基于事故树的城市洪水灾害原因分析与应对策略

文小艳，李 慧

（华北科技学院，河北三河 065201）

基于事故树的城市洪水灾害原因分析与应对策略

文小艳，李 慧

（华北科技学院，河北三河 065201）

近年来频繁发生的城市洪水灾害，造成了巨大损失和严重影响。利用事故树分析法，以北京市“7·21”洪水事故为例，对城市洪水灾害成因进行了分析，构建了事故树、确定了最小割集，并对结构重要度进行了分析。结果表明：极端天气和城市雨岛效应是重要性最强的基本事件，排水不畅、人为因素是洪水灾害造成重大损失的重要症结。从增强预警、改善排水管网、减少硬化地面、疏浚河道等方面对解决城市洪水灾害的对策提出了建议。

城市洪水灾害；事故树分析法；事故原因；对策

0 引言

近年来，由于极端天气和暴雨而引发的城市洪水时有发生，对人类生产和生活造成了严重影响。北京“7·21”洪水、济南“7·8”洪水等特大洪水事故更是造成了不可估量的损失。如何准确分析暴雨引发的城市洪水灾害成因并制定相应预防措施，成为迫切需要解决的问题。

对于暴雨引发的城市洪水原因及对策，国内外已经有了一定的分析和研究［1～4］。但是这些分析和研究都是经验型的，缺乏具体理论指导。事故树分析法运用逻辑推理对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潜在原因［5～9］。利用事故树分析法，可以对城市洪水产生原因进行深入剖析，并进而确定防范措施。

1 事故树分析法

事故树分析法是1961年由美国贝尔电话研究所为研究民兵式导弹发射控制系统时提出来的，美国原子能委员会在1974年对核电站事故进行风险评价时运用了事故树分析法，从而引起了极大的反响。事故树分析法因而得到了广泛的重视，并迅速在许多国家和许多企业得到应用和推广。中国最早在1978年开始进行事故树分析方法的研究。目前已有很多部门和企业正在进行普及和推广工作，并已取得较多成果，有效促进了企业的安全生产。

事故树分析法主要包括以下步骤：

（1）确定并熟悉所分析的系统；

（2）确定顶上事件；

（3）调查事件发生的所有可能原因；

（4）绘制事故树；

（5）定性分析；

（6）定量分析；

（7）拟制事故发生的防范对策。

2 城市洪水灾害的事故树原因分析

2.1 事故树的绘制

以北京市“7·21”洪水事故为例，通过对“7·21”洪水事故灾害产生的原因分析，确定了事故的顶上事件、中间事件和基本事件。

设定T：城市洪水灾害；A1：暴雨；X1：极端天气；X2：城市雨岛效应；A2：排水不畅；B1：下垫层渗水性差，地面硬化面增多；X3：绿地减少；X4：地面设施调蓄能力低；B2：城市防洪排涝技术落后，设施不配套；X5：排水设施设计能力低，排水能力不够，导致地面积水；X6：泵站汇水面积增大，导致桥区汇水过多；B3：排水系统脆弱；X7：雨水管网淤积堵塞严重；X8：雨水管网不完善或破损较多，即片区雨水出路无保障；X9：区域地势低洼，无法自排；X10：承担城市排涝的河道排水能力不足；A3：人为因素；X11：预警不及时；X12：安全防范意识不强；X13：应急响应不到位。

结合上述分析，绘制了城市洪水灾害的事故树，如图1所示。

2.2 最小割集的确定

利用布尔代数法，对图1中的事故树进行运算，得到结构式：

T＝A1A2A3＝（X1X2）（B1＋B2＋B3）（X11＋X12＋X13）

＝（X1X2）［（X3X4）＋（X5＋X6）＋（X7＋X8＋X9＋X10）］（X11＋X12＋X13）

＝（X1X2X3X4＋X1X2X5＋X1X2X6＋X1X2X7＋X1X2X8＋X1X2X9＋X1X2X10）（X11＋X12＋X13）

＝X1X2X3X4X11＋ X1X2X5X11＋ X1X2X6X11＋X1X2X7X11＋X1X2X8X11＋X1X2X9X11＋X1X2X10X11＋X1X2X3X4X12＋X1X2X5X12＋X1X2X6X12＋X1X2X7X12＋X1X2X8X12＋X1X2X9X12＋X1X2X10X12＋X1X2X3X4X13＋X1X2X5X13＋X1X2X6X13＋X1X2X7X13＋ X1X2X8X13＋ X1X2X9X13＋X1X2X10X13

所以，城市洪水灾害的事故树分析中，最小割集 共 有 21 个， 包 括： ｛X1X2X3X4X11｝、｛X1X2X5X11｝、｛X1X2X6X11｝、 ｛X1X2X7X11｝、｛X1X2X8X11｝、 ｛X1X2X9X11｝、 ｛X1X2X10X11｝、｛X1X2X3X4X12｝、｛X1X2X5X12｝、｛X1X2X6X12｝、｛X1X2X7X12｝、 ｛X1X2X8X12｝、 ｛X1X2X9X12｝、｛X1X2X10X12｝、｛X1X2X3X4X13｝、｛X1X2X5X13｝、｛X1X2X6X13｝、 ｛X1X2X7X13｝、 ｛X1X2X8X13｝、｛X1X2X9X13｝、｛X1X2X10X13｝

2.3 重要度分析

事故树中包含很多基本事件，不同的基本事件对顶上事件的发生能够产生的影响程度也不相同。因此需要确定不同基本事件的重要度，从而确定防范城市洪水灾害的安全措施。

在定性分析中，通常采用最小割集的结构度分析法分析不同基本事件的重要度，原则如下：

（1）单事件最小割集中基本事件结构重要系数最大；

（2）仅出现在同一最小割集中的所有基本事件结构重要系数相等；

（3）仅出现在基本事件个数相等的若干个最小割集中的各基本事件结构重要系数依出现次数而定，即出现次数少，其结构重要系数小；出现次数多，其结构重要系数大；出现次数相等，其结构重要系数相等。

依据以上结构重要度分析原则，在“7·21”洪水事故灾害的事故树分析中，基本事件X1和X2在每一个最小割集中均出现，所以重要性最强。

3 城市洪水灾害的对策探讨

从“7·21”洪水事故灾害的事故树分析可以看出，虽然城市洪水主要由极端天气和城市雨岛效应引发，但在实际过程中，由于下垫层渗水性差、城市防洪排涝技术落后且设施不配套、排水系统脆弱造成的排水不畅，预警不及时、人员安全防范意识不强和应急响应不到位等人为因素才是洪水灾害造成重大损失的症结。利用事故树分析法分析洪水事故灾害，可以对应对该类事故灾害提出防范措施，从而减小该类型事故造成的风险和损失。

3.1 完善暴雨预警和应急系统，提高群众防范意识

预警和应急系统是应对风险的有效措施。目前国内已经逐渐重视并开展类似问题的研究。在这一方面，国外的一些成功经验值得借鉴［10］。3.1.1 建立并完善极端天气和洪水预警系统

中国气象局等专业机构会在在网站等媒介上定期发布天气预警信息。2015年成立了挂靠在中国气象局公共气象服务中心的国家预警信息发布中心，向社会公众提供权威的综合预警信息。

当气象台网通过最新先进技术监测到极端天气降雨并可能引发城市洪水时，负责部门就应该对可能受到影响的地区和民众发布警报，明确可能出现的风险等级以及民众应当采取的应对措施。通过短信、电话、广播公告、电视、互联网等多媒体联合发布预警信息，确保每一个民众都能及时有效得到预警。预警及警报应持续到洪水风险解除后再停止发布。

3.1.2 建立并完善应对暴雨和洪水风险应急系统

我国很多城市都有防汛抗旱应急预案。但是如何有针对性地应对暴雨及其造成的城市洪水风险，还有待进一步加强。我国很多城市和地区都有比较完备的防汛抗旱应急预案，但与之相对应的训练、演练，特别是对特定区域的针对性演练还不够，造成真正出现局地紧急情况时应对不力。应急预案的制定、多单位之间联合演练、应急物资的储备等都要落到实处，确保应急系统在关键时刻能够充分发挥应有的作用。

3.1.3 开展洪水风险教育

当极端天气和城市洪水真正来袭时，民众防灾意识的高低对于灾害带来的影响会起到决定性作用。政府必须加强对民众的针对性的洪水风险教育，通过宣传手册、电视、互联网、彩信、微信等方式开展多种形式的教育，包括行人被困暴雨中应该如何有效防御、车辆被困暴雨中应该如何有效防御、受到城市洪水威胁时应该如何有效处理等等最基本的内容。另外，如何在面临洪水危险时寻求帮助也应成为教育的重要内容。

3.2 提高管网排水标准，修缮破损排水设施

我国《室外排水设计规范》规定“一般地区，重现期一般采用0.5-3年；重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，一般采用3-5年”。近年来，全国各主要城市频繁遭遇几十年一遇甚至百年一遇的城市洪水，因此这样的排水标准明显偏低。在实际的设计和施工过程中，大多数城市更是采用了规范中规定的较低的下限标准，加剧了城市洪水的危险性。部分城市管道使用年限较长、老化现象严重，整个排水管网系统排水能力低下，是导致城市暴雨内涝的重要原因。

我国很多地区的排水标准是参照了前苏联时期的一些数据，标准相对偏低。因此，需要在城市发展规划中，按照现阶段降雨特点重新制定管网排水标准，提高排水能力；划拨专项资金，对老化管道进行修缮，从而提高城市排水水平。

3.3 减少硬化地面面积，提高城市调蓄水平

2014年11月2日，住房和城乡建设部印发《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建》，对建筑与小区、城市道路、城市绿地与广场和城市水系等的设计、工程建设和维护管理都提出了要求。提出选用下沉式绿地、植草沟、雨水湿地、透水铺装、多功能调蓄等低影响开发设施及其组合系统，充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，使城市开发建设后的水文特征接近开发前，有效缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、节约水资源、保护和改善城市生态环境，为建设具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海绵城市提供重要保障［11］。

当然，要实现上述要求，是一个渐进的过程，不可能一蹴而就。但在实现的过程中，要确保要求落实到位，避免出现上有政策、下有对策的现象。当真正建立起海绵型城市，新建工程和项目减小了雨水综合径流系数和外排水总量，从而从源头上控制暴雨引发的城市洪水的诱因，城市洪水的危胁将大大降低。

3.4 疏浚河道，改善雨洪外排能力

城市洪水最后的外排主要依靠城市周围的河道。近年来，由于城市扩容，侵占了很大一部分河道，造成河道泄洪能力下降。同时，河道缺少疏浚，年久失修，也会造成排水能力下降。遇到城市洪水时很容易造成倒灌积水。所以，需要对现有的河道进行整治。除了疏浚河道、清理违建之外，还要增大蓄洪泄洪区域的面积，从外排角度解决城市洪水的问题。

3.5 以北京市为例

3.5.1 “7·21”事故

2012年7月21日，北京市遭遇暴雨灾害，全市16小时平均降雨量170mm，城区平均215mm。虽然在降雨初期进行了预警，并积极组织16万余人参加强降雨应对工作，但由于预警不及时、排水管网不畅、雨洪外排能力不足、人员安全防范意识不强、应急响应不到位等原因，仍然造成了巨大损失。积水路段达到200余条，全市受灾人口近78万人，紧急转移9万余人，直接经济损失140多亿元，其中水利工程损毁造成直接经济损失31亿元。

3.5.2 改善措施

北京市针对“7·21”事故原因进行了分析，随后发布了《北京市水利工程建设实施方案（2012—2015年）》，对水利设施提出了明确要求，并在之后的几年时间内以较高的标准完成了实施方案。对1460 km中小河道进行重点治理，实现防洪达标；完成7项市属水利工程水毁修复、13座区（县）小型水库除险加固和15条水毁严重小流域防洪工程修复；建设1800处城乡雨水收集利用设施，排查改造164座下凹式立交桥雨水泵站，改造350 km雨污水管线，建设4处大型雨洪蓄滞工程；新建扩建污水处理厂、再生水厂40座，配套建设再生水管线485 km；推进了永定河、北运河、潮白河流域综合治理，加固堤防130 km；对农村地区7800座塘坝、坑塘、鱼池逐一进行排查，确保安全；疏挖排水沟渠，确保村庄排水畅通。此外国家预警信息发布中心也于2015年正式成立，气象预警也有了较大的保证。同时，各种形式的应急宣传教育也得到了广泛开展，民众防灾意识得到了较大提高。

3.5.3 成效

2016年7月19日1时至21日8时，北京再次遭遇强降雨，全市平均降雨212.6mm，城区平均降雨274.0mm。虽然雨强不如“7·21”，但总降雨量较大。暴雨虽然造成13条道路被淹，但全市地铁和公路基本运转正常，没有出现特别严重事故。雨污水最终被新改建的几十座污水处理厂外加再生水厂处理后再利用。暴雨中各重点桥区建设的地下蓄水池也发挥了巨大作用，避免了因雨量过大过急造成排水河道水位高于排水口导致的河水倒灌现象。此次降水虽然雨量大，但造成的损失却明显处在可控制范围之内。

从2012年和2016年两次强降雨造成的后果可以看出，面临极端天气和雨岛效应造成的暴雨，如果不能积极有效地应对，就会造成不可估量的损失。如果可以从预警、管网、地面、河道等方面早预防、早准备，就能够将暴雨引发的损失降到最低。

4 结论

暴雨不可避免，但是因暴雨带来的城市洪水却可以在人为的控制下减小其影响和危害。利用事故树分析法对暴雨引发的城市洪水灾害进行分析，对剖析城市洪水灾害成因、提出妥善预防和处置方法都将是有益的尝试。防灾减灾对策主要包括完善暴雨预警和应急系统，提高群众防范意识；提高管网排水标准，修缮破损排水设施；减少硬化地面面积，提高城市调蓄水平；疏浚河道，改善雨洪外排能力。如果能够从这些方面着手，城市暴雨变成城市洪水灾害的概率将能够得到最大程度的遏制。

［1］ 刘和平.北京城区防洪安全现状与对策分析［J］.北京水务，2011，（3）：5-7.

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［3］ 朱政，郑伯红，贺清云.城市暴雨灾害的影响程度及对策研究——以长沙市为例［J］.自然灾害学报，2011，20（3）：105-112.

［4］ 方国华，钟淋涓，苗苗.我国城市防洪排涝安全研究田［J］.灾害学，2008，23（3）：119-123.

［5］ 冀建疆，孙媛媛.事故树分析法在水利水电工程安全评价中的应用研究［J］.水利水电技术，2014，45（7）：39-41.

［6］ 刘玉辉，史俊伟，刘慧慧.事故树分析法在煤矿瓦斯爆炸事故安全评价中的应用［J］.安全，2011，32（12）：8-10.

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［10］ 李莎莎，翟国方，吴云清.英国城市洪水风险管理的基本经验［J］.国际城市规划，2011，26（4）：32-36.

［11］ 住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建［EB／OL］.（2014-11-02）［2016-09-08］.http：／／www.mohurd.gov.cn／zcfg／jsbwj_0／jsbwjcsjs／201411／t20141102_219465. html.

Cause Anaysis and Countermeasures of Urban Flood Disaster through Fault Tree Analysis

Wen Xiaoyan，Li Hui

（North China Institute of Science and Technology，Sanhe 065201，China）

The frequent occurrence of urban flood disasters in the last few years，end in heavy losses and serious effects.Taking“7·21”Beijing flood disaster as an example，this paper analyzed the urban flood causation，constructed the fault tree，fixed the minimum cutting set，and analyzed the structural importance as well.As indicated from the results，the extreme weather and the urban rain island effect are the most important events，while poor drainage and human factors form the main causes for the flood losses.And to deal with urban flood disaster，suggestions are proposed to take countermeasures in the aspects of enhancing early warning，improving drainage system，improving the penetrative ability of the ground，and dredging the river.

urban flood disaster；Fault Tree Analysis；causes；countermeasures

X43

1673-8047（2016）04-0050-05

2016-09-08

中央高校基本科研业务费资助项目（3142015045，3142015041）；华北科技学院应用型人才培养模式下数学教育的改革与实践项目（HKJY201439）

文小艳（1978—），女，硕士，讲师，主要从事计算数学和应用数学方向的研究。