公明水库大坝风险排序研究

黄 凌 宋 洋

（1.深圳市水务工程建设管理中心，广东深圳 518048；2.中国民航大学，天津 300300）

作为一种以风险度量为理念的事前积极管理机制，风险管理是通过用于管理、控制风险的一整套政策和程序，识别、评估、监控和处理面临的各种风险，实现水库风险承担者承担的风险规模与结构优化、风险与回报的平衡.到目前为止，已经有很多机构和学者对大坝风险管理进行了研究.美国垦务局（USBR）推荐使用现场评分法来衡量水库大坝的风险［1－2］；美国国家气象局（NWS）开发了一系列溃坝模型.从DAMBRK 模型到BREACH 模型（李雷，李君纯，等.江西省部分大、中型水库安全现状调研报告［R］.2000），再到FLDWAV 模型［3］，为溃坝洪水计算提供了强大的软件支持，大坝风险分析可以直接应用这些计算成果进行溃坝后果评价；有人［4］根据中国1954～2001年已溃坝资料，详细分析了中国平均年溃坝率和导致大坝溃决的主要机理和原因，抓住主要问题，由专家简化荷载、溃坝模式和破坏路径，确定各环节的发生概率和溃坝事件的概率；有学者（李雷，王昭升、彭雪辉.水库大坝溃决模式和溃坝概率分析研究［R］.2004）较全面地介绍了大坝风险分析中涉及的溃坝影响及其后果（包括生命、经济损失及社会和环境影响）的确定方法.

澳大利亚［5］最早将风险评价应用于群坝的安全管理，该方法是在对每一座大坝进行风险分析的基础上实现的，即对某一范围内的所有大坝的风险分析情况进行评价，从而提出经济而高效的风险降低策略，指导大坝安全管理工作.傅琼华［6］等利用大坝工程安全风险程度因子、溃坝损失影响因子、水库的综合影响因子来计算水库的风险评估指数，并以此对坝群进行风险排序.周正印［7］采用TOPSIS法对群坝进行了综合风险排序，通过引入模糊数学综合评价中广泛应用的TOPSIS法，从最优理想解和最劣理想解两方面进行群坝风险排序.

本文以公明供水调蓄工程为背景，在以上研究的基础上，详细分析了溃坝后果，包括生命损失严重程度、经济损失严重程度及社会与环境影响指数的计算方法，明确了大坝群中的薄弱环节，为水库大坝设计和施工提供了重要的借鉴.

1 公明水库概况

公明水库工程位于茅洲上游，地处深圳市西北部，属珠江口水系.大坝以上控制集雨面积11.77 km2.水库从南到北，依次分布6座大坝.4号坝为心墙土石坝，坝长1 102m，坝顶高程63.5m，最大坝高54m，是主坝.1号、3 号、6 号坝坝高较小，坝型设计为均质土石坝.3号坝最大坝高31.9m，坝长319m；1号坝最大坝高29.3m，坝长364m；6号坝最大坝高33m，坝长506m.2号坝最大坝高41.5m，坝长1 203 m；5号坝最大坝高39m，坝长895.0m，坝型为土质防渗体分区坝.2号坝和5号坝坝顶结构与1号坝相同，坝顶宽度8m，坝顶高程63.5m.溢洪道的布置结合公明水库的实际地形条件和下游退水条件，布置在5号、6号大坝之间的山凹处，轴线长度269m.放水隧洞布置在4号坝右坝肩.隧洞地质条件较差，洞身基本在全风化围岩中，少量为强风化围岩，隧洞围岩均为V 类.隧洞采用有压输水，圆形断面，洞径3m，全长为407m.大坝布置如图1所示.

2 公明水库大坝风险排序

图1 公明水库群总体布置

大坝风险排序是在风险分析的基础上，依据水库大坝风险指数R 的大小进行排序，通常将大坝风险表示为溃坝概率Pf与溃坝后果L 的乘积，如式（1）所示：

2.1 确定溃坝概率

溃坝概率主要依靠经验来估算，目前常用的方法是历史资料统计法和专家经验法.由于历史上某事件（如渗流破坏）发生时，大坝内部和外部条件和公明水库大坝的内部和外部条件是不同的，很可能没有可比性和可借用性，因此，历史资料统计法和专家经验法相比，应谨慎使用.

本研究采用专家经验法来定量确定溃坝模式中各环节发生概率，把专家对某一事件可能出现的定性判断转化为可能出现的定量概率.结合我国具体情况和国外使用经验，采用如表1所示的事件发生的定性描述到概率间的转换关系.

表1 公明供水调蓄工程水库大坝破坏事件定性描述和概率对应表

从总结出的可能破坏途径和模式看，要判断溃决事件发生的概率，主要牵涉到表2中的10个主要环节发生的可能性.

表2 与溃坝事件发生有关的10个主要环节

上述各主要环节发生的概率可根据客观实际情况和设计方案确定，在评价表中，可以定性地分为5级（见表1），每级概率在一定范围内变化，专家可根据自己的经验赋分.现以4号坝为例，其结果见表3.

表3 4号坝各风险因素导致溃坝事件发生的概率

运用同样的方法，可以得到1、2、3、5、6号坝在上述情况下的溃坝概率.其结果见表4.

表4 公明水库工程大坝失事概率

由表4可见，公明水库工程6个大坝，其中，5号坝危险性相对较高，后面依次是2、6、3、4、1号坝.

2.2 溃坝后果确定

1）生命损失

生命损失的影响因素包括如下几个方面：①风险人口总数及其分布；②溃坝发生时间；③警报时间；④洪水水深和流速；⑤洪水上涨速率；⑥撤离条件.

考虑以上影响因素，采用Dekay＆McCleland法确定溃坝造成的生命损失，如式（2）所示.

式中，LOL 为生命损失；PAR 为风险人口，根据各种可能溃决洪水所导致的淹没区中的人口确定；WT 为预警时间，指接到撤离通知至洪水到达前的时间段（h）；Fc为洪水强度，一般高坝、山区等高洪水风险区域取Fc＝1，低坝、平原地区等低洪水风险区域取Fc＝0，本研究根据工程所在地形，取Fc＝0.6.

生命损失严重程度可用式（3）计算［8］.

式中，x 为生命损失，单位为人.

表5 生命损失严重程度系数参考表

2）经济损失

经济损失包括直接经济损失和间接经济损失，可由调查统计确定.本研究采用经济损失严重程度对经济损失进行计算，经济损失严重程度可按式（4）计算［8］.

式中，x 为经济损失，单位为亿元.

表6 经济损失严重程度赋值参考表

3）社会及环境影响

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.若以风险人口系数为N，重要城市系数为C、重要设施系数为I、文物古迹等系数为H、河道形态系数为R、生物环境系数为M、人文景观系数为L、污染工业系数为P 来表示，则社会与环境影响指数F3可按式（5）计算［10］.

式（5）中，各系数的取值参见表7和表8.表4和表5中的各因素的限值依其对社会与环境影响指数贡献大小（相当于权重）分为5.0、4.0、2.5和2.0四个等级，其相应的权重为0.182、0.145、0.091 和0.073.对每个要素的范围值按轻微、一般、中等、严重和极其严重分为5个级别，供专家赋值参考.

表7 社会影响因素赋值参考表

表8 环境影响因素赋值参考表

当各影响因素影响程度均为轻微时，F3＝1.0；当各影响因素影响程度均为极其严重时，F3＝10 000.由此可得出社会与环境影响指数F3的变化范围为1～10 000.

2.3 溃坝后果综合系数

溃坝后果主要包括3个方面：溃坝导致的生命损失、经济损失和社会与环境影响.在对水库大坝群风险进行排序时，如何综合生命损失、经济损失和社会与环境影响，确定排序先后，是要解决的关键问题.

本研究采用层次分析法（AHP）来确定各子因素层因素对母因素的权重系数，经计算生命损失的权重系数S1＝0.737，经济损失的权重系数S2＝0.105，社会及环境影响权重系数S3＝0.158，则溃坝后果综合系数L可用式（6）计算.

式中，F1、F2、F3分别为生命损失、经济损失和社会及环境影响的严重程度系数.

2.4 公明水库大坝风险指数的确定

水库大坝风险指数按式（1）计算，由于溃坝概率Pf往往是较小的数，而L 是0.01～1.0之间的数，两者乘积更小.为直观起见，将计算结果放大1 000倍，作为最终的水库大坝风险指数，具体表达如式（7）所示：

式中，Pf为溃坝概率；L 为溃坝后果综合系数，由式（6）计算.

先按式（7）计算各水库大坝的风险指数，然后依风险指数大小排序，使风险大的大坝优先得到设计和施工加强.

1、2号坝如果发生溃决，洪水将从南方的泄水路线汇入茅州河，下游淹没损失相对较小，3、4、5、6 号坝如果发生溃决，洪水将从北方的泄水路线汇入茅州河，下游淹没损失相对较大，1、3、6号坝都比较小，发生溃坝时下泄洪水量也相对较小，经分析，1 号坝溃坝后果综合系数L 和风险指数R 最小，以1号为标准，将其溃坝后果综合系数和风险指数设为1，其它大坝的溃坝后果综合系数和风险指数比较1号坝给出相对值.具体数据见表9～10.

表9 水库各坝溃坝后果综合系数L 相对值

表10 水库各坝风险指数R 相对值

由表9和表10可见，5号大坝的风险指数最大，虽然5号坝的溃坝后果综合系数较4号坝为低，但其溃坝概率较高，故其风险指数最大，其设计及施工应予以注意.4号坝风险指数排第二，其溃坝后果综合系数最高，说明4号坝一旦溃决，造成的下游损失最为严重，其设计及施工也应予以注意.2 号坝溃坝后果综合系数和风险指数处于中游，同样应受到关注.此外，1、3、6号坝风险相对较小，主要是由于其工程规模较小，溃坝下泄量较小.故在工程设计和施工过程中要多关注2、4、5号坝，特别是4、5号坝的风险因素，加强预防管理，避免工程建成后出现风险事故.

3 结 语

本文以公明水库为研究背景，将公明水库大坝的溃坝概率与溃坝造成的后果相联系，通过风险排序，在考虑溃坝概率、生命损失、经济损失、社会及环境影响等一系列因素的前提下，利用风险指数对公明水库大坝的危险程度进行了排序，从而让设计者、施工者以及管理者明确了公明水库工程的薄弱环节，对公明水库工程的设计、施工都有非常明确的指导意义.这种分析模式，也可以为其它类似工程提供很好的借鉴.

［1］ 曹楚生.中国的坝工［J］.中国水利，1991（3）：475－534.

［2］ 李君纯.水库大坝安全评判的探讨［J］.水利水运科学研究，1999（1）：77－82.

［3］ Vijay P.Singh.Dam Breach Modeling Technology［M］.Kluwer Academic Publishers，1996.

［4］ 彭雪辉.风险分析在我国大坝上的应用［D］.南京：南京水利科学研究院，2003.

［5］ 匡少涛，李 雷.澳大利亚大坝风险评价的法规与实践［J］.水利发展研究，2002，2（10）：55－59.

［6］ 傅琼华，段智芳.群坝风险评估指数排序方法的探讨［J］.中国水利水电科学研究院学报，2006，4（2）：107－110.

［7］ 周正印.基于溃坝数值模拟的海河流域环境风险分析理论与技术［D］.天津：天津大学，2011.

［8］ 李 雷，王仁钟，盛金保.溃坝后果严重程度评价模型［J］.安全与环境学报，2006，6（1）：1－4.