韭园沟流域淤地坝系综合风险预警

徐丙翔，于坤霞，李占斌，李 鹏，潘明航，杭鹏磊，黄高花，杨建华，张文景

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，710048，西安；2.水利部水土保持监测中心，100055，北京；3.陕西省水土保持和移民工作中心，710004，西安)

黄土高原地区沟壑纵横、林草植被稀疏，是我国水土流失最为严重的地区[1-2]。淤地坝作为黄土高原最主要的沟道治理措施，在控制沟道侵蚀、拦泥淤地、减少洪水和泥沙灾害方面有重要作用[3-4]。近年来，黄土高原局部地区特大暴雨频发，造成淤地坝大面积的水损、溃坝以及人员的损伤，使解决淤地坝坝系防洪安全问题成为黄土高原地区坝系建设成败的关键[5-7]。

近年来，风险预警的研究得到国内外学者密切关注，王丹等[8]分析宁夏典型淤地坝系运行的风险状况；张振伟等[9]利用置信结构和灰色关联度理论分析土石坝溃坝的关键风险要素；严磊[10]基于改进的区间层次分析法，识别主要溃坝模式及路径；黄海鹏[11]利用故障树分析研究土石坝服役风险成因；Li Ping等[12]结合贝叶斯网络和蒙特卡洛法对单个水库大坝漫顶溃决进行风险分析；Luo Jing[13]根据斯托克斯方程和平滑粒子流体理论对梯级水库的溃决洪水进行模拟；但针对坝系溃决后造成的损失风险研究不多见。

笔者从损失、结构、洪水和运行管理4个方面建立一套完整的淤地坝风险评价体系，综合分析韭园沟流域淤地坝系的溃决风险，整体上实现流域坝系的系统性风险评价。加强淤地坝运行风险预警研究，建立淤地坝风险预警体系标准，促进黄河流域高质量发展[14-15]，已经成为新时代黄土高原淤地坝建设和水土保持生态建设的急切需求。研究结果可为量化淤地坝溃决造成的损失风险和综合评价淤地坝运行风险提供科学依据。

1 研究区概况

韭园沟流域(E 110°16′～110°33′，N 37°33′ ～ 37°38′)位于陕西省绥德县城北5 km处(图1)，海拔820～1 180 m，是无定河中游左岸的1个一级支流。该流域面积70.7 km2，其主沟长18 km，200 m以上支沟337条，沟道平均比降1.15%，土地贫瘠，土层深厚，植被稀少，水土流失严重，平均土壤侵蚀模数达到1.4万t/(km2·a)，雨水多集中在7—9月，多以暴雨的形式出现，是黄河中游多沙粗砂的代表性流域。韭园沟流域1953年被选为试验、示范小流域，1964年被列为陕西水土保持农林牧副业综合实施十大样板之一，1982年被列为全国八大片水土流失重点治理区无定河流域重点治理小流域。

图1 韭园沟流域概况图Fig.1 Overview of Jiuyuangou watershed

2 研究方法

2.1 模糊层次分析法

由于淤地坝系洪灾溃决风险影响因素复杂，且多个指标相互关联，运用层次分析法[16-17]可以定性和定量对各风险因子进行综合判断，从而更容易对淤地坝系洪灾风险等级进行划分；但是在指标与权重的选择方面，人为主观因素干扰较大，对风险评价结果有一定的影响。因此笔者将模糊理论与层次分析法相结合，利用模糊层次分析法[18-19]确定淤地坝系洪灾风险指标权重。

2.2 淤地坝风险评价指标体系

根据历史调查资料、除险加固资料及受损破坏成因，结合国内外淤地坝相关研究[20]，分析淤地坝溃决风险来源，再经过专家打分，从淤地坝的运行管理、结构、功能以及损失来选取得到淤地坝系风险预警指标体系(表1)，其中一级指标4项，二级指标10项。

表1 淤地坝系风险预警指标体系和权重

表中各指标权重是基于专家打分结果由模糊层次分析法确定。其中结构风险、运行管理风险分别基于工程和管理因素来考虑。

2.2.1 损失风险 淤地坝损失风险是淤地坝溃决前后，洪水淹没农田、房屋、道路、生活区、工业区及生态区，造成当地的社会经济损失、生态环境破坏及生命财产损失。

1)社会经济损失，指淤地坝溃决导致洪水淹没农田、房屋、道路、生活区及工业区等，造成的一系列经济损失。社会经济损失风险高低的衡量不仅和造成损失的大小有关，也跟当地经济水平有关，也就是损失大小与抗灾能力的比值，抗灾能力可以用当地可用来抗洪救灾的资金来衡量：

(1)

式中：Ra1为淤地坝社会经济损失风险指标，其取值越大越危险，最大取值为1；SG为社会经济损失，万元；G为当地可用来抗洪救灾的资金，万元。

2)生态环境损失，指淤地坝溃决导致洪水淹没生态区或河道两岸导致生态环境破坏，黄土裸露，造成大量水土流失。生态环境损失风险的大小可以利用恢复生态环境所需资金及当地可用来进行生态环境建设的资金来衡量：

(2)

式中：Ra2为淤地坝社会经济损失风险指标，其取值越大越危险，最大取值为1；SU为生态环境损失，万元；U为当地可用来进行生态环境建设的资金，万元。

3)生命损失，指淤地坝溃决时，由于人员撤离不及时，导致部分人员遭遇洪水的侵袭，受伤、失踪或死亡。RESCDAM方法[21]是考虑溃坝警报时间、风险人口、洪水严重程度等多个因素的一种用于简化估算溃坝生命损失的方法。

Ra3=Pfic。

(3)

式中：Ra3为淤地坝生命损失风险指标，量纲为1；P为风险人口，万人；f为风险人口死亡率；i为洪水严重程度；c为淤地坝生命损失修正因子。

2.2.2 洪水风险 洪水风险指外界自然环境，如极端暴雨、超标准洪水等对淤地坝运行造成的风险，尤其降雨径流是造成淤地坝溃决的最直接原因。

极端暴雨：指远超多年平均降雨量或短期连续降雨量远超同期平均雨量。在分析极端暴雨指标时，假设雨洪同频，将降雨转化为径流，计算坝前洪水过程。极端暴雨风险指标与洪水过程，泄水设施及拦洪库容有关：

(4)

式中：Rc1为淤地坝超标准洪水预警指标，其取值越大越危险，最大取值为1；T为洪水历时，h；t为单位时段长度，s；rt为t时段的流量，m3/s；qt为t时段淤地坝泄洪能力——单位时间泄洪设施平均泄洪量，m3/s；V淤地坝剩余库容，m3。

2.3 韭园沟流域淤地坝系风险等级划分

笔者采用综合得分法计算淤地坝风险分值，综合风险为一级风险的加权平均值，一级风险为对应二级风险的加权平均值。结合相关研究和合实际情况制定风险等级标准(表2)，计算得到分值越大，则表明发生溃坝的风险越大。

表2 淤地坝风险等级划分标准

3 结果与分析

3.1 风险分析

一级指标权重中结构风险和运行管理风险与暴雨无关，不随着降雨重现期变化而变化。损失风险和洪水风险与降雨重现期有关。韭园沟流域所调查的淤地坝结构风险和运行管理风险，以及10年和300年重现期暴雨下的损失风险、洪水风险和综合风险计算结果见图2。

图2 韭园沟38座流域淤地坝不同风险情况Fig.2 Different risk situations of 38 check dams in Jiuyuangou watershed

结构风险与暴雨无关，淤地坝结构风险中重度危险的占7.9%，中度危险占2.6%，轻度危险占47.4%，基本安全占42.1%。根据实地调查和勘测淤地坝的基本情况，发现淤地坝有裂缝、豁口等损毁，输水洞与坝体结合部位出现塌陷，竖井周围有较大面积坍塌。

当设计暴雨由10年一遇提高到300年一遇时，洪水风险处于重度危险的淤地坝从47.4%增加到63.2%，轻度危险的淤地坝从18.4%下降到7.9%，基本安全的淤地坝从15.8%下降到10.5%。洪水风险偏高是由于部分淤地坝剩余防洪库容较小和溢洪道、放水建筑物设施不齐全造成。

运行管理风险与暴雨无关，淤地坝运行管理风险处于重度危险的占65.8%，中度危险占2.6%，轻度危险占26.3%，基本安全占5.3%。

当设计暴雨由10年一遇提高到300年一遇时，损失风险处于中度危险的淤地坝从2.6%增加到10.5%，轻度危险从39.5%增加到50.0%，基本安全从57.9%降低到39.5%。

综合风险在10年一遇降雨条件下，在调查的38座淤地坝中处于中度危险的12座，轻度危险的23座，基本安全的3座，分别占所调查淤地坝的31.6%，60.5%，7.9%；300年一遇降雨条件下，在调查的38座淤地坝中有2座处于重度危险，18座对中度危险，轻度危险的16座，基本安全的2座，分别占调查淤地坝的5.3%，47.4%，42.1%和5.3%。重度危险的淤地坝数量增加2座，轻度危险的淤地坝比率降低30.4%。降雨作为韭园沟流域淤地坝风险的最敏感因素，当设计暴雨由10年一遇提升至300年一遇时，韭园沟流域淤地坝系综合风险也增大。

3.2 讨论

全球变暖加剧水文循环，引起降水在时空上的重新分配，导致极端暴雨频发。2012年7月15日，陕西省绥德县韭园沟流域发生暴雨，暴雨频率为83年一遇，韭园沟流域内共有24座骨干坝和中型坝受到不同程度地损毁，占流域内骨干坝和中型坝总数的41.38%。降雨强度最大的王茂沟有型淤地坝水毁，坝地高度基本与坝体持平，坝库已经无防洪、滞洪库容，最终发生漫顶垮坝[22]。2017年7月25—26日黄土高原无定河中下游地区遭遇特大暴雨，单站最大24 h，降雨量近100年一遇，无定河白家川水文站洪峰流量为建站以来第二大值，损毁桥梁61座、淤泥坝337座，韭园沟流域受损中型坝和骨干坝占中型坝和骨干坝总数量的41.79%[23]。

查阅“7·15”和“7·26”大暴雨相关资料，2次百年一遇的洪水对淤地坝的损毁或轻或重都存在。笔者得出百年一遇暴雨淤地坝风险为44.74%。该风险预警结果比实际情况会高一点。这是综合考虑不同风险的结果。综合考虑不同风险，更加有利于风险预警系统预报结果的准确性。加强淤地坝系运行风险预警的研究，已成为新时代黄土高原的淤地坝建设和水土保持生态建设的迫切需求。

4 结论

1)韭园沟淤地坝风险分析结果表明运行管理风险等级最高，为重度危险状态，结构风险均处于轻度风险状态。洪水风险随着降雨重视期的增大整体从中度风险变为重度风险状态，损失风险随着降雨重现期的增大从基本安全变为轻度危险状态。

2)当设计暴雨10年一遇时，在调查韭园沟流域淤地坝中31.6%的淤地坝综合风险为中度风险，60.5%的淤地坝为轻度危险状态，7.9%的淤地坝为基本安全。当设计暴雨由10年一遇提高到300年一遇，重度危险的淤地坝比例为5.3%，中度危险的从31.6%增加到47.4%，轻度危险的从60.5%降低到42.1%，基本安全的从7.9%降低到5.3%。韭园沟流域淤地坝系综合风险随着设计暴雨的增大而增大。

3)提升淤地坝工程质量，强化淤地坝管理体系。加快推进除险加固工作，提高病险淤地坝防洪能力；新建淤地坝时，统筹上下游淤地坝的安全现状，全面考虑各风险因素，优化淤地坝系布局，降低淤地坝运行风险。要健全淤地坝管理体系，明确淤地坝管护维修责任，切实落实淤地坝运行管理体制改革，加快建设淤地坝风险动态识别及快速预警系统，动态识别淤地坝风险隐患，快速分析淤地坝系安全现状，切实保证群众生活及财产安全。