加拿大使用風(fēng)險信息決策方法確定大壩安全修復(fù)工程的優(yōu)先性

加拿大·Ellis O'Neil,Valerie Latour

（1.Nova Scotia Power Inc.,Halifax,Nova Scotia,Canada；2.Meco,Dartmouth,Nova Scotia,Canada）

加拿大使用風(fēng)險信息決策方法確定大壩安全修復(fù)工程的優(yōu)先性

加拿大·Ellis O'Neil1,Valerie Latour2

（1.Nova Scotia Power Inc.,Halifax,Nova Scotia,Canada；2.Meco,Dartmouth,Nova Scotia,Canada）

擁有多座大壩的大壩業(yè)主經(jīng)常面臨的困難挑戰(zhàn)是需要對不同嚴(yán)重程度的大壩安全缺陷進(jìn)行排序。監(jiān)管者和企業(yè)利益相關(guān)者要求資本性支出均合情合理，所有決策制定都具有透明性。大壩資產(chǎn)管理者必須能總結(jié)和持續(xù)監(jiān)測資產(chǎn)中大壩的健康和風(fēng)險，并將這些信息以一種明確和簡單易懂的方式傳達(dá)給企業(yè)高管、董事會和監(jiān)管者。

風(fēng)險；決策制定；修復(fù)；優(yōu)先性

0 前言

新斯科舍電力公司（Nova Scotia Power Inc.,NS? PI）位于加拿大新斯科舍省，是一個被監(jiān)管的、垂直一體化的電力實業(yè)，是加拿大能源公司Emera公司主要的運營中的附屬子公司，主要從事公開能源交易和服務(wù)。新斯科舍電力公司擁有并運營著155座大壩，這些不同類型的大壩分布在新斯科舍省境內(nèi)的17個河道系統(tǒng)上，主要功能水力發(fā)電。絕大部分大壩的壩齡超過50年，有的甚至已有90年。自1989年起，新斯科舍電力公司就一直在實施一個大壩安全項目，并根據(jù)加拿大大壩協(xié)會的《大壩安全導(dǎo)則》（2007年）的要求來管理這些大壩。正式的大壩安全復(fù)核每7年進(jìn)行一次，經(jīng)過培訓(xùn)的運營人員在每年的春天和秋天對大壩進(jìn)行一次半年檢查，并且在每次非常事件（如洪水、地震或庫水位驟降）后，也需對大壩進(jìn)行檢查。另外，作為其他維護(hù)和運行活動的組成部分，每次運行人員到訪大壩時也需要對大壩進(jìn)行非正式的檢查。

鑒于存在不同程度缺陷的大壩的絕對數(shù)量和壩型以及其潰壩可能引起的不同后果，新斯科舍電力公司要對這些大壩進(jìn)行有效的管理是一個巨大的挑戰(zhàn)。另外，由于新斯科舍電力公司在新斯科舍省是以一個受監(jiān)管的壟斷公司的地位進(jìn)行運營，因此其所有資本性支出（包括那些與大壩更新升級有關(guān)的資本性支出）都必須取得外部監(jiān)管者的同意。在大壩安全項目實施和資本性支出的決策制定過程中，必須具備透明性。2011年，新斯科舍電力公司基于以下主要原因開始在其大壩上運用資產(chǎn)管理理念：

（1）以簡明清晰的方式為大壩資產(chǎn)管理者提供所有大壩健康狀況的總結(jié)（狀態(tài)評估和設(shè)計合理性評估）；

（2）以簡明清晰的方式為大壩資產(chǎn)管理者提供所有大壩風(fēng)險的總結(jié)（潰壩概率和潰壩后果）；

（3）為大壩資產(chǎn)管理者提供一個客觀的、基于風(fēng)險的確定大壩安全修復(fù)工程優(yōu)先順序的方法，以保證將有限的可用資本資源投入來減輕最大的風(fēng)險；

（4）為監(jiān)管者提供決策制定過程中的透明性，以支持為大壩安全相關(guān)工作申請資本性支出；

（5）為進(jìn)行大壩安全相關(guān)工作的長期資本規(guī)劃提供可能性。

基于上述原因，該大壩安全項目在以下范圍內(nèi)制定：

（1）因為資源有限和對長期可持續(xù)性的需求，該項目所要求的信息必須是可獲取的，即已經(jīng)包含在大壩安全復(fù)核中或可輕易獲取；

（2）狀態(tài)評估必須使用行業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的評分方法；

（3）設(shè)計合理性評估必須使用行業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的分析方法來進(jìn)行并與行業(yè)設(shè)計導(dǎo)則和最佳實踐，即加拿大大壩協(xié)會《大壩安全導(dǎo)則》（2007年），進(jìn)行對比；

（4）為保持在監(jiān)管者面前的可信度，風(fēng)險評估項目必須基于已有的行業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的風(fēng)險評估工具和策略；

（5）項目中的信息必須能易于更新，以保持其時效性，即說明已完成的大壩更新改造、最新的大壩安全復(fù)核結(jié)果等。

1 項目理念

總而言之，該項目包含大多數(shù)資產(chǎn)管理項目的四個關(guān)鍵要素：狀態(tài)評估、設(shè)計合理性評估、風(fēng)險評估和優(yōu)先順序。

為簡潔明晰和展示需要，決定采用電子表格的方式來收集、組織和管理這些大批量的信息。這些信息也用于風(fēng)險評估和優(yōu)先排序活動?；贛i?crosoft Excel的強大功能和廣泛使用性，決定選用Microsoft Excel。

如前文所述，該項目的目的不是要形成新的風(fēng)險評估理念或方法，而是要使用已有的業(yè)內(nèi)廣泛接受的風(fēng)險評估策略和工具，在認(rèn)為必要的地方加以調(diào)整，以反映新斯科舍電力公司的實際運營情況。由于不可能預(yù)見到每種情形，該項目僅用于支持決策制定過程，它不是一個單獨的項目，不能離開其他信息單獨使用。項目結(jié)果仍需由熟悉這些大壩組合的、有能力的大壩安全專家進(jìn)行審核。

2 方法

2.1 狀態(tài)評估

為評估狀態(tài)，將每個建筑物都分解成若干組成部分?；诂F(xiàn)場檢查觀察到的物理狀況，對每個建筑物中每個組成部分的完成其設(shè)計功能的能力進(jìn)行評估。沿用另一加拿大重要實業(yè)公司評估其建筑物的方法，每個組件的評估結(jié)果為1～4級的狀態(tài)分級，如表1所示。

狀態(tài)評估中包含的建筑物組成部分有：上游壩坡、壩頂區(qū)域、下游壩坡、儀器儀表、管道、壩肩、護(hù)坦/壩基、泄水通道、閘墩/基臺、閘門/疊梁門。

表1 狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)和分級Table 1 Condition assessment criteria and ratings

2.2 設(shè)計合理性評估

設(shè)計合理性評估中使用的荷載工況與加拿大大壩協(xié)會《大壩安全導(dǎo)則》（2007年）中用來確定大壩等級的荷載工況一樣，即正常工況、極端洪水和極端地震。

2.3 風(fēng)險評估

（1）風(fēng)險值。該風(fēng)險評估項目是基于“風(fēng)險指數(shù)法”的原則，在加拿大大壩協(xié)會2008年年會大壩安全風(fēng)險和不確定性研討會中有所陳述。該方法本質(zhì)上是基于每一種設(shè)計荷載工況（和狀態(tài)評估），為每一座建筑物計算其“風(fēng)險值”，并且基于這些數(shù)值對修復(fù)工程進(jìn)行優(yōu)先排序。實際上，“風(fēng)險值”是反映該建筑物風(fēng)險的指標(biāo)，用下式計算：

風(fēng)險值=易損指數(shù)×由潰壩引起的增量損失（1）

（2）易損指數(shù)。易損指數(shù)的本質(zhì)是一個指標(biāo)，反映建筑物在每種設(shè)計荷載工況下的失事可能性。應(yīng)注意的是，它不能確定出失事的概率，它是通過包含了設(shè)計荷載工況發(fā)生的概率而反映失事可能性的指標(biāo)，通過易損指數(shù)計算中的要素比例因子頻率來反映。易損指數(shù)采用下式計算：

易損指數(shù)=顧慮評級×要素比例因子頻率 （2）

（3）顧慮評級。顧慮評級實質(zhì)上是一個反映各建筑物在每種荷載工況下病險程度的指標(biāo)。根據(jù)加拿大大壩協(xié)會2008年年會大壩安全風(fēng)險和不確定性研討會，以下公式可用于將顧慮度轉(zhuǎn)化為范圍為0～N的顧慮評級：

為進(jìn)行風(fēng)險評估，顧慮評級的范圍為1～5，即N=5。對某些荷載情況和潛在失事模式，有必要將該公式加以調(diào)整，以更好地反映性態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的屬性和運用荷載。這在之后的章節(jié)中進(jìn)行討論。

（4）顧慮度。顧慮度的定義是系統(tǒng)可以應(yīng)對什么與系統(tǒng)應(yīng)該可以應(yīng)對什么之間的差別（或差距），在大壩安全審核中可辨別出來。兩者之間的差別越大，則顧慮越大。根據(jù)設(shè)計荷載工況和與某一設(shè)計荷載工況相關(guān)的已辨識出的潛在潰壩模式，計算顧慮度的公式有所不同。這在之后的章節(jié)中進(jìn)行討論。

（5）要素比例因子頻率。用于計算易損指數(shù)的要素比例因子頻率用下式計算：

要素比例因子頻率=[1-0.1×log(1/AEF)] （4）

要素比例因子頻率實質(zhì)上是反映設(shè)計荷載工況發(fā)生可能性的指標(biāo)，并且是基于荷載的年超越頻率（Annual Exceedance Frequency,AEF）。比如，對狀態(tài)評估中的荷載工況，對所有潛在潰壩模式，年超越頻率都假定為1.0。對常規(guī)荷載工況，對除了壩頂漫壩以外的所有潛在潰壩模式，年超越頻率也都假定為1.0。該荷載工況是基于正常安全超高的要求，根據(jù)加拿大大壩協(xié)會的《大壩安全導(dǎo)則》（2007年），正常安全超高的要求是基于重現(xiàn)期1 000年的最大風(fēng)速。因此，對該荷載工況下的潛在潰壩模式，年超越頻率為0.001。對極端地震荷載工況，所有潛在潰壩模式的年超越頻率都與加拿大大壩協(xié)會的《大壩安全導(dǎo)則》（2007年）中規(guī)定的地震設(shè)計 地 震 動（Earthquake Design Ground Motion, EDGM）年超越概率一樣。類似地，對極端洪水荷載工況，所有潛在潰壩模式的年超越頻率都假定為與入庫設(shè)計洪水（Inflow Design Flood,IDF）相關(guān)的年超越概率。根據(jù)加拿大大壩協(xié)會2008年年會大壩安全風(fēng)險和不確定性研討會，公式中使用自然對數(shù)（ln）來計算要素比例因子頻率，但是，若使用了自然對數(shù)，對重現(xiàn)期較長的事件（如可能最大洪水），該公式會得出負(fù)值。為了去除這誤導(dǎo)性的負(fù)值，用常用對數(shù)（以10為底的對數(shù)）取代自然對數(shù)（以e為底的對數(shù)）。對各種設(shè)計荷載工況和潛在潰壩模式，對其顧慮評級和要素比例因子頻率的總結(jié)見表2。

（6）潰壩引起的增量損失。

對于潰壩引起的增量損失，根據(jù)加拿大大壩協(xié)會《大壩安全導(dǎo)則》（2007年）中用于大壩分類的方法，分三類來進(jìn)行評估，即：生命損失、環(huán)境和文化價值、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)。

為與加拿大大壩協(xié)會《大壩安全導(dǎo)則》（2007年）的理念保持一致，為進(jìn)行風(fēng)險評估，對每座大壩都分配了一個增量損失分?jǐn)?shù)，其反映了該大壩失事后的增量損失大小。表3為增量損失分?jǐn)?shù)表，這些數(shù)字用于公式（1）中可以確定出每個建筑物在每種設(shè)計荷載工況下的風(fēng)險值。

（7）生命損失。大壩安全復(fù)核中的洪水淹沒圖被用于確定與潰壩相關(guān)的洪水淹沒范圍、深度、速度和預(yù)警時間。為了進(jìn)行風(fēng)險評估，風(fēng)險人數(shù)（Population at Risk,PAR）的預(yù)算基礎(chǔ)是設(shè)定洪水淹沒區(qū)域內(nèi)的每幢建筑物中有3個人，每座橋梁上有2人，這是美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署2008年《大壩風(fēng)險排序工具》中設(shè)定的。生命損失的估算采用Gra?ham1999年《潰壩導(dǎo)致的生命損失的估算程序》中給出的方法進(jìn)行。

若洪水峰值深度小于10 ft（3.048 m），則認(rèn)為洪水嚴(yán)重性為低；若洪水峰值深度大于10 ft（3.048 m），則認(rèn)為洪水嚴(yán)重性為中等。預(yù)警時間是基于到達(dá)峰值洪水的時間，在大壩安全復(fù)核中有給出。除發(fā)電廠房以外，對其他所有建筑物來說，對洪水嚴(yán)重程度的理解是含糊的。使用這些標(biāo)準(zhǔn)，用建議的死亡率通過以下公式來預(yù)算生命損失：

生命損失=風(fēng)險人口×死亡率 （5）

生命損失的預(yù)算或直接來源于大壩安全復(fù)核，或根據(jù)上述方法來計算。

（8）環(huán)境和文化價值的損失。對環(huán)境和文化價值損失的估算直接從大壩安全復(fù)核中獲取。

（9）基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)的損失。對基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)損失的估算直接從大壩安全復(fù)核中獲取。

2.4 風(fēng)險評估和優(yōu)先排序

表2 顧慮評級和要素比例因子頻率Table 2 Concern ratings and frequency of demand scaling factors

基于表3中給出的由潰壩引起的增量損失的3種分類，風(fēng)險評估必須包括確定每個建筑物的風(fēng)險值，然后選出這3個風(fēng)險值的最大值。依據(jù)風(fēng)險值對這些建筑物的修復(fù)工作進(jìn)行優(yōu)先排序。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和展示，電子表格包含10項分類，如表4所示。

表3 增量損失分?jǐn)?shù)Table 3 Incremental loss scores

表4 電子表格格式Table 4 Spreadsheet Format

優(yōu)先排序過程所得的結(jié)果仍需由熟悉這些大壩資產(chǎn)組合的大壩安全資深專家對其合理性進(jìn)行復(fù)核。

3 結(jié)語

本文所述的是一種簡單的方法，用于有效管理龐大的大壩資產(chǎn)組合，使用行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的、已經(jīng)得到大家廣泛認(rèn)可的風(fēng)險評估工具和策略，并以一種客觀、透明的方式，將修復(fù)工作基于風(fēng)險來進(jìn)行優(yōu)先排序。風(fēng)險評估所需的信息都已經(jīng)包含在大壩安全復(fù)核中。文中所述的電子表格方法，可易于對其進(jìn)行調(diào)整，以反映不同的風(fēng)險分析方法或用戶的風(fēng)險可容忍度。 ■

文獻(xiàn)來源：International Commission on Large Dams.Proceed?ings of 81st Annual Meeting Symposium,2013.

翻譯：崔弘毅

校核：許傳桂

Prioritization of dam safety remedial works using risk Informed decision making

Ellis O'Neil

and Valerie Latour

Nova Scotia Power Inc.

Owners of a portfolio of dams face the difficult challenge of prioritizing a number of dam safe?ty deficiencies of varying degrees of seriousness.Regulators and company shareholders demand justifica?tion for capital expenditures and transparency in all decision-making.The dam asset manager must be able to summarize and continuously monitor the health and risk of the dams in the portfolio,and be able to convey this information to senior company managers,Board of Directors,and regulators in a manner that is concise and easily understood.

risk;decision making;remedial works;prioritization

TV698.2

A

1671-1092（2015）04-0079-06

2015-03-03

筆者介紹了一種確定大壩安全修復(fù)工程優(yōu)先性的方法，它基于大壩的物理狀態(tài)、大壩在各潛在潰壩模式下的各設(shè)計荷載工況中的病險程度、出現(xiàn)設(shè)計荷載工況的概率和大壩潰決的后果。它使用大壩安全復(fù)核中已有的信息，不需要再做額外的工程研究。文中還給出了一個標(biāo)準(zhǔn)的電子表格格式，用于存儲大壩安全信息并著手風(fēng)險評估和大壩安全修復(fù)工程的優(yōu)先排序。該電子表格還用于提供優(yōu)先排序過程中的透明性和總結(jié)關(guān)于大壩健康的關(guān)鍵信息。大壩資產(chǎn)管理者可使用這些關(guān)鍵信息以一種系統(tǒng)的、透明的方式管理大壩，該方法易于被公司高管、董事會和監(jiān)管者理解和接受。

This paper presents a methodology for prioritizing dam safety remedial works based on the physical condition of the dam,the degree of deficiency of the dam under design loading conditions for various po?tential failure modes,the probability of occurrence of the design loading condition,and the consequenc?es of failure of the dam.It uses information that is already available in the Dam Safety Reviews,so no ad?ditional engineering studies are required.A standardized spreadsheet format is presented which is used to store the dam safety information and undertake the risk assessment and prioritization of dam safety re?medial works.The spreadsheet also serves to provide transparency in the prioritization process,and sum?marizes key information about the health of the dams that the dam asset manager can use to manage the portfolio in a structured and transparent manner and is also easily understood by senior company manag?ers,Board of Directors and regulators.