潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法研究

王志軍，宋文婷，馬小童

(河南理工大學(xué)a.安全科學(xué)與工程學(xué)院;b.物理化學(xué)學(xué)院;c.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南焦作 454003)

大壩潰決一般會(huì)引起重大的災(zāi)難性事故，并造成嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失，給環(huán)境與社會(huì)帶來(lái)很大的災(zāi)難。潰壩損失評(píng)估是大壩風(fēng)險(xiǎn)分析的重要組成部分，是認(rèn)識(shí)大壩潰決后對(duì)下游造成的危險(xiǎn)程度的重要手段。水庫(kù)大壩管理部門(mén)及防洪救災(zāi)中心通過(guò)潰壩損失評(píng)估了解大壩一旦潰決可能造成的嚴(yán)重后果及損失程度，根據(jù)水庫(kù)最大水位、正常蓄水位等典型工況，制定不同的應(yīng)急救援方案。

經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估是潰壩損失評(píng)估的重要組成部分。國(guó)內(nèi)外對(duì)一般洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失研究較多，武靖源等［1］研究了洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失中直接經(jīng)濟(jì)損失與間接經(jīng)濟(jì)損失的評(píng)估方法，程濤等［2］研究了區(qū)域洪澇災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型，李紀(jì)人、丁志雄等［3－4］應(yīng)用RS與GIS研究了洪災(zāi)損失損失評(píng)估方法，而專(zhuān)門(mén)針對(duì)潰壩洪水造成的經(jīng)濟(jì)損失的研究目前還較少。潰壩經(jīng)濟(jì)損失屬于洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失，但潰壩洪水與一般洪水不同，其流速比較大，破壞性會(huì)更強(qiáng)。一般洪災(zāi)損失評(píng)估中往往只考慮水深及歷時(shí)的影響而忽略流速［5］。如果直接用目前洪災(zāi)損失評(píng)估方法去評(píng)估潰壩經(jīng)濟(jì)損失，勢(shì)必產(chǎn)生較大誤差。因此，有必要對(duì)潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法進(jìn)行研究。

1 潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法

潰壩經(jīng)濟(jì)損失包括直接經(jīng)濟(jì)損失與間接經(jīng)濟(jì)損失2部分，本文采用如下計(jì)算公式:S=αW(1+λ) 。 (1)式中:S為潰壩經(jīng)濟(jì)損失(元);α為潰壩洪水財(cái)產(chǎn)損失率;W為淹沒(méi)范圍內(nèi)財(cái)產(chǎn)價(jià)值(元);λ為潰壩間接經(jīng)濟(jì)損失折算系數(shù);αW為潰壩直接經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)公式(1)，要評(píng)估潰壩經(jīng)濟(jì)損失，就要獲得淹沒(méi)范圍內(nèi)財(cái)產(chǎn)價(jià)值W及相應(yīng)的財(cái)產(chǎn)損失率α。淹沒(méi)范圍內(nèi)財(cái)產(chǎn)價(jià)值通過(guò)社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)獲得。財(cái)產(chǎn)損失率α決定于潰壩洪水的嚴(yán)重性，即水深、流速、歷時(shí)的綜合作用。財(cái)產(chǎn)損失率一般通過(guò)歷史洪水事件調(diào)查獲得，不易通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M得到。目前潰壩經(jīng)濟(jì)損失的歷史資料十分缺乏，給潰壩洪水財(cái)產(chǎn)損失率的確定帶來(lái)很大困難。

潰壩洪水與一般洪水不同，它的破壞性較強(qiáng)，特別是在靠近壩址下游的一定范圍內(nèi)，潰壩洪水的破壞能力相當(dāng)大，快速下泄的洪水甚至可以毀滅一切，隨著距壩址距離的增大，洪水流速減緩，此時(shí)流速和水深共同起作用，當(dāng)流速減小到一定程度，水深與洪水歷時(shí)決定著財(cái)產(chǎn)損失率，此時(shí)可以用一般洪水的財(cái)產(chǎn)損失率進(jìn)行計(jì)算。為便于確定潰壩洪水財(cái)產(chǎn)損失率，根據(jù)潰壩洪水對(duì)財(cái)產(chǎn)破壞的特點(diǎn)，本文采用淹沒(méi)范圍區(qū)劃方法，將潰壩洪水淹沒(méi)范圍劃分成6種區(qū)域:潰決區(qū)、毀滅區(qū)、重災(zāi)區(qū)、中災(zāi)區(qū)、輕災(zāi)區(qū)及安全區(qū)。每個(gè)區(qū)域的財(cái)產(chǎn)損失率根據(jù)其洪水特征進(jìn)行確定。結(jié)合社會(huì)財(cái)產(chǎn)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)類(lèi)型進(jìn)行淹沒(méi)范圍社會(huì)財(cái)產(chǎn)區(qū)劃。將社會(huì)財(cái)產(chǎn)區(qū)劃與潰壩洪水淹沒(méi)范圍區(qū)劃進(jìn)行空間疊加，形成潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估區(qū)劃，見(jiàn)圖1。潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估區(qū)劃方便確定潰壩洪水財(cái)產(chǎn)損失率，通過(guò)區(qū)劃可以直觀(guān)地了解潰壩經(jīng)濟(jì)損失的空間分布狀況。

圖1 潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估區(qū)劃示意圖Fig.1 Schematic diagram of zoning for economic loss estimation

基于淹沒(méi)范圍區(qū)劃的思想，提出了一種潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法，具體方法和步驟見(jiàn)圖2。

圖2 潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法和步驟Fig.2 Procedures of economic loss estimation for dam-break

2 潰壩洪水淹沒(méi)范圍區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于潰壩洪水淹沒(méi)范圍區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)外研究較少。本文從潰壩洪水的破壞作用出發(fā)，綜合考慮RESCDAM項(xiàng)目中建筑物破壞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、潰壩歷史調(diào)查資料以及一般洪災(zāi)損失率的研究成果等3個(gè)方面來(lái)制定潰壩洪水淹沒(méi)范圍區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)。

RESCDAM項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)研究了建筑物及其他財(cái)產(chǎn)的洪水破壞標(biāo)準(zhǔn)［6］，文獻(xiàn)［7］列舉了我國(guó)部分潰壩事件中人口及財(cái)產(chǎn)的損害情況，一般洪災(zāi)損失率可參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料［1－2，7］。通過(guò)綜合分析，將潰壩洪水淹沒(méi)范圍劃分為6種區(qū)域，其特征及標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)潰決區(qū):該區(qū)為瀕臨大壩的下游區(qū)域，是潰壩下泄洪水最早經(jīng)過(guò)的區(qū)域，該區(qū)域流速大于2.0m/s，水深大于3.5m，洪水流速很大，破壞力很強(qiáng)，使得區(qū)域內(nèi)的一切財(cái)產(chǎn)蕩然無(wú)存，建議該區(qū)域的財(cái)產(chǎn)損失率為100%。

(2)毀滅區(qū):靠近潰決區(qū)的下游區(qū)域，該區(qū)域洪水流速也很大，破壞力也很強(qiáng)，由于洪水的擴(kuò)散，水深已經(jīng)降低，農(nóng)作物絕收，房屋全部倒塌，交通、通訊中斷，水利設(shè)施嚴(yán)重破壞，財(cái)產(chǎn)幾乎全部損失，總損失率在90%左右。該區(qū)域流速大于2.0m/s，水深大于2.0m而小于3.5m。

(3)重災(zāi)區(qū):指潰壩洪水造成較為嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的區(qū)域。該區(qū)域的范圍一般較大，淹沒(méi)水深為1.0～2.0m，流速達(dá)1.0m/s以上，房屋損失在80%以上，農(nóng)作物絕收或減產(chǎn)90%以上，交通、通訊受阻，水利設(shè)施大部分遭破壞，排灌工程失效，居民財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。

(4)中災(zāi)區(qū):該區(qū)域的淹沒(méi)水深為0.5～1.0m，流速小于1.0m/s，淹沒(méi)歷時(shí)在5 d以上，農(nóng)作物絕收或減產(chǎn)70%以上，部分房屋遭受不同程度的破壞，部分地區(qū)交通、通訊受阻，部分水利設(shè)施破壞，避洪設(shè)施發(fā)揮作用，由于洪水長(zhǎng)時(shí)間的浸泡，財(cái)產(chǎn)損失仍較大。

(5)輕災(zāi)區(qū):淹沒(méi)水深較淺，不超過(guò)0.5m，流速很小，淹沒(méi)歷時(shí)小于2 d，農(nóng)作物減產(chǎn)30%～50%，部分房屋中度或輕度破壞，交通、通訊基本正常，基礎(chǔ)設(shè)施基本完好，財(cái)產(chǎn)損失較小。

(6)安全區(qū):淹沒(méi)水深、流速、淹沒(méi)歷時(shí)接近于0，該區(qū)域損失率基本為0。

潰壩洪水淹沒(méi)范圍區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)及財(cái)產(chǎn)損失率建議表如表1，其中包括6種淹沒(méi)區(qū)域的間接經(jīng)濟(jì)損失折算系數(shù)λ，其設(shè)置參照了國(guó)內(nèi)外有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料［7］。

表1 潰壩洪水淹沒(méi)區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)及財(cái)產(chǎn)損失率建議表Table 1 Criteria of zoning and rates of property damage of areas inundated by dam-break flood

3 基于物元模型的潰壩洪水淹沒(méi)范圍區(qū)劃方法

制定了潰壩洪水淹沒(méi)區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)之后，就可以根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行淹沒(méi)范圍區(qū)劃，但問(wèn)題是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并不能保證將淹沒(méi)區(qū)所有地點(diǎn)都很好地區(qū)分開(kāi)來(lái)，比如，有的地點(diǎn)的淹沒(méi)水深屬于危險(xiǎn)區(qū)，而流速卻屬于重災(zāi)區(qū)，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，直接套用標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)效的，甚至?xí)a(chǎn)生矛盾。為此，本文將物元模型引入到潰壩洪水淹沒(méi)區(qū)劃中，提出了基于物元模型的潰壩洪水淹沒(méi)區(qū)劃方法。

可拓學(xué)創(chuàng)立于1983年，可拓集合和物元概念能根據(jù)事物特征的量值來(lái)判斷事物屬于某集合的程度，而關(guān)聯(lián)函數(shù)能使識(shí)別精確化、定量化，為解決從變化的角度進(jìn)行識(shí)別的問(wèn)題提供新的途徑。物元分析將事物用3個(gè)要素(事物P，特征C，量值V)進(jìn)行描述，即以有序三元R=(P，C，V)作為描述事物的基本元，簡(jiǎn)稱(chēng)物元。物元分析理論通過(guò)確定物元，建立經(jīng)典域、節(jié)域的物元矩陣，通過(guò)關(guān)聯(lián)函數(shù)來(lái)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)［8］。

設(shè)P0是P的一個(gè)子集，P0?P，對(duì)p∈P，試判斷p∈P0。并計(jì)算p∈P0的程度。其具體方法如下。

(1)確定經(jīng)典域和節(jié)域。

經(jīng)典域:

式中:P0i表示潰壩淹沒(méi)范圍區(qū)劃的第i個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)前面討論的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)可知，i=1，2，…，6;C1，C2，…，Cn表示P0的n個(gè)不同特征，即潰壩淹沒(méi)范圍區(qū)劃的3個(gè)指標(biāo)，分別是最大流速、淹沒(méi)水深及淹沒(méi)歷時(shí)，這里n=3;而V1，V2，V3分別是P0關(guān)于C1，C2，C3的取值范圍，即經(jīng)典域，并且有 V0i=

潰壩洪水淹沒(méi)區(qū)劃經(jīng)典域?yàn)?

式中:Vp1，Vp2，Vp3分別是 P 關(guān)于C1，C2，C3的取值范圍，即 P 的節(jié)域;并且有3)。顯然

(2)構(gòu)筑待估物元。從潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬結(jié)果中，提取出每個(gè)單元的洪水特征，即水深、流速及歷時(shí)，將第j單元的洪水特征看成一個(gè)待估物元，表示為

則整個(gè)淹沒(méi)區(qū)內(nèi)m個(gè)單元將構(gòu)筑m個(gè)待估物元。

(3)根據(jù)距的定義，確定每個(gè)待估物元的關(guān)聯(lián)函數(shù)值。

距的計(jì)算式:

關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算式為

(4)確定權(quán)系數(shù)。采用層次分析法確定各個(gè)特征的權(quán)系數(shù)λ1，λ2，λ3。

(5)計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

Ki(Pj)表示 Pj∈P0i的程度。

(6)評(píng)判原則。若

則評(píng)定Pj屬于等級(jí)i0。

在評(píng)判全部m個(gè)單元后，就可根據(jù)各單元隸屬情況進(jìn)行淹沒(méi)區(qū)域劃分。進(jìn)行潰壩經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算時(shí)，可根據(jù)區(qū)劃結(jié)果按照不同的財(cái)產(chǎn)損失率(見(jiàn)表1)進(jìn)行計(jì)算。這種損失計(jì)算方法簡(jiǎn)便快捷，而且能保證一定的精確度。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)潰壩經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估是個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，財(cái)產(chǎn)損失率的確定是其中的關(guān)鍵。為便于確定潰壩洪水財(cái)產(chǎn)損失率，本文采用淹沒(méi)范圍區(qū)劃方法，將潰壩洪水淹沒(méi)范圍劃分成6種區(qū)域分別確定其財(cái)產(chǎn)損失率。制定了潰壩洪水淹沒(méi)區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)財(cái)產(chǎn)損失率的建議表，并提出了基于物元模型的潰壩洪水淹沒(méi)區(qū)劃方法。該評(píng)估方法簡(jiǎn)便快捷，可以節(jié)省工作量，實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估。

(2)潰壩洪水流速、水深、歷時(shí)等數(shù)據(jù)通過(guò)潰壩及洪水演進(jìn)模擬得到，具體方法可參考相關(guān)資料。

(3)由于很難詳細(xì)調(diào)查以往潰壩事故中的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)據(jù)，本文提出的方法沒(méi)有進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。但本文中潰壩洪水財(cái)產(chǎn)損失率綜合考慮了潰壩歷史事件中財(cái)產(chǎn)損失狀況、洪水財(cái)產(chǎn)損失實(shí)驗(yàn)資料以及一般洪災(zāi)財(cái)產(chǎn)損失率數(shù)據(jù)等相關(guān)資料得出，是通過(guò)對(duì)歷史及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及歸納總結(jié)得出的，故本評(píng)估方法能夠保證一定的精度。

［1］武靖源，韓文秀，徐 楊，等.洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型研究—(Ⅰ)直接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1998，(11):53－56.(WU Jing-yuan，HAN Wenxiu，XU Yang，etal.A Study on the Evaluation Theory and Mathematical Model for Economic Loss of Flood Damage:(Ⅰ)Direct Economic Loss［J］.Systems Engineering:Theory＆ Practice，1998，(11):53－56.(in Chinese))

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