李宏恩，王 芳，趙建國

（1.南京水利科學(xué)研究院，210029，南京；2.水旱災(zāi)害防御全國重點實驗室，210029，南京）

潰壩是人類社會和國際壩工界面臨的共同挑戰(zhàn)，國內(nèi)外均有慘痛教訓(xùn)。為深入挖掘歷史潰壩數(shù)據(jù)中的有益信息，探索潰壩風(fēng)險事件間的互饋響應(yīng)機(jī)制，解決潰壩風(fēng)險分析中的不確定性問題，本研究在全面收集我國1954年以來歷史潰壩案例的基礎(chǔ)上，揭示了我國潰壩的主要成因及時空分布特征，通過文本挖掘手段實現(xiàn)了對潰壩概率的定量表征，提出了潰壩災(zāi)害鏈演化概率計算方法，提出了從系統(tǒng)論角度分析潰壩案例的非線性因果分析方法，并從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定及概率參數(shù)確定2 個方面對貝葉斯模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了適用于我國潰壩情況的貝葉斯模型構(gòu)建方法及潰壩路徑推斷方法。

一、1954—2021 年中國歷史潰壩數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1.潰壩基本情況統(tǒng)計

1954—2021年，我國水庫共潰壩3558座，年均潰壩52.3座，年均潰壩率5.3/10 000，遠(yuǎn)超國際壩工界公認(rèn)的1/10 000可接受年潰壩率水平。本研究以年均潰壩率為指標(biāo)將我國潰壩歷史分為3 個階段，各階段潰壩統(tǒng)計情況見表1：

表1 1954—2021年3個階段的潰壩統(tǒng)計

①潰壩高發(fā)階段（1954—1979 年），此階段潰壩占比81.9%，其中20 世紀(jì)70 年代年均潰壩率高達(dá)25.3/10 000，主要由于1973 年潰決水庫570 座，同時“75·8”特大洪水造成包括1 座大型水庫（板橋水庫）在內(nèi)的62 座水庫大壩潰決，造成嚴(yán)重生命財產(chǎn)損失。

②顯著下降階段（1980—1999年），此階段潰壩占比15.3%，得益于我國大壩安全管理相關(guān)法律、規(guī)章制度不斷頒布與完善，以及大壩設(shè)計、施工、安全監(jiān)測、維修養(yǎng)護(hù)等體制機(jī)制的不斷規(guī)范。本階段潰壩率顯著降低，降至3/10 000以下。

③漸趨穩(wěn)定階段（2000—2021年），此階段潰壩占比2.78%，年均潰壩率已降至0.4/10 000，低于世界公認(rèn)的2/10 000的低潰壩率水平，得益于21世紀(jì)以來我國水庫安全管理規(guī)范化、法治化、現(xiàn)代化、信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)。

2.潰壩成因統(tǒng)計與分析

為了進(jìn)一步挖掘我國歷史潰壩案例中的共性特征，本研究從自然因素、工程因素及管理因素3 個主要方面剖析了歷史潰壩案例的成因。根據(jù)統(tǒng)計，洪水漫頂、工程質(zhì)量缺陷和管理不當(dāng)是導(dǎo)致潰壩的3 個主要原因，合計占比超90%。其中，導(dǎo)致洪水漫頂?shù)闹饕蚩蛇M(jìn)一步細(xì)分為遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水、早期防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工度汛措施不當(dāng)、泄洪能力不足、汛期調(diào)度不當(dāng)?shù)龋还こ藤|(zhì)量缺陷則主要指滲透破壞；管理不當(dāng)導(dǎo)致潰壩的主要原因包括違規(guī)蓄水、非法超蓄、人為扒口等。

2000 年以來，我國年均潰壩率大幅度下降，但從潰壩成因來看，近年來潰壩主要呈現(xiàn)以下4個特征：一是超標(biāo)準(zhǔn)洪水成為水庫漫頂潰決的主因，超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致漫頂潰壩的事件占比由1954—1999年的12.26%增長至2000—2021 年的39.22%，這與全球氣候變化導(dǎo)致的極端強(qiáng)降雨等災(zāi)害日益頻發(fā)直接相關(guān)；二是水庫因工程質(zhì)量導(dǎo)致的潰壩問題突出，2000 年以來，在我國水庫建設(shè)與管理趨于規(guī)范的基礎(chǔ)上，因工程質(zhì)量問題導(dǎo)致的潰壩占比仍超過30%；三是西部潰壩率較其他地區(qū)偏高，其原因主要與極端天氣頻發(fā)、筑壩材料抗侵蝕性差和管理水平落后等因素相關(guān)；四是運行管理不當(dāng)成為潰壩事件重要誘因，潰壩往往并非發(fā)生于單一要素，而是復(fù)合因素影響，因水庫調(diào)度不當(dāng)、維修養(yǎng)護(hù)不良、盲目超蓄、閘門操作失靈、無人管理等運行管理問題長期存在，在耦合庫水位等運行條件發(fā)生改變時極易導(dǎo)致潰壩事故。

3.潰壩時空分布特征分析

導(dǎo)致潰壩的原因除暴雨洪水、地質(zhì)地貌、河道比降等自然屬性因素，以及壩高、庫容、壩體結(jié)構(gòu)等工程屬性因素外，與人為及管理等社會屬性因素也有很大關(guān)系，具有典型的時空分布特征。

從時間分布看，按年代統(tǒng)計分析的潰壩結(jié)果，我國年均潰壩率隨時代發(fā)展呈明顯下降趨勢，主要得益于水庫大壩建設(shè)和管理技術(shù)不斷進(jìn)步，管理制度逐步建立健全，運行管理漸趨規(guī)范，管理水平不斷提高；同時，隨著改革開放后經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，各級政府財力不斷增強(qiáng)，水庫管理投入不斷增加，維修養(yǎng)護(hù)得以正常開展，病險水庫得到大規(guī)模整治，這些都對控制潰壩事故發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。根據(jù)按季節(jié)統(tǒng)計分析的潰壩結(jié)果，潰壩事故主要發(fā)生在汛期暴雨洪水高水位期間，但非汛期違規(guī)蓄水、巡視檢查和值班制度執(zhí)行不到位、險情發(fā)現(xiàn)和應(yīng)急處置不及時等人為和管理因素下的社會屬性，同樣會導(dǎo)致潰壩事故發(fā)生，2000年以來非汛期潰壩事故比例明顯增加的現(xiàn)象值得警醒。

從空間分布看，根據(jù)按地區(qū)統(tǒng)計分析的潰壩結(jié)果，早期為計劃經(jīng)濟(jì)時代，全國不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平差異不大，水庫大壩安全管理基礎(chǔ)薄弱，全國范圍各地區(qū)潰壩事故均頻繁發(fā)生，西北、東北地區(qū)年均潰壩率高于東中部地區(qū)，主要受氣候、施工條件和工程地質(zhì)因素的影響。改革開放以后，西北、東北地區(qū)潰壩比例相較東中部地區(qū)明顯變高，主要體現(xiàn)了潰壩事故空間分布特征的社會屬性。西北和東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平相對滯后，水庫運行管理投入和專業(yè)技術(shù)力量不足，運行管理和突發(fā)事件應(yīng)急管理水平相對薄弱，盡管水庫大壩數(shù)量不多，但潰壩絕對數(shù)量和年均潰壩率仍居高不下，要實現(xiàn)“水庫不垮壩”的防御目標(biāo)仍然任重道遠(yuǎn)。

二、融合歷史數(shù)據(jù)的水庫災(zāi)害鏈演化概率計算方法

由潰壩數(shù)據(jù)統(tǒng)計成果可知，多風(fēng)險因素耦合的不確定性是潰壩事件的重要特征，也是潰壩風(fēng)險分析研究中的關(guān)鍵難點。因此，以土石壩潰壩風(fēng)險為例，重點圍繞潰壩風(fēng)險演化機(jī)制展開研究。

1.基于詞頻統(tǒng)計的潰壩風(fēng)險事件關(guān)聯(lián)度分析

考慮到掌握的潰壩信息異構(gòu)性，為了更有效地利用歷史數(shù)據(jù)探究大壩潰壩風(fēng)險事件之間的互饋機(jī)制，采用基于共現(xiàn)理論的詞頻統(tǒng)計法能夠定量表征2個事件之間的關(guān)聯(lián)性。以風(fēng)險事件i和j進(jìn)行自身和共現(xiàn)的詞頻統(tǒng)計后，其關(guān)聯(lián)度Rij計算如下式：

其中，Sij表示風(fēng)險事件i和j的Salton指數(shù)；Γ（i）、Γ（j）分別表示風(fēng)險事件i和j在同一份語言資料中各自出現(xiàn)的頻次；Γ（i）∩Γ（j）表示風(fēng)險事件i和j在同一份語言資料中共同出現(xiàn)的頻次。

為便于后續(xù)分析，首先需要建立如圖1 所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于進(jìn)行風(fēng)險分析，其中A1～C3節(jié)點代表了不同的風(fēng)險事件，其具體建立方法見本章第3節(jié)。

圖1 土石壩潰壩風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于本研究收集的歷史潰壩信息足以形成包含基本潰壩變量的語料庫，圖2（a）為潰壩風(fēng)險事件頻率矩陣，圖2（b）為基于式（1）建立的關(guān)聯(lián)度矩陣。

圖2 1954—2021年潰壩變量共現(xiàn)矩陣

2.潰壩風(fēng)險事件影響度分析方法

采用詞頻共現(xiàn)統(tǒng)計能夠定量表征潰壩災(zāi)害風(fēng)險事件之間的關(guān)聯(lián)程度，依據(jù)關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果，將某一風(fēng)險事件與其關(guān)聯(lián)風(fēng)險事件的累加關(guān)聯(lián)度稱為該風(fēng)險事件的影響度DI（i），其具體含義是指潰壩時該風(fēng)險事件可能被誘發(fā)或其誘發(fā)其他風(fēng)險事件的概率大小，也可理解為該風(fēng)險事件推動潰壩事件發(fā)生的能力，計算公式如下:

式中，Rij表示風(fēng)險事件i和風(fēng)險事件j的關(guān)聯(lián)度，計算公式見（1），DI(i)表示風(fēng)險事件i的災(zāi)害影響度。表2中列舉了1954—1979年、1980—1999年、2000—2021年3個階段潰壩影響度排前五的風(fēng)險事件。

表2 3個階段風(fēng)險事件影響度計算結(jié)果表

3.潰壩災(zāi)害鏈演化概率計算方法

建立潰壩風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)模型后，由于風(fēng)險事件間的觸發(fā)關(guān)系已明確，潰壩災(zāi)害鏈則可根據(jù)鏈?zhǔn)椒▌t計算最終演化概率：

式中，P（m-n）表示潰壩災(zāi)害鏈由風(fēng)險事件m演化到風(fēng)險事件n的演化概率；i、j表示災(zāi)害鏈m-n演化過程中的中間節(jié)點風(fēng)險事件；P（j|i）表示風(fēng)險事件i引發(fā)風(fēng)險事件j的傳遞概率。

表3為不同時期演化概率較高的潰壩災(zāi)害鏈，為水庫潰壩災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵路徑，采取針對性措施阻斷災(zāi)害鏈的發(fā)展，能夠最有效地減輕潰壩后果。

表3 不同時期部分潰壩災(zāi)害鏈演化概率計算結(jié)果

三、基于改進(jìn)貝葉斯的土石壩潰壩風(fēng)險分析模型

前述研究成果初步驗證了文本挖掘在定量表征潰壩概率方面的優(yōu)勢，本章進(jìn)一步圍繞歷史潰壩數(shù)據(jù)的詞頻統(tǒng)計成果展開研究，并揭示土石壩潰壩的風(fēng)險演化機(jī)制。

1.潰壩案例非線性因果分析方法

土石壩工程作為復(fù)雜系統(tǒng)，潰壩過程中風(fēng)險具有轉(zhuǎn)化、分解、耦合等演化特征，因此，有必要從系統(tǒng)論角度分析潰壩事件，采用系統(tǒng)動力學(xué)因果回路分析方法對50個典型潰壩案例展開分析。通過人為定義潰壩不同發(fā)展階段的特征，可以將潰壩過程劃分為3 個階段，即孕災(zāi)、致災(zāi)及失效階段。根據(jù)潰壩信息中記錄的關(guān)鍵事件發(fā)生時間確定變量之間的因果關(guān)系并繪制了圖3 所示的因果回路圖，其中節(jié)點所代表的風(fēng)險事件反映了1954年以來歷史潰壩的主要風(fēng)險事件。

圖3 基于系統(tǒng)動力學(xué)的非線性因果回路分析

2.改進(jìn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型建立方法

現(xiàn)有研究采用貝葉斯模型進(jìn)行風(fēng)險分析時，難點集中于模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定及概率參數(shù)的輸入上，這主要是由于缺少潰壩分析樣本。在前述所建立的因果回路圖及關(guān)聯(lián)度矩陣的基礎(chǔ)上，通過修正網(wǎng)絡(luò)、回路統(tǒng)計、概率換算等操作能夠確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點輸入概率參數(shù)。為保證模型修正過程中不受主觀經(jīng)驗的影響，規(guī)定了如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)模型修正規(guī)則，通過評價節(jié)點中介效應(yīng)程度判斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的“邊”是否需要刪減，通過本研究所提出的方法能夠有效減小模型規(guī)模，提高運行速度。

圖4 網(wǎng)絡(luò)模型修正規(guī)則示意圖

3.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的潰壩路徑推斷方法

輸入基于歷史數(shù)據(jù)的概率參數(shù)后，能夠建立適用于我國潰壩風(fēng)險分析的貝葉斯模型。根據(jù)潰壩案例的實際情況，改變不同節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)并計算節(jié)點更新前后的概率變化情況能夠獲取貝葉斯網(wǎng)絡(luò)不同層級下最有可能發(fā)生的風(fēng)險事件，采用重要性指標(biāo)I來衡量節(jié)點更新前后的變化程度，其計算公式為：

其中，P（RN｜GN）和P（RN｜GN'）分別為選定節(jié)點GN概率改變情況后關(guān)聯(lián)節(jié)點RN的條件概率。圖5為利用改進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潰壩路徑推斷的流程圖，通過對比進(jìn)行節(jié)點敏感性分析能夠充分利用已知信息獲得較為合理的推斷。

四、對策建議

本研究通過充分挖掘潰壩歷史數(shù)據(jù)，揭示了我國潰壩分布的典型時空特征，通過案例研究、文本挖掘等手段進(jìn)一步分析了潰壩鏈生災(zāi)害的孕育、傳遞和演化機(jī)制，提出了潰壩事故成因推斷、風(fēng)險預(yù)測的定量方法?；诒卷椖垦芯砍晒?，為進(jìn)一步健全我國水庫大壩風(fēng)險防控體系，針對性提出防范潰壩策略如下。

一是強(qiáng)化大壩全生命期運行管理，健全大壩安全風(fēng)險防控機(jī)制。加快修訂與水庫大壩安全運行管理相關(guān)的《中華人民共和國水法》《中華人民共和國防洪法》《水庫大壩安全管理條例》等法規(guī)制度，持續(xù)完善水庫大壩安全管理長效機(jī)制；持續(xù)強(qiáng)化責(zé)任制、注冊登記、調(diào)度運用、維修養(yǎng)護(hù)、安全監(jiān)測、安全鑒定、應(yīng)急預(yù)案等大壩全生命周期制度執(zhí)行情況過程監(jiān)管，不斷健全大壩安全風(fēng)險防控機(jī)制。

二堅持工程措施與非工程措施并重，不斷強(qiáng)化“四預(yù)”措施。高度重視氣候變化與強(qiáng)人類活動對水庫安全的疊加影響，促進(jìn)水利、國土、氣象等部門信息共享，持續(xù)完善雨水情、大壩安全監(jiān)測，以及防汛交通、通信、報警、照明等管理設(shè)施，加強(qiáng)“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”四預(yù)措施，提升緊急情況下水庫應(yīng)急能力，推動“安全管理”向“風(fēng)險管理”轉(zhuǎn)變。

三是加大科技攻關(guān)力度，大力提升水庫大壩安全科技保障能力。加快提升水庫大壩運行管理與現(xiàn)代信息技術(shù)的融合度，以建設(shè)智能大壩為總目標(biāo)，以數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)+、云平臺、智能監(jiān)測、人工智能技術(shù)等為核心，應(yīng)用北斗高精度定位、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)攝影、圖像識別、機(jī)器視覺等現(xiàn)代高新技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等智能分析算法，提升數(shù)字賦能水平，提升全要素信息感知、智能分析研判、快速預(yù)測預(yù)警能力，通過科技創(chuàng)新攻克制約水庫大壩安全保障和提質(zhì)增效的技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步提升水庫大壩安全科技保障能力。