大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究

龔瑞瑞,黃海龍

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,湖北武漢430072)

0 引 言

大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)就是估算大壩安全的風(fēng)險(xiǎn)值,確定大壩的不安全程度,評(píng)判估算的風(fēng)險(xiǎn)值是否可以接受就取決于風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),因此人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入的研究。

作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的最后評(píng)判依據(jù),風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)并不是唯一的,雖然可接受風(fēng)險(xiǎn)和可容忍風(fēng)險(xiǎn)有著嚴(yán)格的區(qū)別,但都是風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受的衡量標(biāo)準(zhǔn)。英國健康和安全委員會(huì)(HSE)這樣定義可接受風(fēng)險(xiǎn)——假如風(fēng)險(xiǎn)控制機(jī)制不變,任何為了生活或工作而受風(fēng)險(xiǎn)影響的人準(zhǔn)備接受的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)可容忍風(fēng)險(xiǎn)則如下定義:這種風(fēng)險(xiǎn)需要定期檢查,并且如果可以的話應(yīng)該進(jìn)一步減少這種風(fēng)險(xiǎn)?？扇萑田L(fēng)險(xiǎn)并不等于可接受風(fēng)險(xiǎn),是指為了取得某種純利潤,社會(huì)能夠忍受的風(fēng)險(xiǎn),或當(dāng)減少的風(fēng)險(xiǎn)與投入非常不對(duì)稱時(shí)的剩余風(fēng)險(xiǎn)。研究風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)該同時(shí)研究可接受風(fēng)險(xiǎn)和可容忍風(fēng)險(xiǎn)。

1 風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的建立方法

風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)大壩失事后造成的后果可劃分為兩大類,一類是生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),它包含單個(gè)生命和社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn);另一類是經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。顯然,風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的建立應(yīng)該從各個(gè)方面建立各自的標(biāo)準(zhǔn),確定風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的方法[1～3]主要有F-N曲線法、ALARP準(zhǔn)則,成本效益分析法。

1.1 F-N曲線

F-N曲線:F為N的累積分布函數(shù),即等于或大于N個(gè)死亡人數(shù)的概率,其中N為死亡人數(shù),一般可用公式表示為:

式中:FN(x)為每年死亡人數(shù)小于x的概率分布函數(shù);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。

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)可以通過確定F-N曲線來確定,通過在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中確定F-N線的起點(diǎn)位置和斜率來確定F-N標(biāo)準(zhǔn)線。澳大利亞大壩委員會(huì)(ANCOLD)目前應(yīng)用的是F-N線法,圖1是ANCOLD制定的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。由圖可見,在澳大利亞高于1×10-3人/a的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是不可容忍的,低于1×10-4人/a的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的。

圖1 ANCOLD社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 ALARP準(zhǔn)則

ALARP原則就是使風(fēng)險(xiǎn)在合理可行情況下盡可能低的原則,它包含兩點(diǎn):①只有當(dāng)進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)是不可行的,或者風(fēng)險(xiǎn)的減少與采取的措施所用的時(shí)間、難度和付出的努力是非常不相稱時(shí),剩余風(fēng)險(xiǎn)才是可容忍的;②只有當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)降低是不可行的,或者當(dāng)降低風(fēng)險(xiǎn)所需的費(fèi)用與取得的效益非常不相稱時(shí),風(fēng)險(xiǎn)才是可容忍的。

可接受風(fēng)險(xiǎn)和不可容忍風(fēng)險(xiǎn)之間為ALARP過渡帶,ALARP過渡帶是指對(duì)那些處于可接受風(fēng)險(xiǎn)和不可容忍風(fēng)險(xiǎn)之間的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用ALARP原則。若風(fēng)險(xiǎn)在不可容忍風(fēng)險(xiǎn)以上,則必須采取強(qiáng)行措施來降低風(fēng)險(xiǎn);若風(fēng)險(xiǎn)在ALARP過渡帶上,則需要采取措施并對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)處理措施方案進(jìn)行成本效益分析,權(quán)衡降低風(fēng)險(xiǎn)所需的經(jīng)濟(jì)成本是否經(jīng)濟(jì),決定是否采取這些措施來盡量減小風(fēng)險(xiǎn)。然而有些人認(rèn)為用經(jīng)濟(jì)量化來衡量是否采取措施來降低風(fēng)險(xiǎn)是對(duì)生命的不尊重,在以人為本現(xiàn)代社會(huì)中容易招致很多人的強(qiáng)烈不滿和反對(duì)。引入ALARP準(zhǔn)則以后,由于成本效益分析是在生命風(fēng)險(xiǎn)處于較低的水平下進(jìn)行的,處于可容忍風(fēng)險(xiǎn)水平以下,基本能被大家接受,在此條件下進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)量化應(yīng)當(dāng)是可行的。

1.3 其它方法

另外一種評(píng)價(jià)新設(shè)施的破壞風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受的方法是將其與可看作是不可抗拒的風(fēng)險(xiǎn)和其它一些原因所造成的不可避免的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行比較。例如,澳大利亞1994年頒布的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南中提出的個(gè)人生命風(fēng)險(xiǎn)值:人的生命存在著不可抗拒的死亡風(fēng)險(xiǎn),隨著年齡的增長(大于10歲)風(fēng)險(xiǎn)率增加,10歲的風(fēng)險(xiǎn)約為2×10-4,到60歲為2×10-2。

2 國外風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的研究狀況

對(duì)可接受風(fēng)險(xiǎn)的概念定義和應(yīng)用最多的政府部門是英國健康安全委員會(huì),而美國、加拿大等國對(duì)大壩安全領(lǐng)域的可接受風(fēng)險(xiǎn)的研究卻是走在了前面。加拿大大不列顛哥倫比亞水電局、美國陸軍工程師兵團(tuán)和墾務(wù)局在大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中都提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。而我國對(duì)于大壩安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究相對(duì)較少,很多時(shí)候都是借鑒國外研究成果。為了在我國大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中更好的使用風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),有必要對(duì)國外一些風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié),以便能更好的借鑒和使用國外的研究成果,下面主要介紹國外一些常用在大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)[3,4]。

2.1 ANCOLD社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

ANCOLD標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于澳大利亞大壩安全風(fēng)險(xiǎn)分析,他以F-N形式表示,見圖1,包括可容忍風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。在可接受風(fēng)險(xiǎn)和可容忍風(fēng)險(xiǎn)之間應(yīng)用ALARP原則。

2.2 美國墾務(wù)局(SBR)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)每種荷載類型,如洪水、地震和正常運(yùn)行條件下,潰壩引起的每年生命損失期望值 n應(yīng)該低于10-3/a。并在墾務(wù)局指南中特別指出:

(1)n＞0.01,不論是長期運(yùn)行還是短期運(yùn)行,強(qiáng)烈要求采取措施降低風(fēng)險(xiǎn);

(2)0.001＜n＜0.01,如果持續(xù)長期運(yùn)行,強(qiáng)烈要求采取措施降低風(fēng)險(xiǎn);

(3)n＜0.001,評(píng)價(jià)費(fèi)用效益比(ALARP原則)看是否需要降低風(fēng)險(xiǎn)。

墾務(wù)局建議單個(gè)大壩每年最大潰決概率(即所有荷載狀態(tài)和破壞模式組合)為10-4/a。對(duì)一座大壩來說,如果估算潰決概率大于10-4/a,就意味著需要采取措施降低潰決概率;如果估算潰決概率小于10-4/a,就意味著這樣的潰決概率是可以容忍的。

2.3 ANCOLD單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

ANCOLD風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指南建議,對(duì)于處于最大風(fēng)險(xiǎn)之中的個(gè)人或團(tuán)體(PGMAR)可接受單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)為10-5/a,PGMAR可容忍單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)為10-4/a。

2.4 經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

各國經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的制定并沒有一個(gè)統(tǒng)一值,都是大壩業(yè)主根據(jù)自己的情況制定的。ANCOLD經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。加拿大BC Hydro曾制定過一個(gè)臨時(shí)性的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定大壩的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)小于10 000$/a。

圖2 ANCOLD經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

3 我國風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀及探索

3.1 單個(gè)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)是指在某一特定位置長期生活的未采取任何防護(hù)措施的人員遭受特定危害的概率,是社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)的最小單元。國內(nèi)有學(xué)者[1,3,4]提出,大壩單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)可以將公眾對(duì)交通意外死亡率的可容忍程度作為參考依據(jù),我國2003年統(tǒng)計(jì)的交通意外死亡資料顯示公眾乘車意外死亡的概率約為3.3×10-4/a,同時(shí)又考慮要與國際接軌,因此建議我國大壩的單個(gè)可容忍生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為1.0×10-4/a,單個(gè)可接受生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為10-5/a。也有一些學(xué)者認(rèn)為大壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的建立應(yīng)與大壩結(jié)構(gòu)可靠度聯(lián)系起來,根據(jù)結(jié)構(gòu)年平均失效概率來確定風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),也有一些學(xué)者提出了可以根據(jù)人自然死亡率來確定風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),這些確定方法都有一定的道理,具有一定的參考價(jià)值。

水庫大壩和其他基礎(chǔ)設(shè)施不同,失事所帶來的危害和影響是災(zāi)難性的。失事不但會(huì)給下游帶來生命損失,還會(huì)給幸存者造成心理疾病和心慌恐懼,更嚴(yán)重的是會(huì)激化反對(duì)修建水庫大壩的言論。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和下游人口的增長,大壩失事所引起的各種損失、以及對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響將更大,特別對(duì)大中型水庫大壩而言,失事的后果是災(zāi)難性的。因此我國大壩單個(gè)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)以適合于我國國情。

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)人們當(dāng)然是越低越愿意接受,根據(jù)資料顯示一般當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到1.0×10-6/a時(shí),人們不再擔(dān)心這種風(fēng)險(xiǎn)。但目前對(duì)我國來說,要使大壩單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到這么低的水平還是有一定困難,單純的依據(jù)自然及意外死亡率以及結(jié)構(gòu)失效概率來制定單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是不準(zhǔn)確的,在如今我國大力發(fā)展核電的時(shí)候,可參照核電站對(duì)周圍人們的風(fēng)險(xiǎn)為1.0×10-5/a,如采用和核電站相同的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),則顯得過高,故可在此標(biāo)準(zhǔn)上增加 2～4倍,即為 3.0×10-5/a～5.0×10-5/a,對(duì)于新建的大壩建議采用3.0×10-5/a的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于這樣的風(fēng)險(xiǎn),絕大多數(shù)人還是可以接受的。與可容忍風(fēng)險(xiǎn)相比可接受風(fēng)險(xiǎn)可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí),暫取為3.0×10-4/a～5.0×10-4/a。

3.2 社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)為某群體遭受特定事故死亡的人數(shù)及其相應(yīng)頻率的關(guān)系,是指同時(shí)影響許多人的災(zāi)難性事故的風(fēng)險(xiǎn),這類事故對(duì)社會(huì)的影響程度大,易引起社會(huì)的關(guān)注,有公式表示如下:

式中:fN(x)為年死亡人數(shù) N的概率密度函數(shù);FN(x)為年死亡人數(shù)N的概率分布函數(shù),表示死亡人數(shù)小于或等于x的年概率;pf(x)為死亡人數(shù)大于x的年概率。

基于前人的研究及考慮到F-N線非常直觀的優(yōu)點(diǎn),并參考采用了李雷[5]和宋敬[4]給出的建議值。其中李雷考慮到我國大中型水庫的安全狀況與管理水平同小型水庫相比存在很大的差別,且我國目前在役數(shù)量最多的小型水庫除少部分管理維護(hù)及加固費(fèi)用比較有保證之外,大多數(shù)水庫資金來源匱乏。同時(shí)宋敬考慮到依靠財(cái)政撥款的水庫,由于東西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在較大差異,各地在資金匹配總量上差別也很大,但這些水庫一般對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)較大。如果全國制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),無疑將使不少西部地區(qū)的水庫因缺乏資金維護(hù)和加固而停止運(yùn)行或改變運(yùn)行條件,這又將進(jìn)一步惡化當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境。因此可以建議我國社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按大中型水庫大壩和小型水庫大壩分別制定,其中大中型水庫向西方發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)靠攏,小型水庫暫時(shí)考慮適當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上采取西部相對(duì)偏低的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)我國大壩失事資料顯示,1980年后年平均失事率為1.107×10-4,無大型水庫大壩失事,每次生命損失少則幾人,多則幾百人。假定生命損失人數(shù)在10～100人之間,則對(duì)大中型水庫,年失事生命風(fēng)險(xiǎn)為1.11×10-3～1.11×10-2。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),一般不取上限而取下限作為可容忍風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),因此可以取我國大中型水庫大壩的F-N線起點(diǎn)為1.0×10-3。同時(shí),參照ANCOLD的建議,以年失事率的10%作為可容忍風(fēng)險(xiǎn)的水平極值線,以失事率的1%作為可接受風(fēng)險(xiǎn)的水平極值線,因此可以建議我國大中型水庫大壩的可容忍社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)的水平極限值為1.0×10-5,可接受社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)的水平極限值為1.0×10-6,小型水庫大壩的可容忍社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)的水平極值線為3.0×10-5,可接受社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)的水平極值線為3.0×10-6。同時(shí),考慮到在我國西部人口密集程度相對(duì)偏少,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)較低,若采用上述相同標(biāo)準(zhǔn),則顯得相對(duì)較高,不利于這些地方經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,為此可以在上述標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加一倍,這樣就能更好的符合我國現(xiàn)階段的國情。

3.3 經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的定量表示可采用與社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)類似的方法,

式中:D為大壩失事造成的經(jīng)濟(jì)損失;fD(x)是大壩失事所造成的經(jīng)濟(jì)損失D的概率密度函數(shù);FD(x)是經(jīng)濟(jì)損失的概率分布函數(shù);E(D)是經(jīng)濟(jì)損失的期望值。

經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的建立一樣需要考慮社會(huì)價(jià)值觀念。大壩經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)制定一般根據(jù)潰壩造成的經(jīng)濟(jì)損失比例和當(dāng)時(shí)社會(huì)發(fā)展水平確定。在國外一般都是大壩業(yè)主根據(jù)自身承受風(fēng)險(xiǎn)的能力來確定經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)也有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了簡單的探索,但研究的還是比較少,也沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。參照國內(nèi)外的一些學(xué)者[6]的成果,在我國可以認(rèn)為,潰壩經(jīng)濟(jì)損失超過1×108元時(shí),潰壩概率大于1.0×10-4/a是不可容忍的,潰壩概率小于1.0×10-6/a是可接受的。在此范圍之內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)是可容忍還是不可容忍,是可接受還是不可接受,以后可以不斷的進(jìn)行修正。

4 結(jié)論及建議

大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的確定涉及到技術(shù)、社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)以及文化背景等各種因素,是一個(gè)復(fù)雜而困難的課題,需要更深入的研究。關(guān)于生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的研究,我國仍然處于初級(jí)階段,國外雖然取得了很多初步研究成果,但對(duì)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)并未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。我國是一個(gè)人口大國,也是一個(gè)壩工大國,在以人為本的現(xiàn)代社會(huì)中,應(yīng)加強(qiáng)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的研究,同時(shí)要研究和借鑒國外的研究成果,以便完善我國的大壩安全風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn),早日制定出符合我國國情的大壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

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