小型水库安全运行风险的不确定性分析

来源:用户上传      作者: 喻蔚然

　　摘要：我国小型水库数量众多，但安全状况差，且缺少有效的安全监测，管理水平落后，运行风险大。多年来水库安全鉴定主要以定性评价为主，对病险水库运行风险及其对下游的危害程度缺乏定量的判断。小型水库的运行风险多样，且不确定，不同风险之间往往相互影响、相互依存。以风险的不确定性作为灰色系统，将灰色理论和随机概率分析方法结合，建立功能函数，应用改进的一次二阶矩法把灰色-随机风险概率的计算转化为一般随机风险概率的计算，较好地量化了水库运行风险的不确定性。工程实例表明，计算结果对小型水库除险加固和安全运行具有良好的指导意义。
　　关键词：水库运行风险；不确定性；灰色理论；改进的一次二阶矩法
　　中图分类号：TV697 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2014）01-0131-04
　　小型水库在水利工程中占有重要的地位，在防洪、灌溉、供水、发电、养殖等方面发挥了巨大的效益。据统计，我国98 002座水库中，小型水库为93 308座，占水库总数的952%[1]。而江西省10 819座水库中，小型水库为10 526座，比例更高达973%[2]。但与此不相匹配的是，绝大多数小型水库无专管机构，无专管人员，无维养经费，工程老化，普遍存在防洪标准低、工程质量差等安全隐患。虽然近些年国家开展了小型水库的除险加固，部分水库硬件设施得以改善，安全状况转好，但仍有大量水库因配套资金不足，无法保质保量完成加固措施，尤其在水库管理水平、管理人员素质方面并没有提高。小型水库的运行风险具有多样性、随机性、不确定性，因此迫切需要通过风险分析，将其不确定性进行量化[3]，为管理者提供决策依据。
　　1 风险分析
　　水库风险分析就是指运行管理人员对可能导致损失的风险因素进行系统分析和权衡，评估其风险水平和风险状况，主要工作内容包括风险识别、风险估计和风险评价三部分。
　　1.1 风险识别
　　风险识别是指在风险事故发生之前，人们运用各种方法系统的、连续的认识所面临的各种风险以及分析风险事故发生的潜在原因。风险识别是风险分析的最基础环节，其具体步骤见图1[4]。
　　对于小型水库，其安全运行的风险因素很多，大致有以下几类。
　　（1）防洪标准不足。其产生的原因主要是：当初兴建大坝时设计的防洪标准相比现在的标准偏低；小型水库溢洪道大多不规整，溢流宽度窄，泄流能力不足，以至于在遭遇较大的暴雨洪水时水位超过标准，甚至坝顶。这种风险很容易导致溃坝。
　　（2）大坝质量差。大多数小型水库兴建于20世纪50-70年代，主要特点是技术人员少、施工队伍参差不齐、施工设备落后、质量控制不严，造成大坝的整体质量差。甚至很多水库刚刚完工，就显现出一些病险隐患。
　　（3）渗漏。大坝渗漏是常见的安全隐患，包括三个方面：坝体渗漏、坝基渗漏、绕坝渗漏，以及大坝与坝下涵洞之间发生的接触渗漏。渗漏抬高了坝体浸润线，降低了坝体填筑材料的物理力学性能，有可能引起坝体和坝基的滑动，严重时可造成大坝垮塌。
　　（4）滑坡。一方面滑坡削弱了大坝结构，直接威胁大坝安全，另一方面，滑坡可能堵塞溢洪道或者激起巨大涌浪，对大坝形成冲击。
　　（5）运行管理差。小型水库缺乏规范有效的管理，已经是一个不争的事实，由此带来的严重后果也多次印证了完善的管理的重要性，一个差的运行管理导致的风险往往是致命的。
　　（6）地震等不可抗力的自然因素。虽然这是小概率事件，但一旦发生，将对建筑物整体结构造成破坏，对大坝的安全威胁很大。比如汶川地震时，几千座水库受到不同程度的破坏。
　　1.2 风险估计
　　风险可定义为不希望事件的发生概率以及发生后果的严重性，因而风险估计主要内容是根据事件存在的风险因素估算出事件可能发生的概率和事件发生后的损失程度。具体地说，对水库而言，最大的事件就是溃坝，溃坝的风险因素有若干个，风险估计就是估算每一种风险因素造成溃坝的概率和溃坝后的各项损失。
　　根据掌握信息资料的不同，风险主要有确定型、随机型和不确定型三种[5]。其中确定型风险是指出现的概率为1，后果完全可以由精确的可靠的信息资料进行计算的风险；随机型风险是指随机出现但出现的状态和发生的概率均已知的风险；不确定型风险是指出现的各种状态及其概率均是未知的风险[6]。显然，水库运行管理风险（或者说水库溃坝风险）应属此种类型。不确定型风险的定量估算通常是计算风险变量的概率，主要有区间法、三角分布法、极大熵确定先验分布法、重现期法、蒙特卡罗模拟法、一次二阶矩法等[5-8]。相比较而言，一次二阶矩法具有概率分布要求不高、应用不复杂、计算工作量不大等优点，特别适合小型水库的特点。
　　一次二阶矩法是一种近似分析法，R.Rackwitz等提出了改进的一次二阶矩法。该法根据风险识别的因素的一、二阶矩推求功能函数的一、二阶矩，间接估算出风险事件的概率。具体计算方法不再赘述。运用该法计算出的概率，在风险变量呈正态分布的情况下，风险值才是精确的，但是水库运行状况受各种内因、外因影响较大，并非所有的风险变量均服从正态分布。
　　4 结语
　　多年以来，小型水库为经济社会的发展做出了巨大的贡献，但随着时间的推移，水库的安全状况也不断下降。虽然投入了大量的加固资金用以除险，但是小型水库数量众多，分布广、散，加固资金有限，尤其是缺乏有效的管理，因此小型水库仍然存在较大风险。水库运行的风险具有随机不确定性，表现形式多样。小型水库无技术人员，大多无安全监测设施，无法定期进行安全监测和评价，而且由于信息缺乏，难以用一般的方法进行安全风险的定量评价。本文的研究结果表明，针对这种不确定性和灰色性，采用灰色-随机风险概率的概念，建立功能函数，将灰色-随机风险概率的计算转化为一般随机风险概率的计算，应用改进的一次二阶矩法进行分析计算，能够较好地量化水库运行风险的不确定性。 　　参考文献（References）：
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