宮曉華，張 強，李 楓

(西安理工大學，陜西 西安 710048)

1 研究背景

黃土高原地區(qū)是我國水土流失最為嚴重的地區(qū)，水土流失面積高達45.4×104km2[1]。淤地壩是黃土高原地區(qū)人民在長期實踐中探索出的一種防止水土流失的有效水利工程措施，淤地壩通過滯洪攔沙可調(diào)節(jié)汛期高含沙量洪水，從而減少入黃泥沙[2]。同時其在防洪減災、改善生態(tài)、促進經(jīng)濟發(fā)展等方面均發(fā)揮著重要作用[3-5]。

截至2019年11月，我國黃土高原地區(qū)共有淤地壩58 776座，淤地面積達927.57 km2[5]。淤地壩在陜北地區(qū)發(fā)揮著非常重要的作用，但其也存在著許多問題，淤地壩大多都是由地方群眾在資金、技術力量相對薄弱的情況下修建的，在設計、施工、運行管理等方面均采用了相對較低的標準。據(jù)不完全統(tǒng)計，陜北地區(qū)1994年7、8月之間有7 347座淤地壩被不同程度地沖毀破壞[6]。近年來，隨著氣候的變化，極端降雨事件頻發(fā)，淤地壩水毀災害也越來越多。2016年8月，內(nèi)蒙古自治區(qū)達拉特旗發(fā)生最大降雨量達406 mm的極端降雨，造成了當?shù)?3座骨干淤地壩中的12座發(fā)生潰決[7]。淤地壩水毀災害不僅給當?shù)厝罕妿砹私?jīng)濟損失，還嚴重制約著淤地壩的發(fā)展。

我國的大壩安全風險評價工作仍處于發(fā)展階段，近些年，諸多學者進行了大量的研究工作。目前國內(nèi)外關于大壩安全風險分析的方法主要有JC(International Joint Committee on Structural Safety) 法、層次分析法、風險指數(shù)法、未確知網(wǎng)絡分析法、模糊層次評價法等[8-12]，而對于淤地壩的風險評價研究還較少。王丹等[13]采用層次分析法對淤地壩運行風險進行了研究；沈積懷等[14]采用可靠性原理對淤地壩設計、工程安全性強制規(guī)范、風險概率控制評測等3項指標進行了計算，得出淤地壩類工程在設計、施工、測評方面的量化參數(shù)指標。袁水龍等[15]通過層次分析法和TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)法對王茂溝安全體系進行了評價，建立了小流域淤地壩系安全評價體系。本文將模糊數(shù)學理論與層次分析法相結合，采用模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process,FAHP)對淤地壩各風險項的權重進行計算，對風險因子進行排序，并且結合土石壩的等級標準，運用模糊綜合評價法對淤地壩進行系統(tǒng)的綜合評價，為淤地壩的風險管理提供依據(jù)。

2 淤地壩風險因素分析

根據(jù)淤地壩水毀統(tǒng)計資料，淤地壩的水毀規(guī)模主要集中在中、小型壩，其中以壩體發(fā)生水毀為主，泄水建筑物次之[16]。淤地壩的潰決主要有以下幾方面原因：

(1)壩體年久失修，壩體結構已破壞。目前黃土高原地區(qū)有中型以上病險淤地壩5 282座，其中骨干壩3 025座、中型淤地壩2 257座[17]。這些中型以上病險淤地壩大多修建于20世紀60、70年代，經(jīng)過幾十年的運行，壩體年久失修，存在不同程度的損毀。例如2000年7月8日王家溝流域壩系發(fā)生的嚴重水毀事件，該流域壩系本能承受100年一遇的特大暴雨，但當時降雨僅為50年一遇，該流域壩系即發(fā)生了水毀事故，后經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成水毀的主要原因是由于該壩系蟻穴、鼠洞較多和缺乏管理維護工作所致[18]。

(2)暴雨洪水標準超標。淤地壩水毀主要發(fā)生在汛期暴雨時段，根據(jù)資料統(tǒng)計[19]，1973年8月25日延川縣降雨約112 mm，造成的淤地壩水毀率為44%；1975年8月，延長縣先后發(fā)生兩場暴雨，造成的淤地壩水毀率為31%。2012年7月15日，陜西省綏德縣降雨核心區(qū)域1 h內(nèi)最大降雨量達75.7 mm，從而導致韭園溝流域中24座不同規(guī)模的淤地壩出現(xiàn)水毀災害。2017年綏德縣“7·26”暴雨歷時短、強度大，造成337座淤地壩毀壞，經(jīng)計算，此次暴雨重現(xiàn)期約為200年一遇[20]。許多淤地壩的設計標準低，泄水建筑物配套不全，且年久失修，一旦遭遇超標準洪水，潰壩的風險很大。

(3)淤地壩庫已基本被淤滿，剩余庫容較小。據(jù)統(tǒng)計[21]，70%的現(xiàn)狀骨干淤地壩建成于1980年以后，但69%的中型壩和85%的小型壩建成于1980年以前。根據(jù)2008年淤地壩安全大檢查數(shù)據(jù)對淤積量及其占總庫容的比例進行分析，結果表明，有29%的骨干壩和62%的中型壩淤積庫容已達到或超過設計淤積庫容。由于淤地壩庫被淤滿，洪水直接漫壩造成淤地壩水毀的占比也很大。

(4) 管理薄弱。黃土高原地區(qū)淤地壩數(shù)量眾多，其管理主體不明確且缺少有效的管理措施，致使壩體損毀得不到及時的修補，排水設施被堵塞也不能被及時清理，導致排水不暢。例如，綏德縣趙家坪和林家鹼2號壩、子長縣紅石赤溝3號壩、清澗縣勝天溝張家岔壩等在汛期降雨前溢洪道均己被堵塞，導致暴雨期洪水漫頂而發(fā)生潰壩[19]。

總結上述淤地壩潰壩發(fā)生的原因，根據(jù)工程風險、人為因素和失事后果可將淤地壩風險分為3個部分：第1部分為壩體現(xiàn)狀風險，考慮淤地壩的壩體結構及防洪能力現(xiàn)狀，包括滯洪風險、剩余庫容、泄水設施、壩體完整度；第2部分為管理風險，考慮事前管理和應急響應兩方面，包括日常管理風險、應急風險和監(jiān)測風險；第3部分為失事后果，包括生命損失和下游經(jīng)濟損失。

3 淤地壩風險的模糊層次分析模型

3.1 淤地壩風險層次模型的建立

建立淤地壩風險層次模型是進行淤地壩風險分析的基礎，根據(jù)前文中淤地壩風險識別的結果，同時參考部分學者對淤地壩水毀原因的調(diào)查與分析[7,13,15-19]，將淤地壩風險指標體系分為目標層(A)、準則層(B)和指標層(C)3個層次，目標層為淤地壩風險，準則層包括現(xiàn)狀風險、管理風險和失事后果，指標層包括滯洪風險、剩余庫容、泄水設施、壩體完整度、日常管理風險、應急風險、監(jiān)測風險、生命損失、下游經(jīng)濟損失。建立的淤地壩風險層次分析模型如圖1所示。

圖1 淤地壩風險層次分析模型

對圖1中準則層所包括的各個指標及其賦值標準說明如下：

(1)準則層現(xiàn)狀風險(b1)包括4項指標。①滯洪風險(c1)：滯洪洪水是指淤地壩控制流域內(nèi)降雨徑流總量與泄水建筑物下泄水量之差，其大小決定著是否會發(fā)生漫壩。將滯洪風險定義為滯洪庫容與剩余庫容的比值，當滯洪庫容為0時，滯洪風險取值為0.1，表示該淤地壩滯洪風險很大。②剩余庫容 (c2)：淤地壩具有攔泥減沙的效能，剩余庫容隨著使用年限的增長而不斷減少。剩余庫容風險定義為剩余庫容與設計庫容的比值，當淤地壩已被淤滿時，剩余庫容風險取值為0.1，表示該淤地壩剩余庫容風險最大。③泄水設施(c3)：淤地壩的泄水設施包括溢洪道、豎井及臥管等，而20世紀80年代之前修建的淤地壩基本沒有配置泄水設施。由于淤地壩泄水設施中溢洪道、豎井和臥管的泄流能力不同，對不同的泄水設施賦予不同的值。有溢洪道并且溢洪道完整無損的賦值為1.0；溢洪道輕微破損的賦值為0.8；溢洪道破損比較嚴重但基本能正常工作的賦值為0.6；有豎井或臥管且可起到泄水作用的賦值為0.5；豎井或臥管發(fā)生破損而出現(xiàn)滲漏的賦值為0.3；豎井或臥管堵塞而無法泄水或無泄水設施的賦值為0.1。④壩體完整度(c4)：淤地壩大多修建較早，其質量不能保證，故壩體完整程度為淤地壩是否發(fā)生水毀的一個重要因素。壩體完整無損的賦值為1.0；根據(jù)壩體表面狀況，存在微小裂紋的賦值為0.9；存在少量裂縫的賦值為0.8；存在非貫穿缺口的賦值為0.5；存在細小洞穴的賦值為0.2；存在貫穿性裂縫的賦值為0.1。

(2)準則層管理風險(b2)包括3項指標，均采用0～1.0的賦值原則。①日常管理風險(c5)：安排人員進行日常管理的淤地壩賦值為1.0；比較偏遠無人管理的淤地壩日常管理風險較大，賦值為0.1。②應急風險(c6)：淤地壩有應急預案的賦值為1.0；沒有應急預案的賦值為0.1。③監(jiān)測風險(c7)：監(jiān)測設備齊全且能夠正常使用的賦值為1.0，否則賦值為0.1。

(3)準則層失事后果(b3)包括2項指標。由于淤地壩下游村莊、工廠較少，失事后果的損失相對于土石壩較小，故淤地壩失事后果的風險相對可以適當放寬。但應以人為本，重視生命損失的風險。①生命損失(c8)：根據(jù)《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》[22]，沒有生命損失風險的賦值為1.0；可能造成3人以下傷亡的賦值為0.5；可能造成3人以上10人以下傷亡的賦值為0.2；可能造成10人以上傷亡的賦值為0.1。②下游經(jīng)濟損失(c9)：淤地壩主要經(jīng)濟附加值為農(nóng)業(yè)，故經(jīng)濟損失風險可適當放寬，經(jīng)濟損失在10萬元以下的賦值為0.9；經(jīng)濟損失為100萬元的賦值為0.5；經(jīng)濟損失在1 000萬元以上的賦值為0.1；其他經(jīng)濟損失量通過插值進行賦值。

3.2 模糊一致判斷矩陣的構建

建立風險因素層次分析模型后，確立了上下隸屬關系，然后建立模糊一致判斷矩陣R，以確定上下層元素之間的相對重要性。判斷矩陣A如下：

(1)

在層次分析法中，通常依據(jù)1～9的標度法確定各指標層次的比重，從而獲得判斷矩陣，但當判斷矩陣不具有一致性時，需經(jīng)過多次調(diào)整判斷，其過程較為繁瑣。故本文將層次分析法和模糊理論相結合，判斷矩陣的構建引用0.1～0.9九標度數(shù)量標度[23]，如表1所示。表1給出了不同重要性比較的數(shù)量化，根據(jù)表1所示的標度方法將風險因素a1、a2、…、an兩兩相互比較，即可得到模糊判斷矩陣A。

表1 0.1～0.9九標度數(shù)量標度說明

通過公式(2)對模糊判斷矩陣A的各行進行求和，并進行如公式(3)所示的轉換，即可得到模糊一致判斷矩陣R=(rij)n×n，再將模糊一致判斷矩陣R歸一化處理，即可得到各因素的排序向量W=(W1,W2,…,Wn)T。文獻[24]推導了求解模糊判斷矩陣權重的一種通用公式，如公式(4)所示。

(2)

(3)

(4)

模糊判斷矩陣A的重要性權重矩陣為W=(W1,W2,…,Wn)T，根據(jù)定理可知，判斷矩陣A的特征矩陣為W*=(wij)n×n，其中：

(5)

模糊判斷矩陣A的一致性檢驗通常采用模糊判斷矩陣和其特征矩陣的相容性指標I(A,W)來判斷，如公式(6)所示，I(A,W)為判斷矩陣A與W的相容性指標。當I≤α時(α為決策者的態(tài)度，通常取為0.1[25])，則認為A滿足一致性。

(6)

層次單排序即由向量W=(W1,W2,…,Wn)T的相對權重進行排序，總排序是計算所有因素相比于目標層的權重排序，每一層的總權重向量可由公式(7)計算。

(7)

3.3 各風險評價指標權重計算

本研究在參考淤地壩水毀調(diào)查與分析的相關文獻[7]、[13]、[15]～[19]和部分水利、水土保持專家獨立給出的指標相對重要程度的基礎上，通過綜合考慮，根據(jù)模糊層次分析法的原理對準則層中現(xiàn)狀風險、管理風險和失事后果所包括的各個風險評價指標的權重進行計算。

現(xiàn)狀風險中各風險評價指標的賦值及其權重計算結果如表2所示。由表2可知，現(xiàn)狀風險中各風險評價指標權重排序為：滯洪風險>剩余庫容>壩體完整度>泄水設施。

管理風險中各風險評價指標的賦值及其權重計算結果如表3所示。由表3可知，管理風險中各風險評價指標權重排序為：日常管理風險>監(jiān)測風險>應急風險。

表2 現(xiàn)狀風險中各風險評價指標賦值及其權重計算結果

表3 管理風險中各風險評價指標賦值及其權重計算結果

失事后果中各風險評價指標的賦值及其權重計算結果如表4所示。由表4可知，失事后果中各風險評價指標權重排序為：生命損失>下游經(jīng)濟損失。

表4 失事后果中各風險評價指標賦值及其權重計算結果

對于淤地壩水毀事故應采取預防為主的原則，加強管理措施，減少人員的傷亡。對于準則層中的現(xiàn)狀風險、管理風險和失事后果3個要素的賦值及其權重計算結果如表5所示。由表5可知，準則層3個要素的權重排序為：現(xiàn)狀風險>管理風險>失事后果。

表5 準則層中3個要素的賦值及其權重計算結果

根據(jù)以上各評價指標權重的計算結果，可以得到淤地壩風險評價指標體系的權重，如表6所示。

表6 淤地壩風險評價指標體系的權重計算結果

3.4 模糊綜合評價

基于權重向量W和模糊判斷矩陣R，即可求得淤地壩風險的模糊綜合評價矩陣B[23]如下：

B=W·R

=(b1,b2,…,bn)

(8)

(9)

式中：bj為隸屬于第j等級的隸屬度；wi為第i個因素指標的權重。計算時，從指標層開始，逐層向上綜合計算，最后計算頂層的目標層的評價向量B。

根據(jù)各風險指標的權重和常用風險等級，并且參考文獻[13]、[26]，將淤地壩風險等級劃分為Ⅰ～Ⅴ級，劃分結果如表7所示。

表7 淤地壩風險等級劃分

4 實例分析與討論

4.1 實例分析

本文以王茂溝小流域淤地壩系為例，對王茂溝小流域淤地壩進行安全評價。王茂溝小流域位于陜西省綏德縣境內(nèi)，是韭園溝中游左岸的一條支流，流域面積為5.97 km2，流域平均寬度為1.46 km，主溝長3.75 km。王茂溝屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，地面組織物質為基巖和土狀堆積物，流域地表破碎，多被質地勻細、組織疏松的黃綿土覆蓋。流域年均降雨量為475.1 mm，年際變化大，年內(nèi)分布極不平衡，7-9月降雨量占全年降水量的64.4%，且多為暴雨，歷時短、強度大、災害嚴重。1999年王茂溝流域共有壩庫45座，到2018年，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示只有17座，王茂溝流域淤地壩分布圖如圖2所示。根據(jù)調(diào)研結果和文獻[15]，王茂溝小流域淤地壩狀況統(tǒng)計如表8所示，其中滯洪洪水為100年一遇暴雨洪水條件下的滯洪洪量，王茂溝小流域淤地壩安全評價結果如表9所示。

圖2 王茂溝流域淤地壩分布圖

由表9中模糊層次分析法安全評價結果可以看出，王茂溝淤地壩大多得分較低，處于不安全狀態(tài)。一方面，王茂溝流域淤地壩剩余庫容偏小，流域內(nèi)大多都是小型淤地壩，使用時間較長，淤積庫容較大，導致剩余庫容減小，由于淤滿和水毀，淤地壩數(shù)量從1999年的45座減少到目前的17座，剩余庫容的評分較低，另一方面，準則層日常管理風險得分也很低，但日常管理風險所占權重很大，故王茂溝流域淤地壩大多得分很低，這些淤地壩基本都缺少應急管理預案和監(jiān)測設施，在發(fā)生超標準洪水時，無法采取有效措施減少損失。通過加強日常管理、增加監(jiān)測設施、制定應急預案可以大幅度提高淤地壩的安全度，降低淤地壩的水毀風險。特別需要注意的是黃柏溝2#壩和王塔溝2#壩，這兩座淤地壩的剩余庫容均較小，并且沒有日常管理措施，潰壩風險較大，應盡早采取工程措施進行除險加固處理。

表8 王茂溝小流域淤地壩狀況統(tǒng)計表

表9 王茂溝小流域淤地壩安全評價結果

4.2 討 論

淤地壩廣泛分布在我國黃土高原地區(qū)。近些年來，淤地壩水毀事件不斷發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)安全帶來潛在的威脅，因此，針對淤地壩的風險評估工作日益重要。風險分析最關鍵的環(huán)節(jié)是風險因子的選擇，本研究通過調(diào)研淤地壩水毀概況，總結了導致淤地壩水毀的因素，從淤地壩的實際工程運行情況、管理情況和淤地壩潰決后造成損失的嚴重性方面建立了包括現(xiàn)狀風險、管理風險和失事后果3個要素的準則層并選取9個風險因子作為指標層的層次分析模型，通過模糊層次分析方法對各風險因子的權重進行了計算。由于各風險因子需要通過專家打分獲得，而不同專家的觀點具有各異性，在同一層次的多評價指標中，這些差異性會導致判斷矩陣不能滿足一致性要求[23,26]，為此本研究提出了模糊層次分析法，即將模糊法的思想與層次分析法相融合，結合兩者的優(yōu)勢建立模糊一致判斷矩陣，從而解決了一致性問題，使評價結果更加嚴謹、合理。

從王茂溝淤地壩實例風險分析結果來看，王茂莊1#壩的安全性相對較高，而其余淤地壩的安全綜合評價得分普遍較低，主要是由于王茂溝淤地壩管理因素的分值低所致。淤地壩的主要作用為淤地造田，其工程風險隨著使用年限的增加而增大，因此需加強對淤地壩運行期的管理[27]，以避免淤地壩水毀破壞給人民生命財產(chǎn)帶來的威脅。

5 結 論

(1)根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，淤地壩發(fā)生水毀破壞主要以壩體為主，其次是泄水建筑物。對淤地壩的風險因素進行分析后選取滯洪風險、剩余庫容、泄水設施、壩體完整度等9項指標對淤地壩的風險進行綜合評價，建立了淤地壩的風險層次分析模型。

(2)模糊層次分析法運用于淤地壩的風險計算是合理的，該方法通過結合模糊法與層次分析法的優(yōu)勢建立模糊一致判斷矩陣，從而解決了一致性問題，為淤地壩風險的評價提供了一種簡便的方法。

(3)由收集和現(xiàn)場實測的王茂溝小流域淤地壩系的相關數(shù)據(jù)可知，王茂溝小流域各淤地壩的運行時間較長，大多數(shù)小型壩的庫內(nèi)淤積嚴重，剩余庫容偏小，導致淤地壩的防洪壓力較大。

(4)結合風險評價指標的權重和王茂溝小流域各淤地壩的風險計算結果可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀風險和日常管理因素所占比重較大。建議加強淤地壩的日常管理，增加監(jiān)測設施，制定應急預案，以降低淤地壩的水毀破壞風險。