加拿大使用风险信息决策方法确定大坝安全修复工程的优先性

加拿大·Ellis O'Neil,Valerie Latour

（1.Nova Scotia Power Inc.,Halifax,Nova Scotia,Canada；2.Meco,Dartmouth,Nova Scotia,Canada）

加拿大使用风险信息决策方法确定大坝安全修复工程的优先性

加拿大·Ellis O'Neil1,Valerie Latour2

（1.Nova Scotia Power Inc.,Halifax,Nova Scotia,Canada；2.Meco,Dartmouth,Nova Scotia,Canada）

拥有多座大坝的大坝业主经常面临的困难挑战是需要对不同严重程度的大坝安全缺陷进行排序。监管者和企业利益相关者要求资本性支出均合情合理，所有决策制定都具有透明性。大坝资产管理者必须能总结和持续监测资产中大坝的健康和风险，并将这些信息以一种明确和简单易懂的方式传达给企业高管、董事会和监管者。

风险；决策制定；修复；优先性

0 前言

新斯科舍电力公司（Nova Scotia Power Inc.,NS⁃ PI）位于加拿大新斯科舍省，是一个被监管的、垂直一体化的电力实业，是加拿大能源公司Emera公司主要的运营中的附属子公司，主要从事公开能源交易和服务。新斯科舍电力公司拥有并运营着155座大坝，这些不同类型的大坝分布在新斯科舍省境内的17个河道系统上，主要功能水力发电。绝大部分大坝的坝龄超过50年，有的甚至已有90年。自1989年起，新斯科舍电力公司就一直在实施一个大坝安全项目，并根据加拿大大坝协会的《大坝安全导则》（2007年）的要求来管理这些大坝。正式的大坝安全复核每7年进行一次，经过培训的运营人员在每年的春天和秋天对大坝进行一次半年检查，并且在每次非常事件（如洪水、地震或库水位骤降）后，也需对大坝进行检查。另外，作为其他维护和运行活动的组成部分，每次运行人员到访大坝时也需要对大坝进行非正式的检查。

鉴于存在不同程度缺陷的大坝的绝对数量和坝型以及其溃坝可能引起的不同后果，新斯科舍电力公司要对这些大坝进行有效的管理是一个巨大的挑战。另外，由于新斯科舍电力公司在新斯科舍省是以一个受监管的垄断公司的地位进行运营，因此其所有资本性支出（包括那些与大坝更新升级有关的资本性支出）都必须取得外部监管者的同意。在大坝安全项目实施和资本性支出的决策制定过程中，必须具备透明性。2011年，新斯科舍电力公司基于以下主要原因开始在其大坝上运用资产管理理念：

（1）以简明清晰的方式为大坝资产管理者提供所有大坝健康状况的总结（状态评估和设计合理性评估）；

（2）以简明清晰的方式为大坝资产管理者提供所有大坝风险的总结（溃坝概率和溃坝后果）；

（3）为大坝资产管理者提供一个客观的、基于风险的确定大坝安全修复工程优先顺序的方法，以保证将有限的可用资本资源投入来减轻最大的风险；

（4）为监管者提供决策制定过程中的透明性，以支持为大坝安全相关工作申请资本性支出；

（5）为进行大坝安全相关工作的长期资本规划提供可能性。

基于上述原因，该大坝安全项目在以下范围内制定：

（1）因为资源有限和对长期可持续性的需求，该项目所要求的信息必须是可获取的，即已经包含在大坝安全复核中或可轻易获取；

（2）状态评估必须使用行业内广泛认可的评分方法；

（3）设计合理性评估必须使用行业内广泛认可的分析方法来进行并与行业设计导则和最佳实践，即加拿大大坝协会《大坝安全导则》（2007年），进行对比；

（4）为保持在监管者面前的可信度，风险评估项目必须基于已有的行业内广泛认可的风险评估工具和策略；

（5）项目中的信息必须能易于更新，以保持其时效性，即说明已完成的大坝更新改造、最新的大坝安全复核结果等。

1 项目理念

总而言之，该项目包含大多数资产管理项目的四个关键要素：状态评估、设计合理性评估、风险评估和优先顺序。

为简洁明晰和展示需要，决定采用电子表格的方式来收集、组织和管理这些大批量的信息。这些信息也用于风险评估和优先排序活动。基于Mi⁃crosoft Excel的强大功能和广泛使用性，决定选用Microsoft Excel。

如前文所述，该项目的目的不是要形成新的风险评估理念或方法，而是要使用已有的业内广泛接受的风险评估策略和工具，在认为必要的地方加以调整，以反映新斯科舍电力公司的实际运营情况。由于不可能预见到每种情形，该项目仅用于支持决策制定过程，它不是一个单独的项目，不能离开其他信息单独使用。项目结果仍需由熟悉这些大坝组合的、有能力的大坝安全专家进行审核。

2 方法

2.1 状态评估

为评估状态，将每个建筑物都分解成若干组成部分。基于现场检查观察到的物理状况，对每个建筑物中每个组成部分的完成其设计功能的能力进行评估。沿用另一加拿大重要实业公司评估其建筑物的方法，每个组件的评估结果为1～4级的状态分级，如表1所示。

状态评估中包含的建筑物组成部分有：上游坝坡、坝顶区域、下游坝坡、仪器仪表、管道、坝肩、护坦/坝基、泄水通道、闸墩/基台、闸门/叠梁门。

表1 状态评估标准和分级Table 1 Condition assessment criteria and ratings

2.2 设计合理性评估

设计合理性评估中使用的荷载工况与加拿大大坝协会《大坝安全导则》（2007年）中用来确定大坝等级的荷载工况一样，即正常工况、极端洪水和极端地震。

2.3 风险评估

（1）风险值。该风险评估项目是基于“风险指数法”的原则，在加拿大大坝协会2008年年会大坝安全风险和不确定性研讨会中有所陈述。该方法本质上是基于每一种设计荷载工况（和状态评估），为每一座建筑物计算其“风险值”，并且基于这些数值对修复工程进行优先排序。实际上，“风险值”是反映该建筑物风险的指标，用下式计算：

风险值=易损指数×由溃坝引起的增量损失（1）

（2）易损指数。易损指数的本质是一个指标，反映建筑物在每种设计荷载工况下的失事可能性。应注意的是，它不能确定出失事的概率，它是通过包含了设计荷载工况发生的概率而反映失事可能性的指标，通过易损指数计算中的要素比例因子频率来反映。易损指数采用下式计算：

易损指数=顾虑评级×要素比例因子频率 （2）

（3）顾虑评级。顾虑评级实质上是一个反映各建筑物在每种荷载工况下病险程度的指标。根据加拿大大坝协会2008年年会大坝安全风险和不确定性研讨会，以下公式可用于将顾虑度转化为范围为0～N的顾虑评级：

为进行风险评估，顾虑评级的范围为1～5，即N=5。对某些荷载情况和潜在失事模式，有必要将该公式加以调整，以更好地反映性态标准的属性和运用荷载。这在之后的章节中进行讨论。

（4）顾虑度。顾虑度的定义是系统可以应对什么与系统应该可以应对什么之间的差别（或差距），在大坝安全审核中可辨别出来。两者之间的差别越大，则顾虑越大。根据设计荷载工况和与某一设计荷载工况相关的已辨识出的潜在溃坝模式，计算顾虑度的公式有所不同。这在之后的章节中进行讨论。

（5）要素比例因子频率。用于计算易损指数的要素比例因子频率用下式计算：

要素比例因子频率=[1-0.1×log(1/AEF)] （4）

要素比例因子频率实质上是反映设计荷载工况发生可能性的指标，并且是基于荷载的年超越频率（Annual Exceedance Frequency,AEF）。比如，对状态评估中的荷载工况，对所有潜在溃坝模式，年超越频率都假定为1.0。对常规荷载工况，对除了坝顶漫坝以外的所有潜在溃坝模式，年超越频率也都假定为1.0。该荷载工况是基于正常安全超高的要求，根据加拿大大坝协会的《大坝安全导则》（2007年），正常安全超高的要求是基于重现期1 000年的最大风速。因此，对该荷载工况下的潜在溃坝模式，年超越频率为0.001。对极端地震荷载工况，所有潜在溃坝模式的年超越频率都与加拿大大坝协会的《大坝安全导则》（2007年）中规定的地震设计 地 震 动（Earthquake Design Ground Motion, EDGM）年超越概率一样。类似地，对极端洪水荷载工况，所有潜在溃坝模式的年超越频率都假定为与入库设计洪水（Inflow Design Flood,IDF）相关的年超越概率。根据加拿大大坝协会2008年年会大坝安全风险和不确定性研讨会，公式中使用自然对数（ln）来计算要素比例因子频率，但是，若使用了自然对数，对重现期较长的事件（如可能最大洪水），该公式会得出负值。为了去除这误导性的负值，用常用对数（以10为底的对数）取代自然对数（以e为底的对数）。对各种设计荷载工况和潜在溃坝模式，对其顾虑评级和要素比例因子频率的总结见表2。

（6）溃坝引起的增量损失。

对于溃坝引起的增量损失，根据加拿大大坝协会《大坝安全导则》（2007年）中用于大坝分类的方法，分三类来进行评估，即：生命损失、环境和文化价值、基础设施和经济。

为与加拿大大坝协会《大坝安全导则》（2007年）的理念保持一致，为进行风险评估，对每座大坝都分配了一个增量损失分数，其反映了该大坝失事后的增量损失大小。表3为增量损失分数表，这些数字用于公式（1）中可以确定出每个建筑物在每种设计荷载工况下的风险值。

（7）生命损失。大坝安全复核中的洪水淹没图被用于确定与溃坝相关的洪水淹没范围、深度、速度和预警时间。为了进行风险评估，风险人数（Population at Risk,PAR）的预算基础是设定洪水淹没区域内的每幢建筑物中有3个人，每座桥梁上有2人，这是美国联邦应急管理署2008年《大坝风险排序工具》中设定的。生命损失的估算采用Gra⁃ham1999年《溃坝导致的生命损失的估算程序》中给出的方法进行。

若洪水峰值深度小于10 ft（3.048 m），则认为洪水严重性为低；若洪水峰值深度大于10 ft（3.048 m），则认为洪水严重性为中等。预警时间是基于到达峰值洪水的时间，在大坝安全复核中有给出。除发电厂房以外，对其他所有建筑物来说，对洪水严重程度的理解是含糊的。使用这些标准，用建议的死亡率通过以下公式来预算生命损失：

生命损失=风险人口×死亡率 （5）

生命损失的预算或直接来源于大坝安全复核，或根据上述方法来计算。

（8）环境和文化价值的损失。对环境和文化价值损失的估算直接从大坝安全复核中获取。

（9）基础设施和经济的损失。对基础设施和经济损失的估算直接从大坝安全复核中获取。

2.4 风险评估和优先排序

表2 顾虑评级和要素比例因子频率Table 2 Concern ratings and frequency of demand scaling factors

基于表3中给出的由溃坝引起的增量损失的3种分类，风险评估必须包括确定每个建筑物的风险值，然后选出这3个风险值的最大值。依据风险值对这些建筑物的修复工作进行优先排序。为了进行数据管理和展示，电子表格包含10项分类，如表4所示。

表3 增量损失分数Table 3 Incremental loss scores

表4 电子表格格式Table 4 Spreadsheet Format

优先排序过程所得的结果仍需由熟悉这些大坝资产组合的大坝安全资深专家对其合理性进行复核。

3 结语

本文所述的是一种简单的方法，用于有效管理庞大的大坝资产组合，使用行业内现有的、已经得到大家广泛认可的风险评估工具和策略，并以一种客观、透明的方式，将修复工作基于风险来进行优先排序。风险评估所需的信息都已经包含在大坝安全复核中。文中所述的电子表格方法，可易于对其进行调整，以反映不同的风险分析方法或用户的风险可容忍度。 ■

文献来源：International Commission on Large Dams.Proceed⁃ings of 81st Annual Meeting Symposium,2013.

翻译：崔弘毅

校核：许传桂

Prioritization of dam safety remedial works using risk Informed decision making

Ellis O'Neil

and Valerie Latour

Nova Scotia Power Inc.

Owners of a portfolio of dams face the difficult challenge of prioritizing a number of dam safe⁃ty deficiencies of varying degrees of seriousness.Regulators and company shareholders demand justifica⁃tion for capital expenditures and transparency in all decision-making.The dam asset manager must be able to summarize and continuously monitor the health and risk of the dams in the portfolio,and be able to convey this information to senior company managers,Board of Directors,and regulators in a manner that is concise and easily understood.

risk;decision making;remedial works;prioritization

TV698.2

A

1671-1092（2015）04-0079-06

2015-03-03

笔者介绍了一种确定大坝安全修复工程优先性的方法，它基于大坝的物理状态、大坝在各潜在溃坝模式下的各设计荷载工况中的病险程度、出现设计荷载工况的概率和大坝溃决的后果。它使用大坝安全复核中已有的信息，不需要再做额外的工程研究。文中还给出了一个标准的电子表格格式，用于存储大坝安全信息并着手风险评估和大坝安全修复工程的优先排序。该电子表格还用于提供优先排序过程中的透明性和总结关于大坝健康的关键信息。大坝资产管理者可使用这些关键信息以一种系统的、透明的方式管理大坝，该方法易于被公司高管、董事会和监管者理解和接受。

This paper presents a methodology for prioritizing dam safety remedial works based on the physical condition of the dam,the degree of deficiency of the dam under design loading conditions for various po⁃tential failure modes,the probability of occurrence of the design loading condition,and the consequenc⁃es of failure of the dam.It uses information that is already available in the Dam Safety Reviews,so no ad⁃ditional engineering studies are required.A standardized spreadsheet format is presented which is used to store the dam safety information and undertake the risk assessment and prioritization of dam safety re⁃medial works.The spreadsheet also serves to provide transparency in the prioritization process,and sum⁃marizes key information about the health of the dams that the dam asset manager can use to manage the portfolio in a structured and transparent manner and is also easily understood by senior company manag⁃ers,Board of Directors and regulators.