(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001)

1 研究背景

數(shù)個(gè)世紀(jì)以來，洪水在各種自然災(zāi)害中一直是發(fā)生頻率最高、波及范圍最大、造成危害最大的自然災(zāi)害之一，對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)政策產(chǎn)生了巨大的影響。據(jù)美國國家航空航天局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，自1990年以來，生活在距海岸1 km以內(nèi)的世界人口比例從11%增加到23%[1]；我國水利普查結(jié)果顯示，堤防沿線生活的人口數(shù)量占據(jù)我國總?cè)丝跀?shù)的一半[2]。中國的長江、黃河、印度的Tapi河、美國的密西西比河[3]沿線地區(qū)以及荷蘭[4]等都深受洪水侵害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲最近發(fā)生的洪水事件使50萬人流離失所，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)250億美元[5]，相比之下在美國發(fā)生的洪水造成的損失更是翻了一倍[6]。為了保護(hù)城市免于洪水侵害，我國曾實(shí)施了很多保護(hù)措施，但基本都是在原有堤防的基礎(chǔ)之上進(jìn)行加高培厚，這就導(dǎo)致現(xiàn)有堤防條件復(fù)雜，堤基條件、堤身建筑質(zhì)量差、堤后坑塘多[7]，并且堤防工程以沙基為主，建設(shè)過程中很多工程未進(jìn)行基礎(chǔ)處理[8]，這大大增加了堤防失效的風(fēng)險(xiǎn)。雖然很多專家學(xué)者圍繞堤防失效模式、水文水利條件、災(zāi)害損失評(píng)估等多維度探討了堤防的風(fēng)險(xiǎn)性，但基于堤身?xiàng)l件復(fù)雜，地質(zhì)條件差異及現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)分析方法中較多部分存在的不確定性[9]，至今未達(dá)成一致。

所以通過考慮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要性及對(duì)相關(guān)的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)后果的影響，有效地對(duì)堤防安全性進(jìn)行評(píng)估并及時(shí)對(duì)堤防的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警尤為重要。這不僅能顯著減少災(zāi)害的發(fā)生，更能揭示洪水-人之間的反饋機(jī)理。因此,本文總結(jié)了堤防不同失效模式，并從風(fēng)險(xiǎn)定義出發(fā)梳理了國內(nèi)外關(guān)于堤防風(fēng)險(xiǎn)分析的理論方法，特別對(duì)堤防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析中存在的不確定性進(jìn)行了探討，以期為相關(guān)研究和堤防風(fēng)險(xiǎn)管理提供一定參考。

2 堤防失效模式

堤防工程各種失效模式的研究是堤防工程風(fēng)險(xiǎn)分析的基本內(nèi)容，各學(xué)者針對(duì)所研究河流領(lǐng)域堤防主要破壞形式給出的定義不同。堤防的失效機(jī)制主要被分為2類[10]：一類是結(jié)構(gòu)失效，包括物理擾動(dòng)對(duì)堤防的破壞;另一類是由水力如滲流、漫溢、波浪侵蝕、管涌液化等造成的破壞。

基于以上2種機(jī)制，堤防的失效模式一般分為：漫頂、結(jié)構(gòu)失效、管涌和波浪淘刷4種。以上4種任何一種失效模式都會(huì)使堤防處于危險(xiǎn)之中，如：中國淮河淮南段多次承受洪水漫頂?shù)臑?zāi)難，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅；荊江大堤常年深受管涌的危害；三峽工程在三期圍堰擋水發(fā)電期間，當(dāng)泄洪深孔與導(dǎo)流底孔聯(lián)合泄流時(shí)，壩下右側(cè)的回流導(dǎo)致壩趾處嚴(yán)重淘刷，嚴(yán)重威脅到了壩基和下游縱向圍堰的安全等[11-14]。這4種失效模式發(fā)生概率及重要程度有所不同，研究發(fā)現(xiàn)，漫溢和管涌造成的破壞占據(jù)82%，是堤防系統(tǒng)最主要的失效形式[15]。洪水漫溢的概率與洪水本身的特性和堤防設(shè)計(jì)高程相關(guān)，而管涌破壞的概率與堤防構(gòu)成和地基的巖性特別是土壤的易蝕性相關(guān)?；诖耍珺riaud[16]研究了6種土壤的可蝕性，研究結(jié)果表明土壤的可蝕性與其塑性呈負(fù)相關(guān)，與粒徑大小呈正相關(guān)。Orlandini等[17]考慮降雨、河流流量和不同飽和流量的詳細(xì)數(shù)值模擬方法，探討了堤防破壞風(fēng)險(xiǎn)的水利和巖土機(jī)理。

綜上所述，堤防的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估除了需要考慮堤防組成材料的特性，特別是土體類型和土體剛度外，還需要考慮上游降水及河流行洪能力的影響。

3 堤防風(fēng)險(xiǎn)定義

雖然在經(jīng)濟(jì)、工程等領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)險(xiǎn)分析的討論較多，但關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)定義的研究卻較少，目前關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)最著名的定義由Knight[18]在對(duì)概率的研究中提出，他認(rèn)為可測(cè)量的不確定性可以用 “風(fēng)險(xiǎn)”一詞來表示，而不可測(cè)量的用“不確定性”一詞來表示。其中風(fēng)險(xiǎn)與客觀概率有關(guān)，不確定性與主觀概率有關(guān)。也有學(xué)者認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)可以分為2個(gè)不同的尺度：其一為“事實(shí)”維度，表示實(shí)際測(cè)量的風(fēng)險(xiǎn)水平，可以用損失概率(如人數(shù)、建筑物、貨幣價(jià)值)來表示；另一個(gè)為“社會(huì)文化”維度，表示綜合考慮價(jià)值和人類情感時(shí)，對(duì)特定風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

在工程界，大部分學(xué)者將風(fēng)險(xiǎn)解釋為[19]：災(zāi)害發(fā)生所導(dǎo)致潛在的損失和傷害，即包括發(fā)生事故的類型、發(fā)生該類型事故的可能性及該事故發(fā)生所導(dǎo)致的后果，它普遍具有客觀性、突發(fā)性、不確定性和相對(duì)性等特征。而風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是通過將風(fēng)險(xiǎn)水平與預(yù)先確定的標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)水平或其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，來對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的重要性和可接受性進(jìn)行判斷，其實(shí)質(zhì)就是從系統(tǒng)工程的角度, 建立經(jīng)濟(jì)投入、系統(tǒng)安全與系統(tǒng)破壞可能帶來的人員和經(jīng)濟(jì)損失之間的關(guān)系[20]。

通常情況下，堤防的風(fēng)險(xiǎn)分析定義為堤防失事模式、不同失事模式發(fā)生概率及由此產(chǎn)生的損失，即失事概率與導(dǎo)致后果的乘積[21]，它的任務(wù)是對(duì)工程中存在的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、估計(jì)和評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上采用各種風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)進(jìn)行處理與決策，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施有效控制和管理。一般堤防工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為風(fēng)險(xiǎn)低、風(fēng)險(xiǎn)較低、風(fēng)險(xiǎn)一般、風(fēng)險(xiǎn)較高、風(fēng)險(xiǎn)高5個(gè)等級(jí)，根據(jù)不同等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)采用不同的應(yīng)對(duì)措施[22]。

4 堤防風(fēng)險(xiǎn)分析理論與方法

堤防風(fēng)險(xiǎn)分析方法眾多，從常規(guī)的定性、定量分析逐步發(fā)展為考慮不確定性對(duì)其結(jié)果的影響。傳統(tǒng)的定性分析方法受人為因素影響過大，過分依賴相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，難以量化為適用于各種堤防的統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)的定值安全評(píng)價(jià)方法沒有考慮到設(shè)計(jì)變量的變異性，也難以解決工程特性復(fù)雜的情況，所以考慮不確定性因素的堤防分析方法是目前的主流做法。

堤防風(fēng)險(xiǎn)分析中存在的不確定性是堤防項(xiàng)目一直致力解決的問題，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)[23]將不確定性定義為一個(gè)“值”未知的程度。關(guān)于不確定性的來源主要有2個(gè)：隨機(jī)不確定性和認(rèn)知不確定性。前者是一種內(nèi)在或自然的時(shí)空變異性，后者是對(duì)研究過程、系統(tǒng)或?qū)ο蟛煌耆私鈱?dǎo)致的結(jié)果[24]。洪水風(fēng)險(xiǎn)分析模型包含各種各樣的組成部分，并與巨大的不確定性相關(guān)聯(lián)。其不確定性主要包含以下4個(gè)方面[2 ]：①模型閾值的選擇；②洪水頻率分布函數(shù)的選擇；③建筑在模型中幾何形狀的表示及不同水位的表示方法的選擇；④損失函數(shù)的選擇。

這4個(gè)方面的任何一種都會(huì)對(duì)洪水分析模型產(chǎn)生較大的影響，特別是損傷函數(shù)的選擇對(duì)整體建模結(jié)果影響最大。

這些不確定性因素同時(shí)也是影響堤防風(fēng)險(xiǎn)分析的最關(guān)鍵因素。在現(xiàn)有對(duì)工程實(shí)踐中隨機(jī)不確定性的研究中，雖取得了一定效果，但由于缺乏足夠的信息，且對(duì)認(rèn)知不確定性的研究尚處于起步階段，很難最大限度降低隨機(jī)不確定性。另一方面，各文獻(xiàn)所述風(fēng)險(xiǎn)分析模型的驗(yàn)證基本是通過將所觀察到的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來判斷，使很多模型并不具備普適性及較強(qiáng)的預(yù)測(cè)性。因此，目前許多針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析中不確定性的研究主要側(cè)重于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型鏈的特定部分或整體風(fēng)險(xiǎn)模型的輸出敏感性進(jìn)行描述?；谝陨?方面的問題，堤防風(fēng)險(xiǎn)分析的發(fā)展受到較大限制，所以如何對(duì)待不確定性，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序全過程相關(guān)的不確定性進(jìn)行徹底的調(diào)查研究是接下來需要研究的重點(diǎn)。

考慮堤防不確定性因素的分析方法，目前大體分為可靠性分析方法、模糊綜合評(píng)價(jià)方法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，其中以概率理論為基礎(chǔ)的可靠性設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)方法在國內(nèi)外均得到較快的發(fā)展，目前應(yīng)用也是最為廣泛[25]。同時(shí)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法具有預(yù)警誤差小、速度快、容錯(cuò)能力大等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸被應(yīng)用于堤防工程的風(fēng)險(xiǎn)分析之中。

4.1 可靠性分析方法

可靠性的定義為：產(chǎn)品、元件、系統(tǒng)在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力或可能性?？煽啃苑治龇ㄊ菓?yīng)用概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和可靠度理論等為基礎(chǔ)的分析方法。最早它用在研究飛機(jī)性能可靠性和必要的安全措施中，之后迅速發(fā)展，1947年Freudenthal[26]的論文“結(jié)構(gòu)可靠度”被廣泛認(rèn)為是結(jié)構(gòu)可靠性理論研究的開始。結(jié)構(gòu)隨機(jī)可靠性分析又稱為概率可靠性分析，其主要方法為確定一個(gè)顯式的公式來描述工程破壞的臨界情況，然后再通過一系列科學(xué)計(jì)算的手段來確定概率密度，進(jìn)而通過積分求得最終的失效概率[27]。如Wood[28]基于可靠度的理論分析了堤防安全的不確定性對(duì)潰決概率不確定和洪水造成的預(yù)期損失的影響。隨著可靠度理論在結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，將其應(yīng)用于多種失效機(jī)制相互作用的堤防風(fēng)險(xiǎn)成為可能。1976年，可靠度模型由荷蘭的水利工程師首次將其應(yīng)用于斯凱爾特河的工程實(shí)踐當(dāng)中，因此也被稱為Dutch法。而后Vrijling[29]使用這種方法評(píng)價(jià)了英國的海岸堤防工程。

之后國內(nèi)也基本以可靠度理論為基礎(chǔ)，使用近似解法、數(shù)值模擬法和積分法等進(jìn)行了大量堤防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究。如梁在潮等[30]以可靠度理論為基礎(chǔ)，探討了堤防防洪能力的評(píng)估方法，且經(jīng)過比較分析認(rèn)為，一次二階矩法中的驗(yàn)算點(diǎn)法，比較適用于堤防防洪能力風(fēng)險(xiǎn)度的計(jì)算。徐衛(wèi)亞等[3]采用Monte Carlo模擬法完成了堤防幾種失效概率的計(jì)算。邢萬波[7]、曹云[32]等考慮堤防實(shí)際工程中的不確定性及各種影響因素的隨機(jī)變異性，以概率論和可靠度為基礎(chǔ)，對(duì)板橋河左岸堤防加固工程、南京市外秦淮河整治工程堤防進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)堤防汛期管理提出若干建議。焦小超[2]基于可靠性理論提出的脆弱性曲線方法能更直觀地表示堤防失事概率，有效判別堤防工程的安全程度。高延紅[33]根據(jù)現(xiàn)有堤防工程存在的主要隱患，以風(fēng)險(xiǎn)理論為基礎(chǔ)，建立了基于層次分析法和破壞路徑的堤防工程系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。劉亞蓮等[34]利用突變級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)法利用突變級(jí)數(shù)法歸一公式的內(nèi)在作用機(jī)制確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，避免了對(duì)各因素進(jìn)行主觀賦權(quán)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理并成功預(yù)測(cè)加固北江大堤石角墟—蜆殼崗堤段。吳興征等[35]基于可靠性理論建立堤防失事極限狀態(tài)方程，開發(fā)了堤防安全評(píng)估分析系統(tǒng)。

此外，美國陸軍工程兵團(tuán)(United States Army Corps of Engineers,USACE)[36]提出了“平均可靠性”模型來計(jì)算堤壩失效概率，而Pinter等[37]借用此模型進(jìn)行了堤防的殘余風(fēng)險(xiǎn)分析。雖然可靠度分析方法已取得較大的成績，但考慮到堤防發(fā)生滲透破壞等失事是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)逐漸發(fā)展的過程，且各影響因素之間相互關(guān)系復(fù)雜，分析模型使用功能函數(shù)方程經(jīng)過過多簡化，因此分析結(jié)果與實(shí)際通常有一定差別。

4.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法和灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法

堤防工程不確定性因素多而復(fù)雜包含水文、水力、土工的模糊性與灰色性，他們的性質(zhì)和指標(biāo)通常缺失或不夠精確，堤防系統(tǒng)模型過于復(fù)雜無法用精確模型描述，因此模糊綜合評(píng)價(jià)法和灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法取得了較大的進(jìn)展。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)法的系統(tǒng)性強(qiáng)、結(jié)果清晰，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。而灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法是以灰色朦朧集為基礎(chǔ)的理論體系，以灰色關(guān)聯(lián)為依托的分析體系，以灰色序列生成為基礎(chǔ)的方法體系，以灰色模型(GM)為核心的模型體系，以評(píng)估、建模、預(yù)測(cè)、決策、控制和優(yōu)化為主體的技術(shù)體系的一種分析方法[38]。

在堤防上王亞軍等[23]建立了模糊綜合評(píng)判系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次分析法(AHP)模型算法獲得了荊南長江干堤的安全特性。張秀勇[39]基于可靠度理論建立了黃河堤防管涌、流土滑坡等風(fēng)險(xiǎn)分析模型，利用蒙特卡洛-隨機(jī)有限元分析方法進(jìn)行了堤防失事概率計(jì)算，并應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)、遺傳算法和層次分析法對(duì)黃河的堤防進(jìn)行了安全性綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)影響堤防工程的因素，建立了堤防工程安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，王恩[40]將層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合，構(gòu)建了堤防工程安全模糊層次分析評(píng)價(jià)模型，并以興城河城區(qū)段左岸及右堤防為例，進(jìn)行工程安全綜合評(píng)價(jià)，得出此方法簡單易用、評(píng)價(jià)結(jié)果合理可靠。寧少晨等[41]建立岸坡穩(wěn)定性的灰色斜率關(guān)聯(lián)分析模型，以防洪堤岸坡穩(wěn)定的安全系數(shù)為參考序列，對(duì)各影響因素的重要性程度給予量化，并從眾多的影響因素中找出主要的因素是坡比，黏聚力和內(nèi)摩擦角等，從而有利于分析倫潭水利樞紐工程的相關(guān)分析。蔡新等[42]引進(jìn)灰色理論，以堤基工程地質(zhì)條件、河勢(shì)穩(wěn)定性、滲透穩(wěn)定性、滑動(dòng)穩(wěn)定性、堤防整體性和工程管理為基本要素，構(gòu)建堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及堤防安全評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。將所建模型用于長江堤段，并對(duì)其進(jìn)行整體安全評(píng)價(jià)。

堤防系統(tǒng)復(fù)雜，涉及范圍較廣，傳統(tǒng)的模糊與灰色關(guān)聯(lián)分析模型難以滿足多因素系統(tǒng)分析表現(xiàn)出的復(fù)雜性，將其與智能算法結(jié)合是進(jìn)一步解決不確定性系統(tǒng)建模的重要研究途徑。

4.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為模擬人大腦神經(jīng)的某些機(jī)理與機(jī)制的一種網(wǎng)絡(luò)，可通過傳遞或轉(zhuǎn)換函數(shù)實(shí)現(xiàn)單元輸入與輸出間的非線性映射[43]。作為一種新興的、功能較強(qiáng)、能逼近任何非線性系統(tǒng)特點(diǎn)的信息處理方法，目前大量應(yīng)用于大壩的安全監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，如趙斌等[44]、楊杰等[45]，同時(shí)由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在訓(xùn)練時(shí)間長、學(xué)習(xí)效率低等一些局限性，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。如蘇懷智等[46]基于遺傳算法的思想，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的含義拓展為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和閾值的學(xué)習(xí)，為大壩安全形態(tài)提供了有力的技術(shù)支持。陳偉[47]同樣建立了一種基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的大壩安全監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)模型，這個(gè)模型在收斂速度、穩(wěn)定性及預(yù)報(bào)精度上都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。翁靜君[48]使用L-M算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，解決了BP(Back Propagation)網(wǎng)絡(luò)易于陷入局部最小的問題。

相比大壩而言，我國不同地域的堤防地質(zhì)情況復(fù)雜，運(yùn)行條件多變，受自然和社會(huì)的不確定性因素影響眾多，所以其應(yīng)用于堤防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的研究還較少。張我華等[49]通過分析管涌機(jī)理確定影響管涌的關(guān)鍵因素，在此基礎(chǔ)上從影響堤防管涌發(fā)生的諸多復(fù)雜因素中選出既便于測(cè)量、觀測(cè)又對(duì)管涌有顯著影響的9種因素作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將管涌發(fā)生與否的判別預(yù)測(cè)指標(biāo)作為輸出，并建立改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型判定管涌是否發(fā)生。結(jié)果表明預(yù)測(cè)判定的精度較高，是預(yù)測(cè)判定管涌發(fā)生的有效方法。陳亮等[50]基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理，建立了堤防管涌預(yù)測(cè)模型，能較好地描述堤防管涌的非線性特征。同樣，余功栓[51]分析了堤壩管涌發(fā)生的過程和影響管涌發(fā)生的因素，提出一種預(yù)測(cè)判定管涌發(fā)生可能性的機(jī)理模型，根據(jù)機(jī)理模型建立了管涌影響因素與管涌發(fā)生指標(biāo)之間的映射關(guān)系。應(yīng)用管涌相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)管涌人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的結(jié)果精度較高，說明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是預(yù)測(cè)判定管涌發(fā)生的有效方法。盧丹玫[34]用灰色關(guān)聯(lián)分析出影響堤防的重要因子后應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的BP算法，采用MatLab中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)庫編寫程序建立了南寧市防洪堤邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，大大減少了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算時(shí)間，使得防洪堤邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)更為便捷迅速。王秀杰等[52]提出的突變理論與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的堤防安全綜合評(píng)價(jià)模型既考慮系統(tǒng)內(nèi)部各影響指標(biāo)間的矛盾關(guān)系，又具有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)堤防風(fēng)險(xiǎn)分析具有較好的借鑒意義。

除此之外,Hosseinalizadeh等[53]通過3種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，即紋理判別分析(MDA)、靈活的判別分析(FDA)和支持向量機(jī)(SVM)來預(yù)測(cè)伊朗Golestan省管涌發(fā)生概率較高的區(qū)域，結(jié)果表明SVM模型預(yù)測(cè)最為準(zhǔn)確，其次是MDA和FDA模型。王小茹等[54]和翟越等[55]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核函數(shù)和徑向基核函數(shù)，提出支持向量機(jī)方法，并令其與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析，結(jié)果證明支持向量機(jī)法在有限樣本情況下的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)成效具有更好的推廣能力，并能有效地彌補(bǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的不足，同時(shí)采用網(wǎng)格搜索法來確定模型參數(shù)能大大提高學(xué)習(xí)效率，在一定程度上解決參數(shù)確定困難的缺點(diǎn)。

基于大數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已大量應(yīng)用于大壩安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，但在堤防系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析中研究不多，最主要的原因是堤防系統(tǒng)數(shù)據(jù)較難獲取，沒有足夠的樣本用于學(xué)習(xí)，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)分析模型運(yùn)行結(jié)果不夠準(zhǔn)確。另一方面如何通過智能算法描述堤防失效破壞時(shí)的動(dòng)態(tài)發(fā)展性質(zhì)，仍需要進(jìn)一步深入的研究。

4.4 其他方法

堤防風(fēng)險(xiǎn)分析的研究方法眾多，常結(jié)合事件樹分析法和故障樹分析法一起使用。事件樹方法是根據(jù)特定的規(guī)則用圖形來表示由某些激發(fā)事件可能引起的許多事件鏈，以追蹤事件破壞的過程和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性，是以某一初始事件的發(fā)生為條件計(jì)算出其概率事件樹[56]。而故障樹分析法是由上往下的演繹式失效分析法，利用布林邏輯組合低階事件，分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的狀態(tài)。故障樹分析主要用來了解系統(tǒng)失效的原因，并找到最好的方式降低風(fēng)險(xiǎn)，或是確認(rèn)某一安全事故或是特定系統(tǒng)失效的發(fā)生概率。

馬曉忠等[57]根據(jù)洪澤湖大堤工程實(shí)際情況，結(jié)合洪水事件和破壞模式，構(gòu)造事件樹，利用事件樹分析計(jì)算單元堤段失事概率。解家畢等[58]利用事件樹法原理應(yīng)用在堤防方面成功找出影響堤防安全性的各種不確定性的關(guān)系，得出定量求解的方法。李松晨等[59]基于復(fù)雜系統(tǒng)脆性理論，結(jié)合故障樹分析法提取脆性因子，構(gòu)建了城市防洪系統(tǒng)的脆性模型，并借助MIKE11軟件進(jìn)行水動(dòng)力仿真模擬，以蘇州地區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證計(jì)算，驗(yàn)證了理論方法的有效性的同時(shí)，為蘇州地區(qū)城市防洪預(yù)警提供了可靠的分析數(shù)據(jù)。王靖文等[60]構(gòu)造了簡化的描述堤防失穩(wěn)的故障樹，針對(duì)求解故障樹得到的堤防失穩(wěn)模式，建立了相應(yīng)的極限狀態(tài)方程，并利用 Monte-Carlo 模擬技術(shù)計(jì)算了各失效模式下的失效概率，最終得到了堤防總的失穩(wěn)概率。

也有不少學(xué)者用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，Brimicombe等[61]利用水利和地理模型結(jié)合信息系統(tǒng)和數(shù)字高程模型對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并繪制了洪水的泛濫面積和深度。Chen等[62]使用層次分析法并結(jié)合地理信息系統(tǒng)對(duì)臺(tái)灣地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。梁艷紅[63]將中小河流潰堤洪水?dāng)?shù)值模擬和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，對(duì)江西省羅塘河洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并編制了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。

堤防問題越來越被相關(guān)行業(yè)關(guān)注，堤防風(fēng)險(xiǎn)分析方法也得以迅速發(fā)展。行業(yè)學(xué)者運(yùn)用事件樹分析法和故障樹分析法可以全面追蹤堤防破壞的過程、評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性。除此之外，數(shù)值模擬和地理信息系統(tǒng)以及相關(guān)模型與電子計(jì)算機(jī)軟件的結(jié)合更是促進(jìn)了堤防風(fēng)險(xiǎn)分析的研究方法的發(fā)展。但是堤防工程風(fēng)險(xiǎn)分析研究涉及工程結(jié)構(gòu)、安全評(píng)估、概率風(fēng)險(xiǎn)分析等不同學(xué)科，事件樹、數(shù)值模擬等風(fēng)險(xiǎn)分析方法一方面針對(duì)工況不夠全面，另一方面在分析時(shí)無法兼顧堤防工段結(jié)構(gòu)、堤基地質(zhì)條件、水文因素等各個(gè)方面，因此，應(yīng)綜合運(yùn)用各類分析方法建立基于水-雨-工情的堤防風(fēng)險(xiǎn)分析模型是目前研究的重點(diǎn)。

5 結(jié) 語

在應(yīng)對(duì)堤防典型險(xiǎn)情風(fēng)險(xiǎn)分析的過程中，各國專家學(xué)者做了很大的努力，并取得了較多的成果。原始的人為因素占主導(dǎo)的定性定量分析已不適合堤防，相比而言，不確定分析方法在國內(nèi)外發(fā)展迅猛，基于此模糊綜合評(píng)價(jià)法和灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法被引入工程項(xiàng)目，并且取得了較大的進(jìn)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其強(qiáng)大的非線性映射能力漸漸在堤防工程中得到應(yīng)用，成為了發(fā)展前景最好的方向之一。雖然堤防項(xiàng)目特別是風(fēng)險(xiǎn)分析已取得較大的成果，但依舊有著眾多尚需解決的問題：

(1)目前雖然提出了較多的堤防風(fēng)險(xiǎn)分析模型，但共同之處是模型的各個(gè)部分都有相當(dāng)多的不確定性，包括堤防的幾何形狀、洪水產(chǎn)生頻率、降雨量的精確預(yù)估、災(zāi)害損失函數(shù)的選擇等等，都會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差，因此如何使不確定性帶來的影響最小化是目前需要研究的重點(diǎn)。

(2)在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析中，洪水的頻率分布基本基于以往統(tǒng)計(jì)資料，這往往導(dǎo)致堤防的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不具備時(shí)效性，因此應(yīng)綜合考慮現(xiàn)有降雨、徑流生成、流域集中、河網(wǎng)分布對(duì)堤防的作用。

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在大壩安全監(jiān)測(cè)與評(píng)論領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，考慮堤防系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，各因素間存在相互影響的關(guān)系，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到堤防系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析中的研究還較少。

(4)由于單個(gè)系統(tǒng)組件長期數(shù)據(jù)的缺失，目前堤防的風(fēng)險(xiǎn)分析基本從風(fēng)險(xiǎn)的概念和模型輸出結(jié)果出發(fā)，預(yù)先建立相應(yīng)分析模型，并輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。隨著技術(shù)的發(fā)展，各種水文水利條件及堤防土質(zhì)情況數(shù)據(jù)日益完善，應(yīng)考慮無需先假設(shè)一個(gè)結(jié)構(gòu)模型，直接基于調(diào)查數(shù)據(jù)建模，在數(shù)據(jù)中找到系統(tǒng)組件之間的相關(guān)性，作為堤防風(fēng)險(xiǎn)分析的起點(diǎn)。

(5)對(duì)堤防失事后果評(píng)價(jià)方面的研究較少，至今專門針對(duì)堤防失事后果的分析評(píng)價(jià)很少，大多是針對(duì)大壩失事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面的研究，國內(nèi)學(xué)者現(xiàn)在對(duì)洪災(zāi)后生命損失、經(jīng)濟(jì)損失、間接損失采用的估算方法大多數(shù)是參考國外經(jīng)驗(yàn)。