傅志敏，杜汶桐，孟 穎，王志剛

(1. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098； 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029； 3. 黃河水利水電開發(fā)總公司，河南濟(jì)源 459017)

潰壩往往伴隨著難以控制的超標(biāo)準(zhǔn)洪水，不僅會(huì)對(duì)社會(huì)秩序和環(huán)境造成極大的破壞，更會(huì)造成嚴(yán)重的生命損失。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，潰壩可能帶來(lái)的影響也會(huì)愈加嚴(yán)重，因此，潰壩生命損失研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)管理部門的重視[1- 2]。在我國(guó)，對(duì)于潰壩生命損失的研究還處于起步階段，如何較為準(zhǔn)確地估算潰壩造成的下游生命損失是我國(guó)大壩風(fēng)險(xiǎn)管理與應(yīng)急預(yù)案編制的關(guān)鍵技術(shù)問題[3-5]。李雷等通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外主要潰壩事件造成的生命損失情況，總結(jié)了影響生命損失的幾個(gè)重要因素，評(píng)價(jià)了國(guó)外大壩潰決導(dǎo)致生命損失的幾種估算方法[6]，提出應(yīng)找到適合我國(guó)實(shí)際情況的潰壩生命損失評(píng)價(jià)模型和風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率[7]，并針對(duì)沙河集水庫(kù)大壩、杭州青山水庫(kù)等工程實(shí)例進(jìn)行潰壩生命損失估算[8- 9]，對(duì)我國(guó)大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)的研究具有參考意義。本文應(yīng)用GeoDam-BREACH中自帶的SMPDAK潰壩洪水模型模擬小井溝水庫(kù)下游的潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程，確定水庫(kù)潰壩下游淹沒范圍并采用Graham法對(duì)潰壩導(dǎo)致的生命損失進(jìn)行估算與分析。

1 工程概況

小井溝水利工程位于四川省自貢市西北部榮縣禮佳場(chǎng)越溪河上，由小井溝水庫(kù)、干渠與6條支渠組成。該工程是以城市用水為主兼顧灌溉的大(2)型水利工程。防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期100年洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位429.00 m，庫(kù)容1.456 3億m3；重現(xiàn)期2 000年洪水校核，校核洪水位430.75 m，相應(yīng)庫(kù)容1.659 5億m3。小井溝水庫(kù)向雙溪水庫(kù)輸水，并與雙溪水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，通過(guò)雙溪水庫(kù)向自貢市供水。

小井溝水庫(kù)攔河大壩位于禮佳場(chǎng)上游小井溝峽谷河段上，地理位置在東經(jīng)104°10′，北緯29°24′，壩址控制流域面積587 km2，占全流域面積的22%，河長(zhǎng)92 km，設(shè)計(jì)流域?yàn)闁|北西南向的狹長(zhǎng)形。東高西低，東為榮、威高地西緣，分水嶺高程在700～800 m，西邊分水嶺為500～600 m[10]。

2 潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算

2.1 模擬潰壩工況

潰壩是水流與壩體相互作用的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，一般而言，潰壩過(guò)程中的潰口最終底寬及底部最終高程與壩體的材料、施工質(zhì)量及外力等因素有關(guān)。根據(jù)小井溝水利工程現(xiàn)有資料分析認(rèn)為，可能引起小井溝水庫(kù)大壩潰決的主要原因?yàn)槌瑯?biāo)準(zhǔn)洪水引起的漫頂潰決，即大壩遇超標(biāo)準(zhǔn)水位，水位接近壩頂，上游水位持續(xù)快速增長(zhǎng)，引起洪水漫頂，致使大壩潰決。本文假設(shè)最危險(xiǎn)的潰壩工況為：模擬小井溝水庫(kù)遇超標(biāo)準(zhǔn)水位且水位接近壩頂高程431.60 m并持續(xù)快速增長(zhǎng)，洪水漫頂后堆石體垮塌導(dǎo)致面板折斷，致使大壩潰決。

2.2 潰口洪水計(jì)算

利用由美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)開發(fā)的地理空間潰壩、緊急行動(dòng)計(jì)劃和后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(簡(jiǎn)稱GeoDam-BREACH)工具包進(jìn)行潰口洪水計(jì)算。主要應(yīng)用的理論模型為SMPDBK模型[11]，這是美國(guó)天氣局NWS開發(fā)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。該簡(jiǎn)化模型主要是利用了依據(jù)一維不穩(wěn)定流原理計(jì)算的潰壩洪水模型DAMBRK得到的洪水傳播曲線來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算，由以下3部分組成：(1) 用潰口的幾何形狀及水庫(kù)的容積計(jì)算壩址處的洪峰流量；(2) 用距離加權(quán)法和擬合技術(shù)將下游河道處理為棱柱形河道；(3) 應(yīng)用傳播曲線來(lái)計(jì)算下游某些預(yù)報(bào)點(diǎn)的洪峰及其傳播時(shí)間。

SMPDBK模型按以下公式計(jì)算壩址處的洪峰流量，需要的主要參數(shù)包括：潰口下切深度、最終潰口寬度以及潰決歷時(shí)[12]。

(1)

(2)

式中：Q0為溢洪道、水輪機(jī)或漫頂?shù)确菨⒖诹髁?m3/s)；Qbmax為最大潰壩流量(m3/s)；H為潰口的下切深度(m)；Br為潰口最終底寬(m)；tf為潰壩歷時(shí)(min)；As為潰壩時(shí)水庫(kù)水面面積。

計(jì)算得到相應(yīng)潰壩工況下潰口的主要參數(shù)為：潰口最終底寬163.20 m, 底部最終高程350.00 m,潰口下切深度81.6 m,潰決歷時(shí)26.77 min。

2.3 洪水演進(jìn)模擬

將潰口形狀參數(shù)輸入SMPDBK潰壩洪水模型，可計(jì)算得到小井溝水庫(kù)潰壩洪水的下游演進(jìn)情況以及洪水的峰值流量、流速、水深等。應(yīng)用1∶10 000地形圖在小井溝水庫(kù)下游河道設(shè)置計(jì)算斷面，模擬河道全長(zhǎng)約為33.15 km, 即從壩址處至征遠(yuǎn)村為止，大壩下游斷面劃分及計(jì)算得到的潰壩洪水淹沒范圍見圖1。上游邊界條件為簡(jiǎn)化潰壩模型計(jì)算得到的潰壩洪水流量，內(nèi)邊界只考慮大壩條件，支流和橋梁等其他內(nèi)邊界條件, 由于資料欠缺, 且在超標(biāo)準(zhǔn)洪水潰壩情況下影響小，暫不考慮。根據(jù)工程實(shí)際情況，山谷糙率取值范圍0.028～0.036，河道糙率取0.026。

圖2為洪水淹沒區(qū)域內(nèi)的水深分布。由圖2可知，臨近水庫(kù)下游的河道段水深很大，主要原因是潰壩洪水流量大，且該區(qū)域地勢(shì)存在較大落差，洪水水位抬升容易造成淹沒。水庫(kù)下游人員聚居區(qū)多集中在河道兩岸地勢(shì)平坦區(qū)域，由于河道比較曲折，加之兩岸地勢(shì)較低，洪水容易壅出河道，周邊城鎮(zhèn)有受淹的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 水庫(kù)下游斷面劃分及潰壩洪水淹沒范圍Fig.1 Schematic drawing of downstream cross-section and the inundated map of dam-breached flood

圖2 水庫(kù)下游淹沒區(qū)水深分布Fig.2 Schematic drawing of depth of downstream inundated area

3 潰壩生命損失估算

3.1 Graham法估算生命損失

國(guó)外在大量潰壩案例的研究基礎(chǔ)上，對(duì)潰壩生命損失進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了估算潰壩生命損失的常用方法有：Dekay & McClelland法、Graham法、RESCDAM法(簡(jiǎn)化Graham法)等，李雷等分析發(fā)現(xiàn)采用Graham法進(jìn)行生命損失估算更加簡(jiǎn)單方便且切實(shí)有效[13- 14]，因此本文也采用Graham法對(duì)小井溝水利工程的潰壩生命損失進(jìn)行估算，評(píng)價(jià)模型如下：

Lol=PAR×f

(3)

式中：生命損失Lol指受到潰壩洪水淹沒而遇害的死亡人數(shù)；風(fēng)險(xiǎn)人口PAR指下泄洪水或潰壩洪水淹沒范圍內(nèi)的人數(shù)；f為Graham法的風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率。相關(guān)研究分析發(fā)現(xiàn)生命損失主要與潰壩洪水嚴(yán)重性、警報(bào)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)人口對(duì)潰壩洪水嚴(yán)重性的理解程度有關(guān)[7]。

潰壩洪水嚴(yán)重性SD是表示洪水對(duì)下游居住區(qū)等建筑物損毀程度的參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)可用計(jì)算斷面的潰壩洪水峰值流量與最大水面寬度之比q值來(lái)判定潰壩洪水嚴(yán)重性。q的計(jì)算式如下：

(4)

式中：Qdf為計(jì)算斷面的潰壩峰值流量(m3/s)；Q2.33為該斷面的年平均流量(m3/s)，一般情況下可近似取0；Wdf為 潰壩洪水在該斷面水面寬度的最大值(m)。

根據(jù)洪水毀壞程度及其相應(yīng)的q值，潰壩洪水嚴(yán)重性SD定性劃分為以下3個(gè)類型：① 低嚴(yán)重性：沒有建筑物從基礎(chǔ)上被沖刷掉，大多數(shù)建筑物被淹沒深度小于3 m，q≤4.6 m2/s；② 中等嚴(yán)重性：房屋被毀壞，大部分建筑物淹沒深度大于3 m，但仍然可以找到避難的地方，4.612 m2/s。

警報(bào)時(shí)間WT是指潰壩警報(bào)發(fā)布后至下游群眾開始撤退之間的時(shí)間，通常劃分為以下3類：①WT≤15 min時(shí)，無(wú)警報(bào)，媒體或政府部門在潰壩洪水到來(lái)之前沒有發(fā)布警報(bào)；② 15 min60 min時(shí)，充分警報(bào)，媒體或政府能夠在更早的時(shí)間發(fā)布警報(bào)。

風(fēng)險(xiǎn)人口對(duì)潰壩洪水嚴(yán)重性的理解程度UD是指在警報(bào)發(fā)布時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)人口對(duì)潰壩洪水嚴(yán)重性是否有明確的理解和反應(yīng)，對(duì)應(yīng)采取的逃生必要性、措施、路徑是否了解。一般來(lái)說(shuō)可分為以下兩種情況：① 理解模糊：警報(bào)發(fā)布后公眾對(duì)于即將發(fā)生或者正在發(fā)生的潰壩過(guò)程沒有深刻的理解和反應(yīng)能力，對(duì)潰壩引發(fā)的洪水泛濫程度和嚴(yán)重后果沒有正確的認(rèn)識(shí)。這種情況下預(yù)計(jì)達(dá)到的警報(bào)效果力度較??；② 理解準(zhǔn)確：和①情況相反，警報(bào)預(yù)計(jì)能夠起到更加強(qiáng)而有力的作用[7]。

3.2 估算結(jié)果分析

根據(jù)小井溝水庫(kù)下游居民分布及人口密度，并考慮到潰壩發(fā)生在白天和夜晚的不同情況，淹沒區(qū)風(fēng)險(xiǎn)人口PAR可近似等于淹沒區(qū)人口與影響因子的乘積，影響因子白天取0.50，晚上取0.85[15- 16]。

對(duì)SMPDBK潰壩洪水模型計(jì)算得到的潰壩下泄洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行分析，得到計(jì)算斷面的潰壩峰值流量和最大水面寬度，根據(jù)q值確定潰壩洪水嚴(yán)重性SD，計(jì)算結(jié)果見表1及圖3，由計(jì)算結(jié)果可知小井溝水庫(kù)下游q值較高，潰壩下泄洪水對(duì)下游的影響嚴(yán)重。

表1 潰壩洪水嚴(yán)重程度SD確定Tab.1 Estimation of SD

圖3 潰壩洪水嚴(yán)重程度SD確定

假定警報(bào)時(shí)間WT為單一式的警報(bào)時(shí)間，即潰壩洪水淹沒區(qū)域內(nèi)的警報(bào)時(shí)間均相同。風(fēng)險(xiǎn)人口對(duì)潰壩洪水嚴(yán)重性的理解程度UD因警報(bào)時(shí)間的長(zhǎng)短而變化[8]，如表2所示。根據(jù)潰壩洪水嚴(yán)重性、風(fēng)險(xiǎn)人口對(duì)潰壩洪水嚴(yán)重性的理解程度和警報(bào)時(shí)間，估算生命損失Lol，估算結(jié)果見表2所示。

表2 對(duì)潰壩洪水嚴(yán)重程度的理解UD和生命損失值估算

4 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用GeoDam-BREACH工具包與Graham法對(duì)小井溝水庫(kù)潰壩造成的生命損失進(jìn)行估算，并得到以下結(jié)論：

(1) 小井溝水庫(kù)下游潰壩淹沒區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率較高，應(yīng)當(dāng)引起大壩安全管理部門和政府部門的重視，及時(shí)做好防洪應(yīng)急預(yù)案工作，減少潰壩生命損失。

(2) 潰壩生命損失隨著警報(bào)時(shí)間的增加而減少。當(dāng)政府部門與水庫(kù)管理人員及時(shí)發(fā)出潰壩警報(bào)時(shí)，生命損失較無(wú)警報(bào)減少了約1/3，而當(dāng)警報(bào)時(shí)間提前1 h甚至更早發(fā)出時(shí)，生命損失已經(jīng)迅速減少到管理部門可以控制的范圍內(nèi)，便于進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)人口轉(zhuǎn)移和應(yīng)急救援工作。由此可見，警報(bào)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)人口對(duì)潰壩洪水嚴(yán)重性的理解程度是生命損失的重要影響因素，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)水庫(kù)大壩的日常巡查工作和預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，為風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)人口的及時(shí)疏散和轉(zhuǎn)移做好準(zhǔn)備。