基于风险分析的小型水库安全管理研究

方卫华，原建强，何 淇，谭 彩

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012；2.山西省汾河二库管理局，山西太原，030012；3.河海大学水利水电学院，江苏南京，210098；4.广东省水利水电科学研究院，广东 广州，510610）

0 引言

根据《中国水利统计年鉴2019》统计，截至2018年底，我国共有各类水库近10万座，其中小型水库9万多座[1]。工程安全是水库效益发挥的前提和基础。由于历史原因、投入不足及相关技术限制，小型水库相对大中型水库具有更高的单座失事概率。据统计，我国小型水库平均病险比例高达1/3，近年来的溃坝事例也都是小型水库。由于小型水库数量多、结构各异且地区差异大，如何有效提高小型水库管理水平一直是行业的研究热点。风险管理是管理不确定系统的有效方法，郝健等[2]结合中国小型水库特点，提出了小型水库风险管理模式及风险管理对策；徐金涛[3]根据平原水库的特点，分析其溃坝概率和溃坝后果，建立了平原水库溃坝风险分析评价体系；盛金保等[4]引入溃坝后果综合评价函数，计算水库风险指数，作为衡量水库风险大小的指标，提出了一套适用于小型水库的风险分析方法。上述研究均是在风险管理的某一个环节进行的探索，难以应用到小型水库的安全管理之中。

为此，本研究以实际应用为出发点，首先分析小型水库安全风险源，并基于风险特征对水库进行分类；在此基础上，根据风险特征有针对性地从责任落实、资源配置、信息感知、预警预报、维修养护、应急响应、除险加固等方面搭建小型水库动态风险管理体系，并根据有关文献和经验给出相应指标；最后介绍本研究方法在我国某市区域小型水库的应用情况，从而验证方法的可行性。

1 工程安全风险分析与分类

1.1 风险现状

目前小型水库安全风险主要由下述原因引起：（1）先天存在的设计或施工缺陷、难以适应极端气候、地质环境、下垫面变化、水库淤积、挡泄水建筑物及设施变形老化等；（2）对小型水库安全问题的重视不够，人员、资金、设备、技术等管理条件不完备、不充分，维修养护不到位，感知、融合、预测、预警和应急响应一体化、体系化不足；（3）安全资料或水文资料短缺，安全评价、鉴定和除险加固不及时。

1.2 风险识别及工程分类

小型水库总风险因子可以从赋存环境（危险性）、结构材料（脆弱性）、监督管理（有效性）和失事损失（严重性）4个方面加以识别，见图1。

图1 风险因子体系Fig.1 Risk factor system

赋存环境危险性风险是指水库（群）所在区域的水文气象、地形地质、产汇流等因素给水库安全带来的风险，在具体评估时应充分利用洪水风险图、暴雨风险图和地震区划图等资料。结构材料脆弱性风险主要包括：（1）枢纽布置、断面设计和洪水标准不合理；（2）防渗排水设施设计不合理或老化导致扬压力或渗透压力偏高，出现异常渗漏；（3）坝体或上下游边坡抗滑安全系数不够；（4）挡泄水建筑物过大变形；（5）挡泄水金属结构及机电设施老化、无必要备份。监督管理可靠性风险主要包括：（1）责任主体不明确、组织机构不健全、应急处置措施针对性不强以及经费不落实等；（2）必要的监测预警设备设施和技术力量不匹配；（3）维修养护、资料分析、安全评价和除险加固是否规范。失事损失严重性风险包括安全方面失事导致的生命、社会、经济、生态、环境和历史文化方面的损失。可对照规范[5-8]及运行管理相关规定等逐条对比。根据图1可将水库安全总风险表示成4项分风险之和：

式中：TR为水库安全总风险；ER、SR、MR、LR分别对应赋存环境、结构材料、监督管理、失事损失风险，前3者通过条件概率乘以损失获得，后者通过失事及其后果经验统计获得。通过上述分类，可以有针对性地采取措施降低工程安全总风险。

从另外一个角度，总风险也体现在对上述因子的感知、预测和控制能力上，能力越高，风险越低。

式中：δTR为感知、预测和控制总能力；δER、δSR、δMR、δLR分别对应赋存环境、结构材料、监督管理、失事损失的感知、预测和控制能力。分析上述4个因素的感知、预测和控制能力提升的难易程度、有效性和成本，可以用于指导小型水库规避安全风险措施的选择，从而有针对性地提高小型水库风险管理水平。考虑到很多小型水库缺乏有效资料，风险分析需融合多学科专家知识加以解决。专家可以通过回顾历史背景、现场勘探和工程类比，同时借助当地气候、气象、地质、地形、泥沙和水库运行等特点的相关多源信息，对小型水库安全风险进行快速评估。为提高可操作性，在具体评估时可从水库位置选择、枢纽布置、结构材料设计、施工运行和维护管理等几个方面进行。

1.2.1 单座水库

针对低洼处小型水库安全风险评价问题，为克服现有总库容安全风险评价方法的不足，提出风险库容的概念。风险库容指水库最可能失效模式下下泄的致灾水量：

式中，Q R、q、p分别为风险库容（m3）、可能最严重失效模式下的下泄水量（m3）及下泄过程中入渗、入河（海）或漫灌的无害水量（m3）。如对于某些偏远山谷中的小型水库，或即使水库溃坝，下泄洪水也不构成任何灾难，则其风险库容为0。为实现小型水库的全覆盖，应先进行城市重要设施上游小型水库风险评价，再进行干旱或偏远地区的小型水库风险评价。考虑到水库风险因子的变化，水库风险等级应根据实际情况动态调整，这一周期根据风险演化速度快慢确定，一般为6～10年，见表1。

1.2.2 水库群

对于一定区域或流域小型水库群，其总风险是整体安全管理投入的依据。严格的定量分析应根据水库群内单一水库风险失效概率密度函数，再采用Copula函数方法获得多个水库的整体失效概率。对于区域或流域小型水库群，忽略水库失事之间的相关性，采用加权求和的方法获得水库群的总风险，如式（4）所示，根据总风险大小及风险特征进行管理配置。

表1 单座水库安全风险等级划分表Table 1 Safety risk classification of single reservoir

式中：TR g为水库群总风险；n为区（流）域内小型水库的数量；ωi为不同风险等级水库的权系数，考虑到大小水库相对风险，根据经验见表2；TR i为单个水库的安全风险，由式（1）得到。

表2 不同风险等级水库权系数Table 2 Weight coefficient of reservoirs with different risk levels

根据流域或区域小型水库群的总风险及其特征，可以引入集中管理，从而发挥专业特色和经验，有针对性地采取风险规避措施。

2 风险管理及其标准化

风险管理就是从水库（群）本身的风险大小及风险特征出发，根据针对性和有效性原则采取相应的风险规避措施。

2.1 责任落实及资源配置

责任落实及资源配置是指水库安全风险的每一个演化控制点都有与之配套的明确责任人和针对性风险规避措施。责任人风险包括健康状况、专业水平和敬业精神等，应建立与水库风险相应的责任追究制度。根据水库业主和“谁受益谁承担风险”的原则，明确法人为水库的最高责任人。对于集体所有且暂无业主的水库，根据风险大小确定相应级别的政府行政首长作为水库安全责任人，见表3。

表3 无业主不同风险水库安全责任归属Table 3 Safety responsibility taker of reservoirs with different risk levels without owners

机构、规章、人员、设施和经费应根据区（流）域水库群风险高低和敏感风险源种类进行有针对性地分类分级配置。对于高风险水库群，要求有独立完善的配置；对于低（微）风险水库群，可委托具有相应能力的机构或当地村民代为管理，同时简化监测系统配置，降低监测及检测频次，并适当引入水库安全保险制度，从而弥补失事后的损失。

2.2 安全信息感知

安全信息感知指通过巡视检查（含遥感）、仪器监测和检测及其他有效手段获得水库安全信息，采用方法的复杂程度和投入的多少应根据总风险（参照图1）特征分析确定，感知内容和频次应根据分项风险大小、安全及其变化的灵敏度确定，同时建立相关信息分级、分权限多终端统计、检索和查询系统。对于区域性天气、气候、漫顶水位等水库赋存环境风险因子，其感知的成本低、共享程度高，因此应优先实施。

2.2.1 感知内容

安全信息感知内容包括赋存环境重大危险源、结构材料状态灵敏响量、监管体系及其效果、失事损失4个方面。结构材料状态感知内容不仅包括支撑受力结构的材料参数、孔隙率、密实度、塑性区分布和接触状态，也包括承担重要挡水和泄洪任务的闸门以及金属机电结构的变形、锈蚀闸门开度、限位、荷重、电流/电压、振动、噪音、油位、油压、油温等状态。对生物风险比较高的水库，生物危害监测包括白蚁等危害动物监测、影响行洪的淤堵漂浮物监测等。监督管理感知内容包括责任划分完整度和明确性、安全管理流程合理性、人员设备设施和工程监督覆盖率、事件操作处置规范性与闭环度、应急措施针对性和有效性、技术和管理人员工程熟悉度及专业水平、资料分析准确性和及时性、经费落实保证率8个方面。失事损失感知内容包括可能损失的类型及总损失大小。

2.2.2 感知方法

感知方法包括巡视检查、遥感、仪器监测与检测等。风险感知需利用多源信息，对于赋存环境，可利用日本和美国联合开发的TRMM卫星降水数据、地理空间数据云平台DEM、中国气象科学数据共享服务网、遥感信息及INSAR等。根据小型水库所在地的DEM、坡度、坡向、经纬度、植被和土壤特征等，采用ArcGIS、SPSS等分析软件，应用统计降尺度法、来水、流体动力学、渗流力学进行漫坝风险分析。由于小型水库测点少，当监测（包括巡视检查）发现问题后，应根据这一问题可能导致的风险大小确定是否需要进行检测，从而为分析问题的原因或判断隐患程度提供依据。当检测发现问题时，除根据问题严重程度采取工程措施外，必要时还应设置监测项目和测点进行长期监测。仪器监测与检测包括常规仪器监测、不定期检测和视频图像监视，其中视频图像是利用可见光、红外光、微光或遥感等对工程关键部位（含关键机电设施和挡水金属结构）的输入、响应及人为操作、入侵等实施监测。应设置视频图像监视的部位包括：承担泄洪任务的溢洪道，其水流冲刷区以及闸门支撑转动、启闭机电接口等容易出现故障的部位；汛期来临时可能会被上游淤积的漂浮物影响流速的泄洪建筑物进水口；存在安全隐患的泄洪区域等。在白蚁活跃区域或漂浮物淤堵区域布设视频监测项目时，可利用红外线、图像识别等技术实时获取白蚁或漂浮物的活动迹象和数量变化，从而为安全评估提供依据。此外，还应通过与相关单位沟通、无人机调查、公开资料或网络爬虫等合法手段和方法感知水库失事风险影响区大小，及时统计分析影响区人口、工农业、经济、生态和环境数据。

2.2.3 感知频次

根据水库总体安全风险大小采取不同信息感知频次，见表4。在具体操作时，还应根据子项对整体安全风险影响大小进行细化。

2.3 预警预报

2.3.1 预警指标

（1）巡视检查：隐患区域的覆盖度（A1）、覆盖频次（A2）、巡视异常上报滞后时间（A3）、隐患严重程度判别力（A4）和隐患先兆及时发现力（A5）。

（2）水文气象：坝前水位（B1），以各控制水位为预警阈值；雨量（B2），包括最大雨量、累积雨量和最大历时雨量等指标，可以结合水文模型根据B1确定，或根据冲刷与滑坡要求确定相应阈值；对库水位有重大影响的入库流量（B3），其阈值主要考虑滑坡以及B1的要求。是否设置台风、冰冻及春汛相关预警指标与水库所处具体位置的赋存环境相关。

（3）结构材料：典型或可能失事部位的位移/变形（C1）、扬压力（C2）、渗流量（C3）、渗透压力（C4）、应力应变（C5）和温度（C6）。对于高风险水库，当采用检测方法进行结构和材料状态参数诊断时，也可以建立密实度、孔隙度、锈蚀率、保护层厚度和弹性模量等预警指标及阈值。

表4 监测频次表Table 4 Monitoring frequency

（4）视频图像：滑坡或开裂（D1）、机电设备（D2）、闸门和金属结构（D3）。视频图像预警可采用图像和视频系列数据，通过（人员、动物、机动车船等）入侵检测、模式识别等方法对异常状态进行识别报警。

（5）金属机电：设备设施状态（E1）、机电应急备用（E2）、隐患分析与故障报警（E3）、防雷抗干扰措施有效性（E4）。金属机电可针对转轴变位、限位、电压稳定性等正常工作区间，通过设置一定的安全系数确定阈值。

（6）监督管理：组织机构及责任（F1）、人员和设备配置及工作状态（F2）、应急能力与流程规范化（F3）、反应速度和演练（F4）、经费保障（F5）。监督管理可采用打分法、层次分析法等，对组织、安全、运行和经费4个方面的针对性、及时性、可靠性和抗干扰性等进行综合评价，在此基础上结合风险大小和敏感性确定总体阈值和分项阈值。

预警阈值的确定方法包括规程规范规定、工程类比借鉴、专家知识经验、数据统计分析及数值模拟等，同时还必须考虑实际工程特点和可接受风险。国家防汛抗旱总指挥部联合中国水利水电科学研究院进行了200 km2以下流域山洪灾害分析评价，给出了计算临界雨量和危险等级划分的具体步骤[10]，可为暴雨制定预警指标。

2.3.2 预报模型与方法

根据对应风险从低到高依次选择简单到复杂的预报模型和方法。

设计洪水推求主要包括瞬时单位线法、推理公式法、地区经验公式法和历史洪水调查分析法[11]，具体方法的适用性与水库所在区域[12]及水库类型（山丘还是平原水库）有关[13]。

针对赋存环境为高风险因子的水库，借助美国GFS、中国气象台和日本气象厅预报数据，采用与实测数据的同化、降尺度分析显著提高风险预见性。

对于结构材料为高风险因子的水库，可通过实测数据或数值模拟建立预报模型[14]。当存在可靠实测资料或实测资料积累到一定程度时，可根据风险大小选择相应复杂度的模型，如采用逐步回归、随机森林、相关向量机和神经网络等方法建立预报预警模型。

表5 预警指标设置表Table 5 Setting of early warning indexes

2.4 运行调度

水库分级调度指根据水库安全风险大小确定汛限水位、泄洪时间和流量，在此过程中根据洪水致灾灾害链及其后果严重性确定预留库容和工程安全裕度，即高风险水库预留更高的安全系数、更大的备用库容和更长的预警时间。

运行调度信息的发布方式、范围和路径应根据风险大小确定。对于高风险水库，应设置影响区高音喇叭结合无人机进行信息发布；对于中风险区，可采用电子显示屏幕结合短信进行发布；对于微风险区，只需要通过授权内网进行信息发布。

2.5 维修养护

针对具体水库安全风险的风险种类、性质、大小和演化趋势，采取相应的措施进行维修养护，并借助水库督查等方式进行质量评估考核。对于高风险水库及其高风险因子，应设定更高的要求和更大的保险系数。

水库具有防洪、生态、灌溉、供水和景观等不同的功能，将上述功能按公益性和经济性进行分类，对于承担公益性功能的水库，国家应承担相应的维修养护费用，经济效益的获取方也应承担相应的水库维修养护费用。

2.6 应急管理

通过虚拟仿真、增强现实、溃坝计算、洪水扩散淹没分析及灾害链分支分析等，确定应急管理相应的措施、投入和演练逼真度。在应急管理时，应充分考虑真实极端条件下可能对通讯、设施、交通和群体行为等方面产生的不利影响，根据风险演化的灾害链理论确定不同节点的风险转化和规避措施。应急方案的详细程度、备用方案和演练的逼真度应根据水库风险确定，同时考虑应急管理在恶劣应急条件下的不确定性，根据水库或水库群风险大小做好必要的备用措施。

2.7 除险加固

除险加固应根据失事成因、概率及损失确定，同时考虑除险加固本身的投入和设计施工过程中的风险，采取相应的规避措施。若除险加固总收益（包括规避水库风险方面的收益）大于投入，则应进行除险加固；如水库安全风险很小，则不需要采取除险加固措施，只需要根据风险情况采取其他处理措施或不采取措施。

3 工程实例

某市下设9区、6县和4县级市，共有小型水库近600座。2018年完成小型水库安全风险等级分类统计，并计算各区县小型水库群的总风险，根据各县（市）总风险和单个水库风险排序确定优先投入应用的区域和单个水库。经过初步计算，浦江、双流县为相对高风险区域，率先进行监测系统改造。在此基础上再对单个水库风险进行排序，得到浦江、双流县风险较高的几个水库分别是YA水库（0.69）、HQ水库（0.58）、TJ水库（0.54）和CT水库（0.43）[14]，将上述4个水库作为首批试点水库。

试点水库感知系统完善过程中，从赋存环境（危险性）、结构材料（脆弱性）、监督管理（有效性）和失事损失（严重性）4个方面对每个水库进行敏感性分析，选择重要、敏感项目实施自动化监测，对于不敏感监测物理量则不配置监测设施。同时充分利用现有气象、水文站网和平台实现资源共享，节约经费投入。通过敏感性分析得到上述4个试点水库的敏感性因素，YA水库为变形，HQ水库为变形和环境量，TJ水库为变形和渗流，CT水库为变形和环境量，通过增加测点及监测频次优化改造敏感性监测量。各水库感知系统完善升级后接入区（流）域统一管理系统，升级后的系统界面见图2。同时建立责任落实、资源配置、信息感知、预警预报、维修养护、应急响应、除险加固等动态风险管理体系及相应指标，编制相关管理规程，明确相关责任，实现风险管理的标准化。

4 结语

我国小型水库具有数量多、安全风险高和管理模式针对性不强等特点，为有效提高小型水库安全管理水平，必须在分析小型水库安全风险特征的基础上，进行分类动态管理。本研究基于小型水库（群）风险因子和风险等级划分，实现了单座水库和水库群的分类，在此基础上从风险感知、预警预报、运行维护、应急响应和除险加固等方面给出了相应的安全风险管理体系。实际应用表明，本研究所提出的方法具有较强的针对性和适应性，有一定的推广应用价值。