基于层次分析法的水库溃坝应对等级评定研究

我国的很多大型水库是建于20世纪50—80年代，随着运行年限的增加相应的运行风险也不断升高。近些年，水利部门逐渐加强了对大中小水库的监管力度，其中水库的应急防御工作是很重要的一部分。鉴于此，本文以淮河水系淠河流域大别山区串并联水库群为典型研究对象，利用水文、气象和社会经济数据，基于MIKE 模型模拟结果和层次分析法，构建了水库溃坝应对等级评定指标体系，旨在确定不同情形下水库溃坝应对等级，从而为水库应急预案的制定提供参考。

一、研究区概况

淠河流域地处安徽省西部，淮河中游右岸，大别山北麓。流域东侧与东淝河流域接壤，并以江淮分水岭为界与长江水系的丰乐河、杭埠河相邻，南达江淮分水岭与长江水系的巴水、浠水、皖河为邻，西面是淮河水系的安河、汲河，北抵淮河，流域面积6000km2。其中，山区占72%，丘陵区占17%，沿河平原洼地占11%。地跨岳西县，霍山县，金寨县，六安市裕安区、金安区，霍邱县，寿县等7 个县（区），另涉及舒城县少数村镇。

图1 研究区概化图

按地形及汇水条件，大致将佛子岭、响洪甸水库以上划定为上游，流域面积3240km2，属山区；佛子岭、响洪甸两水库坝下至横排头站为中游，区间面积1130km2，为山丘区；横排头站至淮河干流正阳关站为下游，区间面积1630km2，为丘陵和平原洼地。流域上游有白莲崖、磨子潭、佛子岭、响洪甸四座大型水库，四座水库下游最近的主要控制站为横排头水文站，研究区概化图见图1。

二、水库溃坝应对等级指标构建研究

根据研究区概况可知，四座水库既有串联，又有并联，不同的溃坝组合方式下溃坝洪水的影响范围、传播时间、演进路线、洪峰流量等特征因素不一样，从而使得溃坝洪水对淠河沿线、淮河干流的影响程度各有差异，溃坝洪水可能造成的损失也不同。根据研究可知，当水库溃坝数量较多时，溃坝洪水的洪峰流量较大，传播时间较快，下泄的水量也较大，相应影响的区域也较广。

为了准确科学地分析水库溃坝后对下游的可能影响，按照科学性、代表性、特殊性、可行性原则选取相关指标。综合考虑各种水库溃坝后的影响，可将水库溃坝应对等级评定需要重点考虑的因素分为5 个，分别为水库溃坝水量、淠河沿线受淹乡镇个数、淠河受灾人口、淠河总预估经济损失和入淮河干流洪峰流量。这5 个因素构成了水库溃坝应对等级评定指标体系，基于层次分析法对以上5 个需要考虑的因素进行权重分析，水库溃坝应对等级指标判断矩阵见表1，得到水库溃坝应对等级指标体系及各指标的权重系数，见表2。

从表2指标权重系数可以看出，淠河受灾人口权重最高，充分体现应急救灾以人为本的基本思想，是应对等级评定必须重点考虑的因素，其次比较重要的指标有淠河受淹乡镇个数、淠河总预估经济损失，这两个指标表征了水库溃坝后对淠河沿线的影响。

对于各指标取值，经过分析相关参考文献及研究各指标的具体含义，结合溃坝洪水影响区域的实际情况，各指标具体取值参照表3。对于每种溃坝情形，根据水库溃坝应对等级评定指标体系相关指标取值与相应权重，计算此溃坝情形下综合权重值。对于水库溃坝应对一级情形，综合权重值为85～100；对于水库溃坝应对二级情形，综合权重值为70～85；对于水库溃坝应对三级情形，综合权重值为小于70。

表1 水库溃坝应对等级指标判断矩阵表

表2 水库溃坝应对等级指标体系及权重系数表

表3 指标各分数段评定标准表

表4 水库溃坝计算方案表

三、不同情形下水库溃坝应对等级评定

1.水库溃坝情形设计

淠河流域上游四座大型水库关系复杂，其中白莲崖水库和磨子潭水库构成并联关系，白莲崖水库和磨子潭水库与佛子岭水库分别构成串联关系，佛子岭水库与响洪甸水库彼此又构成并联关系，四个水库间既有串联又有并联关系，级联效应明显。通过综合分析，设计了5 种水库溃坝计算方案，见表4。

2.水库溃坝应对等级指标计算

水库溃坝应对等级评定指标包含水库溃坝水量（X1）、淠河沿线受淹乡镇个数（X2）、淠河受灾人口（X3）、淠河总预估经济损失（X4）、入淮河干流洪峰流量（X5），这5 个指标的计算方法说明如下：

（1）指标X1、X2、X5计算说明

目前对溃坝洪水的研究方法主要有物理模拟和数值模型两类，随着计算机技术的不断发展，基于物理过程机制分析的溃坝数值模型发展较快，逐渐成为溃坝研究的主要方法，比较典型的模型有MIKE模型、BREACH 模型、DAMBRK 模型、IWHR DB模型等。通过相关学者的研究，MIKE 模型能够对溃坝洪水进行很好的模拟，可以计算溃坝洪水的淹没范围、淹没水深、传播速度、洪水到达时间等，定量估算溃坝洪水的影响。基于MIKE 模型模拟计算结果，可以得到水库溃坝水量、淠河沿线受淹乡镇个数、入淮河干流洪峰流量3 个应对等级指标值。

以方案1 为例说明，方案1 主要考虑响洪甸水库单库溃决。由模拟计算可知，响洪甸水库溃决后，50min 后到达东西淠河汇流点，一部分沿着淠河干流继续演进，另外一部分则会向东淠河方向流动，这部分洪水影响范围一直延伸到霍山县到程家湾区域，同时霍山县城有一小部分区域被淹没。约7h 左右，洪水到达六安市，同时横排头至六安市区域，淠河河道右侧由于地形较低，淹没范围较大。溃坝洪水约25h 到达淠河干流模型最后一个断面赵台子处，约35h 洪峰到达此处，流量衰减为27000m3/s左右。由于响洪甸水库库容较大，溃坝洪水对淠河下游洪泛区的影响较大，整个溃坝洪水需要5d 左右时间消退。

对于方案1，溃坝洪水到达淠河干流模型最后一个断面赵台子处约25h，溃坝洪水最终淹没范围见图2，最终淹没水深见图3。从图2可以看出，当响洪甸水库单库溃决，溃坝洪水的影响区域主要是霍山县的衡山镇、下符桥镇、但家庙镇，六安市裕安区的独山镇、西河口乡、石板冲乡、青山乡、苏埠镇、韩摆渡镇、平桥乡、分路口镇、新安镇、顺河镇、单王乡，六安市金安区的城北乡、木厂镇、码头镇，霍邱县的彭塔乡、冯瓴乡、潘集镇，寿县的隐贤镇、张李乡、板桥镇、迎河镇、正阳关镇。从图3可以看出，平均淹没水深约2～3m，溃坝洪水一直演进到正阳关镇。结合两图可知，西河口乡、石板冲乡、青山乡、苏埠镇、韩摆渡镇受溃坝洪水影响较大。

图2 方案1 溃坝洪水最终淹没范围图

图3 方案1 溃坝洪水最终淹没水深图

图4 方案1 的受灾人口、总经济损失对比图

表5 计算方案1 水库溃坝应对等级评定表

表6 计算方案2～方案5 水库溃坝应对等级评定表

（2）指标X3、X4计算说明

洪水灾害损失评估指标需要对洪水灾害多方面特征进行描述，单一指标不能全面刻画它的特征，只有通过包含多方面内容的指标集合才可能达到。从总体上来看，整个系统具有二元化特征，即由洪水灾害的自然特征和社会经济特征两方面构成。洪灾自然属性指标由发生时间、位置、范围、程度、动态变化来描述，洪灾的社会经济属性由人口、耕地、房屋、家庭财产、工商企业、农林牧渔业情况、基础设施等方面描述。对一个确定的地区而言，影响洪灾损失的主要因素是淹没历时和淹没深度。因此，洪灾损失率分析主要通过总结已有洪灾损失率研究成果，参考近年来调查的其他地区洪灾损失率关系及国内外其他研究成果，并根据研究区的实际情况调整拟定。洪灾经济损失一般可归纳为直接损失和间接损失两方面，本文主要对洪灾造成的直接经济损失（即财产损失）进行分析和估算。基于GIS 技术及洪水数值模拟结果，可以得到不同溃坝计算方案下的淠河受灾人口、淠河总预估经济损失2 个应对等级指标值。

以方案1 为例说明，分区的受灾人口、总经济损失见图4，从图4可以看出，裕安区受灾人口26.58 万人、总经济损失13.68 亿元，寿县受灾人口21.49 万人、总经济损失15.68 亿元，这两个地区在五个受影响的县区里面受灾人口相对较多、总经济损失相对较大。从淹没面积占县区总面积的比例来看，淹没面积比例超过50%的裕安区主要是新安镇、苏埠镇、韩摆渡镇，金安区主要是淠东乡、城北乡、马头镇、清水河街道，寿县主要是迎河镇、板桥镇、隐贤镇、张李乡。

3.水库溃坝应对等级评定

基于水库溃坝应对等级指标计算方法及评定指标各分数段评定标准，以计算方案1 为例进行水库溃坝应对等级评定，得到计算方案1 的应对等级指标值、相应评定分数值、综合权重值及应对等级，见表5。计算方案2～方案5 先得到各指标计算值，然后参照计算方案1 求综合权重的方法计算综合权重值，最终得到各计算方案的应对等级评定，见表6。

综上所述，根据水库溃坝应对等级评定指标及综合权重值，对不同情形的水库溃坝应对等级进行了评定，其中一级应对主要为方案3 和方案5，即佛子岭水库、响洪甸水库相继溃坝的影响是最大的，二级应对主要为方案1 和方案4，三级应对主要为方案2。由于淠河水库群的四座水库库容较大、地势较高，水库无论是单库还是多库溃坝，对下游造成的损失和影响都将是巨大的。三种不同的应对等级不是针对不同溃坝情形重视程度的评定，而是对于不同溃坝情形下可能造成的影响进行预判，从而开展更有针对性的应急措施，使得最终溃坝洪水造成的损失降到最低、影响降到最小。

四、结论及建议

通过综合考虑水库溃坝后的可能影响，构建了水库溃坝应对等级评定指标体系，评定指标体系包含水库溃坝水量、淠河沿线受淹乡镇个数、淠河受灾人口、淠河总预估经济损失、入淮河干流洪峰流量，其中淠河受灾人口的权重系数最高。

基于构建的水库溃坝应对等级评定指标体系，评定了五种不同情形的水库溃坝方案，结果表明：（1）佛子岭水库、响洪甸水库相继溃坝影响最大，为一级应对，响洪甸水库单库溃坝或白莲崖、磨子潭水库溃坝洪水导致佛子岭水库单库溃坝影响次之，为二级应对，佛子岭水库单库溃坝影响最小，为三级应对；（2）四座串并联水库若发生溃坝，无论是单库溃决还是多库溃决，产生的影响都是巨大的，五种计算方案水库溃坝水量约5～39 亿m3，淠河沿线受淹乡镇15～34 个，淠河受灾人口6～80 万人，淠河总预估经济损失4～63 亿元，入淮河干流洪峰流量6000～38155m3/s。

我国大型水库溃坝的概率还是相对较低，溃坝的主要是中小型水库。而水库溃决集合应对措施在我国的研究相对较少，水库一旦溃决，影响范围广、损失大、社会影响深远，为了防患于未然，进一步开展水库长期运行的风险分析与应对措施研究非常迫切且意义重大■