极端天气强迫下的海洋动力灾害过程(风暴潮、海浪、海啸)对我国近海有显著影响, 而海堤是我国近海生产和生活安全的重要屏障, 它们的安全可靠性和实际防御能力直接关系沿海城市的人员和财产安全。因此, 需要准确、可靠的评估各种防御设施的防御能力, 以便在防灾减灾进行决策。

对海堤防御能力的研究是国内外工程界和管理部门长期关注的课题。海堤对海水入侵的防御体现在两方面: (1)防御海水漫堤。漫堤包括风暴潮引起的水位升高或波浪爬高越过海堤堤顶和波浪以越浪的形式引起的海水入侵; 尹宝树等^[1]根据海水水位相对于堤顶高程的距离, 提出了漫堤灾害的风险等级标准及风险评估方法, 对黄河三角洲近岸海域主要堤段进行了多年一遇和典型台风过程漫堤灾害的风险评估。张莉等^[2]考虑了海水升高和波浪爬高共同导致的漫堤风险, 建立了漫堤预警方案并在福建沿岸应用。越浪量与海堤自身结构有密切联系, 其计算公式有很多种^[3-5], Wang等^[6]对比评价了计算越浪量的几种代表性方法, 并结合试验结果提出了一种改进的计算方法。(2)防御溃堤引起的海水入侵。溃堤指在外力(潮位、风浪及其作用过程等)和抗力(堤坝整体稳定、护面稳定、渗流稳定、堤脚和堤后抗冲刷)相互作用下, 堤身失稳引起的溃决, 海水通过溃口入侵。王晓红^[7]选取浙江沿岸的海堤, 从剩余沉降和堤身稳定两发面对海堤进行了安全评价; 吴晓娟^[8]以宝安区海堤为例, 分析了水位骤降条件下海堤渗流及稳定性。张尧等^[9]研究了海堤溃堤机理, 发现越浪水体导致的后坡侵蚀和护面块体滑动是海堤失稳的主要触发因素。陈伟秋等^[10]讨论了海堤后坡混凝土护面板在越浪影响下的稳定性情况。

我国约有75%的海岸沿线修建了海堤^[11], 其中很多海堤存在不达标、地基沉降、年久失修等问题, 这对沿海人员和生产安全带来了潜在的隐患。因此, 有必要发展一种便于应用的海堤防御能力评估方法, 为决策部门提供科学的、可操作的灾害风险评估手段。针对此问题, 本文将建立用于评价海堤防御能力的指标体系方法。

1 防御指标体系

防御指标体系的建立步骤如图 1中所示, 下面将逐项详细介绍具体的步骤方法。

1.1 防御能力评价指标选取

首先, 确定评价海堤防御能力的要素, 针对海堤防御海水漫堤和溃堤的内在属性, 选取对应的防御指标因子(图 2), 包括堤身材质, 护面块体, 底基地质, 防浪配置, 堤顶高程。各项的防御贡献解析如下:

(1) 堤身材质。海堤的堤身材质决定了海堤的稳定性, 是防护外力作用(海浪、风、潮流)的主要因素^[12]。根据当地自然灾害情况和需要保护对象的安全级别, 海堤堤身的设计标准是不同的, 包括混凝结构、石料砌筑、沙土质或自然海岸。

(2) 护面块体。护面块体对海堤的保护体现在两方面:一方面对海堤的堤身起到加固作用, 保护海堤不被外力损坏; 另一方面增加了海堤坡面糙度, 减弱波浪爬高和越浪量^[3-5]。常用的护坡材料有混凝土结构的扭王块、干砌块石、抛石、草皮等。

(3) 底基地质。海堤底基一方面对海堤的稳定性起到重要的支撑作用^[13], 例如, 在海水冲刷作用下, 海堤底基可能会被掏空, 造成堤身失稳溃决^[7]; 另一方面, 底基的坡度结构也会形成一种自然的防御屏障。底基坡度可分为陡峭型和平缓型, 地质类型包括岩石海岸、土质海岸、沙土质海岸等。

(4) 防浪配置。波浪的越浪过程一方面会引起海水入侵, 另一方面也会通过剪切力导致后坡侵蚀和护面块体滑动, 从而触发海堤失稳溃决^[9]。防止越浪的措施包括防浪墙, 海堤的坡度, 以及护面的糙度等要素^[3-5]。

(5) 堤顶高程。海堤高程是防止海水漫堤的最重要的防御要素。根据当地历史极端潮位情形, 推算当地多年一遇重现期高水位, 并以此设计海堤高程。重现期包括100年一遇、50年一遇、30年一遇等。

1.2 体系指标权重的确定

本文利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process, 简称AHP)确定上述各指标因子的权重。AHP由美国运筹学家Saaty^[14]提出, 是一种定性与定量相结合的计算权重的研究方法, 首先通过定性分析对涉及的因素进行分类, 由专家对不同指标的重要性进行评估, 再通过指标间两两重要性比较结果, 构造判定矩阵, 计算特征向量给出不同指标对目标的重要程度(所占权重), 从而为评估指标的选择和评估体系的建立提供依据。

体系指标权重的确定步骤为:

(1) 构造判断矩阵。邀请海洋工程和海洋灾害研究领域的20位专家, 对堤身材质、护面块体、底基地质、防浪配置和堤顶高程这五个指标对海堤防御能力贡献的重要性程度进行打分评定, 专家打分表在附录中给出。本文采用何沙等^[15]提出的改进的AHP重要等级标度方法(表 1)。取指标因子a_i、a_j(i, j=1, 2, …, m), 根据附表 1中的专家打分结果, 判定a_i相对于指标因子a_j的相对重要性, 然后根据表 1确定a_ij的数值。由a_ij组成判断矩阵A, 指标个数为m。

(2) 权重分配。对每个判断矩阵求出其最大特征根λ_max对应的特征向量, 并做归一化处理, 得到每个判断矩阵中所含元素对于上一层次某元素相对重要性(权重)的排序。

(3) 一致性检验。对每个判断矩阵进行一致性检验, 按下面公式计算一致性指数(CI)和一致性比率(CR=CI/RI), 其中, $ \text{CI}=\left( \lambda {}_{\text{max}}-m \right)/\left( m-1 \right)$, RI代表平均随机一致性指数, 采用Saaty^[16]给出的RI的值(表 2)。若比率CI≥0.1, 则判断矩阵具有令人满意的一致性; 若CR≥0.1, 则判断矩阵需要调整或舍弃。

对指标因子进行分级处理, 并运用AHP方法求出的权重进行加权平均, 得到最终的指标权重值, 得到的结果如表 3所示。自重权数的给定参考国家标准《风暴潮防灾减灾技术导则》。

2 实例应用

通过上述防御能力评价体系可计算得到海堤的防御综合权数:

$ R=\sum\limits_{i=\text{1}}^{m}{{{F}_{i}}\cdot {{W}_{i}}} $

(1)

式中, R代表多因子系统的危险性评估指数, F_i代表第i个因子防御贡献的自重权数, W_i代表第i个因子所占权重, i =1, 2, …, m。该权数反映了海堤的防御能力的水平。参考风暴潮防灾标准中常用的等级划分方法, 基于综合权数对海堤的防御能力划分为五个等级(如表 4所示)。进而可以根据实际情形下海堤防御指标得到的防御综合权数, 进行防御能力等级评价。

(1) 案例1:

江苏海岸线长954 km, 沿海自然岸线逐年减少, 与之替代的是人工岸线, 江苏省沿海已经建设不同标准的海堤等人工工程防御设施, 海堤长约775 km。以连云港海港工程为例, 海堤建设标准较高(在50~100年一遇或以上标准), 护面块体多为扭工体或块石, 堤身材质为混凝土或石料结构。海堤底基为沙土质海岸, 配有防浪装置。各项指标的权数列表如表所示, 根据本文提出的防御能力评价方法, 海堤的综合权数计算结果为30.426~43.322, 防御能力为较高至高。

2012年第10号台风“达维”从江苏正面登陆, 登陆时中心最大风力12级(35 m/s), 中心最低气压为975百帕。此次台风中海港工程无一失事, 重要基础设施完好, 表明海堤等防护工程起到了很好的防护作用, 防御能力高, 与本文评价结果一致。

(2) 案例2:

山东省有3 024.4 km海岸线, 占全国海岸线的1/6, 次于福建省、广东省和浙江省, 居全国第4位。海堤总长超过1 500 km, 保护区面积超过7 400 km²。莱州在莱州湾的一些围海海堤后方为盐池、养殖、新能源等项目, 设计标准为30~50年一遇, 海堤堤心为袋装沙、外坡采用抛石防护, 海底床基地质为土质海岸或沙土质海岸。各项指标的权数列表如表 5所示, 根据本文提出的防御能力评价方法, 得到的防潮设施的综合权数约为15~17.854, 防御能力为较低到一般。

表 6给出了近4年莱州湾海区经历的海洋动力灾害过程及其灾损情形, 可以看出, 不同年份均存在不同程度的灾害损失, 并且个别年份海堤出现损坏(如2014, 2015年), 经济损失严重, 而个别年份海堤的防护效果较好, 并没有明显损坏(如2016年), 这表明海堤的防护能力较差, 与本文评价结果一致。

3 结论

本文通过机制分析海堤在风暴潮和灾害性海浪中的防御体现, 以漫堤和溃堤作为主要考量因素, 提取了海堤的防御指标因子:堤身材质、护面块体、底基地质、防浪配置和堤顶高程; 通过采访国内20位海洋工程和海洋灾害领域的专家学者, 对比了各指标因子的相对重要性, 采用层次分析方法, 得到了各指标的权重系数, 通过各指标因子分级划分, 进而构建了海堤的防御能力评估模型。通过山东和江苏沿海的多次海洋灾害过程实例分析, 验证了该模型方法的可靠性。该方法简单易用, 可快速简洁评估沿海海堤的防御能力, 对海洋动力灾害风险防控具有实践价值和应用意义。

附录