沈照偉，童楊斌,3，許月萍，張民強

(1．浙江省水利河口研究院防災(zāi)減災(zāi)研究所，浙江杭州 310020；2．浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，浙江杭州 310020；3．路易斯安那州立大學土木與環(huán)境工程系，美國

巴吞魯日 70802；4．浙江大學水文與水資源工程研究所，浙江杭州 310058)

潰壩洪水經(jīng)濟損失評估研究進展

沈照偉1,2，童楊斌1,2,3，許月萍4，張民強1,2

(1．浙江省水利河口研究院防災(zāi)減災(zāi)研究所，浙江杭州 310020；2．浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，浙江杭州 310020；3．路易斯安那州立大學土木與環(huán)境工程系，美國

巴吞魯日 70802；4．浙江大學水文與水資源工程研究所，浙江杭州 310058)

介紹了目前洪水損失評估常用的綜合性軟件以及學術(shù)團體研究開發(fā)的專業(yè)模型；闡述了潰壩洪水經(jīng)濟損失評估的研究熱點，如區(qū)域洪災(zāi)損失與實時評估問題、動態(tài)評估模型等；討論了支持向量機、模糊理論、人工智能、灰色理論等在洪水經(jīng)濟損失評估中的應(yīng)用；分析了當前潰壩經(jīng)濟損失評估方法的缺陷與未來發(fā)展趨勢．

潰壩；經(jīng)濟損失；區(qū)域洪災(zāi)損失評估；支持向量機

據(jù)“2008年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報”，我國已建成各類水庫8.6萬多座，數(shù)量居世界首位．截至2007年5月底的初步統(tǒng)計，全國有病險水庫37 000座左右，與此同時，我國水庫潰壩率亦居世界前列．2007年，水利部會同國家發(fā)改委制定了“全國病險水庫除險加固專項規(guī)劃”，計劃用3年的時間解決6 200座病險水庫的除險加固問題．然而，由于我國水庫總數(shù)多，潰壩較多，總體管理水平偏差，水庫除險加固受到資金、人力和技術(shù)等因素的制約，難以在短時間內(nèi)解決全部問題．在國外，如澳大利亞、美國、加拿大等，風險的概念已被運用到大壩安全管理中，并建立了相應(yīng)標準．潰壩概率分析和潰壩對下游地區(qū)造成的損失評估是大壩風險分析的重要內(nèi)容．在我國病險水庫除險加固工作逐步開展的同時，引入國外先進理念，研究潰壩洪水經(jīng)濟損失評估，對防洪減災(zāi)具有重要意義．

1 洪水損失評估的一般方法

對洪水造成的經(jīng)濟損失進行評估是國內(nèi)外歷來都比較重視的一項研究．美國、日本、澳大利亞、英國等國家都建立了一系列洪災(zāi)損失評估方法，包括災(zāi)情調(diào)查網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后安置等，其評估手段、速度及精度相對都較高．在中國，由于洪災(zāi)損失評估的研究工作起步較晚，加上洪災(zāi)本身的復(fù)雜性以及基礎(chǔ)工作的薄弱性，我國的災(zāi)損評估與國外先進做法相比，仍有較大的差距，需要不斷改進與提高．

一次潰壩事故造成的洪災(zāi)總經(jīng)濟損失可按如下公式計算：

其中，Dd是一次潰壩造成的總直接經(jīng)濟損失（元），Cp是抗洪救災(zāi)等費用（元），K是剩余部分間接損失的折算系數(shù)．折算系數(shù)隨地區(qū)（山區(qū)、丘陵、平原）經(jīng)濟狀況（發(fā)達、一般、落后）、財產(chǎn)類型（農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)、公共設(shè)施等）、洪災(zāi)程度而異，可按經(jīng)驗來確定．

國外，White[1]首先將水位——損失曲線的概念用于洪水脆弱性研究中，最初只考慮了水位，后來的研究者們又增加了流速與淹沒歷時，這一概念至今仍得以廣泛應(yīng)用[2-3]；Islam K M N①Islam K M N. Micro and Macro Level Impacts of Floods in Bangladesh [C] // Parker D J. Routledge Hazards and Disasters Series, 2000: 156-171.提出洪水風險評估的宏觀和微觀兩種模式；Dutta等[4]把評估洪水影響的方法歸納為兩種：一是采用單元損失模型，二是考慮洪水與經(jīng)濟的連鎖作用．

由于建壩后下游洪積區(qū)的發(fā)展，潰壩洪水的破壞性更大，也更難預(yù)測，除具有一般洪水造成的損失，還有對水利工程的破壞、水庫蓄水的流失等多種間接損失．Ellingwood等[5]調(diào)查了有關(guān)洪水和潰壩損失評估的英文文獻（包括美國、英國、澳大利亞和新西蘭），將其分成三類，分別是各種洪水損失研究、潰壩研究和生命損失的經(jīng)濟評估，其中關(guān)于洪水損失的研究最多，涉及到潰壩損失的很少．基于此，文中提出了潰壩損失評估的框架結(jié)構(gòu)，并將損失分成如下7類：財產(chǎn)損失、活動中斷損失、應(yīng)急響應(yīng)費用、災(zāi)后重建費用、疾病與死亡、環(huán)境影響、文化與歷史影響．

國內(nèi)，《水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案（培訓教材）》中對潰壩造成的洪水損失評估方法作了比較詳細的介紹，對于直接經(jīng)濟損失，根據(jù)估算對象提出了五種方法，對于間接損失，提出了直接估算法和系數(shù)法兩種方法．間接損失的估算涉及面廣，內(nèi)容繁雜，目前相關(guān)的研究多集中在直接經(jīng)濟損失，其中按損失率計算是應(yīng)用最廣的，公式如下：

其中，Di表示按損失率計算的第i類財產(chǎn)損失，βijk表示第i類第j類財產(chǎn)在第k類風險區(qū)的損失率，Wijk表示第i類第j類財產(chǎn)在第k類風險區(qū)的價值，n表示財產(chǎn)類別數(shù)，m表示第i類財產(chǎn)類別數(shù)，l表示風險區(qū)類別數(shù)，由淹沒程度決定．

總而言之，建立準確的洪水損失評估模型包含許多因素，其中獲取詳細的洪水參數(shù)（流速、水深、淹沒時間）、適當?shù)膿p失分類以及不同損失類別下洪水參數(shù)與損失之間的關(guān)系（一般通過歷史洪災(zāi)信息、問卷調(diào)查、實驗室試驗等途徑獲?。┒际菢O其重要的．

2 潰壩洪水經(jīng)濟損失評估的研究進展

2.1 綜合軟件與研究模型

早年的洪水損失評估以實地調(diào)查與統(tǒng)計為主，需要花費大量的人力物力，并且在時間上滯后嚴重．隨著計算機模擬技術(shù)的日益發(fā)展和完善，大型綜合軟件與研究模型在潰壩經(jīng)濟損失的評估中發(fā)揮越來越大的作用．

2.1.1 MIKE系列

丹麥DHI公司的MIKE系列中，MIKE 11、MIKE 21等被用于模擬潰壩洪水，其優(yōu)勢在于計算結(jié)果可與GIS軟件結(jié)合提供一個可視化的效果，再進行后續(xù)分析．美國內(nèi)務(wù)部農(nóng)墾局已將MIKE 21的水動力模塊應(yīng)用到一些地方，其中模型的輸入和輸出是通過ESRI公司的ArcView和ArcInfo等軟件來處理與展示的，潰壩洪水的損失評估可由DHI的Flood Analysis工具箱來進行．洪水損失的具體步驟包括：1）通過模擬分析得到洪水的空間模式（水深和歷時）；2）在GIS中準備土地利用和財產(chǎn)數(shù)據(jù)庫；3）對各個土地利用和財產(chǎn)類型，建立洪水位與經(jīng)濟損失的相關(guān)關(guān)系；4）通過空間關(guān)系來確定經(jīng)濟損失的空間分布．

2.1.2 HEC系列

在美國，陸軍工程師團（USACE）開發(fā)的HEC-RAS和FDAP等模塊也被用于洪水的模擬計算和經(jīng)濟損失評估中．最近USACE開發(fā)了一款綜合水文工程與經(jīng)濟分析的軟件HEC-FDA①USACE, HEC-FDA, User's Manual, Davis, CA, CPD-72, 2008.，用于評估洪水風險，該軟件包括以下功能：1）存儲分析所需的水文與經(jīng)濟數(shù)據(jù)；2）提供數(shù)據(jù)和結(jié)果的可視化；3）計算預(yù)期年損失與等效年損失；4）計算堤防設(shè)計所需的年超過概率和條件不超過概率；5）實施其它規(guī)定的洪水分析步驟．

2.1.3 研究模型

由高校、研究所等研究機構(gòu)和團體開發(fā)的模型中，較有名的有ANUFLOOD和ESTDAM．澳大利亞國立大學的Taylor等開發(fā)了ANUFLOOD模型②Taylor J A, Greenaway M A, Smith D I. ANUFLOOD: programmer's guide and user's manual, 1983.，用于評估工商業(yè)和居民財產(chǎn)損失，這是國外關(guān)于洪水經(jīng)濟損失評估較早的模型之一．而在英國，ESTDAM模型被作為洪水損失評估的標準模型[6]．

在荷蘭，De Blois③De Blois C J. Uncertainty in Large-scale Models for Decision Support in Water Management [D]. Enschede: Twente University, 2000.運用INUNDA模型分析了馬斯河1993與1995年兩場洪水的損失情況．其后，Xu Y④Xu Y, Booij M J. Appropriate modelling in DSSs for river basin management [C] // Pahl-Wostl C, Schmidt S, Rizzoli A E, et al. Complexity and Integrated Resources Management. Trans. Second Biennial Meeting of the International Environmental Modelling and Software Society. Osnabrück: 2004, 2: 611-616.研究馬斯河周邊地區(qū)的洪水風險評價時，在De Blois模型的基礎(chǔ)上作了修改，增加了一維河道水動力模型，使用該模型前需要收集土地利用類型的數(shù)據(jù)及與土地利用類型相應(yīng)的最大經(jīng)濟價值和損失函數(shù)．

Booij[7]用FLOCODS DSS模型對越南紅河洪水損失作了估算和不確定分析，認為洪水損失估算存在較大的不確定性，主要來自原始數(shù)據(jù)和各類財產(chǎn)（文中只考慮農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑和服務(wù)業(yè)4類）的損失率；將洪水損失和國民生產(chǎn)總值（GDP）作比較后發(fā)現(xiàn)：一場小洪水造成的損失約為GDP的1% – 5%，而大洪水造成的損失接近GDP的20% – 50%，幾乎相當于農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)財產(chǎn)的總和．

2.2 基于3S技術(shù)的區(qū)域洪災(zāi)損失評估

隨著空間信息技術(shù)的逐步發(fā)展，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫的建立與充實為洪災(zāi)經(jīng)濟損失評估提供了一個便捷的平臺，從而基于網(wǎng)格與GIS / RS技術(shù)的洪災(zāi)損失評估研究也逐漸增多，災(zāi)情評估的層次、精度與時效性都將得到進一步的提高[8]．

Islam等[9-10]開發(fā)了基于GIS與RS的洪水風險評估方法以及洪水風險圖，用于孟加拉國的防洪減災(zāi)工作中．在臺灣，一些學者[11-12]建立了基于網(wǎng)格的GIS方法，用于評估臺灣北部汐止市的區(qū)域洪水災(zāi)害損失．在大陸，張成才、陳秀萬等[13]較早進行了GIS和RS在洪水損失評估中的研究，李紀人等[14]基于遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，利用空間展布式社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫，開展洪災(zāi)監(jiān)測與評估．關(guān)于這方面的近期研究見文獻[15-16]．

2.3 損失率的確定

在洪災(zāi)損失評估的現(xiàn)行方法中，損失率的確定是一個比較復(fù)雜的問題．有關(guān)文獻①見第49頁注①.對損失率的估算作了較詳細的說明，提出了幾種損失率估算方法：1）基于大量調(diào)查樣本的潰壩洪水損失率計算法；2）基于長系列損失率數(shù)據(jù)庫和相關(guān)分析的方法；3）經(jīng)驗方法確定潰壩損失率．目前較流行的是第三種，即對于不同財產(chǎn)（土地利用）類型，建立以淹沒水深和歷時為參數(shù)的估算表或估算圖，得到淹沒水深和淹沒歷時后，再查得相應(yīng)的損失率．

3 潰壩洪水經(jīng)濟損失評估的研究熱點與展望

3.1 洪水損失評估的不確定性

傳統(tǒng)的洪災(zāi)經(jīng)濟損失評估大多采用損失率計算模型（參數(shù)統(tǒng)計模型），即先以淹沒水深、淹沒歷時等災(zāi)害特征為自變量，損失率為因變量，利用回歸分析等統(tǒng)計方法，建立淹沒水深（歷時）與各類承災(zāi)體洪災(zāi)損失率的聯(lián)系，再按地區(qū)、財產(chǎn)類別，通過典型調(diào)查分析，建立不同水深條件下各承災(zāi)體的損失率．該模型有如下幾個缺點：

1）需要大量的人力、物力和財力進行現(xiàn)場調(diào)查，并且每次洪災(zāi)后都需重新進行調(diào)查，重復(fù)勞動多，損失評估時間長，達不到快速評估的效果，導(dǎo)致延誤救災(zāi)及災(zāi)后重建良機；

2）傳統(tǒng)方法大多只考慮單一影響因素——淹沒水深（歷時），評估精度不高；

3）洪災(zāi)損失各影響因素之間存在著不確定的相關(guān)關(guān)系，難以用準確的公式來表達．

Merz等[17]以1978 – 1994年發(fā)生在德國的9場洪水事件為基礎(chǔ)，分析了近4 000個建筑物的損失記錄，一個記錄對應(yīng)一幢被淹建筑物的直接損失，結(jié)果表明：損失數(shù)據(jù)大致服從對數(shù)正態(tài)分布；盡管已考慮了水深與建筑物使用途徑，但不確定性依然很大，需要考慮更多的損失影響因子；損失的不確定性主要取決于被淹建筑物數(shù)量與建筑物在淹沒區(qū)內(nèi)的分布情況．總之，洪水損失的數(shù)據(jù)收集與模擬需更精細化、標準化、有效化．

文獻[18]根據(jù)隨機荷載理論[19]對現(xiàn)行公式作了修正，并進行概化與合理假設(shè)，建立了簡單實用的損失率計算方法，以區(qū)域經(jīng)濟、人口、地形數(shù)據(jù)為基本輸入，通過與潰壩洪水演進模型結(jié)合，獲取網(wǎng)格單元上的水力學參數(shù)值，包括水深、淹沒歷時和最大流速，進行經(jīng)濟損失的評估．

文獻[20]擴展了傳統(tǒng)的洪水損失因素，將洪水對建筑物的影響定義為“洪水作用”，涵蓋能量傳遞、力、壓強、水或污染物的接觸等，并根據(jù)這些因素對洪水損失評估的重要性作了分類．

3.2 新方法、新理論的應(yīng)用

近幾年，國內(nèi)外學者將新技術(shù)、新理論應(yīng)用到潰壩經(jīng)濟損失評價中，比較典型的有模糊理論、人工智能、支持向量機模型、灰色理論等．這些新方法的出現(xiàn)為洪災(zāi)損失評估提供了嶄新的思路．

3.2.1 模糊理論與人工智能的應(yīng)用

針對傳統(tǒng)洪災(zāi)損失評估存在的多因素與不確定性，王寶華等[21]提出一種混合式模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將數(shù)學處理方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，兼具二者的功能．實例分析表明，這種模型對影響因素考慮周全，避免了各因素間的矛盾沖突，節(jié)省了大量時間，既快又準地將評估結(jié)果計算出來，為制定救災(zāi)計劃和災(zāi)后重建提供了保證．與傳統(tǒng)的BP模型相比，收斂速度和評估精度都取得了更好的效果，是洪災(zāi)經(jīng)濟損失評估中的不錯嘗試．

3.2.2 基于支持向量機的模型

我國自1954年以來各類大壩失事3 487座，但由于種種原因，關(guān)于潰壩的統(tǒng)計資料卻十分缺乏，特別是早期的潰壩事故，由于年代悠久，資料收集工作更為困難．這樣在進行潰壩損失評價時就面臨一個小樣本問題，在這種情況下，王志軍等[22]提出了GIS支持下基于支持向量機模型的潰壩損失評估方法，有效解決了小樣本、非線性、高維數(shù)等問題，利用GIS組織與管理空間數(shù)據(jù)并進行可視化，借助支持向量機在解決非線性問題上的優(yōu)勢來模擬洪水的損害機理，取得了一定的成果．

3.2.3灰色理論的應(yīng)用

最近，徐強等[23]針對現(xiàn)行潰壩評價方法存在的問題，從系統(tǒng)動力學入手，研究了系統(tǒng)各子事件相互聯(lián)系且很難分層時的評價方法，提出了潰壩損失評價灰色系統(tǒng)動力學模型．該模型首先得出潰壩后的損失因果關(guān)系環(huán)圖，再應(yīng)用灰色理論對各個損失因子的抗損失性及其關(guān)聯(lián)程度進行評價，最后應(yīng)用系統(tǒng)動力學相關(guān)理論對整個系統(tǒng)的抗損失性進行評價．這是一種動態(tài)模型化方法，借助了信息反饋原理與系統(tǒng)仿真技術(shù)，可有效地處理復(fù)雜的系統(tǒng)問題．

3.3 洪災(zāi)損失動態(tài)模型與實時評估

當前的方法大多是通過建立評價指標量化值與評價等級標準的關(guān)系式來進行潰壩損失的評價，屬于靜態(tài)評價．事實上城市承災(zāi)能力與社會經(jīng)濟發(fā)展水平是動態(tài)的，并且各個子事件之間是相互關(guān)聯(lián)的，所以從可持續(xù)發(fā)展的角度需要建立一種動態(tài)評價各個子事件相關(guān)關(guān)系的評價方法．

最近，周克發(fā)和李雷[24]提出了基于社會經(jīng)濟發(fā)展的潰壩洪水損失動態(tài)預(yù)測評價模型，包括生命損失估算、經(jīng)濟損失估算以及社會與環(huán)境影響評價三大內(nèi)容．假設(shè)潰壩經(jīng)濟損失隨社會經(jīng)濟的發(fā)展呈一定比例的增加，于是可將潰壩經(jīng)濟損失的估算公式表示為社會經(jīng)濟發(fā)展速度的函數(shù)：

其中，L2(0)表示在基準年由突發(fā)事件引起的潰壩經(jīng)濟損失估算基準值，vi、vt分別表示在時間t、第i年社會經(jīng)濟的發(fā)展速度（或人均GDP的發(fā)展速度，用美元或人民幣計算），i = 0,1,2,?,[t]，[t]表示t的整數(shù)項，bi、bt分別表示對應(yīng)于vi、vt的經(jīng)濟損失變化調(diào)節(jié)系數(shù)．經(jīng)濟損失變化調(diào)節(jié)系數(shù)根據(jù)政府決策及其執(zhí)政理念來確定，主要體現(xiàn)在公眾生命財產(chǎn)安全方面的投入以及預(yù)警和應(yīng)急能力的提升兩個方面．

4 結(jié) 論

隨著經(jīng)濟社會的逐步發(fā)展，水庫潰壩對下游人口、經(jīng)濟、社會等方面的影響將日益擴大，探討潰壩洪水損失評估是風險管理與分析的重要內(nèi)容．本文綜述了潰壩洪水經(jīng)濟損失評估的國內(nèi)外研究進展，分析了潰壩損失評估的影響因素，討論了潰壩損失評估可能的發(fā)展趨勢，希望能為大壩安全管理提供相關(guān)的指導(dǎo)和參考．

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Advances in Assessing Economic Loss for Dam Failure Flood

SHEN Zhaowei1,2, TONG Yangbin1,2,3, XU Yueping4, ZHANG Minqiang1,2
(1. Institute of Flood Mitigation and Defense, Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou, China 310020; 2. Zhejiang Key Laboratory of Hydraulic Disaster Mitigation and Defense, Hangzhou, China 310020; 3. Civil andEnvironmental Engineering Department, Louisiana State University, Baton Rouge, USA 70802; 4. Institute of Hydrology and Water Resources Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, China 310058)

Some present well known integrated industrial software and specific models developed by academic communities were introduced in the field of flood damage assessment. Several hot topics of recent time, such as real-time regional flood damage assessment and dynamic assessment model, were also described. Discussions were made on the application of supportive vector machine, fuzzy theory, artificial intelligence and grey system theory. Finally, the shortages and future development directions of economic flood damage assessment were analyzed.

Dam Failure; Economic Loss; Regional Flood Damage Assessment; Supportive Vector Machine

TV122.4

A

1674-3563(2012)06-0025-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2012.06.005 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：王一芳)

2010-09-07

浙江省科技廳重大科技專項(2007C13012)

沈照偉(1975- )，男，浙江桐廬人，高級工程師，博士，研究方向：水庫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與風險分析