楊勝梅，黃艷芳，李申亭，李 波

（1．長江科學(xué)院a．工程安全與災(zāi)害防治研究所；b．水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；c．國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；2．長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010；3．河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局許昌建管處，河南許昌 461000）

基于空間信息技術(shù)的潰壩洪災(zāi)損失定量評估研究

楊勝梅1a，1b，1c，黃艷芳2，李申亭3，李 波1a，1b，1c

（1．長江科學(xué)院a．工程安全與災(zāi)害防治研究所；b．水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；c．國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；2．長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010；
3．河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局許昌建管處，河南許昌 461000）

為更好地進(jìn)行流域防洪規(guī)劃和防災(zāi)預(yù)案的制定，對潰壩型洪水災(zāi)害損失進(jìn)行了預(yù)測性定量評估與淹沒空間分布制圖研究。以潰壩洪災(zāi)單項損失——人口損失為例，利用空間信息技術(shù)在空間數(shù)據(jù)管理、分析和可視化方面的優(yōu)勢，對潰壩型洪災(zāi)特征參數(shù)進(jìn)行估算，繪制淹沒人口空間分布圖，并結(jié)合潰壩洪災(zāi)生命損失評估模型，實現(xiàn)潰壩型洪災(zāi)損失的預(yù)測性定量評估分析。分析結(jié)果表明：警報時間對生命損失起重要作用，隨著警報時間的提前，生命損失明顯減小。

空間信息技術(shù)；潰壩；洪水災(zāi)害損失；定量估算；預(yù)測評估

1 研究背景

大壩潰決引發(fā)的洪水災(zāi)害，比一般洪水帶來的損失更為嚴(yán)重，因其事發(fā)突然、流速快、水量大，潰壩水流的巨大沖擊力將會給下游造成很大的破壞。水庫大壩的安全與公共安全息息相關(guān)，隨著人們安全意識的不斷增強，政府和公眾也越來越關(guān)注大壩的安全情況以及潰壩所造成的后果，因此，對可能發(fā)生的突發(fā)性大壩潰壩事件產(chǎn)生的洪災(zāi)損失進(jìn)行預(yù)測性評估顯得尤為迫切，這不僅對流域長期的防洪規(guī)劃和防災(zāi)預(yù)案的制定是必要的，而且也是我國自然災(zāi)害管理中的一個重要現(xiàn)實問題。

潰壩型洪水災(zāi)害損失評估是一個十分復(fù)雜的問題，涉及到地理學(xué)、災(zāi)害學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、水文學(xué)、氣象學(xué)和水利工程等多個相關(guān)學(xué)科。早期研究者對于洪災(zāi)損失評估的研究，更多關(guān)注洪災(zāi)成因機理的分析，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計及概率論等數(shù)學(xué)方法建立洪災(zāi)損失評估的數(shù)學(xué)模型。但隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，它在洪災(zāi)損失評估中的作用逐漸引起了研究者們的重視，并一直成為研究的熱點。近年來，國內(nèi)外在潰壩災(zāi)害損失評估方面均開展了一些研究［1－2］。國外在潰壩生命損失評估方面作了大量研究，取得的成果較多，初步形成了一些潰壩生命損失的模型和方法［3］。我國在潰壩損失評估方面也開展了大量的研究，但目前還沒有形成集災(zāi)前預(yù)測性評估和災(zāi)后快速評估于一體的潰壩型洪災(zāi)損失評估體系。本文借助GIS強大的空間信息處理及可視化能力，對潰壩洪災(zāi)損失的預(yù)測性評估進(jìn)行探索研究，并選取潰壩生命損失為例，對某水庫及下游地區(qū)進(jìn)行了實例應(yīng)用分析。

2 潰壩洪災(zāi)損失預(yù)測性評估方法

2．1 潰壩洪災(zāi)損失分類

潰壩洪災(zāi)損失分類是潰壩洪災(zāi)損失定量估算的基礎(chǔ)，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度上，潰壩洪災(zāi)損失分為經(jīng)濟(jì)損失和非經(jīng)濟(jì)損失2大類，經(jīng)濟(jì)損失又可分為直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失，非經(jīng)濟(jì)損失可以分為人口損失和對社會環(huán)境影響［4－5］，具體分類如圖1所示。

（1）經(jīng)濟(jì)損失：潰壩洪水造成經(jīng)濟(jì)方面的損失主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)、工商業(yè)、交通等方面。大型水庫的大壩潰決常常使得庫區(qū)下游的大面積農(nóng)田被淹、農(nóng)作物被毀、企業(yè)停產(chǎn)和停業(yè)、橋梁被沖毀以及鐵路和公路被淹沒，給下游的經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的損害和影響。

（2）人員傷亡：據(jù)調(diào)查，我國歷史上的每1次大的洪水災(zāi)害，帶來了大量的人員傷亡。由大壩潰決引發(fā)的洪水災(zāi)害，事發(fā)突然、流速快、水量大、沖擊力極強。每次垮壩事故發(fā)生后都有幾百甚至上千的人員傷亡，損失慘重。

圖1 潰壩洪災(zāi)損失分類Fig．1 Classification of losses caused by dam break flood

（3）社會環(huán)境影響：水庫大壩發(fā)生潰決后，其下游地區(qū)的大量人員由于房屋被沖毀，無家可歸，只能依靠政府的救濟(jì)，增加了社會的不穩(wěn)定因素［6］。潰壩洪水災(zāi)害對環(huán)境產(chǎn)生的影響主要包括耕地的破壞、水環(huán)境的污染、生態(tài)環(huán)境的破壞等。

由于潰壩洪水災(zāi)害對社會和環(huán)境的影響是非常復(fù)雜的問題，目前操作計算起來較為困難，本文暫不考慮。鑒于人員傷亡是所有潰壩損失問題之首，本文著重對該潰壩損失進(jìn)行預(yù)測性定量評估研究。

2．2 潰壩洪災(zāi)損失預(yù)測性評估路線

空間信息技術(shù)支持下的潰壩洪災(zāi)損失評估路線如圖2所示，該路線總體上可分為三大步：①進(jìn)行評估前的數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備，包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)的收集及預(yù)處理；②利用空間信息技術(shù)，獲取潰壩洪水的特征參數(shù)，如淹沒范圍、流速、淹沒水深等；③在此基礎(chǔ)上，結(jié)合損失評估模型，進(jìn)行潰壩損失定量估算，得到最終的潰壩淹沒損失預(yù)測評估結(jié)果，以數(shù)據(jù)文本或電子地圖的形式給出。

圖2 基于空間信息技術(shù)的潰壩損失評估路線Fig．2 Route of dam-break loss assessment based on spatial information technology

2．3 潰壩洪水最大淹沒范圍的確定方法

為了掌握水庫大壩發(fā)生潰決時下游的損失程度，需對潰壩洪水的淹沒范圍進(jìn)行分析和計算。目前常用的潰壩洪水淹沒范圍確定方法包括地貌學(xué)方法、歷史洪水調(diào)查法、經(jīng)驗公式法、水力學(xué)數(shù)值模擬計算方法等。本文采用經(jīng)驗公式方法［7－8］進(jìn)行水庫大壩潰壩洪水淹沒計算。

洪水演進(jìn)到各斷面流量的計算公式為

式中：n是糙率（0．035～0．040）；R是水力半徑，R＝A／l，A是斷面過水面積，l是斷面的濕周；ρ為河段水力坡度，ρ＝（H1－H2）／L，H1和H2是上下斷面的水位，L是上下斷面的距離。

采用部分潰壩的堰流與波流相交法簡化公式計算壩址處潰壩最大流量Qm，即

式中：Qm為壩址處潰壩最大流量；B為壩長，采用設(shè)計長度；h為壩前水深，一般采用校核水位下壩前水深；b為潰口寬度，用下式計算：

式中：W為潰壩總泄水量，k為系數(shù)，與壩體土質(zhì)及施工質(zhì)量有關(guān)，對黏土類壩約為0．65，壤土類壩約為1．3。

潰壩最大流量向下游演進(jìn)至距壩址L（m）的最大流量QL，M，采用遼寧水利局改進(jìn)公式計算。

式中：QL，M為距壩址L（m）的最大流量；K為經(jīng)驗系數(shù)，山區(qū)取1．1～1．5，半山區(qū)取1．0，平原取0．8～0．9；V為平均流速，有流速資料時取歷史上最大值；無流速資料時山區(qū)取3～5 m／s，半山區(qū)取2～3 m／s，平原取1～2 m／s。

確定水庫下游洪水淹沒范圍的方法是：

（1）在潰壩下游洪水演進(jìn)的方向選定幾個典型斷面，利用GIS技術(shù)，根據(jù)式（1），計算出各典型斷面在不同水位下對應(yīng)的流量，通過函數(shù)擬合，確定各斷面流量和水位的關(guān)系式。

（2）根據(jù)式（2）至式（4），計算距壩址L（m）的最大流量QL，M，將QL，M代入各斷面流量和水位的關(guān)系式，確定各斷面最大流量對應(yīng)的水位。

（3）根據(jù)計算各斷面最大潰壩流量對應(yīng)的水位沿程變化情況，結(jié)合數(shù)字高程模型，提取相應(yīng)洪水位高程以下的區(qū)域，得到最大洪水淹沒范圍，再根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的生命與經(jīng)濟(jì)損失估算。

3 實例分析

本研究選取某水利樞紐下游作為研究對象，利用空間信息技術(shù)對該區(qū)域進(jìn)行潰壩損失定量評估與分析探索研究。

3．1 潰壩洪災(zāi)最大淹沒范圍的確定

根據(jù)2．3節(jié)提及的潰壩洪水淹沒范圍確定方法，分別距離壩址5．022，10．837，15．882，23．101，29．531和36．287 km劃分?jǐn)嗝?，快速確定水庫大壩下游潰壩洪水最大淹沒范圍。利用GIS技術(shù)，繪制出水庫大壩下游潰壩洪水最大淹沒范圍如圖3所示。

圖3 潰壩洪水最大淹沒范圍Fig．3 Maximum range of flood submergence caused by dam break

3．2 潰壩生命損失評估

3．2．1 潰壩洪災(zāi)生命損失評估模型

通過查閱文獻(xiàn)資料［9］，潰壩生命損失（Loss of Life，LOL）可定義為風(fēng)險人口（PAR，Population atrisk）與生命損失率（f）的乘積，其公式為

式中：風(fēng)險人口PAR為直接暴露在某一臨界深度（一般取0．3 m）潰壩洪水區(qū)的人口，可通過社會人口統(tǒng)計調(diào)查獲得；生命損失率f反映了各種因素對風(fēng)險人口損失的綜合影響作用，這些因素包括潰壩洪水嚴(yán)重程度、救援能力、警報時間、潰壩發(fā)生時間，風(fēng)險人口對潰壩洪水嚴(yán)重性的理解程度以及風(fēng)險人口中老、幼、病、殘及婦女的比例等［10］，可根據(jù)文獻(xiàn)［2］提出的我國潰壩損失影響因素對風(fēng)險人口死亡率的影響程度建議表，來確定f的值。

3．2．2 潰壩生命損失定量預(yù)估算

根據(jù)下游洪水的淹沒范圍，結(jié)合下游城鎮(zhèn)居民的分布（圖4）及人口密度，對風(fēng)險人口進(jìn)行預(yù)估算。風(fēng)險人口估算方式為人口密度乘以淹沒面積，忽略時間因素對風(fēng)險人口變動的影響；警報時間采用組合式的警報時間，即假設(shè)潰壩洪水淹沒范圍內(nèi)各個區(qū)域的警報時間不一樣，如表1所示。

表1 報警時間假定與壩址的距離關(guān)系Table 1 Relationship between the alarm time and the distance to dam site

正常蓄水位55．0 m工況下，距離壩址不同地段的風(fēng)險人口、生命損失如表2所示。

表2 潰壩生命損失估算結(jié)果Table 2 Estimation results of life loss caused by dam-break

從表2可以看出，在正常蓄水位下，水庫大壩潰壩時，淹沒區(qū)內(nèi)風(fēng)險人口將達(dá)126 994人。發(fā)布警報時間的快慢對淹沒區(qū)內(nèi)的生命損失起重大作用，在有警報時間的情況下，淹沒區(qū)內(nèi)的生命損失明顯減小，隨著警報時間的提前加快，生命損失也隨之降低?？梢姡瘓髸r間對生命損失起重要作用。

4 結(jié) 語

對水庫大壩正常蓄水位工況下進(jìn)行了潰壩人口損失預(yù)評估分析，水庫大壩管理部門或防洪減災(zāi)中心可根據(jù)水庫不同典型工況，對潰壩各單項損失進(jìn)行預(yù)評估，從而為流域的防洪規(guī)劃以及備災(zāi)預(yù)案的制定提供科學(xué)、直觀、有效的決策依據(jù)。

［1］ JONKMAN SN，GELDER VAN PH A JM，VRIJLING J K．An Overview of Quantitative Risk Measures for Loss of Life and Economic Damage［J］．Journal of Hazardous Materials，2003，99（1）：1－30．

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［10］王志軍，張治軍，李子陽．GIS支持下的潰壩損失評估方法研究［J］．水利發(fā)電，2008，34（8）：75－78．（WANG Zhi-jun，ZHANG Zhi-jun，LI Zi-yang．Study on Evaluation Method of Losses Caused by Dam Breach Based on GIS［J］．Water Power，2008，34（8）：75－78．（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Quantitative Assessment on Dam Break Loss Based on Spatial Information Technology

YANG Sheng-mei1，HUANG Yan-fang2，LIShen-ting3，LIBo1
（1．Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China；3．Xuchang Branch of Henan Provincial Bureau of the Construction and Administration of Middle Route Project of South-to-North Water Transfer，Xuchang 461000，China）

Floods caused by dam failure aremore destructive than rain gush flood and ice flood．To better serve the flood control and disaster prevention planning，predictive quantitative assessment and spatial distribution mapping for dam break losswere conducted．Life losswas selected as an assessmentexample．With spatial information technology in data management，analysis and visualization，the characteristic parameters of dam break loss were obtained，and by using life lossmodel，the life losswere quantitatively estimated，and finally the spatial distribution resultswere displayed bymaps．Results showed that alarm time is important to life loss．As the alarm takes place earlier，the life loss reduces significantly．

spatial information technology；dam break；flood disaster loss；quantitative estimation；predictive assessment

P236

A

1001－5485（2013）11－0105－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．021

2013－08－23；

2013－09－16

國家科技支撐計劃課題（2012BAK10B04）；國家自然科學(xué)基金項目（51209019）；長江科學(xué)院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)項目（CKSF2013022／GC）

楊勝梅（1983－），女，安徽桐城人，工程師，博士，主要從事空間信息技術(shù)在環(huán)境、災(zāi)害領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，（電話）027－82926142（電子信箱）liddy533＠gmail．com。