武文浩，王新華，張慧穎，陳泳江，呂松峰

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南 昆明650201)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，為了解決洪峰災(zāi)害、供電不足、農(nóng)業(yè)灌溉用水稀缺、生產(chǎn)生活用水匱乏和航運(yùn)水位調(diào)節(jié)等問題，我國曾大范圍新建、改建、擴(kuò)建水庫。但是隨著時間的推移，因水庫大壩老化、強(qiáng)降雨、地震及人類活動等原因，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞、水庫大壩事故時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅到了下游群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。因此亟待開展水庫樞紐區(qū)脆弱性研究，這不僅有利于制定科學(xué)的防災(zāi)減災(zāi)策略，還符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

脆弱性的概念由Timmerman于1981年提出，最早應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域[2]。經(jīng)多年發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境、水資源、網(wǎng)絡(luò)、災(zāi)害和社會等學(xué)科領(lǐng)域[3-5]。在水利工程領(lǐng)域，水庫對下游群眾的影響，現(xiàn)階段的研究大多集中在大壩的安全評價上，很少涉及脆弱性概念。李京陽等[6]建立的震后水庫大壩安全評價指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊綜合評價對震后的大壩安全程度進(jìn)行了評估，結(jié)果證明該水庫工程基本安全，與實(shí)際情況相符合。李守義等[7]構(gòu)建了潰壩后果綜合評價指標(biāo)體系，結(jié)合層次分析法和可變模糊集理論，將其應(yīng)用于5座水庫，進(jìn)行潰壩后果綜合評價。李影[8]提出了一種基于組合賦權(quán)和正態(tài)云耦合的安全評價模型，構(gòu)建了大壩安全評價指標(biāo)體系，對大壩進(jìn)行安全評估，結(jié)果表明該方法可以得出準(zhǔn)確的結(jié)果。以上研究都是圍繞水庫大壩安全進(jìn)行的，但是水庫樞紐區(qū)覆蓋范圍廣，內(nèi)部因素復(fù)雜多樣且相互聯(lián)系，不應(yīng)該只分析大壩的安全，而應(yīng)考慮水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)的綜合影響。

結(jié)合脆弱性的概念，提出FMECA-AHP(failure mode，effects，and criticality analysis with analytic hierarchy process)方法，系統(tǒng)研究水庫樞紐區(qū)的脆弱性。脆弱性越低，則安全等級越高，反之，安全等級越低。該方法既解決了指標(biāo)體系選取不合理的問題，也克服了傳統(tǒng)層次分析法1～9標(biāo)度算法存在的主觀性強(qiáng)、評分偏差大和計(jì)算量大等缺點(diǎn)。

將此評估方法用于某水庫大壩工程，結(jié)合現(xiàn)場專家的安全評估結(jié)果，驗(yàn)證了其可行性，對今后水利工程的防災(zāi)減災(zāi)有著極其重要的理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法

1.1基于FMECA法建立水庫樞紐區(qū)脆弱性評價指標(biāo)體系

考慮到水庫樞紐區(qū)評價的復(fù)雜性和因素多樣性，以及每個工程的獨(dú)有特點(diǎn)，先采用FMECA風(fēng)險分析法分析水庫樞紐區(qū)。針對水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)中每一要素所有可能造成的破壞模式及其對系統(tǒng)可能造成的所有影響，按要素破壞模式、后果發(fā)生的原因及其嚴(yán)重程度予以分類，嚴(yán)酷度定性分級示例如表1所示。然后結(jié)合工程情況，查找相關(guān)資料，采用推理式的圖表分析識別系統(tǒng)中每一個因素所有可能的破壞模式及其后果，如表2所示。根據(jù)水庫樞紐區(qū)的FMECA風(fēng)險分析結(jié)果，并參考學(xué)者對水庫區(qū)危險因素的研究，從不同角度、不同方向和不同層次選取3個準(zhǔn)則、9個一級指標(biāo)和28個二級指標(biāo)構(gòu)成評價指標(biāo)體系(圖1)[9-12]。該體系反映了工程的特性及安全狀況，可以更全面準(zhǔn)確評價其脆弱性，體現(xiàn)了評價指標(biāo)選取的科學(xué)性、可行性、顯著性、多樣性和可操作性原則。

表1 嚴(yán)酷度分級示例

1.2基于改進(jìn)的三標(biāo)度層次分析法確定權(quán)重

(1)構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型。

將FMECA法與層次分析法相結(jié)合，根據(jù)研究的對象和影響因素分析其關(guān)系構(gòu)造層次，將指標(biāo)因素分組，以組為層次，分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層[13]。

(2)構(gòu)造判斷矩陣。

首先構(gòu)建一級指標(biāo)層的比較矩陣B=(bij)，bij含義如式(1)所示，bij值由8名水利專家打分得出。再將比較矩陣B經(jīng)式(2)轉(zhuǎn)換得到二級指標(biāo)層的判斷矩陣A=(aij)。

表2 某水庫樞紐區(qū)FMECA分析

圖1 水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)脆弱性評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of system vulnerability in reservoir complex area

(1)

(2)

式中n——比較矩陣的階數(shù)

ri、rj——比較矩陣的行和

cjk——矩陣中第j行第k列的元素

(3)各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。

(3)

(4)

三標(biāo)度層次分析法確定的各指標(biāo)因素權(quán)重子集為W=(w1，w2， …，wn)。

1.3模糊綜合評價模型

為了更客觀地分析水庫樞紐區(qū)的脆弱性，先建立指標(biāo)評語集V，然后在此基礎(chǔ)上得出各指標(biāo)因素的隸屬度rij，建立單因素評判模糊矩陣R，再將各指標(biāo)因素的權(quán)重子集W與評判模糊矩陣R進(jìn)行模糊算子合成，最終得出模糊綜合評價集合D。步驟如下：

U=(u1，u2， …，un)

V=(v1，v2， …，vn)

D=WR

式中U——指標(biāo)因素集

V——指標(biāo)評語集

ui——單個因素

vi——評價等級

rij——因素集U中第i個元素對評語集V中第j個元素的隸屬度

2 云南省某水庫樞紐區(qū)脆弱性綜合評估

2.1某水庫樞紐區(qū)概況

水庫位于瀾滄江水系小黑江支流勐董河上游，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、供水、旅游等綜合效益的中型水庫，總庫容1 410萬m3，灌溉面積2 480 hm2，農(nóng)業(yè)灌溉用水1 710.5萬m3，城鎮(zhèn)供水25萬m3。水庫始建于1997年9月19日，2002年底基本建成。水庫防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇。校核水位為1 303.72 m，設(shè)計(jì)洪水位為1 303.21 m，興利水位為1 302.00 m，死水位1 271.00 m。區(qū)域地處云貴高原西緣，山巒疊嶂，山體寬厚，山頂高程1 300.00～1 500.00 m，最高點(diǎn)海拔2 605.40 m。水庫下游的防洪重點(diǎn)保護(hù)對象為勐董至勐省公路。保護(hù)下游勐董鎮(zhèn)、勐角鄉(xiāng)、勐來鄉(xiāng)、勐省鎮(zhèn)，800 hm2耕地，保護(hù)人口約1.2萬人。勐董水庫灌區(qū)面積2 480萬hm2。水庫屬三等工程。

為進(jìn)行水庫大壩安全評估，成立了該水庫大壩現(xiàn)場安全檢查專家組，專家組向大壩管理人員了解了大壩運(yùn)行、監(jiān)測情況，并對大壩設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行資料進(jìn)行了初步檢查分析，得出如下結(jié)論。

(1)由于施工質(zhì)量差，下游坡1 270.00 m高程以下出現(xiàn)小面積潮濕、滲水，局部坍塌。

(2)水庫大壩安全監(jiān)測點(diǎn)多處損壞，水文測報(bào)和通信設(shè)施不完備，防汛道路路況差；管理設(shè)施陳舊落后，缺乏技術(shù)管理人員。

(3)大壩壩基基巖滲透性微弱，壩基基巖不存在滲漏問題；水庫多年運(yùn)行后，填筑土與壩基接觸部位存在滲漏問題。

(4)庫盆及庫岸基底由奧陶系片巖及侏羅系含礫砂巖構(gòu)成，巖體滲透性微弱，水庫不存在基巖裂隙性滲漏問題，水庫庫岸邊坡基本穩(wěn)定，水庫有輕微淤積問題，不影響水庫正常運(yùn)行。

2.2基于FMECA-AHP方法確定權(quán)重

(1)根據(jù)對水庫樞紐區(qū)的FMECA風(fēng)險分析，以及對現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)查，建立了水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)脆弱性評價指標(biāo)體系。

(2)通過式(1)建立二級指標(biāo)層的比較矩陣B，以一級指標(biāo)層b1為例，比較矩陣Bb1為

(3)由式(2)和比較矩陣Bb1得出相對應(yīng)二級指標(biāo)層的判斷矩陣A。

(4)通過式(3)和式(4)，計(jì)算出對應(yīng)的二級指標(biāo)層歸一化后的權(quán)重集。

wb1=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

重復(fù)步驟(2)到(4)，可得全部評價指標(biāo)的權(quán)重集，結(jié)果如下。

wo=(0.571 4 0.285 7 0.142 9)

wa1=(0.142 9 0.285 7 0.571 4)

wa2=(0.200 0 0.200 0 0.600 0)

wa3=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb1=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

wb2=(0.200 0 0.200 0 0.600 0)

wb3=(0.196 3 0.534 6 0.072 8)

wb4=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

wb5=(0.600 0 0.200 0 0.200 0)

wb6=(0.142 9 0.285 7 0.571 4)

wb7=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb8=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb9=(0.200 0 0.600 0 0.200 0)

2.3模糊綜合評價分析

(1)建立脆弱性評語集V={很高，較高，一般，較低，很低}，以文獻(xiàn)[14]為依據(jù)，給出了脆弱性等級評分標(biāo)準(zhǔn)，具體量化值如表3所示。

表3 脆弱性等級評分表

(2)以文獻(xiàn)[15]為依據(jù)，結(jié)合FMECA風(fēng)險分析方法和現(xiàn)場實(shí)際情況，8名水利專家按脆弱性等級評分表，給該項(xiàng)目的28個二級指標(biāo)因素打分，各位專家的綜合評定結(jié)果如表4所示。

表4 二級指標(biāo)因素脆弱性等級

(3)根據(jù)8名專家對二級指標(biāo)因素脆弱性的評定結(jié)果，可確定一級指標(biāo)因素b1～b9的隸屬度矩陣，以rb1為例。

b1的權(quán)重集wb1=(0.5714 0.1429 0.2857)，故b1的綜合脆弱性評價結(jié)果為：

Db1=wb1rb1=[0.571 4 0.142 9 0.285 7]

=[0 0.071 4 0.553 6 0.321 4 0.053 6]

同理，可得出準(zhǔn)則層和全部一二級指標(biāo)層的綜合脆弱性評價結(jié)果：

計(jì)算結(jié)果分析與建議。

根據(jù)以上計(jì)算，Do權(quán)重值最大為0.602 7，其次為0.289 9，對應(yīng)的脆弱性等級為“一般”，即云南省某水庫樞紐區(qū)脆弱性綜合評價等級為“一般”且偏“較低”，無重大安全隱患。但其脆弱性綜合評估結(jié)果存在偏高的可能，結(jié)合3.1節(jié)計(jì)算的歸一化綜合權(quán)重分析，其中二級指標(biāo)c8，c11，c21為主要影響因素。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果，給出防災(zāi)減災(zāi)建議。①由于施工質(zhì)量較差，應(yīng)加強(qiáng)對現(xiàn)場的觀測與巡視檢查，建議對大壩進(jìn)行除險加固。②現(xiàn)場監(jiān)測儀器和設(shè)備要定期檢修，對大壩特殊部位加大監(jiān)測頻率，并適當(dāng)增加技術(shù)管理人員。③要積極響應(yīng)當(dāng)?shù)卣?，杜絕任何破壞環(huán)境的行為，同時建議當(dāng)?shù)卣哟蟓h(huán)境治理保護(hù)的力度[16]。

水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)脆弱性的最終評估結(jié)果與實(shí)際工程較為吻合，達(dá)到了工程安全評估和災(zāi)害預(yù)防的目的。

3 結(jié)論

(1)考慮整個水庫樞紐區(qū)對下游居民的影響，以及工程自身獨(dú)一無二的特點(diǎn)，在參照相關(guān)規(guī)范并進(jìn)行實(shí)地考察后，結(jié)合FMECA風(fēng)險分析法，科學(xué)合理地建立了水庫樞紐區(qū)的脆弱性評價指標(biāo)體系。

(2)運(yùn)用改進(jìn)后的三標(biāo)度層次分析法，大大減少了主觀判斷，克服了傳統(tǒng)1～9標(biāo)度算法的弊端。通過構(gòu)建評語集和隸屬度矩陣，建立模糊綜合評價模型，使之與改進(jìn)后的三標(biāo)度層次分析法相結(jié)合，評價和分析了整個水庫樞紐區(qū)的脆弱性。

(3)將FMECA-AHP方法用于云南省某水庫樞紐區(qū)的安全評估與災(zāi)害預(yù)防，得出該水庫樞紐區(qū)的脆弱性等級為“一般”，但有個別因素脆弱性等級有偏高的可能性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出防災(zāi)減災(zāi)建議。評估結(jié)果與現(xiàn)場專家組安全檢查的結(jié)論吻合，證明了該方法的可行性。