特大洪水演變過程及不確定性研究（一）——IMPACT項目背景及前序CADAM項目

崔弘毅編 譯

（國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州 310014）

1 概述

水庫大壩對人類社會和經(jīng)濟的發(fā)展起到了極其重要的推動作用，因此，盡可能充分地了解其結(jié)構(gòu)、強度和弱點等具有非常重要的意義。只有這樣，才能對大壩進行持續(xù)有效的管理，保障其安全。一旦由于某種原因發(fā)生潰壩失事，其對下游所造成的生命和財產(chǎn)損失將無法估量?；跐魏蠊膰乐匦?，世界各國對于大壩安全問題均給予了高度的重視。自19世紀以來，各國學(xué)者分別從理論分析、物理模型試驗、數(shù)值模擬、潰壩洪水計算模型研究、歷史資料統(tǒng)計分析等諸多方面對潰壩問題進行了詳細的研究，并取得了許多重要的研究成果。近年來，各國政府又著重開展了在潰壩風(fēng)險評估、大壩監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)急預(yù)案編制以及潰壩機理等方面的研究。

盡管潰壩問題研究主要以數(shù)值模擬及歷史資料統(tǒng)計分析為主，但物理模型試驗仍是研究潰壩問題不可或缺的技術(shù)手段。潰壩模型試驗成果不但可以彌補潰壩歷史資料在數(shù)量及可靠性上的局限性，還可以為數(shù)值模擬提供驗證數(shù)據(jù)，并在潰壩機理研究方面具有上述兩種手段無可比擬的優(yōu)越性。潰壩模型試驗研究始于19世紀中葉，大致經(jīng)歷了兩個階段：早期（19世紀末至20世紀80年代）主要以潰壩洪水研究為主，而近期（20世紀90年代以來）的研究重點則放在潰壩機理上。潰壩模擬相關(guān)行動（以下簡稱CADAM）和特大洪水演變過程及不確定性研究（以下簡稱IMPACT）即屬于潰壩機理模型試驗研究。

2 CADAM項目的背景

近幾年中，英國發(fā)生了一系列大洪水事件，公眾關(guān)于洪水風(fēng)險和影響的意識也相應(yīng)得到了提高。在這些大洪水事件中，許多防洪設(shè)施發(fā)生了漫頂，也有一些防洪設(shè)施發(fā)生了垮塌事故。雖然還沒有一座大壩潰決，但發(fā)生過大壩漫頂，事故引發(fā)人們思考：如果潰壩了，后果會怎么樣呢？隨著公眾相關(guān)意識的加強，學(xué)界識別和降低洪水和潰壩風(fēng)險的壓力也越來越大。

目前為止，預(yù)測大壩或防洪設(shè)施潰決事故所帶來的潛在影響在英國還不是法定要求的必須項目，但立法正在向這方面前行?！队畮祜L(fēng)險管理導(dǎo)則》（CIRIA，2000）已經(jīng)出版，早前，英國環(huán)境、糧食和農(nóng)村事務(wù)部（Department of Environment,Food and Rural Affairs,DEFRA）贊助了大壩和水庫風(fēng)險評價方法的研究項目。

大壩或防洪設(shè)施潰決風(fēng)險評估的基礎(chǔ)是預(yù)測潰壩本身條件。風(fēng)險評估和管理框架將為識別風(fēng)險和風(fēng)險排序提供一個機制，但其過程則與其精確性緊密相關(guān)，只有達到一定的精確度，才能確定各種潰決模式和其發(fā)生過程。就英國目前用來預(yù)測洪水和大壩潰決的工具和方法，其可靠性和靈活性，相比于河流模型和施工設(shè)計的模擬方法，最多也只能說尚存在其局限性。

由于擔(dān)心公眾對潰壩引起的潛在洪水風(fēng)險有不良反應(yīng)，許多這方面的研究仍被嚴格保密，這也限制了對更新更好的預(yù)測方法的復(fù)核、評估和開發(fā)工作。如果連話題都不能公開討論，自然不能明確對這些方法的需求。

在CADAM項目中，研究更好的方法和深化這方面知識的需求得到明確?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是將洪水風(fēng)險數(shù)據(jù)向公眾公開，當然，向公眾提供準確、恰當?shù)臐晤A(yù)測的壓力也越來越大，但這些研究方法對終端客戶（如應(yīng)急規(guī)劃）的重要性還是一如既往，絲毫沒有減少。

3 CADAM項目的結(jié)論

1998～2000年，歐盟資助了一項稱為CADAM（Concerted Action on Dambreak Modelling）的潰壩模擬協(xié)調(diào)行動計劃，為期兩年，于2000年1月結(jié)束。它促成了歐洲潰壩和潰壩模擬的比較，有20多個組織參加。CADAM建立了4個專題研究小組，研究范圍包括多個潰壩專題，它們以現(xiàn)場、實驗室、個人或國家研究項目所從事的一部分研究工作中采集的數(shù)字模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，發(fā)表了一個題為《潰壩模擬導(dǎo)則和最佳實踐》的指導(dǎo)性文件,并為將來的研究作了一系列重要建議（工程報告）。

CADAM項目一共得出了31條具體結(jié)論，以下為精選出的部分結(jié)論：

結(jié)論9：雖然在預(yù)報一般流體動力學(xué)條件方面數(shù)值模型的精度比其它的潰壩研究方法要好，但是，它模擬復(fù)雜水流條件（例如，在城市地區(qū)）的能力較差。

結(jié)論10：精確度方面沒有進展。模型建立者不愿意去定義精確度，因為模型建立過程中有太多未知因素和假設(shè)。同樣，許多終端用戶也不清楚使用工況，特別是立法不涉及的領(lǐng)域，就更不清楚狀況了。除非對精確度提出明確的要求程度，否則就無法對精確度進行真正的評估。

結(jié)論11：業(yè)已證明，在CADAM限制范圍內(nèi)，要識別適合于所有的潰壩水流條件的單個“最好”模型或者模型類型相當困難，如果想要達到這樣的水平，則需要開展更多更詳細、更深入的數(shù)據(jù)和模型性態(tài)分析。

結(jié)論12：潰壩模型建立過程中的不確定性是導(dǎo)致整個潰壩分析不確定性的重要因素。

結(jié)論13和15：現(xiàn)在預(yù)測潰壩程度和地點的能力非常有限，潰壩模型的精度也非常有限。潰壩洪峰預(yù)測大概能達到50%的準確度，而預(yù)測的形成時間其準確度則低得多。

結(jié)論17：目前，沒有單一的推薦潰壩模型。雖然NWS潰壩模型得到了廣泛應(yīng)用，但其有明顯的局限性。許多研究人員正在努力改進潰壩模型。為提高該領(lǐng)域的研究水平，將水力學(xué)和土力學(xué)的知識融入是非常必要的。

結(jié)論20：潰壩事件中，很可能伴隨發(fā)生大規(guī)模的殘骸和泥沙運動，它將極大地改變山谷地形，尤其是近壩處的地形，還會極大地影響預(yù)測的洪水深度。在潰壩分析中，也應(yīng)該考慮到這種種因素的影響。

結(jié)論23：研究者表示，高密度的殘骸和泥沙運動將極大地影響洪水的行進速度，需要進一步研究泥沙運動造成的影響。

4 IMPACT項目

針對CADAM項目研究中提煉出來的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，“IMPACT”歐洲合作工程項目將對其進行研究，IMPACT是CADAM項目的延續(xù)。IMPACT（Investigation of ExtreMe Flood Processes And Un-CertainTy）項目意為特大洪水過程及其不確定性的研究。IMPACT根據(jù)第五框架計劃由歐盟資助，是由德國、比利時、法國、意大利、西班牙、挪威、葡萄牙和英國的許多公司和大學(xué)參加的研究項目，有來自10個國家的11位研究人員參與，目的在于增進對影響特大洪水預(yù)報可靠性方面的關(guān)鍵領(lǐng)域的認識和了解，以幫助開發(fā)新的模擬手段，實施在能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展計劃內(nèi)關(guān)于“自然和技術(shù)危害”的共同行動。該項目由英國的HR Wallingford進行組織協(xié)調(diào)。

IMPACT項目分3 a進行（2002～2004年），共計安排4次研討會、1次評審會。

為了有效地管理與盡量減少洪水風(fēng)險，必須以一種一致而可靠的方法識別危險和易遭致危害的弱點。同樣重要的是要知道在緊急情況下建筑物的性能和了解潰壩的潛在后果，以便為了公眾安全而制定應(yīng)急計劃。IMPACT項目考慮了不確定性因素開展最大可能洪水條件下的潰壩預(yù)測研究，它是一項綜合的研究項目，重點在3個關(guān)鍵的洪水過程領(lǐng)域。這3個在CADAM引起反響的問題是：

（1）潰壩形成（WP2）；

（2）洪水傳播（WP3）；

（3）泥沙運動（WP4）。

該研究的第四個領(lǐng)域（WP5）是與這些過程有關(guān)的不確定性。雖然將工作這樣劃分為“工作專題”（WPs），但是4個專題之間仍有相互作用。

IMPACT使用了各種不同的方法和聯(lián)系現(xiàn)場工作、實驗室物理模型、桌面分析和計算模型。參與這項工程的人員也與其它國家的和國際之間的類似工程的研究人員聯(lián)絡(luò)。在每個工作程序中進行的研究概括如圖1。

圖1 IMPACT中4個相互關(guān)聯(lián)的專題Fig.1 Four main areas in the IMPACT project

科學(xué)目標及其研究手段如下：這一階段項目的研究目的是為了最大限度地降低最大洪水條件下由不確定性造成的潰壩洪水的損失，特別是在以下4個關(guān)鍵領(lǐng)域里提高其科學(xué)性和認知程度、開發(fā)預(yù)測模型：

（1）潰壩產(chǎn)生引起的泥沙運動（包括可能的污染物）；

（2）土石壩潰決機理與確定潰決位置的參數(shù)（包括大壩與堤防）；

（3）模擬山區(qū)河道與城市地區(qū)的洪水淹沒范圍；

（4）利用地理信息技術(shù)快速評價土石壩或堤防結(jié)構(gòu)的完好性。

研究工作將通過現(xiàn)場試驗與實驗室內(nèi)的物理模型試驗，并與數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果相比較。IM-PACT項目的關(guān)鍵目標是提高對上述幾個方面問題中不確定性的認識，這需要由從一個單獨的系統(tǒng)（案例分析等）到再現(xiàn)不確定性的真實程度的過程來實現(xiàn)。

成果：IMPACT項目研究有助于人們科學(xué)地了解和認識特大洪水以及發(fā)生潰決事件以后洪水的傳播與演進，特別是在潰壩和潰堤、泥沙運動以及城市洪水模擬等方面。同時，也會提高人們在特大洪水條件下的風(fēng)險認識和對預(yù)測中不確定問題的理解。

項目的研究成果應(yīng)用于工業(yè)方面后，將會極大地降低潰壩的風(fēng)險（指降低長期的投資），并通過建立應(yīng)急措施和地區(qū)災(zāi)害防備達到改善公共安全的目的。

IMPACT項目中共進行了5次大尺度現(xiàn)場試驗（壩高4～6 m）及22組室內(nèi)小比尺試驗（模型比尺1∶10～1∶7.5），見表1及表2。

試驗中針對不同壩型（均質(zhì)壩、心墻壩）、不同壩體幾何形狀（不同壩坡、不同頂寬）、不同筑壩材料（非粘性材料、粘性材料）、不同材料性能（粒徑級配、壓實程度、含水量）、不同潰決型式（漫頂、管涌）等影響因素進行了詳細的研究，取得了豐富的成果。通過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗的研究分析，在潰壩機理方面得出以下結(jié)論：

（1）無論對何種材料構(gòu)成的堤壩，在發(fā)生漫頂情況下，其下游壩面的沖刷在開始階段是緩慢漸進的，而當沖刷最終發(fā)展到壩頂上游邊緣后，潰決過程將十分迅速劇烈。并且潰口首先向下發(fā)展到壩腳，隨后才向兩側(cè)發(fā)展；

表1 IMPACT項目現(xiàn)場試驗統(tǒng)計Table 1:Field tests description

表2 IMPACT項目室內(nèi)試驗統(tǒng)計Table 2:Laboratory tests description

（2）潰口邊壁在潰決過程中幾乎是垂直的；

（3）壩體型式（均質(zhì)、混合結(jié)構(gòu)）、填筑材料性質(zhì)（粘性、非粘性）、施工方法（壓實度、含水量）及潰口發(fā)生位置等對潰口發(fā)展均有較大影響；

（4）壩體內(nèi)部的沖刷過程首先從缺陷處開始，且會持續(xù)較長時間，直至沖刷發(fā)展至壩頂才發(fā)生破壞。

美國、新西蘭等國家的學(xué)者也對土石壩潰決機理進行了相關(guān)試驗研究，亦得出了與上述類似的結(jié)論。

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