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1、基于风险分析的城市防灾减灾规划的研究以淮南市为例,南开大学城市公共安全研究中心刘 茂,安全规划,风险管理,应急管理,定量风险分析,风险分析,制定规划,事故灾害后果计算,暴露分析,脆弱性分析,规划目标确定,规划指标减缓,规划对策措施,1 淮南市重大危险源风险分析,在重大危险源风险分析中，借鉴国外的区域风险指标，以个人风险值作为城市的风险指标；在个人风险的计算过程中，将研究区域进行网格化处理，用等步长划分为50m50m的正方形网格。分别计算单个危险源各种事故场景下，网格中心点的暴露剂量值；然后计算得到在此危险源作用下，其影响区域内网格中心点的个人风险值；再应用美国Golden公司研究开发的制作等高
2、线和三维地形立体图的Surfer软件得到该危险源作用下的个人风险等值线。,1.1 重大危险源的现状分布,重大危险源企业：发电厂3家，化工企业9家，加油站和油库39家。,1.2 重大危险源风险分析,应用美国EPA化学制品突发事件和预备办公室推荐的ALOHA（Areal Locations of Hazardous Atmospheres）模拟软件计算各风险因素可能的事故后果。利用ALOHA软件可以计算得到化学物质泄漏导致的毒气扩散，火灾和爆炸事故中涉及的毒性物质的浓度、热辐射和冲击波超压值。,GIS和ALOHA可通过插件Aloha_9.dll动态连接结合在一起。首先应用ALOHA模拟生成事故后果
3、图，然后在ArcGIS具体显示气体扩散图，实现事故后果在地理信息系统中的应用。选取全市范围内后果比较严重、影响范围比较大的中毒、火灾和爆炸事故，对其进行分析。得到中毒事故后果图、火灾事故后果图、蒸气云爆炸事故后果图。,1.2.1 中毒事故后果图,甲胺、液氨、甲醛储罐泄漏造成中毒的事故后果图,1.2.2 火灾事故后果图,甲胺和液氨储罐及各加油站火球事故的后果图,1.2.3 蒸气云爆炸事故后果图,淮化公司精甲醇生产单元的蒸气云爆炸事故,1.2.4 重大危险源的个人风险等值线,图中蓝色区域的个人风险处于10-810-6之间，绿色区域的个人风险处于10-610-5之间，红色区域的个人风险处于10-51
4、0-4之间。,借鉴英国HSE确定的个人风险的可接受水平（如下图）对淮南市的个人风险进行分析，确定风险的可接受程度。淮南市大部分地区的个人风险处于10-810-5之间，少部分处于10-510-4之间，应用ALARP准则可判定淮南市的风险水平合理可接受，但还需对危险装置进行实时监控和定期更新维护，保障安全运行。,1.3 重大危险源规划建议,（1）根据对淮南市重大事故风险源的风险分析可知，由于淮化地区液氨和甲醇储罐等的事故后果影响范围广、周围区域风险值较高，所以其周围区域内不宜规划风险性高的装置及人口密度较大的办公场所；对于容量较大的储罐，应大罐变小罐或减少储存的危险物质量。（2）在化工区的规划中要
5、对危险源优化布局、合理分散。在保证风险水平可接受的前提下，充分利用土地资源，将不同等级的风险源交叉分布，避免高风险装置的密集，使风险分布均匀。,（3）重大事故风险源的风险控制工作，需要从企业和政府两个层面着手执行。采用合理多米诺效应的预防技术，实现企业内部及企业间的信息互通、跨厂联防措施，做好重大事故的风险管理。（4）可根据各重大事故风险源的后果预测，对淮南市内的应急队伍及应急设施进行合理分配；同时在事故发生后，可依据预测事故后果的不同分区，在实施现场采取不同的应急救援行动，及时疏散群众，减少人员伤亡。,2 火灾风险分析,根据美国消防协会（NFPA）在NFPA1144和NFPA299中制定的野
6、火危险等级表(Wildfire Hazard Rating Form)，以及亚洲灾害预防中心的“亚洲城市减灾计划”中的城市火灾风险评价部分，并结合淮南市的实际情况制定火灾风险评价标准，对淮南市的火灾危险进行等级区划。选取相应的评价指标，并对各指标人为赋予权重值，最后在GIS中对各影响因素进行叠加，得到淮南市的火灾风险等级图。评价指标包括：建筑密度；建筑防火等级；人口密度；城市功能区划；与危险建筑的距离；与水源的距离值；与消防站的距离值。,2.1 评价流程图,2.2 评价过程,所有过程均在GIS中实现。建筑和人口密度、土地利用情况使用GIS中的kernel smoothing实现；与危险建筑的距
7、离、与水源的距离和与消防站的距离使用GIS中的Euclidean Distance实现。,2.2.1 建筑密度,根据图例所示，颜色越深的区域，分值越大，建筑密度越大。可以看出，深红色区域所代表的棚户区建筑密度最大。,人口密度,根据淮南市的城市功能区划，对其人口密度进行假设，淮南市的人口密度如上图所示。颜色越深的区域，分值越大，人口密度越大。,2.2.3 城市功能区划,依图例所示，颜色越深的区域，分值越大。各区域依分值从大到小分别为商业区、居住区、工业区、教育、体育区和其它用途的区域。,2.2.4 与危险建筑的距离,依图例所示，颜色越深的区域分值越大，与区域离危险建筑的距离越近，其火灾危险也越大
8、。,2.2.5 与消防站的距离,颜色越深的区域分值越大，离消防站的距离越远，其火灾危险也越大。,2.2.6 与水源的距离图,颜色越深的区域分值越大，离水源的距离越远，火灾危险越大。,2.3 淮南市火灾风险等级图,颜色越深的区域分值越大，其火灾风险等级也越高。可以看出，建筑和人口密度大、危险源附近、离消防站和水源远的地方的火灾风险较大。,2.4 城市火灾规划建议,（1）调整、完善城市总体布局 对于布局不合理的旧城区，对严重影响城市消防安全的工厂、仓库，应纳入近期改造规划，有计划、有步骤地采取限期迁移或改变生产使用性质等措施，消除不安全因素。（2）加大对重大危险源的监督管理力度 通过加大对易发生火
9、灾的城市重大危险源的监管，降低火灾发生的概率及其造成的危害。（3）加强消防宣传和培训，提高全民消防意识,（4）加快旧城改造步伐 对城市中原有耐火等级低、相互毗连的建筑密集区或大面积棚户区，应纳入城市近期改造规划，积极采取防火分隔、提高耐火性能、开辟防火间距和消防车通道等措施，逐步改善消防安全条件。（5）加强消防安全重点单位的监管力度，提高消防安全重点单位自身消防管理水平（6）加强城市消防站建设步伐，提高消防装备水平,3 地震风险分析,本研究使用地震整体风险评价方法，参考以下几方面：国际减灾策略组织（ISDR）在灾害风险、脆弱性和灾害影响的评价等方面的研究。泛美开发银行和哥伦比亚国立大学提出的一
10、套运用指标进行地震风险评价的方法。美国联邦应急管理中心（FEMA），地震、洪水、台风造成潜在损失的评估软件HAZUS的技术手册。,3.1 地震风险评价,通常地震风险是指所研究的地区内发生某种程度的地震灾害和社会后果的概率，或综合评价。它与本地区的地震危险性、承灾体暴露和承灾体易损性有关，是由这三个因素共同决定的。,地震整体风险评价方法,地震风险可以表示为直接影响（或物理风险）和非直接影响（影响因子）共同作用的结果的结果：其中，R为地震风险，RF为物理风险，F为影响因子。,整体风险评价所涉及的指数的获得是通过评价物理风险和影响因子，从研究对象中获得，通过预测建筑物的破坏和基础设施的损失，获得未来
11、的损失来确定地震的物理风险；通过研究社会的脆弱性和恢复能力的缺乏来获得加剧物理风险的影响因子，最终通过这些信息可以获得地震风险指数。该方法的理论框架如下图所示：,物理风险,物理风险，可以通过将物理风险评价的相关指标的取值进行统一的转换，使之成为可以进行相互比较计算的指数，并乘以相应的权重，最后相加得到相应的物理风险。其中，RF为物理风险指数，FRFi为相关指标转换后的值，WFRi为第i项指标相对应权重。,物理风险的相关指标,影响因子,影响因子包括社会脆弱性和缺乏恢复能力。社会经济脆弱性和缺乏恢复能力作为影响因子（间接或无形的影响）会加剧物理风险（潜在的直接影响）。影响因子F取决于一系列与社会脆
12、弱性与灾后恢复能力相关指标，这些指标进过转换并赋予相应权重之后的相加和，即最终的影响因子值。其中FFSi和FFSj为社会脆弱性和灾后恢复能力相关指标转换后的值。WFRi和WFRi为相对应指标的权重，m和n分别为描述社会脆弱性和灾后恢复能力的指标的数量。,社会脆弱性与灾后恢复能力相关指标,3.1.1 淮南市主要断裂带和震中,3.1.2 建筑物分区图,淮南市建筑物主要以多层钢筋混凝土框架房屋C1和多层砌体房屋RM2为主，其中92之前建造的建筑物按照7度地震设防，92-01年间建造的建筑物按6度地震设防，01年8月之后新建建筑物按照7度设防。按照淮南市建筑物的类型、抗震设防标准和建筑物高度，将淮南市
13、的建筑物进行大概的分区。根据淮南市的建筑物类型与年代的分布情况，将淮南市区划分为26个区域，计算每一个区域的地震风险。场地类型的区域为：8、17、18、19 场地类型的区域为：3、5、6、7、11、12、13、14、25 场地类型的区域为：1、4、16、20、21、22、23、24 场地类型的区域为：2、9、10、15、26假设淮南市发生8度 罕遇地震,3.1.3 淮南抗震设防不足建筑物分布,3.1.4 淮南市地震敏感单位,3.1.5 淮南市主要燃气管网,3.1.6 淮南市主要给水管网,3.1.7 淮南市建筑物抗震能力分级,3.1.8 淮南地震风险,3.2 地震次生灾害风险分析,地震次生火灾评
14、估地震次生毒气泄漏与扩散地震次生爆炸地震次生山体滑坡,3.2.1 地震次生火灾评估,在指定地震烈度下，建筑物的着火概率可以用下式来进行计算:,其中:建筑物地震火灾发生或蔓延的概率;:建筑物有无可燃物质的概率;:可燃物存在条件下,其可燃性影响火灾发生的概率;:在不同地震强度Ii输入条件下,建筑物不同破坏等级Dj的分布概率;:在破坏等级Dj发生条件下建筑物内的易燃物料的泄漏与扩散的概率;:在破坏等级Dj发生条件下建筑物内的引发火灾的着火源发生的概率;:其它因素(如天气、季节、环境、房屋密度等)对火灾发生与蔓延的影响。,地震次生火灾高危区域示意图,3.2.2 地震次生毒气泄漏与扩散,泄漏产生的气体或
15、液体一般都为有毒或易燃易爆物质，它们可以造成人员中毒和火灾爆炸等危害。这些物质在大气中的扩散是一个很复杂的过程，要受很多因素的影响。本研究主要ALOHA软件进行模拟,地震次生毒气泄漏与扩散后果示意图,3.2.3 地震次生爆炸,发生爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波、碎片和容器残余变形能量3种形式表现出来，其中空气冲击波占绝大部分，是爆炸的主要危害因素。,地震次生爆炸后果示意图,3.2.4 地震次生山体滑坡,地震崩滑的发生是多种因素共同作用的结果,且不同因素在滑坡中所起的作用是不同的,为了反映不同因子在地震崩滑中所处的地位,科学地预测边坡的地震崩滑,本研究使用综合指标法预测地震导致的山体滑坡的
16、危险程度。,坡高影响系数;岩性条件系数;坡角影响系数;地震强度系数;降水强度系数。该式表明了地震崩滑的产生是外部因素(地震、降雨)相叠加作用于内部因素(坡高、岩性、坡角)的结果。,地震次生山体滑坡示意图,3.3 淮南市地震风险控制措施,淮南抗震风险灾害措施大体可以分为减轻城市地震风险的基本措施和减轻地震次生灾害两大部分。基本措施包括土地利用、总体布局、旧城改造、能源、交通、通讯等生命线工程和房屋建筑的新建工程的设防和现有工程的抗震加固等,这些措施的运用应能保证城市不断朝着有利于抗震防灾的方向发展。,提高建筑物的抗震能力 加强城市生命线系统的规划与保护 提高灾后救援能力 积极实施旧城改造 加强城
17、市公共避难空间的建设 加强医疗救助体系的建设 加强专业救灾能力的培养 完善地震防灾减灾体系,4 洪水风险分析,4.1技术路线,由HEC-RAS软件和Arc-GIS模拟淮南市洪水灾害，主要包括两个方面：模拟在现有防洪条件下淮南市在不同设计洪水周期下的洪水漫顶淹没情况，得到不同横断面的设计水位线、漫顶淹没的范围、淹没水深等数据；模拟百年一遇设计洪水周期下不同时刻，田家庵段堤坝发生溃堤造成洪水淹没的情况，得到不同横断面的设计水位线、溃堤淹没范围、淹没水深等数据。,HEC-RAS软件介绍,由美国陆军工程师团（U.S.Army Corps of Engineers）的水文工程中心（Hydrologic
18、Engineering Center）开发出的河道分析系统HEC-RAS（River Analysis System）是一款能够演算一维恒定流和非恒定流的软件。可以用于水面线的恒定流计算；非恒定流模拟；泥沙输移/可动边界计算；水质分析。这四个部分都使用同一个几何数据，并且几何和水力计算路径也一致。除此之外，HEC-RAS 系统还具有一些水力设计功能，在计算基本水面线时可以调用这些功能。,HEC-GeoRAS模块,HEC-GeoRAS是由HEC和美国环研所(ESRI)联合开发，为水文工程中心河道分析系统(HEC-RAS)提供处理空间数据功能的ArcGIS特定应用程序。它可以嵌套在ArcGIS里运
19、行，是HEC-RAS与GIS数据交换的媒介。HEC-GeoRAS的前期处理可以获取河道的几何图形、河道的横截面资料、堤坝的数据等，为HEC-RAS的模拟提供前期的准备工作；在HEC-RAS水力分析之后，在ArcGIS中调入HEC-RAS的输出文件，通过GeoRAS可助于模拟出河道发生流溢后的洪水淹没范围和深度，这就是GeoRAS的后期处理功能。,4.2 洪水灾害模拟,4.2.1 不同洪水周期下的漫顶模拟百年一遇洪水周期下的溃堤模拟,HEC-RAS软件得到河网结构图,首先，在GIS中导入数字高程模型（DEM），用HEC-GeoRAS做前期处理，在DEM中创建河道中心线、河岸、河流路径中心线、土地
20、使用类型等图层。然后，将它们导入HEC-RAS软件，这样就构架起河网的基本几何属性，得到淮河市淮河河网结构，如下图。,各个数字代表不同的河段，其中，1为流经淮南市的淮河上游段，2为淮河主中流段，3为淮河主干流下游段，4为淮南市淮河支流上游段，5为淮河支流下游段，6为淮河分流段。箭头方向代表了淮南段淮河的水流走向，蓝色线条代表各个河段，绿色竖线代笔不同河段上的河道横断面，红点代表河道两侧的左、右高滩地。,不同洪水周期下的漫顶模拟,河道横断面的最高水位线河段的全程纵剖面图二维漫顶洪水淹没图,河道横断面的最高水位线,1号横断面在40，60和100年一遇洪水周期下的模拟洪水水位线,备注：蓝色横线代表不
21、同设计洪水周期下的模拟水位线；红色短竖线代表堤坝的高度和位置；凡是蓝色横线没有划到的地方代表没有水流入，如上图所示，由于堤坝的高度高于水位线，所以堤坝左侧的水流没有流入到右侧的地带；不同颜色代表不同流速，可以对照图的右边得出流速的情况。可以看出，堤坝能够抵挡40年一遇的洪水周期，而在60和100年一遇的洪水周期下则发生漫顶现象。,河段的全程纵剖面图,全程纵剖面图记载了堤坝高度、河底高程，滩地高度以及水位线之间在水平方向的位置情况，它能有效的说明是否有溢流的现象发生，当水位线低于堤坝高度时，没有溢流的现象发生，当水位线高于堤坝的高度时，则发生溢流的现象。,河段的全程纵剖面图,从上往下不同颜色的线
22、分别代表：右堤坝的高程纵剖面，100年一遇的模拟水位线，60年一遇的模拟水位线，40年一遇的模拟水位线，左堤坝的高程纵剖面，两条虚线代表左滩地和右滩地的纵剖面，最下面的一条线代表河底高程的纵剖面。,1号河段的全程纵剖面图,二维漫顶洪水淹没图,在ArcGIS环境中，通过GeoRAS模块将由HEC-RAS软件模拟出的数据导入到淮南市的DEM地形图中，生成不同洪水周期下的二维漫顶洪水淹没示意图。,40年一遇洪水时的淹没示意图,60年一遇洪水时的淹没示意图,100年一遇洪水时的淹没示意图,从二维漫顶淹没图中可知，淮南市的防洪堤坝可以抵抗60年一遇的洪水，而100一遇下出现明显的漫顶现象。需要要对上图中
23、的a点（即袁郢孜）加强堤坝修筑或填高，防止洪水从袁郢孜流出，倾入市区。,4.2.2 百年一遇洪水周期下的溃堤模拟,田家庵段堤坝发生溃堤的风险大，假定田家庵段的淮河拐弯段堤坝发生溃堤，溃堤后的洪水流入蓄水区内，如下图所示,河网横断面标记图,各个字母代表不同的横断面，Sa代表蓄水区。,河道横断面的最高水位线,a横断面在100年一遇洪水周期下的溃堤模拟水位图,河段的全程纵剖面图,1号河段溃堤模拟下的全程纵剖面图,二维溃堤洪水淹没图,在ArcGIS环境中，通过GeoRAS模块将由HEC-RAS软件模拟出的非恒定流的溃堤数据导入到淮南市的DEM地形图中，生成不同百年一遇洪水周期下的二维溃堤洪水淹没示意图
24、。,蓄水区内的红色区域代表溃堤后的水流进入到蓄水区内，并随溃堤形成的过程在此区域内产生积水，从图中能清楚地看出溃堤发生后对溃堤以内的哪些区域产生重要影响，这为淮南市的防洪规划提出的新的要求。,4.3洪水规划的建议,由于洪水风险演变过程的复杂性，这就需要对洪水风险的构成要素和减灾因素有着清晰的认识。许多部门的发展过程对他们的管理有深远的影响。发展过程和洪水风险成因之间的复杂的相互作用需要有一个清晰概念性框架，它能得到合适的组织和体制机制的支持，以制定和实施地表水管理规划。在制定和实施该规划时，需要考虑如下几个问题：,4.3.1 堤坝,从漫顶洪水的模拟来看，淮南市能够抵御60年一遇的洪水，其中40
25、年和60年一遇的洪水都出现漫顶现象，只是溢流出来的水都泄流到行洪区中，并没有出现溃堤。然而，对于100年一遇的洪水而言，除了漫顶淹没行洪区外，由于袁郢孜位于行洪区的边缘地带，而且地势比较低，造成洪水从该地区流入，直接倾入淮南市区。从模拟出的百年一遇的横断面水位来看，该地区的水位线达24.22米，所以建议在此建筑的堤坝高度最低为25.5米。,4.3.2 发生溃堤时的应急预案的制定,从溃堤洪水的模拟来看，田家庵段堤坝的溃堤风险较大，一是由于它位于淮河拐弯处，堤坝受河流冲击力大，而且上游带来的石块、沙粒对堤的侵蚀比较严重，所以溃堤的发生概率大；二是由于田家庵堤坝以南是淮南市市区，溃堤产生的后果严重。在百年一遇的洪水周期下，溃堤造成的洪水淹没范围主要是：淮南市中医院、公园小区和下陶村三片地区。因此，一方面需要加强对田家庵堤坝的加固、增宽等工程性工作；另一方面还要针对淹没区做好溃堤洪水灾害的预防、预警和人员疏散的计划。,4.3.3 提高排涝能力,从漫顶洪水的模拟结果来看，淮南市在40年一遇的洪水周期下上六坊、下六坊行洪区被淹，行洪区内主要为农场，洪水淹没很可能造成此区域农作物的绝收。除此之外，其他的行洪区也多为农场，为了尽量减少居民的经济损失，需要提高这些地方的排涝能力。总的来说在低洼地兴建排涝泵站，完善泵站的配套管网，在较高地区通过开挖拦截洪沟，直接将水排到湖泊、水库等蓄水处。,
