考虑致灾后果的溃坝洪水风险评估与等级划分

2022-10-27唐玲玲

长江科学院院报 2022年10期

孟颖,唐玲玲

(1.南京水利科学研究院水利部大坝安全管理中心，南京 210029； 2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029； 3.广西玉林水利电力勘测设计研究院，广西玉林 537099)

1 研究背景

溃坝洪水风险是当前大坝风险管理研究中的一个关键技术问题。在溃坝洪水风险研究的初期，经济损失估算相对简单，加拿大、美国、澳大利亚等国家将生命损失折算成金钱，以经济损失来度量总的溃坝后果[1-3]。后来，随着人们意识到生命价值无法用金钱衡量，在估算溃坝后果时，主要考虑生命损失，基于历史资料的经验模型，有美国的B&G法[4]、Dekay&McClelland法(D&M法)[5]、Graham法[6]以及加拿大的Assaf法[7]。这类方法对数据的完整性要求高，由于难以准确获取所有的灾害数据，过程中难免进行部分简化，导致这些模型在应用时的准确性下降。

在现代洪水风险管理过程中，降低洪灾风险不仅需要工程性保障措施，更需要辅以非工程保障措施。近年来，随着对溃坝洪水的传播特征以及演进过程研究的开展，研究者们开始更多地基于溃坝洪水对人类的影响机制来分析洪水风险。邹强等[8]基于最大熵原理和属性区间识别理论对各单元进行危险、易损等级的评定和排序，分析洪水灾害风险。宋英华等[9]基于MIKE 21建立了城市雨洪模型，从积水深度和降雨时间等维度分析道路、建筑物等承灾体的暴露度并对行人作失稳风险分析。果鹏等[10]研究洪水中人体跌倒失稳机制，提出了基于力学过程的洪水风险评估模型。上述研究分析了部分因素对风险后果的影响程度，为构建更为准确的风险后果分析模型提供了一定的基础。

根据灾害系统理论，溃坝造成生命损失的风险是危险性、脆弱性和暴露度因素综合作用的结果。本文基于灾害系统理论，耦合危险性、脆弱性、暴露度因素对淹没区生命损失风险进行评估。通过划分不同等级风险区，研究淹没区人口受到溃坝洪水影响的生命损失风险程度，为突发洪水事件应急撤离提供指导依据[11]。

2 溃坝洪水风险分析

2.1 洪水危险性分析

Graham法[6]曾用溃坝洪水的严重性来说明洪水对生命损失的威胁程度，将严重性分为高、中、低3种类型，划分标准如下：

(1)低严重性。当房屋被淹没但没有被摧毁；大多数建筑物被淹没深度D≤3 m，或参数DV≤4.6 m2/s。

(2)中等严重性。当一部分房屋被毁坏，但仍有一些房屋和树木未被冲毁，仍可以作为避难所；大部分建筑物淹没深度DV>3 m，或4.6 m2/s

(3)高严重性。当该地区房屋和树木都被冲毁，几乎没有东西可作为遮挡，一般可取DV>12 m2/s。DV的计算公式为

DV=(Qdf-Q2.33)/Wdf。

(1)

式中：Qdf为溃坝流量；Q2.33为年平均流量；Wdf为溃坝洪水最大宽度。

Graham法中为了区分低严重性和中等严重性，提出了两个标准，一个基于深度D，另一个基于参数DV。但这种划分洪水严重性的方法是基于数据集的统计规律获得的，受数据集样本影响较大。且DV的定义较为复杂，缺少实际操作性，从其定义可简化为洪水水深D与流速V的乘积，为与DV区分，后用D·V表示。

2.2 承灾体暴露度分析

暴露度是衡量受灾人口接触外部不利环境时暴露程度的指标，即洪水是否会对研究对象造成灾害，取决于研究对象在溃坝洪水到达时是否在洪水灾害的影响范围内。暴露度是动态的，因时空尺度而异。因此承灾体暴露度分析就是分析不同时刻溃坝洪水的淹没范围。

二维洪水演进计算采用美国陆军工程兵团水文中心开发的河道水力计算软件HEC-RAS。HEC-RAS二维水动力学模型支持二维水力计算。

2.2.1 浅水方程

二维洪水演进模型的基本方程为Navier-Stokes方程简化的浅水方程。

连续方程：

(2)

动量方程：

(3)

式中：H为水面高程(m)；h为水深(m)；V为流速(m/s)；q为旁侧入流(m2/s)；g为重力加速度(m/s2)；υt为水平方向运动黏度(m2/s)，；cf为河床底部糙率；f为科里奥利系数；k为垂直方向单位矢量。

2.2.2 堰流方程

计算溃口出流时采用堰流方程，即

(4)

式中：Q为出流量(m3/s)；C为堰流系数(m1/2/s)；L为堰长(m)；H0为堰上水头(m)。

2.3 承灾体脆弱性分析

在暴露的条件下，不利影响的程度和类型取决于脆弱性。脆弱性是指受灾人口在洪水灾害面前的脆弱程度。发生溃坝洪水时，根据风险人口所处的环境，分为在户外、室内人口。

2.3.1 户外人口脆弱性分析

对于在户外的人，洪水风险取决于行人自身的特性，一般来说儿童、女性相较于成年男性更易受到洪水的危害，即脆弱性更高。图1中根据Foster等[12]、Karvonen等[13]、Yee等[14]、Jonkman等[15]的真实人体失稳试验数据，绘制了水流特性(D·V)和研究对象身高、体重乘积(H·M)的关系图并进行了线性拟合(图1)。本文在前人研究的基础上，结合我国幼儿(3～6岁)、青少年(7～19岁)、成年女性(20～59岁)、成年男性(20～59岁)的平均身高和体重[16]，进一步细化户外风险人口的洪水风险等级划分标准。

图1 水流特性(D·V)与身高体重(H·M)的关系Fig.1 Relation between water flow characteristic(D·V) and height and weight (H·M) of population

从图1可知，D·V表示所有实验数据源的风险程度随对象身高、体重乘积(H·M)的变化而变化。D·V<0.4 m2/s为极低风险区，0.4 m2/s≤D·V<0.6 m2/s为低风险区，仅对于幼儿、青少年(H·M≤50 m·kg)是危险的；0.6 m2/s≤D·V<0.8 m2/s为中度风险区，对于成年女性(H·M=85 m·kg)是危险的；0.8 m2/s≤D·V为高风险区，此时对于成年男性(H·M=115 m·kg)也是危险的。根据不同人在洪水中的脆弱性将洪水风险等级划分为4级，如表1所示。

表1 户外人口洪水风险等级划分标准Table 1 Rating standard of flood risk levels foroutdoor population

2.3.2 室内人口脆弱性分析

在户外的人由于没有任何建筑的防护，其暴露在溃坝洪水危险下的程度要远高于在建筑内的风险人口。对于被洪水困在室内的人，认为潜在的危险与建筑物的倒塌有关。即假设建筑物因洪水淹没而倒塌，室内的人就有潜在的生命损失风险。因此，被困在室内的人暴露在洪水中的危险水平取决于不同建筑类型的潜在倒塌风险。倒塌风险是基于D·V最大值、取自BC Hydro(BCH)[17]开发的生命安全模型(LSM)中的建筑稳定性标准(表2)。

表2 室内人口洪水风险等级划分标准Table 2 Rating standard of flood risk levels for indoor population

2.4 洪水风险等级划分方法

针对建筑物外、建筑物内人口的不同情况，基于不同洪水要素(水深、流速)条件下人体失稳机制和建筑物损毁机制，形成了洪水危险性与承灾体脆弱性之间的联系，建立了溃坝洪水风险等级划分标准；基于二维水动力模型进一步考虑承灾体可能受到不利影响的动态位置，形成了溃坝影响区内洪水风险等级划分方法，如图2所示。

图2 溃坝洪水风险等级划分方法Fig.2 Rating method for dam-break flood risk level

根据前述研究成果，将户外、室内人口脆弱性分析成果汇总，共有10个风险等级。但实际应用中，风险等级划分太细不利于实际操作和运用。故本文根据风险形成机制和我国国情，将风险等级进行了整合，简化为5级，见表3。

3 案例研究

3.1 工程概况

某水库位于中国自贡市境内，地理位置在东经104°10′，北纬29°24′。拦河大坝位于越溪河上游，坝址控制流域面积587 km2，占全流域面积的22%。

表3 简化的溃坝洪水风险等级划分与风险描述Table 3 Simplified rating and descriptions of dam-break flood risks

图4 不同时刻溃坝洪水风险区等级划分Fig.4 Zoning of flood risks at different instances

该水库是一座大(2)型水库，防洪标准为100 a一遇设计，2 000 a一遇校核，总库容1.66亿m3。拦河坝采用钢筋混凝土面板堆石坝。

3.2 模型构建

图3(a)为研究区1∶10 000地形，图3(b)为土地利用类型，基于GlobeLand30全球土地利用数据将计算区域土地类型划分为水体、林地、草地、耕地、建设用地5类，并依照曼宁系数表对地表糙率赋值，其中水体糙率取0.035，林地糙率取0.2，草地糙率取0.04，耕地取糙率0.03，建设用地糙率取0.025。

图3 研究区地形及土地利用类型Fig.3 Topography and land use types in the study area

3.3 计算结果

3.3.1 危险性分析

基于前述研究，用表征洪水危险性的指标D·V划分洪水淹没区的洪水风险等级，可以直观地显示在同一时刻不同区域的洪水风险等级。图4为溃坝洪水演进过程中不同时刻的溃坝洪水风险区等级划分，对于溃坝淹没区某一点，其在不同时刻的洪水风险变化情况一般表现为随时间增长呈“相对低风险—相对高风险—相对低风险”的转变。人口应在高风险来临前及时撤离，从高风险区向低风险区转移，从低风险区向极低风险区转移。

3.3.2 暴露度分析

溃坝洪水由于其时间短、强度大的特点导致留给人们反应和撤离的时间极其有限，故溃坝洪水风险与时刻紧密相关。从淹没范围和洪水演进时间2个维度对承灾体的暴露度展开分析。图5为不同风险级别洪水淹没面积随时间的变化情况。从图5可知，在溃坝发生后的0.25～6 h期间，随着时间的增长，暴露在洪水淹没范围中的区域越来越多；6～24 h期间，随时间增长，暴露在洪水淹没范围中的区域逐渐减少。且“极高”、“高”洪水风险区在t=6 h时的影响范围最大，之后逐渐降低。说明在溃坝发生后的6 h时，承灾体的暴露度会达到最大值。此时暴露在高风险区的人口生命安全受到严重威胁，应在该时刻前完成风险区的人口转移安置。

图5 不同风险级别洪水淹没面积随时间的变化Fig.5 Change of area inundated by dam-breakflood of different risk levels over time

3.3.3 脆弱性分析

图6为t=6 h时刻局部区域的洪水风险等级。以该时刻为例，分析人口在洪水灾害面前的脆弱程度。风险级别为“极低”的区域洪水对在户外的儿童和老年人有一定的风险，风险等级别为“低”的区域洪水对所有在户外的人都有风险，风险等级别为“中”的区域洪水对非混凝土建筑物内的人有风险，风险等级别为“高”的区域洪水对混凝土建筑物内的人有风险，风险等级别为“极高”的区域洪水对所有建筑物内的人都有风险。