摘 要： 水库溃坝损失风险预测是水库大坝风险评估的重要内容,影响溃坝风险后果的因素较多,作用机理复杂,导致不同研究方法的分析结果与实际后果之间均存在较大差异。通过分析目前国内外学者在溃坝损失风险方面的研究进展,明确各种预测模型在准确性和实用性方面的优点与不足,并提出相关采取措施,提高风险后果研究水平和实际应用效果。
关键词： 溃坝; 损失; 风险后果; 模型;
我国不仅水资源短缺,而且水害频发,水库大坝成功化解了该矛盾。水库大坝集防洪、发电、灌溉、供水、旅游等功能为一体,是保障人民生命财产安全、经济快速发展的前提[1]。新中国成立后,我国水利建设部门高瞻远瞩,在全国各地因地制宜地开展了大规模的水库大坝建设工程,并取得了举世瞩目的成绩。近年来,我国水库大坝的建设又跨入了一个高坝水库的新历程,200～300m高坝水库的建设与安全运行成为了我国水利事业发展道路上里程碑,但在这傲娇的成绩后面同时也存在着不可估量的溃坝风险[2]。目前世界上已建成运行的200m级的高坝水库共计77座,其中我国20座,占总量的26%。虽然近年来我国水利建设部门针对不同类型的水库进行了大规模的除险加固作业,但随着水库大坝数量的快速增长,溃坝风险也在急剧加深,对下游人民的财产安全带来了巨大威胁[3]。近几年来,我国极端气候频繁,100年一遇等超标准洪水发生频率也在急剧增长,但是,由于我国许多水库大坝修建年份久远,且受当时技术、材料等的制约导致存在着许多设计缺陷及其质量问题。因此,这些水库大坝成为了潜在的高危坝体,对生命、财产、经济、环境有着很大威胁。
随着溃坝事故的频繁发生及其潜在溃坝风险的加剧,目前国际上对水库大坝后期运行的管理理念从坝体自身结构的安全管理偏向了溃坝损失和溃坝发生概率的双层风险管理。2000年在北京召开的国际大坝委员会上,对其溃坝风险的定义为:风险是对人民的生命财产和对环境的负面影响的综合度量,风险=大坝溃坝概率×溃坝后的损失。溃坝概率的高低主要取决于坝体的设计是否完备及质量;溃坝损失的高低不但取决于溃坝后洪水对下游的淹没程度,而且还与当地人口分布、经济发展现状及人们对其溃坝后的风险意识等诸多的社会因素的紧密相关[4]。由于溃坝机理复杂多变,因此针对水库大坝溃坝后的风险损失评估也成为目前全球范围内水利水电行业中研究的难点与前沿。
1、 溃坝风险损失的类别
目前对于水库溃坝损失类别的划分定义不同,因此,根据国内外众多研究学者对溃坝事故的后期描述、工程运行中的实际情况和损失对象划分4个类别:生命损失、经济损失、社会影响及环境影响[5]。生命损失是指在发生溃坝事故后,由于水库中的洪水下泄导致下游淹没范围内造成的人员伤亡;经济损失是指受水库溃坝后产生的洪水造成固定资产等直接的经济损失,及因道路淹没、供电设施破坏、通讯中断等造成的工厂无法正常生产运行的间接经济损失;社会影响是指溃坝后对其当地人们的生活方式及其生活质量、精神状态、心理变化及当地政府和文化方面的影响;环境影响是指溃坝后对下游河道、周边人文环境、生态结构的破坏等。生命损失、经济损失及环境影响最终对社会形成影响,因此生命损失、经济损失及环境影响是水库大坝溃坝后的3个基础风险类别,而社会影响则是三种基础类别后期共同作用。
2、 国内外溃坝损失风险研究进展
2.1、 国外研究进展
20世纪80年代后期,美国着名学者Brown等[6]基于历史溃坝损失材料,并依托数学统计方法对本国历史上发生在溃坝事件中生命的损失通过相关的数据分析后,建立了估计溃坝损失经验公式。20世纪90年代初,Assaf等[7]基于前人的研究结果,结合回归分析、水库溃坝模拟技术及概率论等方法评估溃坝损失中生命损失。随后Dekay等[8]以溃坝损失程度不同为定义域,建立了溃坝损失中生命损失与损失风险潜在人数之间非线性关系的经验公式。Brown等[6]对诸多可能造成生命损失的因素进行了人为简化处理,而在Assaf[7]提出的评估方法中,缺少了人们面对危险时的主观能动性因素,而且整个评估过程比较复杂,因此其实用性不强。Dekay法通过给定定义域,但该定义域只有两个极端值,即将溃坝后的损失程度人为主观的划分为高与低两种,致使应用该法计算出的结果随意性很大[8]。而且,随着社会和经济的高速发展,同等条件下发生的溃坝损失与以往的损失相比差异显着。总体而言,所有经验公式及评估方法完全基于溃坝损失记录的历史资料经过统计分析后得出,因此这些经验公式很难应用于现代社会对溃坝损失风险的评估。至20世纪90年代末,Graham[9]等在原经验公式的基础上,提出水库溃坝后,将洪水的严重程度纳入影响溃坝损失的因素中。2001年,McClelland等[10]通过溃坝后对下游的淹没范围进行划分,并对损失风险进行综合分析,得出相关计算生命损失的预算方式。同年,芬兰学者Reiter[11]和Graham[9]对生命损失的预算法进行简化,得出更加简洁的计算方法。Jonkman[12]结合前者的研究,通过对诱导溃坝事故发生的关键因素及溃坝损失程度,发现溃坝损失后同时包涵生命损失和经济损失两大类别,并建立相关数学模型。综合分析前者研究成果发现,该时期出现的溃坝损失评估模型中包涵了溃坝预警发布时间、人们应对危险时的主观能动性、溃坝后洪水的严重程度、坝体的稳定性等因素,该阶段提出的评估模型准确性明显优于上阶段成果。随着人们对溃坝损失因素的进一步分析,相关领域的研究学者对溃坝风险评估进行进一步研究。Judi等[13]对溃坝后洪水对下游的淹没范围及淹没深度进行数学统计分析,提高了对生命损失及其经济损失的评估精度。Day等[14]在前者模型中加入了政府应对溃坝后的应急预案等因素,形成了新的评估模型,进一步完善了对生命和经济损失的估算模型。综上可知,国外在水库溃坝后的损失类型的分析中,体现出以人为本的遵旨,着重分析了溃坝后对生命损失的预算与评估,其次是对经济损失的评估模型的研究,而在环境影响及社会影响方面的预算模型鲜有报道。目前国外的评估模型只能片面的估算溃坝后对生命及经济造成的损失,不能全面统筹整体损失。
2.2、 国内研究进展
由于诸多因素限制,导致在溃坝损失风险方面的研究起步较晚。研究初期主要以溃坝后造成的生命损失和经济损失为主。范子武等[15]结合溃坝事故的发生过程提出防洪风险率的计算方式,并在损失风险评估模型中加入了人员伤亡的预算,进一步完善了生命损失的评估模型。宋敬衖等[16]首次在损失模型中引入单个生命损失及社会生命损失的计算模型,并针对溃坝存在不确定、不可控因素进行了归纳分析。由于国内没有其它研究学者积累相关模型基础,因此上述几位学者作为该方向的探路者受研究受条件限制大多依托于国外研究成果,在此基础上结合我国相关材料分析总结出溃坝损失风险估算模型,但预算结果的准确性与精确性与实际情况相去较大。随后,李雷等[17]在建立溃坝损失风险模型时同时将生命损失、经济损失、环境影响、社会影响四个主要因素综合分析,通过数学分析方法建立了线性和非线性运算方法。孙玮玮等[18]通过主成分分析法模拟坝体的综合溃坝风险,并结合相关的评估标准来确定风险等级。杨胜梅等[19]依托现有的信息技术对溃坝过程中的关键参数进行预算,联同原有的生命损失预算模型得出溃坝后产生的洪灾造成下游损失的定量计算方法。顾冲时等[20]研究发现,洪水导致的直接经济损失量可通过单位面积整体损失量、人均整体损失量及不同类别损失量三者结合来求解。刘欣欣等[21]针对溃坝后造成的经济损失评估模型对洪水淹没区的损失程度进行了科学修订,进而提高了经济损失评估模型的精准度。与前一阶段相比,该阶段我国研究学者提出的预算评估模型中包涵的主要因素比较全面,而且精准度也显着提高。但是,在实际操作中由于受地理环境的影响,众多学者提出的模型可能只适用于某一地区或某一座水库溃坝损失风险的评估,而对于其它地区、不同类型的坝体预测值与实际值之间差距较大,因此,建立可满足于各个地区、各种坝体的模型,其所需数据量较多,建立一个全面的数据库还需进一步研究。
3、 损失风险研究发展趋势
3.1、 综合全方位因素,完善风险预估模型
众所周知,水库大坝一旦发生溃坝,展现在人们眼前最直接的损失风险就是生命损失和经济损失,而环境影响和社会影响两大损失需要较长周期才能凸显,因此,在众多国内外研究学者所提出的溃坝损失风险预算模型中而被轻视,甚至由于各种不可控因素导致忽略[22]。因此,一个完整的模型,必须考虑各种因素,不能仅主观判别人为的关键因素,如最直观的生命损失因素、经济损失因素等。此外不同的因素会导致不同的偏重点,对模型的预算结果也有着决定性的影响,如危险来临前的预警发布时间,该因素对生命损失有着至关重要的决定性影响,但对经济损失、环境影响及社会影响的作用比较微弱。不同的自然地理条件及其不同类型的坝体对应的风险因素也是不同,在进行评估模型建立及后期运算时,要因地制宜选取相应因素,统筹综合因素建立完整的预估模型。
3.2 、理论结合实际,提升模型预测精准度
随着科技的快速发展和数学分析方法的不断更新,依托大功率计算机平台对溃坝损失风险的评估预算越精细化,模型中包涵的因素越全面化,计算结果也将呈精准化,预估模型也将复杂多变。但是由于坝体所处的内外界环境一直处于动态变化之中,因此对应的溃坝损失也将无法定量表达,只能参考相关的评价标准制定损失风险区间,因此可通过对不同地域、不同类型的坝体进行量化研究,综合总结出理论性高、实用性强的评价体系,将模型公式计算结果无线接近实际值,进而提升其预测的精准度。
4 、结语
我国水库大坝的总量无论从数量上还是从坝体高度上都位列世界前列,但发生溃坝的风险也将高于其它国家,因此如何降低溃坝风险,成为我国水利行业今后研究的关键内容。目前,尽管我国在溃坝损失风险方面取得了一定的成绩,但由于幅员辽阔,地质、水文条件复杂,水库坝体类型各异,在评估模型构建及其实际应用方面仍存在明显不足。因此如何建立一个实用性强、精准度高的溃坝损失风险评估体系,有效提高水库大坝风险管理水平和管理效果还需进一步研究。
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