基于風險分析的小型水庫安全管理研究

方衛(wèi)華，原建強，何 淇，譚 彩

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京，210012；2.山西省汾河二庫管理局，山西太原，030012；3.河海大學水利水電學院，江蘇南京，210098；4.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州，510610）

0 引言

根據(jù)《中國水利統(tǒng)計年鑒2019》統(tǒng)計，截至2018年底，我國共有各類水庫近10萬座，其中小型水庫9萬多座[1]。工程安全是水庫效益發(fā)揮的前提和基礎(chǔ)。由于歷史原因、投入不足及相關(guān)技術(shù)限制，小型水庫相對大中型水庫具有更高的單座失事概率。據(jù)統(tǒng)計，我國小型水庫平均病險比例高達1/3，近年來的潰壩事例也都是小型水庫。由于小型水庫數(shù)量多、結(jié)構(gòu)各異且地區(qū)差異大，如何有效提高小型水庫管理水平一直是行業(yè)的研究熱點。風險管理是管理不確定系統(tǒng)的有效方法，郝健等[2]結(jié)合中國小型水庫特點，提出了小型水庫風險管理模式及風險管理對策；徐金濤[3]根據(jù)平原水庫的特點，分析其潰壩概率和潰壩后果，建立了平原水庫潰壩風險分析評價體系；盛金保等[4]引入潰壩后果綜合評價函數(shù)，計算水庫風險指數(shù)，作為衡量水庫風險大小的指標，提出了一套適用于小型水庫的風險分析方法。上述研究均是在風險管理的某一個環(huán)節(jié)進行的探索，難以應用到小型水庫的安全管理之中。

為此，本研究以實際應用為出發(fā)點，首先分析小型水庫安全風險源，并基于風險特征對水庫進行分類；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)風險特征有針對性地從責任落實、資源配置、信息感知、預警預報、維修養(yǎng)護、應急響應、除險加固等方面搭建小型水庫動態(tài)風險管理體系，并根據(jù)有關(guān)文獻和經(jīng)驗給出相應指標；最后介紹本研究方法在我國某市區(qū)域小型水庫的應用情況，從而驗證方法的可行性。

1 工程安全風險分析與分類

1.1 風險現(xiàn)狀

目前小型水庫安全風險主要由下述原因引起：（1）先天存在的設(shè)計或施工缺陷、難以適應極端氣候、地質(zhì)環(huán)境、下墊面變化、水庫淤積、擋泄水建筑物及設(shè)施變形老化等；（2）對小型水庫安全問題的重視不夠，人員、資金、設(shè)備、技術(shù)等管理條件不完備、不充分，維修養(yǎng)護不到位，感知、融合、預測、預警和應急響應一體化、體系化不足；（3）安全資料或水文資料短缺，安全評價、鑒定和除險加固不及時。

1.2 風險識別及工程分類

小型水庫總風險因子可以從賦存環(huán)境（危險性）、結(jié)構(gòu)材料（脆弱性）、監(jiān)督管理（有效性）和失事?lián)p失（嚴重性）4個方面加以識別，見圖1。

圖1 風險因子體系Fig.1 Risk factor system

賦存環(huán)境危險性風險是指水庫（群）所在區(qū)域的水文氣象、地形地質(zhì)、產(chǎn)匯流等因素給水庫安全帶來的風險，在具體評估時應充分利用洪水風險圖、暴雨風險圖和地震區(qū)劃圖等資料。結(jié)構(gòu)材料脆弱性風險主要包括：（1）樞紐布置、斷面設(shè)計和洪水標準不合理；（2）防滲排水設(shè)施設(shè)計不合理或老化導致?lián)P壓力或滲透壓力偏高，出現(xiàn)異常滲漏；（3）壩體或上下游邊坡抗滑安全系數(shù)不夠；（4）擋泄水建筑物過大變形；（5）擋泄水金屬結(jié)構(gòu)及機電設(shè)施老化、無必要備份。監(jiān)督管理可靠性風險主要包括：（1）責任主體不明確、組織機構(gòu)不健全、應急處置措施針對性不強以及經(jīng)費不落實等；（2）必要的監(jiān)測預警設(shè)備設(shè)施和技術(shù)力量不匹配；（3）維修養(yǎng)護、資料分析、安全評價和除險加固是否規(guī)范。失事?lián)p失嚴重性風險包括安全方面失事導致的生命、社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境和歷史文化方面的損失?？蓪φ找?guī)范[5-8]及運行管理相關(guān)規(guī)定等逐條對比。根據(jù)圖1可將水庫安全總風險表示成4項分風險之和：

式中：TR為水庫安全總風險；ER、SR、MR、LR分別對應賦存環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料、監(jiān)督管理、失事?lián)p失風險，前3者通過條件概率乘以損失獲得，后者通過失事及其后果經(jīng)驗統(tǒng)計獲得。通過上述分類，可以有針對性地采取措施降低工程安全總風險。

從另外一個角度，總風險也體現(xiàn)在對上述因子的感知、預測和控制能力上，能力越高，風險越低。

式中：δTR為感知、預測和控制總能力；δER、δSR、δMR、δLR分別對應賦存環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料、監(jiān)督管理、失事?lián)p失的感知、預測和控制能力。分析上述4個因素的感知、預測和控制能力提升的難易程度、有效性和成本，可以用于指導小型水庫規(guī)避安全風險措施的選擇，從而有針對性地提高小型水庫風險管理水平?？紤]到很多小型水庫缺乏有效資料，風險分析需融合多學科專家知識加以解決。專家可以通過回顧歷史背景、現(xiàn)場勘探和工程類比，同時借助當?shù)貧夂?、氣象、地質(zhì)、地形、泥沙和水庫運行等特點的相關(guān)多源信息，對小型水庫安全風險進行快速評估。為提高可操作性，在具體評估時可從水庫位置選擇、樞紐布置、結(jié)構(gòu)材料設(shè)計、施工運行和維護管理等幾個方面進行。

1.2.1 單座水庫

針對低洼處小型水庫安全風險評價問題，為克服現(xiàn)有總庫容安全風險評價方法的不足，提出風險庫容的概念。風險庫容指水庫最可能失效模式下下泄的致災水量：

式中，Q R、q、p分別為風險庫容（m3）、可能最嚴重失效模式下的下泄水量（m3）及下泄過程中入滲、入河（海）或漫灌的無害水量（m3）。如對于某些偏遠山谷中的小型水庫，或即使水庫潰壩，下泄洪水也不構(gòu)成任何災難，則其風險庫容為0。為實現(xiàn)小型水庫的全覆蓋，應先進行城市重要設(shè)施上游小型水庫風險評價，再進行干旱或偏遠地區(qū)的小型水庫風險評價。考慮到水庫風險因子的變化，水庫風險等級應根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整，這一周期根據(jù)風險演化速度快慢確定，一般為6～10年，見表1。

1.2.2 水庫群

對于一定區(qū)域或流域小型水庫群，其總風險是整體安全管理投入的依據(jù)。嚴格的定量分析應根據(jù)水庫群內(nèi)單一水庫風險失效概率密度函數(shù)，再采用Copula函數(shù)方法獲得多個水庫的整體失效概率。對于區(qū)域或流域小型水庫群，忽略水庫失事之間的相關(guān)性，采用加權(quán)求和的方法獲得水庫群的總風險，如式（4）所示，根據(jù)總風險大小及風險特征進行管理配置。

表1 單座水庫安全風險等級劃分表Table 1 Safety risk classification of single reservoir

式中：TR g為水庫群總風險；n為區(qū)（流）域內(nèi)小型水庫的數(shù)量；ωi為不同風險等級水庫的權(quán)系數(shù)，考慮到大小水庫相對風險，根據(jù)經(jīng)驗見表2；TR i為單個水庫的安全風險，由式（1）得到。

表2 不同風險等級水庫權(quán)系數(shù)Table 2 Weight coefficient of reservoirs with different risk levels

根據(jù)流域或區(qū)域小型水庫群的總風險及其特征，可以引入集中管理，從而發(fā)揮專業(yè)特色和經(jīng)驗，有針對性地采取風險規(guī)避措施。

2 風險管理及其標準化

風險管理就是從水庫（群）本身的風險大小及風險特征出發(fā)，根據(jù)針對性和有效性原則采取相應的風險規(guī)避措施。

2.1 責任落實及資源配置

責任落實及資源配置是指水庫安全風險的每一個演化控制點都有與之配套的明確責任人和針對性風險規(guī)避措施。責任人風險包括健康狀況、專業(yè)水平和敬業(yè)精神等，應建立與水庫風險相應的責任追究制度。根據(jù)水庫業(yè)主和“誰受益誰承擔風險”的原則，明確法人為水庫的最高責任人。對于集體所有且暫無業(yè)主的水庫，根據(jù)風險大小確定相應級別的政府行政首長作為水庫安全責任人，見表3。

表3 無業(yè)主不同風險水庫安全責任歸屬Table 3 Safety responsibility taker of reservoirs with different risk levels without owners

機構(gòu)、規(guī)章、人員、設(shè)施和經(jīng)費應根據(jù)區(qū)（流）域水庫群風險高低和敏感風險源種類進行有針對性地分類分級配置。對于高風險水庫群，要求有獨立完善的配置；對于低（微）風險水庫群，可委托具有相應能力的機構(gòu)或當?shù)卮迕翊鸀楣芾?，同時簡化監(jiān)測系統(tǒng)配置，降低監(jiān)測及檢測頻次，并適當引入水庫安全保險制度，從而彌補失事后的損失。

2.2 安全信息感知

安全信息感知指通過巡視檢查（含遙感）、儀器監(jiān)測和檢測及其他有效手段獲得水庫安全信息，采用方法的復雜程度和投入的多少應根據(jù)總風險（參照圖1）特征分析確定，感知內(nèi)容和頻次應根據(jù)分項風險大小、安全及其變化的靈敏度確定，同時建立相關(guān)信息分級、分權(quán)限多終端統(tǒng)計、檢索和查詢系統(tǒng)。對于區(qū)域性天氣、氣候、漫頂水位等水庫賦存環(huán)境風險因子，其感知的成本低、共享程度高，因此應優(yōu)先實施。

2.2.1 感知內(nèi)容

安全信息感知內(nèi)容包括賦存環(huán)境重大危險源、結(jié)構(gòu)材料狀態(tài)靈敏響量、監(jiān)管體系及其效果、失事?lián)p失4個方面。結(jié)構(gòu)材料狀態(tài)感知內(nèi)容不僅包括支撐受力結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)、孔隙率、密實度、塑性區(qū)分布和接觸狀態(tài)，也包括承擔重要擋水和泄洪任務的閘門以及金屬機電結(jié)構(gòu)的變形、銹蝕閘門開度、限位、荷重、電流/電壓、振動、噪音、油位、油壓、油溫等狀態(tài)。對生物風險比較高的水庫，生物危害監(jiān)測包括白蟻等危害動物監(jiān)測、影響行洪的淤堵漂浮物監(jiān)測等。監(jiān)督管理感知內(nèi)容包括責任劃分完整度和明確性、安全管理流程合理性、人員設(shè)備設(shè)施和工程監(jiān)督覆蓋率、事件操作處置規(guī)范性與閉環(huán)度、應急措施針對性和有效性、技術(shù)和管理人員工程熟悉度及專業(yè)水平、資料分析準確性和及時性、經(jīng)費落實保證率8個方面。失事?lián)p失感知內(nèi)容包括可能損失的類型及總損失大小。

2.2.2 感知方法

感知方法包括巡視檢查、遙感、儀器監(jiān)測與檢測等。風險感知需利用多源信息，對于賦存環(huán)境，可利用日本和美國聯(lián)合開發(fā)的TRMM衛(wèi)星降水數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)云平臺DEM、中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)、遙感信息及INSAR等。根據(jù)小型水庫所在地的DEM、坡度、坡向、經(jīng)緯度、植被和土壤特征等，采用ArcGIS、SPSS等分析軟件，應用統(tǒng)計降尺度法、來水、流體動力學、滲流力學進行漫壩風險分析。由于小型水庫測點少，當監(jiān)測（包括巡視檢查）發(fā)現(xiàn)問題后，應根據(jù)這一問題可能導致的風險大小確定是否需要進行檢測，從而為分析問題的原因或判斷隱患程度提供依據(jù)。當檢測發(fā)現(xiàn)問題時，除根據(jù)問題嚴重程度采取工程措施外，必要時還應設(shè)置監(jiān)測項目和測點進行長期監(jiān)測。儀器監(jiān)測與檢測包括常規(guī)儀器監(jiān)測、不定期檢測和視頻圖像監(jiān)視，其中視頻圖像是利用可見光、紅外光、微光或遙感等對工程關(guān)鍵部位（含關(guān)鍵機電設(shè)施和擋水金屬結(jié)構(gòu)）的輸入、響應及人為操作、入侵等實施監(jiān)測。應設(shè)置視頻圖像監(jiān)視的部位包括：承擔泄洪任務的溢洪道，其水流沖刷區(qū)以及閘門支撐轉(zhuǎn)動、啟閉機電接口等容易出現(xiàn)故障的部位；汛期來臨時可能會被上游淤積的漂浮物影響流速的泄洪建筑物進水口；存在安全隱患的泄洪區(qū)域等。在白蟻活躍區(qū)域或漂浮物淤堵區(qū)域布設(shè)視頻監(jiān)測項目時，可利用紅外線、圖像識別等技術(shù)實時獲取白蟻或漂浮物的活動跡象和數(shù)量變化，從而為安全評估提供依據(jù)。此外，還應通過與相關(guān)單位溝通、無人機調(diào)查、公開資料或網(wǎng)絡(luò)爬蟲等合法手段和方法感知水庫失事風險影響區(qū)大小，及時統(tǒng)計分析影響區(qū)人口、工農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、生態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.2.3 感知頻次

根據(jù)水庫總體安全風險大小采取不同信息感知頻次，見表4。在具體操作時，還應根據(jù)子項對整體安全風險影響大小進行細化。

2.3 預警預報

2.3.1 預警指標

（1）巡視檢查：隱患區(qū)域的覆蓋度（A1）、覆蓋頻次（A2）、巡視異常上報滯后時間（A3）、隱患嚴重程度判別力（A4）和隱患先兆及時發(fā)現(xiàn)力（A5）。

（2）水文氣象：壩前水位（B1），以各控制水位為預警閾值；雨量（B2），包括最大雨量、累積雨量和最大歷時雨量等指標，可以結(jié)合水文模型根據(jù)B1確定，或根據(jù)沖刷與滑坡要求確定相應閾值；對庫水位有重大影響的入庫流量（B3），其閾值主要考慮滑坡以及B1的要求。是否設(shè)置臺風、冰凍及春汛相關(guān)預警指標與水庫所處具體位置的賦存環(huán)境相關(guān)。

（3）結(jié)構(gòu)材料：典型或可能失事部位的位移/變形（C1）、揚壓力（C2）、滲流量（C3）、滲透壓力（C4）、應力應變（C5）和溫度（C6）。對于高風險水庫，當采用檢測方法進行結(jié)構(gòu)和材料狀態(tài)參數(shù)診斷時，也可以建立密實度、孔隙度、銹蝕率、保護層厚度和彈性模量等預警指標及閾值。

表4 監(jiān)測頻次表Table 4 Monitoring frequency

（4）視頻圖像：滑坡或開裂（D1）、機電設(shè)備（D2）、閘門和金屬結(jié)構(gòu)（D3）。視頻圖像預警可采用圖像和視頻系列數(shù)據(jù)，通過（人員、動物、機動車船等）入侵檢測、模式識別等方法對異常狀態(tài)進行識別報警。

（5）金屬機電：設(shè)備設(shè)施狀態(tài)（E1）、機電應急備用（E2）、隱患分析與故障報警（E3）、防雷抗干擾措施有效性（E4）。金屬機電可針對轉(zhuǎn)軸變位、限位、電壓穩(wěn)定性等正常工作區(qū)間，通過設(shè)置一定的安全系數(shù)確定閾值。

（6）監(jiān)督管理：組織機構(gòu)及責任（F1）、人員和設(shè)備配置及工作狀態(tài)（F2）、應急能力與流程規(guī)范化（F3）、反應速度和演練（F4）、經(jīng)費保障（F5）。監(jiān)督管理可采用打分法、層次分析法等，對組織、安全、運行和經(jīng)費4個方面的針對性、及時性、可靠性和抗干擾性等進行綜合評價，在此基礎(chǔ)上結(jié)合風險大小和敏感性確定總體閾值和分項閾值。

預警閾值的確定方法包括規(guī)程規(guī)范規(guī)定、工程類比借鑒、專家知識經(jīng)驗、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及數(shù)值模擬等，同時還必須考慮實際工程特點和可接受風險。國家防汛抗旱總指揮部聯(lián)合中國水利水電科學研究院進行了200 km2以下流域山洪災害分析評價，給出了計算臨界雨量和危險等級劃分的具體步驟[10]，可為暴雨制定預警指標。

2.3.2 預報模型與方法

根據(jù)對應風險從低到高依次選擇簡單到復雜的預報模型和方法。

設(shè)計洪水推求主要包括瞬時單位線法、推理公式法、地區(qū)經(jīng)驗公式法和歷史洪水調(diào)查分析法[11]，具體方法的適用性與水庫所在區(qū)域[12]及水庫類型（山丘還是平原水庫）有關(guān)[13]。

針對賦存環(huán)境為高風險因子的水庫，借助美國GFS、中國氣象臺和日本氣象廳預報數(shù)據(jù)，采用與實測數(shù)據(jù)的同化、降尺度分析顯著提高風險預見性。

對于結(jié)構(gòu)材料為高風險因子的水庫，可通過實測數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬建立預報模型[14]。當存在可靠實測資料或?qū)崪y資料積累到一定程度時，可根據(jù)風險大小選擇相應復雜度的模型，如采用逐步回歸、隨機森林、相關(guān)向量機和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立預報預警模型。

表5 預警指標設(shè)置表Table 5 Setting of early warning indexes

2.4 運行調(diào)度

水庫分級調(diào)度指根據(jù)水庫安全風險大小確定汛限水位、泄洪時間和流量，在此過程中根據(jù)洪水致災災害鏈及其后果嚴重性確定預留庫容和工程安全裕度，即高風險水庫預留更高的安全系數(shù)、更大的備用庫容和更長的預警時間。

運行調(diào)度信息的發(fā)布方式、范圍和路徑應根據(jù)風險大小確定。對于高風險水庫，應設(shè)置影響區(qū)高音喇叭結(jié)合無人機進行信息發(fā)布；對于中風險區(qū)，可采用電子顯示屏幕結(jié)合短信進行發(fā)布；對于微風險區(qū)，只需要通過授權(quán)內(nèi)網(wǎng)進行信息發(fā)布。

2.5 維修養(yǎng)護

針對具體水庫安全風險的風險種類、性質(zhì)、大小和演化趨勢，采取相應的措施進行維修養(yǎng)護，并借助水庫督查等方式進行質(zhì)量評估考核。對于高風險水庫及其高風險因子，應設(shè)定更高的要求和更大的保險系數(shù)。

水庫具有防洪、生態(tài)、灌溉、供水和景觀等不同的功能，將上述功能按公益性和經(jīng)濟性進行分類，對于承擔公益性功能的水庫，國家應承擔相應的維修養(yǎng)護費用，經(jīng)濟效益的獲取方也應承擔相應的水庫維修養(yǎng)護費用。

2.6 應急管理

通過虛擬仿真、增強現(xiàn)實、潰壩計算、洪水擴散淹沒分析及災害鏈分支分析等，確定應急管理相應的措施、投入和演練逼真度。在應急管理時，應充分考慮真實極端條件下可能對通訊、設(shè)施、交通和群體行為等方面產(chǎn)生的不利影響，根據(jù)風險演化的災害鏈理論確定不同節(jié)點的風險轉(zhuǎn)化和規(guī)避措施。應急方案的詳細程度、備用方案和演練的逼真度應根據(jù)水庫風險確定，同時考慮應急管理在惡劣應急條件下的不確定性，根據(jù)水庫或水庫群風險大小做好必要的備用措施。

2.7 除險加固

除險加固應根據(jù)失事成因、概率及損失確定，同時考慮除險加固本身的投入和設(shè)計施工過程中的風險，采取相應的規(guī)避措施。若除險加固總收益（包括規(guī)避水庫風險方面的收益）大于投入，則應進行除險加固；如水庫安全風險很小，則不需要采取除險加固措施，只需要根據(jù)風險情況采取其他處理措施或不采取措施。

3 工程實例

某市下設(shè)9區(qū)、6縣和4縣級市，共有小型水庫近600座。2018年完成小型水庫安全風險等級分類統(tǒng)計，并計算各區(qū)縣小型水庫群的總風險，根據(jù)各縣（市）總風險和單個水庫風險排序確定優(yōu)先投入應用的區(qū)域和單個水庫。經(jīng)過初步計算，浦江、雙流縣為相對高風險區(qū)域，率先進行監(jiān)測系統(tǒng)改造。在此基礎(chǔ)上再對單個水庫風險進行排序，得到浦江、雙流縣風險較高的幾個水庫分別是YA水庫（0.69）、HQ水庫（0.58）、TJ水庫（0.54）和CT水庫（0.43）[14]，將上述4個水庫作為首批試點水庫。

試點水庫感知系統(tǒng)完善過程中，從賦存環(huán)境（危險性）、結(jié)構(gòu)材料（脆弱性）、監(jiān)督管理（有效性）和失事?lián)p失（嚴重性）4個方面對每個水庫進行敏感性分析，選擇重要、敏感項目實施自動化監(jiān)測，對于不敏感監(jiān)測物理量則不配置監(jiān)測設(shè)施。同時充分利用現(xiàn)有氣象、水文站網(wǎng)和平臺實現(xiàn)資源共享，節(jié)約經(jīng)費投入。通過敏感性分析得到上述4個試點水庫的敏感性因素，YA水庫為變形，HQ水庫為變形和環(huán)境量，TJ水庫為變形和滲流，CT水庫為變形和環(huán)境量，通過增加測點及監(jiān)測頻次優(yōu)化改造敏感性監(jiān)測量。各水庫感知系統(tǒng)完善升級后接入?yún)^(qū)（流）域統(tǒng)一管理系統(tǒng)，升級后的系統(tǒng)界面見圖2。同時建立責任落實、資源配置、信息感知、預警預報、維修養(yǎng)護、應急響應、除險加固等動態(tài)風險管理體系及相應指標，編制相關(guān)管理規(guī)程，明確相關(guān)責任，實現(xiàn)風險管理的標準化。

4 結(jié)語

我國小型水庫具有數(shù)量多、安全風險高和管理模式針對性不強等特點，為有效提高小型水庫安全管理水平，必須在分析小型水庫安全風險特征的基礎(chǔ)上，進行分類動態(tài)管理。本研究基于小型水庫（群）風險因子和風險等級劃分，實現(xiàn)了單座水庫和水庫群的分類，在此基礎(chǔ)上從風險感知、預警預報、運行維護、應急響應和除險加固等方面給出了相應的安全風險管理體系。實際應用表明，本研究所提出的方法具有較強的針對性和適應性，有一定的推廣應用價值。