王志軍，宋文婷，馬小童

(河南理工大學a.安全科學與工程學院;b.物理化學學院;c.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南焦作 454003)

大壩潰決一般會引起重大的災難性事故，并造成嚴重的生命、財產(chǎn)損失，給環(huán)境與社會帶來很大的災難。潰壩損失評估是大壩風險分析的重要組成部分，是認識大壩潰決后對下游造成的危險程度的重要手段。水庫大壩管理部門及防洪救災中心通過潰壩損失評估了解大壩一旦潰決可能造成的嚴重后果及損失程度，根據(jù)水庫最大水位、正常蓄水位等典型工況，制定不同的應急救援方案。

經(jīng)濟損失評估是潰壩損失評估的重要組成部分。國內(nèi)外對一般洪災經(jīng)濟損失研究較多，武靖源等［1］研究了洪災經(jīng)濟損失中直接經(jīng)濟損失與間接經(jīng)濟損失的評估方法，程濤等［2］研究了區(qū)域洪澇災害直接經(jīng)濟損失評估模型，李紀人、丁志雄等［3－4］應用RS與GIS研究了洪災損失損失評估方法，而專門針對潰壩洪水造成的經(jīng)濟損失的研究目前還較少。潰壩經(jīng)濟損失屬于洪災經(jīng)濟損失，但潰壩洪水與一般洪水不同，其流速比較大，破壞性會更強。一般洪災損失評估中往往只考慮水深及歷時的影響而忽略流速［5］。如果直接用目前洪災損失評估方法去評估潰壩經(jīng)濟損失，勢必產(chǎn)生較大誤差。因此，有必要對潰壩經(jīng)濟損失評估方法進行研究。

1 潰壩經(jīng)濟損失評估方法

潰壩經(jīng)濟損失包括直接經(jīng)濟損失與間接經(jīng)濟損失2部分，本文采用如下計算公式:S=αW(1+λ) 。 (1)式中:S為潰壩經(jīng)濟損失(元);α為潰壩洪水財產(chǎn)損失率;W為淹沒范圍內(nèi)財產(chǎn)價值(元);λ為潰壩間接經(jīng)濟損失折算系數(shù);αW為潰壩直接經(jīng)濟損失。

根據(jù)公式(1)，要評估潰壩經(jīng)濟損失，就要獲得淹沒范圍內(nèi)財產(chǎn)價值W及相應的財產(chǎn)損失率α。淹沒范圍內(nèi)財產(chǎn)價值通過社會經(jīng)濟調查統(tǒng)計獲得。財產(chǎn)損失率α決定于潰壩洪水的嚴重性，即水深、流速、歷時的綜合作用。財產(chǎn)損失率一般通過歷史洪水事件調查獲得，不易通過試驗模擬得到。目前潰壩經(jīng)濟損失的歷史資料十分缺乏，給潰壩洪水財產(chǎn)損失率的確定帶來很大困難。

潰壩洪水與一般洪水不同，它的破壞性較強，特別是在靠近壩址下游的一定范圍內(nèi)，潰壩洪水的破壞能力相當大，快速下泄的洪水甚至可以毀滅一切，隨著距壩址距離的增大，洪水流速減緩，此時流速和水深共同起作用，當流速減小到一定程度，水深與洪水歷時決定著財產(chǎn)損失率，此時可以用一般洪水的財產(chǎn)損失率進行計算。為便于確定潰壩洪水財產(chǎn)損失率，根據(jù)潰壩洪水對財產(chǎn)破壞的特點，本文采用淹沒范圍區(qū)劃方法，將潰壩洪水淹沒范圍劃分成6種區(qū)域:潰決區(qū)、毀滅區(qū)、重災區(qū)、中災區(qū)、輕災區(qū)及安全區(qū)。每個區(qū)域的財產(chǎn)損失率根據(jù)其洪水特征進行確定。結合社會財產(chǎn)調查統(tǒng)計結果，根據(jù)社會經(jīng)濟類型進行淹沒范圍社會財產(chǎn)區(qū)劃。將社會財產(chǎn)區(qū)劃與潰壩洪水淹沒范圍區(qū)劃進行空間疊加，形成潰壩經(jīng)濟損失評估區(qū)劃，見圖1。潰壩經(jīng)濟損失評估區(qū)劃方便確定潰壩洪水財產(chǎn)損失率，通過區(qū)劃可以直觀地了解潰壩經(jīng)濟損失的空間分布狀況。

圖1 潰壩經(jīng)濟損失評估區(qū)劃示意圖Fig.1 Schematic diagram of zoning for economic loss estimation

基于淹沒范圍區(qū)劃的思想，提出了一種潰壩經(jīng)濟損失評估方法，具體方法和步驟見圖2。

圖2 潰壩經(jīng)濟損失評估方法和步驟Fig.2 Procedures of economic loss estimation for dam-break

2 潰壩洪水淹沒范圍區(qū)劃標準

關于潰壩洪水淹沒范圍區(qū)劃標準，目前國內(nèi)外研究較少。本文從潰壩洪水的破壞作用出發(fā)，綜合考慮RESCDAM項目中建筑物破壞實驗數(shù)據(jù)、潰壩歷史調查資料以及一般洪災損失率的研究成果等3個方面來制定潰壩洪水淹沒范圍區(qū)劃標準。

RESCDAM項目專門研究了建筑物及其他財產(chǎn)的洪水破壞標準［6］，文獻［7］列舉了我國部分潰壩事件中人口及財產(chǎn)的損害情況，一般洪災損失率可參閱相關文獻資料［1－2，7］。通過綜合分析，將潰壩洪水淹沒范圍劃分為6種區(qū)域，其特征及標準如下。

(1)潰決區(qū):該區(qū)為瀕臨大壩的下游區(qū)域，是潰壩下泄洪水最早經(jīng)過的區(qū)域，該區(qū)域流速大于2.0m/s，水深大于3.5m，洪水流速很大，破壞力很強，使得區(qū)域內(nèi)的一切財產(chǎn)蕩然無存，建議該區(qū)域的財產(chǎn)損失率為100%。

(2)毀滅區(qū):靠近潰決區(qū)的下游區(qū)域，該區(qū)域洪水流速也很大，破壞力也很強，由于洪水的擴散，水深已經(jīng)降低，農(nóng)作物絕收，房屋全部倒塌，交通、通訊中斷，水利設施嚴重破壞，財產(chǎn)幾乎全部損失，總損失率在90%左右。該區(qū)域流速大于2.0m/s，水深大于2.0m而小于3.5m。

(3)重災區(qū):指潰壩洪水造成較為嚴重經(jīng)濟損失的區(qū)域。該區(qū)域的范圍一般較大，淹沒水深為1.0～2.0m，流速達1.0m/s以上，房屋損失在80%以上，農(nóng)作物絕收或減產(chǎn)90%以上，交通、通訊受阻，水利設施大部分遭破壞，排灌工程失效，居民財產(chǎn)損失嚴重。

(4)中災區(qū):該區(qū)域的淹沒水深為0.5～1.0m，流速小于1.0m/s，淹沒歷時在5 d以上，農(nóng)作物絕收或減產(chǎn)70%以上，部分房屋遭受不同程度的破壞，部分地區(qū)交通、通訊受阻，部分水利設施破壞，避洪設施發(fā)揮作用，由于洪水長時間的浸泡，財產(chǎn)損失仍較大。

(5)輕災區(qū):淹沒水深較淺，不超過0.5m，流速很小，淹沒歷時小于2 d，農(nóng)作物減產(chǎn)30%～50%，部分房屋中度或輕度破壞，交通、通訊基本正常，基礎設施基本完好，財產(chǎn)損失較小。

(6)安全區(qū):淹沒水深、流速、淹沒歷時接近于0，該區(qū)域損失率基本為0。

潰壩洪水淹沒范圍區(qū)劃標準及財產(chǎn)損失率建議表如表1，其中包括6種淹沒區(qū)域的間接經(jīng)濟損失折算系數(shù)λ，其設置參照了國內(nèi)外有關統(tǒng)計資料［7］。

表1 潰壩洪水淹沒區(qū)劃標準及財產(chǎn)損失率建議表Table 1 Criteria of zoning and rates of property damage of areas inundated by dam-break flood

3 基于物元模型的潰壩洪水淹沒范圍區(qū)劃方法

制定了潰壩洪水淹沒區(qū)劃標準之后，就可以根據(jù)這個標準來進行淹沒范圍區(qū)劃，但問題是這個標準并不能保證將淹沒區(qū)所有地點都很好地區(qū)分開來，比如，有的地點的淹沒水深屬于危險區(qū)，而流速卻屬于重災區(qū)，當出現(xiàn)這種情況時，直接套用標準是無效的，甚至會產(chǎn)生矛盾。為此，本文將物元模型引入到潰壩洪水淹沒區(qū)劃中，提出了基于物元模型的潰壩洪水淹沒區(qū)劃方法。

可拓學創(chuàng)立于1983年，可拓集合和物元概念能根據(jù)事物特征的量值來判斷事物屬于某集合的程度，而關聯(lián)函數(shù)能使識別精確化、定量化，為解決從變化的角度進行識別的問題提供新的途徑。物元分析將事物用3個要素(事物P，特征C，量值V)進行描述，即以有序三元R=(P，C，V)作為描述事物的基本元，簡稱物元。物元分析理論通過確定物元，建立經(jīng)典域、節(jié)域的物元矩陣，通過關聯(lián)函數(shù)來進行分析和評價［8］。

設P0是P的一個子集，P0?P，對p∈P，試判斷p∈P0。并計算p∈P0的程度。其具體方法如下。

(1)確定經(jīng)典域和節(jié)域。

經(jīng)典域:

式中:P0i表示潰壩淹沒范圍區(qū)劃的第i個等級標準，根據(jù)前面討論的區(qū)劃標準可知，i=1，2，…，6;C1，C2，…，Cn表示P0的n個不同特征，即潰壩淹沒范圍區(qū)劃的3個指標，分別是最大流速、淹沒水深及淹沒歷時，這里n=3;而V1，V2，V3分別是P0關于C1，C2，C3的取值范圍，即經(jīng)典域，并且有 V0i=

潰壩洪水淹沒區(qū)劃經(jīng)典域為:

式中:Vp1，Vp2，Vp3分別是 P 關于C1，C2，C3的取值范圍，即 P 的節(jié)域;并且有3)。顯然

(2)構筑待估物元。從潰壩洪水演進數(shù)值模擬結果中，提取出每個單元的洪水特征，即水深、流速及歷時，將第j單元的洪水特征看成一個待估物元，表示為

則整個淹沒區(qū)內(nèi)m個單元將構筑m個待估物元。

(3)根據(jù)距的定義，確定每個待估物元的關聯(lián)函數(shù)值。

距的計算式:

關聯(lián)函數(shù)計算式為

(4)確定權系數(shù)。采用層次分析法確定各個特征的權系數(shù)λ1，λ2，λ3。

(5)計算關聯(lián)度。

Ki(Pj)表示 Pj∈P0i的程度。

(6)評判原則。若

則評定Pj屬于等級i0。

在評判全部m個單元后，就可根據(jù)各單元隸屬情況進行淹沒區(qū)域劃分。進行潰壩經(jīng)濟損失計算時，可根據(jù)區(qū)劃結果按照不同的財產(chǎn)損失率(見表1)進行計算。這種損失計算方法簡便快捷，而且能保證一定的精確度。

4 結語

(1)潰壩經(jīng)濟損失評估是個十分復雜的問題，財產(chǎn)損失率的確定是其中的關鍵。為便于確定潰壩洪水財產(chǎn)損失率，本文采用淹沒范圍區(qū)劃方法，將潰壩洪水淹沒范圍劃分成6種區(qū)域分別確定其財產(chǎn)損失率。制定了潰壩洪水淹沒區(qū)劃標準及相應財產(chǎn)損失率的建議表，并提出了基于物元模型的潰壩洪水淹沒區(qū)劃方法。該評估方法簡便快捷，可以節(jié)省工作量，實現(xiàn)快速評估。

(2)潰壩洪水流速、水深、歷時等數(shù)據(jù)通過潰壩及洪水演進模擬得到，具體方法可參考相關資料。

(3)由于很難詳細調查以往潰壩事故中的經(jīng)濟損失數(shù)據(jù)，本文提出的方法沒有進行實例驗證。但本文中潰壩洪水財產(chǎn)損失率綜合考慮了潰壩歷史事件中財產(chǎn)損失狀況、洪水財產(chǎn)損失實驗資料以及一般洪災財產(chǎn)損失率數(shù)據(jù)等相關資料得出，是通過對歷史及實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及歸納總結得出的，故本評估方法能夠保證一定的精度。

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