允许风险分析方法在防洪安全决策中的应用.pdf

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1、水水 利利 学学 报报 2005 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 5 期 1文章编号:0559-9350(2005)05-0618-06 允许风险分析方法在防洪安全决策中的应用 范子武，姜树海(南京水利科学研究院 水工水力学研究所，江苏 南京 210029)摘要：摘要：允许风险分析方法体现了“以人为本”的防洪理念。按照防洪工程漫顶失事的逻辑过程提出了防洪风险率的定量计算方法，引入了人员伤亡预测的经验公式，讨论了制定允许风险标准问题。在此基础上，应用允许风险分析方法，定量计算骆马湖的防洪风险，对骆马湖防洪安全决策进行了评价，分析了建立洪水预警系统提高防洪安全的必要性和可

2、行性。关键词：关键词：允许风险分析；防洪风险率；生命损失；防洪决策 中图分类号：中图分类号：X820.4 文献标识码：文献标识码：A 水利工程防洪风险受诸多确定与不确定因素的影响，防洪安全决策必须建立在风险分析的基础上。风险分析的目的主要回答以下两个问题：(1)已建或拟建防洪工程潜在防洪风险率有多大；(2)这一风险率导致的风险损失是否可以接受。以往风险分析常把对风险率和风险损失孤立开来，对风险率的评估也局限于水文层面，在风险损失评估预测中片面强调经济影响，忽视对人员生命安全影响，这是不科学的。随着对防洪风险认识的深化，国外正趋于采用允许风险分析方法进行各种防洪安全决策。1 允许风险分析方法 1

3、.1 防洪风险的概念1.1 防洪风险的概念 狭义防洪风险侧重于防洪工程失事引发洪水灾害的概率，即防洪风险率PF；广义防洪风险则用防洪风险率PF和防洪风险损失L(如经济损失LOS、人员伤亡损失LOL等指标)的“积”表示的，即 R=PFL(1)1.2 允许风险分析1.2 允许风险分析 允许风险分析方法与其它风险分析方法不同，认为防洪风险的承受性不仅取决于经济，还取决于社会，在对防洪工程失事造成损失的考察中更注重人的生命损失，体现了“以人为本”的防洪理念。允许风险分析方法将防洪风险率与防洪风险损失(特别是人的生命安全损失)直接联系起来，以社会能够普遍接受的“允许风险”指标作为尺度，为防洪标准的确定、

4、防洪经济风险效益分析、防洪安全决策等提供了定量和一致的基础。具体地讲，允许风险分析方法是将每一具体防洪工程潜在的防洪风险R与社会允许风险值R*作比较，要求 RR*(2)为了与现行标准衔接，建议仍按已颁标准设计校核拟建和已建防洪工程，并针对具体大坝的各种随机、模糊因素进行专门分析，定性、定量确定工程的风险率值。同时，调查分析下游人口分布、地形状况，以 收稿日期：2004-09-20 基金项目：水利部科技创新项目(SCX2002-06)作者简介：范子武(1970-)，男，山东费县人，工程师，主要研究方向为水工水力学和洪灾风险分析。E-mail: 水水 利利 学学 报报 2005 年 5 月 SHU

5、ILI XUEBAO 第 36 卷 第 5 期 2 及洪泛区的管理情况，按最不利预警条件，校核估算防洪工程失事造成的生命损失。当计算所得的RR*，时，说明其安全性不能满足允许风险标准的要求，需进一步采取必要的措施。在进行防洪措施抉择时，需进行技术经济比较，使 S=minS1+S2(3)式中：S为总的经济投入；S1为降低洪灾风险率的工程措施投入；S2为减少洪灾损失的非工程措施投入。通常，超过现行标准要求所设计的新工程或病险工程的除险加固方案是不经济的。在这种条件下，采用建立洪水预报、预警系统等非工程措施方法，相对经济投入较小，常能取得较好的效果。对于洪泛区人口较多，R远大于R*的情况下，可综合运

6、用两种措施。2 防洪风险指标的量化 2.1 防洪风险 率 的 计 算2.1 防洪风险 率 的 计 算 防洪工程失事可能涉及多种失效模式，如洪水漫顶、渗流管涌、边坡失稳、基础塌陷等。其中，洪水漫顶是一种常发、后果严重的失效模式，据统计，约有三分之一以上的大坝失事是由洪水漫顶造成的。因此，本文将重点研究洪水漫顶风险率的定量计算。在洪水漫顶风险率计算方面，以往研究成果大多简单地把漫顶洪水对应的洪水频率看作漫顶风险率，认为在遭遇超标洪水情况下，防洪工程必然失事，反之则一定安全。这种0-1型风险处置方式与实际情况不符，计算精度也难以满足防洪安全决策的要求。事实上，防洪工程在各级洪水条件下，均有漫顶失事的

7、可能性，只是大小不同而已。漫顶风险率的严格数学描述为：在一定工程规模和一定时间t内，发生洪水并造成漫顶失事的概率，即 PFt=PAB=PAPB/A(4)式中：A为洪水事件；B为漫顶失事事件；PA表示A事件发生的概率；PAB表示A、B同时发生的概率；PB/A为条件概率。习惯上，常取时间t为1年，把PF1作为统一的风险率指标。对任一座水利工程而言，伴随运行期N的延长，其风险率将逐渐变大，PFN与PF1的关系为 PFN=1-(1-PF1)N(5)下面按照防洪工程漫顶失事的逻辑过程，即“发生洪水洪水漫顶漫顶失事”的先后顺序，讨论漫顶风险率PF1的计算方法。2.1.1 发生洪水概率2.1.1 发生洪水概

8、率 发生洪水概率PA的确定可根据历史洪水记录通过频率分析得到。为了求得各种频率洪水条件下的防洪工程漫顶风险率，则需将洪水(如洪峰流量Q)划分若干区间Ai=(Qi,Qi+1范围，并确保所有区间洪水事件的概率和等于1，即()110=niiAPdQQf(6)其中，f(Q)为洪峰流量Q的概率密度函数。水水 利利 学学 报报 2005 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 5 期 3 2.1.2 洪水漫顶条件概率2.1.2 洪水漫顶条件概率 对于特定的洪水事件，发生洪水漫顶条件概率的计算问题，本质上就是洪水作用力H(如：坝前水位、河道行洪水面线H)与防洪工程抗力D(如：坝顶高程、堤顶

9、高程)的关系问题。洪水漫顶的极限状态为 Z=H-D=0(7)故洪水漫顶条件概率为 Pf=PB/A=PHD=()0Zdzzf(8)式中：Z为洪水漫顶超高；f(z)为z的概率密度函数。在此说明，作为随机变量，工程抗力D(坝顶高程、堤顶高程)的不确定性主要来自施工误差、地基沉陷等。一般认为D服从正态分布，均值D取D的设计值，标准差D视工程情况而定。洪水作用力H的变化受诸多不确定性因素的影响，需作专门分析。对于具有调节洪水能力的水库、湖泊来说，坝前水位H的变化主要受来流洪水过程、下泄洪水过程、库容水位关系以及初始起调水位等随机因素影响，对此，文献1提供了运用随机微分方程求解不同时刻水位H的概率密度函数

10、f(h,t)、H(t)和H(t)的方法。对于河道而言，其行洪水面H的不确定性主要与河道糙率、断面测量误差、边界控制条件等的随机性相关联，文献2运用随机微分方程，通过对上述影响因素的概率模拟和分析，建立了推求行洪水面线H(x)的f(h，x)、H(x)和H(x)的随机数学模型。2.1.3 漫顶失事模糊风险率2.1.3 漫顶失事模糊风险率 在很多情况下，当HD时，并没有发生漫顶失事；对于混凝土坝、背水坡面保护较好的土坝，通常允许小单宽流量的坝面溢流；在遭遇稀遇洪水时，采取临时抢险加高等措施，也可免除可能发生的失事事故。种种现象表明防洪工程对洪水漫顶具有一定的承受能力，“洪水漫顶”与“漫顶失事”是相关

11、而不相同的，其界限是模糊的。显然，随着洪水漫顶超高值z的增大，发生漫顶失事事件的可能性就越大，可用升半正态的模糊隶属函数对此进行描述()()=001020zzzzezzzkB当当(9)式中：k为系数，一般取2.0；z0为洪水漫顶超高临界值。隶属函数B(z)既是对洪水漫顶失事风险的客观描述，又体现了工程设计人员、管理人员的主观判定和信心水平，使风险率PF1的计算更趋合理。对式(8)进行修正以后，最终将推导出1年内的防洪工程漫顶风险率PF1为()()=1001dzdpzfzPFB(10)为验证该经验公式在我国的适用性，对我国几次溃坝事件的人员伤亡数进行了预测，把计算结果与实际伤亡人数绘制于图1。验

12、证结果表明，该式基本满足灾前预评估的要求。水水 利利 学学 报报 2005 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 5 期 4 2.2 防洪风险 损 失 的 预 测2.2 防洪风险 损 失 的 预 测 防洪工程失事所造成的灾害影响是多方面的，包括人员伤亡、精神创伤、财产损失、经济活动变更或中断、环境破坏、社会秩序混乱等。其中，人员伤亡是最严重的洪灾损失，其影响无法用经济指标来衡量。影响生命损失的因素很多，如洪水风险特征、洪水预警预报状况、人员紧急撤离逃生条件、洪泛区地理条件、洪泛区土地利用情况、洪泛区内人口分布以及其他社会经济因素。文献3以上述影响生命损失数的主要因素，根据大

13、量历史溃坝和洪水泛滥统计资料，建立了如下经验公式 图1 生命损失预测值与实际值的比较 图1 生命损失预测值与实际值的比较 ()FCWTFCWTPARPARLOL+=223.2790.3759.0exp277.13144.0(11)式中：LOL为生命损失数；PAR为处于风险区的人口总数；WT为预警时间；FC为洪水风险特征。3 允许风险标准的选择 社会公众是防洪风险的最终承受者，防洪工程的潜在风险能不能为社会公众所接受，需要一个衡量标准。“允许风险”是指社会广泛而普遍接受的风险水平，它取决于社会公众对生命安全所赋予的价值，也取决于相同费用付出条件下社会其他领域减少人身安全威胁的可能性。因此，随着社

14、会、经济、环境和人们心理状态的变化，允许风险标准也是变化的。允许风险标准常用PF1LOL曲线进行描述，图2为澳大利亚4ANCOLD推荐采用的大坝PF1LOL曲线，图中两根曲线将大坝风险分作3个区域，即高风险的不能接受风险区、低风险的可接受区以及中等风险的允许但不可接受区。目前，加拿大、德国、美国等国都提出了类似标准，普遍以R*=0.001人/年作为大坝的最大允许风险值，对新坝或主要蓄水水库则要求R*达到0.0001人/年。对于堤防工程，允许风险的概念和允许风险分析方法将同样适用。考虑到堤防与大坝失图2 澳大利亚的大坝允许风险标准 图2 澳大利亚的大坝允许风险标准 事造成的损失程度略有不同，堤防

15、工程可适当降低允许风险标准，荷兰5建议堤防的允许风险标准R*在0.10.001人/年之间。水水 利利 学学 报报 2005 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 5 期 5我国采用何种程度的允许风险标准，是一个值得探讨研究的问题。我国现有各类大坝约85000座，如果采取R*=0.001人/年的标准，则要求年均溃坝死亡人数不超过85人。实际上，我国大坝安全的总体水准似未达到这一标准。鉴于我国人口众多，经济相对落后，可参考德国经验，制定相对较低的允许风险标准。但毫无疑问，逐渐接近上述各国推荐采用的R*标准，应是我国防洪安全的努力方向。4 骆马湖防洪安全决策评价 骆马湖地处江苏省

16、宿迁市、新沂市境内，类似一座平原型水库。它是沂沭泗流域下游洪水调度的中心，将沂河、南四湖、邳苍地区洪水调蓄以后，经嶂山闸由新沂河排入黄海。目前，骆马湖设计防洪标准为50年一遇，当沂沭泗流域“东调南下”二期工程完成以后，防洪标准将提高到100年一遇。4.1 风险率指 标 量 化4.1 风险率指 标 量 化 按照前述风险率定量计算方法，可绘制出骆马湖50年一遇和100年一遇标准下的防洪风险率变化曲线(图3)。按照传统风险分析方法，PPf曲线在设计洪水频率Pr处发生0-1型跃变(见图中虚线)，而定量计算方法的PPf曲线是连续的，当遭遇超标洪水(PPr条件下，也未必绝无漫顶风险，而是随P的增大，Pf渐

17、趋于0。若不考虑模糊因素影响，在PPf曲线下方所包围的面积大小等于防洪风险率PF1。骆马湖防洪标准由50年一遇提高到100年一遇，相应的防洪风险率PF1将由0.0224/年降低至0.0161/年，防洪安全度增加了0.0063/年。若考虑模糊因素影响，取超高临界值Z=1.0m，PF1将进一步减小21.3%，降低至0.0127/年。4.2 生命损失预测4.2 生命损失预测 骆马湖北大堤保护着江苏新沂市12.8万人的生命安全，考虑到保护区内地势平坦，属低水力风险区，水力强度参数FC取0。分别考虑有无预警措施、不同预警时间情况下，利用式(11)预测骆马湖北大堤溃决造成的人员伤亡数(如图4)。结果显示，

18、有无预警时间以及预警时间长短对人员伤亡数有着显著影响，随着预警时间的延长，伤亡人数迅速减小。有0.5h预警时间比没有预警时间减少损失30%，有2h预警时间，将减少损失近80%，当有6h预警时间条件下，人员伤亡将不足1人。4.3 骆马湖防 洪 安 全 评 价4.3 骆马湖防 洪 安 全 评 价 骆马湖堤防在100年一遇防洪标准下，相应的防洪风险率PF1=0.0127/年，若以溃堤死亡1人计，则防洪风险R=0.0127人/年，该值和澳大利亚、德国等国所要求的10-3人/年大坝允许风险标准相差甚远，也高于荷兰堤防标准的上限。为了降低骆马湖防洪风险，按照式(1)防洪风险的定义，可采取两类途径：一是通过

19、工程措施，加高加固堤防，提高骆马湖大堤的设计标准，以降低风险率PF1。初步推算，单纯采取工程措施，骆马湖大堤需采用8001000年一遇设计标准，这是不现实的。另一种途径是采取非工程措施，以降低堤防失事造成的人员伤亡数LOL，同样也能起到有效降低骆马湖的防洪风险的作用。图 3 骆马湖堤防 PPf关系曲线图 3 骆马湖堤防 PPf关系曲线 图 4 骆马湖的防洪风险值与预警时间的关系图 4 骆马湖的防洪风险值与预警时间的关系 水水 利利 学学 报报 2005 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 5 期 6 4.3.1 洪水预警系统的作用分析4.3.1 洪水预警系统的作用分析 从

20、生命损失预测经验公式可以看出，在风险人口、水力参数难以改变的情况下，延长预警时间是降低人员伤亡数的最有效措施。根据图4人员伤亡数、风险值与预警时间之间的关系可以看出：如果沂沭泗流域建立比较完善的洪水预报预警系统，提前8h发出预警，则最终风险值将降低至0.0016人/年，这与西方经济发达国家普遍采用的0.001人/年的允许风险水平基本接近。事实上，沂河洪峰丛临沂站传播至骆马湖的时间在1012h，8h预警的目标是能够实现的。4.3.2 黄墩湖滞洪的作用4.3.2 黄墩湖滞洪的作用 按照沂沭泗流域防洪调度规划，当骆马湖大堤面临溃决危险时，为确保骆马湖大堤及其防护区人口、财产安全，可主动采取黄墩湖滞洪

21、措施，转移风险。根据黄墩湖滞洪措施对降低骆马湖调洪风险的影响分析，在沂沭河遭遇100年一遇洪水、南四湖下泄4000m3/s、嶂山闸控制新沂河流量不超过7800m3/s条件下，如果不采取黄墩湖滞洪措施，骆马湖的最高水位将达到26.52m，超过堤顶设计高程。如果及时采取滞洪措施，可以确保骆马湖的水位在校核洪水位之下，最高洪水位为25.86m，最大漫顶风险率将降至38.71%。所以，从全流域防洪安全的大局出发，必要时以黄墩湖滞洪为代价，对于提高骆马湖乃至沂沭泗下游地区的防洪安全是至关重要的。由于黄墩湖滞洪区内安全撤离设施相对完善，可取相对较长的预警时间，甚至在滞洪前24h即可开始人员撤离准备。即便只

22、有810h预警时间，预测滞洪人口损失数极小。黄墩湖滞洪风险率值应与骆马湖大堤的风险率值相同，则风险值R在0.00270.0006人/年之间，这一风险水平应是可以接受的。当然，降低骆马湖防洪风险的措施还有很多，如加大沂河洪水“东调”力度、依据洪水预报成果实施嶂山闸预泄调度等。5 结语 风险分析是防洪安全决策的基础，允许风险分析方法把风险率和风险损失有机地结合起来，注重人的生命价值，体现了“以人为本”的防洪理念。允许风险代表着社会广泛而普遍接受的风险水平，允许风险标准是随社会经济发展而变化的。鉴于我国国情，建议采用相对较低的允许风险标准。按照防洪工程漫顶失事的逻辑过程的防洪风险率定量计算方法是对传

23、统风险率计算方法的深化，计算结果能客观反映工程实际的防洪风险率水平。骆马湖防洪安全距世界发达国家要求甚远，短期内，单纯依靠工程措施达标很不现实，建议采取建立洪水预警系统等非工程措施，提高骆马湖防洪安全。参考文献：参考文献：1 姜树海.基于随机微分方程的河道行洪风险分析J.水利水运科学研究，1995，(2)：128-137.2 Shuhai Jiang.Application of stochastic differential equations in risk assessment for flood releasesJ.Journal of Hydrolgical Sciences,199

24、8,43(3):349-360.3 DeKay M L,McClelland G H.Predicting loss of life in case of dam failure and flash floodJ.Risk Analysis,1993,(2):193-205.4 Krenzer H.The use of risk analysis to support dam safety decision and managementA.Q76 General Report.The Proceedings of 21th Int.Congress on Large DamsC.Beijing

25、 China.2000.799-801.5 Centre for Civil Engineering Research and Codes Technical Advisory Committee on Water Defence.Probabilistic design of flood defenceM.CUR/TAW report，1990.水水 利利 学学 报报 2005 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 5 期 7Application of tolerance risk analysis method in decision-making of flood

26、prevention FAN Zi-wu,JIANG Shu-hai(Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)Abstract:The tolerance risk analysis method is based on the idea of putting the safety of people as the most important thing.According to the lgic process of overtopping of flood defense projects a quantitat

27、ive calculation method for flood prevention risk ratio is proposed and an empirical equation for predicting loss of lives is deduced.The tolerance risk criterion is discussed.The proposed method is applied to quantitatively calculate the flood defense risk of Luoma Lake,and the corresponding decision-making of flood prevention safety is evaluated.Finally,the feasibility of flood forecast system for improving the flood prevention safety is analyzed.Key words:tolerance risk analysis;flood prevention risk ratio;loss of lives;decision-making of flood prevention