[南非] S.鄧斯莫爾 等

試驗(yàn)與研究

南非奧蘭治河流域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理研究

[南非] S.鄧斯莫爾 等

為了解決奧蘭治河流域的洪水問(wèn)題，對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)管理展開(kāi)了研究。介紹了相關(guān)學(xué)者在南非展開(kāi)的研究工作的概況以及奧蘭治河流域的基本情況，總結(jié)了流域防洪存在的問(wèn)題。研究指出，需要對(duì)流域進(jìn)行總體規(guī)劃，通過(guò)流域分塊，采集和篩選數(shù)據(jù)、建立二維水力模型，以模擬復(fù)雜的洪水過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，建立防洪預(yù)警系統(tǒng)。對(duì)開(kāi)展該流域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理研究的背景條件、現(xiàn)有防洪堤壩的狀況、洪水風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施以及洪水風(fēng)險(xiǎn)管理研究的過(guò)程等作了概述。

流域洪水；風(fēng)險(xiǎn)管理；管理研究；奧蘭治河；南非

1 研究背景

為了研究洪水管理，一些國(guó)際水資源專家對(duì)南非的奧蘭治(Orange)河流域展開(kāi)了研究，通過(guò)建立水力模型來(lái)尋找洪水管理的最佳解決辦法。這個(gè)項(xiàng)目的研究范圍覆蓋了奧蘭治河長(zhǎng)約350 km的區(qū)域，亦即包含從布胡山(Boegoeberg)大壩到昂西普坎(Onseepkans)之間的廣大地區(qū)。來(lái)自南非的幾個(gè)咨詢公司以及英國(guó)水利研究院為該項(xiàng)研究工作投資了大約 9 000萬(wàn)美元。

奧蘭治河是南非地區(qū)最大的河流，其流域面積大約為900 000 km2，它為南非萊索托、納米比亞、博茨瓦納等沿河國(guó)家提供約20%的淡水資源。在該流域，沿河的年降水量分布極其不均勻，在萊索托的東部地區(qū)，年降水量可達(dá)1 000 mm，而在大西洋的沿岸地區(qū)，其年降水量甚至不足100 mm。因此，奧蘭治河流域90%的年均徑流量是來(lái)自于包含瓦爾(Vaal)河在內(nèi)的上游地區(qū)，而瓦爾河是奧蘭治河的主要支流之一。

基于上述情況，奧蘭治河上游豐富的水資源為下游干旱地區(qū)提供了重要的水源。也正因?yàn)槿绱?，?9世紀(jì)以來(lái)，沿河的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)也得到了不斷地發(fā)展。奧蘭治河流域內(nèi)種植有葡萄、柑橘、開(kāi)心果、山核桃、蔬菜以及谷物等作物。大部分田地都位于沿河兩岸的灘涂地區(qū)和島嶼上，并且通過(guò)運(yùn)河、渠道、圍堰等灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。

河流上修建的第一個(gè)攔水建筑物是布胡山大壩，壩址在阿平頓(Upington)上游150 km處。19世紀(jì)70年代，第一次提出了建造大壩和與之連通的運(yùn)河的計(jì)劃，但是其收益與投資不成比例。直到20世紀(jì)20年代末，在受到沿河灌溉問(wèn)題的困擾后，才通過(guò)了建造大壩的計(jì)劃并付諸實(shí)施。作為一個(gè)歷史性的項(xiàng)目，布胡山大壩終于在1932年竣工，壩高9 m，其灌溉面積達(dá)7 700 hm2。從那以后，另外又修建了8個(gè)屬于政府管轄的灌溉系統(tǒng)，以確保下游的灌溉用水，同時(shí)還修建了長(zhǎng)達(dá)400 km的灌溉渠道，使灌溉面積超過(guò)了20 000 hm2。

2 防洪堤壩

洪水對(duì)農(nóng)業(yè)耕種影響深遠(yuǎn)，防洪堤壩是控制洪水比較好的方法。在水務(wù)部門(mén)的檔案中，洪水沖毀防洪堤壩的最早記錄是發(fā)生在1957年的洪水事件。然而，直到1974年發(fā)生特大洪水之后，才開(kāi)始引起水務(wù)部門(mén)和地方政府的重視并開(kāi)始修建防洪堤壩網(wǎng)。當(dāng)時(shí)，防洪堤壩的設(shè)計(jì)洪水位，參考的是發(fā)生在1976年一次小洪水事件時(shí)所記錄的洪水位，但是沒(méi)有考慮到可能發(fā)生洪水的其他一些因素。

后續(xù)事件表明，這種欠缺全面、綜合考慮的做法導(dǎo)致了嚴(yán)重的后果；此外，設(shè)計(jì)和施工方案的欠缺也導(dǎo)致了一些防洪壩出現(xiàn)滑移和潰壩事件。

3 解決措施

在2011年發(fā)生的一次大洪水造成巨大損失之后，農(nóng)業(yè)部、土地改革部和農(nóng)村發(fā)展部(DALRRD)承諾一定要徹底解決這一問(wèn)題。經(jīng)過(guò)研究和比選,決定由ILISO咨詢公司承擔(dān)對(duì)奧蘭治河下游的大面積灌溉系統(tǒng)進(jìn)行水力分析、概念設(shè)計(jì)和總體規(guī)劃的重任;同時(shí)，該公司還應(yīng)協(xié)調(diào)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工。

研究區(qū)域包括從布胡山大壩到奧赫拉比斯瀑布之間大約長(zhǎng)達(dá)350 km的奧蘭治河河段;另外還有一小段長(zhǎng)約20 km的河段，延伸到了下游納米比亞邊界的昂西坎普。DALRRD需要借助于一個(gè)二維水力模型,以便對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行分析研究。為此，ILISO咨詢公司指定第四元素咨詢公司來(lái)?yè)?dān)任二維模型的構(gòu)建工作，英國(guó)水利研究院則為這次模型購(gòu)建和洪水管理研究項(xiàng)目的專家顧問(wèn)。

之所以選擇二維模型，而不是更為常見(jiàn)的一維模型，是因?yàn)樵摵恿飨到y(tǒng)本身就極具復(fù)雜性，并且還要求模型能夠盡可能真實(shí)地模擬在任何位置發(fā)生漫堤時(shí)，洪水泛濫整個(gè)灘區(qū)的過(guò)程。河流系統(tǒng)是由一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)狀河系組成，而且這些網(wǎng)狀河系中，有的是連通不同地區(qū)，有的是用于灌溉，有的則是作為防洪堤壩。

建立的模型覆蓋的范圍大約為1 000 km2。據(jù)了解，在30～45 d的周期內(nèi)，奧蘭治河下游的洪水過(guò)程線呈現(xiàn)的是典型的雙洪峰過(guò)程，即洪峰瘦高，來(lái)勢(shì)較猛。因此，建立的模型不僅要能夠模擬在一個(gè)洪水周期內(nèi)的洪水過(guò)程線及記錄下各項(xiàng)參數(shù)，并且還要注意各項(xiàng)細(xì)節(jié)。

對(duì)該項(xiàng)目的研究，是采用城市綜合流域排水模型系統(tǒng)(InfoWorks ICM)軟件，InfoWorks ICM軟件能夠很好地處理大型地圖數(shù)據(jù)集合和網(wǎng)狀區(qū)域。為此，將河流劃分為6個(gè)模型，最后一個(gè)是昂西普坎區(qū)域的獨(dú)立模型，第1～5個(gè)模型是從布胡山大壩到奧赫拉比斯瀑布依次劃分的5個(gè)區(qū)域。最大一塊模型面積大約為200 km2，但這些模型的細(xì)節(jié)都是相對(duì)總體設(shè)計(jì)而言，所以仍需要詳細(xì)的防洪堤數(shù)據(jù)來(lái)確保模擬洪水過(guò)程的精確性。

令DALRRD擔(dān)心的一個(gè)問(wèn)題就是，在過(guò)去，對(duì)防洪堤的建設(shè)，都是由包括農(nóng)民自己在內(nèi)的不同的組織來(lái)監(jiān)督管理的，因此，設(shè)計(jì)和施工的標(biāo)準(zhǔn)都不相同。在許多情況下，堤壩是由河流附近區(qū)域的沉積物沉積而成，因此很容易出現(xiàn)滑移和坍塌。另外，多數(shù)堤壩都是修建在河岸邊(是為了最大程度地保證耕地)，這樣也很容易出現(xiàn)穩(wěn)定性差和極易被侵蝕的問(wèn)題。據(jù)悉，在2011年的大洪水中，許多防洪堤在洪水漫堤之前都已潰堤了。

在研究收集的所有數(shù)據(jù)中，也包括利用激光雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)。由于沒(méi)有有關(guān)防洪堤的正規(guī)記錄，因此，對(duì)使用激光雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行篩選和辨別。

通過(guò)監(jiān)測(cè)，防洪堤的長(zhǎng)度大約有800 km。對(duì)于那些按照標(biāo)準(zhǔn)修建和進(jìn)行正常維護(hù)的防洪堤而言，對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)相對(duì)容易確定，但是對(duì)那些沒(méi)有記錄的防洪堤壩的雷達(dá)數(shù)據(jù)，就需要鑒別。在模型校準(zhǔn)過(guò)程中，對(duì)模型模擬精度影響最大的就是那些沒(méi)有記錄的數(shù)據(jù)。

雖然不確定的地形和防洪堤對(duì)于校準(zhǔn)模型而言，是否會(huì)造成一定困難，但是,近年來(lái)發(fā)生的一場(chǎng)大洪水的詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)，則有助于模型的校準(zhǔn)。

1988年發(fā)生的洪水不僅在奧蘭治河下游地區(qū)造成了大面積破壞，而且還延伸至上游地區(qū)，致使河流兩岸的城鎮(zhèn)、農(nóng)田被淹沒(méi)，甚至沖垮了2座大壩。因此，南非需要一個(gè)很好的洪水預(yù)警系統(tǒng)，以便使生活在下游的居民能夠在洪水來(lái)臨之前撤退到更高的安全區(qū)域。

根據(jù)洪水流量的變化，模型能夠模擬不同大小的洪水對(duì)灘涂地區(qū)的影響，但是模型只能夠模擬流速在8 000 m3/s以下時(shí)的情況，而8 000 m3/s的流量為50a一遇的情況。水務(wù)部門(mén)的職責(zé)是控制沿河的洪水指示燈，以及搜集用于校準(zhǔn)模型的數(shù)據(jù)。

4 總體規(guī)劃

校準(zhǔn)模型的主要目的在于，隨著對(duì)農(nóng)業(yè)用地的重視，需要對(duì)沿河區(qū)域洪水管理的總體規(guī)劃進(jìn)行不斷地修改、補(bǔ)充與改善。因此，應(yīng)根據(jù)一系列重現(xiàn)期洪水參數(shù)來(lái)確定防洪堤的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)劃的結(jié)果與地理信息系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)有關(guān)，DALRRD自己也可以為特定區(qū)域設(shè)計(jì)防洪堤標(biāo)準(zhǔn)。

在總體規(guī)劃中，還應(yīng)突出那些脆弱地區(qū)的問(wèn)題，目前仍存在沒(méi)有防洪堤保護(hù)的區(qū)域，還有一些由于上游洪水上漲時(shí)可能會(huì)造成巨大損失的區(qū)域。這項(xiàng)研究也開(kāi)始對(duì)重現(xiàn)期的選擇提出了疑問(wèn)，不過(guò),其中沒(méi)有考慮到計(jì)劃成本和防洪效益的因素。但是當(dāng)?shù)氐囊恍┺r(nóng)民和有關(guān)人士認(rèn)為，低要求的防洪標(biāo)準(zhǔn)更易于管理。

防洪堤、河灘地區(qū)洪水泛濫會(huì)對(duì)更遠(yuǎn)的下游地區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這是人們對(duì)該區(qū)域普遍認(rèn)可的觀點(diǎn)。目前，該項(xiàng)目所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)就是，針對(duì)上述觀點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)提出一個(gè)有效的解決措施。

洪水過(guò)后，灘涂地區(qū)的排水問(wèn)題也急需解決。因?yàn)榕潘畣?wèn)題如果得不到解決，就會(huì)影響洪水的持續(xù)時(shí)間并對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。目前，該河系中的防洪閘很少，即使有,通常也是由鉸鏈門(mén)式的結(jié)構(gòu)組成，但是在洪水來(lái)臨時(shí)，這些鉸鏈門(mén)可能起不到作用，有時(shí)仍需啟用人工操作的閘門(mén)。

5 結(jié) 語(yǔ)

毋容置疑，隨著總體規(guī)劃的不斷修改、補(bǔ)充和完善，還會(huì)有很多問(wèn)題會(huì)一一浮現(xiàn)。期望這項(xiàng)研究能夠突出二維水力模型的優(yōu)勢(shì)，使模型不僅僅應(yīng)用于現(xiàn)在，而且還能夠?qū)ξ磥?lái)模擬系統(tǒng)的管理發(fā)揮作用。也希望所建立的模型，能夠通過(guò)其系統(tǒng)本身的不斷改善和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷升級(jí),而使其運(yùn)行速度越來(lái)越快，功能也更加強(qiáng)大。

該模型可能是目前所建立的南非最大的模型，其優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)用中也日益突出。將來(lái)，也可能會(huì)將該類模型研究方法應(yīng)用于非洲的其他一些主要河流的分析研究中。

(徐 嘉 白 韌 編譯)

2015-01-19

1006-0081(2015)05-0031-03

P333.2

A