基于事故樹的城市洪水災害原因分析與應對策略

文小艷，李 慧

（華北科技學院，河北三河 065201）

基于事故樹的城市洪水災害原因分析與應對策略

文小艷，李 慧

（華北科技學院，河北三河 065201）

近年來頻繁發(fā)生的城市洪水災害，造成了巨大損失和嚴重影響。利用事故樹分析法，以北京市“7·21”洪水事故為例，對城市洪水災害成因進行了分析，構(gòu)建了事故樹、確定了最小割集，并對結(jié)構(gòu)重要度進行了分析。結(jié)果表明：極端天氣和城市雨島效應是重要性最強的基本事件，排水不暢、人為因素是洪水災害造成重大損失的重要癥結(jié)。從增強預警、改善排水管網(wǎng)、減少硬化地面、疏浚河道等方面對解決城市洪水災害的對策提出了建議。

城市洪水災害；事故樹分析法；事故原因；對策

0 引言

近年來，由于極端天氣和暴雨而引發(fā)的城市洪水時有發(fā)生，對人類生產(chǎn)和生活造成了嚴重影響。北京“7·21”洪水、濟南“7·8”洪水等特大洪水事故更是造成了不可估量的損失。如何準確分析暴雨引發(fā)的城市洪水災害成因并制定相應預防措施，成為迫切需要解決的問題。

對于暴雨引發(fā)的城市洪水原因及對策，國內(nèi)外已經(jīng)有了一定的分析和研究［1～4］。但是這些分析和研究都是經(jīng)驗型的，缺乏具體理論指導。事故樹分析法運用邏輯推理對各種系統(tǒng)的危險性進行辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因［5～9］。利用事故樹分析法，可以對城市洪水產(chǎn)生原因進行深入剖析，并進而確定防范措施。

1 事故樹分析法

事故樹分析法是1961年由美國貝爾電話研究所為研究民兵式導彈發(fā)射控制系統(tǒng)時提出來的，美國原子能委員會在1974年對核電站事故進行風險評價時運用了事故樹分析法，從而引起了極大的反響。事故樹分析法因而得到了廣泛的重視，并迅速在許多國家和許多企業(yè)得到應用和推廣。中國最早在1978年開始進行事故樹分析方法的研究。目前已有很多部門和企業(yè)正在進行普及和推廣工作，并已取得較多成果，有效促進了企業(yè)的安全生產(chǎn)。

事故樹分析法主要包括以下步驟：

（1）確定并熟悉所分析的系統(tǒng)；

（2）確定頂上事件；

（3）調(diào)查事件發(fā)生的所有可能原因；

（4）繪制事故樹；

（5）定性分析；

（6）定量分析；

（7）擬制事故發(fā)生的防范對策。

2 城市洪水災害的事故樹原因分析

2.1 事故樹的繪制

以北京市“7·21”洪水事故為例，通過對“7·21”洪水事故災害產(chǎn)生的原因分析，確定了事故的頂上事件、中間事件和基本事件。

設定T：城市洪水災害；A1：暴雨；X1：極端天氣；X2：城市雨島效應；A2：排水不暢；B1：下墊層滲水性差，地面硬化面增多；X3：綠地減少；X4：地面設施調(diào)蓄能力低；B2：城市防洪排澇技術(shù)落后，設施不配套；X5：排水設施設計能力低，排水能力不夠，導致地面積水；X6：泵站匯水面積增大，導致橋區(qū)匯水過多；B3：排水系統(tǒng)脆弱；X7：雨水管網(wǎng)淤積堵塞嚴重；X8：雨水管網(wǎng)不完善或破損較多，即片區(qū)雨水出路無保障；X9：區(qū)域地勢低洼，無法自排；X10：承擔城市排澇的河道排水能力不足；A3：人為因素；X11：預警不及時；X12：安全防范意識不強；X13：應急響應不到位。

結(jié)合上述分析，繪制了城市洪水災害的事故樹，如圖1所示。

2.2 最小割集的確定

利用布爾代數(shù)法，對圖1中的事故樹進行運算，得到結(jié)構(gòu)式：

T＝A1A2A3＝（X1X2）（B1＋B2＋B3）（X11＋X12＋X13）

＝（X1X2）［（X3X4）＋（X5＋X6）＋（X7＋X8＋X9＋X10）］（X11＋X12＋X13）

＝（X1X2X3X4＋X1X2X5＋X1X2X6＋X1X2X7＋X1X2X8＋X1X2X9＋X1X2X10）（X11＋X12＋X13）

＝X1X2X3X4X11＋ X1X2X5X11＋ X1X2X6X11＋X1X2X7X11＋X1X2X8X11＋X1X2X9X11＋X1X2X10X11＋X1X2X3X4X12＋X1X2X5X12＋X1X2X6X12＋X1X2X7X12＋X1X2X8X12＋X1X2X9X12＋X1X2X10X12＋X1X2X3X4X13＋X1X2X5X13＋X1X2X6X13＋X1X2X7X13＋ X1X2X8X13＋ X1X2X9X13＋X1X2X10X13

所以，城市洪水災害的事故樹分析中，最小割集 共 有 21 個， 包 括： ｛X1X2X3X4X11｝、｛X1X2X5X11｝、｛X1X2X6X11｝、 ｛X1X2X7X11｝、｛X1X2X8X11｝、 ｛X1X2X9X11｝、 ｛X1X2X10X11｝、｛X1X2X3X4X12｝、｛X1X2X5X12｝、｛X1X2X6X12｝、｛X1X2X7X12｝、 ｛X1X2X8X12｝、 ｛X1X2X9X12｝、｛X1X2X10X12｝、｛X1X2X3X4X13｝、｛X1X2X5X13｝、｛X1X2X6X13｝、 ｛X1X2X7X13｝、 ｛X1X2X8X13｝、｛X1X2X9X13｝、｛X1X2X10X13｝

2.3 重要度分析

事故樹中包含很多基本事件，不同的基本事件對頂上事件的發(fā)生能夠產(chǎn)生的影響程度也不相同。因此需要確定不同基本事件的重要度，從而確定防范城市洪水災害的安全措施。

在定性分析中，通常采用最小割集的結(jié)構(gòu)度分析法分析不同基本事件的重要度，原則如下：

（1）單事件最小割集中基本事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)最大；

（2）僅出現(xiàn)在同一最小割集中的所有基本事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)相等；

（3）僅出現(xiàn)在基本事件個數(shù)相等的若干個最小割集中的各基本事件結(jié)構(gòu)重要系數(shù)依出現(xiàn)次數(shù)而定，即出現(xiàn)次數(shù)少，其結(jié)構(gòu)重要系數(shù)??；出現(xiàn)次數(shù)多，其結(jié)構(gòu)重要系數(shù)大；出現(xiàn)次數(shù)相等，其結(jié)構(gòu)重要系數(shù)相等。

依據(jù)以上結(jié)構(gòu)重要度分析原則，在“7·21”洪水事故災害的事故樹分析中，基本事件X1和X2在每一個最小割集中均出現(xiàn)，所以重要性最強。

3 城市洪水災害的對策探討

從“7·21”洪水事故災害的事故樹分析可以看出，雖然城市洪水主要由極端天氣和城市雨島效應引發(fā)，但在實際過程中，由于下墊層滲水性差、城市防洪排澇技術(shù)落后且設施不配套、排水系統(tǒng)脆弱造成的排水不暢，預警不及時、人員安全防范意識不強和應急響應不到位等人為因素才是洪水災害造成重大損失的癥結(jié)。利用事故樹分析法分析洪水事故災害，可以對應對該類事故災害提出防范措施，從而減小該類型事故造成的風險和損失。

3.1 完善暴雨預警和應急系統(tǒng)，提高群眾防范意識

預警和應急系統(tǒng)是應對風險的有效措施。目前國內(nèi)已經(jīng)逐漸重視并開展類似問題的研究。在這一方面，國外的一些成功經(jīng)驗值得借鑒［10］。3.1.1 建立并完善極端天氣和洪水預警系統(tǒng)

中國氣象局等專業(yè)機構(gòu)會在在網(wǎng)站等媒介上定期發(fā)布天氣預警信息。2015年成立了掛靠在中國氣象局公共氣象服務中心的國家預警信息發(fā)布中心，向社會公眾提供權(quán)威的綜合預警信息。

當氣象臺網(wǎng)通過最新先進技術(shù)監(jiān)測到極端天氣降雨并可能引發(fā)城市洪水時，負責部門就應該對可能受到影響的地區(qū)和民眾發(fā)布警報，明確可能出現(xiàn)的風險等級以及民眾應當采取的應對措施。通過短信、電話、廣播公告、電視、互聯(lián)網(wǎng)等多媒體聯(lián)合發(fā)布預警信息，確保每一個民眾都能及時有效得到預警。預警及警報應持續(xù)到洪水風險解除后再停止發(fā)布。

3.1.2 建立并完善應對暴雨和洪水風險應急系統(tǒng)

我國很多城市都有防汛抗旱應急預案。但是如何有針對性地應對暴雨及其造成的城市洪水風險，還有待進一步加強。我國很多城市和地區(qū)都有比較完備的防汛抗旱應急預案，但與之相對應的訓練、演練，特別是對特定區(qū)域的針對性演練還不夠，造成真正出現(xiàn)局地緊急情況時應對不力。應急預案的制定、多單位之間聯(lián)合演練、應急物資的儲備等都要落到實處，確保應急系統(tǒng)在關(guān)鍵時刻能夠充分發(fā)揮應有的作用。

3.1.3 開展洪水風險教育

當極端天氣和城市洪水真正來襲時，民眾防災意識的高低對于災害帶來的影響會起到?jīng)Q定性作用。政府必須加強對民眾的針對性的洪水風險教育，通過宣傳手冊、電視、互聯(lián)網(wǎng)、彩信、微信等方式開展多種形式的教育，包括行人被困暴雨中應該如何有效防御、車輛被困暴雨中應該如何有效防御、受到城市洪水威脅時應該如何有效處理等等最基本的內(nèi)容。另外，如何在面臨洪水危險時尋求幫助也應成為教育的重要內(nèi)容。

3.2 提高管網(wǎng)排水標準，修繕破損排水設施

我國《室外排水設計規(guī)范》規(guī)定“一般地區(qū)，重現(xiàn)期一般采用0.5-3年；重要干道、重要地區(qū)或短期積水即能引起較嚴重后果的地區(qū)，一般采用3-5年”。近年來，全國各主要城市頻繁遭遇幾十年一遇甚至百年一遇的城市洪水，因此這樣的排水標準明顯偏低。在實際的設計和施工過程中，大多數(shù)城市更是采用了規(guī)范中規(guī)定的較低的下限標準，加劇了城市洪水的危險性。部分城市管道使用年限較長、老化現(xiàn)象嚴重，整個排水管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力低下，是導致城市暴雨內(nèi)澇的重要原因。

我國很多地區(qū)的排水標準是參照了前蘇聯(lián)時期的一些數(shù)據(jù)，標準相對偏低。因此，需要在城市發(fā)展規(guī)劃中，按照現(xiàn)階段降雨特點重新制定管網(wǎng)排水標準，提高排水能力；劃撥專項資金，對老化管道進行修繕，從而提高城市排水水平。

3.3 減少硬化地面面積，提高城市調(diào)蓄水平

2014年11月2日，住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)《海綿城市建設技術(shù)指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》，對建筑與小區(qū)、城市道路、城市綠地與廣場和城市水系等的設計、工程建設和維護管理都提出了要求。提出選用下沉式綠地、植草溝、雨水濕地、透水鋪裝、多功能調(diào)蓄等低影響開發(fā)設施及其組合系統(tǒng)，充分發(fā)揮城市綠地、道路、水系等對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，使城市開發(fā)建設后的水文特征接近開發(fā)前，有效緩解城市內(nèi)澇、削減城市徑流污染負荷、節(jié)約水資源、保護和改善城市生態(tài)環(huán)境，為建設具有自然積存、自然滲透、自然凈化功能的海綿城市提供重要保障［11］。

當然，要實現(xiàn)上述要求，是一個漸進的過程，不可能一蹴而就。但在實現(xiàn)的過程中，要確保要求落實到位，避免出現(xiàn)上有政策、下有對策的現(xiàn)象。當真正建立起海綿型城市，新建工程和項目減小了雨水綜合徑流系數(shù)和外排水總量，從而從源頭上控制暴雨引發(fā)的城市洪水的誘因，城市洪水的危脅將大大降低。

3.4 疏浚河道，改善雨洪外排能力

城市洪水最后的外排主要依靠城市周圍的河道。近年來，由于城市擴容，侵占了很大一部分河道，造成河道泄洪能力下降。同時，河道缺少疏浚，年久失修，也會造成排水能力下降。遇到城市洪水時很容易造成倒灌積水。所以，需要對現(xiàn)有的河道進行整治。除了疏浚河道、清理違建之外，還要增大蓄洪泄洪區(qū)域的面積，從外排角度解決城市洪水的問題。

3.5 以北京市為例

3.5.1 “7·21”事故

2012年7月21日，北京市遭遇暴雨災害，全市16小時平均降雨量170mm，城區(qū)平均215mm。雖然在降雨初期進行了預警，并積極組織16萬余人參加強降雨應對工作，但由于預警不及時、排水管網(wǎng)不暢、雨洪外排能力不足、人員安全防范意識不強、應急響應不到位等原因，仍然造成了巨大損失。積水路段達到200余條，全市受災人口近78萬人，緊急轉(zhuǎn)移9萬余人，直接經(jīng)濟損失140多億元，其中水利工程損毀造成直接經(jīng)濟損失31億元。

3.5.2 改善措施

北京市針對“7·21”事故原因進行了分析，隨后發(fā)布了《北京市水利工程建設實施方案（2012—2015年）》，對水利設施提出了明確要求，并在之后的幾年時間內(nèi)以較高的標準完成了實施方案。對1460 km中小河道進行重點治理，實現(xiàn)防洪達標；完成7項市屬水利工程水毀修復、13座區(qū)（縣）小型水庫除險加固和15條水毀嚴重小流域防洪工程修復；建設1800處城鄉(xiāng)雨水收集利用設施，排查改造164座下凹式立交橋雨水泵站，改造350 km雨污水管線，建設4處大型雨洪蓄滯工程；新建擴建污水處理廠、再生水廠40座，配套建設再生水管線485 km；推進了永定河、北運河、潮白河流域綜合治理，加固堤防130 km；對農(nóng)村地區(qū)7800座塘壩、坑塘、魚池逐一進行排查，確保安全；疏挖排水溝渠，確保村莊排水暢通。此外國家預警信息發(fā)布中心也于2015年正式成立，氣象預警也有了較大的保證。同時，各種形式的應急宣傳教育也得到了廣泛開展，民眾防災意識得到了較大提高。

3.5.3 成效

2016年7月19日1時至21日8時，北京再次遭遇強降雨，全市平均降雨212.6mm，城區(qū)平均降雨274.0mm。雖然雨強不如“7·21”，但總降雨量較大。暴雨雖然造成13條道路被淹，但全市地鐵和公路基本運轉(zhuǎn)正常，沒有出現(xiàn)特別嚴重事故。雨污水最終被新改建的幾十座污水處理廠外加再生水廠處理后再利用。暴雨中各重點橋區(qū)建設的地下蓄水池也發(fā)揮了巨大作用，避免了因雨量過大過急造成排水河道水位高于排水口導致的河水倒灌現(xiàn)象。此次降水雖然雨量大，但造成的損失卻明顯處在可控制范圍之內(nèi)。

從2012年和2016年兩次強降雨造成的后果可以看出，面臨極端天氣和雨島效應造成的暴雨，如果不能積極有效地應對，就會造成不可估量的損失。如果可以從預警、管網(wǎng)、地面、河道等方面早預防、早準備，就能夠?qū)⒈┯暌l(fā)的損失降到最低。

4 結(jié)論

暴雨不可避免，但是因暴雨帶來的城市洪水卻可以在人為的控制下減小其影響和危害。利用事故樹分析法對暴雨引發(fā)的城市洪水災害進行分析，對剖析城市洪水災害成因、提出妥善預防和處置方法都將是有益的嘗試。防災減災對策主要包括完善暴雨預警和應急系統(tǒng)，提高群眾防范意識；提高管網(wǎng)排水標準，修繕破損排水設施；減少硬化地面面積，提高城市調(diào)蓄水平；疏浚河道，改善雨洪外排能力。如果能夠從這些方面著手，城市暴雨變成城市洪水災害的概率將能夠得到最大程度的遏制。

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Cause Anaysis and Countermeasures of Urban Flood Disaster through Fault Tree Analysis

Wen Xiaoyan，Li Hui

（North China Institute of Science and Technology，Sanhe 065201，China）

The frequent occurrence of urban flood disasters in the last few years，end in heavy losses and serious effects.Taking“7·21”Beijing flood disaster as an example，this paper analyzed the urban flood causation，constructed the fault tree，fixed the minimum cutting set，and analyzed the structural importance as well.As indicated from the results，the extreme weather and the urban rain island effect are the most important events，while poor drainage and human factors form the main causes for the flood losses.And to deal with urban flood disaster，suggestions are proposed to take countermeasures in the aspects of enhancing early warning，improving drainage system，improving the penetrative ability of the ground，and dredging the river.

urban flood disaster；Fault Tree Analysis；causes；countermeasures

X43

1673-8047（2016）04-0050-05

2016-09-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目（3142015045，3142015041）；華北科技學院應用型人才培養(yǎng)模式下數(shù)學教育的改革與實踐項目（HKJY201439）

文小艷（1978—），女，碩士，講師，主要從事計算數(shù)學和應用數(shù)學方向的研究。