CN115034543B - 一种溃坝生命损失动态估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溃坝生命损失动态估算方法，其将洪水演进区域和人口热力图区域的叠加部分作为估算区域，获取估算区域的人口热力图，以分析估算区域的人口分布以及动态变化规律，应用积分运算求得估算区域的实时人口分布，并根据洪水演进区域溃坝洪水严重程度、警报时间等指标求得风险人口死亡率，进而直接对溃坝事故进行生命损失估算。本发明能够更直观地掌握风险人口的人口分布特征和动态变化趋势，更精确地把握溃坝事故对人造成的影响；此外，本发明降低了溃坝生命损失估算时由于影响因素众多而导致的不确定性，提高了对溃坝事故造成的生命损失估算的准确度，能够为后期的救援工作的调整与优化提供参考。

Description

一种溃坝生命损失动态估算方法

技术领域

本发明涉及大坝风险分析，具体涉及一种溃坝生命损失动态估算方法。

背景技术

水库大坝是调控水资源时空分布、优化水资源配置的重要工程措施，在防洪、灌溉、发电、航运、供水、养殖、水土资源保护和改善生态环境等方面都发挥着不可替代的作用。水库大坝给人类带来巨大效益的同时，其潜在的溃坝风险也不容忽视，水库下游多为生命线集中区域，水库大坝一旦失事，将会严重威胁下游人口生命财产安全。作为世界上水库大坝数量最多的国家，截至2021年底，我国已建成水库大坝98856座。由于我国大坝多建造于20 世纪50～70年代，受当时经济及技术水平制约，普遍存在防洪标准低、工程质量差和病害隐患多而复杂等先天性缺陷问题，部分水库工程长期带病带险运行，导致其老化病害问题凸显、功能逐步萎缩，难以正常发挥工程效益，存在潜在的溃坝风险。

溃坝风险的定义为溃坝概率和溃坝后果的乘积，其中溃坝后果包括生命损失、经济损失以及社会与环境影响等，在溃坝洪水淹没范围确定后，即可估算溃坝后果。在溃坝风险研究初期，美国、加拿大、澳大利亚等国家一般将生命损失折算为金钱损失，以经济损失来度量总的溃坝后果。然而人的生命无法用金钱来估量，且溃坝除了会造成人民无辜失去生命外，还会导致幸存者产生心理恐慌，甚至导致社会不安定。因此溃坝生命损失影响难以用经济指标来度量，目前溃坝后果分析时应主要考虑生命损失。

溃坝事故一旦发生，通常会牵扯到许多行业系统和地区，涉及大范围的地区协调和部门协调。现有研究成果也主要集中在常规应急领域的应急管理。同时，现有的大坝溃决灾害的危险性评价方法得到的评价结果精确度不高，溃坝后果主要考虑生命损失，而生命损失的影响因素众多，如风险人口总数及其分布、溃坝发生时间、警报时间、水深和流速、洪水上涨速率、撤离条件、风险人口对溃坝洪水严重性的理解程度等，这些因素存在很大的不确定性，针对不同的溃坝事件，很难将这些要素一一考虑周全，现有的生命损失评价方法无法对评价区域内整体灾害的危险性做出准确的评价，无法精确地估算生命损失。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种准确度高的溃坝生命损失动态估算方法。

技术方案：本发明所述的溃坝生命损失动态估算方法，包括如下步骤：

步骤1、获取实时人口热力图区域Q和洪水演进区域P，将P∩Q区域作为估算区域，记为R；

步骤2、计算估算区域风险人口死亡率f、风险人口总数P_AR及风险人口死亡率修正系数α；

步骤3、估算溃坝生命损失L_oL＝P_AR*f*α。

进一步地，步骤2中，风险人口死亡率f的计算指标包括溃坝洪水严重性S_d、警报时间 W_T、风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D，如下表所示；

风险人口死亡率f根据上表确定。

进一步地，获取洪水演进过程中任一时刻t_i对应的估算区域内某一位置点A的洪水水深 h(_x,y,i)和洪水流速v(_x,y,i)，其中i为正整数，x和y分别表示估算区域内位置点A的横坐标和纵坐标；

则时刻t_i对应的估算区域内溃坝洪水严重性S_di＝h_(x,y,i)*v_(x,y,i)

接着，结合警报时间W_T、风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D，获取时刻t_i对应的风险人口死亡率f_i。

进一步地，步骤2中，风险人口总数P_AR的计算原理如下：

针对洪水演进过程中的任一时刻t_i，根据对应的人口热力图，获取估算区域内某一微小区域的人口密度ρ_i，则t_i时刻，估算区域内某一微小区域的风险人口总数m_i＝μ*ρ_i*S_i，其中S_i表示人口热力图上某一微小区域的面积；μ表示经验修正系数，取值范围为1.1～2；

则t_i时刻整个估算区域的风险人口总数

进一步地，风险人口死亡率修正系数α的计算指标包括青壮年比例、救援能力、建筑物质量，如下表所示；

风险人口死亡率修正系数α根据上表确定。

进一步地，步骤3中，溃坝生命损失为不同时段溃坝生命损失的累加值，设溃坝从开始到结束的时间段为t₀～t_n，n为正整数，其中t₀～t₁时段开始出现洪水淹没区域，t₁～t₂时段洪水淹没区域进一步扩大，则从t₀～t₁时段累计的生命损失计算方法如下：

在t₁时刻，洪水演进区域记为P₁，人口热力图区域记为Q₁，二者叠加区域记为R₁，t₁时刻整个R₁区域内的风险人口总数记为M₁，则从t₀～t₁时段累计的生命损失为： L_oL1＝M₁*f₁*α，其中f₁表示t₁时刻对应的风险人口死亡率。

进一步地，t₁～t₂时段中累计的生命损失计算方法如下：

t₂时刻人口热力图区域记为Q₂，洪水淹没增量区域记为P₂，洪水淹没区域为P′₂＝P₁∪ P₂；t₁～t₂时段的估算区域分为两部分，一部分为P₂和Q₂的叠加区域，记为R₂，t₂时刻整个R₂区域内的风险人口总数记为M₂，则R₂区域从t₁～t₂时段累计的生命损失为：L_oL2＝M₂*f₂*α，其中f₂表示t₂时刻对应的风险人口死亡率；

t₁～t₂时段估算区域的另一部分区域为P₁，此区域由于在t₁时刻已经有人口死亡，则实际风险人口总数为(M₁-L_oL1)，则P₁区域内从t₁～t₂时段累计的生命损失为： L_oL1,2＝(M₁-L_oL1)*f₂*α；

则在t₀～t₂时段，累计的生命损失为：M_t2＝L_oL1+L_oL2+L_oL1,2。

进一步地，根据t₀～t₁时段、t₁～t₂时段的生命损失计算方法，计算得到t₀～t_n时段累计的生命损失L_oLn，即溃坝生命损失，计算公式如下：

且i为正整数。

进一步地，步骤1中，人口热力图区域Q划分为四种类型：Q_a、Q_b、Q_c、Q_d，分别对应工作日白天人口热力图区域、工作日晚上人口热力图区域、周末白天人口热力图区域、周末晚上人口热力图区域。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

本发明提供的溃坝生命损失动态估算方法是基于人口热力图来进行的，将洪水演进区域和人口热力图区域的叠加部分作为估算区域，获取估算区域的人口热力图以分析估算区域的人口分布及动态变化规律，应用积分运算求得估算区域的实时人口分布，并根据洪水演进区域溃坝洪水严重程度、警报时间等指标求得风险人口死亡率，进而直接对溃坝事故进行生命损失估算。

相较于现有的生命损失评价方法，本发明基于实时动态变化的人口热力图，能更直观地掌握风险人口的人口分布特征和动态变化趋势，无须报告数据分析，采用热力图图形化展现，更精确地把握溃坝事故对人造成的影响。

此外，本发明降低了溃坝生命损失估算时由于影响因素众多而导致的不确定性，提高了对溃坝事故造成的生命损失估算的准确度。面对溃坝事故时，现有的救援政策的针对性不强，本发明能更准确地掌握救援对象数据，如受灾群众位置、人数等数据，且该数据是实时的动态的，更易于为后期的救援工作的调整与优化提供参考。

附图说明

图1是本发明的估算方法流程框图；

图2为洪水演进区域逐时段变化示意图；

图3为石岩水库人口热力图；

图4为石岩水库溃坝洪水淹没时的不同水深区域示意图；

图5为石岩水库溃坝洪水严重性程度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种溃坝生命损失动态估算方法，包括如下步骤：

步骤1、确定估算区域

收集研究对象区域的水文气象、地形地质、河流水系及社会经济等方面的基本资料，并基于此判断人口热力图区域对应的具体地理事物，便于后续仿真模拟。

通过查阅资料和水文计算，获取人口热力图区域Q及洪水演进区域P，将洪水演进区域 P与人口热力图区域Q叠加后的P∩Q区域作为估算区域，记为R；洪水演进区域P与人口热力图区域Q均随时间而变化。

由于人口热力图区域Q内的人口分布在工作日、非工作日、白天、晚上明显不同，因此将Q划分为四种类型：Q_a、Q_b、Q_c和Q_d，分别对应工作日白天人口热力图区域、工作日晚上人口热力图区域、周末白天人口热力图区域和周末晚上人口热力图区域。实际应用中，可根据具体的时间段选择合适的人口热力图区域Q来计算生命损失。

步骤2、计算估算区域风险人口死亡率f、风险人口总数P_AR及风险人口死亡率修正系数α

(1)计算风险人口死亡率f

风险人口死亡率f的计算指标包括溃坝洪水严重性S_d、警报时间W_T、风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D。其中溃坝洪水严重性S_d分为低、中、高三个等级，利用估算区域的水深及流速进行表征。警报时间W_T分为W_T<0.25h，0.25h≤W_T≤1.0h，W_T>1.0h三个等级。风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D分为模糊、明确两个等级。根据洪水演进过程中不同时刻的水深和流速，计算溃坝洪水严重性程度S_d，并结合警报时间W_T、风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D，查询风险人口死亡率推荐表，得到风险人口死亡率f。风险人口死亡率推荐表如表1所示。

表1 风险人口死亡率推荐表

介于不同类型的生命损失溃坝工况可用插值计算求得，如溃坝洪水严重性介于低严重性与中严重性之间，可用两者的计算结果插值进行计算。

洪水演进过程是一个不断变化的状态，其淹没范围是不断扩大的，以t₀为溃坝初始时刻，选择等时段间距的t₁,t₂,……,t_n(n为正整数)为估算时刻，对于时刻t_i(i≤n，且i为正整数)，根据洪水演进过程可求得t_i时刻对应洪水淹没区域以及t_i时刻估算区域内某一位置点A 的洪水水深h(_x,y,i)和洪水流速v(_x,y,i)，其中x和y分别表示估算区域内某一位置点A的横坐标和纵坐标，洪水水深的单位为m，洪水速度的单位为m/s。

则时刻t_i对应的估算区域内溃坝洪水严重性S_di为：

S_di＝h_(x,y,i)*v_(x,y,i) (1)

接着，结合警报时间W_T、风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D，查询风险人口死亡率推荐表，即可得到时刻t_i对应的风险人口死亡率f_i。

(2)计算风险人口总数P_AR

根据洪水演进过程中不同时刻t对应的不同洪水演进区域P，计算洪水演进区域P内的区域风险人口总数P_AR，风险人口总数P_AR指洪水演进区域P内面临洪水淹没风险的当前存活人口数量。

首先，对于t_i时刻，设估算区域内某一微小区域的风险人口总数为m_i，根据人口热力图得到该微小区域的热力值，热力值即为该微小区域的人口密度ρ_i，单位为：人/100m²；则t_i时刻，估算区域内某一微小区域的风险人口总数m_i为：

m_i＝μ*ρ_i*S_i (2)

其中，S_i表示人口热力图上某一微小区域的面积，可通过查阅资料获得；μ表示经验修正系数，取值范围为1.1～2，用于反映人口热力图点与实际人口数的关联程度。

接着，由t_i时刻估算区域内某一微小区域的风险人口总数m_i，推求t_i时刻整个估算区域的风险人口总数P_AR,i：将估算区域内的一系列微小区域进行数值积分运算，则t_i时刻整个估算区域的风险人口总数

(3)计算风险人口死亡率修正系数α

风险人口死亡率修正系数α的计算指标包括青壮年比例、救援能力、建筑物质量，根据以上三个指标确定风险人口死亡率修正系数α的值。青壮年比例分为低、中、高三个等级。救援能力分为低、中、高三个等级。建筑物质量分为强、一般、低三个等级。风险人口死亡率修正系数α值推荐表如表2所示。

表2 风险人口死亡率修正系数α值推荐表

步骤3、根据步骤2中的计算结果估算溃坝生命损失，估算公式如下：

L_oL＝P_AR*f*α (3)

上述溃坝生命损失为不同时段溃坝生命损失的累加值，具体计算如下：

设t₀～t₁时段开始出现洪水淹没区域，如图2所示，在t₁时刻，洪水淹没区域记为P₁，人口热力图区域记为Q₁，风险人口区域为Q₁与P₁的叠加区域，记为R₁，按照步骤2计算得到t₁时刻整个R₁区域内的风险人口总数，记为M₁，则从t₀～t₁时段累计的生命损失为：

L_oL1＝M₁*f₁*α (4)

其中f₁表示t₁时刻对应的风险人口死亡率。

t₁～t₂时段洪水淹没区域进一步扩大，t₂时刻人口热力图区域记为Q₂，洪水淹没增量区域记为P₂，洪水淹没区域为P′₂＝P₁∪P₂；风险人口区域分为两部分，一部分为P₂和Q₂的叠加区域，记为R₂，按照步骤2计算得到t₂时刻整个R₂区域内的风险人口总数，记为M₂，则R₂区域从t₁～t₂时段累计的生命损失为：

L_oL2＝M₂*f₂*α (5)

其中f₂表示t₂时刻对应的风险人口死亡率。

t₁～t₂时段风险人口区域的另一部分为P₁，此区域由于在t₁时刻已经有人口死亡，则实际风险人口为(M₁-L_oL1)，则P₁区域内从t₁～t₂时段累计的生命损失为：

L_oL1,2＝(M₁-L_oL1)*f₂*α (6)

则在t₀～t₂时段，累计的生命损失为：

M_t2＝L_oL1+L_oL2+L_oL1,2 (7)

重复上述生命损失计算过程直至t_n时刻，计算得到t₀～t_n时段，累计的生命损失，即溃坝生命损失为：

即：

下面以深圳石岩水库作为研究对象对本发明作示例性说明。石岩水库位于广东省深圳市宝安区石岩街道境内，属茅洲河流域，石岩水库工程等别为Ⅲ等，主要建筑物等级为3级，水库大坝为混凝土防渗心墙土坝。

通过人口热力图分析石岩水库周围区域不同时段人口分布情况，模拟溃坝洪水的演进区域，其中图4表示石岩水库溃坝洪水淹没时的不同水深区域示意图，图5表示石岩水库溃坝洪水严重性程度示意图。本例以t₁～t₂时段作为研究时段，t₁为溃坝刚开始的时刻，t₂为洪水演进结束时刻。由图5可知，石岩水库溃坝洪水严重性程度S_d为0.05m/s²，对照表1可知，属于低严重度，结合当地警报时间W_T、风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D，风险人口死亡率f建议值范围为0.000～0.0150，f取推荐值0.0070。

计算估算区域风险人口总数P_AR：经验修正系数μ取1.5，根据图3所示的石岩水库人口热力图以及查阅资料，获取估算区域内某一微小区域人口密度以及面积，根据步骤2估算得到整个估算区域的风险人口总数P_AR为570万人。

计算风险人口死亡率修正系数α：结合当地青壮年比例、救援能力及建筑物质量，查表 2风险人口死亡率修正系数α值推荐表，取风险人口死亡率修正系数α值为1.025。

估算溃坝生命损失：根据步骤3计算得石岩水库溃坝在溃坝刚开始的时刻t₁和洪水演进结束时刻t₂这段时间段内的生命损失为L_oL＝570万人×0.007×1.025＝40899人。

Claims (4)

1.一种溃坝生命损失动态估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、获取实时动态变化的人口热力图区域Q和洪水演进区域P，将P∩Q区域作为估算区域，记为R；

步骤2、计算估算区域R内的风险人口死亡率f、风险人口总数P_AR及风险人口死亡率修正系数α；风险人口死亡率f的计算指标包括溃坝洪水严重性S_d、警报时间W_T、风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D；

获取洪水演进过程中任一时刻t_i对应的估算区域内某一位置点A的洪水水深h_(x,y,i)和洪水流速v_(x,y,i)，其中i为正整数，x和y分别表示估算区域内位置点A的横坐标和纵坐标；

则时刻t_i对应的估算区域内溃坝洪水严重性S_di＝h_(x,y,i)*v_(x,y,i)

接着，结合警报时间W_T、风险人口对溃坝洪水严重性理解程度U_D，获取时刻t_i对应的风险人口死亡率f_i；

风险人口总数P_AR的计算原理如下：

针对洪水演进过程中的任一时刻t_i，根据对应的人口热力图，获取估算区域内某一微小区域的人口密度ρ_i，则t_i时刻，估算区域内某一微小区域的风险人口总数m_i＝μ*ρ_i*S_i，其中S_i表示人口热力图上某一微小区域的面积；μ表示经验修正系数，取值范围为1.1～2；

则t_i时刻整个估算区域的风险人口总数

步骤3、估算溃坝生命损失L_oL＝P_AR*f*α；

溃坝生命损失为不同时段溃坝生命损失的累加值，设溃坝从开始到结束的时间段为t₀～t_n，n为正整数，其中t₀～t₁时段开始出现洪水淹没区域，t₁～t₂时段洪水淹没区域进一步扩大，则从t₀～t₁时段累计的生命损失计算方法如下：

在t₁时刻，洪水演进区域记为P₁，人口热力图区域记为Q₁，二者叠加区域记为R₁，t₁时刻整个R₁区域内的风险人口总数记为M₁，则从t₀～t₁时段累计的生命损失为：L_oL1＝M₁*f₁*α，其中f₁表示t₁时刻对应的风险人口死亡率；

t₁～t₂时段中累计的生命损失计算方法如下：

t₂时刻人口热力图区域记为Q₂，洪水淹没增量区域记为P₂，洪水淹没区域为P′₂＝P₁∪P₂；t₁～t₂时段的估算区域分为两部分，一部分为P₂和Q₂的叠加区域，记为R₂，t₂时刻整个R₂区域内的风险人口总数记为M₂，则R₂区域从t₁～t₂时段累计的生命损失为：L_oL2＝M₂*f₂*α，其中f₂表示t₂时刻对应的风险人口死亡率；

t₁～t₂时段估算区域的另一部分区域为P₁，此区域由于在t₁时刻已经有人口死亡，则实际风险人口总数为(M₁-L_oL1)，则P₁区域内从t₁～t₂时段累计的生命损失为：L_oL1,2＝(M₁-L_oL1)*f₂*α；

则在t₀～t₂时段，累计的生命损失为：M_t2＝L_oL1+L_oL2+L_oL1,2；

根据t₀～t₁时段、t₁～t₂时段的生命损失计算方法，计算得到t₀～t_n时段累计的生命损

失L_oLn，即溃坝生命损失，计算公式如下：

i≤n，且i为正整数。

2.根据权利要求1所述的溃坝生命损失动态估算方法，其特征在于，

风险人口死亡率f根据上表确定。

3.权利要求1所述的溃坝生命损失动态估算方法，其特征在于，风险人口死亡率修正系数α的计算指标包括青壮年比例、救援能力、建筑物质量，如下表所示；

风险人口死亡率修正系数α根据上表确定。

4.根据权利要求1所述的溃坝生命损失动态估算方法，其特征在于，步骤1中，人口热力图区域Q划分为四种类型：Q_a、Q_b、Q_c、Q_d，分别对应工作日白天人口热力图区域、工作日晚上人口热力图区域、周末白天人口热力图区域、周末晚上人口热力图区域。