水利工程风险分析研究现状综述

□ 魏 宁

事故与风险的不确定性联系紧密。从理论上说，风险主要有三个因素组成：事件发生的状态、发生的概率（可能性）以及发生的后果。水利工程风险分析应该从系统理论出发，研究经济投入情况、水利工程系统的风险以及可能给人、物、环境等带来的伤害和损失。国外一些国家，把风险定义为事件发生的概率和所导致的后果的乘积，也就是期望损失，最后将为提高系统的安全性而投入的经济和为降低期望损失进行比较分析。但是在我国，由于其他一些原因，我们一般把风险称为风险率，也就是所说的系统失效所产生损失的概率。最近几年，水利工程安全人员开始着手研究许多水利工程失事后果，但最后基本都没有与风险率相结合，并且许多评价模型都是借鉴国外成果，没有形成自己的评价体系。本文主要基于水利工程风险，从风险率的角度对国内外的水利工程风险分析方法进行综述。

自从20世纪70年代以来， 国外有学者开始论证分析了水利系统中的风险性，并把风险分析方法在大坝、水库、堤防等水利工程中进行了应用和推广，取得了很好的效果。到目前为止，对水利工程进行的风险分析已经从定性分析发展到了定量分析。通过调查分析资料，以主观估计的方法确定数据阀值，然后利用数理统计方法、层次分析方法等数学方法进行处理和风险分析。从水利工程的发展趋势可以看出，本人认为可以将这些方法分为两种，即单一风险分析和综合风险分析。

一、单一风险分析

单一风险分析最重要的一点是考虑水利工程系统的不确定性，采用数理统计方法，应用范围很广，研究的也很成熟，已经从以前的蒙特卡罗法(MC)、直接积分法等发展到了目前的均值改进一次二阶矩法、JC法、二次二阶矩法等多种方法。

（一）直接积分法

直接积分法，主要是在确定工程的概率密度和概率关系，然后建立功能函数，最后进行解析计算和数值积分计算，求出风险值。例如吴兴征提出的堤防的水位荷载和承载土体的概率密度，其在数值积分的基础上又建立了失稳模型，最后计算出了结构风险； Vrijling提出了大坝失稳机理，利用积分的方法分别算出了漫顶和溢流的概率风险。这种方法理论性强，并且当概率密度呈线性分布、影响因素少时，这种方法简单有效。但是，如果因素很多，那么找出概率密度就非常困难，即使能找到，求出解析解也非常困难，所以，直接积分法在运用时会遇到很多限制。

（二）MC法

由于水利工程的荷载计算很复杂，找出概率密度也很复杂，所以求出解析解更是困难，正是这些原因，运用MC法来统计风险率，这样可以直接处理其不确定性。MC法应用非常广泛，例如Hiei就是采用MC法分析了不同类型的电力工程扩建过程中的风险；高波采用MC法计算了水库调洪过程中的风险率；徐卫亚分析了堤防失稳条件概率的计算方法，还采用MC法算出了超标洪水下堤防失事风险率等。

（三）FOSM法

FOSM法不需要计算概率分布，仅仅需要计算平均值和方差值，然后采用泰勒公式将风险变量展开，进行线性化处理，最后利用迭代法求解，确定风险率。当变量近似于正态分布时，按照不同的线性化点不同，又分为AFOSM法和MFOSM法。

除以上的方法外，单一风险分析还有其他一些方法，例如回归法、重现期法、Bayer法、随机有限元法等。从理论上来讲，这些都是概率估计方法，计算结果的准确程度主要取决于资料的准确性，也归因于基础理论。例如Bay法，虽然理论基础很完善，计算概率条件很难，工作量也很大。

二、综合风险分析

从系统理论来看，水利工程本身就有很多不确定性，并且涉及的经济、环境、工程技术等都存在随机性、灰色模糊性，那么运用综合的风险分析方法进行定量分析就显得十分困难，更难实现风险的权衡和决策。

从数学的角度来说，综合风险分析其实就是映射，把一些无序数据映射成有序数据，然后实现风险优化。首先先对指标体系进行量纲化一，把一些无序的、不统一的数据指标映射成一个有序的、统一的空间上去，然后通过综合分析方法，将单个指标化为综合指标，实现风险的比较分析。

所以，综合风险分析一般有这么几步，首先确定评价对象，然后选择评价指标，再对这些指标进行极差变换、线性比例变换，主要是对其进行量纲一化处理，最后确定权重系数，建立评价模型，得出综合评价值。

（一）AHP法

AHP法的优点是方法简单、灵活、精度较高，是水利工程进行综合风险分析中最常用的方法。当这些权重确定后，将那些对比分析得到每个因素的评价分数相乘，得到一层的综合评价值，然后逐步综合即得到系统的综合评价。

AHP法综合考虑了系统的影响因素，把主观判断进行量化，同时计算不易定量和可定量的因素，把评价指标也进行了细化，辨别、筛选评判的合理性。另外，对那些非定量事件也做定量分析，客观分析主观判断，通过以往的经验来确定风险，在这方面有一定的失客观性，会使判断结果不一致，所以一般用于作风险分析的比较、模糊、参考、灰色分析法改进的时候使用。AHP法还用于分析堤防失事模式，有时会结合AFOSM法来应对。金菊良将城市防洪规划方案综合评价系统分解为由许多自然技术指标和社会经济指标组成的多目标决策系统，研究了评价模型的建模过程。针对AHP中判断矩阵中的一致性，从判断矩阵的定义进行研究，最后提出了加速遗传算法，主要用来判断矩阵一致性 ( AGA——AHP)等。

（二）模糊综合评价法

模糊综合评价法有很多不确定性，例如随机不确定性，并且水利工程风险本身就存在大量的模糊因素，所以我们很难用数值对这些风险因素进行定量化，只能给出风险的大小程度。在实际应用过程中，如果不考虑这些模糊性，那么计算风险时，结果就会出现很大的误差，甚至错误。模糊综合评价法就是把这些风险因素当做模糊变量，应用模糊集理论建立风险因子的隶属函数，将文字性描述转化为数学描述，运用模糊关系运算对这些因素进行计算量化，弥补了上述方法的不足。

（三）灰色综合评价法

灰色综合评价法是考虑了水利工程除随机、模糊不确定性以外，还会存在资料不全，或者数据本身不准确，例如数据误差、资料数量等不准确。信息的部分未知，就是灰色不确定性。灰色综合评价法主要是用于水利工程中模糊数学、随机方法所不能解决的问题而进行的计算分析，并为其提供利用贫信息来计算复杂系统的风险的途径。其主要的特点为“少数据建模”，采用数据生成的方法，将那些无序的数据进行处理，变成有规律的数据，以寻求现实规律。

三、结束语

本文从水利工程风险分析的研究现状出发，详细分析了单一风险分析和综合风险分析方法，从中可以看出，水利工程系统的风险分析无论是从理论上还是从计算和方法上都已经取得了较大的发展，从定性发展为定量，从主观判断实现了客观分析，更全面地考虑了水利工程风险的不确定性。统观文中所评述的水利工程单一和综合风险分析方法，除了针对各方法进行改进外，还存在一些不足，例如对风险分析，没有结合失事结果进行深入的分析；分析侧重于某一方面的分析，没有将各种风险真正综合到水利工程系统中去。