甘肅省淤地壩工程的潰壩風險評價模型

馬 瑞, 張 富, 周 波, 呂彥勛, 王玲莉, 趙秀蘭

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省水利科學研究院, 甘肅 蘭州 730030)

淤地壩是黃土高原水土流失地區(qū)控制溝道侵蝕的一項重要工程措施[1]，具有攔泥保土、淤地造田、減災、以壩代路、解決干旱缺水、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展等多種作用[2-3]。淤地壩的安全運用對于滯洪排清、淤地造田、減輕汛期山洪災害等具有非常重要的作用。然而，由于沒有風險評價數(shù)據(jù)的支撐，各地在淤地壩功能的全方位發(fā)揮以及提質(zhì)增效措施的實施上遇到了難題，尤其是在用水問題上，出現(xiàn)了生產(chǎn)缺水和有水不敢蓄、有水不敢用的矛盾，同時在淤地壩功能的發(fā)揮及風險規(guī)避上也缺少管理依據(jù)，因此，很有必要開展淤地壩風險診斷與評價研究，以判斷淤地壩工程發(fā)生潰決可能性的大小，為淤地壩運用、風險管控及其水土資源利用提供技術支撐。淤地壩風險評價是通過分析潰壩原因，篩選出淤地壩潰壩風險影響因子，如淤積庫容、滯洪庫容、壩體穩(wěn)定性等，借助層次分析法確定各因子權重，從而構(gòu)建評價模型對淤地壩的潰壩風險進行綜合評價和診斷的技術方法[4-9]。從發(fā)表文獻來看，已有研究所構(gòu)建的指標體系因流域差異而不盡相同，如王丹等[4]對西吉縣車路溝流域壩系潰壩風險的評價采用的一級指標有工程風險、管理風險、經(jīng)濟風險和結(jié)構(gòu)風險，而杭朋磊[5]對韭園溝流域壩系潰壩風險評價采用的一級指標則減去了結(jié)構(gòu)風險，增加了環(huán)境風險。目前，以王茂溝流域淤地壩壩系為對象開展風險診斷和安全運行的研究最多，但因關注點的不同，各自建立的指標體系差異也很大，如楊瑞等[6]和袁水龍等[7]建立了漫頂潰壩、滲流破壞、失穩(wěn)潰決、結(jié)構(gòu)破壞、管理因素共5個一級指標和滯洪洪水、剩余庫容等14個二級指標來分析壩系的安全運行情況；鐘少華[8]建立了壩體病險、放水建筑物病險、溢洪道病險、剩余庫容共4個一級指標和裂縫、滑坡坍塌等11個二級指標來分析壩系的潰壩風險；段茂志[9]則建立了水文風險、工程風險2個一級指標和基礎防滲質(zhì)量、壩坡穩(wěn)定等9個二級指標來評價臨發(fā)暴雨過程中的潰壩風險指數(shù)。本研究通過對甘肅省淤地壩風險狀況調(diào)研，基于工程設計及現(xiàn)狀分析對淤地壩工程潰壩評價指標和評價模型展開了進一步研究，構(gòu)建了以水文風險、運行風險、管理風險和工程風險4個模塊組成，包含16個具體評價指標的淤地壩工程潰壩風險評價模型，以期通過模型的應用為甘肅省淤地壩運用管理、安全行洪、蓄水利用、壩控區(qū)生態(tài)環(huán)境建設與發(fā)展等提供風險評價和風險防控基礎數(shù)據(jù)。

1 淤地壩工程風險因素調(diào)查與指標體系構(gòu)建

淤地壩工程風險影響因素調(diào)查通過現(xiàn)場調(diào)研、專家座談及資料查閱等方式進行。于2020年7月下旬至8月上旬，共計現(xiàn)場調(diào)研了甘肅省慶陽、平?jīng)觥⑻焖?、白銀、定西、臨夏和蘭州市共7個市州的9座淤地壩工程的風險問題。通過座談對各市州淤地壩運行管理、除險加固、蓄水利用等情況進行了詳細詢問和探討。截至2020年12月底共收回“××市(州)××縣(區(qū))淤地壩風險評價數(shù)據(jù)庫”表格926份。對調(diào)研數(shù)據(jù)進行梳理后構(gòu)建了淤地壩工程潰壩風險指標體系。

1.1 工程水文風險

經(jīng)分析探討，將工程水文風險指標確定為泥面/水面到攔泥壩高的距離(Δh)和有無溢洪道2個指標。

1.1.1 滯洪庫容與工程水文風險 實際滯洪庫容是淤地壩抵抗洪水風險能力的關鍵，與壩庫淤泥、蓄水狀況有直接關系，存在兩種情景。①情景1：汛前不蓄水。此時，當泥面在攔泥壩高以下，則實際滯洪庫容=設計滯洪庫容+剩余淤積庫容；而當泥面在攔泥壩高以上，則實際滯洪庫容=設計滯洪庫容—超出的淤積庫容，即淤泥擠占了滯洪庫容(防汛庫容)，構(gòu)成水文風險，高出越多，風險就越大。②情景2：汛前蓄水。適用于存在死庫容的淤地壩以及人工蓄水的淤地壩。汛前，當水位控制在攔泥壩高以下時，相當于占用了攔泥壩高以下的部分死庫容而未擠占滯洪庫容，這時候淤地壩按設計是相對安全的；但如果汛前水位超過攔泥壩高，則會擠占滯洪庫容，此時構(gòu)成不安全因素。在情景1，2中，設泥面/水面到攔泥壩高的距離為Δh，Δh=泥面高/水面高—攔泥壩高，則當Δh為正值時，構(gòu)成工程水文風險。

1.1.2 溢洪道與工程水文風險 有溢洪道對排洪來說是雙保險，可實質(zhì)性降低潰壩風險；無溢洪道時，潰壩風險相對增加。

1.2 工程運行風險

工程運行風險確定為剩余淤積庫容、剩余淤積年限和有無防汛道路共3個指標。其中，剩余淤積庫容可用于衡量淤地壩實際能夠多承載的洪水的量，是影響工程運行的主要風險因子。對于淤積庫容來說，一般設計淤積年限為10～20 a，但隨著坡面治理，侵蝕模數(shù)可能從5 000～8 000 t/(km2·a)下降到2 000～3 000 t/(km2·a)，因此到設計淤積年限不一定能淤滿，但是，即便原來設計20 a的淤積庫容到了30 a還沒淤滿，保20 a土壤不流失的任務已完成，后面屬于超期服役。就工程設計而言，越接近設計淤積年限，淤積庫容越小，淤地壩運行風險也就越大。據(jù)此，剩余淤積年限也可作為運行風險指標。防汛道路屬淤地壩配套工程，保證了發(fā)生暴洪時搶險人員和設備能夠及時到場，沒有防汛道路時構(gòu)成工程運行風險。

1.3 工程管理風險

工程管理風險指標確定為有無預警系統(tǒng)、有無3個管理責任人(行政責任人，技術責任人，管理責任人)和有無防汛預案共3個指標。汛期，暴雨過后，淤地壩臥管孔塞應該打開及時放水。如果前一場暴雨造成水位已經(jīng)上升，應在第二場暴雨來臨之前盡快排空以騰出滯洪庫容。如果不排而擠占滯洪庫容，則下一場暴雨來時，就會形成“人為超標洪水”。因此，在管理工作中，如果預警系統(tǒng)已經(jīng)建立，3個管理責任人配備到位，在汛期暴洪發(fā)生后或水位上漲時，能夠及時打開臥管孔塞，正常維護，則淤地壩一般不會出問題。防汛預案是為了安全度汛，督促檢查防汛措施和實施汛期應急救援工作而制定，缺少防汛預案時，構(gòu)成管理風險。

1.4 工程風險

經(jīng)過對已有研究的分析和探討，認為段茂志[9]所建立的工程風險指標對淤地壩的工程風險問題覆蓋全面，層次清晰，用該指標對王茂溝流域臨發(fā)暴雨中的潰壩分析結(jié)果合理，經(jīng)評估本研究確定直接采用這一工程指標模塊，不再另行設定。該指標模塊分為工程質(zhì)量風險、結(jié)構(gòu)安全風險和滲漏安全風險3個一級指標，其中工程質(zhì)量包括基礎防滲質(zhì)量、壩體防滲質(zhì)量和填筑質(zhì)量3個具體指標；結(jié)構(gòu)安全包括壩體變形和壩坡穩(wěn)定性2個具體指標；滲漏安全包括壩基滲漏、壩肩滲漏和壩體及防滲體滲漏3個具體指標，具體指標分析見文獻[9]。

綜上所述，本研究共建立了由2個水文風險指標、3個運行風險指標、3個管理風險指標、8個工程風險指標，共16個指標組成的淤地壩潰壩評價指標體系。根據(jù)16個風險評價指標的層級關系，建立了由目標層(A)、中間層(B和C)和指標層(D)組成的層次結(jié)構(gòu)指標體系(圖1)。

圖1 淤地壩工程潰壩風險評價指標體系

2 指標權重確定

淤地壩工程16個潰壩風險評價指標對淤地壩潰壩的貢獻率，即權重采取專家打分及評議的方法確定。層次分析法是結(jié)合專家經(jīng)驗的定性和定量分析相結(jié)合的數(shù)學工具，可將復雜的決策問題作為一個系統(tǒng)分解成目標、準則、指標等遞進的層次結(jié)構(gòu)，通過專家評分對各項目進行兩兩矩陣判斷及一致性檢驗，由數(shù)學方法算出各項目對于總目標的指標權重[4-9]。依據(jù)淤地壩潰壩風險評價指標體系構(gòu)建評分矩陣，邀請各市州共計30位淤地壩專家根據(jù)經(jīng)驗對每一層次指標相對于它所屬上一級指標的重要程度進行兩兩比較，然后根據(jù)重要性等級及評分標準(表1)進行打分。

表1 評價系統(tǒng)重要性等級及參考評分標準

對評分進行數(shù)據(jù)處理，對判斷矩陣進行層次單排序一致性檢驗和層次總排序一致性檢驗，以確定指標間的相互關系可以定量傳遞。淤地壩工程潰壩風險評價指標層次總排序計算結(jié)果詳見表2。

表2 淤地壩工程潰壩風險評價指標層次總排序計算結(jié)果

3 模型架構(gòu)

(1) 輸入模塊。在輸入模塊中輸入提前運算得到的16個風險指標得分值xi或直接輸入基礎數(shù)據(jù)。當選擇輸入基礎數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)需要通過簡單運算得到風險指標得分值xi，此時在輸入時需輸入相應參數(shù)并定義運算法則。

(2) 分析模塊。以D層各風險指標權重ki為系數(shù)，以各指標得分值xi為未知數(shù)，以淤地壩潰壩風險運算值y為模型輸出項，構(gòu)建分析模塊為：

式中：y表示淤地壩工程潰壩風險運算值；xi為風險指標Di的得分；ki為xi的系數(shù),i=1,2,3，…，16。

(3) 輸出模塊。輸出模塊的功能是根據(jù)淤地壩工程潰壩風險運算值y的大小確定淤地壩潰壩風險等級，并根據(jù)風險等級發(fā)出相應等級的預警。風險等級3為低風險，2為中風險，1為高風險。淤地壩工程潰壩風險等級劃分及預警等級詳見表3。

表3 淤地壩工程潰壩風險及預警等級劃分

對輸入模塊、分析模塊和輸出模塊進行集成，完成模型的構(gòu)建，建成的模型架構(gòu)詳見表4。

表4 淤地壩潰壩工程風險評價模型架構(gòu)

4 淤地壩工程汛期風險指標評分方法

淤地壩工程汛期風險指標Di的得分，即xi值是對每個具體參評的淤地壩的工程現(xiàn)狀以分值的形式給出的評價，通常采取專家打分法確定。本研究中16個潰壩風險指標的評分標準詳見表5，每個指標風險分的取值范圍均為1～9。其中，對水面/泥面到攔泥壩高的距離Δh評分時，需分兩種情況作出評分：當Δh為負值時，也就是說蓄水/淤泥不會影響到滯洪庫容時，評分直接記作0，而當Δh為正值時，評分則由Δh/(壩高—攔泥高度)的比值確定；剩余淤積年限由評價年份、建壩年份和設計淤積年限計算所得，即剩余淤積年限=評價年份-(建壩年份+設計淤積年限)；剩余淤積庫容的評分由剩余淤積庫容/設計淤積庫容的比值確定；其余指標根據(jù)危險級別給出評分。需特別說明的是，溢洪道、防汛道路、預警系統(tǒng)、3個管理責任人的評分需要先確定有或無，有則記作0分，無則按表5評分。

表5 淤地壩工程潰壩風險指標的評分標準

5 討論與結(jié)論

5.1 討 論

淤地壩是黃土高原區(qū)小流域水土流失治理的重要工程措施，對其運用過程中的潰壩風險的識別和研究極為重要。本研究所構(gòu)建的淤地壩潰壩風險評價模型由風險指標體系構(gòu)建、運算法則、風險指標賦值三部分組成。其中，模型中風險指標的選擇和權重的確定是決定淤地壩風險評價結(jié)果可靠性的關鍵。本研究采用調(diào)研、專家打分、層次分析、評議等方法建立了甘肅省淤地壩工程潰壩風險評價指標體系并確定了指標權重。16項風險評價指標中，即有定量指標，也有依據(jù)危險級別判斷結(jié)果進行量化的定性指標，如基礎防滲質(zhì)量、壩體防滲質(zhì)量、填筑質(zhì)量等。指標體系包含4個一級指標，這4個一級指標分別是對水文、運行、管理和工程質(zhì)量的風險評價，涉及的風險類型全面，能夠綜合反映淤地壩工程的潰壩風險。

本模型既是對潰壩風險的評價，也是對蓄水利用安全性的評價。因此，所采取的水文風險指標與段茂志提出的臨發(fā)暴雨中的水文風險指標[9]不同，本研究中的泥面/水面到壩頂?shù)木嚯x是對汛前狀態(tài)的衡量，為靜態(tài)指標，其實質(zhì)是通過對滯洪庫容的影響來反映當發(fā)生降雨事件時壩庫的蓄水及泄洪能力。幾乎在所有關于淤地壩風險評價的文獻中，工程風險都是占比最高的風險類別[4-9]，也就是說使淤地壩發(fā)生潰壩的最大風險因素是壩體自身的不穩(wěn)固。然而，盡管各地正常運行的淤地壩都是通過驗收交付使用的質(zhì)量合格的壩，但在運行過程中受水力侵蝕、鼠洞、蟻穴、不均衡碾壓等多種因素的影響，難免會出現(xiàn)侵蝕溝、洞穴、裂縫等過水通道以及嚴重影響壩體安全的變形問題[7,9]，而這些問題得不到及時補救則與管理有關[10-13]，因此，加強管理意識、增加管護經(jīng)費、提高壩體安全是淤地壩安全運行的重要保障。

5.2 結(jié) 論

研究通過現(xiàn)場調(diào)研、專家打分、層次分析、專家評議等多種形式對甘肅省淤地壩工程潰壩風險指標和指標權重進行了研究，構(gòu)建了甘肅省淤地壩工程潰壩風險評價模型。該模型由水文風險(B1)、運行風險(B2)、管理風險(B3)、工程風險(B4)共4個風險類型模塊(權重分別為0.12，0.13，0.12，0.63)組成，各模塊又分別包括2，3，3，8共16個具體評價指標；水面/泥面到攔泥壩高的距離(D1)、剩余淤積庫容(D4)、有無3個管理負責人(D7)、壩體變形(D12)分別是4個風險類型模塊的最大權重評價指標，分別占各自模塊權重的69.23%，61.53%，53.85%，0.22%，合計占16個指標總權重的38.00%。權重在0.09以上的指標共計6個，對淤地壩工程潰壩風險起主要把控作用。本研究對各指標的評分標準作了規(guī)定，依據(jù)綜合風險得分將輸出的風險等級和預警等級劃分為3級。模型由輸入、分析和輸出3個模塊組成，層次清晰，架構(gòu)明確，模型的構(gòu)建可為汛前淤地壩工程風險的評價提供實時預警數(shù)據(jù)，使淤地壩興農(nóng)、兩不誤。