基于層次分析法的水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定研究

我國的很多大型水庫是建于20世紀(jì)50—80年代，隨著運(yùn)行年限的增加相應(yīng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也不斷升高。近些年，水利部門逐漸加強(qiáng)了對(duì)大中小水庫的監(jiān)管力度，其中水庫的應(yīng)急防御工作是很重要的一部分。鑒于此，本文以淮河水系淠河流域大別山區(qū)串并聯(lián)水庫群為典型研究對(duì)象，利用水文、氣象和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，基于MIKE 模型模擬結(jié)果和層次分析法，構(gòu)建了水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定指標(biāo)體系，旨在確定不同情形下水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)，從而為水庫應(yīng)急預(yù)案的制定提供參考。

一、研究區(qū)概況

淠河流域地處安徽省西部，淮河中游右岸，大別山北麓。流域東側(cè)與東淝河流域接壤，并以江淮分水嶺為界與長(zhǎng)江水系的豐樂河、杭埠河相鄰，南達(dá)江淮分水嶺與長(zhǎng)江水系的巴水、浠水、皖河為鄰，西面是淮河水系的安河、汲河，北抵淮河，流域面積6000km2。其中，山區(qū)占72%，丘陵區(qū)占17%，沿河平原洼地占11%。地跨岳西縣，霍山縣，金寨縣，六安市裕安區(qū)、金安區(qū)，霍邱縣，壽縣等7 個(gè)縣（區(qū)），另涉及舒城縣少數(shù)村鎮(zhèn)。

圖1 研究區(qū)概化圖

按地形及匯水條件，大致將佛子嶺、響洪甸水庫以上劃定為上游，流域面積3240km2，屬山區(qū)；佛子嶺、響洪甸兩水庫壩下至橫排頭站為中游，區(qū)間面積1130km2，為山丘區(qū)；橫排頭站至淮河干流正陽關(guān)站為下游，區(qū)間面積1630km2，為丘陵和平原洼地。流域上游有白蓮崖、磨子潭、佛子嶺、響洪甸四座大型水庫，四座水庫下游最近的主要控制站為橫排頭水文站，研究區(qū)概化圖見圖1。

二、水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)構(gòu)建研究

根據(jù)研究區(qū)概況可知，四座水庫既有串聯(lián)，又有并聯(lián)，不同的潰壩組合方式下潰壩洪水的影響范圍、傳播時(shí)間、演進(jìn)路線、洪峰流量等特征因素不一樣，從而使得潰壩洪水對(duì)淠河沿線、淮河干流的影響程度各有差異，潰壩洪水可能造成的損失也不同。根據(jù)研究可知，當(dāng)水庫潰壩數(shù)量較多時(shí)，潰壩洪水的洪峰流量較大，傳播時(shí)間較快，下泄的水量也較大，相應(yīng)影響的區(qū)域也較廣。

為了準(zhǔn)確科學(xué)地分析水庫潰壩后對(duì)下游的可能影響，按照科學(xué)性、代表性、特殊性、可行性原則選取相關(guān)指標(biāo)。綜合考慮各種水庫潰壩后的影響，可將水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定需要重點(diǎn)考慮的因素分為5 個(gè)，分別為水庫潰壩水量、淠河沿線受淹鄉(xiāng)鎮(zhèn)個(gè)數(shù)、淠河受災(zāi)人口、淠河總預(yù)估經(jīng)濟(jì)損失和入淮河干流洪峰流量。這5 個(gè)因素構(gòu)成了水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定指標(biāo)體系，基于層次分析法對(duì)以上5 個(gè)需要考慮的因素進(jìn)行權(quán)重分析，水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)判斷矩陣見表1，得到水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)體系及各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，見表2。

從表2指標(biāo)權(quán)重系數(shù)可以看出，淠河受災(zāi)人口權(quán)重最高，充分體現(xiàn)應(yīng)急救災(zāi)以人為本的基本思想，是應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定必須重點(diǎn)考慮的因素，其次比較重要的指標(biāo)有淠河受淹鄉(xiāng)鎮(zhèn)個(gè)數(shù)、淠河總預(yù)估經(jīng)濟(jì)損失，這兩個(gè)指標(biāo)表征了水庫潰壩后對(duì)淠河沿線的影響。

對(duì)于各指標(biāo)取值，經(jīng)過分析相關(guān)參考文獻(xiàn)及研究各指標(biāo)的具體含義，結(jié)合潰壩洪水影響區(qū)域的實(shí)際情況，各指標(biāo)具體取值參照表3。對(duì)于每種潰壩情形，根據(jù)水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定指標(biāo)體系相關(guān)指標(biāo)取值與相應(yīng)權(quán)重，計(jì)算此潰壩情形下綜合權(quán)重值。對(duì)于水庫潰壩應(yīng)對(duì)一級(jí)情形，綜合權(quán)重值為85～100；對(duì)于水庫潰壩應(yīng)對(duì)二級(jí)情形，綜合權(quán)重值為70～85；對(duì)于水庫潰壩應(yīng)對(duì)三級(jí)情形，綜合權(quán)重值為小于70。

表1 水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)判斷矩陣表

表2 水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)體系及權(quán)重系數(shù)表

表3 指標(biāo)各分?jǐn)?shù)段評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)表

表4 水庫潰壩計(jì)算方案表

三、不同情形下水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定

1.水庫潰壩情形設(shè)計(jì)

淠河流域上游四座大型水庫關(guān)系復(fù)雜，其中白蓮崖水庫和磨子潭水庫構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，白蓮崖水庫和磨子潭水庫與佛子嶺水庫分別構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系，佛子嶺水庫與響洪甸水庫彼此又構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，四個(gè)水庫間既有串聯(lián)又有并聯(lián)關(guān)系，級(jí)聯(lián)效應(yīng)明顯。通過綜合分析，設(shè)計(jì)了5 種水庫潰壩計(jì)算方案，見表4。

2.水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)計(jì)算

水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定指標(biāo)包含水庫潰壩水量（X1）、淠河沿線受淹鄉(xiāng)鎮(zhèn)個(gè)數(shù)（X2）、淠河受災(zāi)人口（X3）、淠河總預(yù)估經(jīng)濟(jì)損失（X4）、入淮河干流洪峰流量（X5），這5 個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法說明如下：

（1）指標(biāo)X1、X2、X5計(jì)算說明

目前對(duì)潰壩洪水的研究方法主要有物理模擬和數(shù)值模型兩類，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于物理過程機(jī)制分析的潰壩數(shù)值模型發(fā)展較快，逐漸成為潰壩研究的主要方法，比較典型的模型有MIKE模型、BREACH 模型、DAMBRK 模型、IWHR DB模型等。通過相關(guān)學(xué)者的研究，MIKE 模型能夠?qū)魏樗M(jìn)行很好的模擬，可以計(jì)算潰壩洪水的淹沒范圍、淹沒水深、傳播速度、洪水到達(dá)時(shí)間等，定量估算潰壩洪水的影響?；贛IKE 模型模擬計(jì)算結(jié)果，可以得到水庫潰壩水量、淠河沿線受淹鄉(xiāng)鎮(zhèn)個(gè)數(shù)、入淮河干流洪峰流量3 個(gè)應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)值。

以方案1 為例說明，方案1 主要考慮響洪甸水庫單庫潰決。由模擬計(jì)算可知，響洪甸水庫潰決后，50min 后到達(dá)東西淠河匯流點(diǎn)，一部分沿著淠河干流繼續(xù)演進(jìn)，另外一部分則會(huì)向東淠河方向流動(dòng)，這部分洪水影響范圍一直延伸到霍山縣到程家灣區(qū)域，同時(shí)霍山縣城有一小部分區(qū)域被淹沒。約7h 左右，洪水到達(dá)六安市，同時(shí)橫排頭至六安市區(qū)域，淠河河道右側(cè)由于地形較低，淹沒范圍較大。潰壩洪水約25h 到達(dá)淠河干流模型最后一個(gè)斷面趙臺(tái)子處，約35h 洪峰到達(dá)此處，流量衰減為27000m3/s左右。由于響洪甸水庫庫容較大，潰壩洪水對(duì)淠河下游洪泛區(qū)的影響較大，整個(gè)潰壩洪水需要5d 左右時(shí)間消退。

對(duì)于方案1，潰壩洪水到達(dá)淠河干流模型最后一個(gè)斷面趙臺(tái)子處約25h，潰壩洪水最終淹沒范圍見圖2，最終淹沒水深見圖3。從圖2可以看出，當(dāng)響洪甸水庫單庫潰決，潰壩洪水的影響區(qū)域主要是霍山縣的衡山鎮(zhèn)、下符橋鎮(zhèn)、但家廟鎮(zhèn)，六安市裕安區(qū)的獨(dú)山鎮(zhèn)、西河口鄉(xiāng)、石板沖鄉(xiāng)、青山鄉(xiāng)、蘇埠鎮(zhèn)、韓擺渡鎮(zhèn)、平橋鄉(xiāng)、分路口鎮(zhèn)、新安鎮(zhèn)、順河鎮(zhèn)、單王鄉(xiāng)，六安市金安區(qū)的城北鄉(xiāng)、木廠鎮(zhèn)、碼頭鎮(zhèn)，霍邱縣的彭塔鄉(xiāng)、馮瓴鄉(xiāng)、潘集鎮(zhèn)，壽縣的隱賢鎮(zhèn)、張李鄉(xiāng)、板橋鎮(zhèn)、迎河鎮(zhèn)、正陽關(guān)鎮(zhèn)。從圖3可以看出，平均淹沒水深約2～3m，潰壩洪水一直演進(jìn)到正陽關(guān)鎮(zhèn)。結(jié)合兩圖可知，西河口鄉(xiāng)、石板沖鄉(xiāng)、青山鄉(xiāng)、蘇埠鎮(zhèn)、韓擺渡鎮(zhèn)受潰壩洪水影響較大。

圖2 方案1 潰壩洪水最終淹沒范圍圖

圖3 方案1 潰壩洪水最終淹沒水深圖

圖4 方案1 的受災(zāi)人口、總經(jīng)濟(jì)損失對(duì)比圖

表5 計(jì)算方案1 水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定表

表6 計(jì)算方案2～方案5 水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定表

（2）指標(biāo)X3、X4計(jì)算說明

洪水災(zāi)害損失評(píng)估指標(biāo)需要對(duì)洪水災(zāi)害多方面特征進(jìn)行描述，單一指標(biāo)不能全面刻畫它的特征，只有通過包含多方面內(nèi)容的指標(biāo)集合才可能達(dá)到。從總體上來看，整個(gè)系統(tǒng)具有二元化特征，即由洪水災(zāi)害的自然特征和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征兩方面構(gòu)成。洪災(zāi)自然屬性指標(biāo)由發(fā)生時(shí)間、位置、范圍、程度、動(dòng)態(tài)變化來描述，洪災(zāi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性由人口、耕地、房屋、家庭財(cái)產(chǎn)、工商企業(yè)、農(nóng)林牧漁業(yè)情況、基礎(chǔ)設(shè)施等方面描述。對(duì)一個(gè)確定的地區(qū)而言，影響洪災(zāi)損失的主要因素是淹沒歷時(shí)和淹沒深度。因此，洪災(zāi)損失率分析主要通過總結(jié)已有洪災(zāi)損失率研究成果，參考近年來調(diào)查的其他地區(qū)洪災(zāi)損失率關(guān)系及國內(nèi)外其他研究成果，并根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況調(diào)整擬定。洪災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失一般可歸納為直接損失和間接損失兩方面，本文主要對(duì)洪災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失（即財(cái)產(chǎn)損失）進(jìn)行分析和估算。基于GIS 技術(shù)及洪水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果，可以得到不同潰壩計(jì)算方案下的淠河受災(zāi)人口、淠河總預(yù)估經(jīng)濟(jì)損失2 個(gè)應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)值。

以方案1 為例說明，分區(qū)的受災(zāi)人口、總經(jīng)濟(jì)損失見圖4，從圖4可以看出，裕安區(qū)受災(zāi)人口26.58 萬人、總經(jīng)濟(jì)損失13.68 億元，壽縣受災(zāi)人口21.49 萬人、總經(jīng)濟(jì)損失15.68 億元，這兩個(gè)地區(qū)在五個(gè)受影響的縣區(qū)里面受災(zāi)人口相對(duì)較多、總經(jīng)濟(jì)損失相對(duì)較大。從淹沒面積占縣區(qū)總面積的比例來看，淹沒面積比例超過50%的裕安區(qū)主要是新安鎮(zhèn)、蘇埠鎮(zhèn)、韓擺渡鎮(zhèn)，金安區(qū)主要是淠東鄉(xiāng)、城北鄉(xiāng)、馬頭鎮(zhèn)、清水河街道，壽縣主要是迎河鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)、隱賢鎮(zhèn)、張李鄉(xiāng)。

3.水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定

基于水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)計(jì)算方法及評(píng)定指標(biāo)各分?jǐn)?shù)段評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，以計(jì)算方案1 為例進(jìn)行水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定，得到計(jì)算方案1 的應(yīng)對(duì)等級(jí)指標(biāo)值、相應(yīng)評(píng)定分?jǐn)?shù)值、綜合權(quán)重值及應(yīng)對(duì)等級(jí)，見表5。計(jì)算方案2～方案5 先得到各指標(biāo)計(jì)算值，然后參照計(jì)算方案1 求綜合權(quán)重的方法計(jì)算綜合權(quán)重值，最終得到各計(jì)算方案的應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定，見表6。

綜上所述，根據(jù)水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定指標(biāo)及綜合權(quán)重值，對(duì)不同情形的水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)定，其中一級(jí)應(yīng)對(duì)主要為方案3 和方案5，即佛子嶺水庫、響洪甸水庫相繼潰壩的影響是最大的，二級(jí)應(yīng)對(duì)主要為方案1 和方案4，三級(jí)應(yīng)對(duì)主要為方案2。由于淠河水庫群的四座水庫庫容較大、地勢(shì)較高，水庫無論是單庫還是多庫潰壩，對(duì)下游造成的損失和影響都將是巨大的。三種不同的應(yīng)對(duì)等級(jí)不是針對(duì)不同潰壩情形重視程度的評(píng)定，而是對(duì)于不同潰壩情形下可能造成的影響進(jìn)行預(yù)判，從而開展更有針對(duì)性的應(yīng)急措施，使得最終潰壩洪水造成的損失降到最低、影響降到最小。

四、結(jié)論及建議

通過綜合考慮水庫潰壩后的可能影響，構(gòu)建了水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定指標(biāo)體系，評(píng)定指標(biāo)體系包含水庫潰壩水量、淠河沿線受淹鄉(xiāng)鎮(zhèn)個(gè)數(shù)、淠河受災(zāi)人口、淠河總預(yù)估經(jīng)濟(jì)損失、入淮河干流洪峰流量，其中淠河受災(zāi)人口的權(quán)重系數(shù)最高。

基于構(gòu)建的水庫潰壩應(yīng)對(duì)等級(jí)評(píng)定指標(biāo)體系，評(píng)定了五種不同情形的水庫潰壩方案，結(jié)果表明：（1）佛子嶺水庫、響洪甸水庫相繼潰壩影響最大，為一級(jí)應(yīng)對(duì)，響洪甸水庫單庫潰壩或白蓮崖、磨子潭水庫潰壩洪水導(dǎo)致佛子嶺水庫單庫潰壩影響次之，為二級(jí)應(yīng)對(duì)，佛子嶺水庫單庫潰壩影響最小，為三級(jí)應(yīng)對(duì)；（2）四座串并聯(lián)水庫若發(fā)生潰壩，無論是單庫潰決還是多庫潰決，產(chǎn)生的影響都是巨大的，五種計(jì)算方案水庫潰壩水量約5～39 億m3，淠河沿線受淹鄉(xiāng)鎮(zhèn)15～34 個(gè)，淠河受災(zāi)人口6～80 萬人，淠河總預(yù)估經(jīng)濟(jì)損失4～63 億元，入淮河干流洪峰流量6000～38155m3/s。

我國大型水庫潰壩的概率還是相對(duì)較低，潰壩的主要是中小型水庫。而水庫潰決集合應(yīng)對(duì)措施在我國的研究相對(duì)較少，水庫一旦潰決，影響范圍廣、損失大、社會(huì)影響深遠(yuǎn)，為了防患于未然，進(jìn)一步開展水庫長(zhǎng)期運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)對(duì)措施研究非常迫切且意義重大■