郑州洪水，最需要我们做什么？

郑州洪水,是天灾,但面对天灾,我们可以做的事情其实还是蛮多的.

比如总结,比如反思.。总结与反思，如果建立在客观理性之上,所以纯粹地从技术角度来考察,或许更有价值.

一、最需要的：这次洪水的数字样本要抓紧采集。

很多人可能会问，郑州有“城市大脑”吗？防洪系统为什么没有发挥作用？应急机制如何？我觉得任何事后诸葛亮的做法，都是没有太大意义的。真正有意义的事，如何把经验教训数字化，以此来强化“城市大脑”，为以后的决策系统增加数据的支撑，这才是最有价值，最应该采集的数据样本，不知道相关部门对这块工作，是不是有一个详细周密的布局，如果没有，这个损失反而是最大的。

二、它山之石：荷兰政府的防洪技术

自 2017 年以来，荷兰政府一直致力于制定主要水防的新法律标准：河堤、海堤和沙丘。从旧系统到新系统的过渡阶段仍在进行中。然而，估计的失败概率有时显然太高了，而且堤坝加高的计划也不必要地过于激烈。在本文中，我们寻找方法来实现更现实的洪水概率。这允许更好地设计防洪。

用于定期评估和加强主要防洪设施的新系统基于风险方法。情景用于估计若干潜在洪水的概率和后果。不确定性是必不可少的：防洪的强度和负荷以及洪水的后果都是不确定的。立法者决定不将风险方法全部纳入《水法》，而是将主要洪水防御的最大允许洪水概率包括在内。但是，这是基于风险方法：在后果严重的情况下，要求也更加严格。堤坝评估工具（荷兰语：“Wettelijk Beoordelingsinstrumentarium，WBI”）可用于支持维护这些堤坝的水管理者。然而，
本文的中心问题是如何改进洪水概率的估计，以及这在实践中对洪水防御的评估和设计意味着什么。我们专注于 5 个选定的主题：“BIG5”。根据可能改进的粗略列表，来自不同学科（风险方法学、水力学和岩土工程）的专家确定了 BIG5 主题：脆弱性曲线的应用、管道失效定义的收紧、护岸和宏观稳定性的时间依赖性、模型不确定性和长度效应。
BIG5 主题的选择基于 WBI 的经验以及有关基础数据和模型的专业知识。在具体案例的开发中，我们与水务局密切合作。研究设计的完整概述可以在https://mangrove.hkvservices.nl/big5/找到。

图 1. 脆弱性曲线描述了作为水位函数的防洪失败概率。不同等级水位的概率贡献可以通过测量、知识和经验进行比较，并进行相应的调整。

案例研究“脆弱性曲线”

当前的 WBI 工具箱主要基于半概率方法。这意味着评估和设计基于精心选择的水位和波浪高度的组合。这个想法是使方法更简单，但这有两个缺点。首先，ENW (2019) 指出，如果结果不切实际，这种方法不会为经理提供处理方法。其次，管理者对不同水位的防洪行为没有洞察力，而这对于例如危机管理来说是必不可少的。使用脆性曲线为这两个缺点提供了解决方案，尤其是当计算出的故障概率相对较高时。
脆弱性曲线将防洪失败的概率描述为水位的函数（图 1）。创建和调整脆弱性曲线相对容易（Kanning 和 Schweckendieck，2017 年）。结果是更好地理解故障概率和实用工具，以明确的方式贡献管理知识和验证模型结果。这可能会加深（和理解）防洪和判断的示意图。随着时间的推移，除水位之外的其他载荷也可能包含在多维脆性曲线中。

案例研究“管道的故障定义”

在当前系统中，计算出的失效机制的失效概率不等于洪水概率。因此，失效的应用定义（计算失效概率）与堤防中发生洪水的破坏之间存在“差距”，这被称为“剩余强度”。在案例研究“管道的故障定义”中，研究了如何解释和包含此残余强度。
通过在这方面调整 WBI 对故障的定义，计算出的故障概率变得更加现实。通过概率分析，可以结合描述管道的各种子机制（爆裂、隆起、反复侵蚀），这对物理过程更加公正。然后可以通过考虑响应和管道增长来确定在不同负载时间下的故障概率。因此，也可以考虑管道与短载荷不太相关的“有根据的猜测”。
因此，对堤坝管理者的建议是扩展当前的 WBI 管道故障定义以包括时间依赖性，并就要量化哪些子机制做出明智的选择。关于这一点，我们已经知道了很多。该建议还适用于 Rijkswaterstaat（RWS，国家公共工程和水管理机构），它在传播现有知识方面发挥着重要作用。

图 2. 基于 Sellmeijer 公式的现有管道（左）和根据 BIG5 中开发的新故障定义的生长管道（右）的当前故障定义的图示。

案例研究“护岸和宏观稳定性的时间依赖性”

宏观稳定性涉及沿剪切平面剪切大部分堤防的危险。宏观稳定性的不切实际的高失效概率是地质水文图解中保守选择的结果。在确定堤坝内部和下方的水压时，现在假设堤坝的水位恒定。这并没有考虑到这些水压需要时间来建立，而且高水位只能在有限的时间内抵靠堤坝。
在我们的 BIG5 研究中，我们开发了一种时间相关的方法。基于水位发展的示意图，我们分析了堤防内部和下方的水压对此有何反应。这提供了更真实的水压图。
与标准方法（所谓的“准平稳分析”）相比，时间相关方法导致概率计算的故障概率更低。堤坝内部和下方的水压较低。然而，这些依赖时间的分析仍然费时费力。外坡草护岸
评估（外坡破坏机制侵蚀（GEBU））的破坏概率往往比较高，不符合堤防管理者的经验。可以进行以下简化： • 更直接地处理波浪载荷和水位变化。现在，非常不同的事件（风暴、洪水、这些的组合）会导致一种规范的组合，因此是不切实际的负载；

• 更简单的故障定义。目前，当草覆盖破坏后侵蚀深度大于 50 厘米时，堤防就会“失败”。实际上，堤防的剩余粘土或砂芯也必须在洪水发生之前被侵蚀。尚未考虑该残余强度。
如果发生不切实际的高故障概率，建议堤坝管理者对水位和波浪传播采用概率方法，并应用剩余强度模型以包括进一步的侵蚀。

案例研究“模型不确定性水力载荷”

在荷兰的防洪评估和设计中，模型不确定性被纳入水位，将其视为额外的随机变量。当前的水位频率线，包括模型不确定性，并不总是对应于物理洞察力，这可能导致标准水位不切实际的增加（高达 0.5 m）。因此，给定水位的相应超标风险可能比没有此模型不确定性的情况高出 100 倍以上。该概率因素随后会影响对管道和宏观稳定性等的评估。
最近，Rijkswaterstaat 在“防洪知识”研究项目中研究了这个问题。这导致了水位模型不确定性的尖锐化和普遍较低的标准偏差。这导致不同的水位频率线，从而导致防洪的不同洪水概率。我们的研究表明，在当前的半概率方法中，这些“新”模型不确定性的影响几乎不会影响计算出的故障概率。那是因为方法本身。使用不同的概率方法，确实可以考虑这种影响，从而降低故障概率。我们建议，在存在明显的模型不确定性或故障概率被认为很高的区域，

案例研究“长度效应”

长度效应意味着长防洪的失败概率总是大于类似的短防洪的失败概率。有几个原因。在整个堤防段（数十公里）水平应用 WBI 2017 通常会导致（不切实际的）大洪水概率，特别是对于管道和向内宏观稳定性。在 BIG5 研究中，我们分析了堤段内的长度效应和堤段之间的相关性如何影响堤段水平的洪水概率。首先，我们将长度效应与已证明的横截面强度相结合。过去，荷兰的一些防洪设施经常承受巨大的压力而没有堤防破裂。考虑到长度效应，
其次，发现将较大的部分划分为较小的部分可能会导致图像更清晰，但也会导致堤防部分相互依赖，从而高估了部分级别的故障概率。建议在进行评估时考虑截面尺寸对长度效应的影响。

结论

BIG5 研究在实际实践中的意义有三重。首先，国防管理人员（特别是水务局）对洪水概率的更准确评估可以更清晰地了解荷兰的水安全情况。案例表明，洪水概率可以降低多达 100 倍。
其次，加固的安全任务变得更小，有时甚至可以省略。这将为高水保护计划带来可观的节省（数十亿欧元！），并减少对当地居民的不便。
最后，Rijkswaterstaat（国家公共工程和水资源管理机构）可以利用这些见解在短期内改进评估和设计工具。

巴斯科伦
(HKV)
Matthijs Kok 
(TU Delft / HKV)

概括

自 2017 年以来，荷兰将主要防洪标准制定为洪水概率。向这种方法的过渡正在如火如荼地进行，在本文中，我们将展示可以进行哪些实质性改进。这些改进立即在实践中进行了测试，结果表明，在所研究的案例中，可以将计算的洪水概率降低 2 倍甚至 100 倍。