王曉航 鄔志香 陳巍 王瑜靜

摘要：潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口應(yīng)急避難作為水庫(kù)大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案的重要內(nèi)容，是避免或減少潰壩生命損失的有效手段。通過對(duì)潰壩數(shù)值模擬、風(fēng)險(xiǎn)人口分布預(yù)測(cè)、應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃、應(yīng)急撤離時(shí)間估算等潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口應(yīng)急避難相關(guān)的四個(gè)方面的研究現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。其中潰壩數(shù)值模擬是應(yīng)急避難分析的基礎(chǔ)性工作，包括潰口模擬和潰壩洪水演進(jìn)分析兩部分內(nèi)容；風(fēng)險(xiǎn)人口分布預(yù)測(cè)則需要考慮不同時(shí)間情景下的動(dòng)態(tài)分布；針對(duì)潰壩應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃的研究尚不多見，但可借鑒防洪應(yīng)急避難選址研究成果；應(yīng)急撤離時(shí)間主要研究?jī)?nèi)容是撤離活動(dòng)所用時(shí)間的估算，可根據(jù)撤離方式選擇相應(yīng)的算法。

關(guān)鍵詞：潰壩；應(yīng)急避難；風(fēng)險(xiǎn)人口；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV698 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2014）06-0177-04

潰壩屬典型突發(fā)公共安全事件，一旦發(fā)生，將對(duì)下游生命、財(cái)產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等造成災(zāi)難性破壞和沖擊。目前，我國(guó)共有水庫(kù)98 002座，數(shù)量居世界首位。1980年以后，盡管通過建立健全法規(guī)、加強(qiáng)監(jiān)督檢查、落實(shí)責(zé)任制等一系列舉措加強(qiáng)了水庫(kù)大壩安全管理工作，仍不時(shí)有造成重大人員傷亡的潰壩事故發(fā)生。1954年-2013年初，我國(guó)共有3 524座水庫(kù)潰壩，其中部分水庫(kù)潰壩造成了重大人員傷亡。但也有部分水庫(kù)潰壩傷亡很小，甚至成功避免了人員傷亡。2004年春節(jié)期間，新疆八一水庫(kù)大壩潰決，但因管理人員提前發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并及時(shí)通知下游轉(zhuǎn)移了1.38萬(wàn)人，最終沒有造成人員死亡；2008年6月，廣東從化市魚洞水庫(kù)壩體出現(xiàn)裂縫，市政府緊急疏散了下游8 000民眾，并拆除出險(xiǎn)壩段進(jìn)行泄洪，將水位降低到安全高度，險(xiǎn)情得以緩解；2009年7月，廣西羅城縣卡馬水庫(kù)面臨潰壩危險(xiǎn)，通過開挖臨時(shí)泄洪通道和降低溢洪道底板高程，同時(shí)緊急轉(zhuǎn)移下游數(shù)萬(wàn)群眾，避免了重大災(zāi)難發(fā)生；2013年2月，山西省洪洞縣曲亭水庫(kù)灌溉輸水洞破裂漏水，導(dǎo)致下游壩體出現(xiàn)管涌，壩體垮塌長(zhǎng)度近300 m，但由于緊急疏散了下游群眾，無(wú)人員傷亡。

由此可見，在潰壩發(fā)生前對(duì)風(fēng)險(xiǎn)人口進(jìn)行轉(zhuǎn)移是降低潰壩生命損失的有效手段。然而，臨時(shí)的應(yīng)急避難決策也有可能導(dǎo)致應(yīng)急響應(yīng)不足或應(yīng)急響應(yīng)過度。為此，了解潰壩影響區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)人口的分布，合理規(guī)劃避難場(chǎng)所，是避免或減少潰壩生命損失的有效手段。目前，潰壩應(yīng)急避難研究關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)包括潰壩數(shù)值模擬、風(fēng)險(xiǎn)人口分布預(yù)測(cè)、應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃、應(yīng)急撤離時(shí)間估算等四個(gè)方面。

1 潰壩數(shù)值模擬

潰壩數(shù)值模擬包括潰口模擬和潰壩洪水演進(jìn)模擬兩部分內(nèi)容，是應(yīng)急避難需求預(yù)測(cè)的重要手段。

1.1 潰口模擬

潰口模擬包括潰口形狀的模擬和潰口流量過程的推算，為下游演進(jìn)模型提供上邊界條件。根據(jù)壩型不同，大壩的潰決可分為瞬時(shí)潰壩和逐步潰壩兩種形式。

土石壩的潰決方式為逐步潰決。導(dǎo)致土石壩潰決的主要原因是漫頂和滲透破壞。雖然土石壩潰決研究可采用數(shù)值模擬、水工模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)等多種手段，但由于受試驗(yàn)條件限制，實(shí)際工作多以數(shù)值模擬為主。目前國(guó)內(nèi)外研究主要關(guān)注潰口位置和形狀、潰口發(fā)展規(guī)律的數(shù)值模擬。國(guó)外潰壩數(shù)值模擬模型主要包括H-W模型[9]、BRDAM模型[10]、P-T模型[11]、Lou和Nogueiga模型[12]、BEED模型[13]、Fread系列數(shù)學(xué)模型[14]、“陡坎”模型[15-16]、HR-BREACH模型[17]。我國(guó)潰壩數(shù)值模型主要有中國(guó)水利水電科學(xué)研究院數(shù)學(xué)模型[18]和南京水利科學(xué)研究院系列模型[19]。

混凝土壩潰決方式為瞬時(shí)潰決，又可分為瞬時(shí)全潰、橫向局部潰決、垂向局部潰決等方式。潰口峰值流量及潰壩過程可采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[5- 7]。

混凝土面板堆石壩與一般土石壩潰決過程的區(qū)別在于：面板在未被沖毀的下游壩體支撐下仍起擋水作用；隨著下游壩體沖刷的積累，面板懸空長(zhǎng)度不足以承受面板自重和水荷載的共同作用而折斷，潰口處水流流量突增，潰決過程突然加速；其后，隨著水頭逐漸減少，潰口流速、流量及沖刷也逐漸減小，面板又起到擋水作用；如此往復(fù)，直至最后穩(wěn)定在某一平衡位置。有學(xué)者推導(dǎo)了潰壩洪水流量過程的計(jì)算公式，并利用材料力學(xué)公式給出了面板折斷條件[20-21]。

1.2 潰壩洪水演進(jìn)模擬

潰壩洪水演進(jìn)模擬的主要任務(wù)是根據(jù)潰壩壩址流量過程線推算演進(jìn)至下游沿程各處的水深、流速、洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒歷時(shí)等，存在兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

其一是對(duì)間斷的捕捉。大壩潰決時(shí)，水庫(kù)蓄水突然下泄，造成下游水位陡漲和庫(kù)水位驟降。間斷捕捉主要方法有激波擬合法和激波捕捉法。激波擬合法是在光滑流動(dòng)區(qū)對(duì)圣維南方程組求解，而在涌波兩側(cè)則通過間斷條件將水流正確地銜接起來(lái)。這類方法要不斷追求運(yùn)動(dòng)間斷，雖然精度較高，但其計(jì)算復(fù)雜，編制程序不便。激波捕捉法的基本出發(fā)點(diǎn)是采用計(jì)算方法所固有的數(shù)值耗散效應(yīng)自動(dòng)捕捉間斷，不論解中是否存在間斷，可以不加區(qū)別地統(tǒng)一進(jìn)行計(jì)算，不必進(jìn)行激波擬合的特殊處理。

其二是對(duì)動(dòng)邊界的處理。潰壩計(jì)算域大部分為干底，地形復(fù)雜，且緩、急流同時(shí)存在并相互轉(zhuǎn)化。對(duì)動(dòng)邊界主要的處理有兩種思路：追蹤邊界的準(zhǔn)確位置和關(guān)注動(dòng)邊界所在的網(wǎng)格。但追蹤邊界點(diǎn)的準(zhǔn)確位置較為復(fù)雜，通常采取后一種思路，就是把可能最大的區(qū)域作為固定計(jì)算域，在所有網(wǎng)格上進(jìn)行同樣的計(jì)算。

潰壩洪水演進(jìn)過程一般可以用守恒形式的二維淺水動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述，數(shù)值解法主要有有限差分法、有限元法和有限體積法。多年的研究表明，具有TVD特性的有限體積算法被認(rèn)為是模擬潰壩洪水流動(dòng)較為成功的計(jì)算方法之一[22]。目前，該方法已廣泛應(yīng)用于潰壩洪水流動(dòng)過程的數(shù)值模擬。

2 風(fēng)險(xiǎn)人口分布預(yù)測(cè)

風(fēng)險(xiǎn)人口指大壩潰決影響區(qū)內(nèi)直接暴露于某一深度洪水區(qū)內(nèi)的所有人員。參照國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，這一洪水深度可取為0.3 m[23]。風(fēng)險(xiǎn)人口分布是影響潰壩應(yīng)急避難需求最為關(guān)鍵的因素。風(fēng)險(xiǎn)人口分布包括風(fēng)險(xiǎn)人口的數(shù)量、空間分布和時(shí)間分布。目前，人口數(shù)據(jù)多來(lái)自于各級(jí)政府的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，是以行政邊界作為統(tǒng)計(jì)單元的，但是對(duì)于潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口統(tǒng)計(jì)，某個(gè)行政單元內(nèi)可能只有部分人口屬于風(fēng)險(xiǎn)人口，因此，應(yīng)以各行政區(qū)劃統(tǒng)計(jì)人口為基礎(chǔ)，推求潰壩淹沒范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)人口。

人口估計(jì)的主要方法是利用面積內(nèi)插模型。在面插值的過程中根據(jù)是否使用輔助數(shù)據(jù)把面插值分為沒有輔助數(shù)據(jù)的面插值和有輔助數(shù)據(jù)的面插值兩類。在插值的過程中可認(rèn)為人口密度是相同的，或者不同的土地利用類型人口密度各異[24-27]。GIS和RS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人口數(shù)據(jù)格網(wǎng)化已經(jīng)成為研究人口空間分布的熱點(diǎn)。人口數(shù)據(jù)格網(wǎng)化是按一定的數(shù)學(xué)模型將以行政區(qū)為單元的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展布到一定尺寸的格網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)單元由行政單元向網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換。目前人口數(shù)據(jù)網(wǎng)格化模型主要有兩類：一類是應(yīng)用面積內(nèi)插與統(tǒng)計(jì)分析原理，進(jìn)行人口數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，代表模型有面積權(quán)重模型、核心估算模型；另一類是通過建立人口空間分布影響因素與人口數(shù)據(jù)之間的函數(shù)，進(jìn)行人口數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，代表模型有土地利用類型影響模型、重力模型、多源數(shù)據(jù)融合模型等[28]。在資料充分的情況下，還通過對(duì)高分辨率遙感影像的解譯和外業(yè)核查，獲取建筑物的高度、樓層數(shù)等信息，進(jìn)而得到潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口分布情況。外業(yè)核查主要是完成建筑物使用性質(zhì)校正、樓層數(shù)校正、家庭戶數(shù)校正，以及家庭人口數(shù)、出行狀況等信息收集。

人口時(shí)間分布主要體現(xiàn)在不同的時(shí)間情境下，風(fēng)險(xiǎn)人口的動(dòng)態(tài)分布。潰壩避難需求預(yù)測(cè)應(yīng)根據(jù)潰壩時(shí)間的不同，結(jié)合人口空間分布信息對(duì)人口時(shí)間分布進(jìn)行分析，以滿足潰壩應(yīng)急決策的要求。對(duì)于企事業(yè)單位和學(xué)校來(lái)說，潰壩發(fā)生在節(jié)假日和周末或工作日的非工作時(shí)間，其風(fēng)險(xiǎn)人口數(shù)量遠(yuǎn)少于工作時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)人口數(shù)量；而對(duì)于居民住宅或風(fēng)景區(qū)來(lái)說，情況與上述相反。此外，風(fēng)險(xiǎn)人口的分布還與季節(jié)有關(guān)，比如部分農(nóng)村地區(qū)在平時(shí)外出務(wù)工人員較多，而在農(nóng)忙時(shí)節(jié)則大部分回到家中；位于風(fēng)景區(qū)上游或風(fēng)景區(qū)內(nèi)的水庫(kù)在旅游旺季（如北京的密云水庫(kù)夏季為避暑勝地）其風(fēng)險(xiǎn)人口數(shù)量相比平時(shí)大幅增加。

風(fēng)險(xiǎn)人口的時(shí)間分布，不同地區(qū)差異很大，很難建立采用統(tǒng)一的模型，目前研究成果大多為通過研究區(qū)域不同土地利用類型典型調(diào)查的方式，分別采用分段函數(shù)表達(dá)人口時(shí)空分布的[29]。若水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)人口較少，可以通過典型調(diào)查的方式獲取人口不同時(shí)間、不同季節(jié)的分布情況。

3 應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃

對(duì)應(yīng)急避難場(chǎng)所進(jìn)行科學(xué)選址，不僅利于政府的管理，更可避免或大幅減少潰壩造成的生命和經(jīng)濟(jì)損失。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外的學(xué)者研究了各種選址模型解決選址問題，包括靜態(tài)選址問題和動(dòng)態(tài)選址問題。描述靜態(tài)選址的數(shù)學(xué)方程主要有三大類：P-中位問題模式、P-中心問題模式、區(qū)域性覆蓋問題（LSCP）模式。上述模型可以在數(shù)學(xué)方程中加入設(shè)施的最大與最小規(guī)模、最長(zhǎng)旅行距離等限制條件。P-中位問題模式是把公共設(shè)施區(qū)位問題抽象為在N個(gè)可能的地點(diǎn)中選取P個(gè)地點(diǎn)建立公共設(shè)施，使得總加權(quán)距離最小，其最優(yōu)解趨向于把服務(wù)設(shè)施設(shè)置在靠近服務(wù)需求大的需求點(diǎn)的位置；P-中心問題模式從設(shè)施服務(wù)的“公平性”出發(fā)，目標(biāo)是確定P設(shè)施各個(gè)服務(wù)需求點(diǎn)的（加權(quán)）最大距離為最??；區(qū)域性覆蓋問題模式是在公平原則下追求最佳區(qū)位配置，以設(shè)施數(shù)最少為目標(biāo)，最大服務(wù)距離為限制條件，確保所有的需求點(diǎn)均能在設(shè)施最大服務(wù)距離內(nèi)[30-32]。

雖然目前針對(duì)潰壩應(yīng)急避難場(chǎng)所選址的研究成果還不多見，但是防洪應(yīng)急避難選址研究已經(jīng)取得了一些成果。這些研究根據(jù)洪水模擬的結(jié)果，選擇安全高程以上的區(qū)域作為避難場(chǎng)所備選集合；結(jié)合洪災(zāi)發(fā)生區(qū)的自然地理?xiàng)l件，選取避難場(chǎng)所容量、撤離距離、撤離時(shí)間、交通情況等因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)避難場(chǎng)所進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得出規(guī)劃方案。評(píng)價(jià)方法多采用層次分析、模糊綜合評(píng)價(jià)等方法，而點(diǎn)線結(jié)合論是防洪應(yīng)急避難研究中較為成熟的理論之一。其基本思路是將研究區(qū)域內(nèi)的道路抽象為“線集”，將淹沒單元和避難場(chǎng)所抽象為“點(diǎn)集”，基于洪水演進(jìn)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合路權(quán)計(jì)算模型和Dijkstra算法，對(duì)影響區(qū)的避難遷移路線進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究避難方案和對(duì)策。

潰壩雖然是突發(fā)事件，但事先一般都會(huì)進(jìn)行預(yù)警，其發(fā)生發(fā)展也有一個(gè)過程。警報(bào)時(shí)間的長(zhǎng)短，直接影響著風(fēng)險(xiǎn)人的避難選擇。警報(bào)時(shí)間充分時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)人口可以轉(zhuǎn)移到生活條件較好的避難場(chǎng)所；若警報(bào)不充分甚至無(wú)警報(bào)時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)人口轉(zhuǎn)移目標(biāo)是最快到達(dá)就近的安全避難場(chǎng)所，待洪水退去之后再考慮轉(zhuǎn)移到條件較好的避難場(chǎng)所。

潰壩應(yīng)急避難方式與潰壩發(fā)生時(shí)間、預(yù)警時(shí)間息息相關(guān)。應(yīng)在了解風(fēng)險(xiǎn)人口的數(shù)量和分布的基礎(chǔ)上，綜合考慮應(yīng)急避難的緊迫性和安全轉(zhuǎn)移的可能性，以盡量減少風(fēng)險(xiǎn)人口的遷移次數(shù)為目標(biāo)，研究警報(bào)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)潰壩應(yīng)急避難方式選擇的影響。

4 應(yīng)急撤離時(shí)間估算

潰壩應(yīng)急撤離時(shí)間由撤離活動(dòng)的產(chǎn)生時(shí)間和撤離活動(dòng)所用時(shí)間兩部分組成。撤離活動(dòng)的產(chǎn)生時(shí)間（tEGT）是指政府部門發(fā)出撤離警報(bào)與居民接到警報(bào)后開始從受災(zāi)點(diǎn)撤離至安置點(diǎn)的時(shí)間間隔，其長(zhǎng)短受人為因素影響較大，很難統(tǒng)一量化，一般通過實(shí)地調(diào)查或者概率統(tǒng)計(jì)的方式得到。因此，目前應(yīng)急撤離時(shí)間的研究?jī)?nèi)容多為撤離活動(dòng)所用時(shí)間，其長(zhǎng)短主要取決于撤離路況和撤離方式。撤離方式可以分為車行和步行兩種。

（1）步行方式。其撤離速度不受路況影響，所用時(shí)間可以根據(jù)撤離距離和步行平均速度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)相關(guān)研究[33]，平坦地區(qū)步行撤離速度為5 km/h，老人為4 km/h，兒童為2 km/h。

（2）車行方式。所用時(shí)間取決于每個(gè)路段的路徑路權(quán)和選擇的撤離路徑。撤離路徑路權(quán)是指通過某一撤離路段的行駛（遷移）時(shí)間，包括車輛在轉(zhuǎn)移道路上的行駛時(shí)間和車輛在交叉口等待延誤的時(shí)間兩部分。路權(quán)以路阻函數(shù)表示。美國(guó)聯(lián)邦公路局提出的路阻函數(shù)應(yīng)用較為廣泛，具體形式如下：

式中：t為叉口之間的路段行駛時(shí)間（min）；t0為交通量為零時(shí)的路段行駛時(shí)間（min）；V為路段機(jī)動(dòng)車交通量（輛/h）；C為路段實(shí)際通行能力（輛/h）；α、β為參數(shù)，建議取α=0.15，β=4。

影響行駛時(shí)間（或行駛車速）的因素除了機(jī)動(dòng)車的交通負(fù)荷外，還有非機(jī)動(dòng)車的交通負(fù)荷[34]，因此，在混合交通情況較為嚴(yán)重的狀況下，一些學(xué)者采用半理論、半經(jīng)驗(yàn)的方法[35]的路阻函數(shù)求解法。該方法的思路是：先根據(jù)流量、車速、密度三參數(shù)關(guān)系確定路阻函數(shù)的理論模型，其中只考慮機(jī)動(dòng)車交通負(fù)荷影響；然后對(duì)理論模型進(jìn)行非機(jī)動(dòng)車交通負(fù)荷、車道數(shù)、車道寬度、車流間斷（交叉口）等影響修正。計(jì)算公式為[36-37]

式中：t（i，j）為路段[i，j]上的行駛時(shí)間；L（i，j）為路段[i，j]的長(zhǎng)度；U0為交通量為零時(shí)的行駛速度，確定方法見文獻(xiàn)[38]；Q（i，j）為路段[i，j]上的交通量；Km為路段阻塞密度。

5 結(jié)語(yǔ)

潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口應(yīng)急避難研究涉及水力學(xué)、土力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、人口學(xué)、交通學(xué)、地理信息系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)分析、水文學(xué)、社會(huì)學(xué)等學(xué)科。本文從潰壩數(shù)值模擬、風(fēng)險(xiǎn)人口分布預(yù)測(cè)、應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃、應(yīng)急疏散時(shí)間需求等四個(gè)方面分析了潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口應(yīng)急避難研究現(xiàn)狀。其中，潰壩數(shù)值模擬是潰壩風(fēng)險(xiǎn)人口應(yīng)急避難研究的基礎(chǔ)性工作，風(fēng)險(xiǎn)人口分布預(yù)測(cè)是進(jìn)行應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃的前提，應(yīng)急避難場(chǎng)所規(guī)劃和應(yīng)急撤離時(shí)間估算是制定有效應(yīng)急避難方案的關(guān)鍵。潰壩避難需求預(yù)測(cè)研究目前尚處于起步階段，應(yīng)多吸收洪水、地震等突發(fā)事件避難的相關(guān)研究成果。

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