鄱陽湖區(qū)重點堤防潰決風險評價體系構建

歐正蜂，李 寧，張 穎，熊芳金

(江西水利職業(yè)學院，江西 南昌 330013)

0 引 言

鄱陽湖是長江流域的重要通江湖泊之一，與長江進行著復雜的水文和水動力交互作用，水文地質(zhì)條件復雜。而位于鄱陽湖區(qū)的重點堤防工程受長江來水、五河入湖流量、全球氣候變化以及湖區(qū)人為活動等因素的影響，大大增加了堤防潰決的不確定性。

目前，我國針對堤防工程的安全評價體系主要基于堤防工程本身結構安全，未充分考慮堤防工程與所在區(qū)域、流域環(huán)境的相互作用密切、涉及風險因素較多、失事后果嚴重等特點，因此，現(xiàn)行工程安全評價方法體系不能全面的評價鄱陽湖區(qū)重點堤防工程的潰決風險。風險理論的引入，對研究湖區(qū)重點堤防工程潰決風險的基本內(nèi)涵，提出風險分析步驟和流程，分析堤防工程的潰決模式，構建風險評估體系，均具有重要的實踐意義。

1 引入風險理論的必要性分析

1.1 研究現(xiàn)狀

在20世紀80年代，風險分析理論首次被美國引進到堤壩安全管理領域中[1]。此后，風險管理技術得到了快速發(fā)展，美國、澳大利亞、加拿大、英國、瑞士、挪威等國提出了各具特色的堤壩風險評價理論方法[2-5]，被成功地應用于堤壩安全管理、河流開發(fā)等方面。

我國對堤壩的風險分析研究起步較晚，近年來取得了一定的研究成果。王仁鐘、李雷[6]等在工程安全評價的基礎上，引進了風險分析的概念及技術，構建了我國病險水庫風險判別標準體系；在此基礎上，王昭升、盛金保(2011)[7]建立了以風險評價為主、工程安全評價為輔的評價體系；王亞軍等[8，9]在層次分析法及模糊一致理論的基礎上，建立了堤防工程風險評價系統(tǒng)指標體系和評價結構模型，實現(xiàn)了對堤防工程的安全綜合評判；蔣衛(wèi)國等[10]構建了洪水災害風險評估指標體系，剖析了洪水災害風險模糊評估的方法及過程；劉亞蓮、周翠英[11]通過對堤壩潰決模式和影響因素分析，確定了堤壩失事風險評價指標體系，并將該方法應用于工程堤段的風險評價；李紹飛等[12]從系統(tǒng)論角度構建了洪災風險評價指標體系，并利用突變理論對蓄滯洪區(qū)的洪災風險進行評價，王澤洋、韓瑋[13]提出了堤防工程安全綜合評價結構體系的構建原則和構建堤防工程安全綜合評價體系的四級劃分法。但上述研究主要集中在防洪堤及防洪系統(tǒng)的水文風險研究方面，偏重于工程本身的結構安全性分析，側重典型剖面的力學和滲透穩(wěn)定性的驗算，對堤防風險分析方面的研究較少，對堤防保護區(qū)的風險識別和量化估計以及動態(tài)評價研究滯后。在汛期防洪決策過程中，往往處于被動的狀態(tài)，依舊采用“哪里有險情就去哪里救”的搶險模式，以“風險評價結果為基礎，預測為手段，有針對性的預防”的模式還未形成，歸根結底在于風險評價體系尚未形成。

1.2 引入風險理論的必要性

《堤防工程安全評價導則》(SL/Z679-2015)的發(fā)布實施填補了我國在堤防工程安全評價工作技術標準方面的空白，對強化我國堤防安全管理、規(guī)范堤防安全評價工作、掌握堤防安全狀況、保障堤防安全運行具有極大的指導和實踐意義。但我國現(xiàn)階段對于堤防工程安全評價的內(nèi)容大多基于對堤防工程的巡查和監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析階段，未充分考慮堤防工程在周圍復雜環(huán)境中諸多不確定性因素影響下的運行風險以及發(fā)生潰決事件的后果，具有一定的局限性。

(1)現(xiàn)行堤防工程安全評價分為現(xiàn)狀調(diào)查分析、復核計算和綜合評價3個階段，僅著重于對工程本身的安全評價，通過安全評價可以得出工程的安全等級，并按照安全等級的高低來確定除險加固順序。但事實上，并非安全等級低的堤防工程潰決概率就一定大，也并非安全等級低的堤防工程潰決后所造成的危害就一定小。

因此，有必要在現(xiàn)行堤防評價體系的基礎上引入風險理論，建立完善的風險分析評價體系和實用模型，對在相同或不同安全等級下的堤防工程的潰決概率進行量化計算，同時對堤防工程潰決后對周邊和下游造成的生命財產(chǎn)安全損失的嚴重性進行評價，從而確定堤防工程的風險程度，并作為制定除險加固順序的依據(jù)，達到最大化的優(yōu)化資金使用和最大程度保障周邊及下游人民生命財產(chǎn)安全的目的。同時可以實現(xiàn)對堤防工程潰決事故后果進行預測和評價，從而改變堤防管理，特別是汛期搶險工作，從緊急被動向主動預防的轉(zhuǎn)變。

引入風險理論對堤防工程進行風險分析，充分考慮影響因子的變異性，將多種參數(shù)作為隨機變量，通過較為合理的風險計算模型和風險分析方法找出潛在危險點和事故生成途徑，以便更好地掌握堤防存在的險情類別和失事規(guī)律，并對事故后果進行預測和評價，對堤防工程的加固處理決策，以及堤防的管理、維護和安全運行均具有十分重要的意義。

2 潰決模式分析

堤防工程的風險因素即引起堤防各種風險的原因，分析堤防存在的風險因素是進行堤防風險評價的前期準備工作。由于堤防工程風險因素較多，如要將所有風險和引發(fā)的原因全部予以考慮將使問題過于復雜化，因此必須找出主要矛盾，從而使問題的分析得以簡化。

堤防潰決模式首先要分析堤防潰決侵蝕機理以及堤防可能的失事模式，然后從堤防風險存在的各種環(huán)節(jié)入手，挖掘堤防系統(tǒng)的風險因素，再從堤防的典型失事模式出發(fā)，深入挖掘能反映堤防風險水平的各種風險驅(qū)動因子，為構建堤防的風險因子評價網(wǎng)絡體系奠定基礎。

鄱陽湖區(qū)重點堤防工程處于復雜的不確定性環(huán)境中，該環(huán)境中的降水、水系分布、地形、水利工程分布、過境洪水、歷史潰決數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟等因素的不確定性，構成了堤防工程的孕險環(huán)境。

圖1 鄱陽湖區(qū)重點堤防工程潰決風險的產(chǎn)生機理

處于孕險環(huán)境中的堤防工程，受水文地質(zhì)條件、堤身堤基特性、岸坡穩(wěn)定條件、加固處理工藝、穿堤建筑分布情況以及保護管理情況等諸多因素的共同作用，存在諸多風險。堤防工程一旦受到不確定性風險因子的誘導，就有可能引發(fā)漫頂、滲透、失穩(wěn)、沉降、淘刷、液化等潰決風險事故發(fā)生，潰決風險事故的發(fā)生必將對堤防自身產(chǎn)生破壞，同時會對堤防工程所在湖區(qū)的周邊環(huán)境、下游環(huán)境以及位于湖區(qū)的社會群眾和自然環(huán)境產(chǎn)生破壞和影響，同時會造成生命、經(jīng)濟損失和社會環(huán)境影響。

總而言之，潰決的侵蝕過程是多方面因素共同作用的結果，潰決侵蝕是一個多學科交叉的問題，各影響因素的作用是隨機的，所以采取隨機概率模型對堤防工程潰決風險進行計算模擬更適合，但無論什么計算模型，能否經(jīng)受得風險的反復考驗才是關鍵。鄱陽湖區(qū)重點堤防工程潰決風險的產(chǎn)生機理見圖1。根據(jù)已有堤防風險研究成果，結合鄱陽湖歷年出現(xiàn)的汛期險情統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鄱陽湖區(qū)重點堤防出現(xiàn)潰決主要有漫頂、滲透破壞和失穩(wěn)破壞3種典型的形式，見表1。

表1 鄱陽湖區(qū)重點堤防出現(xiàn)潰決模式

3 重點堤防工程潰決風險評估的步驟及流程

3.1 重點堤防工程潰決風險評估的主要任務和步驟

重點堤防工程潰決風險評估的主要任務是將風險理論和風險分析方法應用于堤防工程，對堤防工程現(xiàn)有的安全評價理論體系和應用實踐進行補充和完善，以保障鄱陽湖區(qū)堤防工程安全運行和正常發(fā)揮效用，保護湖區(qū)人民生命財產(chǎn)安全。

現(xiàn)對重點堤防工程潰決風險評估的步驟歸納如下：

(1)對鄱陽湖區(qū)重點堤防工程進行潰決風險識別，并獲取風險識別結果，分析結果并編制風險識別報告；

(2)根據(jù)識別結果，對潰決事件發(fā)生的可能性以及發(fā)生潰決后產(chǎn)生后果的嚴重性和影響程度進行風險估計，獲取風險分析所需且可操作的有用數(shù)據(jù)和信息，使用合適的數(shù)學方法進行量化處理；

(3)選取適用的風險評估模型和適當?shù)娘L險分析方法，對數(shù)據(jù)進行處理分析，并獲取結果；

(4)對數(shù)據(jù)處理分析結果，按照一定的風險評判標準進行評價，判斷風險大小，并以此作為下一步風險決策和措施制定的依據(jù)。

3.2 重點堤防工程潰決風險評估的基本流程

堤防工程安全性應包括堤防結構穩(wěn)定性、堤防系統(tǒng)失效標準、防洪標準以及安全性標準和堤防的等級劃分等，根據(jù)風險評估的主要任務和步驟，結合風險基本理論和堤防工程的實際特點，提出堤防工程潰決風險評估的基本流程，包括：風險定義、風險識別、風險估計、風險評價、風險處理、風險決策和風險監(jiān)控7個部分，見圖2。

圖2 堤防工程潰決風險評估的基本流程

4 鄱陽湖區(qū)重點堤防工程風險評估體系

在堤防工程安全評價的基礎上，引入風險分析理論，采用風險分析方法和技術，構建以“工程安全評價為輔，風險分析為主”的鄱陽湖區(qū)重點堤防工程潰決風險評估體系，見圖3。該體系包括堤防工程安全評價、堤防工程風險分析、堤防工程風險評價以及風險判別與風險決策4個部分內(nèi)容。

堤防工程安全評價階段從堤防工程本身安全出發(fā)，引入系統(tǒng)工程理論和模糊理論，構建堤防工程安全評價指標體系，從而獲取堤防工程安全等級。

堤防工程風險分析是該風險評價體系的核心內(nèi)容，通過資料收集，采取數(shù)值方法實現(xiàn)動態(tài)仿真模擬，從而識別潰決模式和潰決路徑，并計算潰決概率；采取適用的評估方法對潰決洪水進行分析，從而獲取潰決后果；通過得到的潰決概率和潰決后果，對生命損失、經(jīng)濟損失以及社會環(huán)境損失進行計算，從而求得潰決綜合損失。

風險評價階段根據(jù)已計算和分析得到的堤防工程在不同荷載作用和潰決模式下的潰決損失及對應的潰決概率，估計當前堤防工程存在的風險，制訂堤防工程風險準則，從而實現(xiàn)堤防工程當前的風險狀態(tài)的判別。

風險判別與風險決策階段根據(jù)風險評價階段所判斷堤防工程風險程度，為后續(xù)風險處理和決策以及建立基于風險的標準化管理模式提供依據(jù)。

圖3 鄱陽湖區(qū)重點堤防工程潰決風險評價體系

5 結 語

本次研究闡述了當前我國堤防工程風險研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)行堤防工程安全評價體系的局限性，為風險評估方法的引入奠定了基礎；研究了鄱陽湖區(qū)重點堤防工程潰決的主要模式，即由漫頂、滲透破壞和失穩(wěn)破壞引發(fā)的潰決模式，歸納了重點堤防工程潰決風險評估的主要任務和步驟；對引發(fā)堤防潰決風險因子及風險產(chǎn)生的機理進行了分析，在堤防安全評價的基礎上，引入風險分析理論，構建了以風險評估為主、工程安全評價為輔的堤防潰決風險評估體系。

研究表明，基于風險分析理論，以“風險評估為主、工程安全評價為輔”的鄱陽湖區(qū)重點堤防潰決風險評估體系構建，對促進傳統(tǒng)經(jīng)驗型的堤防安全評價和管理方法向預測型的風險管理體系的轉(zhuǎn)變，分析堤防工程潛在風險、險情類別和失事規(guī)律，識別潰決路徑，妥善處理風險事件造成的不利后果，降低堤防潰決災害的生命、經(jīng)濟損失以及社會環(huán)境影響，提出堤防運行管理與洪水風險決策，具有重要的實踐意義。