综合评价溃坝后果的方法

溃坝后果的综合评价是大坝风险分析的一个重要组成部分。利用大坝风险分析成果于病险水库除险加固排序中,需要量化才能实现。为此,本节提出溃坝后果综合评价初步方法。

溃坝后果主要包括3个方面:①溃坝导致的生命损失;②经济损失;③社会环境影响。在溃坝生命损失方面,国外在20世纪末已经进行了较长时间、系统的研究,得到了很多初步研究成果,目前正在不断地完善和改进。在已溃坝生命损失资料的研究基础上,重点研究总结了估算生命损失的经验公式,并开展了以可靠度理论为基础的溃坝生命损失研究。由于国外对生命损失异常重视,生命损失参数已经成为判别大坝溃决是否可以容忍的重要依据。因此,国外通常采用“F—N”曲线的形式,将溃坝概率和生命损失人数分成可以接受、可以容忍和不能容忍3个区域,直接根据生命损失数来判别溃坝是否可以接受。同样,国外用类似“F—N”的曲线来评价溃坝经济损失。溃坝对社会和环境的影响方面,国外的研究也是刚刚开始,成果不多见[26]。国内在溃坝生命损失方面的研究基本上才起步,在溃坝经济损失方面的研究成果多集中在堤防溃决后洪水损失的计算,在溃坝导致的社会环境影响方面的研究也是刚刚提出来。这些方面的研究随着“人与自然和谐相处”观念日益深入人心,将会成为大家关注的问题。

对中国来说,病险水库约占水库总数的36%左右。数量之大,难以全部、全面展开除险加固,只能根据水库大坝的风险严重程度,按轻重缓急进行除险,因此除险排序技术的研究已经提上日程。在对病险水库除险加固进行排序时,如何综合生命损失、经济损失和社会与环境影响,确定排序先后,是我国目前必须解决的关键问题。为此,应尽量将溃坝后果量化。

本节引入溃坝后果综合评价函数L。该函数综合考虑生命、经济和社会环境所占的权重Si及其严重程度系数F i,采用线性加权和法[27]予以构造。

在评价函数L中,如何构造和确定生命损失、经济损失和社会环境影响的严重程度系数Fi,是个较为敏感的、牵涉面较广的难题,理应由社会学家、经济学家和生态环境方面的专家进行专题研究,提出大家能够普遍接受的意见。但是由于大坝风险评价和病险水库除险加固工作的急需,笔者根据近期研究成果,从技术角度提出初步意见,以便抛砖引玉,引起广泛讨论。

3.3.1 溃坝后果严重程度系数模型[30]

3.3.1.1 溃坝后果综合评价函数L

溃坝后果综合评价函数L体现了溃坝生命损失、经济损失和社会环境影响的综合影响,可由线性加权和法构成,即

式中:S 1、S 2、S 3分别为生命损失、经济损失和社会环境影响的权重系数;F 1、F 2、F 3分别为生命损失、经济损失和社会环境影响的严重程度系数。

3.3.1.2 权重系数的确定

将生命损失、经济损失和社会环境影响3个方面作为溃坝后果综合评价函数的子因素,采用Saaty建议的1～9标度法(AHP法)确定各子层因素对母层因素的权重系数。

AHP法采用1～9及其倒数作为两个元素重要性比较定量化的标度。标度1、3、5、7、9分别表示一个元素比另一个元素同等、稍微、明显、强烈、极端的重要程度,标度2、4、6、8分别表示上述相邻程度的中值;两个元素反过来对比为原先标度的倒数。

若以U表示总目标,ui表示评价元素,ui∈U(i=1,2,…,n)。u ij表示u i对u j(j=1,2,…,n)的相对重要性数值,u ij的取值依表3.17进行。

根据上述各符号的意义得n×n阶判断矩阵[P]。

式中:n为子层中相应因素的个数;u ij为各因素两两比较,对实际目标贡献大小的赋值,且uji=1/u ij,uii=1,uij=uik/u jk(i,j,k=1,2,…,n)。

表3.17　判断矩阵标度及其含义

总目标层溃坝后果的各影响因素(子目标层)包括溃坝生命损失(以S 1表示)、经济损失(以S 2表示)和社会与环境影响(以S 3表示)。生命损失是无法用经济衡量的,比经济损失重要得多,应不亚于强烈,定为8和1的关系;经济损失同社会与环境影响相比,在某种程度上讲,后者比前者还重要,定为1和3的关系。由此,给出如下判断矩阵:

由此求得溃坝生命损失的权重为0.667,经济损失的权重为0.083,社会与环境影响的权重为0.250。

若生命损失同经济损失相比,重要程度视为强烈,则定为7和1的关系;若经济损失同社会与环境影响相比,重要程度视为稍微,则定为2和3的关系。由此,给出如下判断矩阵:

由此求得溃坝生命损失的权重为0.737,经济损失的权重为0.105,社会与环境影响的权重为0.158。

若生命损失同经济损失相比,重要程度视为强烈,则定为7和1的关系;若经济损失同社会与环境影响相比,重要程度视为稍微,则定为1和3的关系。由此给出如下判断矩阵:

由此求得溃坝生命损失的权重为0.636,经济损失的权重为0.091,社会与环境影响的权重为0.273。

若将生命损失同经济损失相比,重要程度视为强烈,则定为7和1的关系;若经济损失同社会与环境影响相比,重要程度视为同等与稍微之间,则定为1和2的关系。由此给出如下判断矩阵:

由此求得溃坝生命损失的权重为0.700,经济损失的权重为0.100,社会与环境影响的权重为0.200。

若将生命损失同经济损失相比,重要程度视为极端重要,则定为9和1的关系;若经济损失同社会与环境影响相比,重要程度视为稍微重要,则定为2和3的关系。由此给出如下判断矩阵:

由此求得溃坝生命损失的权重为0.783,经济损失的权重为0.087,社会与环境影响的权重为0.130。

综上所述,从权重系数上看,第二种组合,即生命损失的权重为0.737,经济损失的权重为0.105,社会与环境影响的权重为0.158比较合理。

那么溃坝后果综合系数L为:

式中:F 1、F 2、F 3分别为生命损失、经济损失和社会与环境影响严重程度系数。

3.3.1.3 溃坝后果严重程度系数Fi

溃坝后果严重程度系数F i可以直接取用归一化系数r i,因此归一化系数就可以视为严重程度系数。

(1)影响严重程度的变化范围。生命损失以人数计,经济损失以百万元或亿元计,而社会环境影响只能定性描述,如轻微、中等、严重等。为了比较的统一性,需进行归一化处理。

自1954年以来,我国已经发生过3480多起溃坝事件,其中生命损失最严重的一次是1975年8月板桥水库、石漫滩水库溃坝,不同的资料中死亡人数不同。正式公布的资料是26000人,也有资料认为是85600人,甚至还有更多的。但总体上可以认为,生命损失的上限为100000人。可以将1～100000人分为5档,即1～10人、10～100人、100～1000人、1000～10000人、10000～100000人。同样,经济损失的上限可以定为100亿元人民币,可分为5档,即10万～100万元、100万～1000万元、1000万～1亿元、1亿～10亿元、10亿～100亿元。对于社会环境影响,往往可以分为轻微、一般、中等、严重和极其严重5档。

(2)归一化函数模型。把生命损失、经济损失和社会环境影响严重程度进行归一化处理,应该采用一种数学上简便可行、符合现行的政策规范、同时能够被公众所接受的模型。

先考察如下函数:

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图3.15　归一化函数模型

该函数当x=1时,y=0;当x=100000时,y=1。严重程度的上限和下限的归一化已经得到了满足。分别取b=0.1、0.2、0.3、0.5、1、2、3时,便可得到如图3.15所示的曲线簇。该曲线簇可以根据实际情况供归一化选用。

(3)生命损失严重程度系数F 1。生命损失可暂用Dekay& Mc Clelland法确定,即

LOL≈0.73PAR 0.36 exp[-0.739WT+(3.790-2.223WT)F c](3.93)

式中:LOL为生命损失;PAR为风险人口,根据各种可能溃决条件下溃坝洪水所导致的淹没区中的人口确定;WT为预警时间,指接到撤离通知至洪水到达前的时间段,h;F c为洪水强度,一般高坝、山区等高洪水风险区域取F c=1,低坝、平原地区低洪水风险的平原泛区取F c=0。

生命损失严重程度的判断依据应该是我国现行的有关法规和规定。1989年建设部第3号令“工程建设重大事故报告和调查程序”,将重大事故分为4个等级:死亡30人以上,或直接经济损失300万元以上为一级重大事故;死亡10～29人,或直接经济损失100万～300万元,为二级重大事故;死亡人数少于3～9人或重伤20人以上,或直接经济损失30万～100万元,为三级重大事故;死亡3人以下或重伤3～19人,或直接经济损失10万～30万元,为四级重大事故。

1989年3月,国务院第34号令“特别重大事故调查程序暂行规定”中指出:必须做到立即将所发生的特大事故的情况报告上级归口管理部门和所在地人民政府,并报告……国务院归口部门;24小时内写出事故报告。1990年3月,劳动部劳安字(1990)9号文“特别重大事故调查程序暂行规定”中对有关条文做了解释,强调“铁路、水运、矿山、水利、电力造成一次死亡50人及其以上,或者一次造成直接经济损失1000万元及其以上的事故、民航客机发生的机毁人亡(死亡40人及其以上)事故、公路和其他发生一次死亡30人及其以上或直接经济损失在500万元及其以上的事故”为特别重大事故。目前一般的标准为一次死亡3人以下为一般事故,一次死亡3～9人为重大事故,一次死亡超过10人为特大事故。

根据上述规定可以发现,死亡3人、10人是国家判断事件严重程度的关键数据,另外,还需要注意死亡30人和50人属于特别重大事故,应该在24h内报告国务院。图3.16是生命损失严重程度归一化模型。

图3.16　生命损失严重程度归一化曲线簇

对该簇生命损失归一化曲线,选取哪一条较为合适,分析如下:

当b=1时,即对角线,是将生命损失的重要性在全范围内等同看待,显然和当前的政策不符,是不合适的。

当b=2或b=3时,即对角线下方的两条曲线,其特点是随着生命损失的增加,重要性越来越得到强调。但是在生命损失较小时,其重要性得不到充分体现,这与当前的国家法规显然不符,更是不合适的。

当b=0.5和b=0.3时,即对角线上方且靠近对角线的两条曲线,其特点是开始重视生命损失较少的情况,但从表3.18来看,生命损失为3人时,严重程度系数分别为0.3089和0.4942,还不到0.6。事实上,根据规定已经算是重大事故了,因此严重程度系数不宜小于0.6。当生命损失为10人时,严重程度系数分别为0.4472和0.6170,还不到0.70,而根据规定,此时已经算是特别重大事故了,因此严重程度系数不宜小于0.70。

表3.18　不同模型条件下生命损失严重程度系数

根据上述分析,结合表3.18,可以认为:b=0.1或b=0.2时的两条曲线是比较合适的。因为生命损失为3人时,严重程度已经超过0.6;生命损失为10人时,严重程度均超过0.7。笔者更倾向于b=0.1的模型,因为当生命损失为50人时,b=0.1的模型显示严重程度为0.9,和“应在24小时内写出事故报告,逐级上报国务院”的规定更加吻合。

综上所述,笔者推荐b=0.1的对数非线性模型,即

(4)经济损失严重程度系数F 2。对经济损失,下限为10万元,上限为1000000万元。将式(3.92)稍做变化,得到

利用式(3.95),可以得到与图3.16相似的一簇曲线,只是将x坐标改为经济损失,此处不再赘述。根据重大事故经济损失的定义,控制住30万元、100万元、300万元和1000万元几个分界,同样可以利用表3.18讨论经济损失严重程度系数模型。

根据前述的讨论,笔者认为b=0.1或b=0.2从理论上都是比较合适的,即

但是和生命相比较,生命的重要性应该比经济高。因此,笔者认为,如果生命损失重要性模型中b=0.1,则经济损失模型的b不宜取0.1,故建议取b=0.2。值得指出的是,近20年来,我国经济发展很快,东部、西部、中部对经济损失的承受能力和对大坝溃决事件的承受能力都有较大的差别,不同地区经济损失重要性模型中b的取值应该有所区别。

(5)社会环境影响严重程度系数F 3。社会环境影响是一个非常广泛的概念,往往只能依据专家判断,给出一个模糊的判断,3.3.3节中已经给出了评价原则。专家们可以从8个方面,根据表3.12逐项赋分,综合得到社会与环境影响系数f。

根据表3.12中的数值,社会环境影响系数的最小值为1,最大值为10000。因此,社会环境影响系数的上限和下限之间可以分为4档,即1～10、10～100、100～1000、1000～10000。仿照上述方法,根据计算的f可以进行社会环境严重程度系数F 3的分析。

社会环境影响严重程度系数F 3可以在下式所示的曲线簇中选取确定。

式(3.97)所示的曲线簇和式(3.92)所示的曲线簇具有相同的特性。

对于社会环境影响来说,目前尚未有法规或规范规定何种影响属于一般、重大、特别重大,因此在选择曲线时,可以认为重要性是线性的,随着社会环境影响系数的增大而线性增大,故取b=1是合适的,即

(6)溃决后果严重程度综合判断的定量指标。由于综合评价中有多个影响因子,每个影响因子的严重程度受到政策法规的影响,而且各影响因子的权重系数也不一样,得到最后的综合评价系数L后,如何对该事件严重程度定性呢?也就是各影响因子需要从定性转化为定量,才能通过数学的方法进行综合,而综合结果必须从定量转化为定性,才便于对该事件进行判断和决策。

溃坝后果这一事件取决于3个因子,即生命损失、经济损失和社会环境影响。前两者受到法规控制,3人、10人、30人和30万元、100万元、300万元是定量的控制指标,其严重程度系数是非线性的;后者目前尚未有定量指标,可以认为在变化范围内是线性分布的。因此,可以将这些点的综合判断值作为定量转化为定性的指标。计算结果如表3.19所示。

表3.19　溃坝事件综合评价定性控制表

注 计算中权重系数S 1、S 2、S 3分别为0.737、0.105和0.158。

根据表3.19,可以认为,当0.67≤L＜0.74时,属于重大事故;当0.74≤L＜0.79时,属于特别重大事故;当L≥0.79时,应立即向国务院报告。为了方便记忆,可以分别以0.65、0.75和0.80作为控制指标,即当L＜0.65时,属于一般事故;当0.65≤L＜0.75时,属于重大事故,当0.75≤L＜0.8时,属于特别重大事故;当L≥0.8时,应立即向国务院报告。

(7)溃坝后果严重程度分析实例。为检验溃坝后果综合评价方法的合理性与可行性,笔者对江西5座水库大坝作了溃坝后果综合评价分析。各水库的生命损失、经济损失和社会环境影响数据引自文献[31],F 1、F 2、F 3均根据本文建议的公式计算,分析结果见表3.20。

表3.20　5座水库大坝的溃坝后果综合评价系数表

对照综合判断定性指标,上面分析的5座水库大坝,如果出现溃坝事件,综合后果均十分严重,应属于立即向国务院报告的特别重大事件,因此5座水库均应尽快除险加固。