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标题 溃坝风险人口应急避难研究综述
范文 王晓航 邬志香 陈巍 王瑜静

摘要：溃坝风险人口应急避难作为水库大坝安全管理应急预案的重要内容，是避免或减少溃坝生命损失的有效手段。通过对溃坝数值模拟、风险人口分布预测、应急避难场所规划、应急撤离时间估算等溃坝风险人口应急避难相关的四个方面的研究现状和研究进展进行了综述。其中溃坝数值模拟是应急避难分析的基础性工作，包括溃口模拟和溃坝洪水演进分析两部分内容；风险人口分布预测则需要考虑不同时间情景下的动态分布；针对溃坝应急避难场所规划的研究尚不多见，但可借鉴防洪应急避难选址研究成果；应急撤离时间主要研究内容是撤离活动所用时间的估算，可根据撤离方式选择相应的算法。
关键词：溃坝；应急避难；风险人口；数值模拟
中图分类号：TV698 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0177-04
溃坝属典型突发公共安全事件，一旦发生，将对下游生命、财产、基础设施、生态环境、经济社会发展等造成灾难性破坏和冲击。目前，我国共有水库98 002座，数量居世界首位。1980年以后，尽管通过建立健全法规、加强监督检查、落实责任制等一系列举措加强了水库大坝安全管理工作，仍不时有造成重大人员伤亡的溃坝事故发生。1954年-2013年初，我国共有3 524座水库溃坝，其中部分水库溃坝造成了重大人员伤亡。但也有部分水库溃坝伤亡很小，甚至成功避免了人员伤亡。2004年春节期间，新疆八一水库大坝溃决，但因管理人员提前发现险情并及时通知下游转移了1.38万人，最终没有造成人员死亡；2008年6月，广东从化市鱼洞水库坝体出现裂缝，市政府紧急疏散了下游8 000民众，并拆除出险坝段进行泄洪，将水位降低到安全高度，险情得以缓解；2009年7月，广西罗城县卡马水库面临溃坝危险，通过开挖临时泄洪通道和降低溢洪道底板高程，同时紧急转移下游数万群众，避免了重大灾难发生；2013年2月，山西省洪洞县曲亭水库灌溉输水洞破裂漏水，导致下游坝体出现管涌，坝体垮塌长度近300 m，但由于紧急疏散了下游群众，无人员伤亡。
由此可见，在溃坝发生前对风险人口进行转移是降低溃坝生命损失的有效手段。然而，临时的应急避难决策也有可能导致应急响应不足或应急响应过度。为此，了解溃坝影响区、风险人口的分布，合理规划避难场所，是避免或减少溃坝生命损失的有效手段。目前，溃坝应急避难研究关注的关键技术包括溃坝数值模拟、风险人口分布预测、应急避难场所规划、应急撤离时间估算等四个方面。
1 溃坝数值模拟
溃坝数值模拟包括溃口模拟和溃坝洪水演进模拟两部分内容，是应急避难需求预测的重要手段。
1.1 溃口模拟
溃口模拟包括溃口形状的模拟和溃口流量过程的推算，为下游演进模型提供上边界条件。根据坝型不同，大坝的溃决可分为瞬时溃坝和逐步溃坝两种形式。
土石坝的溃决方式为逐步溃决。导致土石坝溃决的主要原因是漫顶和渗透破坏。虽然土石坝溃决研究可采用数值模拟、水工模型试验、离心模型试验等多种手段，但由于受试验条件限制，实际工作多以数值模拟为主。目前国内外研究主要关注溃口位置和形状、溃口发展规律的数值模拟。国外溃坝数值模拟模型主要包括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系列数学模型[14]、“陡坎”模型[15-16]、HR-BREACH模型[17]。我国溃坝数值模型主要有中国水利水电科学研究院数学模型[18]和南京水利科学研究院系列模型[19]。
混凝土坝溃决方式为瞬时溃决，又可分为瞬时全溃、横向局部溃决、垂向局部溃决等方式。溃口峰值流量及溃坝过程可采用经验公式进行计算[5- 7]。
混凝土面板堆石坝与一般土石坝溃决过程的区别在于：面板在未被冲毁的下游坝体支撑下仍起挡水作用；随着下游坝体冲刷的积累，面板悬空长度不足以承受面板自重和水荷载的共同作用而折断，溃口处水流流量突增，溃决过程突然加速；其后，随着水头逐渐减少，溃口流速、流量及冲刷也逐渐减小，面板又起到挡水作用；如此往复，直至最后稳定在某一平衡位置。有学者推导了溃坝洪水流量过程的计算公式，并利用材料力学公式给出了面板折断条件[20-21]。
1.2 溃坝洪水演进模拟
溃坝洪水演进模拟的主要任务是根据溃坝坝址流量过程线推算演进至下游沿程各处的水深、流速、洪水到达时间、淹没历时等，存在两个技术难点。
其一是对间断的捕捉。大坝溃决时，水库蓄水突然下泄，造成下游水位陡涨和库水位骤降。间断捕捉主要方法有激波拟合法和激波捕捉法。激波拟合法是在光滑流动区对圣维南方程组求解，而在涌波两侧则通过间断条件将水流正确地衔接起来。这类方法要不断追求运动间断，虽然精度较高，但其计算复杂，编制程序不便。激波捕捉法的基本出发点是采用计算方法所固有的数值耗散效应自动捕捉间断，不论解中是否存在间断，可以不加区别地统一进行计算，不必进行激波拟合的特殊处理。
其二是对动边界的处理。溃坝计算域大部分为干底，地形复杂，且缓、急流同时存在并相互转化。对动边界主要的处理有两种思路：追踪边界的准确位置和关注动边界所在的网格。但追踪边界点的准确位置较为复杂，通常采取后一种思路，就是把可能最大的区域作为固定计算域，在所有网格上进行同样的计算。
溃坝洪水演进过程一般可以用守恒形式的二维浅水动力学模型来描述，数值解法主要有有限差分法、有限元法和有限体积法。多年的研究表明，具有TVD特性的有限体积算法被认为是模拟溃坝洪水流动较为成功的计算方法之一[22]。目前，该方法已广泛应用于溃坝洪水流动过程的数值模拟。
2 风险人口分布预测
风险人口指大坝溃决影响区内直接暴露于某一深度洪水区内的所有人员。参照国外的经验，这一洪水深度可取为0.3 m[23]。风险人口分布是影响溃坝应急避难需求最为关键的因素。风险人口分布包括风险人口的数量、空间分布和时间分布。目前，人口数据多来自于各级政府的统计数据，是以行政边界作为统计单元的，但是对于溃坝风险人口统计，某个行政单元内可能只有部分人口属于风险人口，因此，应以各行政区划统计人口为基础，推求溃坝淹没范围内的风险人口。
人口估计的主要方法是利用面积内插模型。在面插值的过程中根据是否使用辅助数据把面插值分为没有辅助数据的面插值和有辅助数据的面插值两类。在插值的过程中可认为人口密度是相同的，或者不同的土地利用类型人口密度各异[24-27]。GIS和RS技术的广泛应用，人口数据格网化已经成为研究人口空间分布的热点。人口数据格网化是按一定的数学模型将以行政区为单元的人口统计数据展布到一定尺寸的格网中，实现统计单元由行政单元向网格的转换。目前人口数据网格化模型主要有两类：一类是应用面积内插与统计分析原理，进行人口数据网格化，代表模型有面积权重模型、核心估算模型；另一类是通过建立人口空间分布影响因素与人口数据之间的函数，进行人口数据网格化，代表模型有土地利用类型影响模型、重力模型、多源数据融合模型等[28]。在资料充分的情况下，还通过对高分辨率遥感影像的解译和外业核查，获取建筑物的高度、楼层数等信息，进而得到溃坝风险人口分布情况。外业核查主要是完成建筑物使用性质校正、楼层数校正、家庭户数校正，以及家庭人口数、出行状况等信息收集。
人口时间分布主要体现在不同的时间情境下，风险人口的动态分布。溃坝避难需求预测应根据溃坝时间的不同，结合人口空间分布信息对人口时间分布进行分析，以满足溃坝应急决策的要求。对于企事业单位和学校来说，溃坝发生在节假日和周末或工作日的非工作时间，其风险人口数量远少于工作时间的风险人口数量；而对于居民住宅或风景区来说，情况与上述相反。此外，风险人口的分布还与季节有关，比如部分农村地区在平时外出务工人员较多，而在农忙时节则大部分回到家中；位于风景区上游或风景区内的水库在旅游旺季（如北京的密云水库夏季为避暑胜地）其风险人口数量相比平时大幅增加。
风险人口的时间分布，不同地区差异很大，很难建立采用统一的模型，目前研究成果大多为通过研究区域不同土地利用类型典型调查的方式，分别采用分段函数表达人口时空分布的[29]。若水库溃坝风险区内人口较少，可以通过典型调查的方式获取人口不同时间、不同季节的分布情况。
3 应急避难场所规划
对应急避难场所进行科学选址，不仅利于政府的管理，更可避免或大幅减少溃坝造成的生命和经济损失。多年来国内外的学者研究了各种选址模型解决选址问题，包括静态选址问题和动态选址问题。描述静态选址的数学方程主要有三大类：P-中位问题模式、P-中心问题模式、区域性覆盖问题（LSCP）模式。上述模型可以在数学方程中加入设施的最大与最小规模、最长旅行距离等限制条件。P-中位问题模式是把公共设施区位问题抽象为在N个可能的地点中选取P个地点建立公共设施，使得总加权距离最小，其最优解趋向于把服务设施设置在靠近服务需求大的需求点的位置；P-中心问题模式从设施服务的“公平性”出发，目标是确定P设施各个服务需求点的（加权）最大距离为最小；区域性覆盖问题模式是在公平原则下追求最佳区位配置，以设施数最少为目标，最大服务距离为限制条件，确保所有的需求点均能在设施最大服务距离内[30-32]。
虽然目前针对溃坝应急避难场所选址的研究成果还不多见，但是防洪应急避难选址研究已经取得了一些成果。这些研究根据洪水模拟的结果，选择安全高程以上的区域作为避难场所备选集合；结合洪灾发生区的自然地理条件，选取避难场所容量、撤离距离、撤离时间、交通情况等因素作为评价指标对避难场所进行评价，最终得出规划方案。评价方法多采用层次分析、模糊综合评价等方法，而点线结合论是防洪应急避难研究中较为成熟的理论之一。其基本思路是将研究区域内的道路抽象为“线集”，将淹没单元和避难场所抽象为“点集”，基于洪水演进计算结果，结合路权计算模型和Dijkstra算法，对影响区的避难迁移路线进行设计，研究避难方案和对策。
溃坝虽然是突发事件，但事先一般都会进行预警，其发生发展也有一个过程。警报时间的长短，直接影响着风险人的避难选择。警报时间充分时，风险人口可以转移到生活条件较好的避难场所；若警报不充分甚至无警报时，风险人口转移目标是最快到达就近的安全避难场所，待洪水退去之后再考虑转移到条件较好的避难场所。
溃坝应急避难方式与溃坝发生时间、预警时间息息相关。应在了解风险人口的数量和分布的基础上，综合考虑应急避难的紧迫性和安全转移的可能性，以尽量减少风险人口的迁移次数为目标，研究警报时间长短对溃坝应急避难方式选择的影响。
4 应急撤离时间估算
溃坝应急撤离时间由撤离活动的产生时间和撤离活动所用时间两部分组成。撤离活动的产生时间（tEGT）是指政府部门发出撤离警报与居民接到警报后开始从受灾点撤离至安置点的时间间隔，其长短受人为因素影响较大，很难统一量化，一般通过实地调查或者概率统计的方式得到。因此，目前应急撤离时间的研究内容多为撤离活动所用时间，其长短主要取决于撤离路况和撤离方式。撤离方式可以分为车行和步行两种。
（1）步行方式。其撤离速度不受路况影响，所用时间可以根据撤离距离和步行平均速度进行计算。根据相关研究[33]，平坦地区步行撤离速度为5 km/h，老人为4 km/h，儿童为2 km/h。
（2）车行方式。所用时间取决于每个路段的路径路权和选择的撤离路径。撤离路径路权是指通过某一撤离路段的行驶（迁移）时间，包括车辆在转移道路上的行驶时间和车辆在交叉口等待延误的时间两部分。路权以路阻函数表示。美国联邦公路局提出的路阻函数应用较为广泛，具体形式如下：
式中：t为叉口之间的路段行驶时间（min）；t0为交通量为零时的路段行驶时间（min）；V为路段机动车交通量（辆/h）；C为路段实际通行能力（辆/h）；α、β为参数，建议取α=0.15，β=4。
影响行驶时间（或行驶车速）的因素除了机动车的交通负荷外，还有非机动车的交通负荷[34]，因此，在混合交通情况较为严重的状况下，一些学者采用半理论、半经验的方法[35]的路阻函数求解法。该方法的思路是：先根据流量、车速、密度三参数关系确定路阻函数的理论模型，其中只考虑机动车交通负荷影响；然后对理论模型进行非机动车交通负荷、车道数、车道宽度、车流间断（交叉口）等影响修正。计算公式为[36-37]
式中：t（i，j）为路段[i，j]上的行驶时间；L（i，j）为路段[i，j]的长度；U0为交通量为零时的行驶速度，确定方法见文献[38]；Q（i，j）为路段[i，j]上的交通量；Km为路段阻塞密度。
5 结语
溃坝风险人口应急避难研究涉及水力学、土力学、泥沙运动力学、人口学、交通学、地理信息系统、风险分析、水文学、社会学等学科。本文从溃坝数值模拟、风险人口分布预测、应急避难场所规划、应急疏散时间需求等四个方面分析了溃坝风险人口应急避难研究现状。其中，溃坝数值模拟是溃坝风险人口应急避难研究的基础性工作，风险人口分布预测是进行应急避难场所规划的前提，应急避难场所规划和应急撤离时间估算是制定有效应急避难方案的关键。溃坝避难需求预测研究目前尚处于起步阶段，应多吸收洪水、地震等突发事件避难的相关研究成果。
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