第3章 山洪易发区水库大坝脆弱性分析
3.1 概述
近年来极端天气现象频现，导致了诸如干旱、强台风、暴雨等一系列极端事件的发生。联合国国际减灾十年框架认为［1］，脆弱性评估是确定极端灾害事件所造成的损害和生命损失的工具，它对拟建结构和工程形式的减灾方案具有举足轻重的作用。
开展山洪易发区内水库大坝脆弱性响应机制、驱动因子、变化规律、评价模型和评价方法以及未来脆弱性预测研究，是提高山洪易发区防灾减灾能力的客观需要，是保障水利工程安全运行和可持续发展的重要理论依据。本章在充分研究山洪影响与水库大坝的响应机制、分析和挖掘水库大坝脆弱性驱动力因子的基础上，建立了基于极端事件、水文气象、工程地质与自然地理等原生脆弱性以及技术、管理、人员和社会等外在脆弱性分析的水库大坝脆弱性评价指标体系，并基于突变理论和模糊数学建立模糊突变模型，对山洪易发区内的水库工程脆弱性进行了评价。
3.1.1 脆弱性的基本概念
脆弱性（vulnerability）是一个贯通于自然科学、工程科学和社会科学的重要概念，起源于对自然灾害的研究。脆弱性理论是指研究对象在各种内部、外部因素作用下导致系统本身性能恶化，以至于产生功能崩溃的理论。脆弱性是指系统（自然系统、人类系统、人与自然复合生态系统、基础设施系统等）易于遭受伤害和破坏的一种性质。脆弱性是动态变化的，并且在一定时间范围内具有方向性。
山洪易发区水库大坝本身是一个复杂系统，是由相互联系的若干子系统耦合而成的具有特定功能的多层次结构整体，除了具有复杂性、层次性、隐藏性、突变性等特征之外，还具有脆弱性。当系统脆弱性增加时，意味着水库大坝系统的不确定因素和风险性增加，其结构安全性能将受到更大威胁。特别是在极端灾害性天气事件的胁迫下，系统不确定性因素不断凸显，系统风险不断增加，系统将愈发脆弱。就水库大坝而言，其脆弱性的增减与系统所受的破坏活动和恢复活动有着直接的联系，当恢复活动程度可以制约破坏活动的发展时，水库大坝则处于稳定状态；反之，水库大坝则向脆弱甚至是溃决的方向演化。
水库大坝在运行过程中，由于内部、外部因素的影响，难免会造成系统稳定性降低，脆弱性增加。由于各子系统之间的关联性强，耦合程度高，其中任意一子系统存在缺陷或风险时，会产生连锁反应而威胁到其他关联子系统的安全。当破坏强度超过了系统的自我恢复能力时，则会造成子系统甚至整个系统的溃决，从而引发安全事故。
目前，脆弱性已被应用到灾害管理、生态学、山洪影响等众多研究领域，而其在水库大坝中的应用研究相对较少。鉴于水库大坝脆弱性研究存在不足，为表征水库大坝脆弱性特征，参照其他领域关于脆弱性的界定，综合考虑山洪影响和人类活动影响，提出了山洪影响下水库大坝脆弱性的相关概念，见表3.1。
表3.1 水库大坝脆弱性相关概念
上述水库大坝脆弱性相关概念和特征的阐述，为其脆弱性激发条件和因素的预测及其脆弱源的挖掘提供了依据。水库大坝脆弱性是水库大坝系统的固有内在属性，可将水库大坝的脆弱性分为原生脆弱性和外在脆弱性。原生脆弱性是水库大坝本身固有的，不受外部山洪和人类活动影响，它与工程本身以及区域的自然地理条件有关，因此在一定的时期内，原生脆弱性是相对稳定的，是静态的；外在脆弱性则考虑了外界山洪影响和人类活动对水库大坝的影响，它与水库大坝受到诸如暴雨、台风、地震以及低温等各种外界因素有关，并且受外界作用力的种类、强度、大小、持续时间和作用频率的影响。
3.1.2 国外脆弱性研究进展
目前国外关于脆弱性的研究主要集中在灾害、生态、地下水和水资源等领域的自然系统以及社会、环境领域的人文系统。对于自然系统，脆弱性研究主要探讨灾害、水资源、生态以及农业等系统对于外界胁迫和扰动作用的适应性及其维持自身稳定的能力。
（1）灾害系统脆弱性。灾害系统脆弱性研究起源于20世纪80年代。国外多采用定性分析方法对灾害脆弱性进行研究，但由于定性评估无法确定各个区域脆弱性的数值大小及空间分布，因而其实际应用受到了一定的限制。随着脆弱性研究的深入，灾害脆弱性开始从定性分析逐渐转入定量评估。Bohle等［3］提出了一个社会空间脆弱性评价模型，该模型揭示了人类、生态、权利、政治经济等因素决定了暴露风险、容量和恢复能力。Turner等［4］提出了SUST脆弱性研究分析框架，该框架给出人类与环境更加宽广的研究范围，认为敏感度、暴露度和恢复力导致了一个系统的脆弱性。Amy等［5］认为脆弱性的研究应考虑灾害临界值、敏感性、暴露度和适应性容量4个问题。Me－Bar等［6］认为脆弱性是灾害临界值的水平，提出了一种指标加权的方法对脆弱性进行评价，给出了标准参考事件和研究事件的绝对脆弱度，并计算研究事件的绝对脆弱度与标准事件的绝对脆弱度之比，即为相对脆弱度。
（2）生态系统脆弱性。生态系统脆弱性的研究始于20世纪80年代，之后许多学者开始对生态系统相关的生态环境、湿地生态等方面的脆弱性进行研究。李克让等［7］认为脆弱性与敏感性和适应性密切相关，生态系统的破坏根源于人类活动和全球气候变化；韩申山等［8］认为脆弱性是一种结果而不是一种原因，是一个相对的概念而不是一个绝对损害程度的度量。IPCC第二次评估报告（1996）指出［9］，人类健康、陆地与水生生态系统和社会经济系统对气候变化的程度和速度是敏感的，其中有些不利影响是不可逆的；IPCC第三次评估报告（2001）综合分析了气候变化对自然和人类系统的影响及其脆弱性；IPCC第四次评估报告（2007）指出人类活动特别是化石燃料的使用，是导致全球变暖的主要原因［10］；IPCC第五次评估报告（2014）指出了气候变化对不同领域和区域的影响，确认了气候变化是导致自然和人类社会系统不利影响和关键风险的主要原因［11］。
（3）水资源系统脆弱性。目前对于水资源脆弱性的研究主要分为地表水资源系统、地下水资源系统和湿地水资源系统3类［12］。国外水资源脆弱性研究源于20世纪60年代法国Albinet和Marget提出的地下水资源脆弱性概念［13］，随后众多学者及研究机构都对地下水资源脆弱性概念与评价方法进行了深入研究。1993年，美国国家科学研究委员会提出了地下水脆弱性的定义［14］。1999年，Doerfliger等［15］利用EPIK法和GIS技术对岩溶地区水资源脆弱性进行了评价。2000年，Charles等在预测1985—2025年气候变化及人口增长条件下，进行了水资源的脆弱性分析。近年来，随着科学技术的高速发展，GIS等高新技术被引入水资源脆弱性评价中。
3.1.3 国内脆弱性研究进展
（1）灾害系统脆弱性。我国对于灾害脆弱性的研究开始于20世纪末，主要采用定性和定量的分析方法开展研究。商彦蕊等［16］对人为因素在农业灾害中的作用进行了探讨，分析了农业脆弱性。樊运晓等［17］建立了承灾体脆弱性指标体系，采用层次分析法计算指标权重，计算得到灾害脆弱性的达成度。刘兰芳等［18］建立了湖南衡阳市农业旱灾脆弱性评估模型，采用因素成对比较法计算权重，得出衡阳市中部脆弱度高于东西两侧的结论，并提出了相应的减小脆弱性措施。吕娟等［19］研究了重庆市干旱的脆弱性。倪深海等［20］将农业干旱系统分为水资源的承载能力、抗旱能力和农业旱灾3个子系统，选取人均水资源量、耕地灌溉率和水库蓄水率等7个指标，建立了农业干旱脆弱性分区层次分析模型。
（2）生态系统脆弱性。在气候变化大背景下，国内对于生态系统脆弱性的研究较多，用于脆弱性评价的方法主要有模型模拟法、指标评价法和对比研究法3种，而基于量化评价的指标评价法应用最为广泛。国内许多研究者从不同角度论述了脆弱生态环境的内涵、成因，并提出了减缓生态环境脆弱性的对策，认为未来生态环境的变化将对人类的生存与可持续发展产生巨大的影响。王言荣等［21］选取年平均降水量、年均气温、人口密度等影响山西省生态环境的12个指标，利用层次分析法确定指标权重，对山西省各县生态环境的脆弱性进行了模糊综合评价。叶伟正［22］研究分析了淮河流域湿地的类型构成，从生态脆弱性的角度阐述了淮河流域湿地的脆弱性特征。
（3）水资源系统脆弱性。国内早期有关水资源脆弱性的研究主要集中在地下水方面。刘淑芳等［23］、郑西来等［24］分别对河北平原及西安市潜水的脆弱性进行了评价研究。进入21世纪后，地表及区域水资源的脆弱性研究相继开展。宋承新等［25］通过对水资源脆弱性的研究，全面分析了山东省缺水问题。邹君等［26］实现了对多个地区地表水资源的脆弱性的评价研究，并提出了地表水资源脆弱性的概念、内涵和评价方法。刘金芳［27］对沈阳市水资源脆弱性与区域发展的关系进行了探讨。陈康宁等［28］对河北省水资源系统的脆弱性进行了评价。