王曉航 鄔志香 陳巍 王瑜靜
摘要:潰壩風險人口應(yīng)急避難作為水庫大壩安全管理應(yīng)急預案的重要內(nèi)容,是避免或減少潰壩生命損失的有效手段。通過對潰壩數(shù)值模擬、風險人口分布預測、應(yīng)急避難場所規(guī)劃、應(yīng)急撤離時間估算等潰壩風險人口應(yīng)急避難相關(guān)的四個方面的研究現(xiàn)狀和研究進展進行了綜述。其中潰壩數(shù)值模擬是應(yīng)急避難分析的基礎(chǔ)性工作,包括潰口模擬和潰壩洪水演進分析兩部分內(nèi)容;風險人口分布預測則需要考慮不同時間情景下的動態(tài)分布;針對潰壩應(yīng)急避難場所規(guī)劃的研究尚不多見,但可借鑒防洪應(yīng)急避難選址研究成果;應(yīng)急撤離時間主要研究內(nèi)容是撤離活動所用時間的估算,可根據(jù)撤離方式選擇相應(yīng)的算法。
關(guān)鍵詞:潰壩;應(yīng)急避難;風險人口;數(shù)值模擬
中圖分類號:TV698 文獻標志碼:A 文章編號:1672-1683(2014)06-0177-04
潰壩屬典型突發(fā)公共安全事件,一旦發(fā)生,將對下游生命、財產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會發(fā)展等造成災(zāi)難性破壞和沖擊。目前,我國共有水庫98 002座,數(shù)量居世界首位。1980年以后,盡管通過建立健全法規(guī)、加強監(jiān)督檢查、落實責任制等一系列舉措加強了水庫大壩安全管理工作,仍不時有造成重大人員傷亡的潰壩事故發(fā)生。1954年-2013年初,我國共有3 524座水庫潰壩,其中部分水庫潰壩造成了重大人員傷亡。但也有部分水庫潰壩傷亡很小,甚至成功避免了人員傷亡。2004年春節(jié)期間,新疆八一水庫大壩潰決,但因管理人員提前發(fā)現(xiàn)險情并及時通知下游轉(zhuǎn)移了1.38萬人,最終沒有造成人員死亡;2008年6月,廣東從化市魚洞水庫壩體出現(xiàn)裂縫,市政府緊急疏散了下游8 000民眾,并拆除出險壩段進行泄洪,將水位降低到安全高度,險情得以緩解;2009年7月,廣西羅城縣卡馬水庫面臨潰壩危險,通過開挖臨時泄洪通道和降低溢洪道底板高程,同時緊急轉(zhuǎn)移下游數(shù)萬群眾,避免了重大災(zāi)難發(fā)生;2013年2月,山西省洪洞縣曲亭水庫灌溉輸水洞破裂漏水,導致下游壩體出現(xiàn)管涌,壩體垮塌長度近300 m,但由于緊急疏散了下游群眾,無人員傷亡。
由此可見,在潰壩發(fā)生前對風險人口進行轉(zhuǎn)移是降低潰壩生命損失的有效手段。然而,臨時的應(yīng)急避難決策也有可能導致應(yīng)急響應(yīng)不足或應(yīng)急響應(yīng)過度。為此,了解潰壩影響區(qū)、風險人口的分布,合理規(guī)劃避難場所,是避免或減少潰壩生命損失的有效手段。目前,潰壩應(yīng)急避難研究關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)包括潰壩數(shù)值模擬、風險人口分布預測、應(yīng)急避難場所規(guī)劃、應(yīng)急撤離時間估算等四個方面。
1 潰壩數(shù)值模擬
潰壩數(shù)值模擬包括潰口模擬和潰壩洪水演進模擬兩部分內(nèi)容,是應(yīng)急避難需求預測的重要手段。
1.1 潰口模擬
潰口模擬包括潰口形狀的模擬和潰口流量過程的推算,為下游演進模型提供上邊界條件。根據(jù)壩型不同,大壩的潰決可分為瞬時潰壩和逐步潰壩兩種形式。
土石壩的潰決方式為逐步潰決。導致土石壩潰決的主要原因是漫頂和滲透破壞。雖然土石壩潰決研究可采用數(shù)值模擬、水工模型試驗、離心模型試驗等多種手段,但由于受試驗條件限制,實際工作多以數(shù)值模擬為主。目前國內(nèi)外研究主要關(guān)注潰口位置和形狀、潰口發(fā)展規(guī)律的數(shù)值模擬。國外潰壩數(shù)值模擬模型主要包括H-W模型[9]、BRDAM模型[10]、P-T模型[11]、Lou和Nogueiga模型[12]、BEED模型[13]、Fread系列數(shù)學模型[14]、“陡坎”模型[15-16]、HR-BREACH模型[17]。我國潰壩數(shù)值模型主要有中國水利水電科學研究院數(shù)學模型[18]和南京水利科學研究院系列模型[19]。
混凝土壩潰決方式為瞬時潰決,又可分為瞬時全潰、橫向局部潰決、垂向局部潰決等方式。潰口峰值流量及潰壩過程可采用經(jīng)驗公式進行計算[5- 7]。
混凝土面板堆石壩與一般土石壩潰決過程的區(qū)別在于:面板在未被沖毀的下游壩體支撐下仍起擋水作用;隨著下游壩體沖刷的積累,面板懸空長度不足以承受面板自重和水荷載的共同作用而折斷,潰口處水流流量突增,潰決過程突然加速;其后,隨著水頭逐漸減少,潰口流速、流量及沖刷也逐漸減小,面板又起到擋水作用;如此往復,直至最后穩(wěn)定在某一平衡位置。有學者推導了潰壩洪水流量過程的計算公式,并利用材料力學公式給出了面板折斷條件[20-21]。
1.2 潰壩洪水演進模擬
潰壩洪水演進模擬的主要任務(wù)是根據(jù)潰壩壩址流量過程線推算演進至下游沿程各處的水深、流速、洪水到達時間、淹沒歷時等,存在兩個技術(shù)難點。
其一是對間斷的捕捉。大壩潰決時,水庫蓄水突然下泄,造成下游水位陡漲和庫水位驟降。間斷捕捉主要方法有激波擬合法和激波捕捉法。激波擬合法是在光滑流動區(qū)對圣維南方程組求解,而在涌波兩側(cè)則通過間斷條件將水流正確地銜接起來。這類方法要不斷追求運動間斷,雖然精度較高,但其計算復雜,編制程序不便。激波捕捉法的基本出發(fā)點是采用計算方法所固有的數(shù)值耗散效應(yīng)自動捕捉間斷,不論解中是否存在間斷,可以不加區(qū)別地統(tǒng)一進行計算,不必進行激波擬合的特殊處理。
其二是對動邊界的處理。潰壩計算域大部分為干底,地形復雜,且緩、急流同時存在并相互轉(zhuǎn)化。對動邊界主要的處理有兩種思路:追蹤邊界的準確位置和關(guān)注動邊界所在的網(wǎng)格。但追蹤邊界點的準確位置較為復雜,通常采取后一種思路,就是把可能最大的區(qū)域作為固定計算域,在所有網(wǎng)格上進行同樣的計算。
潰壩洪水演進過程一般可以用守恒形式的二維淺水動力學模型來描述,數(shù)值解法主要有有限差分法、有限元法和有限體積法。多年的研究表明,具有TVD特性的有限體積算法被認為是模擬潰壩洪水流動較為成功的計算方法之一[22]。目前,該方法已廣泛應(yīng)用于潰壩洪水流動過程的數(shù)值模擬。
2 風險人口分布預測
風險人口指大壩潰決影響區(qū)內(nèi)直接暴露于某一深度洪水區(qū)內(nèi)的所有人員。參照國外的經(jīng)驗,這一洪水深度可取為0.3 m[23]。風險人口分布是影響潰壩應(yīng)急避難需求最為關(guān)鍵的因素。風險人口分布包括風險人口的數(shù)量、空間分布和時間分布。目前,人口數(shù)據(jù)多來自于各級政府的統(tǒng)計數(shù)據(jù),是以行政邊界作為統(tǒng)計單元的,但是對于潰壩風險人口統(tǒng)計,某個行政單元內(nèi)可能只有部分人口屬于風險人口,因此,應(yīng)以各行政區(qū)劃統(tǒng)計人口為基礎(chǔ),推求潰壩淹沒范圍內(nèi)的風險人口。
人口估計的主要方法是利用面積內(nèi)插模型。在面插值的過程中根據(jù)是否使用輔助數(shù)據(jù)把面插值分為沒有輔助數(shù)據(jù)的面插值和有輔助數(shù)據(jù)的面插值兩類。在插值的過程中可認為人口密度是相同的,或者不同的土地利用類型人口密度各異[24-27]。GIS和RS技術(shù)的廣泛應(yīng)用,人口數(shù)據(jù)格網(wǎng)化已經(jīng)成為研究人口空間分布的熱點。人口數(shù)據(jù)格網(wǎng)化是按一定的數(shù)學模型將以行政區(qū)為單元的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)展布到一定尺寸的格網(wǎng)中,實現(xiàn)統(tǒng)計單元由行政單元向網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換。目前人口數(shù)據(jù)網(wǎng)格化模型主要有兩類:一類是應(yīng)用面積內(nèi)插與統(tǒng)計分析原理,進行人口數(shù)據(jù)網(wǎng)格化,代表模型有面積權(quán)重模型、核心估算模型;另一類是通過建立人口空間分布影響因素與人口數(shù)據(jù)之間的函數(shù),進行人口數(shù)據(jù)網(wǎng)格化,代表模型有土地利用類型影響模型、重力模型、多源數(shù)據(jù)融合模型等[28]。在資料充分的情況下,還通過對高分辨率遙感影像的解譯和外業(yè)核查,獲取建筑物的高度、樓層數(shù)等信息,進而得到潰壩風險人口分布情況。外業(yè)核查主要是完成建筑物使用性質(zhì)校正、樓層數(shù)校正、家庭戶數(shù)校正,以及家庭人口數(shù)、出行狀況等信息收集。
人口時間分布主要體現(xiàn)在不同的時間情境下,風險人口的動態(tài)分布。潰壩避難需求預測應(yīng)根據(jù)潰壩時間的不同,結(jié)合人口空間分布信息對人口時間分布進行分析,以滿足潰壩應(yīng)急決策的要求。對于企事業(yè)單位和學校來說,潰壩發(fā)生在節(jié)假日和周末或工作日的非工作時間,其風險人口數(shù)量遠少于工作時間的風險人口數(shù)量;而對于居民住宅或風景區(qū)來說,情況與上述相反。此外,風險人口的分布還與季節(jié)有關(guān),比如部分農(nóng)村地區(qū)在平時外出務(wù)工人員較多,而在農(nóng)忙時節(jié)則大部分回到家中;位于風景區(qū)上游或風景區(qū)內(nèi)的水庫在旅游旺季(如北京的密云水庫夏季為避暑勝地)其風險人口數(shù)量相比平時大幅增加。
風險人口的時間分布,不同地區(qū)差異很大,很難建立采用統(tǒng)一的模型,目前研究成果大多為通過研究區(qū)域不同土地利用類型典型調(diào)查的方式,分別采用分段函數(shù)表達人口時空分布的[29]。若水庫潰壩風險區(qū)內(nèi)人口較少,可以通過典型調(diào)查的方式獲取人口不同時間、不同季節(jié)的分布情況。
3 應(yīng)急避難場所規(guī)劃
對應(yīng)急避難場所進行科學選址,不僅利于政府的管理,更可避免或大幅減少潰壩造成的生命和經(jīng)濟損失。多年來國內(nèi)外的學者研究了各種選址模型解決選址問題,包括靜態(tài)選址問題和動態(tài)選址問題。描述靜態(tài)選址的數(shù)學方程主要有三大類:P-中位問題模式、P-中心問題模式、區(qū)域性覆蓋問題(LSCP)模式。上述模型可以在數(shù)學方程中加入設(shè)施的最大與最小規(guī)模、最長旅行距離等限制條件。P-中位問題模式是把公共設(shè)施區(qū)位問題抽象為在N個可能的地點中選取P個地點建立公共設(shè)施,使得總加權(quán)距離最小,其最優(yōu)解趨向于把服務(wù)設(shè)施設(shè)置在靠近服務(wù)需求大的需求點的位置;P-中心問題模式從設(shè)施服務(wù)的“公平性”出發(fā),目標是確定P設(shè)施各個服務(wù)需求點的(加權(quán))最大距離為最小;區(qū)域性覆蓋問題模式是在公平原則下追求最佳區(qū)位配置,以設(shè)施數(shù)最少為目標,最大服務(wù)距離為限制條件,確保所有的需求點均能在設(shè)施最大服務(wù)距離內(nèi)[30-32]。
雖然目前針對潰壩應(yīng)急避難場所選址的研究成果還不多見,但是防洪應(yīng)急避難選址研究已經(jīng)取得了一些成果。這些研究根據(jù)洪水模擬的結(jié)果,選擇安全高程以上的區(qū)域作為避難場所備選集合;結(jié)合洪災(zāi)發(fā)生區(qū)的自然地理條件,選取避難場所容量、撤離距離、撤離時間、交通情況等因素作為評價指標對避難場所進行評價,最終得出規(guī)劃方案。評價方法多采用層次分析、模糊綜合評價等方法,而點線結(jié)合論是防洪應(yīng)急避難研究中較為成熟的理論之一。其基本思路是將研究區(qū)域內(nèi)的道路抽象為“線集”,將淹沒單元和避難場所抽象為“點集”,基于洪水演進計算結(jié)果,結(jié)合路權(quán)計算模型和Dijkstra算法,對影響區(qū)的避難遷移路線進行設(shè)計,研究避難方案和對策。
潰壩雖然是突發(fā)事件,但事先一般都會進行預警,其發(fā)生發(fā)展也有一個過程。警報時間的長短,直接影響著風險人的避難選擇。警報時間充分時,風險人口可以轉(zhuǎn)移到生活條件較好的避難場所;若警報不充分甚至無警報時,風險人口轉(zhuǎn)移目標是最快到達就近的安全避難場所,待洪水退去之后再考慮轉(zhuǎn)移到條件較好的避難場所。
潰壩應(yīng)急避難方式與潰壩發(fā)生時間、預警時間息息相關(guān)。應(yīng)在了解風險人口的數(shù)量和分布的基礎(chǔ)上,綜合考慮應(yīng)急避難的緊迫性和安全轉(zhuǎn)移的可能性,以盡量減少風險人口的遷移次數(shù)為目標,研究警報時間長短對潰壩應(yīng)急避難方式選擇的影響。
4 應(yīng)急撤離時間估算
潰壩應(yīng)急撤離時間由撤離活動的產(chǎn)生時間和撤離活動所用時間兩部分組成。撤離活動的產(chǎn)生時間(tEGT)是指政府部門發(fā)出撤離警報與居民接到警報后開始從受災(zāi)點撤離至安置點的時間間隔,其長短受人為因素影響較大,很難統(tǒng)一量化,一般通過實地調(diào)查或者概率統(tǒng)計的方式得到。因此,目前應(yīng)急撤離時間的研究內(nèi)容多為撤離活動所用時間,其長短主要取決于撤離路況和撤離方式。撤離方式可以分為車行和步行兩種。
(1)步行方式。其撤離速度不受路況影響,所用時間可以根據(jù)撤離距離和步行平均速度進行計算。根據(jù)相關(guān)研究[33],平坦地區(qū)步行撤離速度為5 km/h,老人為4 km/h,兒童為2 km/h。
(2)車行方式。所用時間取決于每個路段的路徑路權(quán)和選擇的撤離路徑。撤離路徑路權(quán)是指通過某一撤離路段的行駛(遷移)時間,包括車輛在轉(zhuǎn)移道路上的行駛時間和車輛在交叉口等待延誤的時間兩部分。路權(quán)以路阻函數(shù)表示。美國聯(lián)邦公路局提出的路阻函數(shù)應(yīng)用較為廣泛,具體形式如下:
式中:t為叉口之間的路段行駛時間(min);t0為交通量為零時的路段行駛時間(min);V為路段機動車交通量(輛/h);C為路段實際通行能力(輛/h);α、β為參數(shù),建議取α=0.15,β=4。
影響行駛時間(或行駛車速)的因素除了機動車的交通負荷外,還有非機動車的交通負荷[34],因此,在混合交通情況較為嚴重的狀況下,一些學者采用半理論、半經(jīng)驗的方法[35]的路阻函數(shù)求解法。該方法的思路是:先根據(jù)流量、車速、密度三參數(shù)關(guān)系確定路阻函數(shù)的理論模型,其中只考慮機動車交通負荷影響;然后對理論模型進行非機動車交通負荷、車道數(shù)、車道寬度、車流間斷(交叉口)等影響修正。計算公式為[36-37]
式中:t(i,j)為路段[i,j]上的行駛時間;L(i,j)為路段[i,j]的長度;U0為交通量為零時的行駛速度,確定方法見文獻[38];Q(i,j)為路段[i,j]上的交通量;Km為路段阻塞密度。
5 結(jié)語
潰壩風險人口應(yīng)急避難研究涉及水力學、土力學、泥沙運動力學、人口學、交通學、地理信息系統(tǒng)、風險分析、水文學、社會學等學科。本文從潰壩數(shù)值模擬、風險人口分布預測、應(yīng)急避難場所規(guī)劃、應(yīng)急疏散時間需求等四個方面分析了潰壩風險人口應(yīng)急避難研究現(xiàn)狀。其中,潰壩數(shù)值模擬是潰壩風險人口應(yīng)急避難研究的基礎(chǔ)性工作,風險人口分布預測是進行應(yīng)急避難場所規(guī)劃的前提,應(yīng)急避難場所規(guī)劃和應(yīng)急撤離時間估算是制定有效應(yīng)急避難方案的關(guān)鍵。潰壩避難需求預測研究目前尚處于起步階段,應(yīng)多吸收洪水、地震等突發(fā)事件避難的相關(guān)研究成果。
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