大坝安全风险评价中的风险标准研究

龚瑞瑞,黄海龙

(武汉大学水利水电学院,湖北武汉430072)

0 引 言

大坝安全风险评价就是估算大坝安全的风险值,确定大坝的不安全程度,评判估算的风险值是否可以接受就取决于风险标准,因此人们对风险标准进行了深入的研究。

作为风险评价的最后评判依据,风险标准的表达并不是唯一的,虽然可接受风险和可容忍风险有着严格的区别,但都是风险是否可以接受的衡量标准。英国健康和安全委员会(HSE)这样定义可接受风险——假如风险控制机制不变,任何为了生活或工作而受风险影响的人准备接受的风险。对可容忍风险则如下定义:这种风险需要定期检查,并且如果可以的话应该进一步减少这种风险。可容忍风险并不等于可接受风险,是指为了取得某种纯利润,社会能够忍受的风险,或当减少的风险与投入非常不对称时的剩余风险。研究风险标准,应该同时研究可接受风险和可容忍风险。

1 风险标准的建立方法

风险标准根据大坝失事后造成的后果可划分为两大类,一类是生命风险标准,它包含单个生命和社会生命风险标准;另一类是经济损失风险标准。显然,风险标准的建立应该从各个方面建立各自的标准,确定风险标准的方法[1～3]主要有F-N曲线法、ALARP准则,成本效益分析法。

1.1 F-N曲线

F-N曲线:F为N的累积分布函数,即等于或大于N个死亡人数的概率,其中N为死亡人数,一般可用公式表示为:

式中:FN(x)为每年死亡人数小于x的概率分布函数;n为标准线的斜率;C为常数,决定标准线的限制位置。

社会风险标准可以通过确定F-N曲线来确定,通过在双对数坐标系中确定F-N线的起点位置和斜率来确定F-N标准线。澳大利亚大坝委员会(ANCOLD)目前应用的是F-N线法,图1是ANCOLD制定的社会风险标准。由图可见,在澳大利亚高于1×10-3人/a的社会风险是不可容忍的,低于1×10-4人/a的社会风险是可以接受的。

图1 ANCOLD社会风险标准

1.2 ALARP准则

ALARP原则就是使风险在合理可行情况下尽可能低的原则,它包含两点:①只有当进一步降低风险是不可行的,或者风险的减少与采取的措施所用的时间、难度和付出的努力是非常不相称时,剩余风险才是可容忍的;②只有当风险降低是不可行的,或者当降低风险所需的费用与取得的效益非常不相称时,风险才是可容忍的。

可接受风险和不可容忍风险之间为ALARP过渡带,ALARP过渡带是指对那些处于可接受风险和不可容忍风险之间的风险应用ALARP原则。若风险在不可容忍风险以上,则必须采取强行措施来降低风险;若风险在ALARP过渡带上,则需要采取措施并对各种风险处理措施方案进行成本效益分析,权衡降低风险所需的经济成本是否经济,决定是否采取这些措施来尽量减小风险。然而有些人认为用经济量化来衡量是否采取措施来降低风险是对生命的不尊重,在以人为本现代社会中容易招致很多人的强烈不满和反对。引入ALARP准则以后,由于成本效益分析是在生命风险处于较低的水平下进行的,处于可容忍风险水平以下,基本能被大家接受,在此条件下进行适当的经济量化应当是可行的。

1.3 其它方法

另外一种评价新设施的破坏风险是否可以接受的方法是将其与可看作是不可抗拒的风险和其它一些原因所造成的不可避免的风险进行比较。例如,澳大利亚1994年颁布的风险评价指南中提出的个人生命风险值:人的生命存在着不可抗拒的死亡风险,随着年龄的增长(大于10岁)风险率增加,10岁的风险约为2×10-4,到60岁为2×10-2。

2 国外风险标准的研究状况

对可接受风险的概念定义和应用最多的政府部门是英国健康安全委员会,而美国、加拿大等国对大坝安全领域的可接受风险的研究却是走在了前面。加拿大大不列颠哥伦比亚水电局、美国陆军工程师兵团和垦务局在大坝安全风险评价中都提出了相应的风险标准。而我国对于大坝安全风险评价中的风险标准研究相对较少,很多时候都是借鉴国外研究成果。为了在我国大坝风险评价中更好的使用风险标准,有必要对国外一些风险标准进行总结,以便能更好的借鉴和使用国外的研究成果,下面主要介绍国外一些常用在大坝风险评价中的风险标准[3,4]。

2.1 ANCOLD社会风险标准

ANCOLD标准广泛应用于澳大利亚大坝安全风险分析,他以F-N形式表示,见图1,包括可容忍风险标准和可接受风险标准。在可接受风险和可容忍风险之间应用ALARP原则。

2.2 美国垦务局(SBR)社会风险标准

对每种荷载类型,如洪水、地震和正常运行条件下,溃坝引起的每年生命损失期望值 n应该低于10-3/a。并在垦务局指南中特别指出:

(1)n＞0.01,不论是长期运行还是短期运行,强烈要求采取措施降低风险;

(2)0.001＜n＜0.01,如果持续长期运行,强烈要求采取措施降低风险;

(3)n＜0.001,评价费用效益比(ALARP原则)看是否需要降低风险。

垦务局建议单个大坝每年最大溃决概率(即所有荷载状态和破坏模式组合)为10-4/a。对一座大坝来说,如果估算溃决概率大于10-4/a,就意味着需要采取措施降低溃决概率;如果估算溃决概率小于10-4/a,就意味着这样的溃决概率是可以容忍的。

2.3 ANCOLD单个风险标准

ANCOLD风险评价指南建议,对于处于最大风险之中的个人或团体(PGMAR)可接受单个风险为10-5/a,PGMAR可容忍单个风险为10-4/a。

2.4 经济风险标准

各国经济风险标准的制定并没有一个统一值,都是大坝业主根据自己的情况制定的。ANCOLD经济风险标准如图2所示。加拿大BC Hydro曾制定过一个临时性的经济风险标准,规定大坝的经济风险应小于10 000$/a。

图2 ANCOLD经济风险标准

3 我国风险标准的研究现状及探索

3.1 单个生命风险标准

个人风险标准是指在某一特定位置长期生活的未采取任何防护措施的人员遭受特定危害的概率,是社会可接受风险的最小单元。国内有学者[1,3,4]提出,大坝单个风险标准可以将公众对交通意外死亡率的可容忍程度作为参考依据,我国2003年统计的交通意外死亡资料显示公众乘车意外死亡的概率约为3.3×10-4/a,同时又考虑要与国际接轨,因此建议我国大坝的单个可容忍生命风险标准为1.0×10-4/a,单个可接受生命风险标准为10-5/a。也有一些学者认为大坝风险标准的建立应与大坝结构可靠度联系起来,根据结构年平均失效概率来确定风险标准,也有一些学者提出了可以根据人自然死亡率来确定风险标准,这些确定方法都有一定的道理,具有一定的参考价值。

水库大坝和其他基础设施不同,失事所带来的危害和影响是灾难性的。失事不但会给下游带来生命损失,还会给幸存者造成心理疾病和心慌恐惧,更严重的是会激化反对修建水库大坝的言论。随着我国经济的发展和下游人口的增长,大坝失事所引起的各种损失、以及对社会和环境的影响将更大,特别对大中型水库大坝而言,失事的后果是灾难性的。因此我国大坝单个生命风险标准的制定,不仅要考虑当前的经济发展水平,更要考虑我国经济社会高速发展的特点,逐步提高生命风险标准以适合于我国国情。

对于风险人们当然是越低越愿意接受,根据资料显示一般当风险达到1.0×10-6/a时,人们不再担心这种风险。但目前对我国来说,要使大坝单个风险达到这么低的水平还是有一定困难,单纯的依据自然及意外死亡率以及结构失效概率来制定单个风险是不准确的,在如今我国大力发展核电的时候,可参照核电站对周围人们的风险为1.0×10-5/a,如采用和核电站相同的风险标准,则显得过高,故可在此标准上增加 2～4倍,即为 3.0×10-5/a～5.0×10-5/a,对于新建的大坝建议采用3.0×10-5/a的风险标准,对于这样的风险,绝大多数人还是可以接受的。与可容忍风险相比可接受风险可以降低一个数量级,暂取为3.0×10-4/a～5.0×10-4/a。

3.2 社会生命风险标准

社会风险为某群体遭受特定事故死亡的人数及其相应频率的关系,是指同时影响许多人的灾难性事故的风险,这类事故对社会的影响程度大,易引起社会的关注,有公式表示如下:

式中:fN(x)为年死亡人数 N的概率密度函数;FN(x)为年死亡人数N的概率分布函数,表示死亡人数小于或等于x的年概率;pf(x)为死亡人数大于x的年概率。

基于前人的研究及考虑到F-N线非常直观的优点,并参考采用了李雷[5]和宋敬[4]给出的建议值。其中李雷考虑到我国大中型水库的安全状况与管理水平同小型水库相比存在很大的差别,且我国目前在役数量最多的小型水库除少部分管理维护及加固费用比较有保证之外,大多数水库资金来源匮乏。同时宋敬考虑到依靠财政拨款的水库,由于东西部经济发展水平存在较大差异,各地在资金匹配总量上差别也很大,但这些水库一般对当地的经济发展贡献较大。如果全国制定统一标准,无疑将使不少西部地区的水库因缺乏资金维护和加固而停止运行或改变运行条件,这又将进一步恶化当地经济发展环境。因此可以建议我国社会风险标准应按大中型水库大坝和小型水库大坝分别制定,其中大中型水库向西方发达国家的标准靠拢,小型水库暂时考虑适当降低标准,在此基础上采取西部相对偏低的风险标准。

根据我国大坝失事资料显示,1980年后年平均失事率为1.107×10-4,无大型水库大坝失事,每次生命损失少则几人,多则几百人。假定生命损失人数在10～100人之间,则对大中型水库,年失事生命风险为1.11×10-3～1.11×10-2。对于风险评价,一般不取上限而取下限作为可容忍风险标准,因此可以取我国大中型水库大坝的F-N线起点为1.0×10-3。同时,参照ANCOLD的建议,以年失事率的10%作为可容忍风险的水平极值线,以失事率的1%作为可接受风险的水平极值线,因此可以建议我国大中型水库大坝的可容忍社会生命风险的水平极限值为1.0×10-5,可接受社会生命风险的水平极限值为1.0×10-6,小型水库大坝的可容忍社会生命风险的水平极值线为3.0×10-5,可接受社会生命风险的水平极值线为3.0×10-6。同时,考虑到在我国西部人口密集程度相对偏少,经济发展水平相对较低,若采用上述相同标准,则显得相对较高,不利于这些地方经济的可持续发展,为此可以在上述标准的基础上增加一倍,这样就能更好的符合我国现阶段的国情。

3.3 经济风险标准

经济风险的定量表示可采用与社会生命风险类似的方法,

式中:D为大坝失事造成的经济损失;fD(x)是大坝失事所造成的经济损失D的概率密度函数;FD(x)是经济损失的概率分布函数;E(D)是经济损失的期望值。

经济风险标准和社会风险标准的建立一样需要考虑社会价值观念。大坝经济风险制定一般根据溃坝造成的经济损失比例和当时社会发展水平确定。在国外一般都是大坝业主根据自身承受风险的能力来确定经济风险标准,国内也有学者对其进行了简单的探索,但研究的还是比较少,也没有一个统一的标准。参照国内外的一些学者[6]的成果,在我国可以认为,溃坝经济损失超过1×108元时,溃坝概率大于1.0×10-4/a是不可容忍的,溃坝概率小于1.0×10-6/a是可接受的。在此范围之内风险是可容忍还是不可容忍,是可接受还是不可接受,以后可以不断的进行修正。

4 结论及建议

大坝风险评价的风险标准的确定涉及到技术、社会、政治、经济以及文化背景等各种因素,是一个复杂而困难的课题,需要更深入的研究。关于生命风险标准的研究,我国仍然处于初级阶段,国外虽然取得了很多初步研究成果,但对生命风险标准并未形成统一认识。我国是一个人口大国,也是一个坝工大国,在以人为本的现代社会中,应加强生命风险标准的研究,同时要研究和借鉴国外的研究成果,以便完善我国的大坝安全风险标准,早日制定出符合我国国情的大坝风险标准。

[1] 何晓燕,梁志勇.水库溃坝后果及风险标准研究综述[J].中国防汛抗旱,2008,18(6):51-55.

[2] 肖义,郭生练,熊立华,等.大坝安全评价的可接受风险研究与评述[J].安全与环境学报,2005,5(3):90-94.

[3] 吴欢强.溃坝生命损失风险评价的关键技术研究[D].南昌:南昌大学,2009:1-123.

[5] 李雷,王仁钟,盛金保,等.大坝风险评价与风险管理[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[6] 周建平,杜效鹄.我国水电站大坝溃坝生命风险标准讨论[J].中国水能及电气化,2010,5(5):14-18.