几种生命损失估算方法优化方案：

6.3.1 Dekay& McClelland法

美国垦务局(USBR)Brown与Graham(1989)根据历史上发生的一些溃坝生命损失数据(表6.1),利用经验统计的方法对溃坝历史记录数据进行分析,建立了较为简单的溃坝生命损失(即死亡人数)估算关系式,并给出了初步估算溃坝生命损失过程的步骤。其估算过程一般有以下7个步骤:

(1)确定所要评估的坝的溃决情况。

(2)确定需要进行生命损失评价的时间。

(3)确定发布大坝溃决的警报时间。

(4)确定每一种大坝溃决条件下的淹没区域。

(5)估算每一种溃决情形和时间条件下的风险人口。

(6)运用经验公式或方法估计死亡人数。

(7)评估不确定性。

Brown与Graham根据他们的研究成果提出的溃坝生命损失估算经验公式为:

式中:PAR为风险人口,人;WT为警报时间,h;LOL为生命损失,人。表6.3是Brown与Graham应用式(6.1)得到的溃坝事件生命损失估算表。

后来,一些溃坝生命损失研究者基本上沿袭了这个估算溃坝生命损失过程的步骤。

显然,这些公式是比较粗糙的,经验公式中,生命损失依据警报时间的长短分为3个范围,被表述为分段函数,每段中只与风险人口PAR有关,而没有把警报时间WT也作为变量,更没有考虑其他影响因素。依据以上经验公式,生命损失范围将会变化很大。对于风险人口PAR为5000人而言,如果这些人位于接受到的警报时间WT小于0.25h的区域,溃坝生命损失LOL可能多达2500人。如果这些人位于接受到的警报时间WT大于1.5h的区域,那么溃坝生命损失LOL将会仅仅是1人而已。

表6.3　Brown与Graham计算的大坝溃决事件生命损失估算表

美国垦务局(USBR)Dekay& McClelland(1993)在Brown与Graham溃坝生命损失估算方法的基础上进行了改进,并利用了一些学者对溃坝生命损失的分析结果,提出了更为全面的溃坝生命损失经验估算公式。他们所使用的估算步骤和Brown与Graham法大致相同,认为生命损失与溃坝洪水警报时间、风险人口、洪水严重程度有关,利用数学统计对美国若干次溃坝洪水生命损失(见表6.4)进行了分析,得到生命损失、警报时间与风险人口的简单关系式为:

在De Kay与McClelland所使用的溃坝洪水中,使用了一些突发性的溃坝洪水,这是在Brown与Graham所使用的溃坝洪水中所没有的。在表6.3中,将警报时间划分为连续与不连续两种,发现这种划分并没有对溃坝生命损失结果造成过大的影响。

表6.4　DeKay and McClelland所使用的溃坝洪水

由于式(6.4)～式(6.6)没有包括洪水严重程度这个因素,因此他们利用对数回归分析对溃坝的各个参数进行分析,得到一个风险人口、警报时间、溃坝洪水严重程度三因素与生命损失的关系式,即

式中:F为溃坝洪水严重程度。

根据表6.3中的溃坝参数数据,由式(6.7)可得到:

在某一个地区,若溃坝警报在坝的破坏洪水到达之前没有发送出去,则WT=0,但WT值不能为负值。

然而,该法并没有对中严重程度溃坝洪水给出一个合适的结论,只是认为中严重程度F值的范围为0～1,在估算溃坝生命损失时,取其范围的平均值0.5进行计算,但是这种平均化处理会导致生命损失计算结果存在很大的随意性。这是该法无法处理好的一个问题。

6.3.2 Graham法

美国垦务局(USBR)Graham(1999)认识到了以上两种方法存在的一些缺点,建议放弃以上两种方法,取而代之的是新的以洪水严重程度为基础的估算溃坝生命损失的方法。由于建立在溃坝淹没范围基础上的分析导致了诸多不确定性,溃坝模型需要估算:①形成溃决的时间;②溃决形状与宽度;③下游水动力参数。这些参数的变化将会导致洪水深度、洪水宽度与洪水波前行时间的变化。洪水深度、洪水宽度与洪水波前行时间的变化将会引起以下不确定性:①风险人口;②警报时间;③洪水严重程度。虽然Brown与Graham法、Dekay与McClalland法给出了基于风险人口、警报时间与洪水严重程度之间相互关系的溃坝生命损失估算公式,但是他们并没有认为人们对于洪水严重程度的理解也会影响到溃坝生命损失的结果,这是这两种方法的缺陷所在,Graham改善了前两种方法的弱点,给出了新的基于洪水严重程度的生命损失估算方法。Graham仍然使用Brown与Graham法、Dekay与McClalland法估算步骤(1)～步骤(2)得出的结果,仅仅是确定基于风险人口的生命损失的步骤(6)改变了。(www.xing528.com)

Graham不仅定性地对洪水严重程度加以区分,还考虑到了人们对溃坝洪水严重程度的理解程度,并对这种理解程度加以辨别,将其分成明确理解和模糊理解,这就充分认识了溃坝生命损失的各个主要影响因素,有助于更为精确地估算溃坝生命损失。Graham在Brown与Graham法、Dekay与McClalland法分析的历次溃坝基础上加以扩展,给出了较为简洁明了的溃坝生命损失伤亡率,如表6.5所示。

表6.5　估算溃坝生命损失所建议的伤亡率

表6.5对于估算溃坝生命损失显得比较简便,将各个参数进行分类,即可以得出估算结果或者范围。但是表6.5并没有生命损失与风险人口的具体关系,这种方法对风险人口的估算也没有确切地加以说明。

6.3.3 RESCDAM法(简化Graham法)

芬兰Peter Reiter(2001)提出了遵循Graham(1999)在RESCDAM报告中介绍的原则的一种简化的估算溃坝生命损失的方法,即RESCDAM法,并将之应用于芬兰Seinajoki地区Kyrkosjarvi坝的安全管理中。RESCDAM法不仅考虑了溃坝的警报时间、风险人口、洪水严重程度及居民对洪水严重程度的理解程度,而且还分析了这些因素自身的特点以及其他一些因素(如溃坝原因和类型、溃坝发生时的天气、溃坝发生的时间、风险人口自身的易损性、风险人口所在区域的地形地貌、救援工作、评估的可行性等)的影响,并对这些因素加以详细的划分和量化。该法的一个重要特点就是根据溃坝模式将溃坝淹没区域进行小区划,分成若干子区域分别加以估算。在Graham提出的基于溃坝洪水严重程度的生命损失伤亡率的基础上,得出了一个溃坝生命损失估算的修正公式,即

LOL=PAR×f×i×c(6.14)

式中:f为风险人口死亡率;i为洪水严重程度影响因子,如生活环境影响与使用关于PAR的公共人口登记产生的易损性影响的附加影响因素,有一些因素将会决定坝的破坏所造成的伤亡数目;c为修正因子,是在每一个次区域考虑警报效率与可能的紧急情况下营救行动的修正因子(Graham,1999)。

6.3.4 Assaf法

加拿大水力发电公司(B.C.Hydro)Assaf、Hartford与Cattanach等人在前人以经验统计与回归分析为基础的估算方法的基础上,把可靠度概念引入了溃坝生命损失估算过程中,利用溃坝模型模拟技术和概率理论风险性分析溃坝生命损失。该法是用数学模型的变换形式表示的,能模拟受到溃坝洪水威胁的居民所采取的行动,考虑了溃坝下游居民对溃坝危险的反应因素,并计算在淹没区域各个子人口群体的生还概率。这就需要更为仔细地考虑每一个个体的详细情况,才可能方便地选择各个合理的估算参数。显然,该法对于估算溃坝生命损失更为合理、精确,但是所需要做的工作也更为复杂、繁多,估算溃坝生命损失存在着许多困难与不确定性因素。

该法在进行溃坝生命损失估算时,需要以下一些相关的信息与资料:大坝溃决信息(水位图、淹没信息、流速)、淹没区域人口、淹没区域人口所处的位置、警报系统的有效性(当地警察局、消防部门、移动电话、无线电、挨家逐户地传达警告通知)、居民克服震惊与不信任而造成的延迟效应、逃生率(使用汽车或步行逃离淹没区域)等。

该法通过模拟地震诱发溃坝的风险人口与洪水之间的相互关系,利用风险人口分布、人口统计数据、溃坝模拟结果,得出了不同时间内溃坝生命损失估算公式。

假设溃坝下游某一个具体位置的生命损失是淹没区域内所处单元(包括居民住所、工厂、医院、学校、商店与办公设施等建筑物)风险人口的生命损失之和,则生命损失可表示为:

式中:LOL单元为某个给定单元的生命损失;PAR单元为洪水泛滥时居住在该单元的人数;P生还为洪水中生还的概率。

(1)风险人口PAR单元。

式中:TNR单元为单元的居民总数;OAF单元/TDWY为溃坝具体时间的单元居住率。

(2)洪水中生还概率P生还。P生还取决于警报时间、疏散撤离能力、营救能力、水流速度、水深度及洪水上涨率。当风险人口PAR单元逃离洪水时,P生还为

式中:P T为被洪水波浪冲倒的概率;PS/E为个人退到安全地面所给定的生还概率;PS/C为个人被洪水波浪围困所给定的生还概率。

如果WD＜LTD,则P T=0,WD为水深,LTD为最低冲倒深度;如果WD＞HSD,则P T=1,HSD为最高安全深度;如果LTD＜WD＜HSD,则P T=(WDLTD)/(HSD-LTD)。

从该法的分析过程可知,最为重要的是确定P生还值。一旦确定了P生还值,就可以使用式(6.15)估算溃坝生命损失。由于影响P生还值的因素较多,要准确地衡量这些因素往往比较困难,因此该方法使用起来存在诸多问题,目前仍然处于发展之中,但是不失为一种适合估算溃坝生命损失的先进方法。

6.3.5 Utah州立大学法

Utah州立大学也提出了一种目前正处于发展阶段的溃坝生命损失估算方法,由Mc-Clelland与Bowles提出,是基于溃坝下游淹没区域进行分区之上利用风险分析发展起来的。这种方法其实并不能说是一种真正的方法,它将溃坝淹没区域进行分区分带,在各个区带之中,详细考虑溃坝生命损失的一些影响因素,再根据区带的影响因素来考虑如何计算生命损失。显然,需要做的工作十分庞杂,对于调查统计及分区十分讲究。McClelland与Bowles在这种方法中并没有给出明确的估算溃坝生命损失的公式,只是给出了具体估算生命损失的一些因素的关键措施。

6.3.6 其他有关估算溃坝生命损失的研究

英国大不列颠Columbia水力发电公司对溃坝生命损失进行了研究,并在Hugh Keenleyside坝的风险评估报告(1996)中建立了一个溃坝生命损失估算过程。这份报告评估了该坝溃决的具体时间与地点、不同位置与时间的风险人口、发布警报及传递警报需要的时间、人们开始采取行动需要的时间、人们逃生需要的时间和遭遇洪水的人的伤亡概率,但是在当时并没有充分的数据来确立各个参数的值及其相互之间的关系。

6.3.7 上述几种估算方法的评价

美国垦务局提出的Dekay& McClelland法、Graham(USBR)法、RESCDAM法(Graham简化法)是基于溃坝历史记录数据进行经验统计与回归分析得出的估算溃坝生命损失的方法,很大程度上依赖于历史记录数据资料是否详细、充足。对各个参数的量化处理是否得当,也是关系到溃坝生命损失估算结果的重要因素之一。目前,这3种方法有的已经过时,有的因为其简单方便,又切实可行,还在有些国家得到应用,如Graham法。一些发达国家对这3种方法已经不再使用或基本上只作初步估算用,Assaf法和犹他州立法指出了这3种方法的缺点,因而一些学者如今正致力于以概率分析为基础的深入研究,并把可靠度概念引入到溃坝生命损失估算之中,但是这方面的研究成果目前并不多,实际应用中也存在许多困难。这主要受制于溃坝模型的选用是否合适、确定洪水淹没范围的工具(如地形图、地理信息系统等)、救援能力、风险人口自身条件(身体素质、防灾意识、职业性质等)以及经济、交通状况等。尽管如此,以可靠度为基础的溃坝生命损失的研究仍然是生命损失研究的一个主要方向。