李智廣，王 楠，王英順，樊曉華

（1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100055，北京；2.黃河水利委員會黃河上中游管理局，710021，西安；3.西安黃河規(guī)劃設計有限公司，710021，西安）

中共中央、國務院印發(fā)的《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》要求“加強中游水土保持”“增強水土保持能力”，指出：建設高標準淤地壩， 加強病險淤地壩除險加固和老舊淤地壩提升改造，實現(xiàn)對重要淤地壩的動態(tài)監(jiān)控和安全風險預警。 為加快推進智慧水利建設，推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展，水利部印發(fā)《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》，提出建設黃河流域淤地壩“四預”（預報、預警、預演、預案）能力，研發(fā)淤地壩安全度汛“四預”模型，提高淤地壩安全風險主動防御能力。科學、高效、針對性地建設大中型淤地壩安全度汛“四預”模型，推進高保真、多維度、全方位的數(shù)字模擬，優(yōu)化選擇淤地壩安全度汛方案與措施，是實現(xiàn)除險務盡、避險及時、搶險有效，保障淤地壩安全度汛的有力支撐。本文基于大中型淤地壩結(jié)構(gòu)特征和相關研究的綜合分析、近期智慧水土保持實施方案的探索，對大中型淤地壩“四預”模型的重點主題（即數(shù)學模型）及其支撐數(shù)據(jù)進行探討。

一、“四預”模型要解決的主要問題

在大中型淤地壩安全度汛“四預”能力建設中，“四預”模型發(fā)揮著算法的作用，表征著研究者對淤地壩及其運行規(guī)律的認知與把握的水平；反映了算據(jù)的質(zhì)量，體現(xiàn)了淤地壩孿生數(shù)據(jù)的全面程度和精準程度；所提供的預案可通過預演將預報、預警貫穿起來，全要素、全流程地展現(xiàn)“四預”的功能與效力。 為保證“四預”模型功能全面完整、預演效果真實精準，所提供的預案有良好的適用性和針對性，首先需了解淤地壩及其結(jié)構(gòu)、出現(xiàn)險情發(fā)生潰壩的原因、潰壩所造成危害的范圍，然后針對淤地壩結(jié)構(gòu)與安全運行要求，通過預演優(yōu)化優(yōu)選預報和預警的指標，提供決策支撐的預案。

1.淤地壩及其控制區(qū)和影響區(qū)

淤地壩是在黃土高原水土流失區(qū)的支、干、毛溝內(nèi)，為控制侵蝕、滯洪攔泥、淤地造田、減少入河泥沙而修建的水土保持溝道治理工程。 按照《淤地壩技術規(guī)范》（SL/T 804—2020，以下簡稱《規(guī)范》），大型淤地壩應設置壩體、 放水建筑物和泄洪建筑物“三大件”。 中型淤地壩應設置壩體、放水建筑物或壩體、泄洪建筑物“兩大件”； 對位于大型淤地壩控制區(qū)域外的，還應配置泄洪建筑物。

淤地壩工程建設將一條溝道分為上游和下游兩個部分，上游集水區(qū)域為淤地壩控制區(qū)，下游最大洪水行洪區(qū)域為淤地壩影響區(qū)。 一條溝道建有多個淤地壩時， 就形成了溝道壩系。 通常情況下（即壩系穩(wěn)定時），壩系層層設防、節(jié)節(jié)攔蓄，每座壩都有對應的控制區(qū)和影響區(qū)。 但是，若上游某個壩體不安全或失事潰壩，將導致下游淤地壩的洪量短時間劇增，超過攔蓄能力造成漫溢壩體，嚴重時造成連鎖潰壩事故。 這就是所謂“穿糖葫蘆”式的壩系連鎖潰決。

2.淤地壩潰壩原因

由于早期施工缺乏技術指導，淤地壩工程建設質(zhì)量較差，“三大件”設施不齊全、不配套，遇到暴雨，容易出現(xiàn)險情甚至潰壩，如1993 年，以延安市為中心突降大暴雨，洪水災害影響6 個縣（市）50 個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），沖毀1 459座淤地壩，造成重大經(jīng)濟損失。 據(jù)調(diào)查， 造成淤地壩潰決的既有自然原因，更有人為因素。 自然原因主要是集中的強降雨、超標準暴雨，加之黃土高原地形起伏大、支離破碎、溝壑縱橫，容易引起洪流急速匯集于溝道的淤地壩中，超出工程滯蓄能力。 人為因素主要包括兩個方面：一是淤地壩工程必需的設施不完整、 不配套、施工質(zhì)量差，如：只有壩體的“悶葫蘆壩”，大型淤地壩沒有泄洪建筑物，或大中型淤地壩放水建筑物和泄洪建筑物規(guī)格不夠， 壩體建筑夯實不夠、密實度差、壩基處理質(zhì)量差；二是工程技術管理不落實、不科學、不到位，如：日常技術管理不善，放水建筑物和泄洪建筑物檢查與維修不及時、長期帶病，壩體出現(xiàn)裂縫、塌陷、洞穴，迎水坡沖刷嚴重， 壩庫上游存在雜物，汛期未按規(guī)定預警并做好響應和預案。

3.“四預”系統(tǒng)建設目標及實現(xiàn)途徑

淤地壩安全度汛“四預”能力，是指按照智慧水利建設的基本要求，針對單個大型和中型淤地壩及其上游控制區(qū)、下游影響區(qū)，或者壩系小流域，開發(fā)和建設“四預”系統(tǒng)、支撐淤地壩安全運行管理的能力。 這種能力集中表現(xiàn)在“四預”系統(tǒng)上，該系統(tǒng)以及時、高精度監(jiān)測為基礎，以高保真數(shù)學預演為支撐，以實施好管護修繕為關鍵，保障淤地壩工程安全運行與生產(chǎn)。

按照水利部總體部署及 《“十四五” 期間推進智慧水利建設實施方案》，大中型淤地壩安全度汛“四預”系統(tǒng)建設，應以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線， 配置和建安監(jiān)測設施設備，設計和建設包含全部要素的數(shù)據(jù)庫， 開發(fā)和集成相關評價預報模型，開發(fā)和建設管理信息系統(tǒng)，支撐淤地壩安全運行的預報、預警、預演和預案， 實現(xiàn)淤地壩科學運維和安全運行。 系統(tǒng)建設的任務目標：

①建設淤地壩及小流域高精度全要素監(jiān)測體系。 錨定淤地壩安全運行和生產(chǎn)管理的需求，配置自動化監(jiān)測設施設備， 構(gòu)建淤地壩及其控制區(qū)、影響區(qū)的數(shù)字化場景，對相關的自然地理和經(jīng)濟社會要素進行數(shù)字化映射，實現(xiàn)數(shù)字對象與實體對象即時對應和同步孿生。

②構(gòu)建多時空全要素數(shù)字孿生淤地壩及小流域。 基于淤地壩工程設計文件、常態(tài)化監(jiān)測數(shù)據(jù)，建成信息充分完備、空間精準對位、時序精細合理、結(jié)構(gòu)劃分科學、滿足模擬分析的數(shù)據(jù)庫， 基于BIM、CIM 等建模技術，形成全要素數(shù)字淤地壩及其控制區(qū)和影響區(qū)。

③集成高保真淤地壩防汛安全與除險模擬模型。 建立重點淤地壩安全運用“四預”模型，基于淤地壩控制區(qū)的產(chǎn)匯流過程，開展小流域暴雨洪水與水土流失預報，分析淤地壩險情發(fā)生、發(fā)展并實施預警，模擬淤地壩及其影響區(qū)除險搶險演練。

④生成強現(xiàn)勢性與高精準性的除險搶險建議方案。 在孿生淤地壩和模型預演的基礎上，結(jié)合決策者研判參數(shù)的輸入，生成關于淤地壩工程安全度汛、影響區(qū)人員避險和設施除險的對策建議，從技術、組織、人力和物力等方面提供決策支撐。

大中型淤地壩安全度汛 “四預”系統(tǒng)建設的途徑，如圖1 所示。

圖1 淤地壩安全度汛“四預”系統(tǒng)建設途徑

二、高保真“四預”的數(shù)學模型庫

大中型淤地壩安全度汛“四預”模型，是指基于淤地壩監(jiān)測體系建立的數(shù)字孿生淤地壩、 壩系及其所在小流域， 基于調(diào)查和試驗數(shù)據(jù)建立的關于淤地壩安全度汛相關主題的數(shù)學模型庫， 利用數(shù)字化方式試驗性地模擬淤地壩各組成部分的運行狀態(tài)、 淤地壩控制區(qū)匯水匯沙及其對淤地壩的影響， 虛擬災害所引起的險情及其預警預報， 在此基礎上提出除險搶險和避險的方案。 模型庫主要包括：

1.淤地壩壩庫匯入物總量估算模型

淤地壩壩庫匯入物總量估算模型，包括次降雨的匯入物總量和一定時段降雨的匯入物總量，強調(diào)的是估算進入淤地壩的物質(zhì)總量，包括淤地壩控制區(qū)的匯流、匯沙及其他進入壩庫的物質(zhì)。 匯入物總量與淤地壩剩余庫容的大小關系是預判險情的指示性指標，其模型的函數(shù)關系如下：

式中，F(xiàn)in為淤地壩壩庫匯入物總量；hf為入庫洪水量；hs為入庫泥沙量；ho為入庫其他物質(zhì)量。若淤地壩壩庫匯入物總量的絕大部分物質(zhì)為洪水， 可采用《規(guī)范》 提出的 “設計洪峰流量計算”“設計洪水總量計算”等進行估算。

2.淤地壩工程穩(wěn)定性評判模型

淤地壩工程穩(wěn)定性是指壩體的穩(wěn)定性。 由于各種原因造成淤地壩壩體殘損， 當殘損程度超過臨界值，壩體在遭遇較高水位水體時將會出現(xiàn)險情。 穩(wěn)定性評判將為是否需要及時實施淤地壩除險加固提供決策信息。淤地壩工程穩(wěn)定性模型主要與壩體的狀態(tài)密切相關， 如： 壩體裂縫、塌坑、滑坡、動物洞穴，壩面沖刷，壩體滲流等。 淤地壩工程穩(wěn)定性評判模型的函數(shù)關系如下：

式中，Es為淤地壩工程穩(wěn)定性；cd為淤地壩壩體運行參數(shù)；ws為壩面沖刷參數(shù)；ds為淤地壩壩體滲流參數(shù)；lp為背水坡散浸和集中滲漏、壩肩繞壩滲漏、壩趾流土管涌等參數(shù)。

淤地壩工程穩(wěn)定性評價的要素、模型和方法，可采用《規(guī)范》中的“附錄D 穩(wěn)定性分析”進行設定。

3.淤地壩放水和泄洪建筑物運行狀態(tài)評判模型

淤地壩放水和泄洪建筑物運行狀態(tài)評判，主要是基于對放水和泄洪建筑物的完好程度、泥沙和其他雜物堆積量的綜合分析來進行。 當放水和泄洪建筑物完好、堵塞程度未達到臨界值時，則為能夠正常運行；當放水和泄洪建筑物受損或堵塞程度達到臨界值時，則為難以正常運行。 淤地壩放水和泄洪建筑物運行狀態(tài)評判模型的函數(shù)關系分別如下：

式中，Ssb為放水建筑物運行狀態(tài)；s-ir為放水建筑物完好程度；s-adso為泥沙和其他雜物堆積量。

式中，Sdt為泄洪建筑物運行狀態(tài)；dt-ir為泄洪建筑物完好程度；dt-adso為泥沙和其他雜物堆積量。

淤地壩放水和泄洪建筑物的運行狀態(tài)，可參考《規(guī)范》中的“7 除險加固”進行評判。

4.淤地壩工程安全狀態(tài)評價模型

通過模型預演，對淤地壩工程遭遇暴雨、洪水、強烈地震等突發(fā)性、災害性影響甚至破壞時的安全狀態(tài)進行評價，實現(xiàn)相應狀況下的淤地壩運行狀況預報，發(fā)出相應防汛應急響應級別的預警，為及時采取緊急措施制止險情擴大、搶險避險、避災救災提供決策信息。 淤地壩工程安全狀態(tài)既與淤地壩工程穩(wěn)定性相關，又與暴雨洪水造成的匯入物總量、地震等突然性劇烈影響相關。 安全狀態(tài)評價模型的函數(shù)關系如下：

式中，SScd為淤地壩工程安全狀態(tài)；Fin、Es、Ssb、Sdt為 前 述 的4 個 模 型 評 價結(jié)果。

淤地壩工程安全狀態(tài)，可參考《規(guī)范》中的“附錄D 穩(wěn)定性分析”“10.5 防汛管理”進行評價。

5.淤地壩下游影響區(qū)遇險范圍評價模型

淤地壩下游影響區(qū)遇險范圍是指當淤地壩出現(xiàn)險情，大水漫壩甚至潰壩時， 下游影響區(qū)遭受險情的范圍。 其評價涉及潰壩流量（最大潰壩流量）、水位（最高水位）、下游地形以及行洪區(qū)地表覆被物等。 其中，潰壩流量可參考《規(guī)范》中的“附錄A 淤地壩潰壩洪水分析”進行計算。 遇險范圍評價模型的函數(shù)關系如下：

式中，DRda為淤地壩下游影響區(qū)遇險范圍；MDcdb為潰壩流量（最大潰壩流量）；WMWLcdb為水位 （最高水位）；Tds為下游地形狀況；Cs為行洪區(qū)地表覆被物。

6.淤地壩除險搶險支撐模型

當淤地壩出現(xiàn)險情，甚至大水漫壩、出現(xiàn)潰壩風險時，在分析潰壩洪水量和水勢能、下游影響區(qū)范圍及遭受損失的基礎上，從搶險技術、組織措施、人力和物力等方面，提出除險搶險、避災救災、制止險情及其蔓延擴大的可選預案。 淤地壩除險搶險技術和組織措施的主要內(nèi)容，可參考《規(guī)范》提出的“防汛管理”“黃河防汛抗旱總指揮部關于印發(fā)黃土高原地區(qū)淤地壩工程防汛預案編制規(guī)定的通知”。 淤地壩除險搶險技術和組織措施支撐模型的函數(shù)關系如下：

式中，SPtom為淤地壩除險搶險支撐方案；tm為技術措施；om為組織措施；hr為人力資源；mr為物力資源。

三、“四預”模型的數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)

為滿足大中型淤地壩安全度汛“四預”模型預演的真實性、科學性和決策支撐性，針對淤地壩的日常維修養(yǎng)護、汛前檢查除險、汛期搶險避險等數(shù)據(jù)管理需要，淤地壩安全度汛的數(shù)據(jù)庫應包括6 類子數(shù)據(jù)庫。

1.淤地壩工程設計規(guī)模子數(shù)據(jù)庫

主要包括淤地壩工程的樞紐組成及其規(guī)模、 建造材料及其性狀、控制區(qū)面積、設計總庫容、防洪標準、校核標準、建成（改建）時間等。 對每座大中型淤地壩和每條小流域壩系，應根據(jù)這些數(shù)據(jù)項的數(shù)值，編制工程各組成部分的數(shù)字圖，構(gòu)建數(shù)字孿生淤地壩， 為淤地壩的后期維護修繕、除險避險和數(shù)學預演提供算據(jù)。

2.淤地壩工程現(xiàn)狀子數(shù)據(jù)庫

主要包括當前（某時點）淤地壩工程各組成部分的狀況，如壩體壓實程度、已淤積高程、已淤積庫容、已淤地面積，壩庫滯蓄水位、水量及滲流情況，壩體與岸坡及放水建筑物接合部狀況、放（泄）水建筑物完好程度與淤堵情況等。 對淤地壩工程及其各組成部分的狀況，應通過實地調(diào)查和相關監(jiān)測， 闡明受損情況與完好程度，獲取相關指標的定性描述和定量數(shù)值，并同步更新數(shù)字孿生淤地壩和孿生壩系， 為淤地壩和壩系維護修繕、除險避險和數(shù)學預演提供高現(xiàn)勢性的算據(jù)。

3.淤地壩控制區(qū)自然與經(jīng)濟要素子數(shù)據(jù)庫

主要包括淤地壩控制區(qū)的地質(zhì)、地貌、氣象、水文、土壤、植被等自然地理要素，土地利用、居民、建設設施等主要經(jīng)濟要素。 這些要素應在控制區(qū)基礎地理信息的基礎上，建立對應要素的三維數(shù)字模型，形成數(shù)字孿生控制區(qū)， 既清晰表達控制區(qū)的各個要素，又為管理控制區(qū)各個要素提供基礎數(shù)據(jù)。

4.淤地壩下游影響區(qū)自然與經(jīng)濟要素子數(shù)據(jù)庫

主要包括下游影響區(qū)的地形狀態(tài)、涉及的鄉(xiāng)村及人數(shù)、基本農(nóng)田面積及種植作物、重要設施及其防洪狀況等。 對淤地壩下游影響區(qū)的重要經(jīng)濟社會要素的位置及其相關屬性，應建成數(shù)字孿生影響區(qū)，通過電子地圖完整反映，既清晰表達影響區(qū)的各個要素，又為管理影響區(qū)各個要素提供基礎數(shù)據(jù)。

上述的數(shù)字孿生淤地壩工程、數(shù)字孿生控制區(qū)和數(shù)字孿生影響區(qū)是在空間上相互連結(jié)、 在功能上相互影響的3 個對象，共同構(gòu)成了一體化、完整的淤地壩安全運行管理的數(shù)字孿生對象，即數(shù)字孿生淤地壩小流域。

5.淤地壩防汛預警要素子數(shù)據(jù)庫

主要包括淤地壩控制區(qū)的降水、庫區(qū)的水位、壩體滲流與滲透穩(wěn)定性，壩面沖坑和裂縫的位置、形態(tài)、走向、深度與形成原因，以及壩面沖坑和裂縫與岸坡、放水建筑物位置的關系，放水和泄洪建筑物工程的完好程度、淤堵情況等。 這些數(shù)據(jù)項及其監(jiān)測點的位置、屬性值等應全部表達在數(shù)字孿生淤地壩小流域上，以便一體化進行數(shù)據(jù)調(diào)用、分析和管理。

6.淤地壩搶險避險保障子數(shù)據(jù)庫

主要包括淤地壩的管護機構(gòu)、責任人、搶險物資儲備情況等。 這些數(shù)據(jù)項及其位置、屬性值等應全部表達在數(shù)字孿生淤地壩小流域上，以便一體化進行數(shù)據(jù)調(diào)用與分析、管理。

四、結(jié)論與建議

黃土高原目前共有淤地壩5.9 萬座， 其中大型、 中型壩分別占10%、20%。 如此巨大數(shù)量淤地壩的安全度汛，不僅直接關系淤地壩本身的安全和壩地的安全生產(chǎn)，而且直接關系下游影響區(qū)的安全生產(chǎn)生活乃至匯入河流的水沙安全。 大中型淤地壩在小流域壩系中承擔著控制性的 “骨干”作用，其安全度汛對新階段建設高標準淤地壩具有標志性意義。 其“四預”模型的主要內(nèi)容及其智能化、高保真程度，對保證預演效果及其支撐下的預案發(fā)揮著決定性作用。

本研究提出大中型淤地壩安全度汛“四預”模型的重點主題及其必需的孿生數(shù)據(jù)， 對于優(yōu)化安全度汛系統(tǒng)的算法， 完善數(shù)字孿生淤地壩小流域的算據(jù)， 推進實現(xiàn)重要淤地壩動態(tài)監(jiān)控和風險預報預警， 保證和提升高標準淤地壩建設具有一定的支撐作用。 ■