堤防工程险情风险评估与管控研究进展

关键词：堤防工程；险情；灾变机制；不确定性；风险评估；风险管控

中图分类号：TV87 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0001-13

堤防是中国防洪工程体系的重要组成部分，具有抵御洪水和保护人民生命财产与生产安全的重要功能［1］。截至2022年年底，全国共建成5级及以上各类堤防设施达33. 06万km，保护人口6. 82亿和耕地6. 29亿亩［2］（1亩约等于667 m²，下同）。然而，目前堤防工程防洪标准普遍偏低，并且受限于堤身填筑施工工艺和历史条件，存在堤基结构复杂和堤身材料参数特性不确定性大等问题，致使大量堤防工程存在失事风险和重大险情。例如，1998年长江流域发生超大洪水，诱发堤防险情9000多处，淹没耕地300多万亩，受灾人口近1亿，直接经济损失约1500亿元［3］。2020年江西省鄱阳湖流域多座堤防发生溃决，其中发生决口险情的圩堤有14座，包括2座万亩圩堤（问桂道圩堤和中洲圩），受灾人口达625886人，紧急转移安置群众71012人，农作物受灾面积达50. 2万亩，直接经济损失5. 5亿元［4-5］。因此，亟需深入开展堤防工程险情风险评估与管控研究。

堤防工程赋存环境条件是决定能否发生堤防险情的先决条件［6］。由于堤防工程经历多次填筑，且堤基受长期固结沉降作用，所以堤身/堤基土层空间分布及土体参数存在较大不确定性［7-8］。再加上地震、极端强降雨等外荷载因素的复杂性和随机性，明显增加了堤防险情赋存环境识别和表征、堤防险情灾变机制研究的难度。目前国内外学者采用理论分析、物理模型试验和数值模拟方法在堤防工程失事模式、险情判别和控制等方面开展了一系列研究，并揭示了洪水漫溢和渗透破坏是引起堤防失事的主要原因［9-10］，同时也常伴随着管涌和散浸等其他堤防险情［11］。但是，当前研究没有充分考虑堤防工程堤身/堤基材料性质的不确定性和参数空间变异性特征，不能较好地模拟洪水漫溢和渗透破坏等引起的堤防工程溃决大变形破坏和洪水演进过程，导致无法精准进行防灾预警工作。因此，迫切需要对堤防工程赋存环境进行准确识别和定量表征，并阐明堤防险情灾变机制，这对于堤防险情风险评估和管控及指导险情处置至关重要。

另一方面，堤防工程失事后造成的破坏后果和损失不容忽视，主要分为生命损失、经济损失以及社会与生态环境损失［12］。虽然国内外学者们建立了各类堤防险情后果损失评估方法，并且从人为因素占主导的定性-定量分析方法逐渐转变为可考虑多种不确定性因素的风险评估方法，但是当前仍是以统计分析为基础的半定性半定量方法为主，缺少一套系统、科学、可操作性强的风险定量评估方法。其主要原因是考虑的风险因子不够全面，并且缺少堤防工程全生命周期的风险评价体系。对堤防工程材料的不确定性和土体参数空间变异性定量表征困难［13-14］，堤防工程失事溃决后洪水灾害演进过程及其对承灾体的影响范围和作用强度不能准确定量描述。

综上，为了进一步提高中国堤防工程险情风险管控能力，降低堤防工程失事造成的损失，落实预报、预警、预演、预案这“四项”防御措施一直是防灾减灾部门关注的重点。深入研究堤防险情赋存环境识别和表征，可获得大量有效数据，从而实现精准的灾害预报和预警工作。同时，深入研究堤防险情灾变机制与演变过程以及后果分析与风险评估，可前瞻性地对受灾区域进行有效的灾害预演，进而制定有效的风险管控预案，对于保障堤防工程安全运行与险情防控具有重要的科学意义和工程价值。为此，本文针对堤防工程赋存环境不确定性表征、堤防险情灾变机制、风险评估与管控难题，分别从堤防险情赋存环境识别和表征、堤防险情灾变机制与演变过程、堤防险情后果分析、堤防险情风险评估及堤防险情风险管控这5个方面的研究进展进行了文献调研和实地考察，指出了当前研究存在的不足，并初步总结归纳了堤防工程险情风险评估与管控领域未来重点研究内容，期望为堤防险情风险评估与科学防控提供参考。

1堤防工程险情风险评估与管控研究进展

通过文献调研、数据统计、理论分析和实地考察，得出目前堤防工程险情风险评估与管控研究框架，见图1。下面从5个方面进行概述。

1. 1堤防险情赋存环境识别和表征

堤防险情发生类型和失事模式不仅与水文信息（洪水水位波动）、极端降雨和地震等外荷载因素息息相关［15-16］，还受到堤基/堤身结构及土体性质不确定性等内在因素的影响。一方面，堤身在洪水长期浸泡作用下，土体强度降低，在未加防护措施的情况下易受水流侧向冲刷，堤身变薄和堤岸抗冲刷能力下降，为渗流侵蚀创造条件。此时，不仅在堤防工程背水坡发生渗漏、流土和管涌等险情［7］，而且在临水坡也会因河流冲刷、波浪掏刷出现崩塌等险情，最终导致堤岸发生失稳破坏［17］。图2给出了堤防工程渗漏、崩岸、管涌和渗流共4种险情示意图。另一方面，堤基土体通常由新近堆积的粉土和细粉砂等物质组成，在地震、振动等作用下易发生液化现象，抗剪强度降低和承载能力丧失，从而引起堤身上部出现不均匀沉降而失事［18］，严重时会导致整个堤防工程发生溃决破坏，完全失去抗洪能力。

因为堤防工程的修建大多就地取材，堤身材料的性质差异性明显和空间分布不均匀性强，并且历经多次填筑加固，使得堤身结构和密实度等参数存在较大的不确定性［7，19］。目前一些学者采用随机场理论和有限元数值模拟手段，深入探索了土体参数空间变异性与堤防工程安全性之间的作用机制。例如，宋轩等［20］基于随机场理论表征堤防工程中岩土体参数的空间变异性，并结合Monte Carlo模拟方法对堤防岸坡进行可靠度分析。兰滔等［21］结合现场监测资料和有限元数值模型，对加高培厚堤土体参数空间变异性进行定量表征和沉降预测，较好地量化了土体参数空间变异性对加高培厚堤防最终沉降量和沉降稳定时间的影响，为加高培厚堤防风险评估提供了基础条件。Chi等［13］提出了一种考虑土坝渗流参数空间变异性的概率反分析方法，并评估了土坝安全系数和失效概率，但是该方法没有充分考虑非稳态渗流的影响。Robbins等［14］采用随机有限元法表征岩土体渗透系数空间变异性，并评估其对反向侵蚀管涌的影响规律，进一步阐明了反向侵蚀管涌的致灾机制。Jiang等［22］针对非饱和路堤边坡渗流稳定性问题，充分考虑了土体参数（抗剪强度和水力参数）的空间变异性，提出了一种非侵入式可靠度分析方法，为定量计算非均质边坡的稳定性和可靠度提供了新方法，极大地促进了堤防工程风险定量评估研究。

综上可见，堤防工程填筑工艺、堤身结构特征、筑堤材料性质及其参数空间变异性是造成堤防险情的主要内在因素。虽然目前堤防险情赋存环境识别和表征研究取得了可喜的进展，不仅考虑了地震、极端降雨和洪水水位等外荷载因素对堤防险情的影响，采用室内物理模型试验研究了不同外荷载作用下堤防险情的成灾机理和灾变机制，而且考虑堤基材料性质和堤身土体参数的不确定性，采用有限元法、颗粒流等数值模拟手段进行了堤防险情发展全过程模拟及失效概率分析，但是当前研究仍存在以下不足。①水文信息、降雨和地震等外荷载因素的随机性较强，无法准确地预测其对堤防工程安全性的影响，进而不能为预防堤防工程险情提供有效的措施。②堤基大多为天然堤基，经历长期的固结沉降作用，并且堤身填筑过程中难以保障严格规范的设计和施工，导致堤身土体密实度、水力和强度等土工参数存在较大的空间变异性。同时，由于缺乏足够的土工参数资料，导致对堤防工程赋存环境的不确定性研究远远不够。③堤防险情的发展是一个随机过程，各因素间相互作用复杂，而关于特定赋存环境条件及其组合关系下堤防险情研究较少。尤其对堤防险情从发生至溃堤的致灾条件、演变过程、灾变机制和险情危害等认识尚不清楚，致使在防汛抢险过程中仍以经验和定性分析方法判断堤防险情为主，难以准确研判堤防险情的发展趋势。

在可预见的将来，中国还可能遭遇极端降雨和更大范围的流域性洪水，未来重点研究内容应包括：①需要充分考虑因筑堤材料碾压密实度不均匀造成的堤身性质不确定性和土体参数空间变异性，实现对堤基材料、堤身土体水力和强度等参数空间变异性定量表征，进而揭示其对堤防工程险情类别、失事模式和灾变机制的影响；②融合现场试验数据、勘察资料、堤身变形、水头和孔隙水压等监测资料与观测信息进行参数概率反分析，降低堤防工程中赋存环境不确定性对堤防工程安全运行的影响，并提前预警预报极端降雨和超标准洪水发生的时间，进而制定相应措施降低极端降雨和超标准洪水对堤防工程造成的潜在危害。

1. 2 堤防险情灾变机制与演变过程

堤防工程一旦失事发生溃决破坏，会引发洪水灾害，威胁保护区内人民生命财产安全，因此厘清堤防工程灾变机制与演变过程对于保障堤防工程正常运行与指导工程应急抢险具有重要意义。由于影响堤防工程安全运行的不确定性因素较多，并且同时考虑各种因素比较困难，因此将堤防工程按照失事模式进行分类有利于进行堤防工程安全分析［17］。通过文献综述发现堤防工程主要失事模式包括洪水漫溢、洪水漫顶、渗透破坏（管涌、流土、散浸）和岸坡失稳等［23-24］。图3给出了堤防工程常见的4种失事模式。其中洪水漫溢和渗透破坏引起的堤防工程失事占比80%以上，是导致堤防工程失事的主要模式［9］。

尽管目前国内关于大坝工程灾变机制与演变过程研究取得了丰硕成果，尤其在面板坝、高心墙坝及堰塞坝等坝体溃决机理和溃坝过程模拟研究方面处于世界领先水平［25-27］，而在堤防工程溃决灾变机制方面研究比较薄弱。虽然大坝和堤防在溃决机理和洪水演进方面虽然存在一定的相似性，但是二者也存在明显差别。比如，大坝溃决洪水流动方向常垂直大坝轴线，而堤防溃决水流一般为侧向运动；溃坝水位降落快，溃堤水位降落慢。此外，不同堤身材料的堤防工程受水流侵蚀后的溃决机理与演变过程也存在较大差异，黏性土材料堤防工程的溃决过程表现为“陡坎”冲刷模式，而非黏性土材料堤防工程溃决过程以表面侵蚀后退模式为主［28］。因此，不能直接套用大坝溃决机理和演变过程的相关成果来分析溃堤机理和演变过程。为此，物理模型试验和数值模拟方法逐渐被广泛应用于堤防工程溃决机理和演变过程研究中，一定程度上促进了这一薄弱研究的发展。其中，邬爱清等［29］系统研究了管涌、崩岸、接触冲刷及堤防溃决4种典型险情的致灾机制，进一步促进了堤防工程安全分类、堤防险情演化机理和智能化监测与信息化预警等方面的发展。Van Beek等［30］对比室内试验与数值模拟结果，构建了模拟管涌形成过程的模型，并阐明了管涌产生和发展的控制方程。彭斯格［31］在双层堤基堤防工程中开展了考虑覆盖层薄弱程度的管涌试验，研究了覆盖层不同薄弱程度下发生管涌破坏时出口附近砂粒的运动特性与演化规律，但对于管涌破坏过程中松散区扩展变化模型及破坏模式的差异性仍需进一步深入研究。刘阳等［32］在分析大量管涌险情研究成果上，归纳了国内外管涌过程模拟的有限元、离散元等数值方法的优势和不足，为堤防险情灾变机制与演变过程研究提供了帮助。

虽然堤防岸坡失稳在堤防失事模式中占比比较小，但是堤防岸坡失稳易引发涌浪等次生灾害，造成巨大的生命和经济财产损失，因此该失事模式已逐渐成为堤防险情灾变机制与演变过程研究中的重要内容。常见的堤防岸坡失事模式包括堤防岸坡滑动破坏和冲刷崩岸。其中，堤防岸坡滑动破坏是指堤防岸坡在降雨等外荷载作用下发生滑动破坏的现象，常用的分析方法包括极限平衡法和有限元强度折减法。与极限平衡法相比，有限元强度折减法能更好地求解复杂边界条件下边坡稳定性问题［33］。另外，一些学者开展室内模型试验研究了堤防岸坡滑动破坏的成因与模式，揭示了降雨与蓄水作用下堤防岸坡滑动破坏机理。冲刷崩岸是指在重力作用下堤防土体受水流冲刷、掏蚀后，岸坡出现崩塌、崩落破坏等现象，国外较早开展了针对堤防崩岸坡体稳定性的理论与试验研究，探索了河流崩岸机理及防治措施［34-35］。国内学者近年来系统梳理了堤防崩岸类型及分类，阐明了崩岸形成过程、影响因素和演变规律［36-37］。

综上可见，堤防险情灾变机制与演变过程研究仍存在以下不足。①物理模型试验方法受比尺和模型边界的影响，往往模拟范围较小，且无法模拟上下游给水状态与渗流过程的真实状态，难以准确揭示堤防灾变机制与演变过程。数值模拟方法难以实现对堤防工程失事后大变形全过程的模拟。在堤身土体被侵蚀和变形逐渐增大的过程中，不仅需要考虑渗透水流对土颗粒侵蚀的作用，而且还需要重点关注孔隙度变化、土体颗粒粗化等因素对土体参数变化的影响，从而对堤防工程中渗透水流过程产生反馈。②目前在基于数值模拟方法的堤防险情失事模式研究中，主要进行了渗流特征分析，并侧重于模拟险情形成条件和发展过程，没有充分考虑堤防险情发生演化过程中水流动力学及连续与非连续力学机理。因此亟需在细观尺度和水-土耦合机制的研究基础上，揭示大尺度条件下管涌等险情的形成机制和致溃条件，进而建立相应的随机力学模型。当堤身土体变形引起堤防结构失效时，渗透破坏已由“土中水”转变为“水中土”，然而现有数值模拟技术难以实现对这一阶段灾变机制与演变过程的模拟。

针对当前堤防险情灾变机制与演变过程研究存在的不足，未来重点研究内容应包括：①应针对不同工程等级的堤防工程，开展不同尺度的物理模型试验，分析不同尺度条件下堤防工程失事模式和条件，进而建立堤防灾变机制与尺度之间的联系，降低物理模型试验的尺度效应，为揭示堤防工程灾变机制与演变过程奠定基础；②应针对现有数值模拟技术难以实现对堤防失事大变形阶段模拟的难题，阐明基于堤身内部土体侵蚀过程的土-水耦合机制，建立一套能模拟堤防工程从失事启动至结构失效全过程模拟方法；③将建立的堤防工程从失事启动至结构失效的全过程模拟、物理模型试验结果和工程实际相结合，并相互验证，进一步阐明堤防工程灾变机制与演变过程。

1. 3堤防险情后果分析

堤防工程发生失事溃决后，会对防护区域（保护区）内人民生命、财产安全及建筑物等基础设施的正常运行造成重大损失。例如，2016年6月20日鄱阳湖区鄱阳县向阳圩发生决口，见图4a，圩堤内1. 03万亩耕地受淹，1. 3万名群众紧急转移。2020年7月8日鄱阳县问桂道圩发生决口，见图4b，造成圩堤内1. 5 万亩耕地受淹，9000余名群众紧急转移。2020年7月12日永修县修河三角联圩出现溃决险情，见图4c，决口长度已经扩散到200余米，共紧急转移群众23 411人。堤防工程失事后果主要包括三部分，即生命损失、经济损失、社会与生态环境损失［38-39］，图5为堤防险情后果分析结构。

在堤防工程发生溃决时，影响生命损失的影响因素主要包括洪水参数、风险人口、警报时间和暴露因素等。近年来，生命损失后果评估研究逐步得到国内外学者的重视，并相继提出了一系列评估方法。例如，邢万波［40］采用故障树分析方法对单元堤段的不同失事模式进行分析，建立了单元堤段分项失事模式风险率计算模型。王小兵等［41］分别从堤防工程失事模式、风险因子划分和险情风险评估方法等方面进行了综述，并指出中国堤防工程风险评估方面存在的不足。同时，国外也已提出了多种生命损失后果评估方法，并采用可接受伤亡风险率建立了人员生命风险标准［42-43］。如Brown等［44］制定了可评估单个水坝失事对人员生命构成威胁的程序，并建立了影响溃坝造成生命损失的变量概念模型，进而提出了一种基于面临溃坝风险的人口数量和预警时间方法。经济损失具体可分为直接经济损失和间接经济损失。其中，直接经济损失主要包括堤防工程本身的结构破坏、堤防工程破坏后对下游淹没区造成的损失及工程收益。目前估算直接经济损失的方法有分类损失率、人均综合损失和单位面积综合损失法。而间接经济损失评估则比较复杂，常用的估算方法主要有直接估算法与系数法。如蒋水华等［12］通过MIKE 21 模型建立了鄱阳湖康山大堤蓄滞洪区的洪水演进模型，并开发了相应的经济损失评估方法。社会与生态环境损失由环境污染损失和生态破坏损失构成，相较于生命损失和经济损失评估，社会与生态环境损失评估过程更为复杂，涉及的影响因素更多，且覆盖面更广。目前国际上主要采用定性方法进行社会与生态环境损失评估。国内在研究堤防溃堤后的社会与生态环境损失方面，起步较晚，相关的研究成果较少。

综上可见，目前关于堤防险情后果分析存在的不足主要如下：①堤防工程防护区域洪水演进过程研究薄弱，对防护区域洪水演进过程进行精细化模拟是确定堤防溃决后淹没范围、淹没水深等信息的关键，然而由于防护区域地形复杂、堤防工程赋存环境不确定性大和质量差别明显，致使堤防工程失事后的洪水演进过程十分复杂，且难以建立统一的洪水演进计算模型，从而限制了相关研究的发展；②缺少一套比较完整、科学的、可操作性强的堤防工程险情后果综合评估方法和衡量标准。现阶段堤防工程险情生命损失、经济损失以及社会与生态环境损失定量评估方法发展不成熟，仍以传统的半定性半定量方法为主，无法实现精细化定量评价，尤其对间接经济损失和社会与生态环境损失的评估研究不够。

针对当前堤防险情后果分析研究存在的不足，未来重点研究内容应包括：①针对不同规模堤防工程防护区域的实际情况，借助水动力学模拟软件建立切实可行且适用性强的洪水演进计算模型，进而基于现代信息技术准确计算堤防工程溃决后的淹没范围、淹没水深等信息，为堤防工程险情后果定量评估奠定基础；②根据防护区域社会经济发展状况，通过模拟和预测堤防工程可能发生的不同险情（包括次生灾害），发展堤防工程险情后果损失综合评估方法，并结合洪涝灾害特点、堤防溃决后的淹没范围和淹没水深等信息，定量评估堤防工程险情生命损失、经济损失及社会与生态环境损失，并建立一套科学统一的衡量标准；③充分考虑极端降雨事件等因素对堤防工程溃堤洪水演进过程的影响，并进行全过程精细化模拟，进而结合现代信息技术建立不同极端气候条件下堤防工程险情后果定量评估模型。

1. 4堤防险情风险评估

堤防险情（如管涌、漫顶、崩岸、散浸等）风险定义为堤防工程失事概率与所造成险情后果的乘积。一般风险是指以下因素的集合，见式（1）。

当前堤防险情风险评估是针对堤防工程可能存在的险情，并结合堤防工程中各类风险因子，基于长期积累的专家知识经验，运用归纳、演绎和总结等方法分析堤防工程运行过程中的风险，进而提出应急预案和采用各种管控技术进行风险防控与决策。堤防险情风险评估关键环节和组成部分主要包括5个环节，见图6。

目前国内外堤防险情风险评估研究历史较长，最早是由于美国等发达国家发生了较为严重的溃坝事故，进而开始溃坝风险分析［45］。随后Gillis等［46］首先提出风险概念，并采用相对风险指数作为大坝风险衡量的标准。1991年，Hydro公司首先在大坝风险评估中采用概率分析方法［47］。1994年，在由澳大利亚大坝委员会编制的《大坝风险评价指南》中，提出了大坝风险评价的相关基础概念，为堤防险情风险评估研究提供了参考。国内堤防险情风险评估研究虽然过去较长时间滞后于国外，但是从长江流域遭遇巨大的洪水灾害后，国内研究者在堤防工程风险评估方面开展了深入研究，并取得了丰富的研究成果［48-52］。例如，王亚军等［53］在考虑堤防工程水、土两相系材料特点的前提下，采用层次分析法和模糊一致理论，构建了模糊综合评判系统结构模型，为实现堤防工程全面风险分析提供一种有效手段。焦小超［54］基于国内外堤防工程失事风险成果，从堤防工程典型失事模式和失事风险因素出发，采用蒙特卡洛模拟法绘制堤防工程脆弱性曲线，进而分析堤防工程的安全状态。杨子桐等［49］建立了包含荷载作用、堤身特性等5个方面和20项指标的堤防工程风险评价指标体系和云模型评价方法，但该评价体系还具有很大的主观性。

另一方面，目前堤防险情风险识别主要通过提取影响堤防工程安全的风险因子，然后采用风险评估方法对堤防工程安全状态进行评价。堤防工程风险因子是指能反映堤防工程安全运行和风险特性的因子［55-56］，具体可分为堤防工程材料与结构方面的风险因子（包括堤基地质条件和地层结构，堤防工程断面形式，堤身材料级配、密实度和渗透性等），堤防工程施工过程中的风险因子（包括施工工艺、速度、质量、土石配方和护坡形式等），堤防工程运行中的风险因子（包括自身安全性、连接建筑物运行状况、上游水库调度方式、水位变化和极端降雨等）和堤防工程管控中的风险因子（包括管控模式和体系、日常维护情况、监测系统、数据分析能力等）。而准确识别堤防工程险情中的风险因子是进行风险评估和管控的重要基础，例如，图7a为堤防工程堤身材料和断面形式，可以获取堤身材料和断面形式相关参数等风险因子；图7b为连锁袋式防洪子堤现场施工，可获取堤防工程施工工艺和土石配比等风险因子；图7c为堤防工程系统中常用的红外热像仪监测仪器，可以及时监测堤防工程变形特征，获取堤防工程管控中的风险因子，从而获得堤防工程的安全状态。

堤防险情风险评估方法包括常规的定性分析、定值安全评价和考虑不确定性因素的风险分析方法。由于常规的定性分析方法受人为主观因素影响较大，难以形成适用于各种堤防工程险情的统一评价标准，因此评估结果准确性较差。使用最广泛的定值安全评价方法是层次分析法，该方法从方案、准则、目标等层面进行思维过程层次化，逐层比较多种关联因素，进而为风险分析、评价、预测等提供定量依据［57-58］。然而，常规的定值安全评价方法难以充分考虑设计变量的变异性和堤防工程的复杂特性。常用的考虑不确定性因素的风险分析方法包括可靠性分析方法、模糊综合评价方法［59］、灰色系统评价方法［60］和人工神经网络方法。其中，以概率论为基础的可靠性分析方法［61-63］由于可以量化堤防工程中存在的不确定性因素，在国内外都得到了广泛应用。人工神经网络方法［64］具有准确、效率高和容错能力强等优点，也逐渐被广泛应用于堤防险情风险评估中。此外，堤防险情风险评估还常用到突变级数评价法、网络分析法、后果逆向扩散和分层赋权法等评价方法［41］。综上，近年来，堤防险情风险评估从人为因素占主导的堤防风险定性-定量分析方法向考虑堤防工程不确定性因素的风险定量评价方法转变已成为必然趋势，并且取得了较大的研究进展，特别是以可靠性分析和人工神经网络分析为代表的风险评估方法成为堤防险情风险评估研究中发展前景最好的方向之一。

综上可见，目前堤防险情风险评估研究仍存在以下不足。①当前中国堤防险情风险评估方法仍集中在以层次分析法为主的半定性半定量评价方法，虽然该方法能够较好地对堤防险情风险进行评价，并且可以科学、客观地计算权重参数，但是该方法主观性强，无法对堤防险情风险进行精细化定量评价，且当前研究水平远远落后于国际水平。②在对堤防险情风险评估过程中，很少考虑堤身材料等内部因素和极端降雨等外荷载因素不确定性对堤防工程失事溃决的影响机制，并且没有充分考虑堤防工程溃决引起的洪水演进全过程特征，导致现有的堤防险情风险评估模型普适性较差、预测准确性较低，且缺少在堤防险情风险评价指标体系和方法等方面的统一标准。同时，缺少有效的方法来降低堤防险情风险评估过程中的不确定性。③由于堤防工程系统复杂，涉及范围较广，而传统的模糊与灰色关联分析模型难以处理堤防工程中复杂的多因素信息和不确定性，将其与人工智能算法结合是一个新的方向。遗憾的是，目前基于神经网络等人工智能算法仅仅应用于大坝安全监测研究中，在堤防险情风险定量评估研究中的应用较少，相关理论还不成熟，亟需深入研究。

针对当前堤防险情风险评估研究存在的不足，未来重点研究内容如下。①需要根据堤防工程的实际情况确定每个堤段或堤防圈的风险评价指标，建立堤防工程险情风险综合评价体系，并探讨堤长等结构参数对堤防险情风险的影响规律。另外关于考虑多种失事模式并存的堤防险情风险定量评估技术也有待深入研究［65-66］。②虽然针对诸如层次分析法或模糊数学理论的传统堤防险情风险评估方法的不足，一些学者基于概率论和可靠度分析提出了一些风险定量评估方法，但仍处于理论探索阶段，并且对堤防工程系统中的不确定性因素考虑不充分。因此，需要根据堤防工程系统的水文信息、工程地质和堤基/堤身材料性质等基本信息，分析和表征堤身材料水力和强度等参数的空间变异性，研究地震和极端降雨等外荷载作用下堤防工程的稳定性，进而建立堤防险情风险定量评估方法，为堤防工程安全运行提供技术支撑。③基于人工智能、数字孪生和大数据技术的风险评估技术是实现堤防险情风险智能化评估的基础，也是未来的主要研究方向［67］。因此亟需基于神经网络等机器学习和深度学习算法建立堤防工程险情风险评价模型，考虑堤防工程系统的多评价指标以及各风险因子间的相互影响关系，开发考虑多种失事模式并存的堤防工程险情风险定量评估技术。

1. 5堤防险情风险管控

堤防险情风险管理与控制是一项综合分析、评价、预防和处理堤防失事风险的复杂系统，主要包括风险分析、风险评价和风险处理3个方面。图8显示了堤防险情风险管理与控制结构。而广义的堤防险情风险管控还包含降低堤防险情风险的工程与非工程措施，例如，采用砂袋贴坡反滤工程措施降低堤防工程散浸险情，见图9a；采用反滤围井工程措施降低堤防工程管涌险情，见图9b；通过抛石护脚等护脚固基抗冲措施处理堤防工程崩岸险情，见图9c。

目前荷兰、澳大利亚等多个发达国家针对堤防和海堤，建立了比较先进的水资源工程管理决策系统和风险管控体系。如荷兰在堤防工程安全性评价方面，通过将堤防工程系统划分为一系列相对独立的子系统，并分别采用可接受的风险水平对每个子系统进行评价。澳大利亚针对堤坝失事等发生概率低和后果严重的灾害事件，构建了多目标风险分析方法。与国外研究相比，中国现阶段的堤防险情风险管控主要具有以下特点：侧重于堤防工程结构安全性，对堤防工程的安全性和评价标准的相关研究不足，并且对堤防工程安全性调查和综合评价的方法还停留在定性静态评价阶段，缺少动态定量评价方法［15］，导致堤防工程信息化管控薄弱，无法准确地评估堤防工程的安全性。因此，深入系统地开展堤防险情风险管理与控制研究是一项十分必要且刻不容缓的课题。

随着中国水利部门在水利战略和治水思路上的重大转变以及科学发展观对水利工程管理的客观要求，推行堤防工程信息化和标准化管控已成为一种必然趋势和行业基本需求［68］，这是一种与信息化建设相依托的综合风险管控模式。同时，堤防工程险情风险管控模式逐渐从传统经验型向预测型转变，并提出相应的标准化风险管控体系，进而更好地预测堤防工程失事后果和评估堤防险情风险，从而实现对堤防工程险情风险进行科学管控和提高险情防控能力［69］。综上可见，目前堤防险情风险管控研究尚存在以下不足。①堤防工程信息化管控研究非常薄弱，具体表现为应用功能未实现多样化，管理决策未实现科学化，未形成良好的人性化服务平台。只有加大堤防工程信息化管理力度，才能建立新型的堤防险情管控机制，更好地为堤防工程管控服务。②现有的堤防工程标准化管控研究仍处于初期发展阶段，未融入堤防险情风险评价相关内容，具体表现为没有将堤防管涌、崩岸等破坏模式与溃决概率以及溃决造成的后果损失纳入到堤防工程标准化管控研究中，较少与生命损失、经济损失和社会与生态环境损失评价标准结合，导致无法对堤防工程汛期安全性进行准确分析和预测，造成在抗洪抢险时处于被动局面，可能出现对堤防工程险情后果判断不准等一系列问题。

为有效提高堤防工程信息化管控系统的科学性和准确性，并保证数据传输的时效性，未来在堤防险情风险管控方面应重点开展以下2个方面的研究：①紧扣未来堤防险情风险管控的发展趋势，不断完善信息化数据采集系统及形成采集网络，建立多目标应用层，加强堤防工程日常管理和数据收集，构建科学的决策系统和可靠良好的人性化服务平台；②需要结合目前正在全国范围内推行的水利工程标准化管控要求，引入风险概念，构建基于风险的堤防工程标准化管控评价体系［70］，在堤防工程风险评估的基础上判断该标准化管控是否达标，实现堤防工程失事后果的准确定量评价，提高堤防险情管控水平，快速将堤防险情管控模式从传统经验型转变为定量预测型。

2结论

针对堤防工程险情风险评估与管控研究难题，本文从堤防险情赋存环境识别和表征、堤防险情灾变机制与演变过程、堤防险情后果分析、堤防险情风险评估及堤防险情风险管控5个方面分别综述了当前的研究进展，并指出了目前研究存在的不足以及未来重点研究内容。

a）目前堤防险情风险评估系统不确定性研究薄弱，较少定量表征堤防工程中堤基/堤身材料非均质性和参数空间变异性，并忽略了其对堤防工程险情类别、失事模式和风险评估的影响；同时地震、极端降雨等外荷载的不确定性对堤防险情灾变机制不够明确。因此，准确表征堤身材料参数空间变异性及水位波动、地震与强降雨等影响因素的不确定性，并阐明其对堤防险情灾变机制的影响机制需要进一步深入研究。

b）物理模型试验和数值模拟手段已成为研究堤防工程灾变机制与演变过程的主要技术手段，但是受限于物理模型试验的尺度效应和数值模拟手段无法模拟堤防工程失事大变形全过程演化阶段，致使难以厘清堤防工程灾变机制与演变过程，并且在实际工程中应用效果不佳。因此，需要发展一套能模拟堤防工程从失事启动至结构失效的全过程模拟方法，并与物理模型试验结果和工程实际相互验证，进而指导堤防工程排除险情和降低险情后果损失。

c）因为国内在堤防险情后果评估方面的研究起步较晚，使得堤防工程失事溃决洪水演进过程研究薄弱，并缺少一套比较完整、科学的、可操作性强的堤防险情后果综合评价方法和衡量标准。因此，亟需提出一套切合实际的堤防险情损失综合定量评价方法，并形成统一的衡量标准，进而为堤防险情风险评估提供理论依据。

d）由于堤防工程系统复杂，涉及范围较广，而传统的模糊与灰色关联分析模型难以处理堤防工程中复杂的多因素信息和不确定性，故当前堤防险情风险评估方法仍以半定性半定量评价方法为主，缺少对堤防险情风险精细化定量评价方法。因此，亟需深入研究基于数字孪生、机器学习和深度学习算法建立堤防险情风险评价模型，开发考虑多种破坏模式并存的堤防险情风险定量评估技术。

e）现有堤防工程信息化管理理念和模式不能适应水利信息化、数字化发展的步伐，堤防工程标准化管控研究也未融入风险概念。因此，需要将现代科学技术与堤防工程实际有机结合，构建基于风险的堤防工程信息化和标准化管控体系，促使传统经验型险情管控模式向预测型风险管控模式转变。