溃坝应急撤离的技术与预警时间探究

　　摘要： 溃坝撤离技术理论对编制撤离预案和指导撤离行动至关重要，目前研究主要集中在影响因素分析、溃坝洪水-人流-路径叠加分析、人员死亡数量规律统计等方面，但溃坝撤离基础数据不足，环境-地物-人群三元耦合过程中主要因素互馈机制不清，预警时间研究不深，相关理论发展受限。对近几十年溃坝撤离技术理论研究和实践进行综述，总结了国内外溃坝撤离实践和溃坝撤离影响因素、过程模拟、预案评价等主要成果，研究了预警时间和临界预警时间概念，展望了今后主要发展方向。应还原典型溃坝案例撤离过程，基于人类行为和社会组织机制揭示溃坝撤离系统动力学特征，探索临界预警时间与溃坝生命损失之间的定量关系，促进溃坝撤离技术理论与应用发展。
　　
　　关键词： 溃坝； 应急撤离； 预警时间； 系统动力学特征。
　　
　　溃坝属典型突发公共安全事件，一旦发生易造成人员伤亡，国内外均有惨重教训。溃坝撤离是降低生命损失的有效手段，溃坝撤离技术理论对编制溃坝撤离预案和指导溃坝撤离行动至关重要，溃坝生命损失估算、撤离模拟、洪水演进等模型和技术已经在实际中得到广泛应用，系统总结分析溃坝撤离研究与实践进展情况，对进一步发展溃坝撤离技术理论十分必要。
　　
　　目前，溃坝应急撤离相关研究主要集中在溃坝生命损失规律统计、撤离过程模型、撤离预案评价、预警时间影响等方面，总体可以归结为影响因素分析、溃坝洪水-人流-路径叠加分析与死亡数量统计等，大量的溃坝研究成果[1-2]
　　
　　为确定溃坝洪水自然属性和撤离路线奠定了科学基础。但由于溃坝撤离涉及因素多，影响机理复杂，仅分析溃坝撤离影响因素、根据溃坝洪水自然属性确定撤离路线、根据洪水与人流和路径叠加关系粗略估计死亡人数远远不够，“环境-地物-人群”三元耦合过程中主要因素相互作用与驱动关系被忽略，难以反映元素间相互作用过程和系统动态演化机制，预警时间被人为划定为几个固定区间难以适应各类水库溃坝撤离特征，撤离过程中上述各种因素动态变化规律不掌握，导致事态发展难以有效预测和影响科学决策。
　　
　　本文对溃坝应急撤离研究与实践进展情况进行综述，通过回顾国内外溃坝撤离实践情况，梳理溃坝应急撤离技术发展情况，总结溃坝应急撤离预警时间研究进展，提出今后相关研究和实践的发展方向，以促进溃坝应急撤离理论和方法研究进一步发展。
　　
　　1 溃坝应急撤离实践概况。
　　
　　1. 1 中国溃坝应急撤离实践。
　　
　　中国溃坝应急撤离实践与历史溃坝情况大体一致，可分为 3 个阶段： ① 20 世纪 80 年代以前，全国年均溃坝率高达 12. 9‰，远超世界公认的可接受水平 0. 2‰，这一阶段水库应急管理意识薄弱，预警能力差，溃坝紧急情况下被动撤离现象十分普遍，造成人员伤亡，1954-1980 年年均溃坝生命损失明显比 1981-2000年和 2001-2015 年高[3]; 1954-1980 年中部地区年均溃坝死亡 938 人，明显高于东部 （ 184 人） 、西部 （ 66人） 地区，主要受“75. 8”河南板桥水库溃坝影响。② 1981-2000 年，全国年均溃坝率迅速降至 2. 9‰，社会经济状况明显好转，应急意识不断深化，应急撤离组织逐步科学化，溃坝死亡率降至 20 人/a 以内 （ 东部4 人，中部 4 人，西部 17 人） ; ③ 2000 年后，全国年均溃坝率持续下降，达到目前 0. 06‰，特别是 2006-2007 年国家明确突发事件应急预案制度后，水库应急管理不断被强化，中东部地区基本做到溃坝无生命损失 （ 西部5 人） ,典型案例是 2008 年广西卡马水库成功应急撤离。综上所述，在时间上，溃坝生命损失呈显着减少趋势； 在空间上，中部地区最高，东、西部次之，这与东部地区管理水平相对较高和西部人员相对稀疏有关。溃坝生命损失不断减少，归因于大坝安全管理和应急管理水平提升以及应急撤离科技发展，两者相互促进。
　　
　　2013 年对全国 50 座历史溃坝事故调研显示，2000 年以前溃坝风险意识普遍不强，极少水库提前规划溃坝应急撤离路线，紧急情况下主要依靠 “举国体制”组织撤离。2007 年《水库大坝安全管理应急预案编制导则（ 试行） 》发布实施，标志溃坝应急管理成为水库管理的重要内容，预案编制时对溃坝应急撤离路线进行规划成为常态，通常采取对比分析路径和通过时间长短的简单方式，综合确定路径组合。大中型水库路线规划相对科学，同时会考虑撤离活动的政府规划及路线沿程撤离风险。由于撤离演练成本较高，目前国内极少水库有条件开展演练。
　　
　　1. 2 国外溃坝应急撤离实践。
　　
　　发达国家对溃坝应急撤离预案计划普遍比较重视，体现在机构设置和法规制度制定等方面。美国成立了权威性极大的联邦紧急事务管理署，建立了从中央到地方、从政府到民间的应急管理体系； 美国联邦能源委员会制定了国家大坝安全计划，规定业主必须编制并实施应急演练计划； 内务部垦务局提出了安全预警和紧急撤离的实施方案。法国要求对高于 20 m 的大坝和库容超 1 500 万m3的水库，需设置报警系统，并提出溃坝洪水淹没范围、到达时间、淹没历时和居民疏散计划等。葡萄牙大坝安全条例要求业主提交溃坝洪水波传播研究报告，编制下游预警系统、应急计划和疏散计划。西班牙水库大坝安全机构建立了大坝安全监测预警系统、应急行动编制计划等。澳大利亚 《大坝安全管理导则》规定每座水库都要制定大坝万一失事的行动预案。加拿大 《大坝安全导则》规定每座水库大坝必须制定紧急预案。瑞士将溃坝洪水影响区域划分为“附近区域”（ 2 h内溃决洪水能够到达的地区） 和 “远距离区域”[4],当库容大于 200. 0 万m3,或库容小于200. 0 万 m3、“附近区域”中至少有 1 000 人处于高强度（ 即流速 v 和水深 h 的乘积 vh≥2. 0 m2/ s） 或深水区（ h>2 m） 时，需要在“附近区域”安装洪水警报（ 专供洪水使用） ,其余区域安装综合警报（ 供所有行业使用） .在确定溃坝应急撤离路线时，各国普遍采取简单评估方式，根据溃坝洪水自然属性和风险人员分布以及撤离路线风险要素、避难场所远近等情况，综合确定撤离路线。
　　
　　2 溃坝应急撤离技术研究。
　　
　　溃坝应急撤离是指溃坝洪水淹没范围内因洪水冲击而采取的紧急撤离行为，溃坝应急撤离效果主要以溃坝生命损失来表达，即洪水淹没范围内因洪水冲击而死亡的人口数量。因此，溃坝应急撤离行为影响因素可用溃坝生命风险影响因素来研究。溃坝生命风险可用风险人口（ PAR） 和生命损失（ LOL） 代表，其中风险人口为暴露于洪水深度超 0. 3 m 淹没范围内的人口数量。
　　
　　目前，纵观国内外相关研究，溃坝应急撤离研究不够充分，已有的相关研究主要表现在溃坝应急撤离影响因素、撤离模拟技术、撤离预案及其评价技术等方面。
　　
　　2. 1 溃坝应急撤离行为特征研究。
　　
　　溃坝应急撤离行为特征研究主要基于行为决策理论和系统动力学理论两类。孙多勇[5]基于行为决策理论分析认为，溃坝条件下无规划、无程序、不科学地实施应急撤离，很容易造成混乱状态，特别容易引发“羊群行为”,个体将大众所传递的撤离行动信息作为有效信息，产生各种从众行为，溃坝洪水中跟逃即为典型案例。Heibing 等[6]在《nature》上发表论文“simulating dynamical features of escape panic”,主要研究恐慌逃逸的仿真动力特性，认为突发事件下逃逸性群体恐慌具有跟从性、无目的性、无组织性和脆弱性。
　　
　　2. 2 溃坝应急撤离影响因素及其统计规律。
　　
　　纵观国内外近年来的相关研究，在溃坝生命损失影响因素与评估方法方面取得了一系列科研成果。溃坝生命损失影响因素包括： ① 风险人口 PAR数量、分布及组成； ② 溃坝洪水严重性 SD; ③ 警报时间 WT;④ 风险人口对溃坝洪水严重性的理解程度 UD; ⑤ 溃坝发生时间； ⑥ 除了上述因素外，影响溃坝生命损失的其他因素包括工程条件（ 坝型、大坝建筑材料等） 、溃坝模式（ 漫顶、管涌等） 、天气、是否制定应急预案、风险人口的居住条件和撤离条件、风险人口从事的活动以及救援能力等，其中撤离条件（ 撤离路线、安置点等） 的选择对风险人口能否逃生有直接影响。溃坝生命损失评估方法主要是历史资料统计法，包括 Dekay &McClelland 法[7]、Graham 法[8]和国内“李-周”法[9],其中，Dekay & McClelland 模型公式为：
　　
　　LOL= 0. 075PAR0. 56exp[- 0. 759WT+ （ 3. 790 - 2. 223WT） FC] （ 1）。
　　
　　式中： LOL为生命损失； WT为预警时间； PAR为风险人口； FC为洪水强度。不同状态（ LF、HF分别表示低、高FC状态） 下溃坝死亡人数与风险人口 PAR、预警时间 WT的关系如图 1 所示。
　　 　　
　　上述各溃坝生命损失评估方法特点为： 考虑了洪水严重性、预警时间以及风险人口对洪水严重程度的理解程度等因素是合理的。目前，上述方法被业界广泛应用，各统计公式适用范围原则上可以是所有水库，但中国分析通常采用“李-周”法更贴近中国特点，即便如此，上述方法仍然存在明显不合理的地方。上述方法的缺陷为： ① 这些公式通过大量溃坝和洪水致灾的历史资料统计获得，不可能覆盖所有相关信息，估算结果均化严重，个案差异难以体现； ② Graham 法和“李-周”法中，将预警时间划分为几个固定区间，但水库情况千差万别，其局限性显而易见； ③ 难以考虑撤离人员与路径不同组合的影响。
　　
　　为进一步研究溃坝洪水对应急撤离过程的影响，1999 年欧盟支持芬兰[10-11]开展了一系列试验研究，包括公众在溃坝事件中的反应、人和建筑物在溃坝洪水中的稳定性、生命损失及应急预案等，得出在溃坝洪水特征中人的灵活性和稳定性极限特征，房屋在不同洪水条件下的损坏参数以及溃坝洪水严重性 SD（ 水深和流速的乘积） 介于 3~7 m2/ s 为部分破坏区、大于 7 m2/ s 为完全破坏区的概念，这些成果至今仍被普遍采用。随后，2002 年欧盟第五框架计划的 IMPACT 项目组织挪威、英国、荷兰等国家，进行了大坝溃决、洪水传播、沉积物输运、不确定性分析、数据收集 5 个课题研究，溃坝应急撤离预案编制技术进一步夯实。
　　
　　近些年来，溃坝生命损失影响因素及其评估模型研究有所发展，大多数是在已有成果基础上对撤离过程的一些细化。赵安和王婷君[12]、赵一梦等[13]、王志军和宋文婷[14]认为以往溃坝生命损失研究成果忽视了造成洪灾生命损失的过程机理，将溃前风险人口分布、成功撤离率、未撤离人口成功避难率、成功避难人口成功求生率等过程性指标引入溃坝生命损失估算模型中，并将风险人口和淹没范围采取分区考虑，相当于细化溃坝撤离死亡率评估模型。Praveen 等[15]对飓风时的撤离行为做了研究，认为以往研究多假定以家庭为单元进行集体决策与撤离，这种假设目前逐步被因采用多辆交通工具导致家庭成员分散撤离所代替，基于此进一步研究了撤离行为的影响因素。这些研究对溃坝撤离过程进行了不同程度的细化考虑，具有一定的进步性，但总体研究思路和成果特征与前述溃坝生命损失影响因素及其统计规律并无原则区别。
　　
　　有必要收集典型溃坝案例，剖析并还原应急撤离过程，提炼溃坝应急撤离过程的影响因素。此外，中国东中西部和南中北部的地势特征、社会结构、人员分布、洪水特征以及坝型特征等都存在区别，这些因素将影响溃坝应急撤离行为的规律性。在基础理论和方法研究基础上，分类挖掘不同分区溃坝应急撤离特征，分区开展溃坝应急撤离规律性研究，以此指导该地区溃坝应急预案制定和应急管理实施工作。