考慮致災(zāi)后果的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與等級(jí)劃分

孟 穎,唐玲玲

(1.南京水利科學(xué)研究院 水利部大壩安全管理中心，南京 210029； 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029； 3.廣西玉林水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西 玉林 537099)

1 研究背景

潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)是當(dāng)前大壩風(fēng)險(xiǎn)管理研究中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。在潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)研究的初期，經(jīng)濟(jì)損失估算相對(duì)簡單，加拿大、美國、澳大利亞等國家將生命損失折算成金錢，以經(jīng)濟(jì)損失來度量總的潰壩后果[1-3]。后來，隨著人們意識(shí)到生命價(jià)值無法用金錢衡量，在估算潰壩后果時(shí)，主要考慮生命損失，基于歷史資料的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，有美國的B&G法[4]、Dekay&McClelland法(D&M法)[5]、Graham法[6]以及加拿大的Assaf法[7]。這類方法對(duì)數(shù)據(jù)的完整性要求高，由于難以準(zhǔn)確獲取所有的災(zāi)害數(shù)據(jù)，過程中難免進(jìn)行部分簡化，導(dǎo)致這些模型在應(yīng)用時(shí)的準(zhǔn)確性下降。

在現(xiàn)代洪水風(fēng)險(xiǎn)管理過程中，降低洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)不僅需要工程性保障措施，更需要輔以非工程保障措施。近年來，隨著對(duì)潰壩洪水的傳播特征以及演進(jìn)過程研究的開展，研究者們開始更多地基于潰壩洪水對(duì)人類的影響機(jī)制來分析洪水風(fēng)險(xiǎn)。鄒強(qiáng)等[8]基于最大熵原理和屬性區(qū)間識(shí)別理論對(duì)各單元進(jìn)行危險(xiǎn)、易損等級(jí)的評(píng)定和排序，分析洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。宋英華等[9]基于MIKE 21建立了城市雨洪模型，從積水深度和降雨時(shí)間等維度分析道路、建筑物等承災(zāi)體的暴露度并對(duì)行人作失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)分析。果鵬等[10]研究洪水中人體跌倒失穩(wěn)機(jī)制，提出了基于力學(xué)過程的洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。上述研究分析了部分因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)后果的影響程度，為構(gòu)建更為準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)后果分析模型提供了一定的基礎(chǔ)。

根據(jù)災(zāi)害系統(tǒng)理論，潰壩造成生命損失的風(fēng)險(xiǎn)是危險(xiǎn)性、脆弱性和暴露度因素綜合作用的結(jié)果。本文基于災(zāi)害系統(tǒng)理論，耦合危險(xiǎn)性、脆弱性、暴露度因素對(duì)淹沒區(qū)生命損失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。通過劃分不同等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，研究淹沒區(qū)人口受到潰壩洪水影響的生命損失風(fēng)險(xiǎn)程度，為突發(fā)洪水事件應(yīng)急撤離提供指導(dǎo)依據(jù)[11]。

2 潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 洪水危險(xiǎn)性分析

Graham法[6]曾用潰壩洪水的嚴(yán)重性來說明洪水對(duì)生命損失的威脅程度，將嚴(yán)重性分為高、中、低3種類型，劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)低嚴(yán)重性。當(dāng)房屋被淹沒但沒有被摧毀；大多數(shù)建筑物被淹沒深度D≤3 m，或參數(shù)DV≤4.6 m2/s。

(2)中等嚴(yán)重性。當(dāng)一部分房屋被毀壞，但仍有一些房屋和樹木未被沖毀，仍可以作為避難所；大部分建筑物淹沒深度DV>3 m，或4.6 m2/s

(3)高嚴(yán)重性。當(dāng)該地區(qū)房屋和樹木都被沖毀，幾乎沒有東西可作為遮擋，一般可取DV>12 m2/s。DV的計(jì)算公式為

DV=(Qdf-Q2.33)/Wdf。

(1)

式中：Qdf為潰壩流量；Q2.33為年平均流量；Wdf為潰壩洪水最大寬度。

Graham法中為了區(qū)分低嚴(yán)重性和中等嚴(yán)重性，提出了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)基于深度D，另一個(gè)基于參數(shù)DV。但這種劃分洪水嚴(yán)重性的方法是基于數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)規(guī)律獲得的，受數(shù)據(jù)集樣本影響較大。且DV的定義較為復(fù)雜，缺少實(shí)際操作性，從其定義可簡化為洪水水深D與流速V的乘積，為與DV區(qū)分，后用D·V表示。

2.2 承災(zāi)體暴露度分析

暴露度是衡量受災(zāi)人口接觸外部不利環(huán)境時(shí)暴露程度的指標(biāo)，即洪水是否會(huì)對(duì)研究對(duì)象造成災(zāi)害，取決于研究對(duì)象在潰壩洪水到達(dá)時(shí)是否在洪水災(zāi)害的影響范圍內(nèi)。暴露度是動(dòng)態(tài)的，因時(shí)空尺度而異。因此承災(zāi)體暴露度分析就是分析不同時(shí)刻潰壩洪水的淹沒范圍。

二維洪水演進(jìn)計(jì)算采用美國陸軍工程兵團(tuán)水文中心開發(fā)的河道水力計(jì)算軟件HEC-RAS。HEC-RAS二維水動(dòng)力學(xué)模型支持二維水力計(jì)算。

2.2.1 淺水方程

二維洪水演進(jìn)模型的基本方程為Navier-Stokes方程簡化的淺水方程。

連續(xù)方程：

(2)

動(dòng)量方程：

(3)

式中：H為水面高程(m)；h為水深(m)；V為流速(m/s)；q為旁側(cè)入流(m2/s)；g為重力加速度(m/s2)；υt為水平方向運(yùn)動(dòng)黏度(m2/s)，；cf為河床底部糙率；f為科里奧利系數(shù)；k為垂直方向單位矢量。

2.2.2 堰流方程

計(jì)算潰口出流時(shí)采用堰流方程，即

(4)

式中：Q為出流量(m3/s)；C為堰流系數(shù)(m1/2/s)；L為堰長(m)；H0為堰上水頭(m)。

2.3 承災(zāi)體脆弱性分析

在暴露的條件下，不利影響的程度和類型取決于脆弱性。脆弱性是指受災(zāi)人口在洪水災(zāi)害面前的脆弱程度。發(fā)生潰壩洪水時(shí)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)人口所處的環(huán)境，分為在戶外、室內(nèi)人口。

2.3.1 戶外人口脆弱性分析

對(duì)于在戶外的人，洪水風(fēng)險(xiǎn)取決于行人自身的特性，一般來說兒童、女性相較于成年男性更易受到洪水的危害，即脆弱性更高。圖1中根據(jù)Foster等[12]、Karvonen等[13]、Yee等[14]、Jonkman等[15]的真實(shí)人體失穩(wěn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了水流特性(D·V)和研究對(duì)象身高、體重乘積(H·M)的關(guān)系圖并進(jìn)行了線性擬合(圖1)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國幼兒(3～6歲)、青少年(7～19歲)、成年女性(20～59歲)、成年男性(20～59歲)的平均身高和體重[16]，進(jìn)一步細(xì)化戶外風(fēng)險(xiǎn)人口的洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 水流特性(D·V)與身高體重(H·M)的關(guān)系Fig.1 Relation between water flow characteristic(D·V) and height and weight (H·M) of population

從圖1可知，D·V表示所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源的風(fēng)險(xiǎn)程度隨對(duì)象身高、體重乘積(H·M)的變化而變化。D·V<0.4 m2/s為極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，0.4 m2/s≤D·V<0.6 m2/s為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，僅對(duì)于幼兒、青少年(H·M≤50 m·kg)是危險(xiǎn)的；0.6 m2/s≤D·V<0.8 m2/s為中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，對(duì)于成年女性(H·M=85 m·kg)是危險(xiǎn)的；0.8 m2/s≤D·V為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，此時(shí)對(duì)于成年男性(H·M=115 m·kg)也是危險(xiǎn)的。根據(jù)不同人在洪水中的脆弱性將洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為4級(jí)，如表1所示。

表1 戶外人口洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Rating standard of flood risk levels foroutdoor population

2.3.2 室內(nèi)人口脆弱性分析

在戶外的人由于沒有任何建筑的防護(hù)，其暴露在潰壩洪水危險(xiǎn)下的程度要遠(yuǎn)高于在建筑內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)人口。對(duì)于被洪水困在室內(nèi)的人，認(rèn)為潛在的危險(xiǎn)與建筑物的倒塌有關(guān)。即假設(shè)建筑物因洪水淹沒而倒塌，室內(nèi)的人就有潛在的生命損失風(fēng)險(xiǎn)。因此，被困在室內(nèi)的人暴露在洪水中的危險(xiǎn)水平取決于不同建筑類型的潛在倒塌風(fēng)險(xiǎn)。倒塌風(fēng)險(xiǎn)是基于D·V最大值、取自BC Hydro(BCH)[17]開發(fā)的生命安全模型(LSM)中的建筑穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 室內(nèi)人口洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Rating standard of flood risk levels for indoor population

2.4 洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法

針對(duì)建筑物外、建筑物內(nèi)人口的不同情況，基于不同洪水要素(水深、流速)條件下人體失穩(wěn)機(jī)制和建筑物損毀機(jī)制，形成了洪水危險(xiǎn)性與承災(zāi)體脆弱性之間的聯(lián)系，建立了潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)；基于二維水動(dòng)力模型進(jìn)一步考慮承災(zāi)體可能受到不利影響的動(dòng)態(tài)位置，形成了潰壩影響區(qū)內(nèi)洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法，如圖2所示。

圖2 潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法Fig.2 Rating method for dam-break flood risk level

根據(jù)前述研究成果，將戶外、室內(nèi)人口脆弱性分析成果匯總，共有10個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。但實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分太細(xì)不利于實(shí)際操作和運(yùn)用。故本文根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制和我國國情，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了整合，簡化為5級(jí)，見表3。

3 案例研究

3.1 工程概況

某水庫位于中國自貢市境內(nèi)，地理位置在東經(jīng)104°10′，北緯29°24′。攔河大壩位于越溪河上游，壩址控制流域面積587 km2，占全流域面積的22%。

表3 簡化的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分與風(fēng)險(xiǎn)描述Table 3 Simplified rating and descriptions of dam-break flood risks

圖4 不同時(shí)刻潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分Fig.4 Zoning of flood risks at different instances

該水庫是一座大(2)型水庫，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇設(shè)計(jì)，2 000 a一遇校核，總庫容1.66億m3。攔河壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩。

3.2 模型構(gòu)建

圖3(a)為研究區(qū)1∶10 000地形，圖3(b)為土地利用類型，基于GlobeLand30全球土地利用數(shù)據(jù)將計(jì)算區(qū)域土地類型劃分為水體、林地、草地、耕地、建設(shè)用地5類，并依照曼寧系數(shù)表對(duì)地表糙率賦值，其中水體糙率取0.035，林地糙率取0.2，草地糙率取0.04，耕地取糙率0.03，建設(shè)用地糙率取0.025。

圖3 研究區(qū)地形及土地利用類型Fig.3 Topography and land use types in the study area

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 危險(xiǎn)性分析

基于前述研究，用表征洪水危險(xiǎn)性的指標(biāo)D·V劃分洪水淹沒區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，可以直觀地顯示在同一時(shí)刻不同區(qū)域的洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。圖4為潰壩洪水演進(jìn)過程中不同時(shí)刻的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分，對(duì)于潰壩淹沒區(qū)某一點(diǎn)，其在不同時(shí)刻的洪水風(fēng)險(xiǎn)變化情況一般表現(xiàn)為隨時(shí)間增長呈“相對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)—相對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)—相對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)”的轉(zhuǎn)變。人口應(yīng)在高風(fēng)險(xiǎn)來臨前及時(shí)撤離，從高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移，從低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移。

3.3.2 暴露度分析

潰壩洪水由于其時(shí)間短、強(qiáng)度大的特點(diǎn)導(dǎo)致留給人們反應(yīng)和撤離的時(shí)間極其有限，故潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)與時(shí)刻緊密相關(guān)。從淹沒范圍和洪水演進(jìn)時(shí)間2個(gè)維度對(duì)承災(zāi)體的暴露度展開分析。圖5為不同風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別洪水淹沒面積隨時(shí)間的變化情況。從圖5可知，在潰壩發(fā)生后的0.25～6 h期間，隨著時(shí)間的增長，暴露在洪水淹沒范圍中的區(qū)域越來越多；6～24 h期間，隨時(shí)間增長，暴露在洪水淹沒范圍中的區(qū)域逐漸減少。且“極高”、“高”洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在t=6 h時(shí)的影響范圍最大，之后逐漸降低。說明在潰壩發(fā)生后的6 h時(shí)，承災(zāi)體的暴露度會(huì)達(dá)到最大值。此時(shí)暴露在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的人口生命安全受到嚴(yán)重威脅，應(yīng)在該時(shí)刻前完成風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的人口轉(zhuǎn)移安置。

圖5 不同風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別洪水淹沒面積隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of area inundated by dam-breakflood of different risk levels over time

3.3.3 脆弱性分析

圖6為t=6 h時(shí)刻局部區(qū)域的洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。以該時(shí)刻為例，分析人口在洪水災(zāi)害面前的脆弱程度。風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為“極低”的區(qū)域洪水對(duì)在戶外的兒童和老年人有一定的風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)別為“低”的區(qū)域洪水對(duì)所有在戶外的人都有風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)別為“中”的區(qū)域洪水對(duì)非混凝土建筑物內(nèi)的人有風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)別為“高”的區(qū)域洪水對(duì)混凝土建筑物內(nèi)的人有風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)別為“極高”的區(qū)域洪水對(duì)所有建筑物內(nèi)的人都有風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 t=6 h時(shí)刻局部區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分Fig.6 Flood risk zoning at t= 6 h in local area

4 結(jié) 論

(1)基于潰壩洪水致災(zāi)機(jī)理，梳理影響因子間的交互關(guān)系，提出了基于災(zāi)害系統(tǒng)理論的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)分析方法。

(2)針對(duì)建筑物外、建筑物內(nèi)人口的不同情況，基于不同洪水要素(水深、流速)條件下人體失穩(wěn)機(jī)制和建筑物損毀機(jī)制，形成了洪水危險(xiǎn)性與承載體脆弱性之間的聯(lián)系，建立了潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)；基于二維水動(dòng)力模型進(jìn)一步考慮承載體可能受到不利影響的動(dòng)態(tài)位置，形成了潰壩影響區(qū)內(nèi)洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法。

(3)結(jié)合ArcGIS地理信息技術(shù)和洪水演技模擬技術(shù)，選擇某水庫作為研究對(duì)象，進(jìn)行了案例分析。對(duì)潰壩淹沒區(qū)內(nèi)各地理單元的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，證明了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和劃分標(biāo)準(zhǔn)的適用性。

(4)劃分潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為“極低、較低、中、高、極高”五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，可以體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)人口受到大壩失事影響的生命損失嚴(yán)重程度，為突發(fā)洪水事件應(yīng)急撤離提供指導(dǎo)依據(jù)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的人口先轉(zhuǎn)移，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的人口后轉(zhuǎn)移。