我國(guó)水電站大壩潰壩生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)討論

周建平 杜效鵠

（中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)公司，北京 100120）

一、水電工程風(fēng)險(xiǎn)問題

我國(guó)是筑壩大國(guó)，現(xiàn)有大壩超過8.5萬座，居世界第一位。這些水庫大壩在防洪、發(fā)電、灌溉、供水以及促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著巨大的作用，是我國(guó)防洪保安工程體系的重要組成部分，也是保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。但是必須清醒地看到，我國(guó)大壩，尤其是修建于上世紀(jì)50～70年代的水利大壩，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，施工質(zhì)量較差，其中存在不同程度的病險(xiǎn)水壩超過3萬座。這些病險(xiǎn)水壩，不僅難以發(fā)揮應(yīng)有的工程效益，而且容易釀成潰壩災(zāi)難，嚴(yán)重威脅下游人民生命財(cái)產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施及生態(tài)安全。1975年8月河南板橋、石漫灘兩座大壩潰決，1993年8月青海溝后壩潰決，均造成人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。

根據(jù)影響程度和范圍，水電工程的風(fēng)險(xiǎn)可分為：影響正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)、主要建筑物損毀的風(fēng)險(xiǎn)和引起嚴(yán)重次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。最嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)是潰壩。潰壩引起的風(fēng)險(xiǎn)損失包括生命損失、經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)與環(huán)境影響。

生命損失是社會(huì)和公眾關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題。我國(guó)曾發(fā)生過3400多起大壩潰決事故，損失慘重，教訓(xùn)深刻。在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的條件下，人們已經(jīng)無法承受以往那樣的潰壩事件。國(guó)外在上世紀(jì)末已經(jīng)較為系統(tǒng)地開展了對(duì)生命損失的研究，取得了很多初步研究成果，但對(duì)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)并未形成一致認(rèn)識(shí)。目前，我國(guó)對(duì)生命損失的研究仍然處于探索階段，生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)非常敏感的議題。本文從水電站大壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定的影響因素和我國(guó)國(guó)情考慮，初步提出生命個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的建議。

二、水電站大壩生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)及其影響的因素

水電站大壩生命風(fēng)險(xiǎn)，是指潰壩事件發(fā)生后對(duì)下游生命構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)，為大壩失事概率與可能生命損失的乘積。大壩生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)包括個(gè)體生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。個(gè)體生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，是生活、工作于特定環(huán)境中的個(gè)體能夠接受和容忍的生命風(fēng)險(xiǎn)概率；而社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，是社會(huì)生命損失的期望極限值。

生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的制定，不僅受技術(shù)手段的影響，還受社會(huì)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受水平限制，涉及政治、文化、公眾心理、技術(shù)發(fā)展水平、健康和環(huán)境等領(lǐng)域。建立風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，不僅要考慮可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，也要考慮可容忍風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。英國(guó)健康與安全委員會(huì)（HSE）將可接受的風(fēng)險(xiǎn)定義為：任何受風(fēng)險(xiǎn)影響的人，為了生活或工作的目的，假如風(fēng)險(xiǎn)控制機(jī)制不變，準(zhǔn)備接受的風(fēng)險(xiǎn)；將可容忍風(fēng)險(xiǎn)定義為：為了取得某種利潤(rùn)，社會(huì)能夠忍受的風(fēng)險(xiǎn)。可容忍風(fēng)險(xiǎn)并不意味著可接受。這種風(fēng)險(xiǎn)需要定期檢查，如果可以的話，應(yīng)該進(jìn)一步降低這種風(fēng)險(xiǎn)，只有當(dāng)降低風(fēng)險(xiǎn)是不可行的，或投入的經(jīng)費(fèi)與減少的風(fēng)險(xiǎn)是非常不對(duì)稱時(shí)，如圖1（a），風(fēng)險(xiǎn)才是可以容忍的。風(fēng)險(xiǎn)管理和決策以降至合理低水平（ALARP，as low as reasonable practical）為準(zhǔn)則。由此建立了如圖1（b）所示的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)框架。圖中兩條水平線：上水平線是可接受風(fēng)險(xiǎn)水平線，下水平線為可忽略風(fēng)險(xiǎn)水平線。兩條水平線按風(fēng)險(xiǎn)度的高低將整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)域分為3個(gè)子區(qū)域。高于上水平線的區(qū)域，被認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)水平過高，稱為不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)采取強(qiáng)制措施降低風(fēng)險(xiǎn)。低于下水平線的區(qū)域，風(fēng)險(xiǎn)處于很低的水平，稱為廣泛可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，可以不采取任何降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。廣泛可接受風(fēng)險(xiǎn)與不可接受風(fēng)險(xiǎn)之間的區(qū)域?yàn)锳LARP過渡帶，在該區(qū)域內(nèi)，需要在實(shí)際可能的情況下盡量降低風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于各種風(fēng)險(xiǎn)處理方案，需要進(jìn)行成本效益分析，決定是否采取何種措施。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、傳統(tǒng)文化背景、社會(huì)價(jià)值觀、管理體制、保險(xiǎn)制度等方面的差異，不同國(guó)家、不同地區(qū)以及不同大壩業(yè)主對(duì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)不盡相同，因此制定的生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。我國(guó)的水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)研究還處于起步階段，尚未形成一套完整的體系，特別是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的研究很少。因此, 參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合我國(guó)國(guó)情開展水庫大壩生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究，如何看待我國(guó)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平并制定與之適應(yīng)的生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，是需要深入研究的課題。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)框架與ALARP準(zhǔn)則

1.個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

可容忍個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)然是越低人們?cè)皆敢饨邮?。一般來講，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)低于10-6/a時(shí)，被認(rèn)為是低至合理水平，人們可不再擔(dān)心這種風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)高于10-6/a時(shí)，生活、工作于此環(huán)境中的人多少和自己的意愿有關(guān)。

荷蘭水防御技術(shù)咨詢委員會(huì)（TAW）制定了與個(gè)人意愿相結(jié)合的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，10-4β，β為意愿因子，根據(jù)個(gè)人從事某種活動(dòng)的意愿程度，取值范圍在0.01～10?？梢钥闯?，意愿因子的取值范圍過大，缺乏可度量依據(jù)。此外，作為基準(zhǔn)值的10-4所對(duì)應(yīng)的β取值為1，反映個(gè)人的意愿程度如何，無法考量。

澳大利亞大壩委員會(huì)（ANCOLD）以人口年最低死亡概率作為制定生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。澳大利亞人口年最低死亡率為10-4/a（10～14歲年齡段），因此，其于2003年制定的《風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南》中建議，現(xiàn)役大壩對(duì)個(gè)體和團(tuán)體造成的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)超過10-4/a是不可容忍的，新建和改擴(kuò)建工程的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)超過10-5/a是不可容忍的。英國(guó)HSE對(duì)工人和公眾確定的個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)可容忍風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)確定為 10-3/a和 10-4/a。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者認(rèn)為，可以將公眾對(duì)交通意外死亡率的可容忍程度作為大壩個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的參考依據(jù)。根據(jù)我國(guó)2003年的統(tǒng)計(jì)資料，乘坐機(jī)動(dòng)車意外死亡的概率為約為3.3×10-4，因此，建議目前我國(guó)大壩的可容忍個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為3.0×10-4/a，可接受個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為10-5/a，采用逐步提高的方式，最后建議我國(guó)水電站大壩可容忍生命個(gè)體生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)提高至與國(guó)際接軌10-4/a，可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為10-5/a。也有一些學(xué)者認(rèn)為以我國(guó)的多年平均人口自然死亡率0.66%為依據(jù)，根據(jù)我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平，建議潰壩個(gè)體可容忍風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為5×10-4/a～1.0×-3/a；與之相適應(yīng)，可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，為5×10-5/a～1.0×10-4/a。

水電工程不同于其他基礎(chǔ)設(shè)施，潰壩引起的生命損失和社會(huì)影響是災(zāi)難性的。例如“75?8”大洪水中潰決的板橋、石漫灘兩座大型水庫和竹溝、田崗兩座中型水庫，使1000多萬人受災(zāi)，超過2.6萬人罹難；1993年8月，青海省共和縣恰卜恰河上游溝后面板堆石壩（壩高71m，壩頂長(zhǎng)265m，庫容330萬m3）發(fā)生潰決，潰壩洪峰流量超過2000m3/s，是500年一遇洪水（250m3/s）的8倍，下游13km處的縣城遭淹，數(shù)百人死亡，上千戶人家失去家園。潰壩不但會(huì)使生命損失，還會(huì)造成幸存者的心理疾病和心慌恐懼，甚至社會(huì)動(dòng)蕩。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和下游人口的急劇增長(zhǎng)，潰壩引起的生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、以及對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響將更大，對(duì)大中型水電工程而言，潰壩是不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。而作為最重要的樞紐建筑物——大壩，后期加固的難度和代價(jià)也將更大。因此，水電站大壩，尤其是新建大壩生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的制定，不僅要考慮當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，更要考慮我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的特點(diǎn)，逐步提高生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)不適合于我國(guó)國(guó)情。此外，生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)也要與我國(guó)水電工程的可靠度水平相適應(yīng)。《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的可靠度指標(biāo)分別為4.2、3.7和3.2，相應(yīng)的失效概率為（3～10）×10-5，以最低的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年計(jì)，最高年平均失效概率為0.2×10-5。即使考慮各分項(xiàng)系數(shù)的不確定性，通過對(duì)大壩薄弱環(huán)節(jié)的加強(qiáng)設(shè)計(jì)和安全監(jiān)測(cè)，科學(xué)的水庫調(diào)度和有效的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，水電站大壩的可靠度是可以保證的。因此，建議我國(guó)水電站大壩潰壩個(gè)體可容忍風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)不低于10-4/a，可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)不低于10-5/a。

2.社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

用F-N曲線和ALARP準(zhǔn)則相結(jié)合制定生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。F-N曲線是生命損失人數(shù)N與其超越概率F之間的關(guān)系，通用公式可以表示為：

式中：n為標(biāo)準(zhǔn)線的斜率；C為常數(shù)，決定標(biāo)準(zhǔn)線的限制位置。

一些國(guó)家和地區(qū)采用F-N曲線和n、C取值，如圖2?？梢钥闯?，n取值越大，相同生命損失的情況下，要求的失事概率越低。因此，采用F-N準(zhǔn)則，對(duì)于社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)越大的工程，要求具有更高的安全度。工程的可靠度分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在本質(zhì)上是一致的，但由于關(guān)注的對(duì)象不同，風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)不僅體現(xiàn)工程技術(shù)水平，更要考慮社會(huì)公眾的要求。因此，Vrijling在F-N準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上提出了可接受風(fēng)險(xiǎn)的改進(jìn)方法。改進(jìn)方法規(guī)定n=2，C值考慮了某一基礎(chǔ)設(shè)施在國(guó)家水平上的數(shù)量、風(fēng)險(xiǎn)折減因子和政策因素。宋敬衖等利用改進(jìn)方法，對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的病險(xiǎn)水利大壩的出險(xiǎn)加固，提出了不同的生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)役水庫大壩的加固維修費(fèi)用除中央財(cái)政撥款外，還需要地方配套資金。由于我國(guó)東、中和西部的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在較大差異，配套資金也存在很大差別，但水庫對(duì)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)都很大。若在全國(guó)采用統(tǒng)一的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，無疑將使一些欠發(fā)達(dá)地區(qū)的水庫大壩因資金問題停止使用或改變運(yùn)行方式，從而又進(jìn)一步惡化當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，文獻(xiàn)在Vrijling基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)現(xiàn)役水庫大壩的現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平地區(qū)現(xiàn)役大壩提出不同的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)建議，以滿足目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，以后逐步趨于統(tǒng)一。單純從經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度考慮，這樣的建議無疑是合適的。但以降低生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為代價(jià)，換取經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是不可取的。此外，由于欠發(fā)達(dá)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)濟(jì)抵御抗風(fēng)險(xiǎn)的能力低，則更應(yīng)該提高這些地區(qū)水庫大壩的可靠度，即降低潰壩生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于現(xiàn)役或新建的水庫大壩，采用統(tǒng)一的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，不僅是支撐當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，更是保證可持續(xù)發(fā)展的需要和安全生產(chǎn)要求，體現(xiàn)以人為本和法律公平的行業(yè)理念。

圖2 一些國(guó)家和地區(qū)F-N確定的生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 我國(guó)大中型水電站大壩生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)建議

根據(jù)我國(guó)潰壩資料，中型水庫1980年前年平均潰壩率7.257×10-3，1980年后為1.107×10-4，潰壩率降低了65.6倍。無大型水庫大壩潰決。每次潰決生命損失少則幾人，多則幾百人。假定潰壩損失人數(shù)在10～100人之間，則對(duì)大中型水庫，年潰壩生命風(fēng)險(xiǎn)為1.11×10-3～1.11×10-2。潰壩生命損失風(fēng)險(xiǎn)上限是不可容忍的，因此，應(yīng)以下限作為可容忍風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此建議我國(guó)大中型水庫大壩的F-N線起點(diǎn)為1.0×10-3。同時(shí)，參照ANCOLD的建議，以年潰壩率的10%作為可容忍風(fēng)險(xiǎn)的水平極值線，以潰壩率的1%作為可接受風(fēng)險(xiǎn)的水平極值線。因此，建議我國(guó)大中型水庫大壩的可容忍生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的水平極限值為1.0×10-5，可接受生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的水平極限值為1.0×10-6。同時(shí)，考慮大中型水庫大壩潰壩事件的災(zāi)難性后果和目前水電站大壩的建設(shè)管理水平，對(duì)于新建大壩，生命損失增加超過1000人，風(fēng)險(xiǎn)是不可容忍的限制條件。綜合考慮，我國(guó)大中型水電站大壩的生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)建議值如圖3所示。

3.結(jié)論與建議

作為我國(guó)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，大中型水電工程由于其規(guī)模和失事后果的嚴(yán)重性，潰壩是不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，因此潰壩生命風(fēng)險(xiǎn)的制定需從嚴(yán)控制。由于我國(guó)人口密度大，采用不低于發(fā)達(dá)國(guó)家的潰壩生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，是非常必要的。以我國(guó)目前的技術(shù)水平來看，也是可行的。采用嚴(yán)格的潰壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，與我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展和安全生產(chǎn)要求也是相適應(yīng)的。

潰壩生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)不宜分地區(qū)考慮；地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的高低，可以作為經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定的參考。采用全國(guó)統(tǒng)一的生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，是以人為本理念和法律公平在水電建設(shè)中的具體反映。

潰壩生命損失的研究，在我國(guó)仍然處于初級(jí)階段，雖然國(guó)外取得了很多初步研究成果，但對(duì)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)并未形成一致認(rèn)識(shí)。生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)非常敏感的議題。通過初步探討我國(guó)水電站大壩潰壩生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)制定的影響因素，提出我國(guó)水電站大壩潰壩個(gè)體可容忍風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)不低于10-4/a，可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)不低于10-5/a的建議。根據(jù)我國(guó)近20年的潰壩資料，可容忍生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)起點(diǎn)為10-3/a，分別以年潰壩率的10%和1%作為可容忍風(fēng)險(xiǎn)和可接受風(fēng)險(xiǎn)的水平極值線，相應(yīng)的可容忍生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的水平極限值為10-5/a，可接受生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的水平極限值為10-6/a,對(duì)于新建大壩，增加了生命損失1000人，作為風(fēng)險(xiǎn)是不可容忍的限制條件。

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