甘肃省淤地坝工程的溃坝风险评价模型

马 瑞, 张 富, 周 波, 吕彦勋, 王玲莉, 赵秀兰

(1.甘肃农业大学 林学院, 甘肃 兰州 730070; 2.甘肃省水利科学研究院, 甘肃 兰州 730030)

淤地坝是黄土高原水土流失地区控制沟道侵蚀的一项重要工程措施[1]，具有拦泥保土、淤地造田、减灾、以坝代路、解决干旱缺水、优化土地利用结构、促进农村经济发展等多种作用[2-3]。淤地坝的安全运用对于滞洪排清、淤地造田、减轻汛期山洪灾害等具有非常重要的作用。然而，由于没有风险评价数据的支撑，各地在淤地坝功能的全方位发挥以及提质增效措施的实施上遇到了难题，尤其是在用水问题上，出现了生产缺水和有水不敢蓄、有水不敢用的矛盾，同时在淤地坝功能的发挥及风险规避上也缺少管理依据，因此，很有必要开展淤地坝风险诊断与评价研究，以判断淤地坝工程发生溃决可能性的大小，为淤地坝运用、风险管控及其水土资源利用提供技术支撑。淤地坝风险评价是通过分析溃坝原因，筛选出淤地坝溃坝风险影响因子，如淤积库容、滞洪库容、坝体稳定性等，借助层次分析法确定各因子权重，从而构建评价模型对淤地坝的溃坝风险进行综合评价和诊断的技术方法[4-9]。从发表文献来看，已有研究所构建的指标体系因流域差异而不尽相同，如王丹等[4]对西吉县车路沟流域坝系溃坝风险的评价采用的一级指标有工程风险、管理风险、经济风险和结构风险，而杭朋磊[5]对韭园沟流域坝系溃坝风险评价采用的一级指标则减去了结构风险，增加了环境风险。目前，以王茂沟流域淤地坝坝系为对象开展风险诊断和安全运行的研究最多，但因关注点的不同，各自建立的指标体系差异也很大，如杨瑞等[6]和袁水龙等[7]建立了漫顶溃坝、渗流破坏、失稳溃决、结构破坏、管理因素共5个一级指标和滞洪洪水、剩余库容等14个二级指标来分析坝系的安全运行情况；钟少华[8]建立了坝体病险、放水建筑物病险、溢洪道病险、剩余库容共4个一级指标和裂缝、滑坡坍塌等11个二级指标来分析坝系的溃坝风险；段茂志[9]则建立了水文风险、工程风险2个一级指标和基础防渗质量、坝坡稳定等9个二级指标来评价临发暴雨过程中的溃坝风险指数。本研究通过对甘肃省淤地坝风险状况调研，基于工程设计及现状分析对淤地坝工程溃坝评价指标和评价模型展开了进一步研究，构建了以水文风险、运行风险、管理风险和工程风险4个模块组成，包含16个具体评价指标的淤地坝工程溃坝风险评价模型，以期通过模型的应用为甘肃省淤地坝运用管理、安全行洪、蓄水利用、坝控区生态环境建设与发展等提供风险评价和风险防控基础数据。

1 淤地坝工程风险因素调查与指标体系构建

淤地坝工程风险影响因素调查通过现场调研、专家座谈及资料查阅等方式进行。于2020年7月下旬至8月上旬，共计现场调研了甘肃省庆阳、平凉、天水、白银、定西、临夏和兰州市共7个市州的9座淤地坝工程的风险问题。通过座谈对各市州淤地坝运行管理、除险加固、蓄水利用等情况进行了详细询问和探讨。截至2020年12月底共收回“××市(州)××县(区)淤地坝风险评价数据库”表格926份。对调研数据进行梳理后构建了淤地坝工程溃坝风险指标体系。

1.1 工程水文风险

经分析探讨，将工程水文风险指标确定为泥面/水面到拦泥坝高的距离(Δh)和有无溢洪道2个指标。

1.1.1 滞洪库容与工程水文风险 实际滞洪库容是淤地坝抵抗洪水风险能力的关键，与坝库淤泥、蓄水状况有直接关系，存在两种情景。①情景1：汛前不蓄水。此时，当泥面在拦泥坝高以下，则实际滞洪库容=设计滞洪库容+剩余淤积库容；而当泥面在拦泥坝高以上，则实际滞洪库容=设计滞洪库容—超出的淤积库容，即淤泥挤占了滞洪库容(防汛库容)，构成水文风险，高出越多，风险就越大。②情景2：汛前蓄水。适用于存在死库容的淤地坝以及人工蓄水的淤地坝。汛前，当水位控制在拦泥坝高以下时，相当于占用了拦泥坝高以下的部分死库容而未挤占滞洪库容，这时候淤地坝按设计是相对安全的；但如果汛前水位超过拦泥坝高，则会挤占滞洪库容，此时构成不安全因素。在情景1，2中，设泥面/水面到拦泥坝高的距离为Δh，Δh=泥面高/水面高—拦泥坝高，则当Δh为正值时，构成工程水文风险。

1.1.2 溢洪道与工程水文风险 有溢洪道对排洪来说是双保险，可实质性降低溃坝风险；无溢洪道时，溃坝风险相对增加。

1.2 工程运行风险

工程运行风险确定为剩余淤积库容、剩余淤积年限和有无防汛道路共3个指标。其中，剩余淤积库容可用于衡量淤地坝实际能够多承载的洪水的量，是影响工程运行的主要风险因子。对于淤积库容来说，一般设计淤积年限为10～20 a，但随着坡面治理，侵蚀模数可能从5 000～8 000 t/(km2·a)下降到2 000～3 000 t/(km2·a)，因此到设计淤积年限不一定能淤满，但是，即便原来设计20 a的淤积库容到了30 a还没淤满，保20 a土壤不流失的任务已完成，后面属于超期服役。就工程设计而言，越接近设计淤积年限，淤积库容越小，淤地坝运行风险也就越大。据此，剩余淤积年限也可作为运行风险指标。防汛道路属淤地坝配套工程，保证了发生暴洪时抢险人员和设备能够及时到场，没有防汛道路时构成工程运行风险。

1.3 工程管理风险

工程管理风险指标确定为有无预警系统、有无3个管理责任人(行政责任人，技术责任人，管理责任人)和有无防汛预案共3个指标。汛期，暴雨过后，淤地坝卧管孔塞应该打开及时放水。如果前一场暴雨造成水位已经上升，应在第二场暴雨来临之前尽快排空以腾出滞洪库容。如果不排而挤占滞洪库容，则下一场暴雨来时，就会形成“人为超标洪水”。因此，在管理工作中，如果预警系统已经建立，3个管理责任人配备到位，在汛期暴洪发生后或水位上涨时，能够及时打开卧管孔塞，正常维护，则淤地坝一般不会出问题。防汛预案是为了安全度汛，督促检查防汛措施和实施汛期应急救援工作而制定，缺少防汛预案时，构成管理风险。

1.4 工程风险

经过对已有研究的分析和探讨，认为段茂志[9]所建立的工程风险指标对淤地坝的工程风险问题覆盖全面，层次清晰，用该指标对王茂沟流域临发暴雨中的溃坝分析结果合理，经评估本研究确定直接采用这一工程指标模块，不再另行设定。该指标模块分为工程质量风险、结构安全风险和渗漏安全风险3个一级指标，其中工程质量包括基础防渗质量、坝体防渗质量和填筑质量3个具体指标；结构安全包括坝体变形和坝坡稳定性2个具体指标；渗漏安全包括坝基渗漏、坝肩渗漏和坝体及防渗体渗漏3个具体指标，具体指标分析见文献[9]。

综上所述，本研究共建立了由2个水文风险指标、3个运行风险指标、3个管理风险指标、8个工程风险指标，共16个指标组成的淤地坝溃坝评价指标体系。根据16个风险评价指标的层级关系，建立了由目标层(A)、中间层(B和C)和指标层(D)组成的层次结构指标体系(图1)。

图1 淤地坝工程溃坝风险评价指标体系

2 指标权重确定

淤地坝工程16个溃坝风险评价指标对淤地坝溃坝的贡献率，即权重采取专家打分及评议的方法确定。层次分析法是结合专家经验的定性和定量分析相结合的数学工具，可将复杂的决策问题作为一个系统分解成目标、准则、指标等递进的层次结构，通过专家评分对各项目进行两两矩阵判断及一致性检验，由数学方法算出各项目对于总目标的指标权重[4-9]。依据淤地坝溃坝风险评价指标体系构建评分矩阵，邀请各市州共计30位淤地坝专家根据经验对每一层次指标相对于它所属上一级指标的重要程度进行两两比较，然后根据重要性等级及评分标准(表1)进行打分。

表1 评价系统重要性等级及参考评分标准

对评分进行数据处理，对判断矩阵进行层次单排序一致性检验和层次总排序一致性检验，以确定指标间的相互关系可以定量传递。淤地坝工程溃坝风险评价指标层次总排序计算结果详见表2。

表2 淤地坝工程溃坝风险评价指标层次总排序计算结果

3 模型架构

(1) 输入模块。在输入模块中输入提前运算得到的16个风险指标得分值xi或直接输入基础数据。当选择输入基础数据时，系统需要通过简单运算得到风险指标得分值xi，此时在输入时需输入相应参数并定义运算法则。

(2) 分析模块。以D层各风险指标权重ki为系数，以各指标得分值xi为未知数，以淤地坝溃坝风险运算值y为模型输出项，构建分析模块为：

式中：y表示淤地坝工程溃坝风险运算值；xi为风险指标Di的得分；ki为xi的系数,i=1,2,3，…，16。

(3) 输出模块。输出模块的功能是根据淤地坝工程溃坝风险运算值y的大小确定淤地坝溃坝风险等级，并根据风险等级发出相应等级的预警。风险等级3为低风险，2为中风险，1为高风险。淤地坝工程溃坝风险等级划分及预警等级详见表3。

表3 淤地坝工程溃坝风险及预警等级划分

对输入模块、分析模块和输出模块进行集成，完成模型的构建，建成的模型架构详见表4。

表4 淤地坝溃坝工程风险评价模型架构

4 淤地坝工程汛期风险指标评分方法

淤地坝工程汛期风险指标Di的得分，即xi值是对每个具体参评的淤地坝的工程现状以分值的形式给出的评价，通常采取专家打分法确定。本研究中16个溃坝风险指标的评分标准详见表5，每个指标风险分的取值范围均为1～9。其中，对水面/泥面到拦泥坝高的距离Δh评分时，需分两种情况作出评分：当Δh为负值时，也就是说蓄水/淤泥不会影响到滞洪库容时，评分直接记作0，而当Δh为正值时，评分则由Δh/(坝高—拦泥高度)的比值确定；剩余淤积年限由评价年份、建坝年份和设计淤积年限计算所得，即剩余淤积年限=评价年份-(建坝年份+设计淤积年限)；剩余淤积库容的评分由剩余淤积库容/设计淤积库容的比值确定；其余指标根据危险级别给出评分。需特别说明的是，溢洪道、防汛道路、预警系统、3个管理责任人的评分需要先确定有或无，有则记作0分，无则按表5评分。

表5 淤地坝工程溃坝风险指标的评分标准

5 讨论与结论

5.1 讨 论

淤地坝是黄土高原区小流域水土流失治理的重要工程措施，对其运用过程中的溃坝风险的识别和研究极为重要。本研究所构建的淤地坝溃坝风险评价模型由风险指标体系构建、运算法则、风险指标赋值三部分组成。其中，模型中风险指标的选择和权重的确定是决定淤地坝风险评价结果可靠性的关键。本研究采用调研、专家打分、层次分析、评议等方法建立了甘肃省淤地坝工程溃坝风险评价指标体系并确定了指标权重。16项风险评价指标中，即有定量指标，也有依据危险级别判断结果进行量化的定性指标，如基础防渗质量、坝体防渗质量、填筑质量等。指标体系包含4个一级指标，这4个一级指标分别是对水文、运行、管理和工程质量的风险评价，涉及的风险类型全面，能够综合反映淤地坝工程的溃坝风险。

本模型既是对溃坝风险的评价，也是对蓄水利用安全性的评价。因此，所采取的水文风险指标与段茂志提出的临发暴雨中的水文风险指标[9]不同，本研究中的泥面/水面到坝顶的距离是对汛前状态的衡量，为静态指标，其实质是通过对滞洪库容的影响来反映当发生降雨事件时坝库的蓄水及泄洪能力。几乎在所有关于淤地坝风险评价的文献中，工程风险都是占比最高的风险类别[4-9]，也就是说使淤地坝发生溃坝的最大风险因素是坝体自身的不稳固。然而，尽管各地正常运行的淤地坝都是通过验收交付使用的质量合格的坝，但在运行过程中受水力侵蚀、鼠洞、蚁穴、不均衡碾压等多种因素的影响，难免会出现侵蚀沟、洞穴、裂缝等过水通道以及严重影响坝体安全的变形问题[7,9]，而这些问题得不到及时补救则与管理有关[10-13]，因此，加强管理意识、增加管护经费、提高坝体安全是淤地坝安全运行的重要保障。

5.2 结 论

研究通过现场调研、专家打分、层次分析、专家评议等多种形式对甘肃省淤地坝工程溃坝风险指标和指标权重进行了研究，构建了甘肃省淤地坝工程溃坝风险评价模型。该模型由水文风险(B1)、运行风险(B2)、管理风险(B3)、工程风险(B4)共4个风险类型模块(权重分别为0.12，0.13，0.12，0.63)组成，各模块又分别包括2，3，3，8共16个具体评价指标；水面/泥面到拦泥坝高的距离(D1)、剩余淤积库容(D4)、有无3个管理负责人(D7)、坝体变形(D12)分别是4个风险类型模块的最大权重评价指标，分别占各自模块权重的69.23%，61.53%，53.85%，0.22%，合计占16个指标总权重的38.00%。权重在0.09以上的指标共计6个，对淤地坝工程溃坝风险起主要把控作用。本研究对各指标的评分标准作了规定，依据综合风险得分将输出的风险等级和预警等级划分为3级。模型由输入、分析和输出3个模块组成，层次清晰，架构明确，模型的构建可为汛前淤地坝工程风险的评价提供实时预警数据，使淤地坝兴农、两不误。