河道型水庫滑坡涌浪安全評估系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

林孝松，羅軍華，王平義，王梅力，喻 濤，龔遠(yuǎn)紅

(1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院， 重慶 400074)

0 引 言

由于特殊的自然地理和復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，三峽庫區(qū)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育廣泛且發(fā)生較頻繁，對三峽水庫調(diào)度運營及當(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重危害。庫岸滑坡除直接對庫區(qū)正常航運、旅游、生產(chǎn)生活以及人員財產(chǎn)造成危害外，其產(chǎn)生的次生涌浪災(zāi)害帶來的損失與危害遠(yuǎn)超過原生滑坡災(zāi)害。如2003年7月13日發(fā)生的千將坪滑坡，產(chǎn)生涌浪高達(dá)39 m，傳播30 km，打翻船舶22艘，造成14人死亡，10人失蹤，直接經(jīng)濟損失5 735萬元[1]；2007年6月15日，湖北巴東縣大堰塘滑坡發(fā)生大規(guī)模塌滑，對岸涌浪爬坡高約50 m，涌浪共造成1人死亡，6人下落不明[2]；2008年11月23日，重慶巫山縣巫峽鎮(zhèn)龍江村長江干流北岸山體發(fā)生崩塌，產(chǎn)生10 m高初始涌浪，上游3.5 km處巫峽鎮(zhèn)碼頭、對岸柿子灣煤碼頭都受到涌浪影響，部分船只、沿岸航標(biāo)、路面、柑橘及灌木等遭到不同程度的破壞[3]；2015年6月24日，重慶巫山江東嘴山體滑坡，引發(fā)6 m高涌浪，造成2人死亡，4人受傷，21艘小型船舶翻沉，21艘船舶斷纜漂航。相關(guān)學(xué)者在滑坡涌浪方面開展了大量的研究工作，主要體現(xiàn)在滑坡涌浪計算方法[4-6]、物理模型試驗[7-13]、數(shù)值模擬[14-16]等方面，取得了一系列重要成果。在GIS技術(shù)應(yīng)用于滑坡涌浪方面，紀(jì)虹等[17]從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體3方面構(gòu)建區(qū)域滑坡涌浪易損性評價指標(biāo)體系及計算模型，基于GIS技術(shù)對三峽庫區(qū)云陽縣滑坡涌浪易損性進行可視化分析；黃波林等[18]引入水波動力學(xué)模型，結(jié)合GIS技術(shù)開發(fā)了滑坡涌浪災(zāi)害快速評價系統(tǒng)。

以三峽庫區(qū)萬州段為研究范圍，基于GIS軟件建立研究區(qū)水上、水下地形數(shù)據(jù)和庫岸主要滑坡災(zāi)害點分布數(shù)據(jù)，在滑坡涌浪安全評估系統(tǒng)整體設(shè)計基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析評估系統(tǒng)初始涌浪高度計算、涌浪傳播與衰減、固流能量交換、涌浪爬高計算、橫搖角度及涌浪安全評估等核心功能的實現(xiàn)流程、算法及具體操作，研究成果為快速確定滑坡涌浪特征值分布、涌浪災(zāi)害空間預(yù)警以及航道安全評價與管理等提供模擬技術(shù)和可視化分析平臺。

1 安全評估系統(tǒng)整體設(shè)計

山區(qū)河道型水庫滑坡涌浪安全評估系統(tǒng)(safety assessment system for landslide surge in mountain river type reservoir,SASLSMRTR)采用軟件工程原型法進行設(shè)計，在滿足系統(tǒng)基本功能的平臺上進行逐步開發(fā)建設(shè)。系統(tǒng)的設(shè)計主要以搭建模擬滑坡涌浪特征值分布及其對航道危害程度綜合評估功能為主，各功能模塊采用并行開發(fā)逐步實施。整個系統(tǒng)嚴(yán)格按工程化方法進行組織和管理，在系統(tǒng)需求調(diào)查、系統(tǒng)設(shè)計、軟件開發(fā)、系統(tǒng)總調(diào)、人員培訓(xùn)和系統(tǒng)試運行等方面均嚴(yán)格遵守信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，做到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能完善；既充分利用目前已經(jīng)成熟的先進技術(shù)、又做到操作簡單、使用方便，并為系統(tǒng)的后續(xù)擴展留有接口，以便在結(jié)構(gòu)和功能上進行擴充。

在山區(qū)河道型水庫滑坡涌浪特性試驗研究[5,7-11]基礎(chǔ)上，利用計算機和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，建立三峽庫區(qū)萬州段基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫和滑坡涌浪專題空間數(shù)據(jù)庫；基于ArcGIS Engine和Skyline等專業(yè)軟件進行開發(fā)，建立C/S結(jié)構(gòu)的河道型滑坡涌浪安全評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)以三峽庫區(qū)萬州段滑坡涌浪安全評估為原型，除需具有標(biāo)準(zhǔn)工具、地圖導(dǎo)航、圖層管理和地圖顯示等基本功能外，還需設(shè)計開發(fā)初始涌浪高度、涌浪傳播與衰減、固流能量交換、涌浪爬高計算及涌浪安全評估等專題功能。

2 安全評價系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 初始涌浪高度計算功能

滑坡初始涌浪高度是指滑坡入水后在滑坡入水點產(chǎn)生的最大波高。該值的大小在一定程度上反映了滑坡涌浪整體能量的大小及涌浪的破壞程度?；鲁跏加坷烁叨仁芑麦w寬度、厚度、坡度、入水處水深以及滑坡入水前緣角度等因素綜合影響。根據(jù)模型試驗結(jié)果[8]，系統(tǒng)進行滑坡初始涌浪高度的計算公式為

(1)

式中：H為涌浪初始高度，m；b為滑體寬度,m；h為水深,m；c為滑體厚度,m；β為滑坡坡度，rad。

如果考慮滑坡入水前緣角度，則需要在公式(1)中乘一個系數(shù)K，該系數(shù)值的計算公式為

K=2.276ln(A)+1.557 5

(2)

式中：A為滑坡入水前緣角度，rad。

滑坡初始涌浪高度計算功能實現(xiàn)的流程如圖1。首先設(shè)置滑坡體的寬度和厚度，如需考慮滑坡體前緣角度的影響，則需要設(shè)置前緣角度大??；如僅是對單個河段網(wǎng)格進行計算，則設(shè)置好滑坡坡度和河段單個網(wǎng)格點的水深后點擊開始計算按鈕即可得到單值點處的初始滑坡涌浪高度(圖2)。在此過程中，對于各類以弧度為單位的坡度或角度值，在系統(tǒng)界面中均輸入以度為單位的角度值，系統(tǒng)在后臺進行計算時自動進行角度到弧度的轉(zhuǎn)換。

圖1 初始涌浪高度計算功能流程Fig. 1 Flow chart of landslide initial surge height calculation

圖2 滑坡初始涌浪高度計算界面Fig. 2 Interface of landslide initial surge height calculation

同時，系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計有初始涌浪高度批量計算功能，即假設(shè)有某一方量規(guī)模的滑坡體在研究河段任一點處入水，系統(tǒng)可對整個研究河段按照設(shè)定的網(wǎng)格單元(1 m×1 m)進行初始涌浪高度值的批量模擬計算：首先在功能界面中設(shè)置當(dāng)前河段水位高度，系統(tǒng)通過提取河段水下地形高程與該水位進行差值計算，獲取河段內(nèi)各網(wǎng)格單元的水深值；然后輸入滑體寬度和厚度，點擊地圖分布按鈕計算得到滑坡發(fā)生時研究河段內(nèi)各網(wǎng)格單元的初始涌浪高度值；最后系統(tǒng)根據(jù)涌浪高度值進行分級渲染，渲染分級圖如圖3。

圖3 滑坡初始涌浪高度批量計算結(jié)果Fig. 3 Batch calculation results of landslide initial surge height

2.2 涌浪傳播與衰減模擬功能

依據(jù)模型試驗結(jié)果[8]，將滑坡涌浪傳播與衰減分為滑坡體寬度范圍內(nèi)區(qū)域、滑坡體寬度范圍外直道區(qū)域、彎曲河道區(qū)域和過彎后河道區(qū)域等4個區(qū)域，每一個區(qū)域滑坡涌浪傳播與衰減的規(guī)律不同，功能實現(xiàn)的算法也存在差異。其中過彎后河道區(qū)域波高傳播衰減系數(shù)為常數(shù)0.13；滑坡體寬度范圍內(nèi)區(qū)域波高衰減系數(shù)的計算公式為

(3)

滑坡體寬度范圍外直道區(qū)域波高衰減系數(shù)的計算公式為

(4)

彎曲河道區(qū)域波高衰減系數(shù)的計算公式為

(5)

式中：P為滑坡涌浪衰減系數(shù)；H為初始波高,m；h為水深,m；L為傳播距離,m；β為滑坡坡度,rad。

涌浪傳播與衰減功能實現(xiàn)的流程如圖4。在單值計算時，首先輸入滑坡的坡度和滑坡入水點產(chǎn)生的初始涌浪高度值；然后設(shè)置水深與傳播距離；最后確定計算涌浪衰減系數(shù)分區(qū)類型；設(shè)置好上述參數(shù)后點按開始計算按鈕即可得到滑坡涌浪傳播衰減系數(shù)值(圖5)。

在進行涌浪傳播與衰減系數(shù)批量計算時，首先需要利用滑坡點按鈕在地圖上定位滑坡點滑落位置及方向，同時利用彎道按鈕在地圖上定義河段彎道位置；然后輸入滑坡體寬度、初始涌浪高度和滑坡坡度等參數(shù)；最后點按地圖分布按鈕(圖5)，系統(tǒng)即按照設(shè)置的參數(shù)自動進行涌浪傳播與衰減規(guī)律空間分區(qū)，分別計算各區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元滑坡涌浪的衰減系數(shù)值，最終生成滑坡涌浪衰減系數(shù)分布圖(圖6)和涌浪高度傳播衰減分布圖。

圖4 涌浪傳播與衰減功能實現(xiàn)流程Fig. 4 Flow chart of swell propagation and attenuation implement

圖6 滑坡涌浪傳播衰減系數(shù)分布Fig. 6 Distribution of attenuation coefficient of landslide surge

2.3 涌浪能量交換系數(shù)計算功能

滑坡涌浪能量交換系數(shù)是滑坡體的勢能與涌浪的波能之間的交換率[5]，反應(yīng)了能量交換的充分程度。滑坡體的勢能主要由體積、密度、重心高程決定；涌浪的波能包括其動能和勢能。單寬滑體勢能與單寬波峰線上波能之間的交換系數(shù)可用式(6)計算：

(6)

式中：W為能量交換系數(shù)；h為水深,m；c為滑體厚度,m；β為滑坡坡度,rad。

涌浪能量交換系數(shù)計算功能實現(xiàn)的流程如圖7。首先設(shè)置滑坡體的厚度和坡度，如果進行單值計算，則設(shè)置好水深值后點按開始計算按鈕即可得到交換系數(shù)值(圖8)；如需要進行批量計算，則設(shè)置河段當(dāng)前水位值，點按地圖分布按鈕后，系統(tǒng)會利用水位值與研究河段水下地形高程進行相減獲取各網(wǎng)格單元水深值，然后利用公式(6)進行空間分布計算，結(jié)果如圖9。

圖7 滑坡涌浪能量交換系數(shù)功能實現(xiàn)流程Fig. 7 Flow chart of energy exchange coefficient of landslide surge

圖8 滑坡涌浪能量交換系數(shù)計算界面Fig. 8 Interface of energy exchange coefficient of landslide surge>calculation

圖9 滑坡涌浪能量交換系數(shù)分布Fig. 9 Distribution of energy exchange coefficient of landslide surge

2.4 滑坡涌浪爬高計算功能

波浪爬高是指波浪在堤壩上上爬高度與靜水面之間的垂直距離[7]。波浪爬高是確定水工建筑物堤頂高程的重要指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到堤壩及岸上相關(guān)建筑物的安全?；掠坷艘詭r土體入水處為起始點，沿河道向上、下游傳播，對航道沿岸基礎(chǔ)設(shè)施和居民會造成嚴(yán)重威脅。涌浪爬高的確定在涌浪對岸坡和壩體危害預(yù)測中是一個很重要的參數(shù)，它直接影響岸坡和壩體自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)中對其計算公式為

(7)

式中：R為涌浪爬高,m；H為涌浪初始波高,m；h為水深,m；D為爬高測量點與滑坡體入水點距離,m；α為岸坡坡度,rad。

圖10 滑坡涌浪爬高計算功能流程Fig. 10 Flow chart of landslide surge run-up calculation

滑坡涌浪爬高計算功能實現(xiàn)的流程如圖10。首先設(shè)置滑坡涌浪的初始高度、岸坡坡度和測點的距離，如果僅進行單值計算，則設(shè)置好水深值點按開始計算按鈕即可得到涌浪岸坡爬高值(圖11)；如需進行批量計算，則設(shè)置河段當(dāng)前水位值并利用滑坡點按鈕設(shè)置滑坡點所在位置后，點按地圖分布按鈕系統(tǒng)會基于各網(wǎng)格距離和岸坡坡度等相關(guān)空間數(shù)據(jù)，利用公式(7)進行滑坡涌浪爬高空間分布計算，結(jié)果如圖12。

圖11 滑坡涌浪爬高計算界面Fig. 11 Interface of landslide surge run-up calculation

圖12 滑坡涌浪爬高分布Fig. 12 Distribution of landslide surge run-up

2.5 橫搖角度計算功能

最大橫搖角度是船舶在風(fēng)浪中航行安全的重要指標(biāo)，國際海事組織對船舶在風(fēng)浪中安全航行的極限橫傾角度規(guī)定為40°，橫搖角度大于40°時船舶的穩(wěn)定特征發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的危害。系統(tǒng)設(shè)置了滑坡涌浪產(chǎn)生后計算橫搖角度的功能，其計算公式為

(8)

式中：Ω為最大橫搖角度,rad；H為波高,m；L為波長,m；h為水深,m。

滑坡涌浪橫搖角度計算功能實現(xiàn)的流程如圖13。首先設(shè)置滑坡涌浪形成后側(cè)面波長值，如果僅進行單值計算，則設(shè)置好船舶側(cè)面波高和相應(yīng)位置水深后，點按開始計算按鈕即可得到船舶最大橫搖角度值(圖14)；如果需要進行批量計算，則設(shè)置庫區(qū)當(dāng)前水位值點按地圖分布按鈕后，系統(tǒng)利用公式(8)進行河段內(nèi)各網(wǎng)格單元最大橫搖角度值的空間分布計算。

圖13 橫搖角度計算功能流程Fig. 13 Flow chart of roll angle calculation

圖14 船舶最大橫搖角度計算界面Fig. 14 Interface of ship maximum roll angle calculation

圖15 滑坡涌浪航道安全評估分布Fig. 15 Distribution of safety assessment of landslide surge channel

2.6 滑坡涌浪安全評估功能

滑坡涌浪安全評估功能主要利用計算得到的滑坡涌浪高度和橫搖角度兩個分布圖層數(shù)據(jù)進行綜合評估。如庫岸滑坡產(chǎn)生涌浪后，按照前述功能可計算滑坡涌浪的初始高度、傳播后在河段區(qū)域的涌浪高度以及船舶橫搖角度值；系統(tǒng)安全評估功能將研究河段內(nèi)涌浪高度值大于1.5 m的網(wǎng)格單元或橫搖角度大于15°的網(wǎng)格單元評判為不安全；系統(tǒng)將兩個評估數(shù)據(jù)進行合并即得到由兩個標(biāo)準(zhǔn)劃分的安全評估結(jié)果；系統(tǒng)會按照設(shè)定級別進行等級渲染，用不同顏色直觀地展示研究河段內(nèi)各網(wǎng)格單元的安全評估分布情況(圖15)，以輔助相關(guān)管理部門進行滑坡涌浪預(yù)警與決策。

3 結(jié) 論

1)山區(qū)河道型庫岸滑坡及其產(chǎn)生的次生涌浪災(zāi)害給庫區(qū)航運、旅游及人員財產(chǎn)造成巨大威脅和損害。以三峽庫區(qū)萬州段為研究范圍，基于ArcGIS 等專業(yè)軟件，對山區(qū)河道型水庫滑坡涌浪船舶航行安全評估系統(tǒng)進行了整體開發(fā)設(shè)計。

2)在相關(guān)模型試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了初始涌浪高度、涌浪傳播與衰減系數(shù)、固流能量交換系數(shù)、涌浪爬高、橫搖角度以及涌浪安全評估等系統(tǒng)核心功能的實現(xiàn)流程、計算算法及具體操作。

3)系統(tǒng)既能快速計算出滑坡產(chǎn)生后某特定地點的涌浪特征值，也能模擬得到研究區(qū)河段范圍內(nèi)所有網(wǎng)格單元的涌浪特征值分布情況，可為滑坡涌浪災(zāi)害空間預(yù)警及航道安全管理評價等提供可視化分析平臺。

4)由于系統(tǒng)是以三峽庫區(qū)萬州段為原型的系統(tǒng)，各功能實現(xiàn)的算法均是通過試驗結(jié)果擬合得到，其準(zhǔn)確性需要進一步驗證；同時今后系統(tǒng)也應(yīng)引入相關(guān)學(xué)者通過模型試驗或數(shù)值模擬得到的其他相關(guān)功能算法，以增加系統(tǒng)功能算法的多樣性，并可進行功能結(jié)果的對比驗證。