水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法研究及應(yīng)用

徐 耀 ，常凊睿 ，于凌云

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，100038，北京；3.中國水利水電第十二工程局有限公司，310003，杭州)

水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法研究及應(yīng)用

徐 耀1，2，常凊睿1，于凌云3

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，100038，北京；3.中國水利水電第十二工程局有限公司，310003，杭州)

結(jié)合我國實(shí)際，綜合考慮水庫大壩自身安全以及潛在的潰壩后果，研究提出了一套相對(duì)簡(jiǎn)單和快速的水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法，包括風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)快速評(píng)估方法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。介紹了該套方法的分析思路與具體內(nèi)容，詳細(xì)闡述了對(duì)各類評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行賦值的依據(jù)或計(jì)算方法，并結(jié)合某省13座病險(xiǎn)水庫工程進(jìn)行了示范性應(yīng)用。

水庫大壩；潰壩；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；除險(xiǎn)加固

一、水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法的提出

我國現(xiàn)有水庫9.8萬余座，是全世界擁有水庫數(shù)量最多的國家。傳統(tǒng)的水庫大壩安全管理是以工程安全為目標(biāo)，但隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水庫大壩安全不僅包括工程安全問題，而且已經(jīng)成為社會(huì)公共安全的重要組成部分。在保障工程安全的基礎(chǔ)上，需要更多地關(guān)注下游生命、財(cái)產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境安全，將工程安全和下游公共安全作為一個(gè)有機(jī)整體考慮，形成系統(tǒng)安全的概念。

大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理正是在這樣的背景下提出的。根據(jù)國際大壩委員會(huì)（ICOLD）以及澳大利亞大壩委員會(huì)（ANCOLD）的定義，大壩風(fēng)險(xiǎn)是指對(duì)生命、健康、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境負(fù)面影響的可能性和嚴(yán)重性的度量，是不利事件可能性和危害后果的乘積。自20世紀(jì)80年代以來，美國、加拿大、澳大利亞、西歐等國家和地區(qū)已運(yùn)用大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理，代表性單位包括美國陸軍工程師兵團(tuán)（USACE）、美國墾務(wù)局（USBR）、加拿大不列顛哥倫比亞水電公司（BC Hydro）等。近年，我國學(xué)者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析方法、潰壩損失評(píng)價(jià)、大壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固排序等開展了一系列研究，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。其中水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估與排序是大壩風(fēng)險(xiǎn)管理的重要方面，既是合理安排加固經(jīng)費(fèi)的需要，也是加強(qiáng)安全管理、實(shí)現(xiàn)水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分、合理制定應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)。

本文考慮到我國病險(xiǎn)水庫技術(shù)資料和管理現(xiàn)狀，充分利用安全鑒定的技術(shù)資料，提出了一套相對(duì)簡(jiǎn)單和快速的半定量/定量評(píng)估方法，且選擇具有潛在最高風(fēng)險(xiǎn)的水庫大壩進(jìn)一步做詳細(xì)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并結(jié)合某省13座水庫進(jìn)行示范性應(yīng)用說明。本文提出的水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法具體包括：

①風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)快速評(píng)估方法。風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)取決于水庫等級(jí)、水庫下游人口規(guī)模、水庫庫容和大壩高度?；谶@些工程基本信息，該半定量的方法可以快速評(píng)估各個(gè)水庫的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)以及識(shí)別出具有高風(fēng)險(xiǎn)的水庫，以便做進(jìn)一步研究。

②風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法。大中型水庫由于其相對(duì)較大的庫容和下游人口規(guī)模，常常被評(píng)估為具有高風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。水庫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分不僅與水庫潰壩概率有關(guān)，而且與潰壩后果有關(guān)，從而可以對(duì)具有高風(fēng)險(xiǎn)的水庫進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)排序。

③定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。潰壩概率計(jì)算類似于上述的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法，改進(jìn)之處在于通過使用潰壩模型和洪水淹沒圖來更準(zhǔn)確地評(píng)估潰壩后果。

二、水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法

1.風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)快速評(píng)估方法

根據(jù) 《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 258—2017），大壩安全評(píng)價(jià)結(jié)果分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，可以反映潰壩的相對(duì)可能性。由潰壩引起的洪水危險(xiǎn)性通過水庫庫容和大壩高度來反映，潰壩實(shí)際損失取決于大壩下游的人口、財(cái)產(chǎn)等。大壩的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI定義如下：

式中，I1反映大壩潰壩可能性的指數(shù)，I2反映大壩下游處在風(fēng)險(xiǎn)中的人口規(guī)模的指數(shù)，I3反映潛在潰壩洪水的危害指數(shù)。指數(shù)I1取決于大壩安全等級(jí)（見表1）；指數(shù)I2和I3由以下公式分別估算：

式中，P代表大壩下游人口數(shù)量，DP與H分別代表水庫庫容和大壩高度。

運(yùn)用上述風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)快速評(píng)估方法對(duì)某省7個(gè)大中型水庫以及6個(gè)小型水庫進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果見表2。風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)排名前三的水庫包括RH水庫、QK水庫和MY水庫。具有最高風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的RH水庫是一個(gè)下游有100萬人口規(guī)模的中型水庫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他大中型水庫的下游人口規(guī)模。除RH水庫之外，其他水庫的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)主要受到由庫容和壩高決定的潰壩洪水影響。因此，使用風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)快速評(píng)估方法時(shí)，大中型水庫常常得到高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)，不論這些大中型水庫是否被評(píng)定為安全或不安全。由于潰壩可能帶來的嚴(yán)重后果，這些大中型水庫通常得到優(yōu)先關(guān)注及采取措施，直到定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表明其風(fēng)險(xiǎn)是在允許范圍之內(nèi)。此外，需要指出的是，理論上I1值對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)同樣有顯著影響，但是本文中13個(gè)水庫大壩等級(jí)都屬于C類，因此反映這13個(gè)水庫潰壩可能性的指數(shù)I3值差異較小，導(dǎo)致對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)影響不明顯。

2.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法

進(jìn)一步使用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法對(duì)上述識(shí)別出來具有高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的7個(gè)大中型水庫進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)排序。水庫大壩的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分Sr定義如下：

式中，Sp代表潰壩概率，Sc代表潰壩后果。Sp和Sc乘積再乘以10 000，以避免非常小的數(shù)字給計(jì)算帶來不便。

本文利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算潰壩概率Sp。潰壩后果Sc為三大主要類型損失的近似線性組合，即生命損失、經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)環(huán)境損失，定義如下：

式中，F(xiàn)1代表生命損失，F(xiàn)2代表經(jīng)濟(jì)損失，F(xiàn)3代表社會(huì)環(huán)境損失；w1、w2和w3代表加權(quán)因子，且三者之和等于1。若沒有足夠的數(shù)據(jù)用于評(píng)估社會(huì)環(huán)境損失，上述公式可以簡(jiǎn)化為：

式中，w1′和 w2′是修正后的加權(quán)因子，且兩者之和等于1。

本文中，對(duì)于大型和中型水庫，因潰壩洪水造成的生命損失率分別被假定為0.01和0.001；對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失率分別被假定為0.1和0.01?；谟?jì)算的實(shí)際值，F(xiàn)1和F2被標(biāo)準(zhǔn)化為0 和 1 之間的值； w1′和 w2′分別被假定為0.8和 0.2。

表3給出了7個(gè)大中型水庫的第二次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。QK水庫、MY水庫和RH水庫位居風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分的前三位。該排名與表2中的排名略有不同。在表 2中，RH水庫風(fēng)險(xiǎn)排名第一，但在表3中排名第三。排名的差異主要是由于在第二次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中對(duì)生命損失和經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了相對(duì)更準(zhǔn)確的評(píng)估。雖然RH水庫有最大的下游人口規(guī)模，但其生命損失率和經(jīng)濟(jì)損失率比QK水庫和MY水庫潰壩所造成的損失率相對(duì)較小。除了QK水庫、MY水庫和RH水庫之外，另外4座中型水庫的排名在表2和表3中是完全一致的。

表1 大壩潰壩可能性指數(shù)

3.定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

選擇具有最高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分的QK水庫來演示定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的過程。與上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法相比，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法通過使用潰壩模型和洪水淹沒圖來更準(zhǔn)確地評(píng)估潰壩后果。潰壩概率與上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法中所使用的概率計(jì)算值相同，即在水庫大壩修補(bǔ)加固前，年計(jì)潰壩概率為4.87×10-3。

QK水庫的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估考慮了兩種荷載狀態(tài)，即洪水期間和晴天運(yùn)行期間。這兩種荷載狀態(tài)下的潰壩洪水淹沒圖分別見圖 1和圖 2。潰壩的生命損失率取決于洪水的嚴(yán)重程度和預(yù)警時(shí)間，潰壩的經(jīng)濟(jì)損失率取決于洪

水的嚴(yán)重程度。QK水庫的潰壩后果見表 4。從表4可見，洪水期間導(dǎo)致的潰壩后果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在晴天運(yùn)行期間發(fā)生的潰壩后果。

表2 基于風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)快速評(píng)估方法的13個(gè)水庫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

表3基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法的7個(gè)大中型水庫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

表4 QK水庫的潰壩后果

圖1 QY水庫在洪水期間發(fā)生的潰壩洪水淹沒圖

圖2 QY水庫在晴天運(yùn)行期間發(fā)生的潰壩洪水淹沒圖

三、結(jié) 語

本文系統(tǒng)介紹了一套相對(duì)簡(jiǎn)單和快速的水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法，包括風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)快速評(píng)估方法、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分方法、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，這些方法可用于對(duì)水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以識(shí)別急需關(guān)注和進(jìn)一步研究的具有高風(fēng)險(xiǎn)的水庫大壩，用于確定病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固的優(yōu)先級(jí)或先后次序，也可根據(jù)需要對(duì)某個(gè)水庫大壩做詳細(xì)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，用于指導(dǎo)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)減緩工程措施或制定應(yīng)急預(yù)案。結(jié)合某省13座病險(xiǎn)水庫工程進(jìn)行的示范性應(yīng)用，說明本文所提的方法簡(jiǎn)便、可行，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果合理，實(shí)用性較好，可服務(wù)于水庫大壩的風(fēng)險(xiǎn)管理。

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Studies on methods for evaluation of risk level of reservoir dams

Xu Yao,Chang Qingrui,Yu Lingyun

Taking the real condition of China as well as safety of reservoir dams and potential hazard caused by dam failure into consideration,relatively simple and efficient methods for evaluating risk level of reservoir dams have been developed,such as rapid assessment of risk index,risk scoring and quantitative risk assessment.Analytic concepts and specific contents of these methods are introduced with detailed explanation of assignment basis and calculation method for these indicators.Pilot projects have been implemented in a province with selection of 13 reservoirs for risk assessment demonstration.

reservoir dam;dam failure;risk assessment;danger removal and strengthening

TV697.1

B

1000-1123（2017）20-0034-04

2017-09-18

徐耀，博士,高級(jí)工程師。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（課題號(hào)：2017YFC0404803）；中國水利水電科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（項(xiàng)目號(hào)：SM0145B632017）。

責(zé)任編輯 張瑜洪