小型水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的不確定性研究

陳安玲

(新疆兵團(tuán)第四師霍爾果斯河流域灌溉管理處，新疆 伊犁 835223)

小型水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的不確定性研究

陳安玲

(新疆兵團(tuán)第四師霍爾果斯河流域灌溉管理處，新疆 伊犁 835223)

我國(guó)目前的小型水庫(kù)數(shù)量非常多,但運(yùn)行狀況堪憂,沒有合理有效的安全監(jiān)測(cè)體制,安全管理能力不足,水庫(kù)運(yùn)行存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)時(shí)間以來,對(duì)水庫(kù)安全主要是以定性評(píng)價(jià)為主,沒有定量的評(píng)價(jià)體系,不能對(duì)下游小型水庫(kù)的危害狀況和病險(xiǎn)水庫(kù)做出準(zhǔn)確判定。本文將以水庫(kù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的不確定性為灰色系統(tǒng),建立功能函數(shù),對(duì)小型水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性進(jìn)行分析研究。

小型水庫(kù);正常運(yùn)行;風(fēng)險(xiǎn);不確定性

小型水庫(kù)在供水、灌溉、發(fā)電、防治洪澇災(zāi)害等多方面都有非常重要的作用，是我國(guó)水利工程不可缺少的一個(gè)組成部分。我國(guó)的小型水庫(kù)數(shù)量非常多，但是大部分小型水庫(kù)存在很嚴(yán)重的管理問題，比如:沒有專門的管理機(jī)構(gòu)，沒有專業(yè)的管理人員，沒有專業(yè)的維修保養(yǎng)費(fèi)用，水庫(kù)工程老化程度嚴(yán)重等。其中一些小型水庫(kù)因?yàn)槿鄙僮銐虻呐涮踪Y金，不能做好水庫(kù)加固工作，使得其安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)存在多樣性、隨機(jī)性、不確定性等特征。因此，就必須通過運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，量化水庫(kù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的不確定性，以便為管理工作者提供有力的決策依據(jù)。

1 小型水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析

小型水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，就是指水庫(kù)運(yùn)行管理工作者對(duì)有可能造成大量損失的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素在整體上做出分析和權(quán)衡，進(jìn)而評(píng)價(jià)估算出其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的程度，水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)分析主要有風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)3方面的內(nèi)容。

(1)識(shí)別小型水庫(kù)存在的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)小型水庫(kù)做出風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別就是要在相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)狀況發(fā)生之前，水庫(kù)安全操作人員就要運(yùn)用各種方法，認(rèn)真分析可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)并做出正確的判斷，指出風(fēng)險(xiǎn)存在的根本原因，它是整個(gè)水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的最基礎(chǔ)過程，具體過程如圖1所示。

圖1 水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別步驟

小型水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別有以下幾種:①水庫(kù)的防洪標(biāo)準(zhǔn)不足。小型水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)不足的原因有:沒有規(guī)整的水庫(kù)溢洪道，有些溢流道很狹窄，無法充分地泄流，當(dāng)有大洪水時(shí)，水位就會(huì)超過防洪標(biāo)準(zhǔn)，更甚地還會(huì)達(dá)到壩頂。剛開始修建水庫(kù)時(shí)，設(shè)計(jì)的防洪標(biāo)準(zhǔn)低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。水庫(kù)的這種風(fēng)險(xiǎn)很可能造成潰壩。②水庫(kù)大壩質(zhì)量不合格。小型水庫(kù)施工人員技術(shù)水平不高，設(shè)備不先進(jìn)，質(zhì)量控制不科學(xué)，導(dǎo)致水庫(kù)大壩質(zhì)量不合格。③水庫(kù)出現(xiàn)滲漏。水庫(kù)大壩滲漏主要有:壩體滲漏、圍繞大壩滲漏、壩基滲漏。它是最常出現(xiàn)的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。大壩發(fā)生滲漏時(shí)，就會(huì)把壩體的浸潤(rùn)線抬高，使壩體原材料的性能極大地下降，甚至?xí)?dǎo)致水庫(kù)大壩塌垮［1］。④水庫(kù)出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象?；虏粌H破壞了大壩結(jié)構(gòu)，對(duì)大壩安全造成直接的影響，而且還有可能把水庫(kù)溢洪道堵塞，或者是形成很大的浪潮，對(duì)大壩造成嚴(yán)重沖擊。⑤水庫(kù)運(yùn)行管理不足。目前，小型水庫(kù)在運(yùn)行管理上存在很大的漏洞和缺陷，會(huì)帶來嚴(yán)重的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。⑥多種自然因素。自然災(zāi)害對(duì)水庫(kù)整體結(jié)構(gòu)的破壞也不能忽視，會(huì)對(duì)水庫(kù)大壩的安全造成威脅。

(2)小型水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估。對(duì)于小型水庫(kù)來說，非常大的風(fēng)險(xiǎn)是潰壩。水庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)屬于不確定性風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其進(jìn)行預(yù)估時(shí)，一般采用計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)變量概率的方法，下面主要以一次二階矩陣法對(duì)小型水庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估。

在風(fēng)險(xiǎn)變量是正態(tài)分布的前提下，運(yùn)用一次二階矩陣法算出的概率風(fēng)險(xiǎn)值是最準(zhǔn)確的?？墒撬畮?kù)的安全運(yùn)行受多種內(nèi)外因素的影響很大，并不是所有的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)變量都符合正態(tài)分布［2］。因此，這里把非正態(tài)分布的風(fēng)險(xiǎn)變量轉(zhuǎn)變成等價(jià)正態(tài)分布，轉(zhuǎn)變以后，得出的分布函數(shù)C D F的值、概率密度函數(shù)P D F的值和以往不是正態(tài)分布的數(shù)值相同，計(jì)算公式如下:

(3)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。水庫(kù)大壩的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)除了水庫(kù)自身的風(fēng)險(xiǎn)因素外，還有經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)因素、社會(huì)環(huán)境與生命風(fēng)險(xiǎn)因素等。下面介紹我國(guó)小型水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 小型水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的定性描述和概率

2 灰色-隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

(1)灰色-隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)分析。如果把整個(gè)小型水庫(kù)看成一個(gè)灰色系統(tǒng)，其中變量是每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，可以用向量 X g=(X g1，X g2，…，X g6)來表示，這幾個(gè)變量都可以用函數(shù)和密度函數(shù)表示的灰色概率分布表示，小型水庫(kù)發(fā)生事故的臨界狀態(tài)表示為g(X g)=0［3］。所以，小型水庫(kù)發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)概率就是g(X g)＜0。

g(X g)=0表示的是一個(gè)臨界面，臨界面到原點(diǎn)的最短距離可以用向量d=(d1，d2，…，d2n)來表示，整個(gè)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)值的大小主要用距離的遠(yuǎn)近來反映，距離越近，值也就越大;相反，距離越遠(yuǎn)，值就越小［4］。所以，就可以用全部最短距離的最小值和最大值來表示小型水庫(kù)安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)性，也就是［m i n(d)，m a x(d)］。小型水庫(kù)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率就可以表示為:

(2)灰色-隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)概率的計(jì)算。因?yàn)樾⌒退畮?kù)的影響因素很多，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且資料經(jīng)常不全，運(yùn)用式(3)計(jì)算時(shí)，就會(huì)影響其準(zhǔn)確性。因此，可以換成一次二階矩法來計(jì)算，把上式中的灰色-隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)概率改為正常的隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)概率，再根據(jù)一次二階矩法把不同風(fēng)險(xiǎn)因素導(dǎo)致的小型水庫(kù)潰壩的概率計(jì)算出來［5］。根據(jù)變量 X g的變化對(duì) R g大小造成的影響，設(shè)定不同因素的一、二階矩?cái)?shù)值的兩個(gè)組合，就可以在其中一個(gè)組合里把水庫(kù)的最小風(fēng)險(xiǎn)概率值R g計(jì)算出來，在另一個(gè)組合中計(jì)算出水庫(kù)最大風(fēng)險(xiǎn)概率值R*，那么小型水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)概率可以表示為:

3 實(shí)例分析

(1)某小型水庫(kù)概述。某小型水庫(kù)在河流的中段位置，總?cè)輲?kù)是645萬 m3，大壩是均質(zhì)土壩，壩頂長(zhǎng)155m，寬6m，壩頂高程是78m，水庫(kù)下游有大量的村鎮(zhèn)分布和農(nóng)田。如果水庫(kù)發(fā)生安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，將會(huì)帶來非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［6］。

(2)該水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。依據(jù)水庫(kù)安全運(yùn)行鑒定結(jié)果，該小型水庫(kù)主要有下面幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素:防洪標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)、水庫(kù)滲漏風(fēng)險(xiǎn)、水庫(kù)工程質(zhì)量不合格風(fēng)險(xiǎn)、安全運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)［7］。

(3)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)分析。用 X 1，X 2，X 3，X 4表示上面4類風(fēng)險(xiǎn)因素，將該水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)因素看成是一般正常發(fā)生的事件，其概率的計(jì)算公式［8］是:

接著對(duì)小型水庫(kù)的概率風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算，先將非正態(tài)分布的變量轉(zhuǎn)變成等價(jià)正態(tài)分布，計(jì)算的結(jié)果見表2。

表2 該小型水庫(kù)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素參數(shù)值

(4)該水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。把上述風(fēng)險(xiǎn)因素與表1進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，該水庫(kù)出現(xiàn)潰壩問題的風(fēng)險(xiǎn)概率為可能發(fā)生事件。其風(fēng)險(xiǎn)因素從小到大分別為安全運(yùn)行管理、防洪標(biāo)準(zhǔn)、水庫(kù)工程質(zhì)量、水庫(kù)滲漏，最大的風(fēng)險(xiǎn)是水庫(kù)滲漏，最小的風(fēng)險(xiǎn)是運(yùn)行管理［9］。風(fēng)險(xiǎn)程度相對(duì)而言還是很高的，應(yīng)該及時(shí)采取措施進(jìn)行加固。

4 結(jié)語

綜上所述，小型水庫(kù)安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)種類繁多，而且難以確定，不同的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)互相依賴和影響。由于小型水庫(kù)安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性，因此，對(duì)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)分析主要從風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)3方面進(jìn)行，再根據(jù)具體的風(fēng)險(xiǎn)因素，運(yùn)用灰色-隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)概率的計(jì)算方法，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素概率函數(shù)，計(jì)算出水庫(kù)安全運(yùn)行的隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)概率。

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1008-1305(2016)05-0007-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.004

2015-08-08

陳安玲(1978年—)，女，工程師。