修正损失率的溃坝洪水经济损失评估方法研究

2016-07-22刘欣欣顾圣平赵一梦吕弯弯

水利经济 2016年3期

关键词：溃坝经济损失损失率

刘欣欣,顾圣平,赵一梦,吕弯弯,何　蕾,贺　军

(河海大学水利水电学院,江苏南京　210098)

修正损失率的溃坝洪水经济损失评估方法研究

刘欣欣,顾圣平,赵一梦,吕弯弯,何蕾,贺军

(河海大学水利水电学院,江苏南京210098)

摘要：为提高溃坝洪水经济损失评估的精度,研究分析了已有的溃坝洪水经济损失评估方法,提出运用损失率模型评估溃坝洪水经济损失时,应考虑溃坝洪水的特性,对损失率进行必要修正。除了考虑淹没水深和历时因素外,还定量地分析了溃坝洪水流速和预警时间对损失率的影响,对溃坝洪水进行影响分区,通过建立流速修正系数以及预警时间修正系数对损失率进行修正,并以刘家台水库为例进行了实例论证。结果表明,采用损失率修正模型可以更准确地评估溃坝洪水造成的经济损失。

关键词：溃坝;损失率;修正系数;经济损失

我国作为世界上水库大坝数量最多的国家,已建造的水坝几乎遍布所有大小江河的干流或支流上。根据第一次全国水利普查公报可知,到2011年我国共建有水库98 002座,总库容达9 323.12亿m3,数量庞大的水坝为我国带来了巨大的利益,在防洪、供水、发电等方面都具有重要作用。但是我国的水库多建于20世纪50-70年代,技术水平受限,运行设施老化,病险水库数量大、比例高,因此存在着极大的风险,据统计,直至20世纪80年代,我国年均仍有20余座水库发生溃坝[1],由此可见我国面临的溃坝问题是不容忽视的,而溃坝造成的洪水具有极大的冲击力与破坏力,会给下游的城市、村庄造成巨大的损失,对此进行提前预测有利于防洪减灾工作,因此研究溃坝洪水导致的经济损失是十分必要的。

已有的溃坝洪水经济损失评估方法主要通过收集大量溃坝损失资料,建立经济损失与受灾状况参数之间的相关关系[2];也有专家对受淹资产的类别进行划分,并建立各类资产相应的损失系数[3],得到较以往准确的评估结果;随着空间信息技术的不断发展,基于GIS或RS的经济损失评估也在不断增多[4-5],但这些方法都不曾考虑或者只定性地提及了流速与预警时间的影响,由于考虑的影响因素的缺失,所以评估结果误差较大。本文通过对损失率的修正,希望在一定程度上减少溃坝洪水经济损失评估的误差。

1溃坝洪水经济损失评估模型

溃坝洪水导致的经济损失主要可以分为直接经济损失和间接经济损失。直接经济损失是指洪水直接淹没造成的财产类损失以及生产类损失的总和,财产类损失包括基础设施损失、单位财产损失、居民财产损失(包括居民的房屋以及室内财产的损失);生产类损失包括工商企业损失、农林牧渔损失。间接经济损失是指洪水次生灾害和衍生灾害所造成的损失。它既是时间性的波及损失,又是区域性的波及损失。由于间接经济损失涉及到的影响因素很多,与直接经济损失之间的划分界限也并不明显,因而要全面而准确地计算出间接经济损失是十分困难的,一直以来对它的分类也存在不少争议[6],文献[7]认为可以将间接经济损失分为三大类:产业关联性损失、投资溢价损失以及抢险救灾费用。

根据对溃坝洪水经济损失构成的分析,笔者认为溃坝洪水的经济损失为直接经济损失及间接经济损失之和:

(1)

式中:S为溃坝洪水的经济损失,万元;S1为溃坝洪水的直接经济损失,万元;S2为溃坝洪水的间接经济损失,万元。

1.1直接经济损失

溃坝洪水直接经济损失分为财产类损失与生产类损失两部分，其计算公式为

(2)

式中:S财为溃坝洪水的财产类损失,万元;S生为溃坝洪水的生产类损失,万元。

这两部分损失计算时有多种模型可以采用:①损失率模型,以各类灾前财产价值和损失率相乘即可,该模型对各种受灾对象均适用;②经济活动中断时间模型,以经济活动单位时间产值与中断时间相乘,这种方法主要适用于工商企业等停业造成的损失;③长度比例模型,以单位长度修复费用与毁坏长度相乘,主要用于输送管道、道路桥梁等破坏对象[8]。

本文对财产类损失中的道路桥梁、通信线路等基础设施采用了长度比例模型,其余财产类损失采用的为损失率计算模型:

(3)

式中:F1i为单位财产及居民财产损失中第i类财产的灾前价值,万元;β1i为单位财产及居民财产损失中第i类财产的损失率,%;m为单位财产及居民财产划分的总个数;M2j为基础设施损失中第i类设施单位长度的价值,万元/m;L2j为基础设施损失中第i类设施的毁坏长度,m;n为基础设施划分的总个数。

对生产类损失中的农林牧渔业损失也采用损失率计算模型,而工商业停减产损失采用经济活动中断时间模型,故生产类损失计算模型如下:

(4)

式中:F2i为农林牧渔业损失中第i类行业的灾前价值,万元;β2i为农林牧渔业损失中第i类财产的损失率,%;D2j为工商业停减产损失中第j类行业的灾前净产值,万元/d;t2j为工商业停减产损失中第j类行业的停减产时间,d。

1.2间接经济损失

洪水间接经济损失的计算有多种方法,根据间接经济损失的界定视角不同,可以把洪灾间接经济损失的评估方法分成两大体系,即基于存量-流量方法体系和基于投入-产出方法体系,前者包括:比例系数法、马尔科夫模拟法和系统动力学方法;后者包括:经济增长模型法、投入产出法和可计算一般均衡方法[7]。

这些方法中比例系数法由于计算方便快捷,最常被采用,即:

(5)

式中:ki为第i类行业的间接损失系数;S1i为第i类行业的直接经济损失。

间接损失系数ki的取值国内外都做过一些研究,其中美国住宅为15%,商业为37%,工业为45%,公用事业为10%,公共产业为34%,农业为10%,公路为25%,铁路为23%;前苏联在20%～25%之间取值;澳大利亚住宅为15%,商业37%,工业45%;中国取农业15%～28%,工业16%～35%[9]。

1.3损失率修正

在溃坝洪水直接经济损失评估中损失率是重要参数,损失率值的准确度对评估结果的准确性有很大影响。洪灾的损失率是指受灾区域在发生洪灾后损失的各类财产的价值及各行业产值与未发生洪灾时实际值的比值。通常,损失率与淹没水深、流速、历时和预警时间等因素有关,可根据当地或类似地区以往的溃坝灾情损失资料通过多元回归分析或者逐步回归分析方法确定。

溃坝洪水的冲击强度直接影响了其造成的损失,靠近溃坝处的地区往往受到极强的洪水冲击,损失极大,而离坝址很远的地区受到洪水冲击的强度很小,造成的损失也很小。参考相关资料,本文将靠近坝址处的地区称为毁灭区,损失率取100%,划分标准定义为hv>7 m2/s,并且v>2 m/s,其中h是指淹没水深,v是指淹没流速;远离坝址处的地区称为安全区,损失率取0,此处划分标准为h<0.1 m,v<0.1 m/s;在这两者之间的区域为部分破坏区,损失率根据当地的流速、水深、历时来分析计算[10]。

溃坝洪水区别于一般洪水的主要特点是它的流速比较快,破坏力相应地也强于一般洪水,已有文献中损失率获取时往往只考虑了淹没水深或者水深及历时,得到的关系式为β′=f1(h)或β′=f1(h,t),未曾考虑到流速的影响,因此并不完全适用于溃坝洪水的计算,同时预警时间对损失率的影响也没有得到重视,本文在已有公式的基础上乘以相关修正系数,包括流速影响修正系数f2(v),预警时间影响修正系数f3(T),减少了损失率计算的误差。

最终的损失率

经过分析,可以将流速影响修正系数与流速之间的关系以函数的形式表现出来,如图1所示。

图1　f2-v关系

由图1可见,当流速小于v1时不会对损失率产生影响,流速到达v2后对损失率的影响达到最大,m是指最大流速修正系数,根据溃坝洪水影响分区的划分,可取v1=0.1 m/s,v2=2 m/s,另外,修正损失率时应注意修正后的最大损失率不应大于100%,由此可以确定m的值。

由于溃坝洪水造成的损失大小与其对物体的破坏作用大小有关,溃坝洪水对物体的作用主要是动水压力,而动水压力与v2成正比,所以在v1与v2之间的部分可认为f2与v2成正比。

最终得到的流速影响修正系数与流速之间的关系式如下:

(6)

对于预警时间对损失率的影响,随着预警时间的加长,损失率不断降低,直至达到某个值后不再发生变化,经分析采用图2的分段函数。图中n是指当预警时间足够时,仍然无法转移走的物品占全部物品的比例,T1是指将所有可搬物件转移至安全地区所需时间。首先要考虑有多少物品是可以转移出去,免受损害的,不同的转移程度对应不同的n值,n值从0到1按照等值内插的方法可列成表1。

图2　f3-T关系

转移程度完全不可移极少量可移少数可移多数可移绝大部分可移全部可移n值10.80.60.40.20

预警时间可以影响的主要包括单位财产中工商业产品库存和设备的转移,以及居民财产中室内财产的转移。工商业产品的库存如果有足够的预警时间应该是绝大部分可移的,取n=0.2,而工商业的设备应当是极少数可移的,取n=0.8,居民室内财产应该是多数可移的,取n=0.4。

根据相关文献研究结果可知,居民住宅中将所有可搬物件搬移至安全地带所需预警时间的平均值为1.5 h,即T1=1.5 h,工商业产品库存的搬移时间也可以参考该数据[11]。

最终得到的预警时间影响修正系数与预警时间之间的关系式如下:

(7)

1.4洪灾损失增长率

在应用上文的模型进行溃坝洪水经济损失计算时,还需要结合实际状况。若对已有洪水进行损失估算,只需要根据当时的经济状况按照本模型计算即可,若对溃坝洪水损失进行预测,则需要考虑到社会经济状况的不同导致的变化,由于社会经济发展水平不断提高,人们拥有的社会财富不断增加,一旦发生洪灾,造成的损失是逐年增长的,可以用洪灾损失增长率来反映这种增长[6]:

(8)

式中:Ct为预测年的洪灾损失;Ct0为基准年的洪灾损失;r为洪灾损失年增长率。

鉴于影响洪水损失增长率的因素很多,且相互关系复杂,目前还没有一套公认的计算损失增长率的有效方法。按不同的时段和不同的承灾体选取相应的损失增长率误差会比较小,但由于相关资料比较匮乏,所以可以用多年平均值代替。吴恒安[12]认为洪灾损失年综合增长率在1%～4%之间。

2实例验证

2.1溃坝洪水资料

1963年8月,河北省刘家台水库发生了严重的溃坝事故,文献[13]经统计分析得到此次溃坝给保定市造成经济损失约791.91万元。刘家台水库库容为4 054万m3,水库坝址断面控制的流域面积为174 km2,最大入库洪峰1 575 m3/s。由于水库工程质量存在问题,8月8日4时许,大坝溃决,溃坝洪水来势汹汹,从南坝头漫溢,仅半小时冲开大坝,溃坝后引起的洪水达0.75亿m3,豁口底宽180 m,深达坝基,瞬时最大垮坝流量28 000 m3/s,下游瞬时水深达18 m左右,主要淹没了下游 30 km 范围内的易县、满城、顺平3县68个村庄,受灾人数为64 941人,靠近大坝下游的东高士庄村所有的房屋树木在5分钟内全部被冲毁。根据已有文献中应用FLDWAV软件分析出的刘家台水库洪水演进过程,可以对刘家台水库溃坝造成的经济损失进行评估[14]。

根据淹没状况将刘家台水库的溃坝洪水分为4个淹没区进行分析,分别对应不同的水深、流速、历时和预警时间,如表2所示。

表2　分区淹没状况

2.2损失评估

本文损失率选择和保定市经济结构以及地理环境相似的黄河下游地区的数据[15-16]。

根据分区的定义可判断出分区一和分区二属于毁灭区,各类损失率可认为是100%,其他淹没区则处于部分破坏区,需要利用流速和预警时间的修正系数进行损失率修正,修正系数的计算以居民财产为例进行说明。

居民财产中的房屋主要需考虑流速的修正,而室内财产主要需考虑预警时间的修正。由资料获得的居民房屋的最大损失率为0.595,故m=1/0.595=1.681,又已知v1=0.1 m/s,v2=2 m/s,根据式(6)可得到f2的表达式:

(9)

由上文可知居民室内财产的T1=1.5 h,n=0.4,根据式(7)可得到f3的表达式:

(10)

分区三的流速v=7.69 m/s,预警时间T=0.625 h,故f2=1.681,f3=0.75。

分区四的流速v=1.81 m/s,预警时间T=0.631 h,故f2=1.552,f3=0.747 6。

按照上述方法对居民财产的损失率修正的结果如表3所示,对其他损失也可以采用同样的方法进行计算。

表3　居民财产损失率

根据修正前后的损失率值,可以对直接经济损失进行估算,估算结果经总结整理后得到表4。

表4　直接经济损失分类统计　万元

采用间接系数法得到间接经济损失,与直接经济损失相加后得到总损失,再与实际损失进行对比,结果见表5。

表5　误差统计表

分析得出,流速对评估结果的影响远大于预警时间,修正前由于不曾考虑流速的影响,所以极大地低估了溃坝洪水会造成的损失,对损失率进行修正后,经济损失的评估值大幅提高,误差从32.9%降低到了5.43%,由此可见,考虑到流速和预警时间的影响后可以减少溃坝洪水经济损失计算的误差,使计算结果更为精确。

3结语

溃坝洪水不同于一般洪水,它有着更高的流速、更强的破坏性,对同样的淹没水深和淹没历时,若流速不同,造成的后果也是不一样的,如果忽略流速的影响,将会影响到损失评估的准确性。本文在已有经济损失评估模型的基础上定量地考虑了流速与预警时间的作用,通过设立修正系数的方法提高评估结果的准确度,构建出完整的溃坝洪水经济损失评估模型,经过实例验证,模型的准确性较高,可以应用到溃坝洪水的经济损失评估中,也同样适用于普通洪水。但是,该模型需要较多洪水淹没状况资料,在资料不全且对评估结果准确度要求不高的情况下可以采用其他模型。

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基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2013BAB06B01)