水工建筑物论文
摘 要： 溃坝风险后果分析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。从风险后果的内涵出发，建议风险后果可分为生命损失、经济损失和环境影响3个基础类别；分析国外研究成果与应用情况，明确从基于历史资料构建经验模型到基于致灾机理构建物理模型的发展趋势；分析中国溃坝风险后果评估现状，明确结合致灾机理的经验模型分析、半定量评价和区域损失叠加计算三类研究方法在准确性和实用性方面的优点与不足；提出应从加强致灾机理分析、注重准确性与实用性的结合、重视非工程措施的重要作用和在应用中不断改进等4个方面采取措施，提高风险后果研究水平和实际应用效果。
关键词： 溃坝; 风险评估; 风险后果; 损失; 影响;
Abstract： Risk consequences analysis of dam breach is fundamental to risk assessment of reservoir dams. Multiple influencing factors and complex mechanisms lead to great differences between the analysis results of different research methods and the actual consequences. It is suggested that risk consequences can be divided into three basic categories: loss of life, economic loss and environmental impact, based on their definitions. According to the analysis of research achievements and applications abroad, the development trend that physical model based on disaster-causing mechanism takes place of empirical model based on historical data is clarified. Based on the analysis of research status of dam breach risk consequences assessment in China, both advantages and disadvantages of three main research methods, i.e. analysis based on empirical model and disaster-causing mechanism, semi-quantitative evaluation and superposition calculation of regional losses, are clarified in terms of accuracy and practicability. It is proposed that the risk consequences research and practical application can be improved in four aspects, i.e., strengthening the analysis of disaster-causing mechanism, paying attention to the combination of accuracy and practicability, emphasizing the important roles of non-engineering measures and improving the research constantly during application.
Keyword： dam breach; risk assessment; risk consequence; loss; impact;
水库大坝产生防洪、供水、灌溉、发电和旅游等多种社会及经济效益，但其拦蓄洪水产生的巨大势能对下游人民群众生命财产安全也带来了很大威胁。中国自1954年有较系统的溃坝记录以来，到2014年的61年间共发生水库溃坝3529座，年均溃坝57.9座[1]。经过持续多年的病险水库大坝除险加固研究工作[2]，2000—2014年间的年平均溃坝概率已经降低至0.5?，低于世界平均水平。但是近年来极端气象事件频发，超标准洪水发生频率不断增高，且许多水库大坝存在设计缺陷、建设质量差和运行管理不善等问题，溃坝仍时有发生[3]。作为一种低概率高损失的事故，溃坝极容易造成巨大的生命和经济损失，同时淹没下游动植物生存区域和破坏化工、厂矿企业造成严重的环境影响。
20世纪90年代后，国际上对大坝的管理理念已由偏重于大坝结构本身的安全管理向事故后果的考虑与事故概率并重的风险管理[4]。根据2000年国际大坝委员会（International Commission on Large Dams ，ICOLD）北京会议的定义：风险是对生命、健康、财产和环境负面影响的可能性和严重性的度量，是溃坝可能性和产生后果的乘积[5]。与风险概率主要取决于工程因素相比，风险后果受到溃坝洪水淹没范围、水深、流速和水温等工程因素影响的同时，还受到人口分布、经济发展水平和人们的风险意识等社会因素的影响。影响因素多，致灾机理复杂，不同情境下溃坝洪水造成的淹没区域和损失程度存在很大差异，溃坝风险后果评估成为研究的热点与难点[6]。因此，分析溃坝风险后果研究现状与发展趋势，对于明确后续研究方向，提高研究成果的科学性和实用性，具有重要的理论与现实意义。
1、风险后果的分类
目前尚没有对水库大坝风险后果统一的定义或者分类。根据国内外的研究及工程实际运用情况，溃坝风险后果大致包括生命损失、经济损失、社会影响、环境影响4个方面。生命损失主要指大坝失事水流冲击、淹没和寒冷等因素造成淹没范围内的人员损失；经济损失主要指因为淹没造成房屋、家具、物资、农业等直接经济损失以及影响交通运输、厂矿企业正常生产而产生的间接经济损失；社会影响主要指大坝失事对人们原有生活方式、生活质量、心理状态的改变以及在政治系统及文化层面的影响；环境影响主要指大坝失事洪水导致的河道形态及人文景观变化、重大污染等，具体体现在水环境、土壤环境、生态环境和人居环境等方面。
溃坝造成生命损失和经济损失，对原有环境也会造成很大改变甚至破坏，因而会产生很大的社会影响。但是将社会影响作为与生命损失、经济损失和环境影响并列的一种风险后果，是值得商榷的。因为社会影响与其他3种后果存在极大的相关性，即若无生命损失、经济损失和环境影响，则溃坝的社会影响也就几乎不存在。因此可认为生命损失、经济损失和环境影响是溃坝风险后果的3个基础类别，社会影响则为上述3种后果的共同作用。
2、 国外风险后果研究进展
2.1、 国外风险后果研究历程与成果
（1）基于历史资料构建风险后果经验模型。1988年，Brown和Graham[7]利用数学统计方法对美国和世界各国历史上发生的一些溃坝生命损失数据进行分析，建立了简单的溃坝损失经验估计公式（Brown & Graham法）；1991年，加拿大BC Hydro公司的Assaf等[8]基于前人的经验统计和回归分析，利用溃坝模拟技术和概率论来估算溃坝生命损失（Assaf法）。1993年，Colorado大学的Dekay与垦务局的McClelland[9]考虑溃坝洪水严重性的不同，提出了描述生命损失与风险人口之间非线性关系的经验估计公式（Dekay & McClelland法）。
Brown & Graham法对许多因素进行了简化，而Assaf法缺少对人抵抗溃坝洪水灾害的主观能动性分析，且迭代计算过程过于繁琐，实用性不足[10]。Dekay & McClelland法仅将溃坝洪水严重性分为高和低两类，导致结果较为粗糙且具有较大的随意性。另外，随着社会、经济的不断发展，同样事故造成的风险后果与以前会有很大不同，而经验模型参数的确定主要是基于历史资料统计分析得出，难以反映这种差异，因此在溃坝风险后果预测方面存在不足。
（2）基于致灾机理分析构建风险后果物理模型。1999年，Graham[11]建议应基于溃坝洪水的严重性估算溃坝生命损失，给出了考虑洪水预报发布时间的溃坝风险人口死亡率表，并提出了基本步骤（Graham法）；2001年，McClelland和Bowles[12]提出一种基于溃坝下游淹没区域划分和风险分析相结合的生命损失估算方法（McClelland & Bowles法）；2001年，芬兰的Reiter[13]遵循Graham法提出一种简化的生命损失估算方法（RESCDAM法）；美国陆军工程兵团（United States Army Corps of Engineers，USACE）、美国垦务局（U.S. Bureau of Reclamation，USBR）和澳大利亚大坝委员会（Australian National Committee on Large Dams，ANCOLD）还支持构建了LIFESim等生命损失计算模型[14]。基于上述研究，Jonkman等[15,16]通过分析事故关键参数、事故破坏区域损失率等因素，构建了低概率高损失事故的生命损失和经济损失模型。
该类方法基于溃坝风险后果形成机理分析，明确预警时间、人们风险意识等因素作用下的风险人口撤离情况和溃坝洪水严重性、建筑物稳定性等因素作用下的暴露人口损失率，进而计算溃坝风险后果，评估模型的准确性显着提高。
（3）进一步分析影响因素与风险后果的不确定性。上述基于致灾机理分析所构建的各模型在分析不同工况下的风险后果时，结果的分布规律较为一致，但是在具体数值方面甚至会出现接近一个数量级的差异[17]。产生这种现象的主要原因是不同方法在确定风险因素对风险后果影响程度方面有着较大差异，因此相关研究人员针对影响因素与风险后果的不确定性关系进行了进一步的分析。
Judi等[18]探讨了溃坝洪水淹没范围和深度的分析精确度对生命损失和经济损失评估的影响；Kolen等[19]分析了用于应急疏散的时间以及条件（包括公民和政府部门对洪水的反应以及对基础设施的使用）在生命损失控制方面的不确定性； Cleary等[20]分析了大坝不同失事模式下风险后果的差异；Day[21]分析了应急预案对溃坝洪水淹没人口和财产的影响；Komolafe等[22]分析了斯里兰卡、泰国和日本3个国家洪灾损失估计方法的特点，研究了建筑物脆弱性指数对风险后果的影响。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一定的基础。
国外对于溃坝可能导致的生命损失极为关注，研究成果也主要集中在此方面，同时开展了少量的经济损失研究。与之相比，已有的溃坝环境影响研究主要针对尾矿坝[23]，其研究成果并不适用于常规的水库大坝。
2.2、 国外风险后果研究的应用
鉴于溃坝风险后果计算的复杂性，风险人口（可能出现在大坝下游地区并可能在大坝溃坝时处于危险中的人数）、大坝下游的生活区域类型（农村或城市）和经济产业类型（农业、工业或重要资源）常被用于定性判断溃坝风险后果。近年来，随着溃坝风险后果定量分析研究成果不断丰硕，澳大利亚、美国和加拿大等结合自身的大坝安全及社会、经济发展情况，分别开始了一些实际应用。
澳大利亚的《大坝溃坝后果评价导则》规定[24]，当大坝坝高超过8m，且蓄水能力超过50万m3，或蓄水能力超过25万m3且流域面积3倍于水库面积时，都需要做溃坝影响评价。同时，澳大利亚大坝委员会（ANCOLD）指出，目前还没有能够准确预测溃坝造成生命损失的可用程序。结合该国历史统计资料及大坝安全状况，建议采用Graham法进行评估。
美国垦务局（USBR）[25]于2014年发布《大坝安全风险分析中生命损失估算指南》，给出了“生命损失率—洪水严重性（水深乘以流速）”的参考图，同时分析了预警时间、公众对洪水严重性的理解程度和撤离情况等因素对生命损失率的影响。
加拿大大坝协会（Canadian Dam Association，CDA）[26]制定的《大坝安全导则》要求应根据增量后果，即因特定自然事件（如洪水）导致溃坝进而产生的风险后果比仅由该自然事件本身（无溃坝）产生的风险后果增加量，确定大坝安全管理等级。其中风险后果包括淹没区的生命损失、伤残及对人口结构的总体破坏，对环境及文化的影响，对基础设施、经济和财产的破坏等。加拿大哥伦比亚省将溃坝后果分为生命损失、环境和文化损失、基础设施和经济损失三大类[27]，并建议：生命损失可按照USBR推荐的参考图定量计算，其他两大类损失根据洪水严重性及淹没区域所包含的保护物种或野生动物栖息地类型、经济产业类型和重要基础设施等，结合相应主管部门的规定予以判断。
3、 国内风险后果研究进展
溃坝后果是工程因素与社会因素的共同作用，同等事故条件下造成的损失不同。中国在社会因素方面与发达国家存在很大差异，因而国外的风险后果研究成果与中国实际情况并不十分符合[28]。
3.1、 生命和经济损失分析研究现状
溃坝造成的生命和经济损失最为直观，也最为社会所关注。近年来中国学者在此方面开展了积极的探索。根据研究的基本思路，主要成果大致可分为三类。
（1）结合致灾机理的经验模型分析。范子武和姜树海[29]按照防洪工程漫顶失事的逻辑过程提出了防洪风险率的定量计算方法，引入了人员伤亡预测的经验公式；周克发等[28]基于Graham和RESCDAM法的分析思路，基于8座溃坝资料分析了各工况下的损失率和修正系数，并提出了相应的经验模型（李-周法）；宋敬衖和何鲜峰[30]研究了个体生命损失和社会生命损失的估算方法，并就其中的不确定性因素进行分析，对传统的估算方法进行了改进；Sun等[31]在基于Monte-Carlo及拉丁超立方抽样模拟溃坝洪水条件下，采用Graham方法计算生命损失；Peng和Zhang [32,33]通过分析洪水路径及其他不确定因素，构建了基于贝叶斯网络的生命损失分析模型，并将其应用于唐家山堰塞湖的风险评估。
上述研究大多基于国外的某几项成果，结合中国一些统计资料进行回归分析或致灾机理分析来确定相关参数。但中国溃坝资料的缺乏，使其不得不面对小样本问题。溃坝后果影响因素多和统计资料不足之间的矛盾，导致上述方法在数学上存在很大的难度。另外，上述分析中常假设某些因素为固定，与实际情况有较大的差距，也限制了其准确性。
（2）半定量评价。李雷等[34]依据现行法规，采用数学模型分析并提出了决定溃坝后果严重性的3个主要影响因子（生命损失、经济损失和社会环境影响）的严重程度系数及其对数非线性和对数线性评价模型；孙玮玮和李雷[35]采用主成分分析法计算大坝综合风险值，结合评价标准确定大坝风险后果等级并对其进行排序；王丽学等[36]采用溃坝后果综合评价函数，得出了小型震损水库溃坝后果严重程度的等级划分模型；邹强等[37]针对溃坝后果综合评价指标体系的模糊性与不确定性，建立了溃坝生命损失和经济损失综合评价的属性区间识别模型；李宗坤等[38]引入集对分析理论，从同、异、反3个角度分析风险后果与各事故等级的趋同程度，建立了溃坝风险后果影响因子权重计算模型[39]；Li等[40]基于风险后果形成路径分析，采用可变模糊集理论进行生命损失评价。
上述成果的基本思路是基于一定的数学方法，在构建评价指标体系的基础上，通过分析基础指标并进行赋值，采用递归计算等方式计算风险后果的评价值并进行等级划分（通常分为一般、严重、极其严重等3至5个等级）。其可有效用于不同大坝风险后果严重程度排序，但是并未给出各等级的对应值，即评价结果具体表示什么样的后果，因而属于半定量的评价。与此同时，由于尚没有较为统一的溃坝风险后果等级划分标准，大多研究人员结合自己的理解和所采用分析模型的特点予以主观划分，导致评价结果仅可由自身评价模型获得，对其他评价模型则并不适用，因而通用性不足。
（3）区域损失叠加定量分析。因与被淹没区的社会、经济发展水平密切相关，溃坝风险后果呈现一定的地域性[41]。因此，国内许多学者开始采用分区域计算损失并进行叠加的方式分析风险后果。
王志军等[42]探讨了GIS支持下溃坝所造成生命和经济损失评估的方法与实现过程；仇蕾等[43]基于极端洪水水文特性格网和社会经济特性格网，计算极端洪水灾害的经济损失；杨胜梅等[44]利用空间信息技术对溃坝洪灾特征参数进行估算，结合溃坝洪灾生命损失评估模型，实现溃坝型洪灾损失的预测性定量评估；顾冲时和苏怀智[45]提出溃坝洪水直接经济损失可采用分类损失率法、单位面积综合损失法和人均综合损失法进行计算；刘欣欣等[46]通过修正不同淹没区域的损失率来进一步提高溃坝造成经济损失评估的准确性；石振明等[47]采用地理信息工具快速获取坝址和上下游河道三维地形信息，基于文献[32]提出的生命损失分析模块，构建了堰塞湖溃坝快速定量风险评估方法；Huang等[48]基于致灾因素、孕灾环境、承灾体和救援条件4个方面的分析，构建了溃坝生命损失分析模型。
相比以往只考虑下游风险人口总数和经济总量而不考虑其实际分布的分析，上述研究结合计算机模拟和GIS等手段分区域计算风险后果，准确性显着提高。但是实际应用中常会面临行政性区域（包含社会经济发展数据）和自然地理区域（包含淹没洪水数据）不一致的问题。因而此类方法对某一水库进行分析较容易通过现场调研实现基础数据的匹配，而对大量水库进行风险后果分析则会面临数据采集工程量巨大的问题。
基于上述分析，选择认可度相对较好的Graham法和RESCDAM法应用于中国的一些溃坝实例，并与“李-周法”的最优结果（根据参数人为取值的不同，该方法有多组分析结果，定义最接近实际损失的分析结果为最优结果）和实际损失进行对比[28]，如表1所示。
表1 不同方法溃坝生命损失计算结果对比
从表1可以看出，除刘家台水库外，与Graham法相比，进一步考虑房屋稳定性和风险人口年龄分布等因素所构建的RESCDAM法分析结果与实际损失有所接近，但是仍存在很大差距。“李-周法”的最优结果与实际损失具有相对较好的一致性，但是限于构建分析模型所用案例数量的不足，部分参数的取值仍存在很大随机性，因此需结合中国社会、经济发展情况进一步分析影响因素与风险后果的不确定性。
3.2、 环境影响分析
王仁钟等[49]对环境影响要素进行量化，并综合成环境影响指数；何晓燕等[50]在系统收集水库溃坝后果资料的基础上，建立了水库溃坝环境影响评价指标体系并提出了量化方法；李宗坤等[51]构建并细化了溃坝环境影响评价指标体系和评价等级标准，采用集对分析理论和可变模糊理论分析溃坝环境影响；Wu等[52]对集对分析法进行改进并应用于溃坝环境影响评估，以提高评价结果精确度。
与生命或经济损失相比，人们对溃坝环境影响的关注度相对较低。另外，相对尾矿坝而言，水库大坝溃坝产生的环境影响较小，因而溃坝环境影响分析起步较晚，研究成果也较少。且现有研究偏重于分析的方法，缺乏对于环境影响作用机理的分析，实际应用价值有待提高。
总的来说，国内研究人员针对溃坝风险后果特别是生命和经济损失方面开展了不少研究，但是国内较为完整的大坝事故损失统计资料较为缺乏，案例类型以及数量不足，导致从数理统计角度建立比较科学的大坝风险后果模型存在不少困难，至今尚未出现得到较为广泛认可以及具有较好实用性的研究成果[4]。与生命和经济损失估算的研究成果相比，目前对于溃坝导致环境影响的研究则明显不足。
4、 风险后果研究发展趋势
（1）加强多因素作用下的致灾机理分析。溃坝产生洪水，淹没下游区域导致生命、经济损失和环境影响。一方面，部分影响因子（如公众的风险意识）在风险后果产生的各个环节（洪水来临之前的撤离、洪水到来时的躲避以及淹没之后的自救等）均产生影响，而部分影响因子仅在风险后果产生的某一环节起到作用（如预警时间仅在洪水来临之前的撤离环节影响生命损失）。另一方面，不同影响因子对不同风险后果的影响程度不同，例如预警时间是影响生命损失的关键因素之一，而对于经济损失和环境影响的作用较小。此外，影响风险后果的水深、流速等因素在不同溃决模式下存在很大差异，具有较大的不确定性。因此，进一步分析影响风险后果的因素及其作用环节和对风险后果的影响程度，明确多因素耦合作用下的致灾机理，对于构建风险后果评估模型具有重要意义。且相对偏重于反映过去风险后果规律的经验模型，基于致灾机理分析的物理模型具有更好的预测性。
（2）注重准确性与实用性的结合。近年来，随着分析方法的不断丰富以及计算机等分析工具的不断进步，风险后果研究呈现越来越细化、考虑的因素越来越全面、公式或者相关参数越来越复杂的趋势，从理论角度来讲风险后果分析成果的准确性不断提高。但是事实上由于影响因素在一定范围内变化，溃坝风险后果也具有一定的不确定性，呈现为隶属于某个最可能区间，而不是确定值的特点。因此，可考虑从溃坝风险后果精确值计算向风险后果区间分析转变，借鉴风险标准的区间理念，根据风险概率和后果落入的区间来判断大坝风险水平。这样在反映风险后果严重程度的同时，有效表征风险因素及后果的不确定性，具备更好的可信度；也可避免为与事故统计数据精确拟合，导致评估模型过于复杂的问题。此外，应综合运用着重考虑淹没区域和水深等工程因素的洪水演进分析技术以及可充分并动态反映社会和经济发展水平等社会因素的相关数据技术，采用计算机方法实现行政区域数据和自然地理区域数据的匹配，避免人为收集数据工作量巨大甚至难以实现的问题。分区域计算风险后果的同时，有效提升工作效率，提高分析结果准确性和实用性。
（3）重视非工程措施的重要作用。除洪水演进因素外，风险后果受到人们风险意识、救援能力以及经济与交通状况等各种社会因素的影响，因此在溃坝风险后果评估中应积极考虑社会管理方面的因素[53]。相比纯粹提高大坝安全性等工程措施，有效提升应急管理水平，提前发布溃坝预警等非工程措施对于风险后果的影响更为显着[54]。现有的风险后果研究对此方面予以了一定关注，然而仍存在很大不足，尚未形成完善的非工程措施风险管理理论体系和应用机制[55]。近年来，中国在基于非工程措施的小流域山洪灾害防治理论研究和实际应用方面建立了比较成熟的体系，而在大坝管理方面则显得相对不足。随着坝工技术和信息技术的不断发展，人们已可通过监测分析等手段来预知溃坝风险，并提前采取措施降低风险后果。因此，在分析溃坝风险后果时，应充分重视非工程措施的重要作用。
（4）在应用中不断改进。之前国内限于大坝安全管理的理念，风险后果研究在实际工程中应用很少，理论缺乏验证也限制了其自身的发展。近年来，随着大坝风险管理理念在中国不断发展，其认可度和实用性不断提高，相关大坝风险管理法规和标准建设取得显着成效[45]。2007年之后水利部先后颁布了《水库大坝安全管理应急预案编制导则（试行）》、 SL483—2010《洪水风险图编制导则》、SL164—2010《溃坝洪水模拟技术规程》、SL602—2013《防洪风险评价导则》，并组织编制了《水库大坝风险评估导则（征求意见稿）》。因此，风险后果研究在不断丰富相关理论的同时，应重视与规范的衔接以及在实际工程中的应用，不断修正和完善。
5、 结 语
风险后果分析在水库大坝风险管理中发挥着极其重要的作用。部分发达国家已从仅基于历史统计资料建立经验模型转向基于致灾机理分析构建评估模型，并应用于水库大坝风险管理。与之相比，中国的溃坝风险后果分析虽取得了一定的成果与进展，但在评估模型构建及其实际应用方面仍存在明显不足。本文在分析国内外研究现状的基础上，提出应进一步开展风险后果形成机理分析并充分考虑影响因素及后果的不确定性。在提高研究成果准确性的同时，进一步提高其实用性，进而可为工程措施与非工程措施相结合，有效提高水库大坝风险管理水平和管理效果提供针对性的指导。
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