小型水庫安全運行風(fēng)險的不確定性分析

喻蔚然

摘要：我國小型水庫數(shù)量眾多，但安全狀況差，且缺少有效的安全監(jiān)測，管理水平落后，運行風(fēng)險大。多年來水庫安全鑒定主要以定性評價為主，對病險水庫運行風(fēng)險及其對下游的危害程度缺乏定量的判斷。小型水庫的運行風(fēng)險多樣，且不確定，不同風(fēng)險之間往往相互影響、相互依存。以風(fēng)險的不確定性作為灰色系統(tǒng)，將灰色理論和隨機(jī)概率分析方法結(jié)合，建立功能函數(shù)，應(yīng)用改進(jìn)的一次二階矩法把灰色-隨機(jī)風(fēng)險概率的計算轉(zhuǎn)化為一般隨機(jī)風(fēng)險概率的計算，較好地量化了水庫運行風(fēng)險的不確定性。工程實例表明，計算結(jié)果對小型水庫除險加固和安全運行具有良好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：水庫運行風(fēng)險；不確定性；灰色理論；改進(jìn)的一次二階矩法

中圖分類號：TV697 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2014）01-0131-04

小型水庫在水利工程中占有重要的地位，在防洪、灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等方面發(fā)揮了巨大的效益。據(jù)統(tǒng)計，我國98 002座水庫中，小型水庫為93 308座，占水庫總數(shù)的952%^[1]。而江西省10 819座水庫中，小型水庫為10 526座，比例更高達(dá)973%^[2]。但與此不相匹配的是，絕大多數(shù)小型水庫無專管機(jī)構(gòu)，無專管人員，無維養(yǎng)經(jīng)費，工程老化，普遍存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、工程質(zhì)量差等安全隱患。雖然近些年國家開展了小型水庫的除險加固，部分水庫硬件設(shè)施得以改善，安全狀況轉(zhuǎn)好，但仍有大量水庫因配套資金不足，無法保質(zhì)保量完成加固措施，尤其在水庫管理水平、管理人員素質(zhì)方面并沒有提高。小型水庫的運行風(fēng)險具有多樣性、隨機(jī)性、不確定性，因此迫切需要通過風(fēng)險分析，將其不確定性進(jìn)行量化^[3]，為管理者提供決策依據(jù)。

1 風(fēng)險分析

水庫風(fēng)險分析就是指運行管理人員對可能導(dǎo)致?lián)p失的風(fēng)險因素進(jìn)行系統(tǒng)分析和權(quán)衡，評估其風(fēng)險水平和風(fēng)險狀況，主要工作內(nèi)容包括風(fēng)險識別、風(fēng)險估計和風(fēng)險評價三部分。

1.1 風(fēng)險識別

風(fēng)險識別是指在風(fēng)險事故發(fā)生之前，人們運用各種方法系統(tǒng)的、連續(xù)的認(rèn)識所面臨的各種風(fēng)險以及分析風(fēng)險事故發(fā)生的潛在原因。風(fēng)險識別是風(fēng)險分析的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其具體步驟見圖1^[4]。

對于小型水庫，其安全運行的風(fēng)險因素很多，大致有以下幾類。

（1）防洪標(biāo)準(zhǔn)不足。其產(chǎn)生的原因主要是：當(dāng)初興建大壩時設(shè)計的防洪標(biāo)準(zhǔn)相比現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)偏低；小型水庫溢洪道大多不規(guī)整，溢流寬度窄，泄流能力不足，以至于在遭遇較大的暴雨洪水時水位超過標(biāo)準(zhǔn)，甚至壩頂。這種風(fēng)險很容易導(dǎo)致潰壩。

（2）大壩質(zhì)量差。大多數(shù)小型水庫興建于20世紀(jì)50-70年代，主要特點是技術(shù)人員少、施工隊伍參差不齊、施工設(shè)備落后、質(zhì)量控制不嚴(yán)，造成大壩的整體質(zhì)量差。甚至很多水庫剛剛完工，就顯現(xiàn)出一些病險隱患。

（3）滲漏。大壩滲漏是常見的安全隱患，包括三個方面：壩體滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏，以及大壩與壩下涵洞之間發(fā)生的接觸滲漏。滲漏抬高了壩體浸潤線，降低了壩體填筑材料的物理力學(xué)性能，有可能引起壩體和壩基的滑動，嚴(yán)重時可造成大壩垮塌。

（4）滑坡。一方面滑坡削弱了大壩結(jié)構(gòu)，直接威脅大壩安全，另一方面，滑坡可能堵塞溢洪道或者激起巨大涌浪，對大壩形成沖擊。

（5）運行管理差。小型水庫缺乏規(guī)范有效的管理，已經(jīng)是一個不爭的事實，由此帶來的嚴(yán)重后果也多次印證了完善的管理的重要性，一個差的運行管理導(dǎo)致的風(fēng)險往往是致命的。

（6）地震等不可抗力的自然因素。雖然這是小概率事件，但一旦發(fā)生，將對建筑物整體結(jié)構(gòu)造成破壞，對大壩的安全威脅很大。比如汶川地震時，幾千座水庫受到不同程度的破壞。

1.2 風(fēng)險估計

風(fēng)險可定義為不希望事件的發(fā)生概率以及發(fā)生后果的嚴(yán)重性，因而風(fēng)險估計主要內(nèi)容是根據(jù)事件存在的風(fēng)險因素估算出事件可能發(fā)生的概率和事件發(fā)生后的損失程度。具體地說，對水庫而言，最大的事件就是潰壩，潰壩的風(fēng)險因素有若干個，風(fēng)險估計就是估算每一種風(fēng)險因素造成潰壩的概率和潰壩后的各項損失。

根據(jù)掌握信息資料的不同，風(fēng)險主要有確定型、隨機(jī)型和不確定型三種^[5]。其中確定型風(fēng)險是指出現(xiàn)的概率為1，后果完全可以由精確的可靠的信息資料進(jìn)行計算的風(fēng)險；隨機(jī)型風(fēng)險是指隨機(jī)出現(xiàn)但出現(xiàn)的狀態(tài)和發(fā)生的概率均已知的風(fēng)險；不確定型風(fēng)險是指出現(xiàn)的各種狀態(tài)及其概率均是未知的風(fēng)險^[6]。顯然，水庫運行管理風(fēng)險（或者說水庫潰壩風(fēng)險）應(yīng)屬此種類型。不確定型風(fēng)險的定量估算通常是計算風(fēng)險變量的概率，主要有區(qū)間法、三角分布法、極大熵確定先驗分布法、重現(xiàn)期法、蒙特卡羅模擬法、一次二階矩法等^[5-8]。相比較而言，一次二階矩法具有概率分布要求不高、應(yīng)用不復(fù)雜、計算工作量不大等優(yōu)點，特別適合小型水庫的特點。

一次二階矩法是一種近似分析法，R.Rackwitz等提出了改進(jìn)的一次二階矩法。該法根據(jù)風(fēng)險識別的因素的一、二階矩推求功能函數(shù)的一、二階矩，間接估算出風(fēng)險事件的概率。具體計算方法不再贅述。運用該法計算出的概率，在風(fēng)險變量呈正態(tài)分布的情況下，風(fēng)險值才是精確的，但是水庫運行狀況受各種內(nèi)因、外因影響較大，并非所有的風(fēng)險變量均服從正態(tài)分布。

4 結(jié)語

多年以來，小型水庫為經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，但隨著時間的推移，水庫的安全狀況也不斷下降。雖然投入了大量的加固資金用以除險，但是小型水庫數(shù)量眾多，分布廣、散，加固資金有限，尤其是缺乏有效的管理，因此小型水庫仍然存在較大風(fēng)險。水庫運行的風(fēng)險具有隨機(jī)不確定性，表現(xiàn)形式多樣。小型水庫無技術(shù)人員，大多無安全監(jiān)測設(shè)施，無法定期進(jìn)行安全監(jiān)測和評價，而且由于信息缺乏，難以用一般的方法進(jìn)行安全風(fēng)險的定量評價。本文的研究結(jié)果表明，針對這種不確定性和灰色性，采用灰色-隨機(jī)風(fēng)險概率的概念，建立功能函數(shù)，將灰色-隨機(jī)風(fēng)險概率的計算轉(zhuǎn)化為一般隨機(jī)風(fēng)險概率的計算，應(yīng)用改進(jìn)的一次二階矩法進(jìn)行分析計算，能夠較好地量化水庫運行風(fēng)險的不確定性。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 中華人民共和國水利部，中華人民共和國國家統(tǒng)計局.第一次全國水利普查公報[Z].2013.（Ministry of Water Resource of P.R.China，National Bureau of Statistics of P.R.China.Bulletin of First National Census for Water[Z].2013.（in Chinese））

[2] 江西省水利廳，江西省統(tǒng)計局.江西省第一次水利普查公報[Z].2013.（Department of Water Resource of Jiangxi Province，Bureau of Statistics of Jiangxi Province.Bulletin of First Census for Water of Jiangxi Province[Z].2013.（in Chinese））

[3] 張乾飛，王錦國，李雪紅.大壩安全監(jiān)控中的不確定性信息初探[J].河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，30（5）：113-117.（ZHANG Qian-fei，WANG Jin-guo，LI Xue-hong.Preliminary Probe of the Dam Safety Monitoring Uncertainty Information[J].Journal of Hehai University （Natural Sciences ），2002，30（5）：113-117.（in Chinese））

[4] 余建星.工程風(fēng)險評估與控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.（YU Jian-xing.Risk Assessment and Control Engineering[M].Beijing：China Architecture and Building Press，2009.（in Chinese））

[5] 吳中如，沈長松，阮煥祥.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].南京：河海大學(xué)出版社，1990.（WU Zhong-ru，SHEN Chang-song，RUAN Huan-xiang.Hydraulic Structures Safety Monitoring Theory and Applications[M].Nanjing：Hohai University，1990.（in Chinese））

[6] 范道津，陳偉珂.風(fēng)險管理理論與工具[M].天津：天津大學(xué)出版社，2010.（FAN Dao-jin，CHEN Wei-ke.Risk Management Theory and Tools[M].Tianjin：Tianjin University Press，2010.（in Chinese））

[7] 王惠文.偏最小二乘回歸方法及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.（WANG Hui-wen，Partial Least Squares Regression and Application[M].Beijing：National Defence Industry Press，1999.（in Chinese））

[8] 周建方，張迅煒，唐椿炎.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的沙河集水庫大壩風(fēng)險分析[J].河海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，40（3）：287-292.（ZHOU Jian-fang，ZHANG Xun-wei，TANG Chun-yan.Dam Risk Analysis of Shaheji Reservoir Based on Bayesian Nnetwork[J].Journal of Hehai University （Natural Sciences），2012，40（3）：287-292.（in Chinese））

[9] 王仁鐘，李雷，盛金保.病險水庫風(fēng)險判別標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].水利水電科技進(jìn)展，2005（10）：5-8.（WANG Ren- zhong，LI Lei，SHENG Jin- bao.Study on Risk Judgment Standard System for Dangerous Reservoirs[J].Advances in Science and Technology of Water Resour ces，2005（10）：5-8.（in Chinese））

[10] 盛金保，馮靖宇，彭雪輝.小型水庫風(fēng)險分析方法研究[J].水利水運工程學(xué)報，2008（01）：28-35.（SHENG Jin-bao，F(xiàn)ENG Jing-yu，PENG Xue-hui.Research on Risk Analysis of Small Reservoir Dams[J].Hydro-Science and Engineering，2008（01）：28-35.（in Chinese））

[11] 楊杰.大壩安全監(jiān)控中若干不確定性問題的分析方法與應(yīng)用研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.（YANG Jie.Analysis Method and Applications Research on Umpty Uncertainty Problems in Large Dam Monitoring and Control[D].Nanjing：HoHai University，2006.（in Chinese））

[12] L Duckstein（USA），E J Plate（GRE）.Engineering Reliability and Risk in Water Resource[M].Martinus Nijhoff Publishers，1987.