中国、荷兰洪水风险分析方法比较研究

简介： 本文基于洪水风险的定义，从洪灾发生的概率，洪灾后果评估，风险的评价指标，防洪标准经济优化决策原则等方面阐述了中荷两国在洪水风险分析研究方面的异同，初步分析了存在差别的原因以及两种方法的特点。在分别应用中国和荷兰现有风险评估方法分析安庆市堤防圈的洪水风险的基础上，探讨了将两国的风险分析方法进行整合的思路。算例表明，将堤防的工程风险与洪水本身出现的水文风险相结合，并考虑损失在不同洪水位下的差异的方法是与洪灾发生机理相符的，综合考虑了各种不确定因素的，切合我国洪灾特点的一种值得进一步深入研究的新方法。
关键字：洪水风险、概率、洪灾损失、经济优化

1 前言

　　2003年9月2日至12月1日在荷兰交通水运部进行了为期三个月的学习，作为水利部防洪减灾中心与荷兰交通水运部（DWW）合作研究项目的一部分内容，双方交换洪水风险研究领域的相关知识，在查阅荷方提供的大量有关洪水风险文献的基础上^[1－7]，结合自己在洪灾风险分析方面的研究实践和一些体会，对中荷双方洪水风险分析技术进行了比较研究，考察荷兰的工程可靠性分析与国内常规洪水风险分析相结合的可能性。选择长江流域下游的安庆堤防作为研究实例，运用中国、荷兰的常规洪水分析方法分别计算了安庆堤防保护区的洪水风险，并初步探讨了将两国方法整合起来，适宜我国洪灾特点的洪水风险评价方法。

2 洪水风险的定义

　　不同的人对风险具有不同的理解，有的人认为风险是事件发生的概率，有的人认为风险是事件发生的结果，还有的人认为风险是危害性及其后果的产物。在荷兰洪水风险被明确的定义为洪灾发生的概率与其所导致后果的乘积。因此洪灾发生概率的确定以及洪灾发生后果的评估是荷兰洪水风险分析的重点。

　　我国对洪水风险定义尚不明确，洪水发生频率、工程安全风险，洪水水力特征（水深、淹没历时、流速、洪水到达时间等）、洪灾期望损失等都曾被用来描述洪水风险，其中洪灾期望损失是现阶段刻画洪水风险的最高层次指标。该指标定义与荷兰的洪水风险定义相符，为了便于比较，在本文后续的叙述和讨论中，洪水风险都定义为洪灾发生概率与洪灾后果的乘积，也即洪灾期望损失。

3 洪灾发生概率

　　荷兰已成海堤与河堤的设计主要基于超过某一特定频率的水位，即所谓的超频率法（Probability of excceedance），采用水文频率分析方法得到超过某一特定频率的水位（设计水位），再加上一定的安全超高确定堤防的高度。认为这一特定的频率近似表明了被保护区域的受淹可能性。20世纪90年代初，荷兰防洪设施技术咨询委员会（TAW）开始了洪水风险的研究，提出了洪灾发生概率的概念（Probability of flooding），一个区域发生洪灾的概率是指由于防洪保护设施破坏而使整个被保护区域遭受淹没的概率．

　　它与超频率洪水法的区别在于：

　　（1）将整个堤防圈作为研究对象，而不只是超频率洪水法中所注重的单个堤防断面；

　　（2）考虑了堤防的各种失稳模式，这与超频率洪水法中主要考虑溢流和漫顶两种失稳模式显著不同；

　　（3）预先系统地考虑了洪灾频率计算过程中的不确定因素（洪水发生的随机性，模型的可靠性以及数据的真实性等）。在超频率洪水法中，往往通过在设计洪水位的基础上另加一定的安全超高来考虑这些不确定因素[1]。TAW计算了荷兰中部4个堤防圈的洪灾发生频率，结果证明运用洪灾概率法能够较容易地辨识堤防圈强度的薄弱点（安全制约瓶颈），并进行排序，帮助更好地了解防洪系统（或其部分）改善的重点，为逐步提高堤防圈保护标准提供科学依据，有利于提高防洪建设的投资效率。洪灾频率计算是荷兰洪水风险分析研究中至关重要的一部分。目前，荷兰已经在全国展开了计算53个堤防圈保护区洪灾发生概率的工作，并不断改进模型，使计算概率尽可能接近保护区实际受淹的概率。

　　我国堤防防洪标准的确定类似于荷兰的超频率洪水法，堤防的设防水位与一定的频率相对应。以设计水位或控泄流量的重现期来判别堤防保护区的受淹安全度。认为一旦洪水超过了设计水位，即洪水的重现期大于堤防的防洪标准时，保护区就会受淹，且其淹没概率与超标准洪水的出现概率（水文频率）相等；洪水位低于设计水位，洪水的重现期小于堤防的防洪标准时，堤防则不发生破坏，保护区是不会被淹的。这种方法主要考虑了洪水的水文风险因子和水力风险因子，而忽视了工程风险因子。实际上，设计水位被超出的概率与淹没概率并不相同。由于工程风险的存在，即使在洪水位低于设计水位时，保护区也有被淹没的可能，相反堤坝也经常能够很好地挡住控制水位并具有足够的安全储备。更接近于保护区实际受淹概率的算法是应该全面考虑水文风险、水力风险以及防洪工程风险。

4 洪灾后果评估方法

　　洪灾的后果包括洪灾所引起的经济损失，人员伤亡，对环境、社会、文化等带来的损害等。荷兰开发了较为成熟的洪灾经济损失模型，并计划出台有关洪灾后果评估的操作规范[2]。

荷兰经济损失评估公式为：

其中，——第类资产的洪灾损失系数，与淹没深度有关

——第类资产的数量

——单位类资产的估计最大损失值

　　荷兰在综合考虑国家统计局所采用的分类方法和财产承灾特性的基础上，将受淹资产划分为不同的类别，并尽可能建立资产损失类型与国家、地方或者部委的统计类型之间的一一对应关系。每类资产的数量和单位最大可能损失值在相关的文件中可以方便地查阅到。损失系数相当于我国的洪灾损失率，它揭示了材料的破坏程度，该系数取决于相应的淹没特征。根据历史洪灾记录（1953年欧洲大洪水）建立资产的损失系数与淹没特征（淹没水深）的函数关系，对于资料不足而难以建立损失系数函数的类型，则通过征询建筑工程师、企业管理者和经营者的方式来近似确定。全国范围内采用统一的洪灾损失系数函数关系，也就是说，在同等淹没条件下，分别位于荷兰南部和荷兰北部同等类型的房屋通过模型计算得到的洪水经济损失是相同的。另外，荷兰还将被评估区域分为低风险区和高风险区，洪水发生重现期大于25年一遇的区域属于低风险区，小于25年一遇的划归高风险区。高风险区域由于财产的密集度低，各种承灾体的承灾能力强，防灾救灾措施完备，它在遭受同等大小的洪水时损失要比低风险区域的损失小，因此在实际计算中，按高风险区域的最大可能损失比低风险区的最大可能损失小25％来考虑这种差别。

　　荷兰也将经济损失分为直接经济损失和间接损失两大类。财产损失是直接经济损失，而农业、公司企业的停产停业损失以及防洪救灾费用属间接损失。直接损失和间接损失的损失系数函数关系相同，但直接损失和间接损失的最大可能损失值在不同行业中有着较大差别（如表1）

表1 荷兰洪灾最大可能损失值一览表

Table 1 Maximum damage amounts in the Netherlands

　　荷兰不仅采用经济损失描述洪灾的后果，而且将由洪灾引起的人员伤亡作为衡量洪灾后果的一个重要方面。认为因灾死亡率与洪水淹没深度和洪水流速有直接的关系，初步建立了人口洪灾死亡率与这两个参数的函数关系，但没有考虑居住区域的建筑物因素以及避难的可能性对洪水死亡率的影响。估计由洪水造成的人员死亡数字是一个较为复杂的问题，因为它涉及许多因素，其它区域的数据或历史数据不能直接用于现在的荷兰。此外，目前已知数据及其存在的死难者数目和相关因素的关系尚不能定量地确定下次洪水可能导致的死亡数目。因此，洪灾伤亡定量评估模型的研究只是初步的。

　　总体上来讲，我国的洪灾损失评估方法与荷兰的方法基本相同，但由于我国洪涝灾害的复杂性和受灾区域承灾体的多样性，无论是受淹资产的统计还是洪灾损失率函数关系的确定都是基于某一具体的受灾区域的，也就是说在不同的区域间，同一类受淹资产的单价和损失率函数关系都可能是不同的。这种方法虽然具有针对性，但调查和计算的工作量都会成倍加大，不可避免地存在大量重复工作，况且事无俱细反而难以保证评估精度。可以考虑将全国划分为不同的洪水灾害典型区域（流域），在每一类区域试采用统一的损失率函数关系和受淹资产统计标准，具体区域都可参照此标准评估洪灾损失，这样既简化了评估过程，又兼顾了我国洪水灾害的复杂性。在洪水损失率关系的确定方式上也有可借鉴之处，我国一般都是根据历史典型洪水统计调查资料建立损失率关系，一方面这种资料非常有限，不可能收集到所有财产损失类型在各种不同水深和淹没等级下的损失资料。另一方面，因为不断的有各种减灾措施的实施，实际的洪灾损失并不完全反应预测意义上的洪灾损失。应用综合的损失率确定方法，在进行历史洪水调查的同时结合工程人员、设计人员及相关专家的意见，既可以克服资料短缺的困境，又有利于提高洪水损失率的精确性。随着社会经济的发展，人们越来越关注生命的价值，为了全面反应洪水灾害的后果，有必要对洪水灾害人员伤亡进行定量评估。

5 洪水风险指标

　　荷兰的洪水风险指标大体分为两类：从经济损失来讲的经济风险指标，从人员伤亡角度来讲的个人风险指标和社会风险指标[3]。

　　用洪水所造成的经济损失来表征洪灾后果的风险指标称为经济风险指标，类似于我国的洪灾期望损失。不同点在于我国认为淹没的概率等于超标准洪水发生的概率，未考虑标准内洪水的淹没可能性。计算超标准洪水的洪灾期望损失时，考虑了洪水频率大小与损失的关系，洪水出现的频率越小，对应的洪量则越大，直接经济损失亦越大，这种方法从概率统计理论上讲是可取的，并也在一定程度上反映了洪水损失随机的特性，所以期望损失值的求取是一个积分的过程。荷兰在计算经济风险时，认为一个堤防圈如果在最薄弱点处（或者其它某处）破坏，即使在来水量级并不相同的情况下，也假设所造成的洪灾损失是相等的。（如图1）。采用这种假设的原因是，荷兰地处低洼地区，地势相对平坦，堤防圈的保护范围比较小，在来水很小的时候，整个保护圈就有可能全部被淹没。尤其在比较洪水风险的相对大小而确定堤防圈的防护薄弱点时，区分不同级别洪水造成洪水损失的现实意义不大。

　　如果将洪灾后果用人员死亡数来表达，荷兰引入个人风险和社会风险的概念来衡量洪水风险。并在理论上研究了个人可接受风险程度和社会可接受风险程度。将可接受风险的理论用于防洪工程设施标准的选择等问题上，便于与其它社会问题进行风险比较。

　　个人风险是基于事故统计资料的一个指标，个人可接受风险是社会对风险接受程度的最小部分，个人根据所要承担的风险和可能带来的利益评判风险是否可接受，其中个人承担风险的自愿程度是一个很重要的方面。某项活动发生事故的允许概率取决于该项活动的年事故死亡率与表征参加活动自愿程度的综合系数的乘积。

　　社会风险描述了灾难发生的可能性与特定人群在该灾难中伤亡数的关系。年期望人员伤亡值是表述社会风险的最简捷的指标。为了区分公众对大概率小伤亡与小概率大伤亡事件接受程度的不同，也常采用年期望人员伤亡数与标准方差和表示风险好恶指数之积的和来表述社会风险。

6 堤防安全标准的选择（经济优化决策方法）

　　基于人员伤亡的个人和社会可接受风险程度对防洪标准选择的影响目前仍在理论研究阶段。荷兰大部分堤防标准（主要指堤防高度）的选择仍基于经济风险指标，即认为最优经济标准是当整个系统的费用达到最低。费用包括堤防加高费用与预期经济损失，这两项都是洪水出现概率（水文频率）的函数，在总费用与洪水出现概率（水文频率）建立了函数关系之后，可以进一步求解出最优经济堤防保护标准以及相应的堤防高度[4]。如果把人员伤亡按经济折价考虑到洪灾损失当中去，会引起优化破坏概率（防护标准）的下降和堤坝最优高度的提高，人的生命损失对堤坝高度的影响程度决定于人的生命价值的衡量标准。如果假设人的生命价值等于每位居民的净国民生产总值的现金价格，其计算实例表明，其影响程度是相当小的，即使增加十倍，这一影响仍是非常有限的。在进行洪灾可接受风险程度评价时，如何用经济术语来考虑人的生命损失仍在研讨之中[3]。

　　我国在防洪工程方案优选时常用到效益－费用分析方法，防洪工程的效益指在有无工程条件下洪灾损失的差值。最优的方案是净效益（＝效益－费用）最大的方案。经过公式推导，净效益最大的方案等同于工程投入与工程建成后期望损失值之和最小的方案。尽管表述方式有差别，荷兰与我国防洪工程方案优选的实质是相同的。

7 安庆堤防保护范围风险计算

　　选择长江下游的安庆市堤防作为典型研究区域，前期研究计算了基于不同洪水位的包含堤防圈各类失险模式在内的综合工程风险，确定了最易失险的堤防断面，假设堤防在此溃口，根据溃口处的流量过程以及安庆市的地形条件，近似框定洪水淹没范围和淹没水深[8]。结合安庆市现状社会经济发展状况调查资料（2001年），并对1954年和1998年安庆市洪水损失统计资料进行分析的基础上，运用已有的较为成熟的损失评估模型计算了基于不同洪水位的洪水淹没经济损失。分别运用荷兰的洪水风险计算方法、国内传统的洪水风险计算方法以及综合工程失险概率和洪水水文概率的方法对安庆市的洪涝风险进行评估。

　　（1）在确定淹没区的洪水风险时，进行了以下假设：

l 洪水风险区在不同洪水位下的淹没概率等于超洪水位的概率与溃口处该洪水位下堤防工程失险概率之积。

l 在运用荷兰的方法时，假设堤防保护范围的总的淹没概率等于不同洪水位下的淹没概率之和，与总淹没概率相对应的经济损失采用洪水在设计水位时堤防溃破所造成的经济损失。

l 运用国内传统方法计算时，假设在设计水位（安庆堤防的设计水位是：19.29m）和设计水位以下的淹没概率等于零，当水位超过设计水位后，堤防保护范围的淹没概率等于洪水水位出现的水文概率。也就是说，只要洪水水位超过设计水位，堤防100％会失险。

l 综合考虑洪水位的出现概率和工程失险概率，并考虑到不同洪水位下损失的差异时，假设在洪水水位较低时（相当于5年一遇），即使发生洪水，损失非常小，在进行风险计算时可以忽略不计。

　　（2）计算结果

对洪水位进行概率分析，得出超不同洪水位的频率，经工程可靠性分析后得出在不同等级洪水位下的堤防失险概率[8]。依据假设，求取超水位频率与堤防失险概率之积确定洪水风险区在不同洪水位下的淹没概率。并运用洪灾损失评估模型计算了洪水风险区对应于不同洪水位的淹没损失，如表2所示。

表2 不同洪水位下淹没概率及洪灾损失计算结果

Table 2 Flooding probabilities and damage estimates for the given flood events

运用三种不同的方法计算洪灾风险时，所采用的公式分别是：

荷兰方法：

国内传统方法：

新方法：

式中，，洪水位

，设计洪水位

，洪水位概率分布函数

，风险区淹没概率函数

，洪灾损失值，是洪水位的函数

，与设计洪水位相对应的洪灾损失

　　可以看出，新方法尝试将荷兰方法与国内传统方法相结合，与荷兰方法的不同点在于认为洪灾损失是洪水位的函数又考虑洪水量级不同所造成损失的差异，而与国内传统方法的不同在于考虑了当洪水位低于设计洪水位时由于工程风险可能造成的洪灾损失，也即考虑标准内的洪水风险。洪灾风险计算结果如表3所示：

表3 洪灾风险计算结果表

Table 3 The results of flood risk assessment

　　（3）讨论

　　算例研究的主要目的是实际应用中荷两国的洪水风险分析方法，计算过程中采用了简化的方法进行洪水水位的频率分析，洪水淹没特征只是近似的框算，洪水损失计算结果不可避免地存在一定的误差。用超洪水位频率与该水位下工程失险的概率之积来表示洪水淹没概率的方法尚有待进一步研究。运用荷兰的风险分析方法时，采用设计洪水位下的洪灾损失与保护区的总淹没概率相对应也没有进行充分的论证。但可以明确的是：综合中荷两国现有风险评估方法的特点，将堤防的工程风险与洪水本身出现的水文风险相结合，并考虑损失在不同洪水位下的差异的方法不失为一种更科学、更符合我国洪灾特点的方法，一方面，当洪水位未达到设计水位时，就存在淹没的风险，而且占有相当比例，算例中，发生在标准之内洪水风险约占总风险的1/3，应该把这部分风险考虑在内。我国实际发生的洪水灾害事件也证明了这一实事，1998年长江大水影响较大的六处溃口中，有四处是在洪水水位并未达到设计水位的情况下由于堤基管涌而出险的^[9]。另外，我国与荷兰洪灾的特点不同，防洪工程保护范围较大，其内地势起伏较大，洪水水位的高低（进入保护区洪量的大小）直接关系到洪灾损失的大小，因此还有必要发展荷兰的分析方法，考虑洪灾损失的这种随机性。

8 结论

　　由于中荷两国的洪水灾害特点存在着较大差异，形成了各具特色的洪水防御体系，在洪水风险分析技术上的侧重点也有所不同。在分析我国洪灾具体特点的基础上（洪灾损失的随机性），借鉴荷兰在洪灾分析方法上的先进经验（风险定义明确，淹没概率分析全面），改进常规分析方法的不足，是进一步提高我国洪水风险分析技术的有效途径。

参考文献

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