水庫潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬與防洪管理對(duì)策研究

黃 凌，孫月峰，2，李 穎，周正印

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.天津工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，天津 300387;3.天津市水利勘測設(shè)計(jì)院，天津 300204;4.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

水庫潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬與防洪管理對(duì)策研究

黃 凌1，孫月峰1，2，李 穎3，周正印4

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072;2.天津工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，天津 300387;3.天津市水利勘測設(shè)計(jì)院，天津 300204;4.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

目前防洪措施的制定主要基于定性分析與經(jīng)驗(yàn)判斷，防洪措施集中于防洪工程設(shè)施的管理與維護(hù)、源頭控制、法規(guī)制定、自然保護(hù)區(qū)措施、經(jīng)濟(jì)手段、洪水預(yù)警等方面，缺乏基于定量分析的防洪措施的研究?；跐魏樗?dāng)?shù)值模擬得到的淹沒范圍、水深和流速等關(guān)鍵信息，對(duì)深圳市公明水庫的防洪工程與非工程措施進(jìn)行了研究，為區(qū)域防洪決策與規(guī)劃管理提供了理論依據(jù)。

防洪減災(zāi);潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬;防洪措施

一、引 言

我國是一個(gè)洪澇災(zāi)害嚴(yán)重而頻繁的國家。隨著人口的增加，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，防洪工程對(duì)下游人民生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的潛在威脅也越大，遏制洪水災(zāi)害的影響已成為社會(huì)和諧發(fā)展的重大任務(wù)。大量防洪實(shí)踐證明，防洪工程與非工程措施相結(jié)合的方針提高了防洪效益，減小了洪災(zāi)損失。因此，防洪管理對(duì)策研究是一個(gè)值得深入探索的問題。

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，治水思路已從“入海為安”轉(zhuǎn)化為“承受適度風(fēng)險(xiǎn)”，從“洪水控制”轉(zhuǎn)化為“洪水管理”，從采用“工程措施”轉(zhuǎn)化為“綜合采用工程措施和非工程措施”［1］。20世紀(jì)70年代初，美國首先提出非工程措施防洪的概念，隨后世界各國在防洪減災(zāi)規(guī)劃上開始將工程措施與非工程措施相結(jié)合。劉國緯［2］基于人與洪水的關(guān)系，對(duì)防洪減災(zāi)非工程措施的定義與分類進(jìn)行了研究;田友［3］從防洪行為主體、客體及行為環(huán)境相互作用、相互依存的角度，對(duì)防洪體系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析;劉方貴等［4］對(duì)防洪非工程措施進(jìn)行了探討;杜挺［5］闡述了防洪非工程措施在洪泛區(qū)的應(yīng)用。以上防洪管理措施的研究大多集中于防洪工程措施與非工程措施的定性描述及分析，而基于定量分析方法制定防洪措施的相關(guān)研究成果較少。

洪水管理是人類遵循可持續(xù)發(fā)展原則，以協(xié)調(diào)人與洪水的關(guān)系為目的，理性規(guī)范洪水調(diào)控行為與增強(qiáng)自適應(yīng)能力等一系列活動(dòng)的總稱［6］。長期的防洪實(shí)踐使人們認(rèn)識(shí)到，洪水管理必須將防洪工程措施和非工程措施結(jié)合起來［7］。目前防洪工程措施運(yùn)用已比較成熟，主要包括修建防洪工程、加固大壩、整治河道、建立分洪區(qū)等。防洪工程措施的減災(zāi)作用最為明顯，它是一項(xiàng)必不可少的基礎(chǔ)性措施。非工程措施是指為了減少洪水災(zāi)害損失，采取頒布和實(shí)施法令、政策及防洪工程以外的技術(shù)手段等方面的措施。主要包括洪泛區(qū)管理、洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、分洪、滯洪、立法、洪水保險(xiǎn)等，從而加強(qiáng)防洪管理，順應(yīng)洪水的天然特性，達(dá)到防洪減災(zāi)的目的。防洪非工程措施不僅投資小，見效快，還能為大壩工程安全提供可靠保障。防洪減災(zāi)措施體系結(jié)構(gòu)如圖1所示［8］。

本文從潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬獲得的關(guān)鍵水情信息出發(fā)，對(duì)防洪減災(zāi)對(duì)策進(jìn)行了探討，以期為工程安全與流域防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 防洪減災(zāi)措施結(jié)構(gòu)框架

二、潰壩洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型

洪水信息的準(zhǔn)確性是防洪減災(zāi)對(duì)策合理有效的重要前提，因此，基于洪水?dāng)?shù)值模擬獲得淹沒范圍、流速和水深等關(guān)鍵水情信息，從而制定更為合理的防災(zāi)減災(zāi)管理對(duì)策。

采用耦合VOF方法的紊流模型對(duì)潰壩洪水進(jìn)行數(shù)值模擬，是一種比通常采用的一維和二維水面線追蹤方法更為精細(xì)的方法［9］。模型包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、k方程和ε方程。

連續(xù)性方程為

通常，取經(jīng)驗(yàn)常數(shù) cμ=0.09，σk=1.44，σε=1.92，C1ε=1.0，C2ε=1.3。

VOF方法在模型中引入相體積分?jǐn)?shù)F，F(xiàn)是空間和時(shí)間的函數(shù)，F(xiàn)=F(x，y，z，t)，F(xiàn) 取值是網(wǎng)格內(nèi)各流體的體積與能夠被流體通過的空間體積的比值。引入F變量后，式(1)～式(4)中的ρ和μ不再是常量，而是與F有關(guān)的變量，其表達(dá)式為

式中:ρw、ρa(bǔ)分別為水、氣兩種流體的密度，kg/m3;μw、μa分別為水、氣兩種流體的分子動(dòng)力粘性系數(shù)，(N·m)/s;dw為水的體積分?jǐn)?shù)，無因次。

通過αw的迭代求解，經(jīng)過式(5)和式(6)可求得ρ和μ，并將ρ和μ代入式(1)～式(4)進(jìn)行求解。水氣界面的追蹤通過下式實(shí)現(xiàn)，即

式中:t為時(shí)間，s;ui為速度分量，m/s;xi為坐標(biāo)分量，m。

模型邊界條件包括進(jìn)口邊界、出口邊界和固體壁面邊界，并采用PISO算法對(duì)模型進(jìn)行求解。

三、實(shí)例研究

公明水庫位于深圳市茅洲河上游公明、光明街道辦管轄區(qū)，水庫設(shè)計(jì)庫容 1.42億 m3，壩高46.9 m，正常蓄水位56.5 m，屬大(2)型水庫，是深圳市的重要調(diào)蓄工程。

1.水庫潰壩洪水演進(jìn)分析

研究區(qū)域不同時(shí)刻的VOF分布如圖2所示。潰壩初期水流在潰口附近呈線性擴(kuò)散，隨著水量增加，水頭鋒面開始向前方移動(dòng)，在前進(jìn)方向上呈近弧狀向各個(gè)方向推進(jìn)。水流從潰口向四周逐漸衰減，隨著時(shí)間的增加，水流沿兩側(cè)的推進(jìn)速度大于前進(jìn)速度，在1 100 s時(shí)水流側(cè)峰移動(dòng)到南側(cè)高地邊界，3 600 s時(shí)水流基本上充滿整個(gè)研究區(qū)域，8 000 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

圖3為不同時(shí)刻的水流速度分布，潰壩初期水流自潰口泄出，逐漸向下游擴(kuò)散，在地面摩擦力及障礙物等的作用下水流速度逐漸降低，部分高地地段出現(xiàn)水流回旋現(xiàn)象，表現(xiàn)為水流的折射、回退及發(fā)散。3 600 s時(shí)水流充滿計(jì)算區(qū)域，8 000 s時(shí)水流流速很小，洪水演進(jìn)結(jié)束。

圖2 不同時(shí)刻研究區(qū)域VOF分布

圖3 不同時(shí)刻計(jì)算區(qū)域表面水流速度分布

2.基于潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬的防洪工程與非工程措施

結(jié)合潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬得到的研究區(qū)域不同時(shí)刻的水深和流速，公明水庫應(yīng)采取的工程措施主要包括以下幾個(gè)方面［10-11］。

(1)推進(jìn)水庫大壩除險(xiǎn)加固，強(qiáng)化工程建設(shè)質(zhì)量。通過數(shù)值模擬可知，公明水庫潰壩導(dǎo)致的淹沒影響比較嚴(yán)重。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，保證水庫的安全;特別要強(qiáng)化建設(shè)質(zhì)量與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，保證工程措施的有效性。

(2)對(duì)公明水庫洪泛區(qū)進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃與管理。公明水庫下游人口及企業(yè)密集，數(shù)值模擬結(jié)果表明，一旦發(fā)生潰壩將對(duì)下游人口及工業(yè)區(qū)造成嚴(yán)重的影響，破壞下游生態(tài)平衡。因此，應(yīng)根據(jù)洪水模擬結(jié)果，結(jié)合下游區(qū)域自然地理?xiàng)l件，對(duì)行洪區(qū)或低洼易淹區(qū)的生態(tài)、土地、生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人民生活居住區(qū)等進(jìn)行全面規(guī)劃，合理布局，適度開發(fā)，并從法令條例或經(jīng)濟(jì)手段上給予及時(shí)指導(dǎo)和限制，減輕潰壩后果。

(3)整治公明水庫洪泛區(qū)下游河道，束水攻沙，加大對(duì)下游河床的沖刷力度。由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，河道在洪水演進(jìn)過程中起到了引流作用。因此，整治公明水庫下游河道，將寬淺散亂的河道整治為窄深規(guī)順的單一河道，增大河段單寬流量，大幅度提高河段水流輸沙能力。為維持下游區(qū)域河段較大比降，應(yīng)對(duì)畸形河段進(jìn)行裁彎。此外，在完成河道整治的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)局部河段實(shí)施挖河疏浚與拖淤疏浚，以利于公明水庫潰壩洪水的管理。

(4)加大公明水庫上游及周邊水土流失治理力度，減少泥沙進(jìn)入水庫，保證水庫庫容。公明水庫所在地以丘陵?duì)畹陌肫皆貛橹鳎浇斜姸嘈∩桨?，泥沙淤積將會(huì)影響水庫庫容。公明水庫建成后，暴雨洪水及上游河道來水中的泥沙沉降將會(huì)導(dǎo)致庫區(qū)的泥沙淤積，造成水庫庫容減小，不利于水庫的防洪調(diào)蓄。因此，應(yīng)加大水土流失治理力度，實(shí)現(xiàn)水庫的安全運(yùn)行與管理。

(5)在公明水庫下游區(qū)域修建排水工程。通過在公明水庫下游區(qū)域修建排水泵站，完善公明水庫下游區(qū)域的排水系統(tǒng)，及時(shí)將潰壩洪水排出，降低洪水造成的損失。

非工程措施主要包括以下幾個(gè)方面［12］。

(1)加強(qiáng)對(duì)公明水庫下游公眾的教育宣傳，強(qiáng)化公眾參與。公明水庫潰壩將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境影響。因此，應(yīng)加強(qiáng)下游風(fēng)險(xiǎn)人口對(duì)潰壩嚴(yán)重性的理解，加大宣傳教育，使人們認(rèn)識(shí)到潰壩洪水的嚴(yán)重性及其所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。并發(fā)揮下游群眾的監(jiān)督作用，使得風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制發(fā)揮其應(yīng)有作用。

(2)建立科學(xué)合理的應(yīng)急預(yù)案，完善公明水庫潰壩洪水應(yīng)急救助措施。模擬結(jié)果表明，潰壩約1小時(shí)后，洪水即充滿研究區(qū)域。因此，應(yīng)完善公明水庫下游通訊、道路交通建設(shè)，保障基礎(chǔ)設(shè)施的暢通，盡早發(fā)布警報(bào)信息;并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果制定合理的避難路線，使人們能迅速撤離。同時(shí)，加強(qiáng)公明水庫汛期總結(jié)及應(yīng)對(duì)緊急事件經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)交流，指導(dǎo)完善應(yīng)急預(yù)案與應(yīng)急救助措施。

(3)健全公明水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)管理制度。規(guī)范公明水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)規(guī)范與應(yīng)急對(duì)策，加強(qiáng)水庫風(fēng)險(xiǎn)管理各環(huán)節(jié)間的聯(lián)系，專門配置人員負(fù)責(zé)水庫風(fēng)險(xiǎn)管理;加強(qiáng)公明水庫洪水演進(jìn)、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)規(guī)劃、風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)等的研究，為公明水庫大壩風(fēng)險(xiǎn)管理的實(shí)施提供有效的技術(shù)支撐;運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，總結(jié)水庫存在的安全隱患，指導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)管理措施的有效實(shí)施。

(4)建立公明水庫潰壩洪水預(yù)報(bào)與警報(bào)系統(tǒng)。根據(jù)模擬分析獲得的洪峰流量、水位、流速、洪水到達(dá)時(shí)間等信息，及時(shí)對(duì)下游洪泛區(qū)發(fā)出警報(bào)，選擇最佳的避難路線，組織人口、財(cái)物的疏散撤離，做好抗洪搶險(xiǎn)準(zhǔn)備，以避免或減少潰壩洪災(zāi)損失。

(5)以信息化帶動(dòng)防汛管理現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)公明水庫防洪決策科學(xué)化。公明水庫的防洪決策離不開對(duì)水庫下游區(qū)域的洪水演進(jìn)分析，基于此建立公明水庫潰壩信息管理與決策支持系統(tǒng)。完善公明水庫信息采集傳輸網(wǎng)，建成高效可靠、先進(jìn)實(shí)用、覆蓋下游重點(diǎn)防洪區(qū)域的防汛指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水情、險(xiǎn)情、災(zāi)情信息的及時(shí)發(fā)布，為公明水庫防汛指揮提供科學(xué)全面的決策支持。

(6)建立穩(wěn)定的公明水庫潰壩防災(zāi)投入制度，提高大壩防災(zāi)減災(zāi)能力。保證按規(guī)劃建好、管好和用好防洪減災(zāi)系統(tǒng)，建立穩(wěn)定的大壩防災(zāi)投入制度，是做好公明水庫大壩防洪減災(zāi)工作的物質(zhì)保證。

四、結(jié) 語

隨著我國治水新思路的轉(zhuǎn)化，防洪工程措施與非工程措施在洪災(zāi)管理中占有非常重要的地位。而傳統(tǒng)的洪災(zāi)管理措施大都基于定性分析和經(jīng)驗(yàn)方法，難以滿足經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)防洪管理的要求。基于潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬的洪災(zāi)管理彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)方法的不足。根據(jù)潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬得到洪水淹沒范圍、水深和流速等關(guān)鍵水情信息，制定合理有效的防洪對(duì)策，并以公明水庫為例進(jìn)行了潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬和防洪對(duì)策研究，為工程安全和區(qū)域公共安全提供了決策依據(jù)。

［1］ 李 雷，王仁鐘，盛金保，等.大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)管理［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］ 劉國緯.論防洪減災(zāi)非工程措施的定義與分類［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2003，14(1):98-103.

［3］ 田 友.現(xiàn)代防洪減災(zāi)體系探析［J］.中國水利，2003(3):36-37.

［4］ 劉方貴，劉巖峰，高學(xué)新，等.防洪非工程措施探討［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2009，15(7):565-567.

［5］ 杜 挺.淺議非工程防洪措施在洪泛區(qū)的應(yīng)用［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2010，16(3):326-327.

［6］ 徐乾清.對(duì)中國防洪減災(zāi)問題的基本認(rèn)識(shí)和建立具有中國特色的防洪減災(zāi)體系的初步設(shè)想［J］.水文，2003，23(2):1-7.

［7］ 劉海超.淺論非工程措施在防洪中的作用［J］.西藏科技，2009(2):24-25.

［8］ 趙洪杰.流域防洪體系效果評(píng)價(jià)研究［D］.南京:河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院，2007.

［9］ 符傳軍，練繼建.潰壩水流在復(fù)雜河道中傳播的三維數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，38(10):1151-1157.

［10］ 趙振武.渭河下游洪水演進(jìn)數(shù)值模擬及防洪減災(zāi)對(duì)策研究［D］.武漢:武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，2004.

［11］ 黃 凌.基于三維洪水演進(jìn)數(shù)值模擬的潰壩損失評(píng)價(jià)與對(duì)策研究［D］.天津:天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，2010.

［12］ 王少軍.潰壩洪水與大壩風(fēng)險(xiǎn)管理［J］.中國減災(zāi)，2007(11):30-31.

Numerical Simulation of Dam-Break Flood and Flood Control Countermeasure

HUANG Ling1，SUN Yue-feng1，2，LI Ying3，ZHOU Zheng-yin4
(1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China;
2.School of Management，Tianjin Polytechnic Universtity，Tianjin 300387，China;
3.Tianjin Municipal Water Conservancy Survey and Design Institute，Tianjin 300204，China;
4.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Most flood control measures are based on qualitative analysis and experiential judgment，which mainly focus on management and maintenance of structural flood control measures，source control，rules formulation，establishing nature reserves，economic means and flood forecasting，but flood control measures based on quantitative analysis are scarce.The structural and non-structural flood control measures of the Gongming reservoir in shenzhen are studied based on flooded area，depth，and velocity by dam-break flood numerical simulation，which provides theory basis for flood control measure decision and planning management.

flood prevention and disaster alleviation;dam-break flood numerical simulation;flood control measure

TV87

A

1008-4339(2011)02-0116-05

2010-07-10.

天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(09JCYBJC08700;08JCZDJC25400);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2007CB714101).

黃 凌(1969— )，男，博士研究生.

孫月峰，sunyf 915@163.com.