馬 瑞, 張 富, 周 波, 呂彥勛, 王玲莉, 趙秀蘭

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省水利科學(xué)研究院, 甘肅 蘭州 730030)

淤地壩是黃土高原水土流失地區(qū)控制溝道侵蝕的一項重要工程措施[1]，具有攔泥保土、淤地造田、減災(zāi)、以壩代路、解決干旱缺水、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展等多種作用[2-3]。淤地壩的安全運用對于滯洪排清、淤地造田、減輕汛期山洪災(zāi)害等具有非常重要的作用。然而，由于沒有風(fēng)險評價數(shù)據(jù)的支撐，各地在淤地壩功能的全方位發(fā)揮以及提質(zhì)增效措施的實施上遇到了難題，尤其是在用水問題上，出現(xiàn)了生產(chǎn)缺水和有水不敢蓄、有水不敢用的矛盾，同時在淤地壩功能的發(fā)揮及風(fēng)險規(guī)避上也缺少管理依據(jù)，因此，很有必要開展淤地壩風(fēng)險診斷與評價研究，以判斷淤地壩工程發(fā)生潰決可能性的大小，為淤地壩運用、風(fēng)險管控及其水土資源利用提供技術(shù)支撐。淤地壩風(fēng)險評價是通過分析潰壩原因，篩選出淤地壩潰壩風(fēng)險影響因子，如淤積庫容、滯洪庫容、壩體穩(wěn)定性等，借助層次分析法確定各因子權(quán)重，從而構(gòu)建評價模型對淤地壩的潰壩風(fēng)險進行綜合評價和診斷的技術(shù)方法[4-9]。從發(fā)表文獻來看，已有研究所構(gòu)建的指標(biāo)體系因流域差異而不盡相同，如王丹等[4]對西吉縣車路溝流域壩系潰壩風(fēng)險的評價采用的一級指標(biāo)有工程風(fēng)險、管理風(fēng)險、經(jīng)濟風(fēng)險和結(jié)構(gòu)風(fēng)險，而杭朋磊[5]對韭園溝流域壩系潰壩風(fēng)險評價采用的一級指標(biāo)則減去了結(jié)構(gòu)風(fēng)險，增加了環(huán)境風(fēng)險。目前，以王茂溝流域淤地壩壩系為對象開展風(fēng)險診斷和安全運行的研究最多，但因關(guān)注點的不同，各自建立的指標(biāo)體系差異也很大，如楊瑞等[6]和袁水龍等[7]建立了漫頂潰壩、滲流破壞、失穩(wěn)潰決、結(jié)構(gòu)破壞、管理因素共5個一級指標(biāo)和滯洪洪水、剩余庫容等14個二級指標(biāo)來分析壩系的安全運行情況；鐘少華[8]建立了壩體病險、放水建筑物病險、溢洪道病險、剩余庫容共4個一級指標(biāo)和裂縫、滑坡坍塌等11個二級指標(biāo)來分析壩系的潰壩風(fēng)險；段茂志[9]則建立了水文風(fēng)險、工程風(fēng)險2個一級指標(biāo)和基礎(chǔ)防滲質(zhì)量、壩坡穩(wěn)定等9個二級指標(biāo)來評價臨發(fā)暴雨過程中的潰壩風(fēng)險指數(shù)。本研究通過對甘肅省淤地壩風(fēng)險狀況調(diào)研，基于工程設(shè)計及現(xiàn)狀分析對淤地壩工程潰壩評價指標(biāo)和評價模型展開了進一步研究，構(gòu)建了以水文風(fēng)險、運行風(fēng)險、管理風(fēng)險和工程風(fēng)險4個模塊組成，包含16個具體評價指標(biāo)的淤地壩工程潰壩風(fēng)險評價模型，以期通過模型的應(yīng)用為甘肅省淤地壩運用管理、安全行洪、蓄水利用、壩控區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與發(fā)展等提供風(fēng)險評價和風(fēng)險防控基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 淤地壩工程風(fēng)險因素調(diào)查與指標(biāo)體系構(gòu)建

淤地壩工程風(fēng)險影響因素調(diào)查通過現(xiàn)場調(diào)研、專家座談及資料查閱等方式進行。于2020年7月下旬至8月上旬，共計現(xiàn)場調(diào)研了甘肅省慶陽、平?jīng)?、天水、白銀、定西、臨夏和蘭州市共7個市州的9座淤地壩工程的風(fēng)險問題。通過座談對各市州淤地壩運行管理、除險加固、蓄水利用等情況進行了詳細詢問和探討。截至2020年12月底共收回“××市(州)××縣(區(qū))淤地壩風(fēng)險評價數(shù)據(jù)庫”表格926份。對調(diào)研數(shù)據(jù)進行梳理后構(gòu)建了淤地壩工程潰壩風(fēng)險指標(biāo)體系。

1.1 工程水文風(fēng)險

經(jīng)分析探討，將工程水文風(fēng)險指標(biāo)確定為泥面/水面到攔泥壩高的距離(Δh)和有無溢洪道2個指標(biāo)。

1.1.1 滯洪庫容與工程水文風(fēng)險 實際滯洪庫容是淤地壩抵抗洪水風(fēng)險能力的關(guān)鍵，與壩庫淤泥、蓄水狀況有直接關(guān)系，存在兩種情景。①情景1：汛前不蓄水。此時，當(dāng)泥面在攔泥壩高以下，則實際滯洪庫容=設(shè)計滯洪庫容+剩余淤積庫容；而當(dāng)泥面在攔泥壩高以上，則實際滯洪庫容=設(shè)計滯洪庫容—超出的淤積庫容，即淤泥擠占了滯洪庫容(防汛庫容)，構(gòu)成水文風(fēng)險，高出越多，風(fēng)險就越大。②情景2：汛前蓄水。適用于存在死庫容的淤地壩以及人工蓄水的淤地壩。汛前，當(dāng)水位控制在攔泥壩高以下時，相當(dāng)于占用了攔泥壩高以下的部分死庫容而未擠占滯洪庫容，這時候淤地壩按設(shè)計是相對安全的；但如果汛前水位超過攔泥壩高，則會擠占滯洪庫容，此時構(gòu)成不安全因素。在情景1，2中，設(shè)泥面/水面到攔泥壩高的距離為Δh，Δh=泥面高/水面高—攔泥壩高，則當(dāng)Δh為正值時，構(gòu)成工程水文風(fēng)險。

1.1.2 溢洪道與工程水文風(fēng)險 有溢洪道對排洪來說是雙保險，可實質(zhì)性降低潰壩風(fēng)險；無溢洪道時，潰壩風(fēng)險相對增加。

1.2 工程運行風(fēng)險

工程運行風(fēng)險確定為剩余淤積庫容、剩余淤積年限和有無防汛道路共3個指標(biāo)。其中，剩余淤積庫容可用于衡量淤地壩實際能夠多承載的洪水的量，是影響工程運行的主要風(fēng)險因子。對于淤積庫容來說，一般設(shè)計淤積年限為10～20 a，但隨著坡面治理，侵蝕模數(shù)可能從5 000～8 000 t/(km2·a)下降到2 000～3 000 t/(km2·a)，因此到設(shè)計淤積年限不一定能淤滿，但是，即便原來設(shè)計20 a的淤積庫容到了30 a還沒淤滿，保20 a土壤不流失的任務(wù)已完成，后面屬于超期服役。就工程設(shè)計而言，越接近設(shè)計淤積年限，淤積庫容越小，淤地壩運行風(fēng)險也就越大。據(jù)此，剩余淤積年限也可作為運行風(fēng)險指標(biāo)。防汛道路屬淤地壩配套工程，保證了發(fā)生暴洪時搶險人員和設(shè)備能夠及時到場，沒有防汛道路時構(gòu)成工程運行風(fēng)險。

1.3 工程管理風(fēng)險

工程管理風(fēng)險指標(biāo)確定為有無預(yù)警系統(tǒng)、有無3個管理責(zé)任人(行政責(zé)任人，技術(shù)責(zé)任人，管理責(zé)任人)和有無防汛預(yù)案共3個指標(biāo)。汛期，暴雨過后，淤地壩臥管孔塞應(yīng)該打開及時放水。如果前一場暴雨造成水位已經(jīng)上升，應(yīng)在第二場暴雨來臨之前盡快排空以騰出滯洪庫容。如果不排而擠占滯洪庫容，則下一場暴雨來時，就會形成“人為超標(biāo)洪水”。因此，在管理工作中，如果預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)建立，3個管理責(zé)任人配備到位，在汛期暴洪發(fā)生后或水位上漲時，能夠及時打開臥管孔塞，正常維護，則淤地壩一般不會出問題。防汛預(yù)案是為了安全度汛，督促檢查防汛措施和實施汛期應(yīng)急救援工作而制定，缺少防汛預(yù)案時，構(gòu)成管理風(fēng)險。

1.4 工程風(fēng)險

經(jīng)過對已有研究的分析和探討，認為段茂志[9]所建立的工程風(fēng)險指標(biāo)對淤地壩的工程風(fēng)險問題覆蓋全面，層次清晰，用該指標(biāo)對王茂溝流域臨發(fā)暴雨中的潰壩分析結(jié)果合理，經(jīng)評估本研究確定直接采用這一工程指標(biāo)模塊，不再另行設(shè)定。該指標(biāo)模塊分為工程質(zhì)量風(fēng)險、結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險和滲漏安全風(fēng)險3個一級指標(biāo)，其中工程質(zhì)量包括基礎(chǔ)防滲質(zhì)量、壩體防滲質(zhì)量和填筑質(zhì)量3個具體指標(biāo)；結(jié)構(gòu)安全包括壩體變形和壩坡穩(wěn)定性2個具體指標(biāo)；滲漏安全包括壩基滲漏、壩肩滲漏和壩體及防滲體滲漏3個具體指標(biāo)，具體指標(biāo)分析見文獻[9]。

綜上所述，本研究共建立了由2個水文風(fēng)險指標(biāo)、3個運行風(fēng)險指標(biāo)、3個管理風(fēng)險指標(biāo)、8個工程風(fēng)險指標(biāo)，共16個指標(biāo)組成的淤地壩潰壩評價指標(biāo)體系。根據(jù)16個風(fēng)險評價指標(biāo)的層級關(guān)系，建立了由目標(biāo)層(A)、中間層(B和C)和指標(biāo)層(D)組成的層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)體系(圖1)。

圖1 淤地壩工程潰壩風(fēng)險評價指標(biāo)體系

2 指標(biāo)權(quán)重確定

淤地壩工程16個潰壩風(fēng)險評價指標(biāo)對淤地壩潰壩的貢獻率，即權(quán)重采取專家打分及評議的方法確定。層次分析法是結(jié)合專家經(jīng)驗的定性和定量分析相結(jié)合的數(shù)學(xué)工具，可將復(fù)雜的決策問題作為一個系統(tǒng)分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)等遞進的層次結(jié)構(gòu)，通過專家評分對各項目進行兩兩矩陣判斷及一致性檢驗，由數(shù)學(xué)方法算出各項目對于總目標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重[4-9]。依據(jù)淤地壩潰壩風(fēng)險評價指標(biāo)體系構(gòu)建評分矩陣，邀請各市州共計30位淤地壩專家根據(jù)經(jīng)驗對每一層次指標(biāo)相對于它所屬上一級指標(biāo)的重要程度進行兩兩比較，然后根據(jù)重要性等級及評分標(biāo)準(zhǔn)(表1)進行打分。

表1 評價系統(tǒng)重要性等級及參考評分標(biāo)準(zhǔn)

對評分進行數(shù)據(jù)處理，對判斷矩陣進行層次單排序一致性檢驗和層次總排序一致性檢驗，以確定指標(biāo)間的相互關(guān)系可以定量傳遞。淤地壩工程潰壩風(fēng)險評價指標(biāo)層次總排序計算結(jié)果詳見表2。

表2 淤地壩工程潰壩風(fēng)險評價指標(biāo)層次總排序計算結(jié)果

3 模型架構(gòu)

(1) 輸入模塊。在輸入模塊中輸入提前運算得到的16個風(fēng)險指標(biāo)得分值xi或直接輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)需要通過簡單運算得到風(fēng)險指標(biāo)得分值xi，此時在輸入時需輸入相應(yīng)參數(shù)并定義運算法則。

(2) 分析模塊。以D層各風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重ki為系數(shù)，以各指標(biāo)得分值xi為未知數(shù)，以淤地壩潰壩風(fēng)險運算值y為模型輸出項，構(gòu)建分析模塊為：

式中：y表示淤地壩工程潰壩風(fēng)險運算值；xi為風(fēng)險指標(biāo)Di的得分；ki為xi的系數(shù),i=1,2,3，…，16。

(3) 輸出模塊。輸出模塊的功能是根據(jù)淤地壩工程潰壩風(fēng)險運算值y的大小確定淤地壩潰壩風(fēng)險等級，并根據(jù)風(fēng)險等級發(fā)出相應(yīng)等級的預(yù)警。風(fēng)險等級3為低風(fēng)險，2為中風(fēng)險，1為高風(fēng)險。淤地壩工程潰壩風(fēng)險等級劃分及預(yù)警等級詳見表3。

表3 淤地壩工程潰壩風(fēng)險及預(yù)警等級劃分

對輸入模塊、分析模塊和輸出模塊進行集成，完成模型的構(gòu)建，建成的模型架構(gòu)詳見表4。

表4 淤地壩潰壩工程風(fēng)險評價模型架構(gòu)

4 淤地壩工程汛期風(fēng)險指標(biāo)評分方法

淤地壩工程汛期風(fēng)險指標(biāo)Di的得分，即xi值是對每個具體參評的淤地壩的工程現(xiàn)狀以分值的形式給出的評價，通常采取專家打分法確定。本研究中16個潰壩風(fēng)險指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)詳見表5，每個指標(biāo)風(fēng)險分的取值范圍均為1～9。其中，對水面/泥面到攔泥壩高的距離Δh評分時，需分兩種情況作出評分：當(dāng)Δh為負值時，也就是說蓄水/淤泥不會影響到滯洪庫容時，評分直接記作0，而當(dāng)Δh為正值時，評分則由Δh/(壩高—攔泥高度)的比值確定；剩余淤積年限由評價年份、建壩年份和設(shè)計淤積年限計算所得，即剩余淤積年限=評價年份-(建壩年份+設(shè)計淤積年限)；剩余淤積庫容的評分由剩余淤積庫容/設(shè)計淤積庫容的比值確定；其余指標(biāo)根據(jù)危險級別給出評分。需特別說明的是，溢洪道、防汛道路、預(yù)警系統(tǒng)、3個管理責(zé)任人的評分需要先確定有或無，有則記作0分，無則按表5評分。

表5 淤地壩工程潰壩風(fēng)險指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)

5 討論與結(jié)論

5.1 討 論

淤地壩是黃土高原區(qū)小流域水土流失治理的重要工程措施，對其運用過程中的潰壩風(fēng)險的識別和研究極為重要。本研究所構(gòu)建的淤地壩潰壩風(fēng)險評價模型由風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建、運算法則、風(fēng)險指標(biāo)賦值三部分組成。其中，模型中風(fēng)險指標(biāo)的選擇和權(quán)重的確定是決定淤地壩風(fēng)險評價結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。本研究采用調(diào)研、專家打分、層次分析、評議等方法建立了甘肅省淤地壩工程潰壩風(fēng)險評價指標(biāo)體系并確定了指標(biāo)權(quán)重。16項風(fēng)險評價指標(biāo)中，即有定量指標(biāo)，也有依據(jù)危險級別判斷結(jié)果進行量化的定性指標(biāo)，如基礎(chǔ)防滲質(zhì)量、壩體防滲質(zhì)量、填筑質(zhì)量等。指標(biāo)體系包含4個一級指標(biāo)，這4個一級指標(biāo)分別是對水文、運行、管理和工程質(zhì)量的風(fēng)險評價，涉及的風(fēng)險類型全面，能夠綜合反映淤地壩工程的潰壩風(fēng)險。

本模型既是對潰壩風(fēng)險的評價，也是對蓄水利用安全性的評價。因此，所采取的水文風(fēng)險指標(biāo)與段茂志提出的臨發(fā)暴雨中的水文風(fēng)險指標(biāo)[9]不同，本研究中的泥面/水面到壩頂?shù)木嚯x是對汛前狀態(tài)的衡量，為靜態(tài)指標(biāo)，其實質(zhì)是通過對滯洪庫容的影響來反映當(dāng)發(fā)生降雨事件時壩庫的蓄水及泄洪能力。幾乎在所有關(guān)于淤地壩風(fēng)險評價的文獻中，工程風(fēng)險都是占比最高的風(fēng)險類別[4-9]，也就是說使淤地壩發(fā)生潰壩的最大風(fēng)險因素是壩體自身的不穩(wěn)固。然而，盡管各地正常運行的淤地壩都是通過驗收交付使用的質(zhì)量合格的壩，但在運行過程中受水力侵蝕、鼠洞、蟻穴、不均衡碾壓等多種因素的影響，難免會出現(xiàn)侵蝕溝、洞穴、裂縫等過水通道以及嚴(yán)重影響壩體安全的變形問題[7,9]，而這些問題得不到及時補救則與管理有關(guān)[10-13]，因此，加強管理意識、增加管護經(jīng)費、提高壩體安全是淤地壩安全運行的重要保障。

5.2 結(jié) 論

研究通過現(xiàn)場調(diào)研、專家打分、層次分析、專家評議等多種形式對甘肅省淤地壩工程潰壩風(fēng)險指標(biāo)和指標(biāo)權(quán)重進行了研究，構(gòu)建了甘肅省淤地壩工程潰壩風(fēng)險評價模型。該模型由水文風(fēng)險(B1)、運行風(fēng)險(B2)、管理風(fēng)險(B3)、工程風(fēng)險(B4)共4個風(fēng)險類型模塊(權(quán)重分別為0.12，0.13，0.12，0.63)組成，各模塊又分別包括2，3，3，8共16個具體評價指標(biāo)；水面/泥面到攔泥壩高的距離(D1)、剩余淤積庫容(D4)、有無3個管理負責(zé)人(D7)、壩體變形(D12)分別是4個風(fēng)險類型模塊的最大權(quán)重評價指標(biāo)，分別占各自模塊權(quán)重的69.23%，61.53%，53.85%，0.22%，合計占16個指標(biāo)總權(quán)重的38.00%。權(quán)重在0.09以上的指標(biāo)共計6個，對淤地壩工程潰壩風(fēng)險起主要把控作用。本研究對各指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)作了規(guī)定，依據(jù)綜合風(fēng)險得分將輸出的風(fēng)險等級和預(yù)警等級劃分為3級。模型由輸入、分析和輸出3個模塊組成，層次清晰，架構(gòu)明確，模型的構(gòu)建可為汛前淤地壩工程風(fēng)險的評價提供實時預(yù)警數(shù)據(jù)，使淤地壩興農(nóng)、兩不誤。