水库大坝风险等级评估方法研究及应用

徐 耀 ，常凊睿 ，于凌云

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.北京中水科海利工程技术有限公司，100038，北京；3.中国水利水电第十二工程局有限公司，310003，杭州)

水库大坝风险等级评估方法研究及应用

徐 耀1，2，常凊睿1，于凌云3

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.北京中水科海利工程技术有限公司，100038，北京；3.中国水利水电第十二工程局有限公司，310003，杭州)

结合我国实际，综合考虑水库大坝自身安全以及潜在的溃坝后果，研究提出了一套相对简单和快速的水库大坝风险等级评估方法，包括风险指数快速评估方法、风险评分方法、定量风险评估方法。介绍了该套方法的分析思路与具体内容，详细阐述了对各类评估指标进行赋值的依据或计算方法，并结合某省13座病险水库工程进行了示范性应用。

水库大坝；溃坝；风险评估；除险加固

一、水库大坝风险等级评估方法的提出

我国现有水库9.8万余座，是全世界拥有水库数量最多的国家。传统的水库大坝安全管理是以工程安全为目标，但随着我国经济社会的快速发展，水库大坝安全不仅包括工程安全问题，而且已经成为社会公共安全的重要组成部分。在保障工程安全的基础上，需要更多地关注下游生命、财产、基础设施、生态环境安全，将工程安全和下游公共安全作为一个有机整体考虑，形成系统安全的概念。

大坝风险评估与管理正是在这样的背景下提出的。根据国际大坝委员会（ICOLD）以及澳大利亚大坝委员会（ANCOLD）的定义，大坝风险是指对生命、健康、财产和环境负面影响的可能性和严重性的度量，是不利事件可能性和危害后果的乘积。自20世纪80年代以来，美国、加拿大、澳大利亚、西欧等国家和地区已运用大坝风险评估和管理，代表性单位包括美国陆军工程师兵团（USACE）、美国垦务局（USBR）、加拿大不列颠哥伦比亚水电公司（BC Hydro）等。近年，我国学者对风险分析方法、溃坝损失评价、大坝风险标准、病险水库除险加固排序等开展了一系列研究，并应用于工程实践。其中水库大坝风险等级评估与排序是大坝风险管理的重要方面，既是合理安排加固经费的需要，也是加强安全管理、实现水库大坝风险等级划分、合理制定应急预案的基础。

本文考虑到我国病险水库技术资料和管理现状，充分利用安全鉴定的技术资料，提出了一套相对简单和快速的半定量/定量评估方法，且选择具有潜在最高风险的水库大坝进一步做详细的定量风险评估，并结合某省13座水库进行示范性应用说明。本文提出的水库大坝风险等级评估方法具体包括：

①风险指数快速评估方法。风险指数取决于水库等级、水库下游人口规模、水库库容和大坝高度。基于这些工程基本信息，该半定量的方法可以快速评估各个水库的风险指数以及识别出具有高风险的水库，以便做进一步研究。

②风险评分方法。大中型水库由于其相对较大的库容和下游人口规模，常常被评估为具有高风险指数。水库风险评分不仅与水库溃坝概率有关，而且与溃坝后果有关，从而可以对具有高风险的水库进行定量风险评估以及准确的风险排序。

③定量风险评估方法。溃坝概率计算类似于上述的风险评分方法，改进之处在于通过使用溃坝模型和洪水淹没图来更准确地评估溃坝后果。

二、水库大坝风险等级评估方法

1.风险指数快速评估方法

根据 《水库大坝安全评价导则》（SL 258—2017），大坝安全评价结果分为A、B、C三个等级，可以反映溃坝的相对可能性。由溃坝引起的洪水危险性通过水库库容和大坝高度来反映，溃坝实际损失取决于大坝下游的人口、财产等。大坝的风险指数RI定义如下：

式中，I1反映大坝溃坝可能性的指数，I2反映大坝下游处在风险中的人口规模的指数，I3反映潜在溃坝洪水的危害指数。指数I1取决于大坝安全等级（见表1）；指数I2和I3由以下公式分别估算：

式中，P代表大坝下游人口数量，DP与H分别代表水库库容和大坝高度。

运用上述风险指数快速评估方法对某省7个大中型水库以及6个小型水库进行了评估，结果见表2。风险指数排名前三的水库包括RH水库、QK水库和MY水库。具有最高风险指数的RH水库是一个下游有100万人口规模的中型水库，远远超过了其他大中型水库的下游人口规模。除RH水库之外，其他水库的风险评级主要受到由库容和坝高决定的溃坝洪水影响。因此，使用风险指数快速评估方法时，大中型水库常常得到高风险评级，不论这些大中型水库是否被评定为安全或不安全。由于溃坝可能带来的严重后果，这些大中型水库通常得到优先关注及采取措施，直到定量风险评估表明其风险是在允许范围之内。此外，需要指出的是，理论上I1值对风险指数同样有显著影响，但是本文中13个水库大坝等级都属于C类，因此反映这13个水库溃坝可能性的指数I3值差异较小，导致对风险指数影响不明显。

2.风险评分方法

进一步使用风险评分方法对上述识别出来具有高风险等级的7个大中型水库进行详细的风险评估以及准确的风险排序。水库大坝的风险评分Sr定义如下：

式中，Sp代表溃坝概率，Sc代表溃坝后果。Sp和Sc乘积再乘以10 000，以避免非常小的数字给计算带来不便。

本文利用贝叶斯网络模型计算溃坝概率Sp。溃坝后果Sc为三大主要类型损失的近似线性组合，即生命损失、经济损失与社会环境损失，定义如下：

式中，F1代表生命损失，F2代表经济损失，F3代表社会环境损失；w1、w2和w3代表加权因子，且三者之和等于1。若没有足够的数据用于评估社会环境损失，上述公式可以简化为：

式中，w1′和 w2′是修正后的加权因子，且两者之和等于1。

本文中，对于大型和中型水库，因溃坝洪水造成的生命损失率分别被假定为0.01和0.001；对应的经济损失率分别被假定为0.1和0.01。基于计算的实际值，F1和F2被标准化为0 和 1 之间的值； w1′和 w2′分别被假定为0.8和 0.2。

表3给出了7个大中型水库的第二次风险评估结果。QK水库、MY水库和RH水库位居风险评分的前三位。该排名与表2中的排名略有不同。在表 2中，RH水库风险排名第一，但在表3中排名第三。排名的差异主要是由于在第二次风险评估中对生命损失和经济损失进行了相对更准确的评估。虽然RH水库有最大的下游人口规模，但其生命损失率和经济损失率比QK水库和MY水库溃坝所造成的损失率相对较小。除了QK水库、MY水库和RH水库之外，另外4座中型水库的排名在表2和表3中是完全一致的。

表1 大坝溃坝可能性指数

3.定量风险评估方法

选择具有最高风险评分的QK水库来演示定量风险评估的过程。与上述风险评分方法相比，定量风险评估方法通过使用溃坝模型和洪水淹没图来更准确地评估溃坝后果。溃坝概率与上述风险评分方法中所使用的概率计算值相同，即在水库大坝修补加固前，年计溃坝概率为4.87×10-3。

QK水库的风险评估考虑了两种荷载状态，即洪水期间和晴天运行期间。这两种荷载状态下的溃坝洪水淹没图分别见图 1和图 2。溃坝的生命损失率取决于洪水的严重程度和预警时间，溃坝的经济损失率取决于洪

水的严重程度。QK水库的溃坝后果见表 4。从表4可见，洪水期间导致的溃坝后果远远大于在晴天运行期间发生的溃坝后果。

表2 基于风险指数快速评估方法的13个水库风险评估结果

表3基于风险评分方法的7个大中型水库风险评估结果

表4 QK水库的溃坝后果

图1 QY水库在洪水期间发生的溃坝洪水淹没图

图2 QY水库在晴天运行期间发生的溃坝洪水淹没图

三、结 语

本文系统介绍了一套相对简单和快速的水库大坝风险等级评估方法，包括风险指数快速评估方法、风险评分方法、定量风险评估方法，这些方法可用于对水库大坝风险评估，以识别急需关注和进一步研究的具有高风险的水库大坝，用于确定病险水库除险加固的优先级或先后次序，也可根据需要对某个水库大坝做详细的定量风险评估，用于指导实施风险减缓工程措施或制定应急预案。结合某省13座病险水库工程进行的示范性应用，说明本文所提的方法简便、可行，风险评估结果合理，实用性较好，可服务于水库大坝的风险管理。

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Studies on methods for evaluation of risk level of reservoir dams

Xu Yao,Chang Qingrui,Yu Lingyun

Taking the real condition of China as well as safety of reservoir dams and potential hazard caused by dam failure into consideration,relatively simple and efficient methods for evaluating risk level of reservoir dams have been developed,such as rapid assessment of risk index,risk scoring and quantitative risk assessment.Analytic concepts and specific contents of these methods are introduced with detailed explanation of assignment basis and calculation method for these indicators.Pilot projects have been implemented in a province with selection of 13 reservoirs for risk assessment demonstration.

reservoir dam;dam failure;risk assessment;danger removal and strengthening

TV697.1

B

1000-1123（2017）20-0034-04

2017-09-18

徐耀，博士,高级工程师。

国家重点研发计划（课题号：2017YFC0404803）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项（项目号：SM0145B632017）。

责任编辑 张瑜洪