修正損失率的潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法研究

劉欣欣,顧圣平,趙一夢(mèng),呂彎彎,何　蕾,賀　軍

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京　210098)

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修正損失率的潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法研究

劉欣欣,顧圣平,趙一夢(mèng),呂彎彎,何蕾,賀軍

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京210098)

摘要：為提高潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估的精度,研究分析了已有的潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法,提出運(yùn)用損失率模型評(píng)估潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失時(shí),應(yīng)考慮潰壩洪水的特性,對(duì)損失率進(jìn)行必要修正。除了考慮淹沒水深和歷時(shí)因素外,還定量地分析了潰壩洪水流速和預(yù)警時(shí)間對(duì)損失率的影響,對(duì)潰壩洪水進(jìn)行影響分區(qū),通過建立流速修正系數(shù)以及預(yù)警時(shí)間修正系數(shù)對(duì)損失率進(jìn)行修正,并以劉家臺(tái)水庫為例進(jìn)行了實(shí)例論證。結(jié)果表明,采用損失率修正模型可以更準(zhǔn)確地評(píng)估潰壩洪水造成的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：潰壩;損失率;修正系數(shù);經(jīng)濟(jì)損失

我國(guó)作為世界上水庫大壩數(shù)量最多的國(guó)家,已建造的水壩幾乎遍布所有大小江河的干流或支流上。根據(jù)第一次全國(guó)水利普查公報(bào)可知,到2011年我國(guó)共建有水庫98 002座,總庫容達(dá)9 323.12億m3,數(shù)量龐大的水壩為我國(guó)帶來了巨大的利益,在防洪、供水、發(fā)電等方面都具有重要作用。但是我國(guó)的水庫多建于20世紀(jì)50-70年代,技術(shù)水平受限,運(yùn)行設(shè)施老化,病險(xiǎn)水庫數(shù)量大、比例高,因此存在著極大的風(fēng)險(xiǎn),據(jù)統(tǒng)計(jì),直至20世紀(jì)80年代,我國(guó)年均仍有20余座水庫發(fā)生潰壩[1],由此可見我國(guó)面臨的潰壩問題是不容忽視的,而潰壩造成的洪水具有極大的沖擊力與破壞力,會(huì)給下游的城市、村莊造成巨大的損失,對(duì)此進(jìn)行提前預(yù)測(cè)有利于防洪減災(zāi)工作,因此研究潰壩洪水導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是十分必要的。

已有的潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法主要通過收集大量潰壩損失資料,建立經(jīng)濟(jì)損失與受災(zāi)狀況參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系[2];也有專家對(duì)受淹資產(chǎn)的類別進(jìn)行劃分,并建立各類資產(chǎn)相應(yīng)的損失系數(shù)[3],得到較以往準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果;隨著空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展,基于GIS或RS的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估也在不斷增多[4-5],但這些方法都不曾考慮或者只定性地提及了流速與預(yù)警時(shí)間的影響,由于考慮的影響因素的缺失,所以評(píng)估結(jié)果誤差較大。本文通過對(duì)損失率的修正,希望在一定程度上減少潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估的誤差。

1潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型

潰壩洪水導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失主要可以分為直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。直接經(jīng)濟(jì)損失是指洪水直接淹沒造成的財(cái)產(chǎn)類損失以及生產(chǎn)類損失的總和,財(cái)產(chǎn)類損失包括基礎(chǔ)設(shè)施損失、單位財(cái)產(chǎn)損失、居民財(cái)產(chǎn)損失(包括居民的房屋以及室內(nèi)財(cái)產(chǎn)的損失);生產(chǎn)類損失包括工商企業(yè)損失、農(nóng)林牧漁損失。間接經(jīng)濟(jì)損失是指洪水次生災(zāi)害和衍生災(zāi)害所造成的損失。它既是時(shí)間性的波及損失,又是區(qū)域性的波及損失。由于間接經(jīng)濟(jì)損失涉及到的影響因素很多,與直接經(jīng)濟(jì)損失之間的劃分界限也并不明顯,因而要全面而準(zhǔn)確地計(jì)算出間接經(jīng)濟(jì)損失是十分困難的,一直以來對(duì)它的分類也存在不少爭(zhēng)議[6],文獻(xiàn)[7]認(rèn)為可以將間接經(jīng)濟(jì)損失分為三大類:產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性損失、投資溢價(jià)損失以及搶險(xiǎn)救災(zāi)費(fèi)用。

根據(jù)對(duì)潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失構(gòu)成的分析,筆者認(rèn)為潰壩洪水的經(jīng)濟(jì)損失為直接經(jīng)濟(jì)損失及間接經(jīng)濟(jì)損失之和:

(1)

式中:S為潰壩洪水的經(jīng)濟(jì)損失,萬元;S1為潰壩洪水的直接經(jīng)濟(jì)損失,萬元;S2為潰壩洪水的間接經(jīng)濟(jì)損失,萬元。

1.1直接經(jīng)濟(jì)損失

潰壩洪水直接經(jīng)濟(jì)損失分為財(cái)產(chǎn)類損失與生產(chǎn)類損失兩部分，其計(jì)算公式為

(2)

式中:S財(cái)為潰壩洪水的財(cái)產(chǎn)類損失,萬元;S生為潰壩洪水的生產(chǎn)類損失,萬元。

這兩部分損失計(jì)算時(shí)有多種模型可以采用:①損失率模型,以各類災(zāi)前財(cái)產(chǎn)價(jià)值和損失率相乘即可,該模型對(duì)各種受災(zāi)對(duì)象均適用;②經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中斷時(shí)間模型,以經(jīng)濟(jì)活動(dòng)單位時(shí)間產(chǎn)值與中斷時(shí)間相乘,這種方法主要適用于工商企業(yè)等停業(yè)造成的損失;③長(zhǎng)度比例模型,以單位長(zhǎng)度修復(fù)費(fèi)用與毀壞長(zhǎng)度相乘,主要用于輸送管道、道路橋梁等破壞對(duì)象[8]。

本文對(duì)財(cái)產(chǎn)類損失中的道路橋梁、通信線路等基礎(chǔ)設(shè)施采用了長(zhǎng)度比例模型,其余財(cái)產(chǎn)類損失采用的為損失率計(jì)算模型:

(3)

式中:F1i為單位財(cái)產(chǎn)及居民財(cái)產(chǎn)損失中第i類財(cái)產(chǎn)的災(zāi)前價(jià)值,萬元;β1i為單位財(cái)產(chǎn)及居民財(cái)產(chǎn)損失中第i類財(cái)產(chǎn)的損失率,%;m為單位財(cái)產(chǎn)及居民財(cái)產(chǎn)劃分的總個(gè)數(shù);M2j為基礎(chǔ)設(shè)施損失中第i類設(shè)施單位長(zhǎng)度的價(jià)值,萬元/m;L2j為基礎(chǔ)設(shè)施損失中第i類設(shè)施的毀壞長(zhǎng)度,m;n為基礎(chǔ)設(shè)施劃分的總個(gè)數(shù)。

對(duì)生產(chǎn)類損失中的農(nóng)林牧漁業(yè)損失也采用損失率計(jì)算模型,而工商業(yè)停減產(chǎn)損失采用經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中斷時(shí)間模型,故生產(chǎn)類損失計(jì)算模型如下:

(4)

式中:F2i為農(nóng)林牧漁業(yè)損失中第i類行業(yè)的災(zāi)前價(jià)值,萬元;β2i為農(nóng)林牧漁業(yè)損失中第i類財(cái)產(chǎn)的損失率,%;D2j為工商業(yè)停減產(chǎn)損失中第j類行業(yè)的災(zāi)前凈產(chǎn)值,萬元/d;t2j為工商業(yè)停減產(chǎn)損失中第j類行業(yè)的停減產(chǎn)時(shí)間,d。

1.2間接經(jīng)濟(jì)損失

洪水間接經(jīng)濟(jì)損失的計(jì)算有多種方法,根據(jù)間接經(jīng)濟(jì)損失的界定視角不同,可以把洪災(zāi)間接經(jīng)濟(jì)損失的評(píng)估方法分成兩大體系,即基于存量-流量方法體系和基于投入-產(chǎn)出方法體系,前者包括:比例系數(shù)法、馬爾科夫模擬法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法;后者包括:經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模型法、投入產(chǎn)出法和可計(jì)算一般均衡方法[7]。

這些方法中比例系數(shù)法由于計(jì)算方便快捷,最常被采用,即:

(5)

式中:ki為第i類行業(yè)的間接損失系數(shù);S1i為第i類行業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)損失。

間接損失系數(shù)ki的取值國(guó)內(nèi)外都做過一些研究,其中美國(guó)住宅為15%,商業(yè)為37%,工業(yè)為45%,公用事業(yè)為10%,公共產(chǎn)業(yè)為34%,農(nóng)業(yè)為10%,公路為25%,鐵路為23%;前蘇聯(lián)在20%～25%之間取值;澳大利亞住宅為15%,商業(yè)37%,工業(yè)45%;中國(guó)取農(nóng)業(yè)15%～28%,工業(yè)16%～35%[9]。

1.3損失率修正

在潰壩洪水直接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估中損失率是重要參數(shù),損失率值的準(zhǔn)確度對(duì)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。洪災(zāi)的損失率是指受災(zāi)區(qū)域在發(fā)生洪災(zāi)后損失的各類財(cái)產(chǎn)的價(jià)值及各行業(yè)產(chǎn)值與未發(fā)生洪災(zāi)時(shí)實(shí)際值的比值。通常,損失率與淹沒水深、流速、歷時(shí)和預(yù)警時(shí)間等因素有關(guān),可根據(jù)當(dāng)?shù)鼗蝾愃频貐^(qū)以往的潰壩災(zāi)情損失資料通過多元回歸分析或者逐步回歸分析方法確定。

潰壩洪水的沖擊強(qiáng)度直接影響了其造成的損失,靠近潰壩處的地區(qū)往往受到極強(qiáng)的洪水沖擊,損失極大,而離壩址很遠(yuǎn)的地區(qū)受到洪水沖擊的強(qiáng)度很小,造成的損失也很小。參考相關(guān)資料,本文將靠近壩址處的地區(qū)稱為毀滅區(qū),損失率取100%,劃分標(biāo)準(zhǔn)定義為hv>7 m2/s,并且v>2 m/s,其中h是指淹沒水深,v是指淹沒流速;遠(yuǎn)離壩址處的地區(qū)稱為安全區(qū),損失率取0,此處劃分標(biāo)準(zhǔn)為h<0.1 m,v<0.1 m/s;在這兩者之間的區(qū)域?yàn)椴糠制茐膮^(qū),損失率根據(jù)當(dāng)?shù)氐牧魉?、水深、歷時(shí)來分析計(jì)算[10]。

潰壩洪水區(qū)別于一般洪水的主要特點(diǎn)是它的流速比較快,破壞力相應(yīng)地也強(qiáng)于一般洪水,已有文獻(xiàn)中損失率獲取時(shí)往往只考慮了淹沒水深或者水深及歷時(shí),得到的關(guān)系式為β′=f1(h)或β′=f1(h,t),未曾考慮到流速的影響,因此并不完全適用于潰壩洪水的計(jì)算,同時(shí)預(yù)警時(shí)間對(duì)損失率的影響也沒有得到重視,本文在已有公式的基礎(chǔ)上乘以相關(guān)修正系數(shù),包括流速影響修正系數(shù)f2(v),預(yù)警時(shí)間影響修正系數(shù)f3(T),減少了損失率計(jì)算的誤差。

最終的損失率

經(jīng)過分析,可以將流速影響修正系數(shù)與流速之間的關(guān)系以函數(shù)的形式表現(xiàn)出來,如圖1所示。

圖1　f2-v關(guān)系

由圖1可見,當(dāng)流速小于v1時(shí)不會(huì)對(duì)損失率產(chǎn)生影響,流速到達(dá)v2后對(duì)損失率的影響達(dá)到最大,m是指最大流速修正系數(shù),根據(jù)潰壩洪水影響分區(qū)的劃分,可取v1=0.1 m/s,v2=2 m/s,另外,修正損失率時(shí)應(yīng)注意修正后的最大損失率不應(yīng)大于100%,由此可以確定m的值。

由于潰壩洪水造成的損失大小與其對(duì)物體的破壞作用大小有關(guān),潰壩洪水對(duì)物體的作用主要是動(dòng)水壓力,而動(dòng)水壓力與v2成正比,所以在v1與v2之間的部分可認(rèn)為f2與v2成正比。

最終得到的流速影響修正系數(shù)與流速之間的關(guān)系式如下:

(6)

對(duì)于預(yù)警時(shí)間對(duì)損失率的影響,隨著預(yù)警時(shí)間的加長(zhǎng),損失率不斷降低,直至達(dá)到某個(gè)值后不再發(fā)生變化,經(jīng)分析采用圖2的分段函數(shù)。圖中n是指當(dāng)預(yù)警時(shí)間足夠時(shí),仍然無法轉(zhuǎn)移走的物品占全部物品的比例,T1是指將所有可搬物件轉(zhuǎn)移至安全地區(qū)所需時(shí)間。首先要考慮有多少物品是可以轉(zhuǎn)移出去,免受損害的,不同的轉(zhuǎn)移程度對(duì)應(yīng)不同的n值,n值從0到1按照等值內(nèi)插的方法可列成表1。

圖2　f3-T關(guān)系

轉(zhuǎn)移程度完全不可移極少量可移少數(shù)可移多數(shù)可移絕大部分可移全部可移n值10.80.60.40.20

預(yù)警時(shí)間可以影響的主要包括單位財(cái)產(chǎn)中工商業(yè)產(chǎn)品庫存和設(shè)備的轉(zhuǎn)移,以及居民財(cái)產(chǎn)中室內(nèi)財(cái)產(chǎn)的轉(zhuǎn)移。工商業(yè)產(chǎn)品的庫存如果有足夠的預(yù)警時(shí)間應(yīng)該是絕大部分可移的,取n=0.2,而工商業(yè)的設(shè)備應(yīng)當(dāng)是極少數(shù)可移的,取n=0.8,居民室內(nèi)財(cái)產(chǎn)應(yīng)該是多數(shù)可移的,取n=0.4。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果可知,居民住宅中將所有可搬物件搬移至安全地帶所需預(yù)警時(shí)間的平均值為1.5 h,即T1=1.5 h,工商業(yè)產(chǎn)品庫存的搬移時(shí)間也可以參考該數(shù)據(jù)[11]。

最終得到的預(yù)警時(shí)間影響修正系數(shù)與預(yù)警時(shí)間之間的關(guān)系式如下:

(7)

1.4洪災(zāi)損失增長(zhǎng)率

在應(yīng)用上文的模型進(jìn)行潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算時(shí),還需要結(jié)合實(shí)際狀況。若對(duì)已有洪水進(jìn)行損失估算,只需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)狀況按照本模型計(jì)算即可,若對(duì)潰壩洪水損失進(jìn)行預(yù)測(cè),則需要考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的不同導(dǎo)致的變化,由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高,人們擁有的社會(huì)財(cái)富不斷增加,一旦發(fā)生洪災(zāi),造成的損失是逐年增長(zhǎng)的,可以用洪災(zāi)損失增長(zhǎng)率來反映這種增長(zhǎng)[6]:

(8)

式中:Ct為預(yù)測(cè)年的洪災(zāi)損失;Ct0為基準(zhǔn)年的洪災(zāi)損失;r為洪災(zāi)損失年增長(zhǎng)率。

鑒于影響洪水損失增長(zhǎng)率的因素很多,且相互關(guān)系復(fù)雜,目前還沒有一套公認(rèn)的計(jì)算損失增長(zhǎng)率的有效方法。按不同的時(shí)段和不同的承災(zāi)體選取相應(yīng)的損失增長(zhǎng)率誤差會(huì)比較小,但由于相關(guān)資料比較匱乏,所以可以用多年平均值代替。吳恒安[12]認(rèn)為洪災(zāi)損失年綜合增長(zhǎng)率在1%～4%之間。

2實(shí)例驗(yàn)證

2.1潰壩洪水資料

1963年8月,河北省劉家臺(tái)水庫發(fā)生了嚴(yán)重的潰壩事故,文獻(xiàn)[13]經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到此次潰壩給保定市造成經(jīng)濟(jì)損失約791.91萬元。劉家臺(tái)水庫庫容為4 054萬m3,水庫壩址斷面控制的流域面積為174 km2,最大入庫洪峰1 575 m3/s。由于水庫工程質(zhì)量存在問題,8月8日4時(shí)許,大壩潰決,潰壩洪水來勢(shì)洶洶,從南壩頭漫溢,僅半小時(shí)沖開大壩,潰壩后引起的洪水達(dá)0.75億m3,豁口底寬180 m,深達(dá)壩基,瞬時(shí)最大垮壩流量28 000 m3/s,下游瞬時(shí)水深達(dá)18 m左右,主要淹沒了下游 30 km 范圍內(nèi)的易縣、滿城、順平3縣68個(gè)村莊,受災(zāi)人數(shù)為64 941人,靠近大壩下游的東高士莊村所有的房屋樹木在5分鐘內(nèi)全部被沖毀。根據(jù)已有文獻(xiàn)中應(yīng)用FLDWAV軟件分析出的劉家臺(tái)水庫洪水演進(jìn)過程,可以對(duì)劉家臺(tái)水庫潰壩造成的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行評(píng)估[14]。

根據(jù)淹沒狀況將劉家臺(tái)水庫的潰壩洪水分為4個(gè)淹沒區(qū)進(jìn)行分析,分別對(duì)應(yīng)不同的水深、流速、歷時(shí)和預(yù)警時(shí)間,如表2所示。

表2　分區(qū)淹沒狀況

2.2損失評(píng)估

本文損失率選擇和保定市經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以及地理環(huán)境相似的黃河下游地區(qū)的數(shù)據(jù)[15-16]。

根據(jù)分區(qū)的定義可判斷出分區(qū)一和分區(qū)二屬于毀滅區(qū),各類損失率可認(rèn)為是100%,其他淹沒區(qū)則處于部分破壞區(qū),需要利用流速和預(yù)警時(shí)間的修正系數(shù)進(jìn)行損失率修正,修正系數(shù)的計(jì)算以居民財(cái)產(chǎn)為例進(jìn)行說明。

居民財(cái)產(chǎn)中的房屋主要需考慮流速的修正,而室內(nèi)財(cái)產(chǎn)主要需考慮預(yù)警時(shí)間的修正。由資料獲得的居民房屋的最大損失率為0.595,故m=1/0.595=1.681,又已知v1=0.1 m/s,v2=2 m/s,根據(jù)式(6)可得到f2的表達(dá)式:

(9)

由上文可知居民室內(nèi)財(cái)產(chǎn)的T1=1.5 h,n=0.4,根據(jù)式(7)可得到f3的表達(dá)式:

(10)

分區(qū)三的流速v=7.69 m/s,預(yù)警時(shí)間T=0.625 h,故f2=1.681,f3=0.75。

分區(qū)四的流速v=1.81 m/s,預(yù)警時(shí)間T=0.631 h,故f2=1.552,f3=0.747 6。

按照上述方法對(duì)居民財(cái)產(chǎn)的損失率修正的結(jié)果如表3所示,對(duì)其他損失也可以采用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算。

表3　居民財(cái)產(chǎn)損失率

根據(jù)修正前后的損失率值,可以對(duì)直接經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行估算,估算結(jié)果經(jīng)總結(jié)整理后得到表4。

表4　直接經(jīng)濟(jì)損失分類統(tǒng)計(jì)　萬元

采用間接系數(shù)法得到間接經(jīng)濟(jì)損失,與直接經(jīng)濟(jì)損失相加后得到總損失,再與實(shí)際損失進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表5。

表5　誤差統(tǒng)計(jì)表

分析得出,流速對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于預(yù)警時(shí)間,修正前由于不曾考慮流速的影響,所以極大地低估了潰壩洪水會(huì)造成的損失,對(duì)損失率進(jìn)行修正后,經(jīng)濟(jì)損失的評(píng)估值大幅提高,誤差從32.9%降低到了5.43%,由此可見,考慮到流速和預(yù)警時(shí)間的影響后可以減少潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算的誤差,使計(jì)算結(jié)果更為精確。

3結(jié)語

潰壩洪水不同于一般洪水,它有著更高的流速、更強(qiáng)的破壞性,對(duì)同樣的淹沒水深和淹沒歷時(shí),若流速不同,造成的后果也是不一樣的,如果忽略流速的影響,將會(huì)影響到損失評(píng)估的準(zhǔn)確性。本文在已有經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型的基礎(chǔ)上定量地考慮了流速與預(yù)警時(shí)間的作用,通過設(shè)立修正系數(shù)的方法提高評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確度,構(gòu)建出完整的潰壩洪水經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型,經(jīng)過實(shí)例驗(yàn)證,模型的準(zhǔn)確性較高,可以應(yīng)用到潰壩洪水的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估中,也同樣適用于普通洪水。但是,該模型需要較多洪水淹沒狀況資料,在資料不全且對(duì)評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確度要求不高的情況下可以采用其他模型。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAB06B01)

作者簡(jiǎn)介：劉欣欣(1992—),女,江蘇鹽城人,碩士研究生,主要從事水利水電系統(tǒng)規(guī)劃及工程經(jīng)濟(jì)研究。E-mail:849922961@qq.com 通信作者：顧圣平(1957—),男,江蘇姜堰人,教授,主要從事水利水電系統(tǒng)規(guī)劃及工程經(jīng)濟(jì)研究。E-mail: spgu@hhu.edu.cn

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.03.009

中圖分類號(hào)：F407.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-9511(2016)03-0036-05

(收稿日期：2015-12-11編輯：陳玉國(guó))