风险排序及其在病险水库除险加固工程中的应用

张佩，姜暑芳，李富滨

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450000;2.中国水利水电第七工程局有限公司一分局，四川彭山 620860)

1 概述

目前我国已建成水库85000多座，病险水库约占水库总数的36%，数量大，除险加固资金有限，不可能同时对这些水库进行除险加固。过去对水库大坝进行的安全评价，一般均按照设计规范分别对防洪、抗滑、抗震、抗渗、抗裂等功能分项进行安全计算，按规范要求的安全系数作为安全与否的衡量标准，仅从安全状况对水库溃坝进行了分析论证。事实上，不同水库在安全状况、对下游的经济发展、防洪保护对象等条件有不尽相同的要求，对下游形成的风险上有巨大差异，在决策时需全面考虑这些因素的影响。因此，需要用一种新的方法对病险水库进行评价，即根据大坝风险程度排序的决策方法来进行病险水库的加固，确保将有限的除险加固经费用到最需要的地方。

2 风险的定义

狭义的风险仅仅定义为“失事”概率。该定义可以衡量风险事件出现的概率，但不能反映该事件造成损失的程度。广义的风险定义为:事件发生的后果与预期后果背离的程度及其发生的概率。该定义较为全面地衡量了风险事件的两大要素:风险率和风险后果。我们通常所说的洪灾风险指在各种可能的条件和一定的防洪措施情况下发生洪灾造成社会、经济、环境和人员损失的可能性，即洪灾风险R由风险率P与洪水灾害造成的损失L的乘积。

3 溃坝后果综合评价法

综合评价是利用数学方法对一个复杂的多指标信息进行加工和提炼，以求优劣等级的评价方法。目前，国内外已提出众多评价方法，笔者在此主要介绍层次分析法对溃坝后果的分析。

根据王仁钟、李雷［1］、［2］等的研究，溃坝后果综合系数L体现了溃坝生命损失、经济损失、社会与环境的综合影响。

式中 S1、S2、S3分别为生命损失、经济损失、社会环境影响的权重系数;F1、F2、F3分别为生命损失、经济损失、社会环境影响的严重程度系数。

由于文中的风险计算采用该方法，在此简要介绍一下其计算过程。

3.1 权重系数的确定

将生命损失、经济损失、社会与环境影响3个方面作为溃坝后果综合评价函数的子因素，采用AHP法确定各子层因素对母层因素的权重系数。AHP［3］、［4］法采用 1 ～9 及其倒数作为两个元素重要性比较定量化的标度。标度1、3、5、7、9分别表示一个元素比另一个元素同等、稍微、明显、强烈、极端的重要程度，标度2、4、6、8分别表示上述相邻程度的中值。以U表示总目标，ui表示评价元素，ui∈U(i=1，2，…，)。根据上述各符号的意义可得到n×n阶判断矩阵［P］。u1u2…un

式中 n为子层中相应因素的个数;uij为各因素两两比较，对实际目标贡献大小的赋值，且uij=1/uji，uii=1。

总目标层溃坝后果的各影响因素包括溃坝生命损失(以S1表示)、经济损失(以S2表示)和社会与环境影响(S3表示)。借鉴国内外溃坝后果严重程度系数研究，结合工程所在地的社会经济发展情况，将生命损失与经济损失相比，重要程度视为强烈重要，定为7和1的关系;社会与环境影响与经济损失相比，重视程度视为稍微重要与明显重要之间，定为4和3的关系。由此可得到下面的判断矩阵:

由此求得溃坝生命损失的权重为0.75，经济损失的权重为0.107，社会与环境影响的权重为0.143。从所计算的权重系数上看，比较符合工程所在地的社会经济发展情况。溃坝后果综合系数L为:

3.2 溃坝后果严重程度系数的确定

溃坝后果严重程度系数可取用归一化系数，李雷［1］、［2］、［5］等人对生命损失严重程度系数 F1、经济损失严重程度系数F2、社会与环境影响严重程度系数F3进行了分析，并建立了相应的经验公式。

(1)生命损失严重程度系数F1。

影响生命损失的因素很多，如洪水风险特征、洪水预警预报状况、人员紧急撤离逃生条件、洪泛区地理条件、洪泛区土地利用情况、洪泛区内人口分布以及其他社会经济因素。

依据我国现行的有关法规和规定，根据重大事故生命损失的定义，对死亡3人、10人、30人和50人几个分界进行控制，生命损失严重程度系数采用对数非线性模型:

(2)经济损失严重程度系数F2。

根据重大事故经济损失的定义，控制住30万元、100万元、300万元和1000万元几个分界，得到经济损失严重程度系数计算公式如下:

式中 x为经济损失，单位万元。

(3)社会环境影响严重程度系数F3。

先确定社会与环境影响指数，社会与环境影响指数定义为所考虑的社会与环境要素的乘积:

式中 N为风险人口系数;C为重要城市系数;I为重要设施系数;h为文物古迹等系数;R为河道生态系数;l为生物环境系数;j为人文景观系数;P为污染工业系数。

f最小值为1，最大值为10000，社会影响系数的上限和下限之间可以分为4档:1～10、10～100、100～1000、1000 ～10000。社会环境影响严重程度系数计算公式如下:

根据上述控制指标，将这些点的综合判断值作为定量转化为定性的指标，可得溃坝事件综合评价定性控制表(表1)。

4 工程应用实例

某中型水利枢纽A，大坝以上流域面积760 km2，多年平均入库径流量2.51亿m3，水库总库容9439万m3，电站装机容量1000kW。对下游的影响主要有:下游距大坝较近的有田州镇(15 km)、南昆铁路(3km)、南百二级公路(7km)等。水库一旦失事，将会使两县四个乡镇受淹，受洪灾影响人口达10万以上，受淹耕地9.74万亩，溃坝造成总损失将达几十亿元人民币。根据《水库大坝安全评价导则》(SL258－2000)，该中型水利枢纽A水库大坝安全综合评价定为三类坝。根据以上分析，水库风险人口为10万人，根据工程重要性假设预警时间为1h，洪水风险Fc取0.5;计算结果见表2、3。

表1 溃坝事件综合评价定性控制表

表2 社会与环境影响因素赋值表

表3 溃坝后果综合评价系数表

某大型水利枢纽B，水库校核洪水位高程为189.85m，水库总库容11.5亿 m3。大坝下游 1 km和4km分别为324国道(二级路)和南宁至昆明铁路，下游7km为百色市、百色地区行署所在地。百色下游32km和62km尚有田阳县城、田东县城以及右江矿务局，影响人口约27万人，耕地10万亩。根据《水库大坝安全评价导则》(SL258－2000)，该大型水利枢纽B水库大坝安全综合评价定为三类坝。根据以上分析，水库风险人口为27万人，根据工程的重要性假设预警时间为1.5h，洪水风险系数Fc取1。计算结果见表 2、3。

由表1可知:当0.67L＜0.74时，属于重大事故;当0.74L ＜0.79 时，属于特别重大事故;当为0.79L时，应立即向国务院报告。两枢纽水库大坝综合评价系数均大于0.79，溃坝后果十分严重，与两水利枢纽大坝的安全鉴定结果相符合。但由于水利枢纽B的溃坝后果综合评价系数为0.8836，大于水利枢纽A的溃坝后果综合评价系数0.879，建议优先对水利枢纽B进行除险加固。

5 结语

我国在大坝安全鉴定技术方面的发展较为成熟，但为了适应经济和社会的迅速发展以及公众对大坝风险的认识，结合我国病险水库多而除险资金有限的实际情况，我们需要把工程安全逐步转化到工程风险上来，以此判断病险水库的病险程度。尽管溃坝后果综合评价法在生命损失和社会与环境影响方面存在不确定因素，但仍可为病险水库除险加固排序决策提供参考依据。

［1］赵焕臣，等.层次分析法—一种简易的新决策方法［M］.北京:科学出版社，1986.

［2］姜树海，范子武.洪灾风险评估和防洪安全决策［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.