勢，并且取得了較大的研究進展，特別是以可靠性分析和人工神經網絡分析為代表的風險評估方法成為堤防險情風險評估研究中發展前景最好的方向之一。

綜上可見，目前堤防險情風險評估研究仍存在以下不足。①當前中國堤防險情風險評估方法仍集中在以層次分析法為主的半定性半定量評價方法，雖然該方法能夠較好地對堤防險情風險進行評價，并且可以科學、客觀地計算權重參數，但是該方法主觀性強，無法對堤防險情風險進行精細化定量評價，且當前研究水平遠遠落后于國際水平。②在對堤防險情風險評估過程中，很少考慮堤身材料等內部因素和極端降雨等外荷載因素不確定性對堤防工程失事潰決的影響機制，并且沒有充分考慮堤防工程潰決引起的洪水演進全過程特征，導致現有的堤防險情風險評估模型普適性較差、預測準確性較低，且缺少在堤防險情風險評價指標體系和方法等方面的統一標準。同時，缺少有效的方法來降低堤防險情風險評估過程中的不確定性。③由于堤防工程系統復雜，涉及范圍較廣，而傳統的模糊與灰色關聯分析模型難以處理堤防工程中復雜的多因素信息和不確定性，將其與人工智能算法結合是一個新的方向。遺憾的是，目前基于神經網絡等人工智能算法僅僅應用于大壩安全監測研究中，在堤防險情風險定量評估研究中的應用較少，相關理論還不成熟，亟需深入研究。

針對當前堤防險情風險評估研究存在的不足，未來重點研究內容如下。①需要根據堤防工程的實際情況確定每個堤段或堤防圈的風險評價指標，建立堤防工程險情風險綜合評價體系，并探討堤長等結構參數對堤防險情風險的影響規律。另外關于考慮多種失事模式并存的堤防險情風險定量評估技術也有待深入研究［65-66］。②雖然針對諸如層次分析法或模糊數學理論的傳統堤防險情風險評估方法的不足，一些學者基于概率論和可靠度分析提出了一些風險定量評估方法，但仍處于理論探索階段，并且對堤防工程系統中的不確定性因素考慮不充分。因此，需要根據堤防工程系統的水文信息、工程地質和堤基/堤身材料性質等基本信息，分析和表征堤身材料水力和強度等參數的空間變異性，研究地震和極端降雨等外荷載作用下堤防工程的穩定性，進而建立堤防險情風險定量評估方法，為堤防工程安全運行提供技術支撐。③基于人工智能、數字孿生和大數據技術的風險評估技術是實現堤防險情風險智能化評估的基礎，也是未來的主要研究方向［67］。因此亟需基于神經網絡等機器學習和深度學習算法建立堤防工程險情風險評價模型，考慮堤防工程系統的多評價指標以及各風險因子間的相互影響關系，開發考慮多種失事模式并存的堤防工程險情風險定量評估技術。

1. 5堤防險情風險管控

堤防險情風險管理與控制是一項綜合分析、評價、預防和處理堤防失事風險的復雜系統，主要包括風險分析、風險評價和風險處理3個方面。圖8顯示了堤防險情風險管理與控制結構。而廣義的堤防險情風險管控還包含降低堤防險情風險的工程與非工程措施，例如，采用砂袋貼坡反濾工程措施降低堤防工程散浸險情，見圖9a；采用反濾圍井工程措施降低堤防工程管涌險情，見圖9b；通過拋石護腳等護腳固基抗沖措施處理堤防工程崩岸險情，見圖9c。

目前荷蘭、澳大利亞等多個發達國家針對堤防和海堤，建立了比較先進的水資源工程管理決策系統和風險管控體系。如荷蘭在堤防工程安全性評價方面，通過將堤防工程系統劃分為一系列相對獨立的子系統，并分別采用可接受的風險水平對每個子系統進行評價。澳大利亞針對堤壩失事等發生概率低和后果嚴重的災害事件，構建了多目標風險分析方法。與國外研究相比，中國現階段的堤防險情風險管控主要具有以下特點：側重于堤防工程結構安全性，對堤防工程的安全性和評價標準的相關研究不足，并且對堤防工程安全性調查和綜合評價的方法還停留在定性靜態評價階段，缺少動態定量評價方法［15］，導致堤防工程信息化管控薄弱，無法準確地評估堤防工程的安全性。因此，深入系統地開展堤防險情風險管理與控制研究是一項十分必要且刻不容緩的課題。

隨著中國水利部門在水利戰略和治水思路上的重大轉變以及科學發展觀對水利工程管理的客觀要求，推行堤防工程信息化和標準化管控已成為一種必然趨勢和行業基本需求［68］，這是一種與信息化建設相依托的綜合風險管控模式。同時，堤防工程險情風險管控模式逐漸從傳統經驗型向預測型轉變，并提出相應的標準化風險管控體系，進而更好地預測堤防工程失事后果和評估堤防險情風險，從而實現對堤防工程險情風險進行科學管控和提高險情防控能力［69］。綜上可見，目前堤防險情風險管控研究尚存在以下不足。①堤防工程信息化管控研究非常薄弱，具體表現為應用功能未實現多樣化，管理決策未實現科學化，未形成良好的人性化服務平臺。只有加大堤防工程信息化管理力度，才能建立新型的堤防險情管控機制，更好地為堤防工程管控服務。②現有的堤防工程標準化管控研究仍處于初期發展階段，未融入堤防險情風險評價相關內容，具體表現為沒有將堤防管涌、崩岸等破壞模式與潰決概率以及潰決造成的后果損失納入到堤防工程標準化管控研究中，較少與生命損失、經濟損失和社會與生態環境損失評價標準結合，導致無法對堤防工程汛期安全性進行準確分析和預測，造成在抗洪搶險時處于被動局面，可能出現對堤防工程險情后果判斷不準等一系列問題。

為有效提高堤防工程信息化管控系統的科學性和準確性，并保證數據傳輸的時效性，未來在堤防險情風險管控方面應重點開展以下2個方面的研究：①緊扣未來堤防險情風險管控的發展趨勢，不斷完善信息化數據采集系統及形成采集網絡，建立多目標應用層，加強堤防工程日常管理和數據收集，構建科學的決策系統和可靠良好的人性化服務平臺；②需要結合目前正在全國范圍內推行的水利工程標準化管控要求，引入風險概念，構建基于風險的堤防工程標準化管控評價體系［70］，在堤防工程風險評估的基礎上判斷該標準化管控是否達標，實現堤防工程失事后果的準確定量評價，提高堤防險情管控水平，快速將堤防險情管控模式從傳統經驗型轉變為定量預測型。

2結論

針對堤防工程險情風險評估與管控研究難題，本文從堤防險情賦存環境識別和表征、堤防險情災變機制與演變過程、堤防險情后果分析、堤防險情風險評估及堤防險情風險管控5個方面分別綜述了當前的研究進展，并指出了目前研究存在的不足以及未來重點研究內容。

a）目前堤防險情風險評估系統不確定性研究薄弱，較少定量表征堤防工程中堤基/堤身材料非均質性和參數空間變異性，并忽略了其對堤防工程險情類別、失事模式和風險評估的影響；同時地震、極端降雨等外荷載的不確定性對堤防險情災變機制不夠明確。因此，準確表征堤身材料參數空間變異性及水位波動、地震與強降雨等影響因素的不確定性，并闡明其對堤防險情災變機制的影響機制需要進一步深入研究。

b）物理模型試驗和數值模擬手段已成為研究堤防工程災變機制與演變過程的主要技術手段，但是受限于物理模型試驗的尺度效應和數值模擬手段無法模擬堤防工程失事大變形全過程演化階段，致使難以厘清堤防工程災變機制與演變過程，并且在實際工程中應用效果不佳。因此，需要發展一套能模擬堤防工程從失事啟動至結構失效的全過程模擬方法，并與物理模型試驗結果和工程實際相互驗證，進而指導堤防工程排除險情和降低險情后果損失。

c）因為國內在堤防險情后果評估方面的研究起步較晚，使得堤防工程失事潰決洪水演進過程研究薄弱，并缺少一套比較完整、科學的、可操作性強的堤防險情后果綜合評價方法和衡量標準。因此，亟需提出一套切合實際的堤防險情損失綜合定量評價方法，并形成統一的衡量標準，進而為堤防險情風險評估提供理論依據。

d）由于堤防工程系統復雜，涉及范圍較廣，而傳統的模糊與灰色關聯分析模型難以處理堤防工程中復雜的多因素信息和不確定性，故當前堤防險情風險評估方法仍以半定性半定量評價方法為主，缺少對堤防險情風險精細化定量評價方法。因此，亟需深入研究基于數字孿生、機器學習和深度學習算法建立堤防險情風險評價模型，開發考慮多種破壞模式并存的堤防險情風險定量評估技術。

e）現有堤防工程信息化管理理念和模式不能適應水利信息化、數字化發展的步伐，堤防工程標準化管控研究也未融入風險概念。因此，需要將現代科學技術與堤防工程實際有機結合，構建基于風險的堤防工程信息化和標準化管控體系，促使傳統經驗型險情管控模式向預測型風險管控模式轉變。