于洋洋

(遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室，沈陽 110003)

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國境內(nèi)存在各類型水庫超過9×104余座，其中95%以上為中小型水庫，且大多建設(shè)于上世紀(jì)七八十年代。這些水庫普遍存在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、施工水平差、滲漏腐蝕嚴(yán)重、日常管理不到位等情況。夏季汛期往往出現(xiàn)水庫庫面暴漲、瞬時流量大、沖擊力猛，時刻威脅著大壩安全。在及時除險加固無法現(xiàn)實的情況下，利用計算機技術(shù)模擬水庫潰壩淹沒范圍、設(shè)計合理避難所是應(yīng)對潰壩災(zāi)害的重要手段之一。

1 研究區(qū)概況

三道嶺水庫是位于營口大石橋市周家鎮(zhèn)境內(nèi)，水庫建成于1974年，是一座以防洪灌溉為主，結(jié)合養(yǎng)魚、旅游等功能綜合利用的中型水庫，1992年被辟為營口市水源地。三道嶺水庫匯水面積133 km2，水面面積約200 hm2，蓄水量3 120×104m3，警戒水位18 m，是遼南地區(qū)中型水庫之一。在三道嶺水庫周邊分布著三道嶺、西溝、趙梁屯等村鎮(zhèn)，人口密度較大，若發(fā)生潰壩事故社會影響惡劣，因此必須做好潰壩預(yù)警、搶救工作。

2 GIS技術(shù)原理介紹

地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計算機軟、硬件支持下，一種專門用于采集、存儲、管理、分析和表達(dá)空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，既是一種表達(dá)、模擬現(xiàn)實世界和空間數(shù)據(jù)分析處理的工具，又是用于解決空間問題的資源，同時還是一門關(guān)于空間信息處理分析的科學(xué)技術(shù)[1]。

一個GIS系統(tǒng)從建立到應(yīng)用主要分以下5個步驟：①定義一個問題；②采集和獲取數(shù)據(jù)；③建立數(shù)據(jù)庫；④實施分析；⑤解釋和展示結(jié)果。其中最為核心的工作是數(shù)據(jù)獲取和分析，最終建立好項目區(qū)各類圖層(圖1)，需要分析哪類數(shù)據(jù)直接以圖層形式調(diào)出即可，更加直觀清晰[2]。

圖1 GIS圖層建立示意圖

3 GIS技術(shù)對水庫潰壩淹沒區(qū)域模擬分析

3.1 模擬準(zhǔn)備工作

基于GIS技術(shù)中的體積法模擬洪水淹沒面積時，前期需要準(zhǔn)備以下兩類數(shù)據(jù)：①潰壩時間段內(nèi)洪水流量；②淹沒區(qū)內(nèi)各區(qū)離散高程數(shù)據(jù)。

3.1.1 潰壩時段內(nèi)洪水流量估算

潰壩寬度直接決定洪水流量，三道嶺水庫大壩為土石壩，大壩潰決寬度b采用經(jīng)驗公式計算[3]，公式如下：

(1)

式中：k為經(jīng)驗系數(shù)，取值0.65；W為總庫容，m3；B為主壩長度，m；H為壩體高度，m。

經(jīng)計算，得出b=118 m。

水庫潰壩洪水流量Q由兩部分組成：潰口流量Qb和泄水裝置下泄量Qs，其中Qs按照最大值計算即可，Qb最大值計算公式[4]如下：

(2)

式中：g為重力加速度，9.8 m/s2；H0為潰壩前上游水深，m。

若按照垂直方向完全潰壩計算，總洪水量約1 250×104m3，洪峰可達(dá)60 350 m3/s，洪水總歷時大概920 s。

3.1.2 柵格格式高程數(shù)據(jù)

高程數(shù)據(jù)是地理空間信息中的最重要組成之一，可以使分析區(qū)域地圖由二維轉(zhuǎn)化為三維立體圖?；咀龇ㄊ窍葘⒀芯繀^(qū)域作柵格化處理，之后將各點的高程數(shù)據(jù)填入系統(tǒng)即可，具體步驟如下：

1)從相關(guān)部門獲取三道嶺水庫及周邊10 km以內(nèi)的CAD格式地圖，之后轉(zhuǎn)化為shp格式地圖，填入各高點數(shù)據(jù)，建立等高點矢量圖。

2)利用Build函數(shù)建立研究區(qū)域等高線圖的拓?fù)潢P(guān)系，之后建立矢量地圖(圓錐)投影坐標(biāo)系。

3)利用TIN(不規(guī)則三角形)方法，通過空間插值將矢量圖轉(zhuǎn)化為不規(guī)則三角網(wǎng)格式，三道嶺水庫DEM數(shù)據(jù)圖見圖2(1∶30 000)[5]。

圖2 三道嶺水庫DEM示意圖

3.2 基于GIS的體積法模擬淹沒區(qū)域

3.2.1 體積法原理分析

體積法的原理是根據(jù)庫區(qū)周邊地貌，將壩體潰堤后洪水總量等于淹沒區(qū)域水量。在此說明：由于洪水實際淹沒過程非常復(fù)雜，且受地形、植物因素影響較多，為方便計算，統(tǒng)一將滯洪區(qū)、低洼地、小型湖塘等小蓄水區(qū)看作水平面，簡化后計算公式[6]如下：

(3)

式中：W為潰堤事件中洪水水量，m3；A為淹沒區(qū)面積，m2；Eg(x，y)為地面高程值；Ew為洪水水面高程值；dσ為淹沒區(qū)面積微元。

3.2.2 體積法模擬淹沒區(qū)域分析

潰壩后洪水大部分會向下游急速推進(jìn)，因此主要模擬下游不同段面洪峰流量及到來時間、起漲時間、恢復(fù)初始狀態(tài)時間等。為簡化模擬，在此不再考慮洪水推進(jìn)期間非人為設(shè)施阻力，均按照地平面計算。具體洪水淹沒模擬結(jié)果見表1(部分)。

表1 三道嶺水庫洪水淹沒模擬結(jié)果(部分)

由模擬結(jié)果可知：①三道嶺水庫若發(fā)生潰壩事故，會影響周圍7個村莊，其中2個距離最近村莊(三道嶺村、青寨村)會被直接沖毀大半，受災(zāi)人口約2.3萬人；②潰壩事故會淹沒總區(qū)域面積23 km2，淹沒耕地0.14×104hm2；③淹沒道路(上白線)100 m，沖毀橋梁一座。總而來看，可造成的直接經(jīng)濟損失約5.5億元，且災(zāi)區(qū)近1年時間內(nèi)無法恢復(fù)。

4 避難場所設(shè)計選擇分析

潰壩事故往往會隨著汛期來臨，因此在劃定有水災(zāi)范圍時，應(yīng)把周邊河流也作一定的洪水計算。經(jīng)估算，本項目共需轉(zhuǎn)移人口約5萬人，接下來對避難所選擇點進(jìn)行分析。

4.1 可達(dá)性分析

可達(dá)性是評價避難所最重要的指標(biāo)，最重要參考就是距離壩址距離。本項目利用GIS系統(tǒng)工具對以壩址為中心，其5.0 km范圍內(nèi)的所有可作為避難所的點均編號標(biāo)記，共有10處區(qū)域符合。

4.2 道路路況分析

道路等級越高，災(zāi)區(qū)居民轉(zhuǎn)移越迅速，在此將道路劃分為5個級別，具體見表2[7]。本項目設(shè)計滿足居民規(guī)定時間內(nèi)撤離的最低道路等級為1，排除低于該值的避難點。通過技術(shù)人員現(xiàn)場考察路線和評估，共排除其中的2處區(qū)域。

表2 道路級別分類

4.3 有效性分析

避難所需要有足夠的面積來收納災(zāi)民，在此主要通過開放空間比和人均有效面積兩個指標(biāo)評價避難點有效性。首先，本項目要求避難點的開放空間比(有效面積/總面積)必須大于0.6；其次，要求避難點人均有效面積必須大于1.0 m2。通過技術(shù)人員現(xiàn)場考察路線和評估，剩余區(qū)域均滿足有效性要求。

為了便于避難點及災(zāi)民的日常管理工作，應(yīng)在滿足各項規(guī)定的前提下盡量減少避難點數(shù)量，因此本項目需要從剩余8處區(qū)域中選取4處作為最終避難點位置。最終技術(shù)專家組加入了一些新的考慮因素，包括周邊配套方便度、避難點管理費用等，利用模糊評判法確定4處避難點，對潰壩事故災(zāi)害提出一系列應(yīng)對措施。

5 結(jié) 語

由于洪水災(zāi)害和降雨、地形有著直接關(guān)系，所以可以憑借現(xiàn)代計算機技術(shù)進(jìn)行災(zāi)害模擬。本項目通過利用GIS技術(shù)對三道嶺水庫潰壩情況模擬，分析了潰壩影響范圍、洪峰及洪水流量、達(dá)到時間等關(guān)鍵參數(shù)，為搶險救災(zāi)指揮工作提供了參考依據(jù)，也有效地降低了災(zāi)害損失，取得了較好的經(jīng)濟及社會效益。