堤防工程中的风险管理
摘 要：
河道堤防是我国防洪工程体系的重要组成部分。目前我国缺乏堤防工程在复杂环境下运行的安全评价和风险管理理论体系和使用模型，使得我们无法利用现有技术对堤防系统行为进行科学的管理工作。将传统检验型的堤防安全评价和管理方法转变为预测型的风险管理体系，全面反映堤防系统的安全性，会带来巨大的社会效益和经济效益。本文采用风险识别方法对堤防失事模式进行识别，构建堤防失事风险计算模型，提出风险应对和风险处理的方法，同时将它应用于外秦淮河堤防工程安全评价中去，计算了外秦淮河堤防失事风险概率，并根据风险计算结果对堤防洪水运行管理提出建议，同时提出了相应的风险管理决策方法。
关键词：堤防工程、风险、风险管理
1. 引 言
洪水灾害是当今世界上损失最大的自然灾害。根据联合国统计，每年全世界各种自然灾害的60%是由于洪灾造成的。堤防是沿江河、湖泊、海洋的岸边或蓄滞洪区、水库库区的周边修建的防治洪水漫溢或风暴袭击的挡水建筑物，是我国防洪工程体系的重要组成部分。我国现有的堤防多是历史上经过多次修建、破坏、再修复加固而逐渐形成的。由于历史原因，很多堤防工程存在安全隐患，如：堤身土质不均匀、堤基地质条件差、堤后渊塘众多等，在汛期洪水水位低于设计水位情况下，堤防往往也存在着不同程度的破坏、滑坡、侵蚀等问题。风险管理在国外工程项目建设中起着举足轻重的作用。防洪减灾的风险管理问题在国内外已得到了高度的重视，并进行了广泛的研究。因此，根据我国国情，将传统经验型的堤防安全评价和管理方法转变成预测型的风险管理体系，通过较合理的计算模型和分析方法找出潜在危险点和事故生成途径，以更好地掌握堤防存在的险情类别和失事规律，并对事故后果进行预测和评价是本文想要研究和讨论的。
2. 风险管理工作的各组成部分
风险管理是由风险规划、识别、估计、评价、应对、监控等环节组成的，通过计划、组织、协调、控制等过程，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，提出应对办法、随时监视项目进展，注视风险动态，妥善地处理风险事件造成的不利后果[1]。工程项目中的风险管理包括[2]：（1）风险识别。是风险管理的第一步，对工程项目所面临的和潜在的风险加以分析、判断、归类的过程；（2）风险估计。是在风险识别的基础上，通过对所收集大量资料的分析，利用概率论和数理统计，估计和预测风险发生的可能性和相应损失的大小；（3）风险评价。是在风险识别和风险估计的基础上，对风险发生的概率、损失程度和其他因素进行综合考虑，得到描述风险的综合指标——风险量，并与公认（或经验）的风险（安全）指标相比较，得到是否要采取控制措施的结论；（4）风险应对。是在风险发生时实施风险管理计划中的预定措施：包括风险发生前针对风险因素采取规避、缓解、分解、抑制、和利用等控制措施消除和减轻风险以及通过财务安排如自留、转移等来减轻风险对项目目标实现程度的影响；（5）风险监控。即跟踪已识别的风险，监视残余风险和识别新的风险，保证计划执行，并评估这些计划对降低风险的有效性。
3. 堤防工程中的风险管理
3.1堤防工程中的风险识别
我国现有的堤防有三大特点：一是堤基条件差，不少堤防傍河而建，堤线选择受到河势条件制约，基础大多为沙基，而且绝大部分堤防未作基础处理；二是堤身建筑质量差，不少堤防是在原民堤的基础上，经历年逐渐加高培厚而成，往往质量不佳；三是堤后坑塘多，尤其是长江干堤和洞庭湖、鄱阳湖区，多年来普遍在堤后取土筑堤，使堤后坑塘密布，覆盖薄弱。这些众多影响因素危及了堤防的安全运行。因此，当遭遇洪水时堤防经常发生管涌、滑坡、崩岸和漫溢等险情，严重者导致大堤溃决。根据江河洪水灾害和堤防失事破坏的调查资料分析，堤防失事破坏类型很多，种类各异，归纳起来主要有如下三种形式：漫顶破坏失事、渗透破坏失事和失稳破坏失事。总的来说即为水文失事风险和结构失事风险，水文失事风险就是指洪水漫顶和洪水漫溢风险；而结构失事风险主要是指渗透破坏风险、岸坡滑动失稳风险。
3.2堤防工程中的风险估计、评价
（1）堤防漫顶破坏风险计算模型当洪水水位H大于堤顶高程时，防洪堤出现漫顶破坏失事，则防洪堤漫顶破坏失事的风险率为0h[3]：
式中：H为防洪堤临水面洪水位，为滴定高程；为洪水位概率密度函数。
洪水位概率密度函数也即洪水位频率曲线函数，GB50286-98《堤防工程设计规范》和新修订的《水文计算规范》建议，堤防工程中的洪水频率曲线线型可采用极值Ⅰ型分布或PⅢ型分布。
（2）堤防渗透破坏风险计算模型[4]
根据渗流理论，产生渗流变形（管涌或流土）的原因是渗透坡降超过了土体的临界坡降，所以堤坝渗透破坏风险率的数学模型可表示为：，式中，为堤坝渗透水力坡度的概率密度分布函数。然而这是在没有考虑洪水风险即洪水位随机性单独计算堤防渗透破坏的风险模型，这种分析方法欠合理。因此，综合考虑水文风险，如果当洪水位为计算堤防失稳风险时规定的最低水位值，为计算堤防失稳风险时规定的最高水位值，则∫=21)()(HHJdHHfHFR （2）（3）堤防失稳破坏风险计算模型[4]
根据土力学理论，边坡失稳是因为作用在边坡上的滑动力矩大于其抗滑力矩引起的。因此，直接计算边坡失稳风险率的数学模型可表示为：，式中，为堤坝边坡滑动力矩的概率密度分布函数。这也是没有考虑洪水风险（洪水位随机性），仅仅计算堤坝边坡失稳时的风险模型，因此也是欠合理的。考虑到水文风险，这里的分析思路和推导过程同堤防渗透破坏风险计算模型类似，故省略中间步骤，得出风险计算模型如下：
（4）堤防综合风险计算模型以分别表示堤防水文失事风险、渗透破坏风险和滑动失稳破坏风险，以321RRR和、R表示堤防工程的综合风险，若假定这三种失效模式之间相互独立，则综合风险表示为：简化后得：
3.3堤防工程中的风险应对、监控
针对上述堤防工程中存在的风险，其管理对策主要有：
（1）加强信息化建设，及时获知水情信息。信息的及时、精确获知是弱化风险的重要工具。目前正在建设的水利信息化工程，如降雨、洪水的自动观测与传输以及数字化流域等， 都会极大地弱化洪水资源化的风险。如应用GIS技术、数据仓库技术、网络技术、动态仿真模拟技术、动态规划自动寻优技术等，以堤防信息管理系统、堤防工程风险分析系统和城市洪水风险管理系统等为堤防管理发挥作用。
（2）划分堤防安全等级[5]。由于堤防工程安全评估指标体系具有明显的层次性，故需根据各指标对其上层指标的相对重要性程度分别赋予不同的权数。根据堤防工程的实际情况，依据各因素的最佳组合（上限）和最不利组合（下限）将堤防工程分为四个等级：安全（评估值为0.9～1.0）、较安全（评估值为0.7～0.9）、较危险（评估值为0.5～0.7）、危险（评估值为<0.5）。这种评价标准有待进一步完善。
（3）采用工程措施。根据堤防工程的设计方法和机制特点对堤防进行工程上的加固、维护和应对。如对于堤防漫溢的除险工作，首先是符合堤顶高程，检查其是否满足规范规定的要求。若不满足规范要求需对其进行加固。同时，为了消除汛期风浪对堤顶和堤坡的冲刷险情，应对堤顶和堤坡未设坚固防护设施的堤段进行防护加固。堤顶防护中可结合交通要求修筑水泥混凝土或沥青混凝土路面或者设防浪墙抵御风浪。边坡防护中可进行灌砌石、浆砌石护坡以及干砌石护坡、混凝土护坡、模贷混凝土护坡、草皮护坡以及其他护坡等。如遇惯用险情，应以“反滤导渗，控制涌水，留有渗水出路”的原则，采用反滤围井、反滤压盖及透水压渗台等方法进行应对。如遇滑坡险情则应以“上部减载、下部压重”的原则采取措施。
（4）制定关于堤防工程的保险。保险作为风险转移的一种方式，是应对工程项目风险的一种重要措施。工程项目保险即指业主，或承包人，或其他被保险人向保险人交纳一定的保险费， 一旦所投保的风险事件发生，造成才站或人身伤亡时，则由保险人给与补偿的一种制度。美国从50年代就开始研究洪水保险，并制定出一系列的法规，以确保洪水保险的顺利实施，这对控制和减轻洪灾及帮助灾区恢复等起到了很好的作用。所以针对堤防工程的特点制定其相应的保险也是一种重要且有效的风险应对措施。
4. 工程算例
秦淮河流经南京市区，防洪工程历史悠久。南京市政府用了三年的时间对秦淮河系统进行了政治之后，为了对外秦淮河堤防稳定性做出评价，对其进行风险分析和风险管理研究。基于上述计算原理和设计思路，选取外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段堤防为典型，经分析认为该段堤防发生失事破坏的可能失效模式为堤防漫顶风险失事、渗透破坏失事和岸坡滑动失稳破坏失事模式。本文中仅选取一个典型断面（见图1）进行计算。
根据堤防漫顶计算公式求得外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段堤防洪水漫顶的概率为 2.638%。
基于所建立的堤坝渗透破坏风险率数学模型（2）式，根据回归拟合得到外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段堤防渗透破坏条件概率函数，分别计算外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段堤防典型断面在铺设防渗膜与无防渗膜情况下的堤防渗透破坏风险概率，得到渗透破坏风险率与内河水位之间的关系，其结果列于图2。
基于所建立的堤防岸坡滑动失稳风险率数学模型式(3)，计算典型断面背水面和临水面滑动失稳风险率。采用数值积分的方法进行求解计算，得到外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段根据综合风险率计算模型（5）式，利用上述各分项风险率的计算结果，得到外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段堤防的风险率的计算结果如表1所示。
根据外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段堤防防洪综合风险率计算成果表1，可以认为该段堤防断面1防洪综合风险率在无膜情况下为5.25%，在有膜情况下为4.803%。对比有膜无膜情况下该段堤防防洪综合风险率可以看出，防渗膜的铺设使得堤防防洪综合风险率降低了8.51%。考虑各分项风险率对综合风险率的贡献，从表1看出，外秦淮河定淮门桥～清凉门桥段堤防漫顶失事风险在防洪综合风险中所占比重最大，渗透破坏风险的贡献相对较小。
通过上述对外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段堤防的风险识别、估计、评价过程后，提出对外秦淮河堤防运行的应对方法。
基于对外秦淮河定淮门桥—清凉门桥段堤防的概率风险分析，对该段堤防汛期运行管理的建议:
（1）汛期洪水位处于▽9.0m以下时堤防运行处于安全状态，堤防发生破坏失事的可能性很低，只需进行常规的日常管理工作。但当洪水位处于超低水位运行时，需加强对临水面的观测，防止出现临水面护面出现拉裂缝，避免出现临水面滑动失稳，枯水期换水工矿尤为注意。
（2）当汛期洪水位处于▽9.0m～▽10.0之间时，堤防综合失事风险率迅速增加，需强化洪水位观测，进行汛期堤防日常巡查工作。当洪水位高于▽10.0m时，可以认为堤防超过警戒水位，必须加强堤防安全警戒水平，密切监视洪水位变化，对堤防安全巡视进行昼夜巡查，及时排除地方薄弱环节出现的险情并立即调集防汛抢险物资，时刻应对堤防薄弱环节可能出现的失事破坏。
（3）当汛期洪水位高于▽10.9米时，即表示发生设计外的超标洪水，堤防的设计标准已经低于洪水标准，此时立即发布防汛警报，撤走保护区内重要物资及人民生命财产。同时加强防汛物资储备，加强各项防汛监控，随时准备进行抢险救灾。此时需密切关注洪水位的变化、上游洪水以及降雨情况，对洪水走向作出预测，以指导防汛抢险工作。
根据风险管理理论在堤防工程中的应用，针对外秦淮河堤防提出风险管理决策建议：
（1）基于所研究的外秦淮河堤防已经经过加固工程，如提高堤顶高程、建设防浪墙等措施应对堤防漫顶风险；利用在堤防的临水面铺设防渗膜以降低渗透破坏风险等，工程主体自身的抗风险能力已经大大提高，所以对于应对外秦淮河堤防的风险，采取工程措施的方法已经可以较少的考虑。
（2）洪水虽能给人类带来巨大的灾害，但其本质具有淡水资源的属性，也就是说，如果外秦淮河堤防在汛期中当洪水来临时将洪水作为一种资源，合理地加以储积、利用，不但可以缓解淡水资源严重紧缺的局面，同时还能有效地减少外秦淮河堤防工程因为堤防漫顶失事所造成的工程风险，起到防洪减灾的作用。
（3）建立“外秦淮河堤防安全系统”，完善堤防安全管理体系。这个系统可以担负与外秦淮河地方工程有关的政策制定、研究和有关教育的功能，同时，也可以开展一些专项工程。其目的有两个方面：降低外秦淮河堤防风险和提高公众的风险意识。这个系统也可以在特定的时段设立堤防预警和应急服务项目，以应对堤防风险率较高的阶段。
（4）向保险部门投保。外秦淮河堤防工程项目的投资规模较大、建设工期较长、涉及面广、潜伏的风险因素多，采用保险的方法，支付少量的保险费用，以换得受到损失时得到补偿的保障是非常有效的。
5. 结语
堤防工程是我国防洪工程体系中的重要组成部分。将风险管理运用到堤防工程中，将传统经验型的堤防安全评价和管理方法转变成预测型的风险管理体系，对我国的防洪减灾具有重要意义和价值。本文采用风险识别方法对堤防失事模式进行识别，构建了堤防失事风险计算模型，提出了风险应对和风险处理的方法，同时将它应用于外秦淮河堤防工程安全评价中去，计算了外秦淮河堤防失事风险，并根据风险计算结果对堤防洪水运行管理提出建议，同时提出了相应的风险转移方法。本文的研究方法和思路具有重要的应用价值，分析方法和思路可供同类工程借鉴。
