溃坝洪水经济损失评估研究进展

沈照伟，童杨斌,3，许月萍，张民强

(1．浙江省水利河口研究院防灾减灾研究所，浙江杭州 310020；2．浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江杭州 310020；3．路易斯安那州立大学土木与环境工程系，美国

巴吞鲁日 70802；4．浙江大学水文与水资源工程研究所，浙江杭州 310058)

溃坝洪水经济损失评估研究进展

沈照伟1,2，童杨斌1,2,3，许月萍4，张民强1,2

(1．浙江省水利河口研究院防灾减灾研究所，浙江杭州 310020；2．浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江杭州 310020；3．路易斯安那州立大学土木与环境工程系，美国

巴吞鲁日 70802；4．浙江大学水文与水资源工程研究所，浙江杭州 310058)

介绍了目前洪水损失评估常用的综合性软件以及学术团体研究开发的专业模型；阐述了溃坝洪水经济损失评估的研究热点，如区域洪灾损失与实时评估问题、动态评估模型等；讨论了支持向量机、模糊理论、人工智能、灰色理论等在洪水经济损失评估中的应用；分析了当前溃坝经济损失评估方法的缺陷与未来发展趋势．

溃坝；经济损失；区域洪灾损失评估；支持向量机

据“2008年全国水利发展统计公报”，我国已建成各类水库8.6万多座，数量居世界首位．截至2007年5月底的初步统计，全国有病险水库37 000座左右，与此同时，我国水库溃坝率亦居世界前列．2007年，水利部会同国家发改委制定了“全国病险水库除险加固专项规划”，计划用3年的时间解决6 200座病险水库的除险加固问题．然而，由于我国水库总数多，溃坝较多，总体管理水平偏差，水库除险加固受到资金、人力和技术等因素的制约，难以在短时间内解决全部问题．在国外，如澳大利亚、美国、加拿大等，风险的概念已被运用到大坝安全管理中，并建立了相应标准．溃坝概率分析和溃坝对下游地区造成的损失评估是大坝风险分析的重要内容．在我国病险水库除险加固工作逐步开展的同时，引入国外先进理念，研究溃坝洪水经济损失评估，对防洪减灾具有重要意义．

1 洪水损失评估的一般方法

对洪水造成的经济损失进行评估是国内外历来都比较重视的一项研究．美国、日本、澳大利亚、英国等国家都建立了一系列洪灾损失评估方法，包括灾情调查网络、应急响应、灾后安置等，其评估手段、速度及精度相对都较高．在中国，由于洪灾损失评估的研究工作起步较晚，加上洪灾本身的复杂性以及基础工作的薄弱性，我国的灾损评估与国外先进做法相比，仍有较大的差距，需要不断改进与提高．

一次溃坝事故造成的洪灾总经济损失可按如下公式计算：

其中，Dd是一次溃坝造成的总直接经济损失（元），Cp是抗洪救灾等费用（元），K是剩余部分间接损失的折算系数．折算系数随地区（山区、丘陵、平原）经济状况（发达、一般、落后）、财产类型（农业、工业、商业、公共设施等）、洪灾程度而异，可按经验来确定．

国外，White[1]首先将水位——损失曲线的概念用于洪水脆弱性研究中，最初只考虑了水位，后来的研究者们又增加了流速与淹没历时，这一概念至今仍得以广泛应用[2-3]；Islam K M N①Islam K M N. Micro and Macro Level Impacts of Floods in Bangladesh [C] // Parker D J. Routledge Hazards and Disasters Series, 2000: 156-171.提出洪水风险评估的宏观和微观两种模式；Dutta等[4]把评估洪水影响的方法归纳为两种：一是采用单元损失模型，二是考虑洪水与经济的连锁作用．

由于建坝后下游洪积区的发展，溃坝洪水的破坏性更大，也更难预测，除具有一般洪水造成的损失，还有对水利工程的破坏、水库蓄水的流失等多种间接损失．Ellingwood等[5]调查了有关洪水和溃坝损失评估的英文文献（包括美国、英国、澳大利亚和新西兰），将其分成三类，分别是各种洪水损失研究、溃坝研究和生命损失的经济评估，其中关于洪水损失的研究最多，涉及到溃坝损失的很少．基于此，文中提出了溃坝损失评估的框架结构，并将损失分成如下7类：财产损失、活动中断损失、应急响应费用、灾后重建费用、疾病与死亡、环境影响、文化与历史影响．

国内，《水库大坝安全管理应急预案（培训教材）》中对溃坝造成的洪水损失评估方法作了比较详细的介绍，对于直接经济损失，根据估算对象提出了五种方法，对于间接损失，提出了直接估算法和系数法两种方法．间接损失的估算涉及面广，内容繁杂，目前相关的研究多集中在直接经济损失，其中按损失率计算是应用最广的，公式如下：

其中，Di表示按损失率计算的第i类财产损失，βijk表示第i类第j类财产在第k类风险区的损失率，Wijk表示第i类第j类财产在第k类风险区的价值，n表示财产类别数，m表示第i类财产类别数，l表示风险区类别数，由淹没程度决定．

总而言之，建立准确的洪水损失评估模型包含许多因素，其中获取详细的洪水参数（流速、水深、淹没时间）、适当的损失分类以及不同损失类别下洪水参数与损失之间的关系（一般通过历史洪灾信息、问卷调查、实验室试验等途径获取）都是极其重要的．

2 溃坝洪水经济损失评估的研究进展

2.1 综合软件与研究模型

早年的洪水损失评估以实地调查与统计为主，需要花费大量的人力物力，并且在时间上滞后严重．随着计算机模拟技术的日益发展和完善，大型综合软件与研究模型在溃坝经济损失的评估中发挥越来越大的作用．

2.1.1 MIKE系列

丹麦DHI公司的MIKE系列中，MIKE 11、MIKE 21等被用于模拟溃坝洪水，其优势在于计算结果可与GIS软件结合提供一个可视化的效果，再进行后续分析．美国内务部农垦局已将MIKE 21的水动力模块应用到一些地方，其中模型的输入和输出是通过ESRI公司的ArcView和ArcInfo等软件来处理与展示的，溃坝洪水的损失评估可由DHI的Flood Analysis工具箱来进行．洪水损失的具体步骤包括：1）通过模拟分析得到洪水的空间模式（水深和历时）；2）在GIS中准备土地利用和财产数据库；3）对各个土地利用和财产类型，建立洪水位与经济损失的相关关系；4）通过空间关系来确定经济损失的空间分布．

2.1.2 HEC系列

在美国，陆军工程师团（USACE）开发的HEC-RAS和FDAP等模块也被用于洪水的模拟计算和经济损失评估中．最近USACE开发了一款综合水文工程与经济分析的软件HEC-FDA①USACE, HEC-FDA, User's Manual, Davis, CA, CPD-72, 2008.，用于评估洪水风险，该软件包括以下功能：1）存储分析所需的水文与经济数据；2）提供数据和结果的可视化；3）计算预期年损失与等效年损失；4）计算堤防设计所需的年超过概率和条件不超过概率；5）实施其它规定的洪水分析步骤．

2.1.3 研究模型

由高校、研究所等研究机构和团体开发的模型中，较有名的有ANUFLOOD和ESTDAM．澳大利亚国立大学的Taylor等开发了ANUFLOOD模型②Taylor J A, Greenaway M A, Smith D I. ANUFLOOD: programmer's guide and user's manual, 1983.，用于评估工商业和居民财产损失，这是国外关于洪水经济损失评估较早的模型之一．而在英国，ESTDAM模型被作为洪水损失评估的标准模型[6]．

在荷兰，De Blois③De Blois C J. Uncertainty in Large-scale Models for Decision Support in Water Management [D]. Enschede: Twente University, 2000.运用INUNDA模型分析了马斯河1993与1995年两场洪水的损失情况．其后，Xu Y④Xu Y, Booij M J. Appropriate modelling in DSSs for river basin management [C] // Pahl-Wostl C, Schmidt S, Rizzoli A E, et al. Complexity and Integrated Resources Management. Trans. Second Biennial Meeting of the International Environmental Modelling and Software Society. Osnabrück: 2004, 2: 611-616.研究马斯河周边地区的洪水风险评价时，在De Blois模型的基础上作了修改，增加了一维河道水动力模型，使用该模型前需要收集土地利用类型的数据及与土地利用类型相应的最大经济价值和损失函数．

Booij[7]用FLOCODS DSS模型对越南红河洪水损失作了估算和不确定分析，认为洪水损失估算存在较大的不确定性，主要来自原始数据和各类财产（文中只考虑农业、工业、建筑和服务业4类）的损失率；将洪水损失和国民生产总值（GDP）作比较后发现：一场小洪水造成的损失约为GDP的1% – 5%，而大洪水造成的损失接近GDP的20% – 50%，几乎相当于农业和服务业财产的总和．

2.2 基于3S技术的区域洪灾损失评估

随着空间信息技术的逐步发展，社会经济数据库的建立与充实为洪灾经济损失评估提供了一个便捷的平台，从而基于网格与GIS / RS技术的洪灾损失评估研究也逐渐增多，灾情评估的层次、精度与时效性都将得到进一步的提高[8]．

Islam等[9-10]开发了基于GIS与RS的洪水风险评估方法以及洪水风险图，用于孟加拉国的防洪减灾工作中．在台湾，一些学者[11-12]建立了基于网格的GIS方法，用于评估台湾北部汐止市的区域洪水灾害损失．在大陆，张成才、陈秀万等[13]较早进行了GIS和RS在洪水损失评估中的研究，李纪人等[14]基于遥感和地理信息系统等技术，利用空间展布式社会经济数据库，开展洪灾监测与评估．关于这方面的近期研究见文献[15-16]．

2.3 损失率的确定

在洪灾损失评估的现行方法中，损失率的确定是一个比较复杂的问题．有关文献①见第49页注①.对损失率的估算作了较详细的说明，提出了几种损失率估算方法：1）基于大量调查样本的溃坝洪水损失率计算法；2）基于长系列损失率数据库和相关分析的方法；3）经验方法确定溃坝损失率．目前较流行的是第三种，即对于不同财产（土地利用）类型，建立以淹没水深和历时为参数的估算表或估算图，得到淹没水深和淹没历时后，再查得相应的损失率．

3 溃坝洪水经济损失评估的研究热点与展望

3.1 洪水损失评估的不确定性

传统的洪灾经济损失评估大多采用损失率计算模型（参数统计模型），即先以淹没水深、淹没历时等灾害特征为自变量，损失率为因变量，利用回归分析等统计方法，建立淹没水深（历时）与各类承灾体洪灾损失率的联系，再按地区、财产类别，通过典型调查分析，建立不同水深条件下各承灾体的损失率．该模型有如下几个缺点：

1）需要大量的人力、物力和财力进行现场调查，并且每次洪灾后都需重新进行调查，重复劳动多，损失评估时间长，达不到快速评估的效果，导致延误救灾及灾后重建良机；

2）传统方法大多只考虑单一影响因素——淹没水深（历时），评估精度不高；

3）洪灾损失各影响因素之间存在着不确定的相关关系，难以用准确的公式来表达．

Merz等[17]以1978 – 1994年发生在德国的9场洪水事件为基础，分析了近4 000个建筑物的损失记录，一个记录对应一幢被淹建筑物的直接损失，结果表明：损失数据大致服从对数正态分布；尽管已考虑了水深与建筑物使用途径，但不确定性依然很大，需要考虑更多的损失影响因子；损失的不确定性主要取决于被淹建筑物数量与建筑物在淹没区内的分布情况．总之，洪水损失的数据收集与模拟需更精细化、标准化、有效化．

文献[18]根据随机荷载理论[19]对现行公式作了修正，并进行概化与合理假设，建立了简单实用的损失率计算方法，以区域经济、人口、地形数据为基本输入，通过与溃坝洪水演进模型结合，获取网格单元上的水力学参数值，包括水深、淹没历时和最大流速，进行经济损失的评估．

文献[20]扩展了传统的洪水损失因素，将洪水对建筑物的影响定义为“洪水作用”，涵盖能量传递、力、压强、水或污染物的接触等，并根据这些因素对洪水损失评估的重要性作了分类．

3.2 新方法、新理论的应用

近几年，国内外学者将新技术、新理论应用到溃坝经济损失评价中，比较典型的有模糊理论、人工智能、支持向量机模型、灰色理论等．这些新方法的出现为洪灾损失评估提供了崭新的思路．

3.2.1 模糊理论与人工智能的应用

针对传统洪灾损失评估存在的多因素与不确定性，王宝华等[21]提出一种混合式模糊神经网络模型，将数学处理方法与神经网络相结合，兼具二者的功能．实例分析表明，这种模型对影响因素考虑周全，避免了各因素间的矛盾冲突，节省了大量时间，既快又准地将评估结果计算出来，为制定救灾计划和灾后重建提供了保证．与传统的BP模型相比，收敛速度和评估精度都取得了更好的效果，是洪灾经济损失评估中的不错尝试．

3.2.2 基于支持向量机的模型

我国自1954年以来各类大坝失事3 487座，但由于种种原因，关于溃坝的统计资料却十分缺乏，特别是早期的溃坝事故，由于年代悠久，资料收集工作更为困难．这样在进行溃坝损失评价时就面临一个小样本问题，在这种情况下，王志军等[22]提出了GIS支持下基于支持向量机模型的溃坝损失评估方法，有效解决了小样本、非线性、高维数等问题，利用GIS组织与管理空间数据并进行可视化，借助支持向量机在解决非线性问题上的优势来模拟洪水的损害机理，取得了一定的成果．

3.2.3灰色理论的应用

最近，徐强等[23]针对现行溃坝评价方法存在的问题，从系统动力学入手，研究了系统各子事件相互联系且很难分层时的评价方法，提出了溃坝损失评价灰色系统动力学模型．该模型首先得出溃坝后的损失因果关系环图，再应用灰色理论对各个损失因子的抗损失性及其关联程度进行评价，最后应用系统动力学相关理论对整个系统的抗损失性进行评价．这是一种动态模型化方法，借助了信息反馈原理与系统仿真技术，可有效地处理复杂的系统问题．

3.3 洪灾损失动态模型与实时评估

当前的方法大多是通过建立评价指标量化值与评价等级标准的关系式来进行溃坝损失的评价，属于静态评价．事实上城市承灾能力与社会经济发展水平是动态的，并且各个子事件之间是相互关联的，所以从可持续发展的角度需要建立一种动态评价各个子事件相关关系的评价方法．

最近，周克发和李雷[24]提出了基于社会经济发展的溃坝洪水损失动态预测评价模型，包括生命损失估算、经济损失估算以及社会与环境影响评价三大内容．假设溃坝经济损失随社会经济的发展呈一定比例的增加，于是可将溃坝经济损失的估算公式表示为社会经济发展速度的函数：

其中，L2(0)表示在基准年由突发事件引起的溃坝经济损失估算基准值，vi、vt分别表示在时间t、第i年社会经济的发展速度（或人均GDP的发展速度，用美元或人民币计算），i = 0,1,2,„,[t]，[t]表示t的整数项，bi、bt分别表示对应于vi、vt的经济损失变化调节系数．经济损失变化调节系数根据政府决策及其执政理念来确定，主要体现在公众生命财产安全方面的投入以及预警和应急能力的提升两个方面．

4 结 论

随着经济社会的逐步发展，水库溃坝对下游人口、经济、社会等方面的影响将日益扩大，探讨溃坝洪水损失评估是风险管理与分析的重要内容．本文综述了溃坝洪水经济损失评估的国内外研究进展，分析了溃坝损失评估的影响因素，讨论了溃坝损失评估可能的发展趋势，希望能为大坝安全管理提供相关的指导和参考．

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Advances in Assessing Economic Loss for Dam Failure Flood

SHEN Zhaowei1,2, TONG Yangbin1,2,3, XU Yueping4, ZHANG Minqiang1,2
(1. Institute of Flood Mitigation and Defense, Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou, China 310020; 2. Zhejiang Key Laboratory of Hydraulic Disaster Mitigation and Defense, Hangzhou, China 310020; 3. Civil andEnvironmental Engineering Department, Louisiana State University, Baton Rouge, USA 70802; 4. Institute of Hydrology and Water Resources Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, China 310058)

Some present well known integrated industrial software and specific models developed by academic communities were introduced in the field of flood damage assessment. Several hot topics of recent time, such as real-time regional flood damage assessment and dynamic assessment model, were also described. Discussions were made on the application of supportive vector machine, fuzzy theory, artificial intelligence and grey system theory. Finally, the shortages and future development directions of economic flood damage assessment were analyzed.

Dam Failure; Economic Loss; Regional Flood Damage Assessment; Supportive Vector Machine

TV122.4

A

1674-3563(2012)06-0025-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2012.06.005 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：王一芳)

2010-09-07

浙江省科技厅重大科技专项(2007C13012)

沈照伟(1975- )，男，浙江桐庐人，高级工程师，博士，研究方向：水库结构稳定与风险分析