基于FMECA-AHP方法的水库枢纽区脆弱性评价

2021-03-09武文浩王新华张慧颖陈泳江吕松峰

农业工程 2021年11期

武文浩，王新华，张慧颖，陈泳江，吕松峰

(云南农业大学，云南昆明650201)

0 引言

随着社会经济高速发展，为了解决洪峰灾害、供电不足、农业灌溉用水稀缺、生产生活用水匮乏和航运水位调节等问题，我国曾大范围新建、改建、扩建水库。但是随着时间的推移，因水库大坝老化、强降雨、地震及人类活动等原因，导致生态环境破坏、水库大坝事故时有发生，严重威胁到了下游群众的生命和财产安全[1]。因此亟待开展水库枢纽区脆弱性研究，这不仅有利于制定科学的防灾减灾策略，还符合可持续发展战略。

脆弱性的概念由Timmerman于1981年提出，最早应用于地学领域[2]。经多年发展，被广泛应用于生态环境、水资源、网络、灾害和社会等学科领域[3-5]。在水利工程领域，水库对下游群众的影响，现阶段的研究大多集中在大坝的安全评价上，很少涉及脆弱性概念。李京阳等[6]建立的震后水库大坝安全评价指标体系，运用模糊综合评价对震后的大坝安全程度进行了评估，结果证明该水库工程基本安全，与实际情况相符合。李守义等[7]构建了溃坝后果综合评价指标体系，结合层次分析法和可变模糊集理论，将其应用于5座水库，进行溃坝后果综合评价。李影[8]提出了一种基于组合赋权和正态云耦合的安全评价模型，构建了大坝安全评价指标体系，对大坝进行安全评估，结果表明该方法可以得出准确的结果。以上研究都是围绕水库大坝安全进行的，但是水库枢纽区覆盖范围广，内部因素复杂多样且相互联系，不应该只分析大坝的安全，而应考虑水库枢纽区系统的综合影响。

结合脆弱性的概念，提出FMECA-AHP(failure mode，effects，and criticality analysis with analytic hierarchy process)方法，系统研究水库枢纽区的脆弱性。脆弱性越低，则安全等级越高，反之，安全等级越低。该方法既解决了指标体系选取不合理的问题，也克服了传统层次分析法1～9标度算法存在的主观性强、评分偏差大和计算量大等缺点。

将此评估方法用于某水库大坝工程，结合现场专家的安全评估结果，验证了其可行性，对今后水利工程的防灾减灾有着极其重要的理论依据和现实意义。

1 研究方法

1.1基于FMECA法建立水库枢纽区脆弱性评价指标体系

考虑到水库枢纽区评价的复杂性和因素多样性，以及每个工程的独有特点，先采用FMECA风险分析法分析水库枢纽区。针对水库枢纽区系统中每一要素所有可能造成的破坏模式及其对系统可能造成的所有影响，按要素破坏模式、后果发生的原因及其严重程度予以分类，严酷度定性分级示例如表1所示。然后结合工程情况，查找相关资料，采用推理式的图表分析识别系统中每一个因素所有可能的破坏模式及其后果，如表2所示。根据水库枢纽区的FMECA风险分析结果，并参考学者对水库区危险因素的研究，从不同角度、不同方向和不同层次选取3个准则、9个一级指标和28个二级指标构成评价指标体系(图1)[9-12]。该体系反映了工程的特性及安全状况，可以更全面准确评价其脆弱性，体现了评价指标选取的科学性、可行性、显著性、多样性和可操作性原则。

表1 严酷度分级示例

1.2基于改进的三标度层次分析法确定权重

(1)构造层次结构模型。

将FMECA法与层次分析法相结合，根据研究的对象和影响因素分析其关系构造层次，将指标因素分组，以组为层次，分为目标层、准则层和指标层[13]。

(2)构造判断矩阵。

首先构建一级指标层的比较矩阵B=(bij)，bij含义如式(1)所示，bij值由8名水利专家打分得出。再将比较矩阵B经式(2)转换得到二级指标层的判断矩阵A=(aij)。

表2 某水库枢纽区FMECA分析

图1 水库枢纽区系统脆弱性评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of system vulnerability in reservoir complex area

(1)

(2)

式中n——比较矩阵的阶数

ri、rj——比较矩阵的行和

cjk——矩阵中第j行第k列的元素

(3)各指标权重计算。

(3)

(4)

三标度层次分析法确定的各指标因素权重子集为W=(w1，w2， …，wn)。

1.3模糊综合评价模型

为了更客观地分析水库枢纽区的脆弱性，先建立指标评语集V，然后在此基础上得出各指标因素的隶属度rij，建立单因素评判模糊矩阵R，再将各指标因素的权重子集W与评判模糊矩阵R进行模糊算子合成，最终得出模糊综合评价集合D。步骤如下：

U=(u1，u2， …，un)

V=(v1，v2， …，vn)

D=WR

式中U——指标因素集

V——指标评语集

ui——单个因素

vi——评价等级

rij——因素集U中第i个元素对评语集V中第j个元素的隶属度

2 云南省某水库枢纽区脆弱性综合评估

2.1某水库枢纽区概况

水库位于澜沧江水系小黑江支流勐董河上游，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、供水、旅游等综合效益的中型水库，总库容1 410万m3，灌溉面积2 480 hm2，农业灌溉用水1 710.5万m3，城镇供水25万m3。水库始建于1997年9月19日，2002年底基本建成。水库防洪设计标准为100年一遇，校核标准为1 000年一遇。校核水位为1 303.72 m，设计洪水位为1 303.21 m，兴利水位为1 302.00 m，死水位1 271.00 m。区域地处云贵高原西缘，山峦叠嶂，山体宽厚，山顶高程1 300.00～1 500.00 m，最高点海拔2 605.40 m。水库下游的防洪重点保护对象为勐董至勐省公路。保护下游勐董镇、勐角乡、勐来乡、勐省镇，800 hm2耕地，保护人口约1.2万人。勐董水库灌区面积2 480万hm2。水库属三等工程。

为进行水库大坝安全评估，成立了该水库大坝现场安全检查专家组，专家组向大坝管理人员了解了大坝运行、监测情况，并对大坝设计、施工、运行资料进行了初步检查分析，得出如下结论。

(1)由于施工质量差，下游坡1 270.00 m高程以下出现小面积潮湿、渗水，局部坍塌。

(2)水库大坝安全监测点多处损坏，水文测报和通信设施不完备，防汛道路路况差；管理设施陈旧落后，缺乏技术管理人员。

(3)大坝坝基基岩渗透性微弱，坝基基岩不存在渗漏问题；水库多年运行后，填筑土与坝基接触部位存在渗漏问题。

(4)库盆及库岸基底由奥陶系片岩及侏罗系含砾砂岩构成，岩体渗透性微弱，水库不存在基岩裂隙性渗漏问题，水库库岸边坡基本稳定，水库有轻微淤积问题，不影响水库正常运行。