南水北调东线工程蓄水系统运行风险分析报告

实用文案南京水利科学研究院硕士学位论文南水北调东线工程蓄水系统运行风险分析姓名：李爱花申请学位级别：硕士专业：水文学及水资源指导教师：刘恒;钟华平20090701标准文档 实用文案摘要东线工程是我国南水北调总体布局中的重要组成部分，随着工程的建设实施，对工程运行期由于各种不确定性因素引起的风险进行分析和决策已成为目前工程规划、管理的热点和难点。论文依托“十一五”国家科技支撑计划重点项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”第九课题“南水北调运行风险管理关键技术问题研究”(2006BAB04A09)，面向南水北调东线调水运行期间的工程风险，以工程风险管理理论为基础，以工程风险分析的流程为主线，界定、识别、评估东线工程运行风险，提出了相应的降低工程运行风险的对策与措施。主要研究内容包括：(1)工程风险分析理论与方法研究。介绍了工程风险管理和工程风险分析的内涵和流程，通过分析水利工程中承载能力与荷载的不确定性，推倒了工程设计安全系数与工程运行风险率的数学关系，并将水利工程风险率计算方法分为单一和综合两种情况进行归纳评述。指出各种方法的衍生、承接关系、应用条件及优缺点。(2)根据各工程在调水过程中所起的不同作用，将东线工程系统分解为提水、输水、蓄水三个子系统，识别各子系统在工程结构以及施工、运行和管理等各环节的风险因子，构建了各子系统风险因子结构体系。(3)确立了考虑风险率和失事后果的东线工程运行风险评价基准以及蓄水子系统单因子风险估计基准，运用基于层次分析法(AHP)和模糊理论(FCT)的风险评价模型，对蓄水子系统进行运行风险评估并排序。以东平湖为实例对风险评价基准的合理性进行验证，初步证明风险评价基准建立较合理，风险评估区间划分较准确。(4)根据工程风险评估结论和工程运行情况，分工程措施和非工程措施给出降低风险的对策与措施。结合传统的安全评价方法，对蓄水子系统中东平湖二级湖堤进行情景分析，针对性地给出了工程风险响应措施。关键词：南水北调；东线工程；蓄水系统；风险ABSTRACTTheEastRouteisoneofthethreelinesoftheSouth-NorthWaterDiversionProjects．WiththeconstructionoftheEastRouteProject，riskanalysisanddecisionduringtheoperationhasbecomeakeypointoftheProjectmanagement．SupportedbytheState’s“EleventhFive—Year”Science—TechTackleKeyProject“OperatingRiskAnalysisandManagementintheSouth-NorthWaterDiversionProjects”，thisthesischosetheEastRouteProjectasstudyobject，defined，identifiedandevaluatedtheengineeringriskoftheEastRouteProjectduringoperation．Themaincontentswereasfollows：First，researchontheengineeringriskanalysistheoriesandmethodologies．Themathematicalrelationbetweendesignsafetycoefficientandoperationriskrateofhydraulicengineeringwasanalyzed．Thenthecalculationmethodsforriskratewereclassifiedintosingleandcomprehensivemethodsandreviewed．Second，engineeringriskidentification．TheProjectweredividedintothreesubsystemsaswaterlift，waterdeliveryandwaterstoragesubsystemsaccordingtothefunctionsinthecourseofwatertransfer．Theriskfactorsofeachsubsysteminstructure．construction，operationandmanagementwereidentifiedandthestructuresystemsaboutriskfactorsofeachsubsystemwereestablished．Third，engineeringriskevaluation．Theevaluationbenchmarkofthewater标准文档 实用文案storagesubsystemwasestablishedandverifiedbyacasestudy．Theevaluationmodelsweresettleddownbymeansofanalytichierarchyprocess(AHP)andfuzzyconsistencytheorem(FCT)methodologies．Andtheoperatingriskgradeswereranked．Last，basedontheconclusionsofengineeringriskevaluationandconditionsofprojectoperation，thestrategiesandmeasuresfromstructuremeasuresandnon-structuremeasureswereputforwardtodecreasetheoperatingrisk．ThescenarioanalysisofsecondarylakedykesofDong—PingLakewasperformedbycombiningwithtraditionalsafetyevaluationmethod．Thentheresponsemeasuresofprojectriskwereputforward．Keywords：South-NorthWaterDiversion，EastRoute，WaterStorageSubsystem，Risk学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者(签名)：________________2009年7月学位论文使用授权说明：南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权南京水利科学研究院研究生部办理。论文作者(签名)：______________2009年7月标准文档 实用文案第一章绪论1.1研究背景水资源短缺和时空分布不均是我国的基本国情，南方水多、北方水少，水资源年际年内变化幅度大。华北地区作为我国政治、经济、文化中心及重要的工农业生产基地，人均、亩均水资源量仅为全国平均的16％、14％，水资源短缺已严重制约当地国民经济的发展，并引起生态环境日益恶化。为缓解北方地区水资源短缺、生态环境恶化等问题，引调南方长江丰富的水资源，南水北调工程应运而生。经过半个多世纪的研究论证，南水北调东线、中线、西线三条调水线路均已确定，三线跨流域与长江、淮河、黄河和海河相互连通形成“四横三纵”工程总体格局。南水北调东线工程是我国南水北调总体布局中的重要组成部分，工程运行可实现工程涉及范围内水资源最佳时空配置，从根本上缓解我国华北平原东部和胶东地区水资源短缺与经济社会发展、生态环境保护之间的矛盾，解决津浦铁路沿线和山东半岛的城市及工业缺水，改善淮北地区的农业供水条件，并可作为天津市的补充水源。受水区具体可以分为黄河以南、胶东地区和黄河以北三片，区内城市主要有淮河、海河、黄河流域的25座地级及其以上城市，包括天津、济南、青岛、徐州等特大城市和沧州、衡水、聊城、德州、滨州、烟台、威海、淄博、潍坊、东营、枣庄、济宁、菏泽、泰安、扬州、淮安、宿迁、连云港、蚌埠、淮北、宿州等大中城市。工程规划分三期实施建设。一期工程利用江苏省江水北调工程，扩大规模，向北延伸，向山东省鲁北和胶东地区供水，工程建成投入运行后，将使受水区城市生活用水保证率提高到98％，苏北运河航运、城市工业、电厂用水保证率提高到95％，淮南、淮北农业灌溉用水保证率分别提高到90％、75％。沿线水环境将得到根本好转。2002年12月27日东线一期工程山东济平干渠工程开工建设，标志着南水北调工程已历史性地由规划研究阶段转为实施阶段。1.2研究意义标准文档 实用文案南水北调工程是我国继长江三峡工程之后的又一超大型水利工程，是解决我国北方水资源严重短缺、生态环境急剧恶化问题的重大战略举措，是关系到我国经济、社会和生态协调发展的跨世纪重大工程，对于保障和促进我国北方地区的经济发展、环境改善和社会稳定都具有十分重要的战略意义。东线工程是南水北调工程的重要组成部分，主要向华北平原和胶东地区供水，保障华北地区的经济、社会可持续发展，改善供水沿线的生态环境。东线工程无论从调水线路长度，还是调水规模，都是目前世界之最。作为一个复杂的巨系统，其输水线路长、涉及工程多、投资大、范围广、地质条件复杂，时空差异变化大，尤其是工程黄河以南段，跨长江、淮河、沂沭泗、黄河多个水系，与沿途河流、湖泊连通构成了一个复杂的水系，工程运行管理涉及多个省市、流域和地区间的水事关系，无论是对工程沿线的城市城镇，还是对国家的水资源战略安全而言，保障工程的运行安全是极为重要的，工程运行中任何不确定性因素造成的工程失事都可能导致较为严重的后果。对此巨系统工程运行期间可能出现的风险进行识别、评估，提出降低风险和控制风险的对策措施，实现工程风险管理，保障工程运行安全，开展南水北调东线工程运行风险分析研究显得尤为必要和紧迫。1.3相关研究自1971年Yen等【1】首先论证了风险分析在水系统的可行性后，风险分析在水库、大坝、堤防、供用水乃至范围更广的水文水资源与水环境系统中逐渐推广应用。但就水利工程而言，国内外工程风险的研究还主要集中于两个领域：大坝风险分析与堤防风险分析。(1)大坝风险分析在大坝风险分析方面，Yen[2]、Wood[3]、王才君[4]等对大坝水文风险进行分析，并进一步研究了风险标准；Salmon[5]、梅亚东[6]、王本德[7]等对大坝失事的风险标准进行了研究，详细探讨了大坝风险标准的制定方法，分析了大坝的主要失事后果及其计算方法；Stewart[8]、Wieland[9]、Lemperiere[10]等分析了大坝的综合风险，阐明了大坝风险分析的重要性，探讨了综合风险的工程应用。肖义[11]、曹楚生[12]、刘玉恒[13]等基于大坝设计标准和风险分析，对大坝的水文风险、结构风险和安全度进行定量评估；麻荣永[14]系统总结了土石坝的风险分析方法及应用。基于学者研究成果，以美国、加拿大、澳大利亚和南非为代表的各国也在加紧制订相关的法规、指南，以形成了一套系统的、完整的大坝风险分析方法和技术、评价和管理体系，如加拿大标准协会1991年发布了《风险分析必要条件和指南》CAN/CSA．Q634.91；1994年澳大利亚大坝委员会(ANCOLD)颁布了((ANCOLD风险评估指南》，2003年又在1994年导则的基础上制定了新的大坝风险评估导则并正式发布；同年国际大坝委员会(ICOLD)[15]发布了《大坝安全管理中的风险分析》通告，标志着大坝风险概念已经被世界接受，大坝风险分析已经成为体系较完整的决策工具。目前大坝风险分析已经进入了关键技术研究完善阶段，主要研究方向是其中的一些关键问题如风险标准的确立、统一等。(2)堤防风险分析与大坝风险分析技术相比，堤防工程风险分析发展相对较晚，许多学者对堤防工程风险的研究是从水文风险．结构风险一堤防工程系统风险逐步发展的，研究成果主要集中于水文风险、堤防结构风险、失事后果等单项研究。Szidarovszky[16]、Tung[17]、Plate[18]、冯平[19]等分析计算了堤防的漫顶风险；其中Tung建立了计算漫顶风险的时变模型；Ang[20]、Sedovsky[21]、Crum[22]、何广讷【23】、王卓甫[24]等基于可靠度理论研究了堤防工程的渗透变形、失稳等结构风险：Duckstein[25]、李国刊[26]等则对堤防漫顶、管涌渗漏、边坡失稳、风浪冲刷等各种常见失事方式的风险计算模型进行研究；VanderMeer[27]、吴兴征[28]等在前人研究的基础上综合考虑了水力边界条件、堤顶高程的不确定性、堤防的维修成本、洪水造成的损失及其发生概率等因素对堤防工程漫项、管涌、稳定等三个方面进行了风险分析。由此可见，风险分析也已广泛应用于堤防工程安全评价工作中，堤防工程风险分析在单项风险如水文、水流及结构包括渗透、失稳等方面已经取得了一定成果，但还存在着一些问题，如未对堤防失事包括漫顶、失稳和渗透失事3种主要形式做出系统分析；计算水位值也大多是经验频率意义上的，衡量风险的主要指标多为单一的经济指标，工程可靠度分析与工程失事后果缺乏有机联系。采用的方法主要是常规的风险率计算方法如MC法及其改进、MFOSM、AFOSM、JC法等，在系统风险分析中，则常采用事故树和专家评估分析方法等。堤防系统所建立风险计算模型的准确性、各种工况下失事风险的组合以及堤防系统的综合风险等许多综合性问题还需要进一步探讨。1.4存在问题标准文档 实用文案纵观水利工程风险分析研究进展情况，可以看出，目前，国内外在水利工程如大坝、堤防工程的水文、水力及结构风险等方面，风险分析评价理论和方法已经有了长足的进步并不断创新,并在应用中取得了许多宝贵的经验和成果。但水利工程风险分析仍处于百花齐放的态势，并未形成一套系统的方法体系，研究中还存在着一些不足之处：(1)已有的水利工程风险分析研究成果，多是将现有工程方案或者现状作为研究对象，风险分析评价的结果也多是宏观概略的提出，没有什么具体的可行的方案，对于风险决策的研究也往往流于形式。这对于风险分析的实际应用并在实践中加以总结、提高和创新十分不利。(2)对单个工程的风险分析和评价研究的多，对大型工程系统风险研究较少。特别是针对南水北调东线工程和中线工程组成特性和工程属性，系统研究巨调水系统的工程风险尤为少见。(3)风险分析常常是只侧重分析某一方面的风险，如对工程本身进行风险分析，或者仅仅对生态、环境效应进行评价，没有将各种风险真正的综合到水利工程系统中去。即使在综合风险分析中，风险因子的讨论，往往多从逻辑关系的角度分析，单纯从几个方面来考察重要性，很少将各种因子综合起来，形成统一的综合指标。实际上，受传统思想的影响，风险指标体系的选择仍偏重于社会型和经济型指标，综合评价的目标仍受经济效益最大化的影响。综合分析中对于环境、生态以及工程运行中的风险因素，由于指标难于选定及量化，通常是简单带过，不能体现水利工程的综合效益。1.5研究内容东线工程组成主要为现有河道和湖泊工程，随着工程的建设实施，对工程运行期由于各种不确定性因素如气候、洪水、地震、滑坡、建筑物损害、甚至人为失误等引起的风险进行分析和决策已成为目前工程规划、管理的热点和难点。论文依托“十一五”国家科技支撑计划重点项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”的第九课题“南水北调运行风险管理关键技术问题研究”(2006BAB04A09)，主要面向南水北调东线调水运行期间的工程风险进行研究。从工程角度，以工程风险管理理论为基础，以工程风险分析的流程为主线，分析、界定东线工程运行风险，识别东线工程运行过程中的风险因子，评估风险因子可能造成的工程运行风险，从工程及非工程角度提出了降低工程运行风险的对策与措施。论文主要研究内容包括：(1)工程风险分析理论与方法研究。研究工程风险管理和工程风险分析的内涵和流程，推导水利工程设计安全系数与工程运行风险率的数学关系，在此基础上分析求解水利工程运行风险率的各种方法，将水利工程风险率计算方法分为单一和综合两种情况进行归纳评述。(2)南水北调东线工程系统划分及风险识别。在对东线工程进行运行风险分析时，考虑到直接计算东线这一巨系统工程运行风险几乎刁<可能，根据各工程在调水过程中所起的不同作用，将工程系统分解为提水、输水、蓄水三个子系统，通过分析东线工程调水运行的特点，识别各子系统在工程结构以及施工、运行和管理等各环节的风险因子，构建各子系统风险因子结构体系。(3)蓄水子系统运行风险评估。根据工程风险分析流程，确立东线工程运行风险评价基准以及蓄水子系统单因子风险估计基准，运用基于层次分析法和模糊理论的风险评价模型，对蓄水子系统进行运行风险评估。并对风险评价基准的合理性进行实例验证。(4)蓄水子系统工程风险响应措施。根据蓄水子系统工程风险评估结论和工程运行情况，分工程措施和非工程措施给出降低风险的对策与措施。结合传统的安全评价方法，对蓄水子系统中东平湖进行情景分析，针对性地给出工程风险响应措施。标准文档 实用文案1.6研究路线论文把握理论研究与实例应用相结合的原则，采用先整体后局部的顺序，从工程风险管理理论入手，按照工程风险分析的流程，对东线工程运行风险进行分析。在理论学习、现场调研、专家咨询和收集资料的基础上，结合南水北调东线工程的组成特性和工程属性．识别影响南水北调东线工程正常运行的各类工程风险因子，分析风险因子的作用机理。估计和评价南水北调东线工程蓄水子系统综合风险并分级，根据对东线蓄水子系统的风险评价结果，提出风险控制对策。论文研究技术路线如图1-1所示。1.7主要创新对在建的东线工程进行运行风险分析。是势在必行和急需解决的重要问题。论文在综合分析前人在相关方面所做研究的基础上，对东线工程运行风险分析做了如下创新：(1)通过分析水利工程荷载与承载能力的不确定性，理清水利工程设计安全系数与工程运行风险率之间的数学关系，两者的关系为水利工程风险分析各种方法的衍生、演变基础。(2)将水利工程风险率计算方法分为单一和综合两种情况进行归纳分析，总结风险分析在水利工程中应用的各种分析方法，揭示各种方法在研究应用中的承接关系，并就各种方法的适用条件和优缺点进行评述。指出单一风险在水利工程中的应用主要以数理统计方法为主，分析水利工程的随机不确定性。综合风险能够考虑水利工程的随机、模糊和灰色等不确定性，但存在着相关性、一致性、行为因素影响分析等技术难点。标准文档 实用文案(3)依据工程在调水过程中所起的不同作用，将东线工程系统划分为提水子系统、输水子系统和蓄水子系统，有别于按工程形式划分为泵站枢纽工程、输水工程以及穿黄河工程的传统，三个子系统有机形成调水整体。同时，通过分析各子系统在工程结构以及施工、运行和管理等各环节的不确定性因素，对工程运行风险进行识别，构建各子系统风险因子结构体系，亦有别于工程上依照失事模式进行风因子识别的传统，体现“运行”风险。结合东线工程实际运行条件，参考我国大坝安全评价习惯及堤防设计规范(GB50286-98)，初步建立东线工程运行风险评价基准，并对评价基准合理性进行验证。第二章工程风险理论与方法研究2.1风险风险(Risk)，自19世纪末被提出以来，已经在经济学、社会学、自然科学以及工程学等领域得到了广泛的应用。由于其含义极其广泛、深刻，不同专业、不同角度，风险的定义各不相同，风险分析在决策过程中所起的作用也因学科而异。总体来说，目前风险概念可划分为广义和狭义两种。广义的风险强调风险的不确定性，主要特点是伴随风险可能是机会也可能是威胁，其结果具有双重性，可能带来意外收益也可能带来意外损失。而狭义的风险则强调损失发生的不确定性，把风险看作是不利事件发生的概率及其后果的函数，主要从不利方面考察风险，侧重于减少损失。2.2工程风险目前在工程领域，普遍将风险定义为潜在灾害发生的概率及其后果的度量。工程风险主要包含三个要素：事件的状态或过程、发生的可能性或概率以及导致的后果【29】。风险首先是工程系统状态变化的可能性，其次这种变化将导致的后果应为消极的不良的，即为纯粹损失。风险分析不仅估计工程系统失事概率即风险率，而且分析其发生原因和失事后果，能较全面地反映工程系统的安全性。从数学角度来看，工程风险Risk可以表示为发生概率Pf和失事后果即损失量loss的函数：Risk=f(Pf，loss)(2.1)而工程风险发生的概率Pf又定义为：系统外来荷载(作用)L大于本身承载能力(抗力)R的概率，即：Pf=P(L>R)(2.2)失事后果，则可以表达为人身生命安全、社会经济损失、社会环境损失等。工程风险产生原因主要为事件的不确定性。作为一个集经济、技术、管理、组织各方面于一身的系统，工程项目的立项、研究及设计都是基于对将来情况的预测，基于正常的、理想的技术、管理和组织之上，而在项目实施及工程运行过程中，各个方面都存在着不确定性，影响因素都可能产生变化，造成工程项目实施及运行的失控，如工期延长、成本增加、计划修改等，最终导致工程经济效益降低甚至工程项目失败。现代工程项目的特点是规模大、技术新颖、持续时间长、参加单位多、与环境接口复杂，更易造成工程系统建设、运行信息的滞后性和不完备性，导致工程系统出现风险。标准文档 实用文案工程风险具有自然属性、社会属性和经济属性。风险的发生是客观的、必然的，导致风险发生的因素如自然界的洪水、地震、风暴，现实社会的矛盾、冲突，甚至战争及一些重大的意外事故均是不为人左右的。风险事件是否发生、何时发生、发生之后会造成什么样的后果，都具有不确定性。但人们可以根据历史数据和经验，对事件发生的可能性和损失的严重程度做出一定程度上的分析和预测，在风险潜伏阶段、发生阶段和造成后果阶段采取不同的措施消除风险因素、降低风险和减少风险损失。风险具有不确定性、客观性、相对性、动态性和阶段性。南水北调工程运行风险同其他工程风险相比，还具有复杂性、特殊性和损失巨大性。尤其是其建设运行阶段还要涉及到市场经济、政治、法规、人类行为、自然环境、地理、地质、气象条件等各科学领域。风险在工程的整个生命周期均存在，而不仅仅存在于施工建设阶段。2.3工程风险管理工程风险管理是工程项目管理的重要组成部分?是人们在追求可靠和安全的目标下，在传统管理思想和现代科技理论相结合的基础上发展起来的一门新学科。随着社会的发展，风险管理的定义和内涵也经过了多个演变阶段【30-32】。到1996年英国国家标准BS8444确定风险管理包括风险识别、风险评估、风险分析、风险响应和风险监控五个环节，风险管理的概念和过程才基本得以确定。工程风险管理是由风险识别、估计、评价、响应和监控等5个环节组成的，从系统工程的角度，通过研究工程计划、组织、协调、控制等过程的不确定性，综合、合理地运用各种科学方法对风险进行识别、估计和评价，制定有效措施以应对风险，随时监视工程进展，注视风险动态，妥善地处理风险事件造成的不利后果，以最小的代价实现工程目标。2001年国际大坝安全委员会ICOLD针对大坝的风险管理，分别给出了风险管理过程中各概念如风险(Risk)、风险管理(RiskManagement)、失效模式识别(FailureModes-Identification，FMI)、风险评估(RiskAssessment)、风险分析(RiskAnalysis)以及风险控制(RiskContr01)的定义和内涵【15】。工程风险管理各阶段释义如下：(1)风险识别风险识别是风险管理的基石，是指在工程风险发生前运用各种方法对工程系统所面临的和潜在的风险因子加以分析、判断、归类，对其性质进行鉴定的过程。由于工程风险具有不确定性、动态性和复杂性，识别可能的风险因子是一项技术性很强的工作，目前普遍采用的方法有层次分析法和故障树方法等。(2)风险估计风险估计是在风险识别基础上，对所收集的大量详细资料进行分析，运用各种风险率计算方法，估算和预测风险发生概率及失事后果。风险估计是对风险的定量分析，可为风险管理者进行风险决策、选择管理方案提供可靠的科学依据。估计方法有主观和客观两种，客观的风险估计主要基于历史数据、资料，主观风险估计则是依据风险评价基准进行经验判断。(3)风险评价风险评价是在风险识别和风险估计的基础上，通过建立风险的系统评价模型，综合考虑风险发生概率、损失程度和其他因素，与风险评价基准相比较，得到风险的综合描述，为确定风险响应先后顺序和制定风险响应措施提供依据。(4)风险响应风险响应是根据风险评价结果，在风险发生前实施风险管理计划中的预定措施。它包括两类：一类是针对风险因素采取规避、缓解、分散、抑制等控制措施，以消除或减轻风险；另一类则是通过财务手段来减轻风险对项目目标实现程度的影响。具体措施主要有风险自留、风险回避、风险控制和风险转移等。(5)风险监控风险监控是跟踪已识别的风险，监视残余风险、识别新风险，保证计划执行，并评估计划实施对降低风险的效果。标准文档 实用文案在工程实践中，又把风险管理过程划分为风险分析、风险响应和风险监控三阶段，其中风险分析又包含风险识别、风险估计和风险评价三个环节，而风险响应和风险监控阶段可合称为狭义风险管理。风险管理过程各阶段的相互关系图解如下：2.4工程风险分析风险分析，在工程领域，主要包括风险识别、风险估计和风险评价三个环节。在工程实践中，常会出现风险估计和风险评价交叉进行的情况，在这种情况下，风险估计和风险评价则合称为风险评估。风险分析需要查明工程系统在哪些地方潜藏着风险，什么时段可能会出现问题，查明之后对风险进行判断、量化，评价危险程度，确定轻重缓急顺序，为风险响应和风险监控方案的制定提供决策依据。风险分析的内容如图2．2所示：2.5水利工程风险分析水利工程风险分析应从系统工程的角度，建立经济投入、系统安全与系统破坏可能带来的人员、经济和环境等损失之间的关系【33-34】。在国外如荷兰等，风险明确定义为工程失事发生概率与其所致后果的乘积，即期望损失值，将提高系统安全所需要的经济投入与减少的期望损失进行对比以决策[35-36]。在我国，由于种种原因，风险常表述为与可靠度相对应的风险率，即荷载大于系统承载能力引发系统失效的概率，以风险率的大小来表征系统风险，忽略风险损失这一基本要素。近年来，大坝安全管理和研究人员开展了一系列大坝失事后果的计算研究【37】，但鲜有与风险率结合考虑计算风险，且失事后果评价多延用国外准则，尚未形成系统。标准文档 实用文案由于水利工程风险分析的核心在于风险率计算和失事后果分析，下面将重点对这两方面进行介绍。2.5.1风险率、不确定性与安全系数风险，均是由各种不确定性因素引起的。水利工程在建设运行过程中，由于各种不确定性的存在，工程在安全计算时考虑的各因素的实际值均可能在一定程度上偏离设计值。这种不确定性总是在一定范围内变化的，使得风险率的分析和计算成为可能。1．安全系数目前在水利工程设计计算中，广泛运用安全系数法进行工程安全校核，如工程的抗滑安全、抗渗安全等。安全系数计算方法可简括如下：K=R/L(2．3)式中，K-安全系数；R-工程系统本身的承载能力(抗力)，如堤坝高程、防洪库容、边坡结构等；L-工程系统的外来荷载(作用力)，如暴雨、洪水、风浪等。作为定值计算方法，安全系数主要从确定性角度分析工程各个参量，得出工程的安全程度。长期的工程实践证明安全系数是一种有效设计方法。但对于水利工程这样一个高度不确定的系统，安全系数忽略了各种参量在施工、运行和管理过程的变异性，容易对工程的安全状态做出偏于乐观的估计，不能完全确切地表征工程的安全程度。实际工程中很多堤坝抗滑稳定安全系数满足规范要求，却仍然发生滑动失稳现象，便多是设计过程没能考虑设计参数的不确定性导致的。工程风险率的分析计算必须全面考虑工程各方面的不确定性，收集、分析不确定性的历史统计资料及勘测试验资料，推断和验证不确定性因素的随机特性。2．承载能力的不确定性分析水利工程在设计时，承载能力一般为针对某种特定的失效模式所预计的最大荷载加上一个安全裕度。在一般情况下，工程的承载能力是其本身固有因素的函数，这些因素由于设计水平、施工工艺、运行条件的不同，呈现出各种不确定性，分布型态各不相同，导致承载能力以离散的随机变量形式出现。(1)土工参数的不确定性主要为工程土质的容重、孔隙率、粘聚力、内摩擦角、泊松比和变形模量等物理力学性质指标。土工参数不确定性主要来源于土体本身的空问变异性和试验取样、模型计算等过程中的各种误差。需要收集到大量数据并进行分析，才能寻找各点各面土质物理力学指标不确定性规律及其特征值。实际中一般是根据收集到的有限数据来估算各指标的均值、标准差及离差系数，假定其服从正态分布，以此计算工程结构失事风险率。(2)边界条件的不确定性应力场、渗流场的计算都受到边界条件的约束。边界条件的不确定性来源于实际问题的复杂性、边界条件变化的不可预知性、以及模型模拟对结构边界处的简化等。(3)几何参数的不确定性主要为工程施工、运行和管理过程中造成的工程特征值如高程、断面形状与设计的偏差，包括施工误差、历史险情、河床演变以及后期的人为因素影响等造成的工程沉降、断面变化。在安全系数计算时，工程的承载能力主要基于简化后的工程模型，不可能十分精确。因此，预测工程的承载能力时，承载能力的均值应是在一个容许范围内波动。令R¯为工程承载能力的均值，通常认为是设计承载能力。令ΔR为承载能力均值波动的容许范围，ΔR的大小取决于工程的施工运行误差。工程的承载能力可表示为：R=R¯±ΔR(2.4)标准文档 实用文案工程承载能力的确定与其统计分布曲线厶(尺)有关，主要以均值及离散程度来表征。图2.3描绘了工程承载能力的一种典型统计分布曲线。3.工程荷载的不确定性分析水利工程在运行阶段所承受的荷载多是随机的外部荷载，荷载函数主要是运行工况的函数，对于大多数水利工程来说为时变函数，这是由水利工程的运行环境所决定的。工程荷载的各种不确定性主要表现在：(1)水文不确定性水利工程系统中所涉及到的水文量包括洪水频率分布、洪水时空分布、暴雨频率分布、暴雨时空分布、降雨量频率分布、可能最大洪水、降雨～径流关系、汛前库水位、水位～库容关系、库区冲淤等均具有不确定性。(2)静力、动力荷载的不确定性水利工程的静力荷载主要有自重、水压力以及温度荷载等。由于地质条件复杂、水土二相模糊性、应力场和渗流场空间试验、测量数据的离散性以及回归分析模型的简化等，这些荷载均存在不同程度的变异性。在动力荷载方面，水利工程一般考虑的是地震荷载的影响，而地震波在震源、强度、烈度等方面均具有不确定性。由于各种因素的不确定性以及不可控性，想要精确预测水利工程在运行期间所承受的荷载几乎是不可能的。因此，对工程所承受的实际荷载进行描述时，工程荷载应是具有均值且允许在均值一定范围内波动的函数。若令L为作用于工程上的实际荷载，令L¯表示实际荷载的均值，令△L表示在一个可靠的期望置信度情况下，实际荷载沿荷载均值L¯波动的允许范围，△L可以是留有较大余地的数值。因此，工程所预期的实际荷载可以表示为：L=L¯士△L(2．5)实际荷载也可以用具有均值和波动范围的分布曲线．fL(L)来表示，曲线型态取决于工程所处的工作环境。对于大多数的工程，所承受的荷载将像图2-3那样对称于荷载均值L¯，其分散程度△L随工程运行工况而异。4．工程荷载与承载能力分布曲线间的基本关系一般来说，．水利工程所承受的荷载与相应的承载能力无关，因为影响工程荷载和工程承载能力的因素无关。因此，工程荷载和承载能力是两个相互独立的随机变量，fR(R)和fL(L)可以是各种不同的分布型态。在安全系数计算中，将工程的承载能力和荷载视为固定不变的数值进行处理，但在工程实际运行中，不考虑R和L的出现概率显然是不合理的。例如，在某些情况下，R取值在分布曲线fR(R)的左端，而L取值在分布曲线fL(L)的右端，导致L>R情况出现，工程将失事。为了解决工程安全问题，必须对工程荷载与承载能力分布曲线的相互关系进行分析。标准文档 实用文案作用于工程上的实际荷载分布曲线与工程承载能力的分布曲线二者之间的关系在工程安全评价工作中非常重要。如图2-4，当两个随机变量的分布曲线fR(R)和fL(L)互不干涉时，即所有可能出现的工程荷载都小于所有可能出现的承载能力，这种情况下，两个随机变量的均值R¯和L¯之间必然存在一定间隔，间隔大小取决于分布曲线fR(R)和fL(L)的离散程度。如果将fR(R)和fL(L)拉开，使之相距很远，将分布曲线fR(R)向右移动，这就需要对工程进行高标准设计、采用高强度材料、精施工，并提高配套工程的承载能力、增加工程冗余等，以提高承载能力R，但这样做是不经济也是不实际的。此外，在实际设计工作中，虽然安全裕度较大，仍可能会有偶然破坏现象发生。这种情况在一定程度上是允许的，如图2-4所示，分布曲线fR(R)和fL(L)将发生干涉现象。这就要求选择一个合适的安全系数，且要求一个经济的风险率。与图2-4所示的情况相反，还可以通过减小R和L的标准差，尽量减小分布曲线fR(R)和fL(L)的干涉部分，以降低工程失事概率即风险率，如图2—5所示。减小R和L的标准差的主要途径有：(1)提高工程荷载和承载能力的数值精度，通过现场试验或理论分析尽量掌握R和L的精确值；(2)严格控制工程材料和施工工艺，并严格检验；(3)尽量消除应力集中源或减缓应力集中，设法消减有害内应力等。通过上述措施减小R和L的标准差，往往要增加一些费用，但却会带来良好的工程效果，尤其是可以不提高工程标准而得到较高的安全水平。工程的失事概率即风险率，在工程运行过程中具有重要意义。由上述分析，如果工程的承载能力R小于出现的工程荷载L，工程将发生失事破坏现象。因此，可用承载能力和实际荷载的分布曲线fR(R)和fL(L)来估算工程失事破坏的概率。图2-6绘制的是((R-L)，即fR(R)和fL(L)的分布曲线。负值即阴影部分对应的是工程失事概率，即风险率。正值对应的是工程不发生失事破坏的概率，即可靠度。当分布曲线(R-L)的所有取值均为正时，若工程失事，则会导致灾难性的后果。此外其它情况，偶然的失事破坏现象则是被允许的，即(R-L)可逼近为负。标准文档 实用文案5.安全系数与风险率为推导安全系数与风险率的计算公式，首先假定工程的承载能力随机变量R和工程荷载随机变量L均遵从正态分布。这是因为如果有若干个不同的随机变量是线性函数且近似等效，则变量为正态分布[38]。根据统计学的中心极限定理，不管各随机变量本身是否遵从正态分布，而变量往往是正态分布。因此，有理由假定R和L遵从正态分布。即：式中σR和σL分别为承载能力和工程荷载的标准差；Rˉ和L¯分别为承载能力和工程荷载的均值。在计算工程运行风险率过程中，涉及到随机变量R和L的加减运算。根据统计学原理，若两个随机变量遵从正态分布，那么这两个变量的和或差也遵从正态分布。因此，承载能力与工程荷载之差(R—L)也是一个遵从正态分布的随机变量。工程的可靠度可表示为R>L或(R—L)>0的概率，如图2-6所示。若以Pb表示可靠度，则Pb=P[(R-L)>0](2．8)随机变量(R—L)的均值为(R-L)¯=R¯-L¯(2．9)则为便于引用现成的数理统计表，需确定一无量纲变量t以替换变量(R—L)，t和(R—L)关系如下：(2.12)标准文档 实用文案，为t的积分下限。(R-L)→+∞，t→+∞，为t的积分上限，则令（2.14）则可利用正态概率表求可靠度Pb的值。以Pb表示工程风险率，则Pf=1-Pb，tPb、Pb、Pf的关系如表2-1所示。或如图2-6所示，工程风险率Pf可表示为(R-L)<0的概率，即Pf=P[(R-L)<0](2.15)则变量替换，以t代替(R-L)，当(R-L)=0时，t=-tf=标准文档