李宗坤　王特　葛巍　景來(lái)紅　崔秋晶　焦余鐵

摘要：針對(duì)中國(guó)現(xiàn)行水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水庫(kù)大壩失事后果考慮不充分的問(wèn)題，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上引入了“潰壩后果”指標(biāo)，構(gòu)建了考慮潰壩后果的水庫(kù)工程等級(jí)劃分體系。通過(guò)比較國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩分類(lèi)和工程等級(jí)劃分方法，對(duì)水庫(kù)工程等級(jí)劃分指標(biāo)進(jìn)行了分析和論證。基于中國(guó)水庫(kù)大壩社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和大壩安全標(biāo)準(zhǔn)，建立了“工程等級(jí)-失效概率-潰壩損失”之間的聯(lián)系，擬定了不同工程等級(jí)所允許的生命損失和經(jīng)濟(jì)損失閾值。最后，提出了基于規(guī)模、效益和潰壩后果的水庫(kù)工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，并闡述了在水庫(kù)運(yùn)行階段進(jìn)行工程等級(jí)復(fù)核與風(fēng)險(xiǎn)管控的相關(guān)理念和措施。將該方法應(yīng)用于常莊、尖崗和郭家咀3座水庫(kù)的等級(jí)劃分，結(jié)果表明3座水庫(kù)工程等別和洪水標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有所提高。研究成果對(duì)于補(bǔ)充和完善水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義，并可進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)管理理念及技術(shù)在水庫(kù)工程中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)大壩;工程等級(jí);風(fēng)險(xiǎn)管理;潰壩損失;死亡率

中圖分類(lèi)號(hào)：TV698

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）05-0753-13

近年來(lái)，隨著極端氣候頻發(fā)，超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生概率增大，使得水庫(kù)大壩面臨著更大的度汛風(fēng)險(xiǎn)［1-3］。2020年5月，強(qiáng)降雨導(dǎo)致美國(guó)密歇根州的Edenville大壩和Sanford大壩連續(xù)潰決，下游超過(guò)1萬(wàn)名居民被迫緊急疏散，基礎(chǔ)設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞［4-5］。2021年7月，鄭州發(fā)生特大暴雨洪澇災(zāi)害，全市143座水庫(kù)中共有84座出現(xiàn)不同程度險(xiǎn)情，給下游市區(qū)以及京廣鐵路干線、南水北調(diào)中線工程等重大基礎(chǔ)設(shè)施安全帶來(lái)了巨大威脅［6］。其中，郭家咀水庫(kù)更因溢洪道被施工臨時(shí)便道堵塞而發(fā)生漫頂重大險(xiǎn)情，導(dǎo)致下游約10萬(wàn)群眾連夜緊急轉(zhuǎn)移［7］。為保證下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全和工程效益的正常發(fā)揮，中國(guó)的水利水電工程根據(jù)工程規(guī)模、效益和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性來(lái)劃分工程等別和建筑物級(jí)別，進(jìn)而確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和洪水標(biāo)準(zhǔn)［8］?，F(xiàn)行的水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上體現(xiàn)了中國(guó)的經(jīng)濟(jì)政策和技術(shù)政策，但對(duì)工程失事后果考慮尚不夠充分，也沒(méi)有給出相應(yīng)指標(biāo)［9］。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展使得水庫(kù)運(yùn)行環(huán)境、功能和潛在風(fēng)險(xiǎn)等發(fā)生了顯著變化，社會(huì)對(duì)于水庫(kù)的功能定位和運(yùn)行安全也提出了更高要求［10-11］。鑒于潰壩事件的巨大危害性，其風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題已經(jīng)上升為公共安全問(wèn)題，在進(jìn)行水庫(kù)工程等級(jí)劃分時(shí)必須重視其潰壩后果。

隨著工程建設(shè)規(guī)模的增大和公眾安全意識(shí)的不斷提高，許多學(xué)者對(duì)水庫(kù)工程等級(jí)劃分方法及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。Wang等［12］將潰壩后果作為主要指標(biāo)，提出了梯級(jí)水庫(kù)工程等級(jí)劃分方法與標(biāo)準(zhǔn);Ren等［13］對(duì)不同國(guó)家水庫(kù)工程分類(lèi)方法及防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較和分析，明確了防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定與工程等級(jí)、壩型和潰壩后對(duì)下游的危害等因素有關(guān);盛金保等［14］針對(duì)中國(guó)大壩分類(lèi)方法的局限性進(jìn)行了剖析和論證，提出在大壩分類(lèi)時(shí)必須對(duì)潰壩后果加以考慮;姜樹(shù)海等［15］建立了水庫(kù)工程防洪安全等級(jí)與風(fēng)險(xiǎn)概率的對(duì)應(yīng)關(guān)系;李榮容等［9］對(duì)國(guó)內(nèi)2 000多座水庫(kù)劃分了工程等別，表明按照壩高指標(biāo)確定的工程等別普遍比按庫(kù)容指標(biāo)確定的工程等別低，且后者更具有實(shí)用性;周建平等［16］建立了中國(guó)梯級(jí)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)分析模型，初步實(shí)現(xiàn)了大壩安全標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)之間的定量轉(zhuǎn)換與比較;周興波等［17-18］初步探索了特高壩和梯級(jí)水庫(kù)群安全標(biāo)準(zhǔn)，并提出了設(shè)立特等工程、特級(jí)建筑物及其相應(yīng)安全標(biāo)準(zhǔn)的建議。

以上研究從不同方面進(jìn)行了水庫(kù)等級(jí)劃分方法的探索，相關(guān)成果可推動(dòng)水庫(kù)工程等級(jí)劃分方法向更加科學(xué)合理的方向邁進(jìn)，但大多局限于對(duì)水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和潰壩嚴(yán)重性程度的確定，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)較為片面且缺少與現(xiàn)行工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的有效銜接［19］。此外，對(duì)于中國(guó)已潰水庫(kù)案例，現(xiàn)有研究大多是從致災(zāi)規(guī)律和破壞機(jī)理方面開(kāi)展的具體分析，較少結(jié)合潰壩后果，對(duì)提高水庫(kù)原有工程等級(jí)和洪水標(biāo)準(zhǔn)的必要性進(jìn)行論證［18-19］。中國(guó)的大壩管理方式正從傳統(tǒng)的安全管理向風(fēng)險(xiǎn)管理轉(zhuǎn)變，考慮潰壩后果劃分工程等級(jí)對(duì)于水庫(kù)的科學(xué)管理和風(fēng)險(xiǎn)防控具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義［2，14，20］。

本文通過(guò)對(duì)部分國(guó)家水庫(kù)大壩分類(lèi)方法及中國(guó)現(xiàn)行水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較和分析，基于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)管理理念，提出考慮潰壩后果的水庫(kù)工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和方法，以鄭州“7·20”暴雨中受影響較大的3座水庫(kù)為例進(jìn)行具體分析。旨在對(duì)中國(guó)水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，并進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)管理理念和技術(shù)在水庫(kù)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理中的具體應(yīng)用。

1 現(xiàn)行水庫(kù)工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.1 世界各國(guó)水庫(kù)大壩分類(lèi)與工程等級(jí)劃分方法

水利水電工程的分類(lèi)與等級(jí)劃分遵循了自然規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律，涉及到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、社會(huì)與環(huán)境等諸多方面的綜合協(xié)調(diào)。作為大壩安全管理和法律法規(guī)制定中界定大壩的一種方式，水庫(kù)大壩分類(lèi)和工程等級(jí)劃分在全世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用［14］。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家普遍根據(jù)水庫(kù)規(guī)模和失事后果對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行分類(lèi)，并據(jù)此確定大壩設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)［21-22］，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩的差異化管理。目前國(guó)際上常用的水庫(kù)大壩分類(lèi)方法和指標(biāo)如表1所示。

由表1可以看出，潰壩后果已成為大多數(shù)國(guó)家大壩分類(lèi)的主要依據(jù)，大致包括生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境影響等［2，23］。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和公眾風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)的不斷提高，水庫(kù)大壩在發(fā)揮重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，對(duì)下游安全造成的威脅同樣不可忽視。將潰壩后果作為水庫(kù)大壩分類(lèi)指標(biāo)，體現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)管理理念和對(duì)下游群眾生命及財(cái)產(chǎn)安全的重視［23］。

1.2 中國(guó)現(xiàn)行水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)中國(guó)現(xiàn)行的《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)：SL252—2017》［8］的相關(guān)規(guī)定，水利水電工程按照規(guī)模、效益及其在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中的重要性劃分為5等，水工建筑物按其所在工程的等別、作用和重要性劃分為5級(jí)?，F(xiàn)行的水利水電工程分級(jí)指標(biāo)主要體現(xiàn)了工程的規(guī)模和效益，而對(duì)于失事后果的考慮尚不夠全面?！八畮?kù)總庫(kù)容”指標(biāo)僅可間接反映水庫(kù)失事后果，一般認(rèn)為庫(kù)容越大，其失事影響范圍越廣、損毀程度越高，但僅參照庫(kù)容指標(biāo)并不能完全表征失事后果的嚴(yán)重性［19］。防洪效益指標(biāo)中的“保護(hù)人口”指下游保護(hù)區(qū)內(nèi)的常住人口，用以體現(xiàn)下游城市規(guī)模和防護(hù)對(duì)象的重要性，在一定程度上反映了可能遭受洪水傷害的人群，但不足以量化實(shí)際遭受潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)的人口和災(zāi)害損失［21-23］。此外，對(duì)于規(guī)模巨大、涉及面廣的水利水電工程，如特高壩和梯級(jí)水庫(kù)群工程，其安全性對(duì)下游人民生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)威脅遠(yuǎn)比一般工程大，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中只做了定性規(guī)定，并建議對(duì)其工程等別、建筑物級(jí)別和洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行專(zhuān)題論證后報(bào)上級(jí)主管部門(mén)批準(zhǔn)確定，尚未給出具體的實(shí)施方案［24-25］。

中國(guó)的大壩管理方式正從傳統(tǒng)的安全管理向風(fēng)險(xiǎn)管理轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的等級(jí)劃分指標(biāo)與方法也應(yīng)體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理的理念。根據(jù)定義，潰壩風(fēng)險(xiǎn)包括潰壩概率和潰壩后果2個(gè)方面［2］。需要指出的是，考慮潰壩風(fēng)險(xiǎn)對(duì)水庫(kù)工程進(jìn)行等級(jí)劃分，是將潰壩后果作為工程等級(jí)劃分的依據(jù)之一，而非潰壩概率。其核心理念和目標(biāo)是結(jié)合潰壩可能造成的損失來(lái)確定工程等級(jí)，并以此為依據(jù)合理制定洪水標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)，使得大壩自身的安全狀況得到保證，避免潰壩事故的發(fā)生。因此，潰壩概率不宜直接成為水庫(kù)工程等級(jí)的劃分指標(biāo)，而是作為工程等級(jí)劃分之后需要管控和限制的目標(biāo)，如圖1所示。

2 基于風(fēng)險(xiǎn)分析及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的水庫(kù)工程等級(jí)劃分

2.1 水庫(kù)工程等級(jí)劃分指標(biāo)體系構(gòu)建與閾值分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法，選擇規(guī)模、效益和潰壩后果3個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)作為水庫(kù)工程等級(jí)劃分的依據(jù)。相比于環(huán)境影響，社會(huì)公眾對(duì)于生命和經(jīng)濟(jì)損失的關(guān)注度更高，相關(guān)研究也較為豐富，而目前關(guān)于潰壩環(huán)境影響的量化尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)［23］。因此，本文著重從生命和經(jīng)濟(jì)兩方面分析潰壩后果，后續(xù)隨著潰壩環(huán)境影響研究的不斷深入，在水庫(kù)工程等級(jí)劃分中也應(yīng)融入對(duì)此方面的考慮。

由表1可以看出，“生命損失”和“風(fēng)險(xiǎn)人口”均可用于表征潰壩給下游群眾生命安全所造成的影響，但兩者在概念上并不相同：風(fēng)險(xiǎn)人口指潰壩洪水影響區(qū)內(nèi)直接暴露于洪水淹沒(méi)區(qū)的所有人員，用來(lái)反映下游可能遭受淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)的居民數(shù)量［26-27］;生命損失指潰壩造成的實(shí)際死亡人數(shù)，不包括被緊急轉(zhuǎn)移和救助的人口數(shù)量［28］。事實(shí)上，即使水庫(kù)潰壩最終不產(chǎn)生生命損失，風(fēng)險(xiǎn)人口的應(yīng)急轉(zhuǎn)移和安置也往往伴隨著社會(huì)資源的巨大消耗，可認(rèn)為已經(jīng)產(chǎn)生了相應(yīng)的后果。從這一角度來(lái)看，風(fēng)險(xiǎn)人口作為潰壩后果指標(biāo)更為全面。然而，水庫(kù)工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建還涉及不同等級(jí)工程所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)閾值的確定問(wèn)題，中國(guó)許多行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中對(duì)生產(chǎn)事故死亡人數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失的容許值進(jìn)行了特別規(guī)定，而對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)人口尚無(wú)明確的數(shù)據(jù)可以借鑒，導(dǎo)致后續(xù)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)時(shí)難以確定其指標(biāo)閾值［29-31］。經(jīng)濟(jì)損失用于反映潰壩事件對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成的影響，代表潰壩洪水造成的可由貨幣直接計(jì)量的各類(lèi)損失。鑒于風(fēng)險(xiǎn)人口應(yīng)急轉(zhuǎn)移和安置所消耗的社會(huì)資源也可轉(zhuǎn)化為以貨幣為單位的經(jīng)濟(jì)價(jià)值來(lái)進(jìn)行量化，針對(duì)傳統(tǒng)生命損失指標(biāo)不夠全面而風(fēng)險(xiǎn)人口指標(biāo)閾值難以確定的局限性，提出將應(yīng)急轉(zhuǎn)移和安置所消耗的社會(huì)資源歸屬于潰壩經(jīng)濟(jì)損失的一部分，在經(jīng)濟(jì)損失指標(biāo)中得以反映?；谏鲜隹紤]，最終選擇生命損失和經(jīng)濟(jì)損失作為潰壩后果指標(biāo)構(gòu)建梯級(jí)水庫(kù)工程等級(jí)劃分指標(biāo)體系，如圖2所示。其中，經(jīng)濟(jì)損失除考慮潰壩洪水淹沒(méi)造成的經(jīng)濟(jì)損失之外，還包括風(fēng)險(xiǎn)人口、風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)量的應(yīng)急轉(zhuǎn)移和安置所耗費(fèi)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

除指標(biāo)體系外，確定不同工程等級(jí)所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)閾值也是構(gòu)建等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。若閾值定的太低，則會(huì)導(dǎo)致劃分結(jié)果過(guò)高，造成大多數(shù)工程的安全狀態(tài)不滿足工程等級(jí)要求，需要投入巨大的人力和資金以提高防護(hù)等級(jí)；若閾值太高，則又會(huì)導(dǎo)致工程等級(jí)劃分過(guò)低，降低了工程應(yīng)有的防護(hù)等級(jí)，使下游暴露于較大的風(fēng)險(xiǎn)之中［26-28］。按規(guī)模和效益指標(biāo)劃分水庫(kù)工程等別與大壩級(jí)別的方式在中國(guó)已使用多年，形成了一整套完整的體系，相關(guān)配套法規(guī)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也已相對(duì)完善［14］。因此，圖2中規(guī)模指標(biāo)和效益指標(biāo)的閾值可繼續(xù)沿用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定。對(duì)于潰壩后果指標(biāo)，其閾值需綜合考慮國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及公眾對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的承受能力來(lái)確定。

目前中國(guó)對(duì)于不同等級(jí)水庫(kù)所允許的生命損失和經(jīng)濟(jì)損失閾值尚無(wú)明確規(guī)定，但在相關(guān)的工程可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同級(jí)別水工建筑物所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別、設(shè)計(jì)使用年限及目標(biāo)可靠度［18］。根據(jù)可靠度理論［18］，對(duì)于服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其可靠性指標(biāo)（β）可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為失效概率（P_f），如圖3所示。此外，水庫(kù)大壩社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)能夠有效反映公眾在不同潰壩概率下所能接受和容忍的潰壩損失值，且此類(lèi)研究已較為廣泛［28-29］。因此，可根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，界定不同等級(jí)水庫(kù)大壩所允許的年計(jì)失效概率，再結(jié)合社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)得到各失效概率值所對(duì)應(yīng)的可接受損失值，從而建立“工程等級(jí)-失效概率-潰壩損失”之間的聯(lián)系，確定不同等級(jí)水庫(kù)所對(duì)應(yīng)的潰壩損失閾值。

2.2 基于風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)與可靠指標(biāo)的潰壩損失閾值計(jì)算

水庫(kù)大壩社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)是確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)閾值的基礎(chǔ)，用于反映某群體遭受特定事故死亡的人數(shù)及其相應(yīng)概率的關(guān)系［28-29］，構(gòu)建社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)常用的準(zhǔn)則和方法有最低合理可行（ALARP）準(zhǔn)則和F—N曲線等。ALARP準(zhǔn)則通過(guò)可容忍風(fēng)險(xiǎn)水平線（TRL）和可接受風(fēng)險(xiǎn)水平線（ARL）［31-32］，將風(fēng)險(xiǎn)分為3個(gè)區(qū)域：不可容忍區(qū)域、最低合理可行區(qū)域及可接受區(qū)域。F—N曲線用來(lái)表示生命損失（N）與事故超過(guò)概率（1-F_N（x））之間的關(guān)系［30］，如式（1）所示：

1-F_N（x）n（1）

式中：FN（x）為年死亡人數(shù)小于x的概率分布函數(shù);C為常數(shù)，決定了標(biāo)準(zhǔn)線的起始位置;n為對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的偏好程度，為標(biāo)準(zhǔn)線的斜率。

文獻(xiàn)［28］結(jié)合中國(guó)水庫(kù)大壩安全現(xiàn)狀及其他行業(yè)已有的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展水平及群眾對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)接受意愿，提出了水庫(kù)大壩社會(huì)生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。其中，大中型水庫(kù)的TRL和ARL分別以10^-2和10^-3為起點(diǎn)，極值分別為1.34×10^-6和1.34×10^-7;小型水庫(kù)的TRL和ARL分別以10^-2和10^-3為起點(diǎn)，極值分別為2.62×10^-5和2.62×10^-6，如圖4所示。此外，在控制生命風(fēng)險(xiǎn)至社會(huì)可接受的前提下，可借助于生命風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，以社會(huì)對(duì)于生命損失的容許程度推算社會(huì)對(duì)于經(jīng)濟(jì)損失的容許程度［28-30］。

結(jié)合中國(guó)《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：GB50199—2013》［31］中所規(guī)定的不同級(jí)別建筑物設(shè)計(jì)使用年限和目標(biāo)可靠度，計(jì)算相對(duì)應(yīng)的年計(jì)失效概率，如表2所示。最后，根據(jù)圖4中水庫(kù)大壩社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)事故超過(guò)概率與潰壩損失的關(guān)系，確定不同失效概率所對(duì)應(yīng)的生命損失值，作為不同等級(jí)工程所允許的生命損失的臨界值，如圖5所示。

圖5將5個(gè)工程等級(jí)所允許的生命損失閾值劃分為了3個(gè)區(qū)間，尚不夠細(xì)化。中國(guó)《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》［32］將事故等級(jí)分為4個(gè)級(jí)別，不同事故等級(jí)所對(duì)應(yīng)的生命損失閾值如圖6所示［29］。以此為補(bǔ)充，將生命損失進(jìn)一步整合為5個(gè)區(qū)間：Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ等工程的失事分別對(duì)應(yīng)于一般事故、較大事故和重大事故，生命損失上限分別為3、10和30人;Ⅰ和Ⅱ等工程的失事均對(duì)應(yīng)于特別重大事故，生命損失臨界值為87人，確保調(diào)整后的生命損失閾值仍然滿足圖5中不同工程等級(jí)所允許的損失值上限。對(duì)于經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)國(guó)務(wù)院《生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理?xiàng)l例》，1人死亡事故相當(dāng)于330萬(wàn)～500萬(wàn)元的直接經(jīng)濟(jì)損失事故。因此，按照1人對(duì)應(yīng)400萬(wàn)元的比例，選擇1 200萬(wàn)、4 000萬(wàn)、12 000萬(wàn)和35 000萬(wàn)元作為不同等級(jí)工程所允許的經(jīng)濟(jì)損失臨界值［28］，如圖6所示。

2.3 水庫(kù)潰壩后果指標(biāo)量化

潰壩生命損失和經(jīng)濟(jì)損失的量化是基于潰壩后果劃分水庫(kù)工程等級(jí)的必要環(huán)節(jié)，常用方法是通過(guò)潰壩模擬和洪水淹沒(méi)分析確定淹沒(méi)范圍和洪水參數(shù)，進(jìn)而結(jié)合下游區(qū)域人口和經(jīng)濟(jì)分布計(jì)算可能產(chǎn)生的淹沒(méi)損失［33-36］。潰壩生命損失通常表示為風(fēng)險(xiǎn)人口與潰壩洪水下風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率的乘積，如式（2）所示：

L_OL=fP_AR（2）

式中：L_OL為潰壩洪水造成的生命損失;P_AR為淹沒(méi)范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)人口;f為潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率。

潰壩經(jīng)濟(jì)損失為直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失之和。其中，間接經(jīng)濟(jì)損失涉及面廣，內(nèi)容繁雜，一般采用系數(shù)法或基于調(diào)查分析的估算方法得出，可表示為直接經(jīng)濟(jì)損失與折算系數(shù)的乘積［37］。因此，潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估通常是對(duì)直接經(jīng)濟(jì)損失的計(jì)算，如式（3）所示：

L_OE=eE_AR（3）

式中：L_OE為潰壩洪水直接造成的經(jīng)濟(jì)損失;E_AR為風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)量，代表潰壩洪水淹沒(méi)范圍內(nèi)可能遭受淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)的承災(zāi)體經(jīng)濟(jì)價(jià)值;e為洪災(zāi)損失率，表示為淹沒(méi)區(qū)域內(nèi)各類(lèi)財(cái)產(chǎn)的損失價(jià)值與未遭受淹沒(méi)時(shí)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值之比。

由式（2）和式（3）可以看出，潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率及洪災(zāi)損失率的確定是計(jì)算潰壩生命損失和經(jīng)濟(jì)損失的關(guān)鍵。其中，根據(jù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率計(jì)算生命損失的方法和模型主要包括基于歷史資料的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?1］和基于致災(zāi)機(jī)理分析的物理模型［34-35］等。隨著相關(guān)研究的不斷深入，潰壩生命損失評(píng)估方法中考慮的指標(biāo)和因素也越來(lái)越多，周克發(fā)等［36］基于Graham法和RESCDAM法的分析思路并結(jié)合中國(guó)潰壩歷史資料數(shù)據(jù)，以潰壩洪水嚴(yán)重性（水深為流速之積）、警報(bào)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)人口對(duì)潰壩洪水嚴(yán)重性的理解程度為主要指標(biāo)，初步提出了適合中國(guó)實(shí)際情況的風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率建議表（“李-周法”）。洪災(zāi)損失率主要與淹沒(méi)水深、流速、歷時(shí)等因素有關(guān)，可根據(jù)研究區(qū)域或類(lèi)似地區(qū)歷史洪水事件的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料，通過(guò)多元回歸分析或者逐步回歸分析方法確定［37］。

2.4 考慮潰壩后果的水庫(kù)工程等級(jí)劃分

基于水庫(kù)規(guī)模、效益和潰壩后果，構(gòu)建水庫(kù)工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。其中，水庫(kù)規(guī)模指標(biāo)和效益指標(biāo)的量化可參照工程資料，仍按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行;潰壩后果指標(biāo)的量化需結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估方法，計(jì)算相應(yīng)的潰壩生命損失和經(jīng)濟(jì)損失［36-37］。最后，將各分等指標(biāo)的量化值與表3中的閾值相對(duì)應(yīng)劃分工程等別。當(dāng)按照各分等指標(biāo)確定出的結(jié)果不同時(shí)，其工程等別按其中最高等別確定［8］。此外，永久性水工建筑物的級(jí)別與工程等別緊密相關(guān)，仍按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的對(duì)應(yīng)值進(jìn)行確定。

根據(jù)上述分析，一方面，潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率和洪災(zāi)損失率對(duì)于潰壩后果指標(biāo)的最終評(píng)估結(jié)果具有重要影響;另一方面，若有因風(fēng)險(xiǎn)人口和風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)量應(yīng)急轉(zhuǎn)移和安置所產(chǎn)生的社會(huì)資源消耗，即使最終不形成潰壩淹沒(méi)損失，也可根據(jù)潰壩后果指標(biāo)來(lái)劃分水庫(kù)的工程等級(jí)，更加嚴(yán)謹(jǐn)客觀，更能體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理的科學(xué)理念。因此，本文所提出的等級(jí)劃分方法能夠?qū)⑺畮?kù)工程等級(jí)與潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率和洪災(zāi)損失率相關(guān)聯(lián)，可有效促進(jìn)水庫(kù)管理部門(mén)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)自查，為避免潰壩后果指標(biāo)評(píng)估結(jié)果過(guò)大而使工程等級(jí)劃分過(guò)高，增加運(yùn)行維護(hù)和管理成本，水庫(kù)管理部門(mén)需及時(shí)通過(guò)完善應(yīng)急預(yù)案等非工程措施控制潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率、洪災(zāi)損失率以及轉(zhuǎn)移安置所需費(fèi)用，以確保潰壩后果與自身工程等級(jí)劃分結(jié)果相匹配。此外，對(duì)于處于運(yùn)行階段、已按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)確定工程等級(jí)的梯級(jí)水庫(kù)，也應(yīng)根據(jù)潰壩后果對(duì)其原始工程等級(jí)進(jìn)行復(fù)核，分析并論證提高工程等級(jí)或減小潰壩后果2種管控方案的可行性。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

選擇鄭州市賈魯河上游的的常莊、尖崗和郭家咀3座水庫(kù)作為研究對(duì)象，進(jìn)行工程等級(jí)劃分。各水庫(kù)地理位置及基本工程資料如圖7和表4所示。其中，常莊水庫(kù)和尖崗水庫(kù)的主要任務(wù)為防洪和供水，均被按照大型水庫(kù)來(lái)管理。3座水庫(kù)均在鄭州“7·20暴雨”中發(fā)生了不同程度的險(xiǎn)情，郭家咀水庫(kù)更是因發(fā)生漫壩而受到廣泛關(guān)注［38］。作為災(zāi)后恢復(fù)重建重工程之一，郭家咀水庫(kù)恢復(fù)建設(shè)加固項(xiàng)目已順利完成，在原有基礎(chǔ)上將水庫(kù)主要建筑物級(jí)別提高至2級(jí)。

3.2 指標(biāo)量化

按照最不利情況，設(shè)定各水庫(kù)在校核洪水位下潰壩，進(jìn)行潰壩洪水淹沒(méi)分析和潰壩后果計(jì)算，確定各水庫(kù)潰壩洪水淹沒(méi)范圍、最大水深和流速分布［26］。鑒于潰壩經(jīng)濟(jì)損失與下游工礦企業(yè)和交通干線等基礎(chǔ)設(shè)施分布情況有關(guān)，包括直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失，且不同類(lèi)別洪災(zāi)損失率的確定較為復(fù)雜，在此以生命損失為例進(jìn)行潰壩后果的計(jì)算。分別將各水庫(kù)潰壩洪水最大水深與流速相結(jié)合，得到洪水嚴(yán)重性分布圖層。結(jié)合潰壩洪水模擬結(jié)果及研究區(qū)域?qū)嶋H情況，根據(jù)文獻(xiàn)［36］中的方法擬定潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率。其中，警報(bào)時(shí)間選擇為“0.25～1.0 h”，群眾對(duì)于洪水的理解程度為“明確”，則洪水嚴(yán)重性圖層可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為潰壩死亡率分布圖層。將潰壩死亡率分布圖層與研究區(qū)域人口密度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)疊加［26］，分別計(jì)算各水庫(kù)潰壩的生命損失，如圖8所示。最后，參照表4中的工程資料及生命損失評(píng)估結(jié)果，分別按照規(guī)模和潰壩后果對(duì)3座水庫(kù)進(jìn)行工程等別劃分，如圖9所示。

3.3 結(jié)果分析與討論

由圖9可以看出，若不考慮潰壩后果，依照水庫(kù)庫(kù)容，則常莊水庫(kù)和尖崗水庫(kù)均為中型水庫(kù)，工程等別為Ⅲ等;郭家咀水庫(kù)為?。á瘢┬退畮?kù)，工程等別為Ⅳ等。相比之下，采用本文所提出的等級(jí)劃分方法后，常莊、尖崗和郭家咀水庫(kù)的工程等別分別為Ⅱ等、Ⅰ等和Ⅲ等，均有所提高。

事實(shí)上，鑒于防洪位置十分重要，常莊水庫(kù)和尖崗水庫(kù)均被按照大型水庫(kù)進(jìn)行管理，高于按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)劃分出的工程等級(jí)，驗(yàn)證了本文所提出的方法的合理性。郭家咀水庫(kù)按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所確定的主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，原洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，1 000年一遇校核。若考慮潰壩后果，郭家咀水庫(kù)建筑物級(jí)別將提高至3級(jí)，相應(yīng)的洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)，2 000年一遇校核，則在極端洪水事件下能夠更有效地預(yù)防漫頂險(xiǎn)情的發(fā)生，從而避免對(duì)應(yīng)急資源和救災(zāi)力量的極大消耗。此外，根據(jù)郭家咀水庫(kù)漫壩事故調(diào)查結(jié)果［6-7］，即使溢洪道正常運(yùn)行，經(jīng)調(diào)洪演算后最高庫(kù)水位約為161.1 m，基本達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位，構(gòu)成水庫(kù)大壩突發(fā)事件中的“Ⅱ級(jí)（重大）事件”。因此，郭家咀水庫(kù)發(fā)生漫頂?shù)闹苯釉螂m是溢洪道被施工臨時(shí)便道堵塞，但也體現(xiàn)出其抵御極端洪水的能力較為薄弱。鑒于極端洪水事件日益頻發(fā)，對(duì)于潰壩后果較為嚴(yán)重的水庫(kù)，提高其工程等別和洪水標(biāo)準(zhǔn)仍顯得十分必要。

4 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)外水庫(kù)大壩分類(lèi)方法及中國(guó)現(xiàn)行水利水電工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較和分析，提出了在水庫(kù)工程等級(jí)劃分中考慮潰壩后果的理念，主要結(jié)論如下：

（1） 選擇工程規(guī)模、效益和潰壩后果作為基礎(chǔ)指標(biāo)，并將風(fēng)險(xiǎn)人口和風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)量的應(yīng)急轉(zhuǎn)移和安置費(fèi)用歸屬于潰壩經(jīng)濟(jì)損失，構(gòu)建了水庫(kù)工程等級(jí)劃分指標(biāo)體系。

（2） 以水庫(kù)大壩安全標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立“工程等級(jí)-失效概率-潰壩損失”之間的聯(lián)系，確定了不同等級(jí)工程所對(duì)應(yīng)的潰壩生命損失和經(jīng)濟(jì)損失閾值。

（3） 提出了綜合考慮規(guī)模、效益和潰壩后果的水庫(kù)工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)3座水庫(kù)進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明考慮潰壩后果劃分水庫(kù)工程等級(jí)更有助于預(yù)防重大險(xiǎn)情的發(fā)生。研究成果可進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)管理理念及技術(shù)在水庫(kù)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理中的具體應(yīng)用。

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Research on the rank classification method of reservoir projects

considering dam failure consequences

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China （No.52179144;No.52079127）.

LI Zongkun WANG Te GE Wei JING Laihong CUI Qiujing JIAO Yutie

（1. School of Water Conservancy and Transportation，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China;

2. Yellow River Laboratory，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China;

3. Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd，Zhengzhou 450003，China）

Abstract：A reservoir project classification system considering dam failure consequences is constructed in view of the insufficient thought of dam failure consequences in China.By comparing the classification methods of reservoir projects both domestically and internationally，the classification indexes are analyzed and demonstrated.Based on the social risk criteria and safety standards of reservoir dams in China，a link among “project rank-failure probability-dam failure losses” is established，and the thresholds of life and economic losses allowed for different project ranks are formulated.This manuscript puts forward the classification criteria for reservoir based on scale，benefits and dam failure consequences，and expounds the relevant concepts and measures for engineering grade review and risk management in the operation stage.Applying the method to the rank classification of Changzhuang，Jiangang and Guojiazui reservoirs，the results show that the project rank and flood protection criteria of these three reservoirs should be increased from the existing one.This study is of great significance to supplement and improve the standard for rank classification of water and hydropower projects，and can further promote the practical application of risk management concepts and techniques in reservoir projects.

Key words：reservoir dam;rank classification;risk population;dam failure losses;mortality