流域洪水风险分析与定量评估

流域洪水风险分析与定量评估1引言我国的洪涝灾害从出现频率、影响范围到造成的损失都是世界最为严重的国家之一。据统计，在过去的2000多年中，中国发生的有史料可查的重大洪水灾害就达1600余次。新中国成立以来，经过40多年的治理，全国江河流域的防洪形势有了重大改观。但是，由于洪水的影响因素众多和人类对自然界认知的局限性，目前尚无法从确定性的角度预知未来相当长时期内洪水发生的确切时间和真实过程，加之经济条件的限制和出于环境方面的考虑，洪水灾害目前还难以彻底防范或根本消除。近年来，随着人口的持续增长和经济的迅猛发展，我国洪涝损失具有逐年增大的趋势。在新形势下，建立洪水风险的概念，使人们经常认识到洪水发生的可能性和洪灾的后果，将有助于机构和个人更好地防范洪水灾害。洪水风险是指未来可能引起灾害性后果洪水发生的概率或频率，洪水风险图则是对洪水风险及后果定量化和图形化的体现。一般，洪水风险图应该是三位一体的组合：（1）流域洪水发生的频率；（2）流域类洪水的淹水区域分布及有关说明；（3）洪水灾害可能造成的各类损失。洪水风险图可以使人们更直观地了解和认识到灾难性洪水发生后可能的水文后果和灾害损失概况，及时做好防御洪水的准备，以防患于未然。防洪决策人员可以对于流域重大的洪涝灾害发生的原因和可能后果做到胸中有数，在灾情即将发生或已经发生时，能够做到临危不乱，迅速制定合理的调度方案和采取正确抢险救灾措施，将洪灾损失减少到最小程度。2分析流域洪水淹没状况的方法2.1实际洪水法实际洪水法的基本假定是流域自然地理特征保持基本不变条件下，洪水具有重现性。因此流域历史上已经发生过的大洪水实际淹没实况，可以作为现在和未来同类洪水重现时的淹没状态。分析历史洪水淹没实况主要有以下几种途径：（1）对于近期发生的洪水，利用流域实测水文资料和灾情资料可以较为可靠地分析洪水特性及相应的淹没范围、淹没深度和淹没时间。（2）对于缺乏资料或年代较为久远的洪水，可以通过调查考证的途径[1]分析洪水发生时的淹没情况。调查考证的内容包括对沿洪水路径洪痕调查，查阅有关洪涝灾情的历史文献记载，走访洪泛区居民等。（3）洪水径流是塑造地貌的重要外力，洪流的侵蚀、搬运和堆积作用形成的洪水地貌包括废河道、天然冲积堤、冲积扇（洪积平原）、河漫滩（冲积平原）、沼泽地、三角洲等[2]。通过对洪水地貌分析，可以大致上分析出洪水径流的强度、范围和水深，作为分析淹没实况的依据。（4）对于河流早已改道远古时代发生的大洪水，可以通过水文地质地貌分析并结合水力学方法估计古洪水的水位和流量，近似推算古洪水重现时的淹没情况。实际洪水分析途径主要适合于天然流域，一般不能估计流域城市化、防洪工程和防洪措施的效应。2.2水文学和水力学方法水文学和水力学方法是根据流域现状或规划条件下土地利用特征和工程条件，采用水文学和水力学方法分析推求流域洪水泛滥后的淹没状况。目前国内外流行的水文学和水力学方法和模型众多，采用何种方法和模型应该针对流域水文地理特征、工程调度方式、资料条件以及计算精度来选择应用。（1）由设计暴雨推求设计洪峰或设计洪水过程线可以采用水文学方法，如推理方法、径流系数折算法、先损后损法、下渗曲线法、降雨径流相关图法、蓄满产流模型、超渗产流模型[5]等。（2）由设计洪峰推求河道洪水位，可采用水面曲线法、回水曲线法、经验公式等。位于河道洪水位以下的区域可作为可能的洪水淹没区域作进一步分析。（3）由设计洪水过程线推求水位过程线，常用的水文学方法包括单位线法、等流时线法、抵偿河长法、马斯京根法、调蓄演算法[3]等。（4）对于河网汇流或坡面漫流计算采用水力学方法比较合适，如一维非恒定流和二维非恒定流方法[4]，以及它们的简化形式等。采用水力学方法可以根据分析要求推求河道或流域水深、流量、蓄水量的时空分布。水文学和水力学方法计算结果频率概念明确，可以分析和模拟土地利用、工程建设、调度方式、边界条件变化情况下的洪水状态，在洪水风险分析中应用较为广泛。3洪灾损失统计评估3.1流域社会和经济特征统计对流域的社会和经济数据应分门别类进行统计或估算。各种资料来源应尽可能，可以采用当年或上年度本地区社会和经济统计年鉴。在有条件情况下，应该直接去当地收集最新和更详细的资料，以满足洪灾损失估算的要求。需统计的基本资料包括：（1）城镇和村乡人口、土地利用情况、耕地面积；（2）各工矿企业固定资产和工业产值；（3）农、林、牧、副、渔业产值及固定资产；（4）单位和居民固定资产；（5）服务和社会性行业产值和固定资产；（6）公路、铁路、通信、供水、供气等各类生命线的分布；（7）参加洪水保险的企业、居民数和保险金额。3.2洪灾损失评估一般，洪灾损失评估内容包括这样几个方面：（1）灾害影响的范围和强度。范围用面积或区域表示；灾害强度定性为若干级，如特大、重大、大、中、小等；（2）造成的经济损失。按工业损失、农业损失、商业损失、居民损失、其它行业损失等分类统计，也可以分地区统计；（3）生命线受害统计。所谓生命线系指交通系统、供电系统、供水系统、供气系统、邮电系统等，一般可按系统中断时间计；（4）人员伤亡数目；（5）环境污染及疾病传播情况；（6）社会影响。经济损失评估是灾情评估的主要内容，但人员伤亡、水源污染、疾病流行、社会不安定、生命线受损影响等是无法用货币表示的无形损失，在评估过程中须单列考虑。洪水灾害所造成的经济损失包括直接损失和间接损失。直接损失主要是由于洪水直接淹没所造成的集体及个人财产损失；间接损失指由于洪水期交通、电力中断，厂房、设备受损等造成的产品成本增加及停产、误工损失，以及合同无法按期完成的违约损失等，还包括防洪抢险、灾民撤离、疾病防治、灾后恢复等费用。由于对间接损失的详细分析和精确估计是很困难的，一般是根据典型实例的调查结果或经验估计得出间接损失占直接损失的百分数来作为间接洪灾损失估算的依据。对于不同灾区，由于地形地貌、经济状况、季节、淹没程度、抢救措施的差别，洪灾损失是不同的。但对于确定地区，洪灾损失的影响因素主要是淹没程度。如果资料充足，能够分区分类建立洪灾损失与淹没水深、淹没历时之间的相关系，则灾情损失评估结果更为方便和可靠。4洪水风险图绘制针对某一风险的洪水，根据分析和计算洪水淹没的范围、深度及相应的经济损失，按一定的规格描绘和标明在流域地形图上，便得出洪水风险图。洪水风险图采用大比例尺地形素图勾绘而成，比例尺大小可根据流域面积、洪水频率、淹没范围、资料条件以及精度要求而定。在勾绘洪水淹没范围的边界时，要考虑洪水的可能路径，结合地形情况，由比较熟悉当地地形且有经验的技术人员绘制，最好在实地查勘后进行。对可能淹没区域，应设置彩色编码区，其颜色及深浅可以表示淹没深度的变化。风险图上应标注重要部门和单位，如政府机关、大型厂矿企业、学校、医院、金融机构、居民区、村镇，以及重要设施，水利工程，交通枢纽，通讯线路等。另外，图上应明确标明紧急情况下人员转移、疏散的路线及地点。图的下方有专门说明框，简要说明洪水风险图的基本特性，包括暴雨洪水频率、淹没区域、淹没水深、淹没历时、流域社会经济主要特征值、淹没区经济损失评估结果等。另外还需说明风险图上各种标记、代号的含义。洪水风险图绘制完成后，应出具一份编制说明，内容主要包括：（1）流域水文、气象和地理特征，排水系统和水利工程概况，历史上典型洪涝灾害特点及后果；（2）流域社会经济特征统计；（3）分区域阐述风险图上洪水灾害的特点和性质，灾害后果和经济损失；（4）洪水风险图的制作依据、方法和存在问题；（5）洪水风险发生时的应急措施；（6）洪水风险图的应用范畴；（7）其它说明事项。5结语流域洪水风险图可以定量和直观地描绘遭受洪水淹没风险的区域和洪灾造成的损失，属流域非工程防洪措施之一。通过洪水风险图提高了全民防洪意识，为各级政府指挥抗洪提供了决策依据，具有现实的社会效益和经济效益。本文简要论述和分析了适合于流域洪水风险图编制的一些方法，侧重讨论了推求洪水淹没状态的若干途径以及洪灾损失统计评估的内容。虽然其中的一些理论和方法还不够成熟和完善，但出发点是希望有助于流域洪水风险图编制工作的深入开展。今后将在洪水风险分析领域作进一步的研究工作。水库防洪调度风险分析研究进展与发展趋势简介：水库防洪调度风险分析是极其复杂的多目标风险评价问题。在前人研究工作的基础上，阐述了水库防洪调度风险分析的含义，从水库调度风险分析的特点、范围、对象和规模上对其在国内研究进展进行分析，进而对水库防洪调度风险分析发展趋势进行展望。关键字：水库,调度,防洪,风险分析由于洪水设计计算、洪水预报、水库调度等诸方面存在众多不确定性因素，在汛限水位抬高后，有可能导致水库防洪运用过程中出现风险。为了实现兴利效益与防洪目标的最佳结合，需对不同汛限水位相应的防洪风险进行分析，为防汛限制水位的正确选择提供科学依据。一、水库防洪调度风险分析的含义1．风险的含义风险包括两方面的含义：一是指风险意味着出现了损失，或者是未实现预期的目标值。二是指这种损失出现与否是一种不确定性现象，它可用概率表示出现的可能程度，而不能对出现与否做出确定性判断。2．水库防洪调度风险的含义有关水库防洪调度风险的定义较多，概括起来，泛指在特定时空环境条件下，水库防洪调度运用过程中所发生的非期望事件。3．水库防洪调度风险分析的含义水库防洪调度风险分析是指对水库防洪调度中存在的各种风险进行识别、估计、评价，并在此基础上优化组合各种风险管理技术，作出风险决策。二、水库调度风险分析在国内的研究现状20世纪80年代初，水库运用风险问题在我国已经引起重视，经过20多年的研究，取得了一些成果。根据水库防洪调度风险分析的特点、范围、对象和规模的不同，可分以下几个类型。1．水库来水预报风险分析宋榜科等以柴河水库为例，详细地介绍了水库雨情自动测报系统的风险分析方法，首次将“重现期法”“安全系数法”引进到水库雨情自动测报系统的风险分析中。徐玉英等将改进的一次二阶矩法应用于水库洪水预报子系统的风险分析中，对水库洪水预报子系统的风险做了定义和描述，并对风险率进行了定量计算。王本德等将标准风险评估方法应用到水库洪水标准的风险分析中，并以柴河水库为例说明水库洪水标准的风险分析方法是可行的。2．水库调度风险分析田峰巍等结合黄河干流水库调度，对实施运用中的径流用水预报值、误差修正、风险决策等几个关键问题进行了研究。冯平等根据风险决策理论，通过概率组合方法估算了水库的实际防洪能力，然后与水库的设计防洪标准进行比较，判断水库提高汛限水位的可能性，并通过风险效益的分析定量给出合理的汛限水位。黄强等针对水库调度风险问题，着重探讨了定量风险分析方法中的概率与数理统计分析法、模拟分析法、马尔柯夫过程分析法和模糊数学分析法，引入了不同的风险决策方法。傅湘等以三峡水库为研究对象，采用系统分析方法建立了水库汛期限制水位的风险分析模型，帮助决策者作出符合科学原则的风险决策。3．水库防洪泄洪能力风险分析徐祖信等提出了开敞式溢洪道水力设计中风险的计算模式，将JC法用于泄洪风险。郑管平等综合考虑了水文和水工方面的不确定因素对溢流坝泄洪能力的影响。姜树海用JC方法进行了泄水构件免空化概率极限设计的计算和分析。金明系统研究了水力不确定性在防洪泄洪系统风险分析中的作用。储祥元以FOSM法进行参数估计，以MC法结合拟优选择的办法求得泄流能力的最佳概率模型。姜树海推导了调洪演算Ito方程，求解了与泄洪风险率紧密相关的库水位过程的概率密度分布。朱元牲等就水库安全设计与垮坝风险问题进行了研究，认为设计标准应因地而异和因时而异。杨白银等研究了单一和梯级水库两种泄洪风险分析模式，将JC法引入水库泄洪风险分析计算中。王长新等对泄洪消能风险计算的JC法和MC法进行了对比。姜树海建立了漫坝失事的随机模糊风险分析模型。熊明提出了大坝防洪安全风险计算的原则、方法及适用条件等。4．水库多目标风险分析王本德等建立了水库防洪实时风险调度模型，该模型考虑了水库下游防洪效益与水库风险两个目标。1991年，国内专家选用某水利工程防洪、发电、航运、建设投资和移民费用等作为