融合历史溃坝数据的水库大坝溃坝风险演化机制研究

李宏恩，王 芳，赵建国

（1.南京水利科学研究院，210029，南京；2.水旱灾害防御全国重点实验室，210029，南京）

溃坝是人类社会和国际坝工界面临的共同挑战，国内外均有惨痛教训。为深入挖掘历史溃坝数据中的有益信息，探索溃坝风险事件间的互馈响应机制，解决溃坝风险分析中的不确定性问题，本研究在全面收集我国1954年以来历史溃坝案例的基础上，揭示了我国溃坝的主要成因及时空分布特征，通过文本挖掘手段实现了对溃坝概率的定量表征，提出了溃坝灾害链演化概率计算方法，提出了从系统论角度分析溃坝案例的非线性因果分析方法，并从网络结构确定及概率参数确定2 个方面对贝叶斯模型进行了改进，提出了适用于我国溃坝情况的贝叶斯模型构建方法及溃坝路径推断方法。

一、1954—2021 年中国历史溃坝数据统计分析

1.溃坝基本情况统计

1954—2021年，我国水库共溃坝3558座，年均溃坝52.3座，年均溃坝率5.3/10 000，远超国际坝工界公认的1/10 000可接受年溃坝率水平。本研究以年均溃坝率为指标将我国溃坝历史分为3 个阶段，各阶段溃坝统计情况见表1：

表1 1954—2021年3个阶段的溃坝统计

①溃坝高发阶段（1954—1979 年），此阶段溃坝占比81.9%，其中20 世纪70 年代年均溃坝率高达25.3/10 000，主要由于1973 年溃决水库570 座，同时“75·8”特大洪水造成包括1 座大型水库（板桥水库）在内的62 座水库大坝溃决，造成严重生命财产损失。

②显著下降阶段（1980—1999年），此阶段溃坝占比15.3%，得益于我国大坝安全管理相关法律、规章制度不断颁布与完善，以及大坝设计、施工、安全监测、维修养护等体制机制的不断规范。本阶段溃坝率显著降低，降至3/10 000以下。

③渐趋稳定阶段（2000—2021年），此阶段溃坝占比2.78%，年均溃坝率已降至0.4/10 000，低于世界公认的2/10 000的低溃坝率水平，得益于21世纪以来我国水库安全管理规范化、法治化、现代化、信息化进程的不断推进。

2.溃坝成因统计与分析

为了进一步挖掘我国历史溃坝案例中的共性特征，本研究从自然因素、工程因素及管理因素3 个主要方面剖析了历史溃坝案例的成因。根据统计，洪水漫顶、工程质量缺陷和管理不当是导致溃坝的3 个主要原因，合计占比超90%。其中，导致洪水漫顶的主要原因可进一步细分为遭遇超标准洪水、早期防洪标准偏低、施工度汛措施不当、泄洪能力不足、汛期调度不当等；工程质量缺陷则主要指渗透破坏；管理不当导致溃坝的主要原因包括违规蓄水、非法超蓄、人为扒口等。

2000 年以来，我国年均溃坝率大幅度下降，但从溃坝成因来看，近年来溃坝主要呈现以下4个特征：一是超标准洪水成为水库漫顶溃决的主因，超标准洪水导致漫顶溃坝的事件占比由1954—1999年的12.26%增长至2000—2021 年的39.22%，这与全球气候变化导致的极端强降雨等灾害日益频发直接相关；二是水库因工程质量导致的溃坝问题突出，2000 年以来，在我国水库建设与管理趋于规范的基础上，因工程质量问题导致的溃坝占比仍超过30%；三是西部溃坝率较其他地区偏高，其原因主要与极端天气频发、筑坝材料抗侵蚀性差和管理水平落后等因素相关；四是运行管理不当成为溃坝事件重要诱因，溃坝往往并非发生于单一要素，而是复合因素影响，因水库调度不当、维修养护不良、盲目超蓄、闸门操作失灵、无人管理等运行管理问题长期存在，在耦合库水位等运行条件发生改变时极易导致溃坝事故。

3.溃坝时空分布特征分析

导致溃坝的原因除暴雨洪水、地质地貌、河道比降等自然属性因素，以及坝高、库容、坝体结构等工程属性因素外，与人为及管理等社会属性因素也有很大关系，具有典型的时空分布特征。

从时间分布看，按年代统计分析的溃坝结果，我国年均溃坝率随时代发展呈明显下降趋势，主要得益于水库大坝建设和管理技术不断进步，管理制度逐步建立健全，运行管理渐趋规范，管理水平不断提高；同时，随着改革开放后经济社会的快速发展，各级政府财力不断增强，水库管理投入不断增加，维修养护得以正常开展，病险水库得到大规模整治，这些都对控制溃坝事故发挥了至关重要的作用。根据按季节统计分析的溃坝结果，溃坝事故主要发生在汛期暴雨洪水高水位期间，但非汛期违规蓄水、巡视检查和值班制度执行不到位、险情发现和应急处置不及时等人为和管理因素下的社会属性，同样会导致溃坝事故发生，2000年以来非汛期溃坝事故比例明显增加的现象值得警醒。

从空间分布看，根据按地区统计分析的溃坝结果，早期为计划经济时代，全国不同地区经济社会发展水平差异不大，水库大坝安全管理基础薄弱，全国范围各地区溃坝事故均频繁发生，西北、东北地区年均溃坝率高于东中部地区，主要受气候、施工条件和工程地质因素的影响。改革开放以后，西北、东北地区溃坝比例相较东中部地区明显变高，主要体现了溃坝事故空间分布特征的社会属性。西北和东北地区经济社会发展水平相对滞后，水库运行管理投入和专业技术力量不足，运行管理和突发事件应急管理水平相对薄弱，尽管水库大坝数量不多，但溃坝绝对数量和年均溃坝率仍居高不下，要实现“水库不垮坝”的防御目标仍然任重道远。

二、融合历史数据的水库灾害链演化概率计算方法

由溃坝数据统计成果可知，多风险因素耦合的不确定性是溃坝事件的重要特征，也是溃坝风险分析研究中的关键难点。因此，以土石坝溃坝风险为例，重点围绕溃坝风险演化机制展开研究。

1.基于词频统计的溃坝风险事件关联度分析

考虑到掌握的溃坝信息异构性，为了更有效地利用历史数据探究大坝溃坝风险事件之间的互馈机制，采用基于共现理论的词频统计法能够定量表征2个事件之间的关联性。以风险事件i和j进行自身和共现的词频统计后，其关联度Rij计算如下式：

其中，Sij表示风险事件i和j的Salton指数；Γ（i）、Γ（j）分别表示风险事件i和j在同一份语言资料中各自出现的频次；Γ（i）∩Γ（j）表示风险事件i和j在同一份语言资料中共同出现的频次。

为便于后续分析，首先需要建立如图1 所示的网络结构用于进行风险分析，其中A1～C3节点代表了不同的风险事件，其具体建立方法见本章第3节。

图1 土石坝溃坝风险网络结构

基于本研究收集的历史溃坝信息足以形成包含基本溃坝变量的语料库，图2（a）为溃坝风险事件频率矩阵，图2（b）为基于式（1）建立的关联度矩阵。

图2 1954—2021年溃坝变量共现矩阵

2.溃坝风险事件影响度分析方法

采用词频共现统计能够定量表征溃坝灾害风险事件之间的关联程度，依据关联度计算结果，将某一风险事件与其关联风险事件的累加关联度称为该风险事件的影响度DI（i），其具体含义是指溃坝时该风险事件可能被诱发或其诱发其他风险事件的概率大小，也可理解为该风险事件推动溃坝事件发生的能力，计算公式如下:

式中，Rij表示风险事件i和风险事件j的关联度，计算公式见（1），DI(i)表示风险事件i的灾害影响度。表2中列举了1954—1979年、1980—1999年、2000—2021年3个阶段溃坝影响度排前五的风险事件。

表2 3个阶段风险事件影响度计算结果表

3.溃坝灾害链演化概率计算方法

建立溃坝风险网络模型后，由于风险事件间的触发关系已明确，溃坝灾害链则可根据链式法则计算最终演化概率：

式中，P（m-n）表示溃坝灾害链由风险事件m演化到风险事件n的演化概率；i、j表示灾害链m-n演化过程中的中间节点风险事件；P（j|i）表示风险事件i引发风险事件j的传递概率。

表3为不同时期演化概率较高的溃坝灾害链，为水库溃坝灾害发生的关键路径，采取针对性措施阻断灾害链的发展，能够最有效地减轻溃坝后果。

表3 不同时期部分溃坝灾害链演化概率计算结果

三、基于改进贝叶斯的土石坝溃坝风险分析模型

前述研究成果初步验证了文本挖掘在定量表征溃坝概率方面的优势，本章进一步围绕历史溃坝数据的词频统计成果展开研究，并揭示土石坝溃坝的风险演化机制。

1.溃坝案例非线性因果分析方法

土石坝工程作为复杂系统，溃坝过程中风险具有转化、分解、耦合等演化特征，因此，有必要从系统论角度分析溃坝事件，采用系统动力学因果回路分析方法对50个典型溃坝案例展开分析。通过人为定义溃坝不同发展阶段的特征，可以将溃坝过程划分为3 个阶段，即孕灾、致灾及失效阶段。根据溃坝信息中记录的关键事件发生时间确定变量之间的因果关系并绘制了图3 所示的因果回路图，其中节点所代表的风险事件反映了1954年以来历史溃坝的主要风险事件。

图3 基于系统动力学的非线性因果回路分析

2.改进贝叶斯网络模型建立方法

现有研究采用贝叶斯模型进行风险分析时，难点集中于模型网络结构的确定及概率参数的输入上，这主要是由于缺少溃坝分析样本。在前述所建立的因果回路图及关联度矩阵的基础上，通过修正网络、回路统计、概率换算等操作能够确定贝叶斯网络结构和节点输入概率参数。为保证模型修正过程中不受主观经验的影响，规定了如图4所示的网络模型修正规则，通过评价节点中介效应程度判断网络结构中的“边”是否需要删减，通过本研究所提出的方法能够有效减小模型规模，提高运行速度。

图4 网络模型修正规则示意图

3.基于贝叶斯网络模型的溃坝路径推断方法

输入基于历史数据的概率参数后，能够建立适用于我国溃坝风险分析的贝叶斯模型。根据溃坝案例的实际情况，改变不同节点的状态参数并计算节点更新前后的概率变化情况能够获取贝叶斯网络不同层级下最有可能发生的风险事件，采用重要性指标I来衡量节点更新前后的变化程度，其计算公式为：

其中，P（RN｜GN）和P（RN｜GN'）分别为选定节点GN概率改变情况后关联节点RN的条件概率。图5为利用改进的贝叶斯网络进行溃坝路径推断的流程图，通过对比进行节点敏感性分析能够充分利用已知信息获得较为合理的推断。

四、对策建议

本研究通过充分挖掘溃坝历史数据，揭示了我国溃坝分布的典型时空特征，通过案例研究、文本挖掘等手段进一步分析了溃坝链生灾害的孕育、传递和演化机制，提出了溃坝事故成因推断、风险预测的定量方法。基于本项目研究成果，为进一步健全我国水库大坝风险防控体系，针对性提出防范溃坝策略如下。

一是强化大坝全生命期运行管理，健全大坝安全风险防控机制。加快修订与水库大坝安全运行管理相关的《中华人民共和国水法》《中华人民共和国防洪法》《水库大坝安全管理条例》等法规制度，持续完善水库大坝安全管理长效机制；持续强化责任制、注册登记、调度运用、维修养护、安全监测、安全鉴定、应急预案等大坝全生命周期制度执行情况过程监管，不断健全大坝安全风险防控机制。

二坚持工程措施与非工程措施并重，不断强化“四预”措施。高度重视气候变化与强人类活动对水库安全的叠加影响，促进水利、国土、气象等部门信息共享，持续完善雨水情、大坝安全监测，以及防汛交通、通信、报警、照明等管理设施，加强“预报、预警、预演、预案”四预措施，提升紧急情况下水库应急能力，推动“安全管理”向“风险管理”转变。

三是加大科技攻关力度，大力提升水库大坝安全科技保障能力。加快提升水库大坝运行管理与现代信息技术的融合度，以建设智能大坝为总目标，以数字孪生、物联网+、云平台、智能监测、人工智能技术等为核心，应用北斗高精度定位、卫星遥感、无人机摄影、图像识别、机器视觉等现代高新技术与机器学习、数据挖掘等智能分析算法，提升数字赋能水平，提升全要素信息感知、智能分析研判、快速预测预警能力，通过科技创新攻克制约水库大坝安全保障和提质增效的技术瓶颈，进一步提升水库大坝安全科技保障能力。