基于价值工程理论的流域防灾体系加固决策研究

梁国钱,杜晨程,陈 斌

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

以流域为考察对象,其防洪工程主要由水库、堤防等各防洪单元构成。在制定流域防洪规划时,遇到的问题之一是,在投资有限的条件下,各防洪单元建设或者除险加固的优先顺序如何?怎样才能取得最大的防洪费用效益比?为此本文提出以风险分析为基础,采用价值工程理论进行决策分析的方法。

风险分析的特点在于,不仅考虑各防洪单元 (大坝、堤防等)本身的破坏形式、破坏严重程度,还与影响区域内居民的数量、经济发展程度有关。换言之,洪灾风险就是堤坝溃决概率和溃决影响的综合。如某些防洪单元虽然病害较严重,但下游人口居住稀少;而另外一些防洪单元虽然病害程度相对较轻,但一旦失事,将严重危及人民的生命财产安全。这些差异,在建设(加固)决策中应得到充分考虑。为此首先进行不同类型防洪单元的失事风险分析。

1 各防洪单元的失事概率分析

1.1 水库大坝

目前,国内外有关大坝风险分析的理论已初步建立[1-2]。研究成果主要集中于以下几个方面:①溃坝模式和溃坝路径分析;②溃坝概率估计;③大坝溃决影响评价;④水库大坝的风险标准确定。针对一座大坝而言,其风险等于溃坝概率Pf和溃决后果L的乘积,即:

式中R为风险指数,Pf为不同溃决模式下溃坝概率Pm之和 ,即:

大坝失事模式包括漫顶失事、坝体变形失事、渗透破坏失事以及地震失事等。如漫顶失事概率P1可由下式计算:

P1=P(H＞D)

式中H为坝前洪水水位,D为坝顶高程。根据调洪演算原理,上式可以转化为溢洪道泄水建筑物设计最大泄水流量q0与溢洪道建筑物最大下泄流量qm的关系:

具体的各失事模式失事概率计算可参见文献[1]和文献 [2],此不赘述。

1.2 堤 防

根据江河洪水灾害和堤防失事破坏的调查资料分析,堤防的失事破坏类型主要有:①漫顶破坏失事;②渗透破坏失事;③失稳破坏失事共3类。漫顶失事是由于堤防高度不达标或超标洪水引起的,评价时涉及堤防工程等级的确定、设计洪水频率及堤防超高的规定、设计洪水位的计算等问题。渗透破坏失事主要包括管涌(水在土孔隙中的流速增大引起土的细颗粒被冲刷带走的现象)和流土(在渗透力作用下,土体中的颗粒群同时起动而流失的现象)。综合分析其破坏机理,堤防工程渗流破坏的内部因素主要与堤身堤基的材料特性及力学特性有关,如堤身堤基填筑材料的级配、黏粒含量、干密度、饱和度以及渗透系数等因素有关。失稳破坏失事根据其表现形式又可分为滑坡、崩岸等,影响岸坡稳定的主要内部因素为岸坡条件,即:土体的组成、土体的物理力学性质、渗透特性等。高水位作用和降雨影响是岸坡稳定的主要外部因素。

根据相关研究成果[3-4],堤防漫顶破坏的风险率的数学模型可表示为

式中:H为防洪堤临水面洪水位,h0为堤坝高程;f(h)为洪水位概率密度函数。洪水位概率密度函数也即洪水位频率曲线函数,堤防工程中的洪水频率曲线线型可采用极值Ⅰ型分布或P-Ⅲ型分布。

堤防渗透破坏风险率的数学模型可表示为

式中FJ为给定洪水位H时,渗透坡降J大于临界渗透坡降Jk的概率,FJ(H)f(H)为洪水位的概率密度函数;H1为计算堤防失稳风险时规定的最低洪水位值;H2为计算堤防失稳风险时规定的最高洪水位值。

堤防岸坡滑动失稳破坏风险率的数学模型可以表示为

上述堤防失事概率计算公式可进一步具体化,参见文献[3]和文献[4]。

2 失事损失估计

洪灾损失主要包括3个方面:生命损失、经济损失及社会环境影响。引入洪灾后果综合评价函数L,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Fi,采用线性加权和法进行构造。S1、S2、S3取值分别为0.737、0.105和0.158[1]:

生命损失严重程度系数F1采用Dekay&Mc Cleddand法确定[5]:

LOL≈0.73PAR0.36exp[-0.739WT+(3.790-2.223WT)FC]

式中,LOL为生命损失,PAR为风险人口,WT为预警时间,Fc为洪水强度。

经济损失严重程度系数F2按下式计算:

式中x为经济损失数额,元。

社会环境影响系数综合风险人口系数、重要城市系数、重要设施系数,文物古迹、艺术珍品及稀有动植物系数,河道形态影响系数、生物及其生长栖息地系数、人文景观系数、污染工业系数等因子,按下式计算

式中f为社会与环境影响指数,

其中N为风险人口影响因子;C为重要城市影响因子;I为重要设施影响因子;h为文物古迹、艺术珍品及稀有动植物影响因子;R为河道形态影响因子;l为生物及其生长栖息地影响因子;L为人文景观影响因子;P为污染工业影响因子。

3 风险估计

单个防洪单元的洪灾风险可由式(1)计算。现仅考虑水坝、堤防2类防洪单元。假定在一给定的流域中,有若干座大坝,同时根据保护对象划分了若干段堤防,则还需考虑各防洪单元间的影响。如:串联水库中上游水库溃坝,则可能会对下游水库产生直接影响,有连续溃的可能性;水库溃坝会导致堤防失事的概率较大,堤防失事对水库大坝的影响则较小。在做风险估计时,必须充分考虑各类风险叠加的影响。从技术上看,风险叠加的计算并无难处。

4 价值工程模型

价值工程(ValueEngineering),也称价值分析(ValueAnalysis),是一门新兴的现代管理科学,也是一种把技术与经济相结合的应用理论。它起源于20世纪40年代的美国。其创始人设计工程师L.D麦尔斯在第二次世界大战期间,在美国通用电气公司采购部门工作。在实践工作中,逐步发现用一些不太短缺的材料能够有效地替代短缺材料同样可以获得相同的功能,由此总结出一套解决采购问题的行之有效的方法。当时称之为价值分析,价值工程由此起源。后来,价值分析这种方法推广应用到其他领域(如生产和管理领域),并逐渐丰富和发展完善,成为现在统称的价值工程。根据价值工程的基本公式

价值由功能和成本二因素决定。以风险的降低值为功能,建设 (加固)投资为成本,可建立功能函数。按价值排序,即可得到各防洪单元建设(加固)的优先排序。

5 应用举例

破溪是钱塘江流域江山港的一条小支流,主流长8 km,平均河宽6 m,流域面积42.15 km2。上游建有2座小型水库—苏州堂内库与苏州堂外库,均为黏土心墙坝,库容分别为144万m3和18万m3。水库以下3 km处,河道从四都镇镇中心穿过,而后汇黄基坂中干渠水,注入江山港。该流域苏州塘水库—四都镇段如图1所示。

图1 梯级水库与四都镇的相对位置图

将2座水库各作为1个防洪单元,堤防部分分3个防洪单元,即:严溪口段防洪堤,位于桩号4+188～4+570 m左岸,长度992 m;四都镇区桩号2+669～3+358 m左、右岸各为一防洪单元,长度689 m。

按1～4节所述方法计算各防洪单元风险值。其中,内库溃坝考虑对外库的影响,外库溃坝考虑对堤防的影响。由于该河段堤防实际均为挡土墙,仅考虑漫堤和滑坡2种破坏形式,滑坡破坏主要导致公路中断、沿河房屋坍塌等。为简化计算,同时假定加固后各防洪单元的洪灾风险均为0。受篇幅所限,以下仅列出外库的风险计算过程。根据安全技术认定结论,苏州堂外库存在大坝坝体迎水坡太陡,坝体不稳定、溢洪道堰体及导墙不稳定、坝下涵管漏水并进口段有横向裂缝、大坝坝体坝基存在渗漏严重等问题,为此对各类溃坝概率进行估计,具体见表1～4。

表1 大坝渗透破坏引起的溃决概率估算表

表2 坝下埋管渗透破坏引起的溃决概率估算表

表3 大坝滑动引起的溃决概率估算表

表4 洪水不能安全下泄引起的溃决概率估算表

根据表1～4,设计洪水下,所有溃决模式发生的概率P(A1+A2+…+A4)为:

max(P1,P2,…,Pn)=0.000675≤P(A1+A2+…+A4)

校核洪水下,所有溃决模式发生的概率P(A1+A2+…+A4)为:

max(P1,P2,…,Pn)=0.000315≤P(A1+A2+…+A4)

上述2项相加,得

0.00099≤P(A1+A2+…+A4)≤0.002332

根据式(5)计算溃坝损失,经洪水演进计算知镇区堤防将漫顶,但水深小于0.3 m[6]。由此算得溃坝后果综合评价系数 L=0.803,进而求得风险值

Pf,mim=0.0008≤R≤0.00187=Pf,max

按Pf,max,各防洪单元的风险分析见表5。根据流域防洪规划,各防洪单元的加固投资额同列于表5。

表5 各防洪单元加固价值分析表

由表5可见,苏州塘内库的安全运行在该流域防洪工程中具有关键作用。根据大坝安全认定结果,只需对溢洪道导墙进行加固,使泄洪能力得以正常发挥,即可极大地提高防洪效果。据此拟定该流域防洪工程规划排序,最优先为苏州塘内库,次优先苏州塘外库除险加固,再次为四都镇区段防洪堤 (左岸)。

6 结 语

流域的防洪规划是一个复杂的社会经济系统,受多方面因素的制约。本文通过将防洪体系划分为若干个防洪单元,在风险分析的基础上,采用价值工程理论进行除险加固的优先排序,可作为决策的参考依据之一。所述方法也可视为流域防洪体系风险管理的框架。但是,当流域规模较大时,虽可增加防洪单元的数量,系统总体仍相当复杂,模型优化问题将有待进一步解决。

[1]傅琼华,段智芳.群坝风险评估指数排序方法的探讨[J].中国水利水电科学研究院学报,2006(2):107-110,150.

[2]彭雪辉,李雷,王仁钟.大坝风险分析及其在沙河集水库大坝的应用[J].水利水运工程学报,2004(4):21-25.

[3]朱勇华,郭海晋,徐高洪,等.防洪堤防洪综合风险研究[J].中国农村水利水电,2003(7):11-14.

[4]徐卫亚,邢万波,魏文白,等.堤防失事风险分析和风险管理研究 [J].岩石力学与工程学报,2006(1):47-55.

[5]M.L.Dekay,G.H.McClelland.Predicting Loss of Life in Case of Dam Failure and Flash Flood.Risk Analysis,1993,(2):193-205.

[6]唐继权,郑香英,梁国钱.上游梯级水库对四都镇防洪风险的影响分析 [J].中国水运,2007,5(3):34-35.