孟 穎,唐玲玲

(1.南京水利科學研究院 水利部大壩安全管理中心，南京 210029； 2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029； 3.廣西玉林水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西 玉林 537099)

1 研究背景

潰壩洪水風險是當前大壩風險管理研究中的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。在潰壩洪水風險研究的初期，經(jīng)濟損失估算相對簡單，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)濟損失來度量總的潰壩后果[1-3]。后來，隨著人們意識到生命價值無法用金錢衡量，在估算潰壩后果時，主要考慮生命損失，基于歷史資料的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停忻绹腂&G法[4]、Dekay&McClelland法(D&M法)[5]、Graham法[6]以及加拿大的Assaf法[7]。這類方法對數(shù)據(jù)的完整性要求高，由于難以準確獲取所有的災(zāi)害數(shù)據(jù)，過程中難免進行部分簡化，導致這些模型在應(yīng)用時的準確性下降。

在現(xiàn)代洪水風險管理過程中，降低洪災(zāi)風險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，隨著對潰壩洪水的傳播特征以及演進過程研究的開展，研究者們開始更多地基于潰壩洪水對人類的影響機制來分析洪水風險。鄒強等[8]基于最大熵原理和屬性區(qū)間識別理論對各單元進行危險、易損等級的評定和排序，分析洪水災(zāi)害風險。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間等維度分析道路、建筑物等承災(zāi)體的暴露度并對行人作失穩(wěn)風險分析。果鵬等[10]研究洪水中人體跌倒失穩(wěn)機制，提出了基于力學過程的洪水風險評估模型。上述研究分析了部分因素對風險后果的影響程度，為構(gòu)建更為準確的風險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險是危險性、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，耦合危險性、脆弱性、暴露度因素對淹沒區(qū)生命損失風險進行評估。通過劃分不同等級風險區(qū)，研究淹沒區(qū)人口受到潰壩洪水影響的生命損失風險程度，為突發(fā)洪水事件應(yīng)急撤離提供指導依據(jù)[11]。

2 潰壩洪水風險分析

2.1 洪水危險性分析

Graham法[6]曾用潰壩洪水的嚴重性來說明洪水對生命損失的威脅程度，將嚴重性分為高、中、低3種類型，劃分標準如下：

(1)低嚴重性。當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)中等嚴重性。當一部分房屋被毀壞，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)高嚴重性。當該地區(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)分低嚴重性和中等嚴重性，提出了兩個標準，一個基于深度D，另一個基于參數(shù)DV。但這種劃分洪水嚴重性的方法是基于數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計規(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)境時暴露程度的指標，即洪水是否會對研究對象造成災(zāi)害，取決于研究對象在潰壩洪水到達時是否在洪水災(zāi)害的影響范圍內(nèi)。暴露度是動態(tài)的，因時空尺度而異。因此承災(zāi)體暴露度分析就是分析不同時刻潰壩洪水的淹沒范圍。

二維洪水演進計算采用美國陸軍工程兵團水文中心開發(fā)的河道水力計算軟件HEC-RAS。HEC-RAS二維水動力學模型支持二維水力計算。

2.2.1 淺水方程

二維洪水演進模型的基本方程為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為水平方向運動黏度(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

計算潰口出流時采用堰流方程，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，根據(jù)風險人口所處的環(huán)境，分為在戶外、室內(nèi)人口。

2.3.1 戶外人口脆弱性分析

對于在戶外的人，洪水風險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]的真實人體失穩(wěn)試驗數(shù)據(jù)，繪制了水流特性(D·V)和研究對象身高、體重乘積(H·M)的關(guān)系圖并進行了線性擬合(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]，進一步細化戶外風險人口的洪水風險等級劃分標準。

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表示所有實驗數(shù)據(jù)源的風險程度隨對象身高、體重乘積(H·M)的變化而變化。D·V<0.4 m2/s為極低風險區(qū)，0.4 m2/s≤D·V<0.6 m2/s為低風險區(qū)，僅對于幼兒、青少年(H·M≤50 m·kg)是危險的；0.6 m2/s≤D·V<0.8 m2/s為中度風險區(qū)，對于成年女性(H·M=85 m·kg)是危險的；0.8 m2/s≤D·V為高風險區(qū)，此時對于成年男性(H·M=115 m·kg)也是危險的。根據(jù)不同人在洪水中的脆弱性將洪水風險等級劃分為4級，如表1所示。

表1 戶外人口洪水風險等級劃分標準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，其暴露在潰壩洪水危險下的程度要遠高于在建筑內(nèi)的風險人口。對于被洪水困在室內(nèi)的人，認為潛在的危險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險。因此，被困在室內(nèi)的人暴露在洪水中的危險水平取決于不同建筑類型的潛在倒塌風險。倒塌風險是基于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)定性標準(表2)。

表2 室內(nèi)人口洪水風險等級劃分標準Table 2 Rating standard of flood risk levels for indoor population

2.4 洪水風險等級劃分方法

針對建筑物外、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)機制和建筑物損毀機制，形成了洪水危險性與承災(zāi)體脆弱性之間的聯(lián)系，建立了潰壩洪水風險等級劃分標準；基于二維水動力模型進一步考慮承災(zāi)體可能受到不利影響的動態(tài)位置，形成了潰壩影響區(qū)內(nèi)洪水風險等級劃分方法，如圖2所示。

圖2 潰壩洪水風險等級劃分方法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個風險等級。但實際應(yīng)用中，風險等級劃分太細不利于實際操作和運用。故本文根據(jù)風險形成機制和我國國情，將風險等級進行了整合，簡化為5級，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 簡化的潰壩洪水風險等級劃分與風險描述Table 3 Simplified rating and descriptions of dam-break flood risks

圖4 不同時刻潰壩洪水風險區(qū)等級劃分Fig.4 Zoning of flood risks at different instances

該水庫是一座大(2)型水庫，防洪標準為100 a一遇設(shè)計，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 計算結(jié)果

3.3.1 危險性分析

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

3.3.2 暴露度分析

潰壩洪水由于其時間短、強度大的特點導致留給人們反應(yīng)和撤離的時間極其有限，故潰壩洪水風險與時刻緊密相關(guān)。從淹沒范圍和洪水演進時間2個維度對承災(zāi)體的暴露度展開分析。圖5為不同風險級別洪水淹沒面積隨時間的變化情況。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”洪水風險區(qū)在t=6 h時的影響范圍最大，之后逐漸降低。說明在潰壩發(fā)生后的6 h時，承災(zāi)體的暴露度會達到最大值。此時暴露在高風險區(qū)的人口生命安全受到嚴重威脅，應(yīng)在該時刻前完成風險區(qū)的人口轉(zhuǎn)移安置。

圖5 不同風險級別洪水淹沒面積隨時間的變化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時刻局部區(qū)域的洪水風險等級。以該時刻為例，分析人口在洪水災(zāi)害面前的脆弱程度。風險級別為“極低”的區(qū)域洪水對在戶外的兒童和老年人有一定的風險，風險等級別為“低”的區(qū)域洪水對所有在戶外的人都有風險，風險等級別為“中”的區(qū)域洪水對非混凝土建筑物內(nèi)的人有風險，風險等級別為“高”的區(qū)域洪水對混凝土建筑物內(nèi)的人有風險，風險等級別為“極高”的區(qū)域洪水對所有建筑物內(nèi)的人都有風險。

圖6 t=6 h時刻局部區(qū)域洪水風險等級劃分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)理論的潰壩洪水風險分析方法。

(2)針對建筑物外、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)機制和建筑物損毀機制，形成了洪水危險性與承載體脆弱性之間的聯(lián)系，建立了潰壩洪水風險等級劃分標準；基于二維水動力模型進一步考慮承載體可能受到不利影響的動態(tài)位置，形成了潰壩影響區(qū)內(nèi)洪水風險等級劃分方法。

(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象，進行了案例分析。對潰壩淹沒區(qū)內(nèi)各地理單元的潰壩洪水風險進行評估和風險等級劃分，證明了風險評估方法和劃分標準的適用性。

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