防洪工程体系综合风险评价的物元模型

赵永智

摘要：新中国成立以来，国家不断加大水利方面的投入，加强江河治理力度，在抵御水利灾害方面取得较好成绩，但是随着工业化的快速发展、全球气候变暖、极端恶劣天气事件的频繁发生，很多防洪工程都存在着不利的因素，有很多潜在的风险，也有些防洪工程给人民财产带来了一定的损失。因为部分防洪工程的事故发生给我国的经济建设带来了巨大的威胁，所以越来越多的专业人士开始研究防洪工程体系的风险评估，并取得了一定的成果。但是由于防洪工程体系比较复杂，传统的研究方法和理论局限性较强，并不能满足防洪工程的综合风险评价的研究，为此，本文提出了一种新的研究方法，即根据经典的防洪风险指标，用可拓的工程方法，对防洪工程体系进行风险等级划分，并且构造了各种风险指标的经典域和节域物元，通过对物元分析的应用以及可拓集合中的关联函数建立了一种综评价防洪工程体系的物元模型。

关键词：防洪工程体系；风险评价；物元分析；物元模型

防洪工程不仅关系着我国人民群众的生命和财产的安全，而且影响着国家的经济和社会的可持续发展。因为防洪工程体系是由多种不同的因素综合组成的，不仅有较简单的小因素，也有各种综合的复杂因素，这就导致常见的单因素的评价并不能取得良好的效果，没办法得到以流域为单位的较全面的综合风险评价。为了得到可靠的防洪风险评估结果，并通过此结果更好的服务于风险管理，我们利用物元的分析方法，将影响防洪工程体系的各种不同的影响因素综合起来，通过函数分析，建立了防洪工程体系的综合风险评价的物元模型。

一、各种基本概念

1.1物元

物元有三个要素，即对象、量值、特征。物元概念就是物元三要素的统一体，物元概念是一种思维形态，把思维对象的属性用物元模型的形式表现出来。定义如下：给定思维对象，用N表示，其特征用C表示，特征的量值用V表示，思维对象N的基本元可以以有序三元组R=(N,C,V)来表示，称为单元概念，简记为R=R(N),其中特征C及其对应的量值V合并起来称作特征元，记作M=(C,V)。

1.2可拓集合理论

可拓论是一种研究事情可拓展的可能性和开拓创新的规律和方法，并用这种方法去解决某些矛盾与问题，是一种类似于数学的学科。可拓集合理论是通过对实变函数中距离的概念进行延伸，利用描述客观事物性质变化的关联函数这种数学工具，定量的表达关于矛盾问题的转化，可拓逻辑是形式逻辑与辩证逻辑的综合体。

1.3物元分析方法

物元分析是通过可拓集合理论对各种矛盾和问题的规律与方法进行深入的研究的一种学科。

1.4物元模型

物元分析方法可以将很多抽象的复杂问题转化为较形象的数学模型，并通过研究这些模型，从而提出解决问题的相应方法。这种模型可以表达出事物不同的指标和多种等级，以及它们之间不同的性能参数，将评定的结果和各种不同等级的集合的关联程度用确定的数值呈现出来，从而完整的表现出事物的综合质量水平，并能通过计算机化的处理。

1.5防洪工程体系

防洪工程体系就是为了防控洪水、降低洪水带来的经济及人员伤害等损失而修建的各种工程体系，比如有堤、水库、分洪工程等等，从而达到挡、蓄、泄等不同的功能。

1.6系统风险评价

风险是由失事损失与风险率这两种内容组成。通过对这两方面内容的综合考虑，可以将风险定义如下：R=Pf*Cn；其中，R代表风险，Pf代表风险率，C代表出事后的损失，n代表指数，表示经济损失时，一般取1。

二、防洪工程体系的风险因素分析

由前面的介绍可以了解到，我国的防洪工程系统的类型以下几个方面组成，比如江河湖泊水流、堤坝、河道治理工程以及分蓄洪工程等等，虽然种类不是特别多，但是实际使用过程中碰到的问题却相当的复杂。以堤坝为例，不同的修建年代、等级以及类型就会造成不同的风险级别。下面就对上述几种不同的防洪工程的不同的风险指标做一个简单的概述：

2.1水库

水库一般建立在人口比较密集的防洪区的上游，可用于洪水的调蓄。虽然水库的建立可以提高该区域的防洪能力，但是它也存在着很多潜在的危险，一旦发生事故，将会带来很多的灾难，其风险因素可以分为水文风险、结构风险以及水利风险。水库的防洪能力与以下因素有关，比如天然降水量、水库施工质量、水利参数的确定、水库的调洪方式、水库的起调水位等。以A1代表水库的风险值。

2.2分蓄洪工程

分蓄洪工程的使用受很多不确定因素的影响，包括工程技术、自然环境以及社会经济影响等。其风险因素有启用频率、分洪量、平均淹没水深、淹没时间、淹没区类人口密度、工农业的产值密度、周边交通干线密度、避洪面积、预警系统达标率、避洪知识的普及率等等。以A2代表分蓄洪工程的风险值。

2.3湖泊

当遭遇洪水时，沿途的湖泊也起到很重要的泄洪作用，从而减轻河道的泄洪压力。但是当洪水量超过其最大容量时，也存在着很大的洪灾风险。其风险因素有警戒水位、洪峰最低水位与最高水位等等。以A3代表湖泊的风险值。

2.4堤坝

江河堤坝是很重要的防洪工程措施，不仅提升泄洪水平，也能避免洪水泛滥，从而提高防洪能力。通过堤坝最高防洪水位与来流洪水位之差的均方差来表达堤坝的防洪风险程度。以A4代表堤坝的风险值。

2.5河道

河道治理工程效果的好坏由行洪过程是否顺畅来体现的，其风险指标这是有受阻程度来衡量的。风险指标有河床的糙率变化即治理后的河床糙率与治理前对策河床糙率之差。以A5代表河道的风险值。

通过确定上述防洪工程体系的风险因素，并对相应的风险指标进行量化，并根据量化的结果对上述防洪工程体系中的风险因素进行分级，根据风险的大小程度不同，可以分为微险、轻险、中险、中险和特险五个级别。

三、防洪工程体系综合风险评价的物元模型

具体应用到某一个区域的防洪工程体系的风险评价时，我们应该根据不同的防洪工程体系组成，计算出相应的风险指标值，从而建立相应的风险评价物元的节域和经典域，并根据计算出的风险值，最后计算出该区域的防洪体系的风险级别，从而指导防洪工程的具体使用与维修方式。

以某一具体的事件为例：

假设某一段防洪工程体系由上游的水库、分蓄洪工程和河道三部分组成。为了对这一段防洪工程体系进行风险评估，我们首先要找出这三种防洪工程各自的风险指标。比如水库，通过对降水量、水库质量、水利参数等各种不同的风险指标进行综合评估，计算出水库的风险值A1为n1。以此类推，分别计算出分蓄洪工程的风险值A2值n2和河道的风险值A3值n3。根据上述风险值，我们可以建立该防洪工程风险评价的经典域、节域，并根据该防洪工程体系的现状，确定出其风险待评价物元Rx=(Nx,Ci,Vi),其中Nx分别为水库风险、分蓄洪工程风险和河道风险，vi分别为n1、n2、和n3。根据可拓集合理论，将上述数值利用专业的数学知识得到相应的关联函数值矩阵，从而计算出该防洪工程体系的综合风险值。根据上述方法中得到的综合风险值来确定该防洪工程体系中的风险威胁，根据威胁的大小来对该段防洪工程体系进行维修和改善。

总结：物元模型就是通过数学课量化的模式对防洪工程体系中综合风险评价进行具体的量化，让大家能直观的发现该体系中的风险因素和风险等级，并根据具体的量化值来改善整个体系。作为一种计算工具，其目的是为了提高风险识别能力，最终还是为了提高风险抵抗能力，降低洪涝灾害对人民群众的生命财产安全以及国家经济可持续发展的的危害。不管如何，我们都应该加强防洪工程薄弱环节的建设，降低风险等级，合理确定工程建设的规模和标准，强化责任，加强指导和监督，提高防洪能力，保障国家和人民财产的安全。

参考文献：

1:浅析如何加强防洪体系薄弱环节建设[J].张华仁，田浩然.《中国西部科技》.2011(11)

2:防洪工程体系综合风险评价的物元模型[J].纪昌明，李继清，张玉山.《华北电力大学学报》.2005（01）.

3:防洪体系系统风险评估模型研究[J].程卫帅，陈进.《水科学进展》.2005（01）.