时间:2023-06-18 10:25:35
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南水北调中线工程是由丹江口水库引水枢纽、输水总干渠和沿途省市供水区组成的大型调水工程,跨江、淮、黄、海四大流域到达天津、北京,线路全长1264km。南水北调中线工程是以解决京津及华北地区用水,缓解水资源紧缺为主要目标[1]。
南水北调中线总干渠沿线河流水系发达,与大小近千条河流交叉。其左侧的太行山区和伏牛山区曾发生过“63.8”和“75.8”两场国内最著名的特大暴雨,因此,中线总干渠如遭遇超标准的特大洪水而使其中任一座交叉建筑物发生失事时,则整个工程就可能受到影响,以致被迫中断运行,并且中线总干渠的走向几乎与所有交叉河流成正交或斜交之势而易受到洪水的冲击。可见,该工程存在许多不确定性和风险因素,特别是引水工程交叉建筑物的综合防洪风险问题,传统的水文计算方法很难解决,简单的概率叠加结果也使许多人怀疑该引水工程的可行性。对该问题一直争论不休,至今尚未达成统一的共识。在南水北调工程即将实施之际,对该问题的认识及评估,已成为工程迫切需要解决的问题之一。
1 防洪风险估算模型的建立
在南水北调工程中线总干渠上,若有n个交叉建筑物,其设计标准分别为P1、P2、…、Pn,在暴雨和洪水同频率的基础上,相应的设计洪水或设计暴雨分别为F1、F2、…、Fn,则整个南水北调中线总干渠因交叉建筑物因超标准洪水出现而中断运行的风 险为
R=P{(F1>FP1)∪(F2>FP2)∪……∪(Fn>FPn)}
(1)
可见,为了推求上述组合事件的概率,需要各交叉建筑物设计洪水或设计暴雨的n维联合概率密度分布函数f(F1,F2,…,Fn),以及f(F1,F2),f(F1,F3),…,f(F1,Fn),f(F2,F3),f(F2,F4),…,f(F2,Fn),…,等大量2至n-1维的联合概率密度分布函数。由数理统计学可知,在各变量的概率密度分布函数f(F1),f(F2),…,f(Fn)均属正态分布或对数正态分布时,其联合概率密度分布函数f(F1,F2,…,Fn)等才可能会有函数表达式。而实际上,水文变量大都是偏态分布,特别是暴雨和洪水。这样当n较大时,在实际水文资料条件下是不可能推求出这些联合概率密度分布函数的。
针对上述情况,20世纪80年代初期开始,人们为了解决多项因素共同作用下的风险计算问题,不得不通过模拟技术求解数值解。由于受到计算能力的限制,最初在保证计算精度的前提下,如何减少计算机时就成为重点考虑的问题。因此,Bourgund U和C G Bucher曾提出重点抽样法ISPUD(importance sampling procedure using design)的模拟技术[2]。而其应用理论主要包括联合概率法、变量构造法和多元极值理论等,其中变量构造法在分析问题前,需要先确定所研究变量的函数表达式,如Jonathan AT曾把区域降雨量表达为其中m、ν是有关参数,xj代表各雨量站的降雨量[3]。多元极值理论的依据是极值点过程理论,其边际分布一般为标准Gumbel分布。实际降雨过程的复杂性,及水文变量非标准Gumbel分布,使变量构造法和多元极值理论的应用,在水文风险计算上受到了很大的限制。为此,朱元NFDA9等人曾探讨过二维复合事件的风险计算模型,并用于分析南水北调中线工程的防洪风险问题[4]。冯平等人也曾研究过暴雨洪水共同作用下的多变量防洪计算问题[5]。
但对于二维情况,依据联合概率理论有
p(F1∪F2)=P(F1)+P(F2)-P(F1∩F2)
(2)
其中
(3)
(4)
及
(5)
式中f(x)和f(y)分别为两个交叉建筑物设计洪水或设计暴雨的概率密度分布函数,按我国的防洪规范二者均采用PearsionⅢ型分布[6],即
(6)
及
(7)
而f(y/x)是暴雨或洪水的条件概率密度分布函数,它是由两部分决定的:(1)在暴雨或洪水x 条件下,暴雨或洪水y的条件期望值E(y/x),它决定了这两个暴雨或洪水之间的关系;(2)在给定暴雨或洪水x下,暴雨或洪水y在E(y/x)附近的离散分布情况,它是因下垫面情况、暴雨时空分布等诸多不同因素综合作用的结果,因此由中心极限定理可假定其近似符合正态分布,即
(8)
如果有足够的暴雨或洪水资料,(1)部分可以通过建立这两个暴雨或洪水的相关关系来确定;(2)部分是给定某一暴雨或洪水x下,暴雨或洪水y的条件方差值σy/x,也可以通过实测暴雨或洪水资料估算。
若暴雨或洪水资源有限,或上述正态分布的假定难以保证,可以通过幂变换法等方法把x和y 正态化处理,并且对正态化后资料系列可采用偏峰检验法进行正态化检验[7]。将x和y转换为正态系列x1和y1后,则有
(9)
及
(10)
式(9)和式(10)中:Ex1和Ey1分别是2个交叉河流的暴雨或洪水正态化系列的均值;σx1和σy1分别是其均方差;r1是其相关系数。因此
(11)
两个交叉建筑物因水毁而中断运行的组合风险计算问题,就是求解式(1)~式(5)给出的二维复合随机模型,其中式(3)和式(4)可以通过传统的PearsionⅢ型分布曲线,即通过这2个交叉建筑物的设计防洪标准给出。而式(5)可以采用数值积分方法或Monte Carlo等方法计算。如果采用数值积分方法,式(5)可由下式近似给出:
(12)
中图分类号:TV143+.3文献标识码:A
一、概述
我国每年的洪灾损失都都比较大,防洪安全历来都是备受关注的问题之一。河道堤防工程是控制河道洪水安全宣泄的重要工程措施,河道堤防工程安全和风险评估对于衡量水利工程的安全状况具有重要意义。从总体上看,由于河道堤防工程沿河修建,沿途距离跨度大,在修建过程中会遇到各种类型的基础条件,但由于经费有限,并不是所有的堤防基础都得到了有效处理,这为河道行洪时留下了一定的安全隐患。其次,由于河道堤防工程量较大,为节约资金,往往会在原有堤防基础上加高培厚而成,堤防内部情况复杂,在河道行洪时就可能会发生一些意外情况。但是在现阶段的技术条件和经济条件下,河道堤防的安全分析理论和事故机理还不够完善,很难实时的做出预警,在防洪抢险中常常处于被动地位。这就为河道堤防工程的风险评估提出了要求,本文正是针对这一问题展开研究,通过一定的风险计算模型和分析方法找出堤防中的存在危险的地段,从而为防洪决策提供参考依据。
二、风险分析理论基础
风险理论是在西方经济学研究领域中被首先提出,并随后被广泛的推广到了多个学科当中。风险的直接定义为以概率为衡量标准来评估工程失效所造成的人员伤亡、财产损失、环境影响等损害的后果评价。通常情况下,风险是由不确定因素产生某种损失的机会,或者是特定的系统不能实现特定功能的几率,风险也可能因为定义角度的不同而形成不同的学术流派,但不论是何种定义方式,都需要回答三个方面的问题,一是可能发生的事故类型,二是发生该事故的可能性,三是该事故一旦发生后所产生的后果。从风险具有的特征上看,风险具有客观性、普遍性、动态性等固有特征。从数学的角度来对风险进行描述,可表述为系统外来何在大于系统本身承受力的概率,即Pf=P(L>R),其中L为系统外来荷载,R为系统抗力,不同的研究目的会对上述的L和R有不同的定义方式。
三、河道堤防工程中的不确定性描述
风险的一个重要特征是不确定性,因此对于特定的问题而言,对其不确定性的描述对于风险的评估具有重要意义,因为对不确定性的描述和相关度量方法对于风险辨识和估计具有基础性的作用。对于河道堤防而言,所涉及到的不确定性主要有以下几个方面的内容:水文方面的不确定性主要是指河道堤防在行洪过程中所可能遭遇的洪水频率不确定性,洪水发生时间的不确定性等。水力、结构上的不确定性 这方面的不确定性主要指河道堤防在行洪时所承受的水流冲刷、水压力荷载时的不确定性。由于河道堤防的结构一般为土质结构,内部组成复杂,在承受水压力时,不同河段堤防由于设计条件、施工条件、实时地基条件等都可能存在较大的差异,因此水压力在堤防结构上所造成的荷载效应在不同的堤防地段上会存在差异。操作管理上的不确定性 河道堤防管理范围大,在实际的操作管理中可能存在这工程养护不当,管理人员操作失误、堤防养护工作不到位等情况。对于上述几类主要的不确定性,本文中将侧重于对堤防结构的失效风险来进行分析,并建立相应的风险计算模型。
四、河道堤防工程的风险计算
三类风险因素的计算模型:
(一)漫顶破坏。河道堤防发生漫顶破坏的主要诱因是河道遭遇了超过河道承受能力的超设计标准洪水。因此发生河道堤防漫顶破坏的风险来源就是超标准洪水事件,此时衡量河道堤防发生漫顶破坏的风险即可通过计算该超标准洪水事件的概率来间接衡量。以复合泊松模型来描述洪水随机过程,对特定时间段内的发生超标准洪水的概率计算方法为:设特定时段内的洪峰个数N服从参数为泊松分布,则依据复合泊松随机点过程的模拟要求,得到其随机点过程的概率母函数为:,其中为特定时间段内发生洪峰丛数的泊松分布参数。从而可得到在时段(0~t)内发生超标准洪水,从而引发漫顶破坏的概率为:。
(二)渗透破坏。河道堤防发生渗透破坏的成因是渗透坡降超过了堤防土体的临界坡降。令堤防的实际渗透坡降为J,堤防土体临界坡降为JK,则发生渗透破坏的风险计算模型为:,其中f(J)为河道堤防渗透坡降的概率密度函数。而堤防渗透坡降是一个和河道内水位有关的变量,因此可用条件概率来描述坡降和水位之间的函数关系,即,其中为河道水位的概率密度函数。若令,该数值可通过全概率公式计算得到,则可得到在特定的水位范围(H1,H2)内,发生河道堤防渗透破坏的风险为:。
中图分类号:D9
文献标识码:A
文章编号:16723198(2014)02017201
1前言
我国是世界上受灾害影响最为严重的国家之一。我国的灾害种类多、分布区域广、发生频率高、造成损失严重。据统计,1990-2009年我国平均每年因为巨灾造成的经济损失约为2500亿元,大约占GDP的2.5%。其中,最为显著的巨灾风险是在2008汶川大地震,其造成的直接经济损失达8451亿元,但保险的赔付仅为18.06亿元,整个保险行业成为整个了社会舆论的交点,同时也愈加凸显保险业在巨灾面前的救助的杯水车薪和保障的无能为力。在面临的严峻巨灾风险形势下,保险业的损失补偿和社会管理职能未能积极充分发挥。因此,从我国实际现状出发,并借鉴英法等发达国家成熟的巨灾风险管理经验,建立并完善符合我国国情的巨灾风险防范体系与机制是十分必要的。
2英法巨灾保险制度简述
2.1法国巨灾保险制度
法国巨灾保险制度是商业保险公司运作、政府补贴支持的保险制度。任何被保险人不论其面临的自然灾害风险系数如何,只要投保“火灾”或者“营业性损失”的财产和运输工具都必须附加购买巨灾保险。而对于所经营的自然灾害风险业务,商业保险公司可以自愿向法国中央再保险公司进行再保险以分担风险。商业保险公司与法国中央再保险公司之间的再保险框架分为两个方面:首先,商业保险公司对于自己经营的全部自然灾害保险业务,商业保险公司以比例再保险方式将其中一部分分担再保险公司。一旦保险标的因承保的风险造成损失,再保险公司按照一定比例承担损失赔偿责任。其次,对于商业保险公司承保的自然灾害保险业务未向再保险分担的风险部分,商业保险公司可以以非比例再保险方式向再保险公司或其他保险公司分出。当商业保险公司承担的损失赔付超过其自身赔偿责任限额时,再保险公司负责赔偿超过部分,当再保险公司所承担的赔付额超过其保费收入时,国家财政承担超过部分。
由上述分析可知,法国巨灾保险有一定的强制性特点,其运作模式是政府与商业保险公司合作运营巨灾风险。商业保险公司和再保险公司所支付的赔付额超过其再保险保费承担部分,由国家财政承担。这种风险转移和风险安排,既能确保商业保险公司拥有足够的保费承担一部分责任,又能保证再保险公司及政府做最后的“担保人”。
2.2英国洪水保险制度
英国的洪水保险制度则是保险公司主导的保险风险经营模式,把风险完全市场化,即政府与保险机构建立牢固合作关系,签订一份合作协议。该协议明确规定了政府和保险业各自承担的责任限额。保险公司自愿将洪水风险纳入家庭及小企业财产保单的责任范围之内并承担全部风险责任,并通过再保险公司进一步分散聚合的巨灾风险。政府的主要职能是以非保险的方式在政策上积极支持商业保险公司开展洪水保险。例如政府要配合保险公司,建立有效的防洪工程体系,并主动向保险公司提供洪水风险评估、灾害预警、气象研究资料等相关数据、资料。
由此可见,英国洪水保险模式完全市场化运作,承担主体是商业保险公司,政府只是提供防洪工程建设、巨灾风险评估和灾前预警等。其不但减轻英国政府的财政压力负担,而且商业保险公司可以充分利用广泛的营销网络系统分散风险。因此,虽然英国洪水发生的频率和损失额度在上升,但其成本却依旧较低,保持着高度的竞争性。
3国外巨灾保险制度对我国的启示
3.1把巨灾保险纳入强制保险
我国巨灾风险具地域性的特点,因此存在着逆向选择的问题,政府的作用要能够化解保险交易中的逆向选择问题。我国政府可以仿照法国强制要求所有人都投保,并对投保人给与一定的补贴,以吸引更多人投保,从而分散巨灾风险。
3.2政府和保险公司合理的角色分担
一方面,如果巨灾风险完全由商业保险公司来经营很不现实,故英国式的完全商业化巨灾保险运作模式并不太适合我国;另一方面,基于巨灾损失的不确定性以及国家财政的有限性,我国也不可能建立政府主导型的巨灾保险运作模式。因此,我国巨灾保险制度可以采取由政府与商业保险公司共同合作经营的模式。保险公司利用其专业技能知识和广泛的营销渠道进行巨灾保险的保单销售、提供理赔服务等。当商业保险公司、中央再保险公司所承担的赔付额超过其再保险保费承担部分,由国家财政承担。当然,政府也可以设立巨灾保险基金,在灾后进行及时补偿,也可以作为再保险人来弥补不保险资金不足的缺陷。
3.3建立巨灾风险分析模型
精确的风险分析模型对建立巨灾风险十分必要。我们应借鉴英国政府在巨灾保险中的经验,向保险公司提供洪水风险评估、灾害预警、气象研究资料等信息。我国政府组织有关部门专题进行跨学科、跨部门攻关,尽快建立巨灾风险数据库、巨灾风险分析模型,完善巨灾保险预测技术。保险行业协会和保险机构也要为分析、处理、总结理赔经验和教训提供必要的数据支持基础。
4结束语
借鉴法国与英国巨灾保险的经验,我国的巨灾保险制度可以在政府介入的情况下运行,即商业保险公司与政府共同经营。换而言之,当政府利用自己的号召力、组织力以及在风险分散的维度和资金方面的优势共同合作时,保险公司发挥其在制定保单、推销保单以及核保核赔方面的优势,对巨灾保险的发展具有积极的推动作用。
中图分类号:G449.7文献标识码: A
城镇化的高强度开发建设,导致城镇不透水面积成倍增加,而河塘沟渠等调蓄水体则急剧减少,在城市面貌日新月异的同时,也积累了巨大的内涝风险。近年来国内多座城市出现严重的内涝灾害,造成重大经济损失和人员伤亡,引起社会普遍关注和强烈反响。
开展城市内涝风险评估,是加强排水防涝体系建设、防范内涝灾害的重要基础工作。内涝风险评估通常采用计算机仿真模拟的方法,模拟演算特定暴雨强度下的地面积水深度,积水深度越大则内涝风险越高。常规的计算机模拟方法计算精度高,但是需要输入大量的基础数据,包括排水管渠、排涝水系的拓扑结构和几何尺寸,泵站的流量及启排水位等,工作量大,耗时费力[1]。本文基于水量平衡的原理,深入分析了降雨径流量、水体调蓄容积、泵站排水能力、地面积水深度等主要因素的相互关系,提出一种内涝风险的快速评估方法,可以在短时间内得出评估成果,且具有相当高的精确性。
1 基本原理
城市排水防涝体系主要由排水管网、排涝水系及排涝泵站构成,降雨径流经排水管网收集输送,排入水系,再经泵站排放。假定排水管网和排涝水系完全均匀分布于排水区内,且具有足够的排水能力。降雨初期,降雨径流在水系内蓄积,不会形成地面积水。当降雨强度超过泵站排水能力并且将水系的有效调蓄容积充满之后,才会形成地面积水。即排水区内地面积水深度仅取决于降雨径流量、泵站规模以及水系的调蓄容积。降雨径流量由防涝标准和长历时降雨雨型确定;调蓄容积为水面面积和调蓄水深的乘积,通常调蓄水深取0.5m,则调蓄容积可以折算为水面率。基于水量平衡的原理,可以确定地面积水深度、泵站规模、水面率、降雨径流量的相互关系。
以芜湖市桂花桥排水区为例,该区面积11.45km2,现状水面率9.27%,现有一座排涝泵站――桂花桥泵站,按照20年一遇的防涝标准建设,泵站排水能力为40m3/s。
采用水利部门的净雨时程分配办法,重现期取20年,建立时间步长为1h、降雨历时为24h的降雨雨型,如图1所示。需要说明的是,该雨型为扣除入渗损失的净雨雨型。
图 1长历时降雨雨型(净雨)
根据前述的假定条件,泵站排水能力为40m3/s,按照排水区面积折算为每小时可以排除的降雨径流量,即40×3600 /11.45/1000=12.58mm/h。
根据排水区的现状水面率,调蓄水深按0.5m计,将水系的调蓄容积折算为可以调蓄的径流量(单位为mm,以HT表示),即HT=9.27%×0.5×1000=46.35mm。
将降雨雨型进行如下修正:比较累计降雨径流量与HT的差值,找出累计降雨径流量恰好超过HT的时点,将此时点之前的各时段的降雨径流量调整为0。降雨雨型的修正如表1所示。
表1 降雨雨型修正
修正后的累计降雨径流量,超过泵站排水量的差值,即为地面平均积水深度。可以得出,在11时地面平均积水深度达到最大值50.9mm。降雨径流量、调蓄容积、泵站排水量以及地面平均积水深度之间的关系可以通过图2表示。
图2桂花桥排水区水量平衡关系
2 利用二维水动力模型模拟地面漫流
以上水量平衡计算得出的地面平均积水深度,只有在排水区的地面完全平坦的理想条件下才会出现。即使在总体地形较为平坦的平原城市,地面起伏也是普遍存在。降雨径流总是向低洼地带汇集,因此低洼地带的地面积水深度远大于平均积水深度。为了体现地形对于地面积水深度的影响,可以采用二维水动力模型来模拟地面漫流过程。
仍以桂花桥排水区为例,采用丹麦水利研究所(DHI)开发的MIKE 21模型软件,模拟过程如下:
将桂花桥排水区的数字高程模型(DEM)导入MIKE 21;在模拟文件中,设置降雨强度为表1中修正后的降雨雨型;为了简化模型,将泵站排水能力概化为固定的蒸发强度,表达降雨径流从排水区排除,如前所述,设置蒸发强度为12.58mm/h。经过上述设置,即可进行动态模拟,得到地面积水深度随降雨历时的变化情况。图3、图4为模拟得到的不同时间节点的地面积水深度情况。
图3 第12小时地面积水深度情况
图4 第23小时地面积水深度情况
3 内涝风险评估
目前国内尚未形成统一的内涝风险评估标准。一般认为路面积水深度在0.15m以下,积水不会淹没道路侧石,不影响行人和机动车辆通行,而且积水只是沿路面汇积,不会造成周边建筑物浸水,不至于形成内涝灾害。当积水深度超过0.15m时,会造成一定程度的灾害损失,主要表现在交通受阻、建筑物浸水、财产损失甚至人员伤亡。灾害严重程度与积水深度和积水时间有关。
参考天津等地的内涝风险等级划分标准[2] [3],初步拟定芜湖市内涝风险等级标准,详见表2。
表 2内涝风险等级
根据MIKE 21模拟结果,利用MIKE软件中的统计分析工具,可以得到桂花桥排水区的内涝风险区划图及内涝风险评估统计表,如图5及表3所示。
图5 桂花桥排水区内涝风险区划图
表 3桂花桥排水区内涝风险评估统计表
将风险评估结果与近年来内涝实地调查统计资料进行对照分析,风险评估所反映的高风险区与实际内涝情况较为接近,说明上述内涝风险快速评估方法具有相当高的精确性。
4 结语
(1)本文提出的内涝风险快速评估方法,对于排水管网、排涝水系等繁琐细节进行简化处理,着重于降雨径流量、水体调蓄容积、泵站排水能力、地面积水深度等主要因素的研究分析,并采用二维水动力模型进行模拟评估,具有高效便捷且精度较高的优点。
(2)快速评估方法可以用于内涝风险的初步评估,掌握内涝高风险区的分布情况。高风险区所占比例虽小,却是城市排水防涝的重点区域。针对初步评估得到的高风险区,再进行精细化的计算机模型分析,能够取得事半功倍的效果。
(3)常规的评估方法需要调查收集大量的基础资料。快速评估方法所需的基础资料为:排水区的地形资料、当地降雨资料、排水区面积及水面率、排涝泵站规模,这些资料较易取得,便于开展评估工作。在缺乏排水管网和排涝水系的基础资料的情况下,采用快速评估方法可以得到较为满意的评估结果。
参考文献
[1] 张冬冬,严登华,王义成,等. 城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展. 灾害学,2014,29(1):144~149