江西省鄒家源水庫(kù)與網(wǎng)形坑水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)排序研究

曾國(guó)林

(江西省新干縣水利局，江西 吉安 331300)

0 引 言

風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)中水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)排序發(fā)揮著重要作用，它是實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案合理制定、水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分及除險(xiǎn)加固經(jīng)費(fèi)合理安排的重要依據(jù)[1]。針對(duì)大壩風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)最早起始于1980年，尤其是西方國(guó)家的風(fēng)險(xiǎn)管理體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為完善。在風(fēng)險(xiǎn)排序方面我國(guó)也取得了一些成果，針對(duì)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究機(jī)構(gòu)建立了一套完整的理論方法和評(píng)價(jià)體系，并以安徽沙河集水庫(kù)為例驗(yàn)證了其科學(xué)有效性。根據(jù)下式確定風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，即：

α=1000×pf×L

(1)

式中：L為考慮水庫(kù)失事后社會(huì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和生命損失的綜合系數(shù)；Pf為潰壩風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。

當(dāng)前，相關(guān)研究存在的主要問題包括為：在數(shù)據(jù)的處理與獲取方面，各類研究方法均存在一定的困難；專家打分法確定各項(xiàng)指標(biāo)值往往具有主觀隨意性，且缺乏定量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；未考慮各評(píng)價(jià)要素間的復(fù)雜關(guān)系，簡(jiǎn)單的疊加處理往往存在較大的偏差。各類方法在一定程度上均受到各因子的影響，其普遍適用性較差。考慮水庫(kù)大壩功能作用、潰壩損失和概率等因素合理排序風(fēng)險(xiǎn)要素，全面權(quán)衡和綜合評(píng)價(jià)除險(xiǎn)加固改善程度、外部條件、失事后果以及工程自身病險(xiǎn)狀況，確定水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為當(dāng)前亟待解決的問題。換而言之，水庫(kù)加固工程應(yīng)優(yōu)先安排加固效益顯著、失事后果嚴(yán)重且失事可能性高的病險(xiǎn)水庫(kù)。

從水庫(kù)效益、潰壩概率和潰壩損失3個(gè)方面選擇能夠體現(xiàn)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)因子，對(duì)各評(píng)價(jià)因子綜合排序利用主成分分析法計(jì)算，以期為水庫(kù)加固方案設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 主成分分析法

在降維處理高維空間變量時(shí)主成分分析法具有較強(qiáng)的適用性與可行性，不僅能夠較好的處理各要素全面性與獨(dú)立性間的矛盾關(guān)系，而且可有效避免主觀判斷可能引起的有效信息丟失。通過提取幾個(gè)綜合變量替代原數(shù)據(jù)表中的多維變量信息，若這些變量具有較高的精度則可成為一個(gè)系統(tǒng)的評(píng)估指數(shù)。實(shí)質(zhì)上，綜合考慮各方面因素確定1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)即為水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)排序問題。依據(jù)全國(guó)水庫(kù)信息管理系統(tǒng)選取簡(jiǎn)單易行且可度量的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行的主成分分析法，提取能夠體現(xiàn)水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)程度的綜合變量。其基本流程為：①采用標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式對(duì)各要素原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由此構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣；②對(duì)單位特征向量與特征值的求解，確定累計(jì)方差貢獻(xiàn)率；③在滿足方差貢獻(xiàn)率>85%的情況下提取若干主成分，最終確定測(cè)評(píng)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值。

2 病險(xiǎn)水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)排序

2.1 確定初始指標(biāo)

初始指標(biāo)的收集應(yīng)綜合考慮多方面影響因素，水庫(kù)大壩的各方面屬性依據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)值體現(xiàn)[2-3]。全國(guó)水庫(kù)除險(xiǎn)加固信息管理系統(tǒng)為各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的主要來源，提取的22項(xiàng)初始指標(biāo)如表1。選取的22項(xiàng)指標(biāo)體現(xiàn)了水庫(kù)的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益、洪水強(qiáng)度、潰壩可能性、潰壩可能造成的損失及淹沒范圍。文章對(duì)潰壩的有關(guān)參數(shù)考慮選用易獲取的其他參數(shù)模擬，將一種相對(duì)數(shù)量關(guān)系利用簡(jiǎn)化的客觀存在的數(shù)據(jù)關(guān)系來反映，可為主成分計(jì)算提供條件。

表1 水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)排序初始指標(biāo)及其屬性

2.2 綜合指標(biāo)的排序計(jì)算

根據(jù)確定的22項(xiàng)初始風(fēng)險(xiǎn)排序因子，現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)排序綜合指標(biāo)的最終排序利用主成分原理進(jìn)行分析，提出了3種不同的運(yùn)算方法。

2.2.1 方法a

該方法利用主成分分析法直接對(duì)所有指標(biāo)分析，從而給出最終的排序結(jié)果，具有簡(jiǎn)單易行、操作檢點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，在具體的分析時(shí)存在考慮簡(jiǎn)單化、不同層面考慮不全及層次不清晰等缺點(diǎn)。

2.2.2 方法b

該方法是從水庫(kù)效益、潰壩損失兩個(gè)層面對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)分別計(jì)算，其表達(dá)式為：

Fi=α1×Li+α2×Bi=α1Li×Pi+α2×Bi

(2)

式中：Bi、Li、Fi——為水庫(kù)效益、潰壩損失和綜合指標(biāo)，其中潰壩概率Pi乘以潰壩總損失TLi確定Li。α1、α2——為潰壩損失Li與水庫(kù)效益Bi的權(quán)重系數(shù)，體現(xiàn)了管理者的決策偏好，且滿足約束條件α1+α2=1。

依據(jù)下游影響范圍提取的主成分和潰壩洪水各要素確定水庫(kù)潰壩總損失TLi，提取的16項(xiàng)初始因子序號(hào)為C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C20、C21；根據(jù)生態(tài)環(huán)境、供水、發(fā)電、灌溉、水庫(kù)防洪因素提取的主成分確定水庫(kù)效益指標(biāo)Bi，提取的10項(xiàng)初始因子序號(hào)為C1、C2、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C21。另外，對(duì)提取的主成分進(jìn)行乘法處理時(shí)，其運(yùn)算結(jié)果有正、負(fù)兩種結(jié)果，在乘法運(yùn)算前需要利用線性轉(zhuǎn)化法將所有因子值處理至0-1之間，由此確保各因子具有明確的意義。

2.2.3 方法c

在運(yùn)算過程和方法原理上，該方法與b類似，其主要區(qū)別為進(jìn)一步細(xì)分了水庫(kù)潰壩總損失指標(biāo)，將其再細(xì)分為下游影響范圍和潰決嚴(yán)重性2個(gè)部分，采用下式計(jì)算確定：

Fi=α1×Li+α2×Bi=α1Fdi×Pi+α2×Bi

(3)

式中：Fdi、Dei——為潰決嚴(yán)重性和下游影響范圍指標(biāo)，其它變量同上。

潰壩洪量、洪水強(qiáng)度為決定潰壩嚴(yán)重性Fdi的關(guān)鍵因子，提取的11項(xiàng)初始因子序號(hào)為C2、C3、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C16、C17、C18、C20；保護(hù)區(qū)耕地、人口等因素決定了下游影響范圍指標(biāo)Dei，提取的5項(xiàng)初始因子序號(hào)為C12、C13、C14、C15、C21。通過更加詳細(xì)的分解潰壩總損失影響因子，在理論上較方法b更加科學(xué)合理。

根據(jù)以上3種不同方法獲取的風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果，利用主成分法對(duì)排序結(jié)果進(jìn)行分析，通過對(duì)各類風(fēng)險(xiǎn)因素的合理性分析為水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)管理和加固設(shè)計(jì)提供科學(xué)的指導(dǎo)。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)樣本

選取江西省鄒家源水庫(kù)、網(wǎng)形坑水庫(kù)作為數(shù)據(jù)樣本，水庫(kù)的主要數(shù)據(jù)見表2。鄒家源水庫(kù)壩址座落在贛江水系南源支流橋頭溪上，總庫(kù)容486萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積480hm2，是一座集灌溉、養(yǎng)殖、防洪等功能于一體的小(1)型水庫(kù)，具有年調(diào)節(jié)性能。水庫(kù)樞紐工程等別為Ⅳ等，主要建筑物有大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、灌溉涵管和灌溉渠系等，正常高水位84.48m，校核和設(shè)計(jì)洪水位分別為88.08m、86.75m[4-6]。

網(wǎng)形坑水庫(kù)坐落于沂江河支流琴水河上，水庫(kù)總庫(kù)容166萬m3，有效灌溉面積240hm2，屬于一座集灌溉、養(yǎng)殖、防洪等功能于一體的小(1)型水利樞紐工程，具有年調(diào)節(jié)性能[7-11]。水利樞紐工程等別為Ⅳ等，水庫(kù)樞紐主要建筑物有大壩、溢洪道、灌溉涵管和灌溉渠系等，大壩為均質(zhì)土壩，正常高水位158.5m，校核和設(shè)計(jì)洪水位分別為160.81m、160.14m。

江西省鄒家源水庫(kù)、網(wǎng)形坑水庫(kù)的主要指標(biāo)值詳見表2。

表2 水庫(kù)大壩部分指標(biāo)的初始值

3.2 潰壩概率計(jì)算

水庫(kù)潰壩概率為表征潰壩損失的重要指標(biāo)，評(píng)價(jià)體系中的參數(shù)難以直觀的反映。采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法確定水庫(kù)大壩的失事概率及模式，由此確定水庫(kù)的潰壩概率見表2，鄒家源和網(wǎng)形坑水庫(kù)的潰壩概率分別為2.18×10-3、2.32×10-3。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)排序綜合計(jì)算結(jié)果

依據(jù)主成分分析法將風(fēng)險(xiǎn)排序綜合指標(biāo)分別選用方法a、b、c計(jì)算，受文章篇幅限制文章簡(jiǎn)要介紹了部分計(jì)算結(jié)果。

3.3.1 方法a

采用主成分分析法將評(píng)價(jià)體系中的22項(xiàng)因子進(jìn)行分析，從而確定累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到88.65%的2個(gè)主成分。其中，第一主成分為貢獻(xiàn)率達(dá)到61.48%的下游保護(hù)人口系數(shù)最大的0.85指標(biāo)，第二主成分與洪水參數(shù)存在較大的相關(guān)性，為0.32-0.48。從各因素排序結(jié)果可知，鄒家源水庫(kù)的綜合指標(biāo)值最高，該方法具有操作簡(jiǎn)便、原理清晰等優(yōu)點(diǎn)，可為水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)的比較分析提供一定的參考。

3.3.2 方法b

將水庫(kù)效益和潰壩損失2個(gè)主成分運(yùn)用該方法進(jìn)行計(jì)算，選入的2個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率>88.15%。選取潰壩損失為例(表3)，則第一主成分為下游保護(hù)人口系數(shù)最大為0.91以上，其貢獻(xiàn)率達(dá)到65.72%，第二主成分仍與洪水參數(shù)存在較大的相關(guān)性，為0.42-0.55。根據(jù)各主成分綜合得分可知，鄒家源水庫(kù)的綜合指標(biāo)值最高，風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果與方案a保持一致。

表3 潰壩損失16個(gè)指標(biāo)的主成分信息

對(duì)方法b的最終指標(biāo)利用公式(2)計(jì)算，其中決策偏好系數(shù)計(jì)算了偏重風(fēng)險(xiǎn)(α1=0.8、α2=0.2)或效益與風(fēng)險(xiǎn)同等重要(α1=0.5、α2=0.5)兩種情況，見表4。從表4可知，鄒家源水庫(kù)的同等重要指標(biāo)值較高，而偏重風(fēng)險(xiǎn)較低。

表4 病險(xiǎn)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果

3.3.3 方法c

運(yùn)用方法c計(jì)算，選入的主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.11%、89.15%，方法b確定的水庫(kù)效益指標(biāo)與該方法相同。采用方法c確定的潰壩嚴(yán)重性較高的仍為鄒家源水庫(kù)，而網(wǎng)形坑水庫(kù)的下游影響最高。將方法c的最終指標(biāo)利用公式(3)求解，結(jié)果如表4。在兩種不同情況下，鄒家源水庫(kù)的指標(biāo)值均較高，該評(píng)價(jià)結(jié)果與水庫(kù)大壩運(yùn)行實(shí)際情況基本吻合。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

采用以上3種方法比較分析鄒家源、網(wǎng)形坑水庫(kù)部分指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)排序，主要結(jié)論如下：

1) 比較3種不同方法的最終風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種方法確定的兩個(gè)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)排序基本相同，特別是方法b、c排序基本一致。由此表明，較方案a后兩種方法具有更強(qiáng)的適用性。

2) 同時(shí)考慮了水庫(kù)加固效益和潰壩風(fēng)險(xiǎn)的決策偏好法，較之前的方法具有更強(qiáng)的適用性和廣泛性。個(gè)人決策偏好對(duì)方法b、c的影響較低，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

3) 對(duì)指標(biāo)值利用區(qū)間劃分和聚類分析法分類，由此可形成一致性結(jié)果且有利于淡化參數(shù)的細(xì)微變化。

4) 綜合考慮了多方面要素的3種分析方法具有較強(qiáng)的科學(xué)合理性，綜合比較后認(rèn)為方法c的效果最好。

綜上分析，基于3種方法的網(wǎng)形坑和鄒家源水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)排序基本一致，其中鄒家源水庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值較高，偏重風(fēng)險(xiǎn)的程度較低，評(píng)價(jià)結(jié)果與水庫(kù)大壩運(yùn)行情況基本吻合，選用的3種方法具有較強(qiáng)的可行性和適用性。

4 結(jié) 論

1)綜合考慮水庫(kù)加固效益和潰壩風(fēng)險(xiǎn)的決策偏好，能夠更加全面、系統(tǒng)的反映水庫(kù)運(yùn)行實(shí)際情況。將指標(biāo)值利用聚類分析區(qū)間劃分不僅可保證評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性，而且能夠淡化不同評(píng)價(jià)因子的差異?？傮w而言，方法c的效果最好且具有更強(qiáng)的合理性。

2)從潰壩概率、潰壩損失和水庫(kù)效益等方面選擇能夠反映大壩風(fēng)險(xiǎn)概率的評(píng)價(jià)因子，然后以江西省2座水庫(kù)大壩為樣本數(shù)據(jù)，運(yùn)用主成分分析法計(jì)算了其風(fēng)險(xiǎn)排序。實(shí)例表明，對(duì)于水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)綜合指標(biāo)值計(jì)算主成分分析法具有較強(qiáng)的可行性與合理性。