基于空间信息技术的溃坝洪灾损失定量评估研究

杨胜梅，黄艳芳，李申亭，李 波

（1．长江科学院a．工程安全与灾害防治研究所；b．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c．国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010；2．长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；3．河南省南水北调中线工程建设管理局许昌建管处，河南许昌 461000）

基于空间信息技术的溃坝洪灾损失定量评估研究

杨胜梅1a，1b，1c，黄艳芳2，李申亭3，李 波1a，1b，1c

（1．长江科学院a．工程安全与灾害防治研究所；b．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c．国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010；2．长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；
3．河南省南水北调中线工程建设管理局许昌建管处，河南许昌 461000）

为更好地进行流域防洪规划和防灾预案的制定，对溃坝型洪水灾害损失进行了预测性定量评估与淹没空间分布制图研究。以溃坝洪灾单项损失——人口损失为例，利用空间信息技术在空间数据管理、分析和可视化方面的优势，对溃坝型洪灾特征参数进行估算，绘制淹没人口空间分布图，并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分析。分析结果表明：警报时间对生命损失起重要作用，随着警报时间的提前，生命损失明显减小。

空间信息技术；溃坝；洪水灾害损失；定量估算；预测评估

1 研究背景

大坝溃决引发的洪水灾害，比一般洪水带来的损失更为严重，因其事发突然、流速快、水量大，溃坝水流的巨大冲击力将会给下游造成很大的破坏。水库大坝的安全与公共安全息息相关，随着人们安全意识的不断增强，政府和公众也越来越关注大坝的安全情况以及溃坝所造成的后果，因此，对可能发生的突发性大坝溃坝事件产生的洪灾损失进行预测性评估显得尤为迫切，这不仅对流域长期的防洪规划和防灾预案的制定是必要的，而且也是我国自然灾害管理中的一个重要现实问题。

溃坝型洪水灾害损失评估是一个十分复杂的问题，涉及到地理学、灾害学、经济学、水文学、气象学和水利工程等多个相关学科。早期研究者对于洪灾损失评估的研究，更多关注洪灾成因机理的分析，并在此基础上，结合数理统计及概率论等数学方法建立洪灾损失评估的数学模型。但随着空间信息技术的发展，它在洪灾损失评估中的作用逐渐引起了研究者们的重视，并一直成为研究的热点。近年来，国内外在溃坝灾害损失评估方面均开展了一些研究［1－2］。国外在溃坝生命损失评估方面作了大量研究，取得的成果较多，初步形成了一些溃坝生命损失的模型和方法［3］。我国在溃坝损失评估方面也开展了大量的研究，但目前还没有形成集灾前预测性评估和灾后快速评估于一体的溃坝型洪灾损失评估体系。本文借助GIS强大的空间信息处理及可视化能力，对溃坝洪灾损失的预测性评估进行探索研究，并选取溃坝生命损失为例，对某水库及下游地区进行了实例应用分析。

2 溃坝洪灾损失预测性评估方法

2．1 溃坝洪灾损失分类

溃坝洪灾损失分类是溃坝洪灾损失定量估算的基础，从经济学角度上，溃坝洪灾损失分为经济损失和非经济损失2大类，经济损失又可分为直接经济损失和间接经济损失，非经济损失可以分为人口损失和对社会环境影响［4－5］，具体分类如图1所示。

（1）经济损失：溃坝洪水造成经济方面的损失主要体现在农业、工商业、交通等方面。大型水库的大坝溃决常常使得库区下游的大面积农田被淹、农作物被毁、企业停产和停业、桥梁被冲毁以及铁路和公路被淹没，给下游的经济造成了严重的损害和影响。

（2）人员伤亡：据调查，我国历史上的每1次大的洪水灾害，带来了大量的人员伤亡。由大坝溃决引发的洪水灾害，事发突然、流速快、水量大、冲击力极强。每次垮坝事故发生后都有几百甚至上千的人员伤亡，损失惨重。

图1 溃坝洪灾损失分类Fig．1 Classification of losses caused by dam break flood

（3）社会环境影响：水库大坝发生溃决后，其下游地区的大量人员由于房屋被冲毁，无家可归，只能依靠政府的救济，增加了社会的不稳定因素［6］。溃坝洪水灾害对环境产生的影响主要包括耕地的破坏、水环境的污染、生态环境的破坏等。

由于溃坝洪水灾害对社会和环境的影响是非常复杂的问题，目前操作计算起来较为困难，本文暂不考虑。鉴于人员伤亡是所有溃坝损失问题之首，本文着重对该溃坝损失进行预测性定量评估研究。

2．2 溃坝洪灾损失预测性评估路线

空间信息技术支持下的溃坝洪灾损失评估路线如图2所示，该路线总体上可分为三大步：①进行评估前的数据资料准备，包括卫星遥感数据、DEM数据和行政区划数据的收集及预处理；②利用空间信息技术，获取溃坝洪水的特征参数，如淹没范围、流速、淹没水深等；③在此基础上，结合损失评估模型，进行溃坝损失定量估算，得到最终的溃坝淹没损失预测评估结果，以数据文本或电子地图的形式给出。

图2 基于空间信息技术的溃坝损失评估路线Fig．2 Route of dam-break loss assessment based on spatial information technology

2．3 溃坝洪水最大淹没范围的确定方法

为了掌握水库大坝发生溃决时下游的损失程度，需对溃坝洪水的淹没范围进行分析和计算。目前常用的溃坝洪水淹没范围确定方法包括地貌学方法、历史洪水调查法、经验公式法、水力学数值模拟计算方法等。本文采用经验公式方法［7－8］进行水库大坝溃坝洪水淹没计算。

洪水演进到各断面流量的计算公式为

式中：n是糙率（0．035～0．040）；R是水力半径，R＝A／l，A是断面过水面积，l是断面的湿周；ρ为河段水力坡度，ρ＝（H1－H2）／L，H1和H2是上下断面的水位，L是上下断面的距离。

采用部分溃坝的堰流与波流相交法简化公式计算坝址处溃坝最大流量Qm，即

式中：Qm为坝址处溃坝最大流量；B为坝长，采用设计长度；h为坝前水深，一般采用校核水位下坝前水深；b为溃口宽度，用下式计算：

式中：W为溃坝总泄水量，k为系数，与坝体土质及施工质量有关，对黏土类坝约为0．65，壤土类坝约为1．3。

溃坝最大流量向下游演进至距坝址L（m）的最大流量QL，M，采用辽宁水利局改进公式计算。

式中：QL，M为距坝址L（m）的最大流量；K为经验系数，山区取1．1～1．5，半山区取1．0，平原取0．8～0．9；V为平均流速，有流速资料时取历史上最大值；无流速资料时山区取3～5 m／s，半山区取2～3 m／s，平原取1～2 m／s。

确定水库下游洪水淹没范围的方法是：

（1）在溃坝下游洪水演进的方向选定几个典型断面，利用GIS技术，根据式（1），计算出各典型断面在不同水位下对应的流量，通过函数拟合，确定各断面流量和水位的关系式。

（2）根据式（2）至式（4），计算距坝址L（m）的最大流量QL，M，将QL，M代入各断面流量和水位的关系式，确定各断面最大流量对应的水位。

（3）根据计算各断面最大溃坝流量对应的水位沿程变化情况，结合数字高程模型，提取相应洪水位高程以下的区域，得到最大洪水淹没范围，再根据社会经济数据进行下一步的生命与经济损失估算。

3 实例分析

本研究选取某水利枢纽下游作为研究对象，利用空间信息技术对该区域进行溃坝损失定量评估与分析探索研究。

3．1 溃坝洪灾最大淹没范围的确定

根据2．3节提及的溃坝洪水淹没范围确定方法，分别距离坝址5．022，10．837，15．882，23．101，29．531和36．287 km划分断面，快速确定水库大坝下游溃坝洪水最大淹没范围。利用GIS技术，绘制出水库大坝下游溃坝洪水最大淹没范围如图3所示。

图3 溃坝洪水最大淹没范围Fig．3 Maximum range of flood submergence caused by dam break

3．2 溃坝生命损失评估

3．2．1 溃坝洪灾生命损失评估模型

通过查阅文献资料［9］，溃坝生命损失（Loss of Life，LOL）可定义为风险人口（PAR，Population atrisk）与生命损失率（f）的乘积，其公式为

式中：风险人口PAR为直接暴露在某一临界深度（一般取0．3 m）溃坝洪水区的人口，可通过社会人口统计调查获得；生命损失率f反映了各种因素对风险人口损失的综合影响作用，这些因素包括溃坝洪水严重程度、救援能力、警报时间、溃坝发生时间，风险人口对溃坝洪水严重性的理解程度以及风险人口中老、幼、病、残及妇女的比例等［10］，可根据文献［2］提出的我国溃坝损失影响因素对风险人口死亡率的影响程度建议表，来确定f的值。

3．2．2 溃坝生命损失定量预估算

根据下游洪水的淹没范围，结合下游城镇居民的分布（图4）及人口密度，对风险人口进行预估算。风险人口估算方式为人口密度乘以淹没面积，忽略时间因素对风险人口变动的影响；警报时间采用组合式的警报时间，即假设溃坝洪水淹没范围内各个区域的警报时间不一样，如表1所示。

表1 报警时间假定与坝址的距离关系Table 1 Relationship between the alarm time and the distance to dam site

正常蓄水位55．0 m工况下，距离坝址不同地段的风险人口、生命损失如表2所示。

表2 溃坝生命损失估算结果Table 2 Estimation results of life loss caused by dam-break

从表2可以看出，在正常蓄水位下，水库大坝溃坝时，淹没区内风险人口将达126 994人。发布警报时间的快慢对淹没区内的生命损失起重大作用，在有警报时间的情况下，淹没区内的生命损失明显减小，随着警报时间的提前加快，生命损失也随之降低。可见，警报时间对生命损失起重要作用。

4 结 语

对水库大坝正常蓄水位工况下进行了溃坝人口损失预评估分析，水库大坝管理部门或防洪减灾中心可根据水库不同典型工况，对溃坝各单项损失进行预评估，从而为流域的防洪规划以及备灾预案的制定提供科学、直观、有效的决策依据。

［1］ JONKMAN SN，GELDER VAN PH A JM，VRIJLING J K．An Overview of Quantitative Risk Measures for Loss of Life and Economic Damage［J］．Journal of Hazardous Materials，2003，99（1）：1－30．

［2］ 周克发，李 雷，盛金保．我国溃坝生命损失评价模型初步研究［J］．安全与环境学报，2007，7（3）：l44－149．（ZHOU Ke-fa，LI Lei，SHENG Jin-bao．Evaluation Model of Loss of Life Due to Dam Breach in China［J］．Journal of Safety and Environment，2007，7（3）：l44－149．（in Chinese））

［3］ DUTTAA D，HERATH S，MUSIAKE K．A Mathematical Model for Flood Loss Estimation［J］．Journal of Hydrology，2003，277（1）：24－49．

［4］ 王宝华，付 强，谢永刚，等．国内外洪水灾害经济损失评估方法综述［J］．灾害学，2007，22（3）：95－99．（WANG Bao-hua，FU Qiang，XIE Yong-gang，et al．A Review on Evaluation Method of Economic Loss of Flood in theWorld［J］．Journal of Catastrophology，2007，22（3）：95－99．（in Chinese））

［5］ 李 春．区域性洪涝灾害的灾情评估［J］．自然灾害学报，2004，13（4）：75－81．（LIChun．Evaluation of Disaster Loss for Regional Flood and Waterlogging［J］．Journal of Natural Disasters，2004，13（4）：75－81．（in Chinese））

［6］ 周成虎，万 庆，黄诗峰，等．基于GIS的洪水灾害风险区划研究［J］．地理学报，2000，55（1）：15－23．（ZHOU Cheng-hu，WAN Qing，HUANG Shi-feng，et al．A GIS-based Approach to Flood Risk Zonation［J］．Acta Geographica Sinica，2000，55（1）：15－23．（in Chinese））

［7］ 王天化．水库大坝安全应急管理区域风险分析及损失评估方法研究［D］．武汉：长江科学院，2010．（WANG Tian-hua．Risk Analysis of Dam Safety Emergency Management Region and Methods of Loss Assessment［D］．Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2010．（in Chinese））

［8］ 王淑丽，许淑红，郝淑艳，等．四丰山水库溃坝洪水淹没损失分析［J］．黑龙江水专学报，2002，29（1）：1－3．（WANG Shu-li，XU Shu-hong，HAO Shu-yan，et al．Analysis on Dam-collapse flood Damage in Sifengshan Reservoir［J］．Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering College，2002，29（1）：1－3．（in Chinese））

［9］ GRAHAM W J．A Procedure for Estimating Loss of Life Caused by Dam Failure［J］．Sedimentation＆River Hydraulics，1999，6（5）：1－43．

［10］王志军，张治军，李子阳．GIS支持下的溃坝损失评估方法研究［J］．水利发电，2008，34（8）：75－78．（WANG Zhi-jun，ZHANG Zhi-jun，LI Zi-yang．Study on Evaluation Method of Losses Caused by Dam Breach Based on GIS［J］．Water Power，2008，34（8）：75－78．（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Quantitative Assessment on Dam Break Loss Based on Spatial Information Technology

YANG Sheng-mei1，HUANG Yan-fang2，LIShen-ting3，LIBo1
（1．Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China；3．Xuchang Branch of Henan Provincial Bureau of the Construction and Administration of Middle Route Project of South-to-North Water Transfer，Xuchang 461000，China）

Floods caused by dam failure aremore destructive than rain gush flood and ice flood．To better serve the flood control and disaster prevention planning，predictive quantitative assessment and spatial distribution mapping for dam break losswere conducted．Life losswas selected as an assessmentexample．With spatial information technology in data management，analysis and visualization，the characteristic parameters of dam break loss were obtained，and by using life lossmodel，the life losswere quantitatively estimated，and finally the spatial distribution resultswere displayed bymaps．Results showed that alarm time is important to life loss．As the alarm takes place earlier，the life loss reduces significantly．

spatial information technology；dam break；flood disaster loss；quantitative estimation；predictive assessment

P236

A

1001－5485（2013）11－0105－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．021

2013－08－23；

2013－09－16

国家科技支撑计划课题（2012BAK10B04）；国家自然科学基金项目（51209019）；长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务项目（CKSF2013022／GC）

杨胜梅（1983－），女，安徽桐城人，工程师，博士，主要从事空间信息技术在环境、灾害领域中的应用研究，（电话）027－82926142（电子信箱）liddy533＠gmail．com。