基于層次分析法的水庫潰壩應對等級評定研究

我國的很多大型水庫是建于20世紀50—80年代，隨著運行年限的增加相應的運行風險也不斷升高。近些年，水利部門逐漸加強了對大中小水庫的監管力度，其中水庫的應急防御工作是很重要的一部分。鑒于此，本文以淮河水系淠河流域大別山區串并聯水庫群為典型研究對象，利用水文、氣象和社會經濟數據，基于MIKE 模型模擬結果和層次分析法，構建了水庫潰壩應對等級評定指標體系，旨在確定不同情形下水庫潰壩應對等級，從而為水庫應急預案的制定提供參考。

一、研究區概況

淠河流域地處安徽省西部，淮河中游右岸，大別山北麓。流域東側與東淝河流域接壤，并以江淮分水嶺為界與長江水系的豐樂河、杭埠河相鄰，南達江淮分水嶺與長江水系的巴水、浠水、皖河為鄰，西面是淮河水系的安河、汲河，北抵淮河，流域面積6000km2。其中，山區占72%，丘陵區占17%，沿河平原洼地占11%。地跨岳西縣，霍山縣，金寨縣，六安市裕安區、金安區，霍邱縣，壽縣等7 個縣（區），另涉及舒城縣少數村鎮。

圖1 研究區概化圖

按地形及匯水條件，大致將佛子嶺、響洪甸水庫以上劃定為上游，流域面積3240km2，屬山區；佛子嶺、響洪甸兩水庫壩下至橫排頭站為中游，區間面積1130km2，為山丘區；橫排頭站至淮河干流正陽關站為下游，區間面積1630km2，為丘陵和平原洼地。流域上游有白蓮崖、磨子潭、佛子嶺、響洪甸四座大型水庫，四座水庫下游最近的主要控制站為橫排頭水文站，研究區概化圖見圖1。

二、水庫潰壩應對等級指標構建研究

根據研究區概況可知，四座水庫既有串聯，又有并聯，不同的潰壩組合方式下潰壩洪水的影響范圍、傳播時間、演進路線、洪峰流量等特征因素不一樣，從而使得潰壩洪水對淠河沿線、淮河干流的影響程度各有差異，潰壩洪水可能造成的損失也不同。根據研究可知，當水庫潰壩數量較多時，潰壩洪水的洪峰流量較大，傳播時間較快，下泄的水量也較大，相應影響的區域也較廣。

為了準確科學地分析水庫潰壩后對下游的可能影響，按照科學性、代表性、特殊性、可行性原則選取相關指標。綜合考慮各種水庫潰壩后的影響，可將水庫潰壩應對等級評定需要重點考慮的因素分為5 個，分別為水庫潰壩水量、淠河沿線受淹鄉鎮個數、淠河受災人口、淠河總預估經濟損失和入淮河干流洪峰流量。這5 個因素構成了水庫潰壩應對等級評定指標體系，基于層次分析法對以上5 個需要考慮的因素進行權重分析，水庫潰壩應對等級指標判斷矩陣見表1，得到水庫潰壩應對等級指標體系及各指標的權重系數，見表2。

從表2指標權重系數可以看出，淠河受災人口權重最高，充分體現應急救災以人為本的基本思想，是應對等級評定必須重點考慮的因素，其次比較重要的指標有淠河受淹鄉鎮個數、淠河總預估經濟損失，這兩個指標表征了水庫潰壩后對淠河沿線的影響。

對于各指標取值，經過分析相關參考文獻及研究各指標的具體含義，結合潰壩洪水影響區域的實際情況，各指標具體取值參照表3。對于每種潰壩情形，根據水庫潰壩應對等級評定指標體系相關指標取值與相應權重，計算此潰壩情形下綜合權重值。對于水庫潰壩應對一級情形，綜合權重值為85～100；對于水庫潰壩應對二級情形，綜合權重值為70～85；對于水庫潰壩應對三級情形，綜合權重值為小于70。

表1 水庫潰壩應對等級指標判斷矩陣表

表2 水庫潰壩應對等級指標體系及權重系數表

表3 指標各分數段評定標準表

表4 水庫潰壩計算方案表

三、不同情形下水庫潰壩應對等級評定

1.水庫潰壩情形設計

淠河流域上游四座大型水庫關系復雜，其中白蓮崖水庫和磨子潭水庫構成并聯關系，白蓮崖水庫和磨子潭水庫與佛子嶺水庫分別構成串聯關系，佛子嶺水庫與響洪甸水庫彼此又構成并聯關系，四個水庫間既有串聯又有并聯關系，級聯效應明顯。通過綜合分析，設計了5 種水庫潰壩計算方案，見表4。

2.水庫潰壩應對等級指標計算

水庫潰壩應對等級評定指標包含水庫潰壩水量（X1）、淠河沿線受淹鄉鎮個數（X2）、淠河受災人口（X3）、淠河總預估經濟損失（X4）、入淮河干流洪峰流量（X5），這5 個指標的計算方法說明如下：

（1）指標X1、X2、X5計算說明

目前對潰壩洪水的研究方法主要有物理模擬和數值模型兩類，隨著計算機技術的不斷發展，基于物理過程機制分析的潰壩數值模型發展較快，逐漸成為潰壩研究的主要方法，比較典型的模型有MIKE模型、BREACH 模型、DAMBRK 模型、IWHR DB模型等。通過相關學者的研究，MIKE 模型能夠對潰壩洪水進行很好的模擬，可以計算潰壩洪水的淹沒范圍、淹沒水深、傳播速度、洪水到達時間等，定量估算潰壩洪水的影響。基于MIKE 模型模擬計算結果，可以得到水庫潰壩水量、淠河沿線受淹鄉鎮個數、入淮河干流洪峰流量3 個應對等級指標值。

以方案1 為例說明，方案1 主要考慮響洪甸水庫單庫潰決。由模擬計算可知，響洪甸水庫潰決后，50min 后到達東西淠河匯流點，一部分沿著淠河干流繼續演進，另外一部分則會向東淠河方向流動，這部分洪水影響范圍一直延伸到霍山縣到程家灣區域，同時霍山縣城有一小部分區域被淹沒。約7h 左右，洪水到達六安市，同時橫排頭至六安市區域，淠河河道右側由于地形較低，淹沒范圍較大。潰壩洪水約25h 到達淠河干流模型最后一個斷面趙臺子處，約35h 洪峰到達此處，流量衰減為27000m3/s左右。由于響洪甸水庫庫容較大，潰壩洪水對淠河下游洪泛區的影響較大，整個潰壩洪水需要5d 左右時間消退。

對于方案1，潰壩洪水到達淠河干流模型最后一個斷面趙臺子處約25h，潰壩洪水最終淹沒范圍見圖2，最終淹沒水深見圖3。從圖2可以看出，當響洪甸水庫單庫潰決，潰壩洪水的影響區域主要是霍山縣的衡山鎮、下符橋鎮、但家廟鎮，六安市裕安區的獨山鎮、西河口鄉、石板沖鄉、青山鄉、蘇埠鎮、韓擺渡鎮、平橋鄉、分路口鎮、新安鎮、順河鎮、單王鄉，六安市金安區的城北鄉、木廠鎮、碼頭鎮，霍邱縣的彭塔鄉、馮瓴鄉、潘集鎮，壽縣的隱賢鎮、張李鄉、板橋鎮、迎河鎮、正陽關鎮。從圖3可以看出，平均淹沒水深約2～3m，潰壩洪水一直演進到正陽關鎮。結合兩圖可知，西河口鄉、石板沖鄉、青山鄉、蘇埠鎮、韓擺渡鎮受潰壩洪水影響較大。

圖2 方案1 潰壩洪水最終淹沒范圍圖

圖3 方案1 潰壩洪水最終淹沒水深圖

圖4 方案1 的受災人口、總經濟損失對比圖

表5 計算方案1 水庫潰壩應對等級評定表

表6 計算方案2～方案5 水庫潰壩應對等級評定表

（2）指標X3、X4計算說明

洪水災害損失評估指標需要對洪水災害多方面特征進行描述，單一指標不能全面刻畫它的特征，只有通過包含多方面內容的指標集合才可能達到。從總體上來看，整個系統具有二元化特征，即由洪水災害的自然特征和社會經濟特征兩方面構成。洪災自然屬性指標由發生時間、位置、范圍、程度、動態變化來描述，洪災的社會經濟屬性由人口、耕地、房屋、家庭財產、工商企業、農林牧漁業情況、基礎設施等方面描述。對一個確定的地區而言，影響洪災損失的主要因素是淹沒歷時和淹沒深度。因此，洪災損失率分析主要通過總結已有洪災損失率研究成果，參考近年來調查的其他地區洪災損失率關系及國內外其他研究成果，并根據研究區的實際情況調整擬定。洪災經濟損失一般可歸納為直接損失和間接損失兩方面，本文主要對洪災造成的直接經濟損失（即財產損失）進行分析和估算。基于GIS 技術及洪水數值模擬結果，可以得到不同潰壩計算方案下的淠河受災人口、淠河總預估經濟損失2 個應對等級指標值。

以方案1 為例說明，分區的受災人口、總經濟損失見圖4，從圖4可以看出，裕安區受災人口26.58 萬人、總經濟損失13.68 億元，壽縣受災人口21.49 萬人、總經濟損失15.68 億元，這兩個地區在五個受影響的縣區里面受災人口相對較多、總經濟損失相對較大。從淹沒面積占縣區總面積的比例來看，淹沒面積比例超過50%的裕安區主要是新安鎮、蘇埠鎮、韓擺渡鎮，金安區主要是淠東鄉、城北鄉、馬頭鎮、清水河街道，壽縣主要是迎河鎮、板橋鎮、隱賢鎮、張李鄉。

3.水庫潰壩應對等級評定

基于水庫潰壩應對等級指標計算方法及評定指標各分數段評定標準，以計算方案1 為例進行水庫潰壩應對等級評定，得到計算方案1 的應對等級指標值、相應評定分數值、綜合權重值及應對等級，見表5。計算方案2～方案5 先得到各指標計算值，然后參照計算方案1 求綜合權重的方法計算綜合權重值，最終得到各計算方案的應對等級評定，見表6。

綜上所述，根據水庫潰壩應對等級評定指標及綜合權重值，對不同情形的水庫潰壩應對等級進行了評定，其中一級應對主要為方案3 和方案5，即佛子嶺水庫、響洪甸水庫相繼潰壩的影響是最大的，二級應對主要為方案1 和方案4，三級應對主要為方案2。由于淠河水庫群的四座水庫庫容較大、地勢較高，水庫無論是單庫還是多庫潰壩，對下游造成的損失和影響都將是巨大的。三種不同的應對等級不是針對不同潰壩情形重視程度的評定，而是對于不同潰壩情形下可能造成的影響進行預判，從而開展更有針對性的應急措施，使得最終潰壩洪水造成的損失降到最低、影響降到最小。

四、結論及建議

通過綜合考慮水庫潰壩后的可能影響，構建了水庫潰壩應對等級評定指標體系，評定指標體系包含水庫潰壩水量、淠河沿線受淹鄉鎮個數、淠河受災人口、淠河總預估經濟損失、入淮河干流洪峰流量，其中淠河受災人口的權重系數最高。

基于構建的水庫潰壩應對等級評定指標體系，評定了五種不同情形的水庫潰壩方案，結果表明：（1）佛子嶺水庫、響洪甸水庫相繼潰壩影響最大，為一級應對，響洪甸水庫單庫潰壩或白蓮崖、磨子潭水庫潰壩洪水導致佛子嶺水庫單庫潰壩影響次之，為二級應對，佛子嶺水庫單庫潰壩影響最小，為三級應對；（2）四座串并聯水庫若發生潰壩，無論是單庫潰決還是多庫潰決，產生的影響都是巨大的，五種計算方案水庫潰壩水量約5～39 億m3，淠河沿線受淹鄉鎮15～34 個，淠河受災人口6～80 萬人，淠河總預估經濟損失4～63 億元，入淮河干流洪峰流量6000～38155m3/s。

我國大型水庫潰壩的概率還是相對較低，潰壩的主要是中小型水庫。而水庫潰決集合應對措施在我國的研究相對較少，水庫一旦潰決，影響范圍廣、損失大、社會影響深遠，為了防患于未然，進一步開展水庫長期運行的風險分析與應對措施研究非常迫切且意義重大■