武文浩，王新華，張慧穎，陳泳江，呂松峰

(云南農(nóng)業(yè)大學，云南 昆明650201)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展，為了解決洪峰災害、供電不足、農(nóng)業(yè)灌溉用水稀缺、生產(chǎn)生活用水匱乏和航運水位調(diào)節(jié)等問題，我國曾大范圍新建、改建、擴建水庫。但是隨著時間的推移，因水庫大壩老化、強降雨、地震及人類活動等原因，導致生態(tài)環(huán)境破壞、水庫大壩事故時有發(fā)生，嚴重威脅到了下游群眾的生命和財產(chǎn)安全[1]。因此亟待開展水庫樞紐區(qū)脆弱性研究，這不僅有利于制定科學的防災減災策略，還符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

脆弱性的概念由Timmerman于1981年提出，最早應用于地學領域[2]。經(jīng)多年發(fā)展，被廣泛應用于生態(tài)環(huán)境、水資源、網(wǎng)絡、災害和社會等學科領域[3-5]。在水利工程領域，水庫對下游群眾的影響，現(xiàn)階段的研究大多集中在大壩的安全評價上，很少涉及脆弱性概念。李京陽等[6]建立的震后水庫大壩安全評價指標體系，運用模糊綜合評價對震后的大壩安全程度進行了評估，結果證明該水庫工程基本安全，與實際情況相符合。李守義等[7]構建了潰壩后果綜合評價指標體系，結合層次分析法和可變模糊集理論，將其應用于5座水庫，進行潰壩后果綜合評價。李影[8]提出了一種基于組合賦權和正態(tài)云耦合的安全評價模型，構建了大壩安全評價指標體系，對大壩進行安全評估，結果表明該方法可以得出準確的結果。以上研究都是圍繞水庫大壩安全進行的，但是水庫樞紐區(qū)覆蓋范圍廣，內(nèi)部因素復雜多樣且相互聯(lián)系，不應該只分析大壩的安全，而應考慮水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)的綜合影響。

結合脆弱性的概念，提出FMECA-AHP(failure mode，effects，and criticality analysis with analytic hierarchy process)方法，系統(tǒng)研究水庫樞紐區(qū)的脆弱性。脆弱性越低，則安全等級越高，反之，安全等級越低。該方法既解決了指標體系選取不合理的問題，也克服了傳統(tǒng)層次分析法1～9標度算法存在的主觀性強、評分偏差大和計算量大等缺點。

將此評估方法用于某水庫大壩工程，結合現(xiàn)場專家的安全評估結果，驗證了其可行性，對今后水利工程的防災減災有著極其重要的理論依據(jù)和現(xiàn)實意義。

1 研究方法

1.1基于FMECA法建立水庫樞紐區(qū)脆弱性評價指標體系

考慮到水庫樞紐區(qū)評價的復雜性和因素多樣性，以及每個工程的獨有特點，先采用FMECA風險分析法分析水庫樞紐區(qū)。針對水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)中每一要素所有可能造成的破壞模式及其對系統(tǒng)可能造成的所有影響，按要素破壞模式、后果發(fā)生的原因及其嚴重程度予以分類，嚴酷度定性分級示例如表1所示。然后結合工程情況，查找相關資料，采用推理式的圖表分析識別系統(tǒng)中每一個因素所有可能的破壞模式及其后果，如表2所示。根據(jù)水庫樞紐區(qū)的FMECA風險分析結果，并參考學者對水庫區(qū)危險因素的研究，從不同角度、不同方向和不同層次選取3個準則、9個一級指標和28個二級指標構成評價指標體系(圖1)[9-12]。該體系反映了工程的特性及安全狀況，可以更全面準確評價其脆弱性，體現(xiàn)了評價指標選取的科學性、可行性、顯著性、多樣性和可操作性原則。

表1 嚴酷度分級示例

1.2基于改進的三標度層次分析法確定權重

(1)構造層次結構模型。

將FMECA法與層次分析法相結合，根據(jù)研究的對象和影響因素分析其關系構造層次，將指標因素分組，以組為層次，分為目標層、準則層和指標層[13]。

(2)構造判斷矩陣。

首先構建一級指標層的比較矩陣B=(bij)，bij含義如式(1)所示，bij值由8名水利專家打分得出。再將比較矩陣B經(jīng)式(2)轉換得到二級指標層的判斷矩陣A=(aij)。

表2 某水庫樞紐區(qū)FMECA分析

圖1 水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)脆弱性評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of system vulnerability in reservoir complex area

(1)

(2)

式中n——比較矩陣的階數(shù)

ri、rj——比較矩陣的行和

cjk——矩陣中第j行第k列的元素

(3)各指標權重計算。

(3)

(4)

三標度層次分析法確定的各指標因素權重子集為W=(w1，w2， …，wn)。

1.3模糊綜合評價模型

為了更客觀地分析水庫樞紐區(qū)的脆弱性，先建立指標評語集V，然后在此基礎上得出各指標因素的隸屬度rij，建立單因素評判模糊矩陣R，再將各指標因素的權重子集W與評判模糊矩陣R進行模糊算子合成，最終得出模糊綜合評價集合D。步驟如下：

U=(u1，u2， …，un)

V=(v1，v2， …，vn)

D=WR

式中U——指標因素集

V——指標評語集

ui——單個因素

vi——評價等級

rij——因素集U中第i個元素對評語集V中第j個元素的隸屬度

2 云南省某水庫樞紐區(qū)脆弱性綜合評估

2.1某水庫樞紐區(qū)概況

水庫位于瀾滄江水系小黑江支流勐董河上游，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、供水、旅游等綜合效益的中型水庫，總庫容1 410萬m3，灌溉面積2 480 hm2，農(nóng)業(yè)灌溉用水1 710.5萬m3，城鎮(zhèn)供水25萬m3。水庫始建于1997年9月19日，2002年底基本建成。水庫防洪設計標準為100年一遇，校核標準為1 000年一遇。校核水位為1 303.72 m，設計洪水位為1 303.21 m，興利水位為1 302.00 m，死水位1 271.00 m。區(qū)域地處云貴高原西緣，山巒疊嶂，山體寬厚，山頂高程1 300.00～1 500.00 m，最高點海拔2 605.40 m。水庫下游的防洪重點保護對象為勐董至勐省公路。保護下游勐董鎮(zhèn)、勐角鄉(xiāng)、勐來鄉(xiāng)、勐省鎮(zhèn)，800 hm2耕地，保護人口約1.2萬人。勐董水庫灌區(qū)面積2 480萬hm2。水庫屬三等工程。

為進行水庫大壩安全評估，成立了該水庫大壩現(xiàn)場安全檢查專家組，專家組向大壩管理人員了解了大壩運行、監(jiān)測情況，并對大壩設計、施工、運行資料進行了初步檢查分析，得出如下結論。

(1)由于施工質量差，下游坡1 270.00 m高程以下出現(xiàn)小面積潮濕、滲水，局部坍塌。

(2)水庫大壩安全監(jiān)測點多處損壞，水文測報和通信設施不完備，防汛道路路況差；管理設施陳舊落后，缺乏技術管理人員。

(3)大壩壩基基巖滲透性微弱，壩基基巖不存在滲漏問題；水庫多年運行后，填筑土與壩基接觸部位存在滲漏問題。

(4)庫盆及庫岸基底由奧陶系片巖及侏羅系含礫砂巖構成，巖體滲透性微弱，水庫不存在基巖裂隙性滲漏問題，水庫庫岸邊坡基本穩(wěn)定，水庫有輕微淤積問題，不影響水庫正常運行。

2.2基于FMECA-AHP方法確定權重

(1)根據(jù)對水庫樞紐區(qū)的FMECA風險分析，以及對現(xiàn)場的實際調(diào)查，建立了水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)脆弱性評價指標體系。

(2)通過式(1)建立二級指標層的比較矩陣B，以一級指標層b1為例，比較矩陣Bb1為

(3)由式(2)和比較矩陣Bb1得出相對應二級指標層的判斷矩陣A。

(4)通過式(3)和式(4)，計算出對應的二級指標層歸一化后的權重集。

wb1=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

重復步驟(2)到(4)，可得全部評價指標的權重集，結果如下。

wo=(0.571 4 0.285 7 0.142 9)

wa1=(0.142 9 0.285 7 0.571 4)

wa2=(0.200 0 0.200 0 0.600 0)

wa3=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb1=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

wb2=(0.200 0 0.200 0 0.600 0)

wb3=(0.196 3 0.534 6 0.072 8)

wb4=(0.571 4 0.142 9 0.285 7)

wb5=(0.600 0 0.200 0 0.200 0)

wb6=(0.142 9 0.285 7 0.571 4)

wb7=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb8=(0.142 9 0.571 4 0.285 7)

wb9=(0.200 0 0.600 0 0.200 0)

2.3模糊綜合評價分析

(1)建立脆弱性評語集V={很高，較高，一般，較低，很低}，以文獻[14]為依據(jù)，給出了脆弱性等級評分標準，具體量化值如表3所示。

表3 脆弱性等級評分表

(2)以文獻[15]為依據(jù)，結合FMECA風險分析方法和現(xiàn)場實際情況，8名水利專家按脆弱性等級評分表，給該項目的28個二級指標因素打分，各位專家的綜合評定結果如表4所示。

表4 二級指標因素脆弱性等級

(3)根據(jù)8名專家對二級指標因素脆弱性的評定結果，可確定一級指標因素b1～b9的隸屬度矩陣，以rb1為例。

b1的權重集wb1=(0.5714 0.1429 0.2857)，故b1的綜合脆弱性評價結果為：

Db1=wb1rb1=[0.571 4 0.142 9 0.285 7]

=[0 0.071 4 0.553 6 0.321 4 0.053 6]

同理，可得出準則層和全部一二級指標層的綜合脆弱性評價結果：

計算結果分析與建議。

根據(jù)以上計算，Do權重值最大為0.602 7，其次為0.289 9，對應的脆弱性等級為“一般”，即云南省某水庫樞紐區(qū)脆弱性綜合評價等級為“一般”且偏“較低”，無重大安全隱患。但其脆弱性綜合評估結果存在偏高的可能，結合3.1節(jié)計算的歸一化綜合權重分析，其中二級指標c8，c11，c21為主要影響因素。

結合計算結果，給出防災減災建議。①由于施工質量較差，應加強對現(xiàn)場的觀測與巡視檢查，建議對大壩進行除險加固。②現(xiàn)場監(jiān)測儀器和設備要定期檢修，對大壩特殊部位加大監(jiān)測頻率，并適當增加技術管理人員。③要積極響應當?shù)卣?，杜絕任何破壞環(huán)境的行為，同時建議當?shù)卣哟蟓h(huán)境治理保護的力度[16]。

水庫樞紐區(qū)系統(tǒng)脆弱性的最終評估結果與實際工程較為吻合，達到了工程安全評估和災害預防的目的。

3 結論

(1)考慮整個水庫樞紐區(qū)對下游居民的影響，以及工程自身獨一無二的特點，在參照相關規(guī)范并進行實地考察后，結合FMECA風險分析法，科學合理地建立了水庫樞紐區(qū)的脆弱性評價指標體系。

(2)運用改進后的三標度層次分析法，大大減少了主觀判斷，克服了傳統(tǒng)1～9標度算法的弊端。通過構建評語集和隸屬度矩陣，建立模糊綜合評價模型，使之與改進后的三標度層次分析法相結合，評價和分析了整個水庫樞紐區(qū)的脆弱性。

(3)將FMECA-AHP方法用于云南省某水庫樞紐區(qū)的安全評估與災害預防，得出該水庫樞紐區(qū)的脆弱性等級為“一般”，但有個別因素脆弱性等級有偏高的可能性，根據(jù)計算結果給出防災減災建議。評估結果與現(xiàn)場專家組安全檢查的結論吻合，證明了該方法的可行性。