趙壽昌，周 濤，吳 琦，陳天燊，傅春江

（1.國家電力投資集團有限公司大壩管理中心，陜西西安，710600；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

我國幅員遼闊，河流眾多，包含豐富的水能資源。隨著水利事業(yè)蓬勃發(fā)展，我國現(xiàn)已建成堤壩近10萬座，居世界首位。然而，隨著時間的推移、壩齡的增長、大壩運行條件的逐漸變化，再加之建壩時的缺陷、運行不當、環(huán)境變化等因素，導致相當一部分大壩存在各類安全問題，不僅影響工程效益的發(fā)揮，還嚴重威脅下游人民的生命和財產(chǎn)安全。為了預防大壩失事，必須建立大壩智能評價系統(tǒng)，全面掌握大壩工作性態(tài)，對大壩的安全狀況進行分析和評價，從而對大壩安全性做出客觀公正的評價。

我國20世紀80年代起就針對大壩漫頂、裂縫、滲流破壞等破壞模式進行了大壩安全可靠度分析[1-2]。2006年，李雷主持編撰的《大壩風險評價與風險管理》[3]對我國水庫大壩潰壩情況做了深入分析，提出了估算大壩潰決概率的辦法；周克發(fā)、李雷等[4-5]根據(jù)8座已潰大壩的調(diào)研資料，提出了適合我國國情的潰壩生命損失評價模型；王志軍、顧沖時等[6]利用支持向量機等技術對潰壩生命損失進行評估；王仁鐘等[7]總結了社會與環(huán)境影響的主要因素，并對其進行量化，提出了社會與環(huán)境影響指數(shù)的確定方法；彭雪輝等[8]在分析風險標準在國外兩類不同法律體系國家中的差異的基礎上，提出了我國水庫大壩風險標準。

我國的大壩風險研究目前仍處于初級階段，風險分析方法以事件樹法為主，風險指標法較少；研究對象以土石壩為主，混凝土壩較少；案例分析以單壩或小范圍群壩為主，沒有在上百座大規(guī)模群壩中真正推廣應用。目前國家電投集團下轄大壩已超過100座，大壩安全管理責任重大，亟需通過研究建立一套合理、簡便且可以短時間實現(xiàn)上百座大壩風險評價的群壩風險智能評價系統(tǒng)，便于提高我國水電站大壩運行安全風險管理水平。

1 大壩風險評價的信息化現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的風險評價研究，目前國內(nèi)外部分國家的大壩風險管理已經(jīng)非常成熟，也研發(fā)出了較為完善的大壩風險管理系統(tǒng)及風險分析軟件。加拿大BC Hydro水電公司[9]在大壩風險研究方面一直處于世界領先水平，采用的是基于大壩缺陷的風險指數(shù)排序方法，即使用大壩脆弱性指標來代替潰壩概率，結合潰壩后果系數(shù)綜合得出大壩風險指數(shù)。美國聯(lián)邦應急管理署（FEMA）[10]通過潰壩模式分析來計算潰壩概率，并結合潰壩后果得出相應的風險概率值，通過輸入大壩相關參數(shù)，針對不同類型大壩分析各類可能潰壩模式下的風險概率。

我國針對大壩風險的研究和應用雖然仍處于起步階段，但也有許多學者或機構對大壩安全風險管理系統(tǒng)進行了研究和開發(fā)。例如，李升等以編程語言Delphi為開發(fā)工具建立了大壩安全風險管理系統(tǒng)，主要通過大壩安全風險評估提供預警與應急決策支持；鄭毅等基于地理信息系統(tǒng)技術和二維潰壩洪水演進模型，采用C/S與B/S相結合的構架設計了水庫潰壩風險管理系統(tǒng)；蔣清華等以燕山水庫為例，提出了病險水庫大壩風險預警系統(tǒng)架構?？傮w而言，目前我國針對大壩風險管理系統(tǒng)的開發(fā)工作進行了一定的研究，但實際應用十分有限，更鮮有針對群壩進行大規(guī)模測試并成功應用的大壩風險評價系統(tǒng)。

因此，本研究旨在開發(fā)一個適用于群壩風險評價的系統(tǒng)，通過整合所管轄大壩數(shù)據(jù)和相關算法，即可實現(xiàn)大壩安全的動態(tài)風險在線評價。

2 群壩安全風險評價體系及模型

2.1 群壩風險分析方法

目前世界各國研究采用的風險評估方法主要包括潰壩模式分析法、事件樹法、潰壩后果分析法和風險指數(shù)法。

其中風險指數(shù)法是通過某種指數(shù)形式來表示風險的嚴重程度，只能應用于同樣使用該方法的大壩之間的相對風險排序。但風險指數(shù)法往往操作過程簡便、計算快速，因此適合大范圍群壩的初步風險評估。

目前有較多得到了廣泛應用的風險指數(shù)法。以加拿大BC Hydro大壩風險排序法為例，其采用大壩脆弱性指標VI代替潰壩概率，并結合潰壩后果系數(shù)綜合得出大壩風險指數(shù)，指標關系如圖1所示。

圖1 BC Hydro風險排序法指標關系Fig.1 Indexes relationship in the BC Hydro risk ranking method

該方法中，缺陷的嚴重程度S包括大壩運行缺陷、基礎設計缺陷和運行維護監(jiān)測程序缺陷三個方面，每項缺陷又按正常荷載條件和非正常荷載條件下的實際缺陷與潛在缺陷進行細分，并賦以不同權重w。缺陷的關鍵程度G與臨時風險控制措施的無效程度E賦值范圍為0～1，在初始評價階段一般取值為1。外荷載頻率系數(shù)F與荷載的年超越概率有關。后果系數(shù)C從生命損失、環(huán)境及文化價值、基礎設施及經(jīng)濟價值三個方面劃分為五個等級，并根據(jù)損失程度從小到大賦值0、1、2、3、4。最終大壩風險指數(shù)計算公式為：

計算多個大壩的風險指數(shù)后，可依據(jù)計算出的風險指數(shù)對各大壩風險進行排序。

綜上所述，風險指數(shù)法是以指數(shù)形式對大壩風險程度進行排序，無需非常詳盡的分析資料，也不需要進行復雜的具體概率計算。該方法簡單直觀且便于操作，可以合理地利用有限的人力和物力資源，對大壩風險程度進行較為科學的排序，從而對最“不安全”的大壩優(yōu)先采取相應的失事保護措施。

2.2 群壩風險評價體系及模型

2.2.1 群壩風險評價體系

以結構安全、運行管理和外部風險為核心，構建評價體系。具體評價指標設計主要基于大壩實際潰壩案例的統(tǒng)計分析，從大壩潰決事件出發(fā)，分析不同壩型大壩潰決的主要破壞模式和破壞原因，再根據(jù)大壩破壞機理梳理評價要素，并分解細化為評價指標。以土石壩為例，評價體系分5層，第1層為大壩潰決事件及分類，第2層為發(fā)生潰決事件的破壞模式，第3層為具體模式下的發(fā)生原因，第4層為評價要素，第5層為評價指標。大壩安全風險監(jiān)管評價體系層次結構見圖2。

圖2 大壩安全風險監(jiān)管評價體系層次結構Fig.2 The hierarchical structure of dam safety risk supervision and evaluation system

2.2.2 群壩風險評價模型

群壩風險評價模型需要研究指標賦值、指標權重確定及信息集結等方法。

2.2.2.1 指標賦值方法

評價指標需要進行一致化處理，在常用指標一致化方法中，正向型指標、逆向型指標、居中型指標和區(qū)間型指標各有其優(yōu)缺點及適用場景。在群壩風險評價模型中，評價指標基本集中于逆向型指標和正向型指標，逆向型指標居多且更易于被理解接受，故本評價體系中采用逆向型指標進行綜合評價，對少數(shù)正向型指標進行一致化處理，使指標趨勢相同，以此保證指標間的可對比性。

具體指標賦值需充分考慮與現(xiàn)有的大壩安全管理工作、行業(yè)監(jiān)管部門相關要求及國家行業(yè)規(guī)范等接軌。如大壩結構安全指標與國家能源局開展的大壩定期檢查和水利系統(tǒng)開展的安全鑒定接軌，融合DL/T5313—2014《水電站大壩運行安全評價導則》及SL258—2017《水庫大壩安全評價導則》的相關評價要求和標準；大壩運行管理評價指標與國家能源局注冊檢查工作和水利系統(tǒng)的安全鑒定工作接軌等。以此可充分利用現(xiàn)有工作成果對評價指標進行賦值，不增加大壩管理單位工作量，提高了體系的可操作性。

2.2.2.2 權重確定方法

權重確定方法主要分為主觀賦權法和客觀賦權法。權衡多種權重確定方法后，選擇了層次分析法和專家打分法作為群壩風險評價體系的權重確定方法。

層次分析法可以將大壩風險作為一個系統(tǒng)，按照分解評價層次、比較判斷、綜合的方式進行決策。此方法從壩工專家對各類大壩潰決問題本質(zhì)、要素的理解出發(fā)，比一般的定量方法更講究定性的分析與判斷。其計算方法為首先建立判斷矩陣，再對矩陣求解得出權重，并驗證矩陣的一致性是否滿足要求。

A的最大特征根為λmax，計算矩陣的CR和CI進行檢驗，并將求得的CI與標度進行比較，若小于0.1，則滿足評價要求。

專家打分法優(yōu)點為大壩風險評價中每個子指標相較于上級指標的重要程度或影響程度采用重要性評分的方式進行評價，不需要構建判斷矩陣進行一致性檢驗，展示較為直觀，計算過程較為簡便。專家打分法計算方法為首先構建矩陣，再代入公式求得權重。

2.2.2.3 信息集結方法

信息集結方法主要包括基于指標性能、位置、分布的集結方法。比較各種信息集結方法后，選擇了線性加權綜合法作為群壩風險評價體系的信息集結方法。

線性加權綜合法利用線性模型將權重與評價指標值進行簡單的集結，即：

式中，y為被評價方案的評價信息經(jīng)過線性加權綜合法集結之后的綜合評價值；xj為第j（j=1，2，…，m）項評價指標值；wj為第j項指標相應的權重，滿足0≤wj≤1（j=1，2，…，m），且

在常規(guī)的綜合評價理論應用中，大部分案例均使用該方法進行計算。其優(yōu)點有：可以使各評價指標間作用得到線性補償，保證綜合評價指標的公平性；權重對評價結果影響較為明顯，即權重較大指標值對綜合指標作用較大；計算較為簡便。在本評價模型中，首先通過層次分析法與專家打分法綜合定出權重，再使用線性加權綜合法集結評價指標賦值與相應權重，得到較為客觀準確的風險評價結果。

2.2.2.4 小結

本模型指標賦值采用逆向型指標；采用層次分析法確定基準權重，然后通過專家打分法對權重進行調(diào)整，最后根據(jù)實際大壩案例對指標權重的合理性進行驗證并調(diào)整；信息集結采用線性加權綜合法。

3 群壩風險智能評價實現(xiàn)

3.1 功能架構

在已建國家電投集團大壩安全管理監(jiān)控信息系統(tǒng)的基礎上增加“風險評價”功能模塊。國家電投集團大壩安全管理監(jiān)控信息系統(tǒng)中原有功能模塊包括：個人首頁、政府監(jiān)管、大壩登記、在線監(jiān)測、安全監(jiān)控、安全檢查、隱患管理、防洪度汛、應急支持、工作網(wǎng)、信息共享、資料整編和設置，具體功能架構見圖3。

圖3 國家電投集團大壩安全管理監(jiān)控信息系統(tǒng)功能架構Fig.3 Functionalarchitecture of the dam safety management and monitoring information system of SPIC

3.2 開發(fā)架構

系統(tǒng)開發(fā)采用面向服務的開發(fā)框架，見圖4。后端采用Java Web開發(fā)框架Spring Boot，消除了繁雜的應用程序配置，使開發(fā)更為簡單。數(shù)據(jù)訪問層采用基于Hibernate的JPA框架，可以兼容大部分主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，大部分開發(fā)工作不用編寫SQL語句，可以零成本切換數(shù)據(jù)類型。安全框架采用Spring Security，可實現(xiàn)對按鈕級別的權限控制。前端采用開源的MVVM開發(fā)框架VUE，主題采用Element-UI，并提供多套配色方案，各類圖表及頁面控件均采用主流組件，使系統(tǒng)界面美觀實用，操作高效，更符合普通用戶的操作習慣。前后端交互使用Restful接口實現(xiàn)，符合業(yè)界通用標準，中間件使用Redis、Mongo等主流的開源中間件，便于維護與升級。

圖4 國家電投集團大壩安全管理監(jiān)控信息系統(tǒng)開發(fā)架構Fig.4 Development framework of the dam safety management and monitoring information s ystem of SPIC

3.3 功能設計

風險評價模塊主要包括體系模板、體系設置、任務管理和結果展示四個子功能，滿足用戶在本模塊完成風險體系設置、風險體系計算及風險結果查看的需求，見圖5。

圖5 風險評價模塊功能架構Fig.5 Functional architecture of the risk assessment module

此外，外部相關模塊包括政府監(jiān)管、定檢巡查、安全監(jiān)控、隱患管理、應急支持等，用戶需將外部模塊中的相關信息結構化，并與風險評價模塊中的指標建立對應關系，使風險評價模塊能夠根據(jù)相關信息的變化，實時自動觸發(fā)風險評價計算。

3.3.1 體系模板

具有新增、編輯指標體系模板功能，供用戶引用模板，在模板的基礎上編輯適用于各大壩的指標體系。“體系模板”功能包括：模板總覽、基本信息填寫、指標樹設置、指標權重設置及影響參數(shù)設置。

“模板總覽”功能為：查看已創(chuàng)建的指標體系模板，進行模板編輯、查看、刪除等操作，系統(tǒng)還提供復制功能，可便捷復制原有模板后在其基礎上修改，根據(jù)需要對模板進行啟用、廢除等操作；“基本信息設置”功能為：填寫指標體系模板基本信息，適用壩型包括重力壩、拱壩、土石壩；“指標樹設置”功能為：對指標體系（樹結構）進行增、刪、改，進行影響參數(shù)、小水庫必評參數(shù)等設置；“指標權重設置”功能為：對各指標進行權重計算，各節(jié)點的權重計算可根據(jù)實際情況選擇層次分析法和專家打分法其中一種；“指標賦值標準”功能為：設置指標賦值上下限，提供各指標賦分等級與對應分值的關系，以及自然災害等級超過賦值標準上限時是否熔斷；“影響參數(shù)設置”功能為：設置壩齡、工程規(guī)模等工程基本參數(shù)或應急管理水平等評價指標作為影響參數(shù)，設置并修改賦值標準、作用方式、作用值來對被作用指標中選取的體系指標造成影響。

3.3.2體系設置

用戶在指標體系模板的基礎上進行指標缺省設置，可選擇大壩進行試算來驗證是否合理，若合理可進入下一步發(fā)布審核流程，若不合理可返回上一步重新設置?！绑w系設置”功能包括：體系總覽、指標缺省設置、指標賦分、影響參數(shù)設置、體系審核。

“體系總覽”功能為：查看已創(chuàng)建的指標體系，并可進行體系編輯、查看、刪除、啟用、廢除等操作；“指標缺省設置”功能為：設置缺省指標，并填寫缺省原因，缺省指標不參與風險評價；“指標賦分”功能為：對指標進行賦分，并提供人工賦分和系統(tǒng)賦分兩種方式；“影響參數(shù)設置”功能為：繼承引用模板的影響參數(shù)；“體系審核”功能為：發(fā)起流程后，需經(jīng)有審批權限的三級單位用戶、二級單位用戶審批，通過后即代表該指標體系可進行風險計算。

3.3.3 任務管理

任務管理模塊可查看目前已提交的計算任務，主要包括自動觸發(fā)和人工提交兩類：

（1）自動觸發(fā)：安全監(jiān)控、隱患管理、應急支持與本模塊關聯(lián)項發(fā)生變化時自動觸發(fā)。

（2）人工提交：用戶可選擇已完成指標設置的大壩進行試算，同一條任務可選擇多個大壩，計算結果按風險指數(shù)從高到低排序，以便于通過風險排序驗證指標設置和賦分設置是否合理。

3.3.4 單壩結果展示

查看歷次風險評價結果，展示結構安全、運行管理、外部風險3類潰壩原因下的指標及其情況說明、評價結果、指標值（權重×賦值×影響參數(shù)），默認只展示異常指標，且按照指標值大小進行排序，用戶可點擊右上角按鈕查看所有指標，如圖6所示。

圖6 單壩結果展示Fig.6 Display of single dam results

評價結果中，結構安全指標評價結果包括正常（a）、基本正常（a-）、構成病壩（b）、構成險壩（c）；運行管理指標評價結果包括優(yōu)、良、中、差；外部風險指標評價結果包括低風險、一般風險、較大風險、重大風險。

3.3.5 評價結果展示

評價結果展示是大壩風險監(jiān)督評價體系信息化方案中一項重要的功能目標，需研究如何將風險評價結果進行圖形化展示和互動化操作，使用戶能夠更加直觀準確地了解大壩目前的風險現(xiàn)狀。

在大壩風險監(jiān)督評價系統(tǒng)中，大壩風險評價結果以大壩風險指數(shù)的形式呈現(xiàn)，該風險指數(shù)介于0～1 000，風險指數(shù)越大，說明大壩風險越高，風險排序越優(yōu)先，反之則說明大壩風險越低，風險排序越靠后。根據(jù)風險指數(shù)從高到低，共分為四個風險等級：高風險、較高風險、一般風險、低風險。由于大壩風險指數(shù)提供的是一種相對風險關系，指數(shù)本身并沒有實際物理意義，因此對于決策者而言，根據(jù)群壩風險指數(shù)大小而產(chǎn)生的風險排序和風險等級劃分更能直觀地體現(xiàn)目前所管理大壩的相對風險優(yōu)先情況。

（1）風險列表：風險列表包括風險等級、風險指數(shù)、時序分析、區(qū)域分析、變化情況、貢獻度排序、共性問題和大壩列表共8個板塊，見圖7。

圖7 風險列表Fig.7 Risk list

（2）風險地圖：風險地圖如圖8所示，圖中板塊包括大壩列表、近期指數(shù)更新大壩、風險等級、指數(shù)變化、降雨預報和地震標識等。

圖8 風險地圖Fig.8 Risk map

4 結語

通過對群壩安全風險評價體系的研究，建立了群壩風險評價模型，并提出了群壩風險智能評價的信息化方案，初步實現(xiàn)了針對群壩的風險評價及排序，提高了管理單位的群壩風險管控能力。本信息化方案包含群壩安全排序、單壩指標排序、群壩風險時序分析、群壩風險區(qū)域分析及共性問題分析等應用場景，這些場景對評價結果的應用具有重要的實際意義和現(xiàn)實作用，可幫助管理者快速定位風險較大的大壩及相應指標，達到“對癥下藥”的目的?！?/p>