新西蘭懷卡托流域9座大壩的評估
——結合資產(chǎn)和大壩安全風險更好地透視管理決策

M.Jonathan Harris，WillOxley，Murray Gillon

（1.施納貝爾工程公司；2.水星有限公司；3.大壩監(jiān)察工程公司）

1 水電資產(chǎn)風險管理實踐

全球許多能源生產(chǎn)和運輸公司都使用資產(chǎn)管理工具和策略，這是普遍做法。該方法可確保發(fā)電機和相關設備得到維護，從而減少停機時間和收入損失。這些過程包括安排定期維護及設備的長期保修。在資產(chǎn)管理計劃中使用基于風險的工具提供了一種方法，來比較某一電站和整個發(fā)電系統(tǒng)的停機可能性和其他潛在影響。該框架可用來評估資產(chǎn)的性能，并可以綜合考慮整個基礎設施資產(chǎn)組合中的所有組成部分。這些工具為決策制定者提供了所需的度量標準，通過風險知情過程，決策制定者還能更有效地使用資本。

2 基于大壩安全風險的決策

在過去的40年中，世界各地均發(fā)展了大壩安全的風險知情實踐，并在某些業(yè)主和監(jiān)管環(huán)境中得到了應用。許多情況下，這些實踐方法均是在大壩失事后發(fā)展起來的，它提醒人們大壩會失事引發(fā)洪水，對人們生活產(chǎn)生影響，從而推動了大壩安全領域的變革。

在美國，現(xiàn)代大壩安全管理的關鍵節(jié)點為1976年提堂大壩（Teton dam）潰決之后。這一事件造成11人死亡，并給該地區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟損失。1979年，受總統(tǒng)委托，一個由聯(lián)邦機構代表組成的委員會制定了《大壩安全聯(lián)邦導則》，以促進各聯(lián)邦機構采取慎重、合理的大壩安全措施。在制定《大壩安全聯(lián)邦導則》時，人們認識到基于風險的分析方法在大壩安全評估中非常有價值，他們鼓勵各機構積極進行研究，以完善和改進必要的技術，將基于風險的分析應用于大壩安全問題：

“大壩安全風險分析方法的研究和發(fā)展，各機構應協(xié)同合作給予支持。該研究應特別針對水文、地震災害和大壩失事可能性等領域。這些領域中的現(xiàn)有機構應繼續(xù)其研究，并應更明確地擴展到對安全評估問題有用的風險概念的制定上去?！薄?lián)邦應急管理署（1979年）。

聯(lián)邦政府要求美國墾務局考慮使用基于風險的大壩評估，類似于為美國國家航空航天局、海軍放射中心和環(huán)境保護局所制定的評估方法。大壩安全風險管理的標準化方法是20世紀80年代后期由墾務局提出來的，該過程的核心部分是進行風險分析方法的集合。由于美國陸軍工程師兵團在21世紀初也采用了這種方法，這兩個機構共同制定了《大壩和堤壩安全風險分析的最佳實踐》（2015年）。該文件形成了進行大壩安全風險分析的標準方法，并隨著實踐進程進行更新。

墾務局和美國陸軍工程師兵團在其大壩安全項目中實施了風險知情決策制定過程（墾務局于2011年開始實施，美國陸軍工程師兵團于2014年開始實施）。由于認識到采用統(tǒng)一的聯(lián)邦方法來管理大壩安全風險極具重要性，幾個機構（墾務局、美國陸軍工程師兵團、聯(lián)邦能源管理委員會、田納西流域管理局和聯(lián)邦應急事務管理署）開始合作制定大壩安全風險通用導則。2015年，聯(lián)邦應急管理署出版《大壩安全風險管理聯(lián)邦導則》，標志著該項工作的結束。在美國國內，這些指導性文件激發(fā)了有關風險知情決策制定的討論，但目前沒有要求其必須在州大壩安全項目中使用。然而，有些州已經(jīng)開始在其項目中使用風險知情的要素。

新西蘭大壩協(xié)會（New Zealand Society on Large Dams，NZSOLD）是新西蘭工程專業(yè)人員協(xié)會（Engi-neering New Zealand）的一個技術協(xié)會，是國家認可的組織，為該國大壩安全實踐提供技術指導。2015年，《新西蘭大壩安全導則》發(fā)布。該導則為新西蘭的大壩安全實踐提供了最新的指導。雖然該導則并沒有明確要求使用風險知情決策制定類方法，但其包括了使用這些方法的框架，并討論了如何將這些方法集成到大壩安全的關鍵元素中去，包括大壩設計、建設、大壩安全和生命周期管理。

在新西蘭和美國，用于大壩安全和資產(chǎn)管理的風險知情決策制定方法正越來越多地被用于水電站的優(yōu)先排序和對結構物資產(chǎn)組合的管理。這些實踐均是在沒有特定的國家或州級標準的指導下進行的，但通常是基于國際最佳實踐。風險知情決策制定的使用為大壩安全和資產(chǎn)管理行動的優(yōu)先排序提供了一個框架，可制定合理的商業(yè)決策。

3 在資產(chǎn)風險管理項目中使用基于風險的決策制定方法

許多大壩和水電站應用的資產(chǎn)風險項目關注的是發(fā)電設備，在資產(chǎn)組合管理中可能沒有考慮大壩的安全風險。使用風險知情決策制定方法辨識出的大多數(shù)大壩安全風險僅是結構或部件失效，失去對蓄水的控制，從而最終造成生命損失。2017年2月，奧羅維爾大壩溢洪道失事，導致主溢洪道嚴重損毀。之后的大壩安全和資產(chǎn)管理決策為：將設計不良的輔助溢洪道系統(tǒng)投入運行，并最終導致了輔助溢洪道的失事。因此，超過10萬人接到了疏散指令。在失事前的一次潛在失事模式研討會上，失事評估辨識出了溢洪道泄槽的潛在失事模式，并對此進行了討論，但結論是對生命安全只存在非常小的潛在風險。因此，這一潛在失事模式和假定的非常小的風險導致沒有針對大壩安全提出明確的改進措施。這一重現(xiàn)期約為30年的暴雨造成了溢洪道損毀，進而花費了更多的應急管理成本和重建支出，總額預計超過10億美元。若是事前采取了相關行動，則可能大大降低成本，避免額外的應急響應成本，亦避免影響對業(yè)主和大壩安全監(jiān)管的信心。

風險知情決策制定方法取得了發(fā)展，使人們能夠了解和比較各種類型的大壩失事風險，其中許多情況僅具有極低的失事可能性，但失事后果非常嚴重。通常，大壩安全風險評估過程主要關注決策制定的生命安全方面。如果這些流程能與資產(chǎn)管理項目相結合，則可以做出更好的業(yè)務決策和大壩安全決策。

4 新西蘭水星有限公司

新西蘭水星有限公司是一家集發(fā)電、貿(mào)易和零售為一體的企業(yè)，其進入市場的電力為100%可再生電力。水星公司旗下14座發(fā)電站的總裝機容量為1 533 MW。其中水電站裝機容量為1 063 MW，擁有39臺機組，建于20世紀20年代末至70年代初。另有23個地熱發(fā)電機組（其中13個為合資經(jīng)營），裝機容量為470 MW。

水星旗下最大的發(fā)電站是阿拉普尼（Arapuni）水電站，1929年投入使用，裝有8臺混流式水輪發(fā)電機，總裝機容量為192 MW；最小的發(fā)電站是羅托魯瓦（Rotokawa）地熱電站，裝機容量為35 MW。水星公司的發(fā)電裝機量約占新西蘭全國總裝機容量的20%，位于北島中部，靠近大奧克蘭地區(qū)最大的人口中心。水星公司所處的位置對新西蘭國家電網(wǎng)的韌性至關重要。

4.1 水星公司的水電系統(tǒng)

水星公司的水力發(fā)電機組主要是位于北島主要河流——懷卡托河（Waikato River）流域的9座電站。懷卡托河總長425 km，總流域面積14 000 km2。陶波湖（Lake Taupo）位于梯級上游，蓄水量約59.2億m3，占整個集水區(qū)蓄水量的93%。表1為懷卡托河流域大壩和發(fā)電站列表。

表1 懷卡托河流域大壩和發(fā)電站一覽表Table 1 Waikato River dam and power station overview

懷卡托河流域入流量變化非常大，水量非常不穩(wěn)定，在暴雨洪水情況下，水位暴漲暴落。這樣的水文條件加上梯級系統(tǒng)帶來的風險，對許多大壩業(yè)主而言，大壩安全管理工作面臨著挑戰(zhàn)。

4.2 新西蘭電力市場

水星公司是新西蘭五大電力生產(chǎn)商之一。這些發(fā)電站直接將電力銷售給大用戶或售往能源市場，由能源零售商（包括水星公司）購買。

新西蘭輸電公司（Transpower）為一家國有企業(yè)，它擁有并經(jīng)營國家電網(wǎng)，將高壓電從發(fā)電站輸送到配電站。新西蘭輸電公司負責將高壓電從連接到國家電網(wǎng)的發(fā)電站傳輸?shù)叫挛魈m境內約174個電網(wǎng)輸出點（Grid Exit Points，GXPs）。這些電網(wǎng)輸出點是29家公司通過本地配電網(wǎng)絡的供電點。

居民和商業(yè)用戶從零售公司購買電力，但大型工業(yè)和商業(yè)用戶可以選擇直接與配電公司簽合同。這樣的電力銷售模式導致了激烈的競爭。

4.3 水星公司資產(chǎn)管理計劃

水星公司成熟的資產(chǎn)風險和生命周期規(guī)劃項目已有很多年。該項目適用于所有資產(chǎn)，包括水電和地熱資產(chǎn)。傳統(tǒng)上，水星公司使用年化成本值（Annualized Cost Values，ACV）作為衡量風險的眾多方法之一。在資產(chǎn)管理中，可以通過查看幾個選項、比較風險降低的收益來得出年化成本值。選項可以包括不同級別的操作、延遲操作和不操作。比較不同級別的操作及其相關的剩余風險是做出妥當商務決策的一種方法。除了這些決策外，還可以通過引入?yún)?shù)來監(jiān)管所做的決策，以確定執(zhí)行過程中，其目標是否繼續(xù)滿足這些決策的基本邏輯。

5 更高級別的基于風險的決策評估

水星公司的資產(chǎn)管理計劃將大壩安全風險作為其中一部分，但以前的評估并沒有提供足夠的信息，使其無法與資產(chǎn)組合中其他類型的風險進行充分比較。由于所有大壩都處于懷卡托河梯級，因此要特別注意大壩的關聯(lián)失事。以前的評估也包括這個假設，并且正確識別出了這種類型的風險對系統(tǒng)風險的重大影響。但是，過去的評估結果沒有充分區(qū)分這些風險。更高級別的評估提供了更多信息，可充分描述其對系統(tǒng)造成的風險。

5.1 提高基于風險的決策評估水平

水星公司傳統(tǒng)上使用風險知情決策制定方法，如潛在失事模式分析、使用事件樹來評估大壩重大安全風險的年化成本值。潛在失事模式和簡化事件樹均應用在懷卡托流域梯級電站最重要的大壩失事模式中。在對風險樹的細化和對結果的現(xiàn)實性估計這兩個主要方面，若能提高評估水平，則可以顯著改進對資產(chǎn)組合的風險比較。

這項工作的執(zhí)行水平其實是一個簡化的定量風險評估。對每個電站或大壩結構，首先列出潛在失事模式；討論哪些因素對風險的影響最大，原因是什么；同時也對非大壩失事風險（資產(chǎn)影響）進行考慮。在此基礎上，提出對大壩安全風險影響最大的幾種潛在失事模式的短名單，用于定量風險評估。

5.2 細化風險樹

在進行潛在失事模式和篩選評估的基礎上，工作小組重點關注那些被認為對大壩安全風險影響最大的風險。風險樹的細化包括兩個主要考慮：更大的荷載范圍；更關注每個潛在失事模式的起始點和進展節(jié)點。

5.2.1 擴大荷載范圍

擴大荷載范圍，為團隊討論頻繁出現(xiàn)的荷載假設場景提供了框架。之前，許多洪水風險只討論最極限的事件，如可能最大洪水（Probable Maximum Flood，PMF）和重現(xiàn)期非常大的洪水。重現(xiàn)期較小的洪水，例如重現(xiàn)期約300~1 000年的洪水，其引發(fā)的后果較輕，可以作為較少發(fā)生的洪水荷載。地震荷載也采用了類似的方法。

5.2.2 失事模式的起始和發(fā)展

分析過程著重于對潛在失事模式的起始和發(fā)展提出更好的假設。了解潛在失事的發(fā)展過程并記錄下這些過程，可以提高團隊的能力。風險評估中，互相比較各種風險時，或在更宏觀的資產(chǎn)管理項目中，可以對風險進行更好的分離。

5.3 現(xiàn)實后果評估

后果評估的等級比之前進行的評估等級要高。對多個后果場景（即“結果”）進行評估，并將其填入以大壩失事或重大資產(chǎn)損壞為終點的風險樹的終端節(jié)點。失事概率評估標準樹通常用于評估梯級資產(chǎn)損毀可能性，擴展后的每個風險樹的細化程度都超過了標準樹。在某些風險樹中，梯級大壩失事場景數(shù)量多達13種。這種細化程度可讓人們更好地理解每個電站各種潛在失事模式對整個梯級流域的影響。

根據(jù)澳大利亞國家大壩委員會（Australian Na-tional Committee on Large Dams，ANCOLD）2012年發(fā)布的《大壩后果分類導則》的描述，后果分類主要分為5類，并對每種結果的后果進行了評估計算。這5類分別是：（1）結果性損毀：與大壩和相關資產(chǎn)的重置或修復相關的成本；（2）環(huán)境：與環(huán)境恢復相關的成本；（3）聲譽和利益相關者：與組織和潛在團體的長期信譽，以及和政治反應相關的成本；（4）第三方資產(chǎn)：非自有資產(chǎn)的損失和成本；（5）業(yè)務中斷：與能提供的服務損失相關的成本。

因這些評估的商業(yè)性質，一般存在下列看法：（1）資產(chǎn)的損壞和重置成本取決于對每種結果的量級評估值；（2）成本評估值是指為保險申報而進行的研究；（3）環(huán)境成本是根據(jù)每種結果預期的假定成本水平估計出來的結果；（4）聲譽和利益相關者考慮了新西蘭現(xiàn)有的競爭性市場，以及對假定結果可能出現(xiàn)的看法；（5）業(yè)務中斷損失取決于每個電站的平均運行時間和停機時間估計值。

第三方成本比過去的評估得到了顯著的改善，并利用了現(xiàn)有的潰壩研究?？紤]了間接和直接損失，其中包括經(jīng)濟生產(chǎn)損失、交通影響、應急費用、基礎設施及相關內容。使用了有形的衡量方法，如考慮生命損失、健康影響和生態(tài)環(huán)境的損失，也使用了考慮諸如恢復工作和幸存者脆弱性等的無形衡量方法。

6 從更高級別的基于風險的決策評估中得到的教訓

對項目執(zhí)行更高級別的評估可降低不確定性，增加結果可信度。從評估過程中獲得了一些經(jīng)驗教訓，概述如下。

6.1 低概率且后果嚴重事件

用較低水平的篩查工具很難評估與低概率且后果嚴重事件相關的風險水平。其中一個例子是，水星公司對旗下某一發(fā)電站的特定潛在失事模式進行了非常詳細的評估。過去的評估表明，這種潛在失事模式發(fā)生的可能性非常小（其失事概率小于1×10-5/年）。這些評估確保了水星公司保持了可接受的低風險水平（基于年失事概率考慮）。然而，考慮到潛在失事模式可能造成的潛在結果，在資產(chǎn)風險背景中，年化成本值這一指標得到了更多關注，從而為采取行動減少這些風險提供了理由。如果不使用風險知情決策制定方法和相關的結果場景，就很難確定這些潛在失事模式的風險水平。

6.2 高概率且影響小的風險

上面討論的是低概率且后果嚴重的事件，另一方面則是考慮高概率且影響小的風險。如果只考慮后果嚴重的事件，評估可能完全忽略更頻繁發(fā)生的小事件的影響。

其中一個例子是，水星公司考慮了較小的洪水和較小的地震影響及其相應的結果。以前的評估只考察了極端事件，如重現(xiàn)期約10 000~50 000年的可能最大洪水。最近的評估結果包括重現(xiàn)期低至300~500年的洪水系列，在某些情況下，與更極端的事件相比，會導致更高的年化成本值。這導致水星公司啟動了額外的概率洪水荷載分析，以更好地了解這些風險。同時也考慮了現(xiàn)行操作規(guī)則的影響，以及通過修改這些規(guī)則來降低洪水危害的風險。

6.3 提高風險評估等級

每個業(yè)主都必須決定適合自己的評估級別。如文中所言，起初只采用了非常基礎的風險評估來確定大壩安全風險對懷卡托河流域9座電站梯級系統(tǒng)的影響水平。這種情況下，評估等級的提高使得對風險有了更好的理解，并能提高在整個資產(chǎn)管理計劃中進行風險比較的能力。評估等級應與資產(chǎn)管理計劃的成熟度級別相匹配，以具有可比較的風險值。如前所述，提高評估等級可減小不確定性，從而增加了評估的可信度，這是專業(yè)決策的基礎。

6.4 基于風險的決策與資產(chǎn)管理計劃的結合可提供一個強大的決策工具

基于風險的決策方法可以融入到資產(chǎn)管理計劃中，從而提高業(yè)主了解大壩安全風險如何影響整體運營風險的能力。這一過程的結果被用于公司風險矩陣，并與其他商業(yè)和企業(yè)風險一起，成為水星公司風險管理系統(tǒng)的許多考慮因素之一。它還可以識別傳統(tǒng)上被認為可以接受的大壩安全風險，并根據(jù)專業(yè)風險框架將這些風險評估提升到更高級。最終，為水電業(yè)主力證其大壩安全支出和資產(chǎn)支出的合理性提供了一種方法?；陲L險的決策與資產(chǎn)管理計劃的結合可以一種經(jīng)濟高效的方式進行，并可為降低大壩安全相關風險的行動措施提供良好的理論基礎。通過這一做法，業(yè)主可事前主動降低風險，在未來電力供應的可靠性方面擁有更多信心。由于市場和自然環(huán)境的不確定性，未來要求業(yè)主更多地了解他們面臨的風險，并做出最明智的決定。