南非奧蘭治河流域洪水風險管理研究

[南非] S.鄧斯莫爾 等

試驗與研究

南非奧蘭治河流域洪水風險管理研究

[南非] S.鄧斯莫爾 等

為了解決奧蘭治河流域的洪水問題，對洪水風險管理展開了研究。介紹了相關(guān)學者在南非展開的研究工作的概況以及奧蘭治河流域的基本情況，總結(jié)了流域防洪存在的問題。研究指出，需要對流域進行總體規(guī)劃，通過流域分塊，采集和篩選數(shù)據(jù)、建立二維水力模型，以模擬復雜的洪水過程，在此基礎(chǔ)上，建立防洪預警系統(tǒng)。對開展該流域洪水風險管理研究的背景條件、現(xiàn)有防洪堤壩的狀況、洪水風險的應對措施以及洪水風險管理研究的過程等作了概述。

流域洪水；風險管理；管理研究；奧蘭治河；南非

1 研究背景

為了研究洪水管理，一些國際水資源專家對南非的奧蘭治(Orange)河流域展開了研究，通過建立水力模型來尋找洪水管理的最佳解決辦法。這個項目的研究范圍覆蓋了奧蘭治河長約350 km的區(qū)域，亦即包含從布胡山(Boegoeberg)大壩到昂西普坎(Onseepkans)之間的廣大地區(qū)。來自南非的幾個咨詢公司以及英國水利研究院為該項研究工作投資了大約 9 000萬美元。

奧蘭治河是南非地區(qū)最大的河流，其流域面積大約為900 000 km2，它為南非萊索托、納米比亞、博茨瓦納等沿河國家提供約20%的淡水資源。在該流域，沿河的年降水量分布極其不均勻，在萊索托的東部地區(qū)，年降水量可達1 000 mm，而在大西洋的沿岸地區(qū)，其年降水量甚至不足100 mm。因此，奧蘭治河流域90%的年均徑流量是來自于包含瓦爾(Vaal)河在內(nèi)的上游地區(qū)，而瓦爾河是奧蘭治河的主要支流之一。

基于上述情況，奧蘭治河上游豐富的水資源為下游干旱地區(qū)提供了重要的水源。也正因為如此，自19世紀以來，沿河的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟也得到了不斷地發(fā)展。奧蘭治河流域內(nèi)種植有葡萄、柑橘、開心果、山核桃、蔬菜以及谷物等作物。大部分田地都位于沿河兩岸的灘涂地區(qū)和島嶼上，并且通過運河、渠道、圍堰等灌溉系統(tǒng)進行灌溉。

河流上修建的第一個攔水建筑物是布胡山大壩，壩址在阿平頓(Upington)上游150 km處。19世紀70年代，第一次提出了建造大壩和與之連通的運河的計劃，但是其收益與投資不成比例。直到20世紀20年代末，在受到沿河灌溉問題的困擾后，才通過了建造大壩的計劃并付諸實施。作為一個歷史性的項目，布胡山大壩終于在1932年竣工，壩高9 m，其灌溉面積達7 700 hm2。從那以后，另外又修建了8個屬于政府管轄的灌溉系統(tǒng)，以確保下游的灌溉用水，同時還修建了長達400 km的灌溉渠道，使灌溉面積超過了20 000 hm2。

2 防洪堤壩

洪水對農(nóng)業(yè)耕種影響深遠，防洪堤壩是控制洪水比較好的方法。在水務部門的檔案中，洪水沖毀防洪堤壩的最早記錄是發(fā)生在1957年的洪水事件。然而，直到1974年發(fā)生特大洪水之后，才開始引起水務部門和地方政府的重視并開始修建防洪堤壩網(wǎng)。當時，防洪堤壩的設(shè)計洪水位，參考的是發(fā)生在1976年一次小洪水事件時所記錄的洪水位，但是沒有考慮到可能發(fā)生洪水的其他一些因素。

后續(xù)事件表明，這種欠缺全面、綜合考慮的做法導致了嚴重的后果；此外，設(shè)計和施工方案的欠缺也導致了一些防洪壩出現(xiàn)滑移和潰壩事件。

3 解決措施

在2011年發(fā)生的一次大洪水造成巨大損失之后，農(nóng)業(yè)部、土地改革部和農(nóng)村發(fā)展部(DALRRD)承諾一定要徹底解決這一問題。經(jīng)過研究和比選,決定由ILISO咨詢公司承擔對奧蘭治河下游的大面積灌溉系統(tǒng)進行水力分析、概念設(shè)計和總體規(guī)劃的重任;同時，該公司還應協(xié)調(diào)項目的設(shè)計和施工。

研究區(qū)域包括從布胡山大壩到奧赫拉比斯瀑布之間大約長達350 km的奧蘭治河河段;另外還有一小段長約20 km的河段，延伸到了下游納米比亞邊界的昂西坎普。DALRRD需要借助于一個二維水力模型,以便對該項目進行分析研究。為此，ILISO咨詢公司指定第四元素咨詢公司來擔任二維模型的構(gòu)建工作，英國水利研究院則為這次模型購建和洪水管理研究項目的專家顧問。

之所以選擇二維模型，而不是更為常見的一維模型，是因為該河流系統(tǒng)本身就極具復雜性，并且還要求模型能夠盡可能真實地模擬在任何位置發(fā)生漫堤時，洪水泛濫整個灘區(qū)的過程。河流系統(tǒng)是由一個復雜的網(wǎng)狀河系組成，而且這些網(wǎng)狀河系中，有的是連通不同地區(qū)，有的是用于灌溉，有的則是作為防洪堤壩。

建立的模型覆蓋的范圍大約為1 000 km2。據(jù)了解，在30～45 d的周期內(nèi)，奧蘭治河下游的洪水過程線呈現(xiàn)的是典型的雙洪峰過程，即洪峰瘦高，來勢較猛。因此，建立的模型不僅要能夠模擬在一個洪水周期內(nèi)的洪水過程線及記錄下各項參數(shù)，并且還要注意各項細節(jié)。

對該項目的研究，是采用城市綜合流域排水模型系統(tǒng)(InfoWorks ICM)軟件，InfoWorks ICM軟件能夠很好地處理大型地圖數(shù)據(jù)集合和網(wǎng)狀區(qū)域。為此，將河流劃分為6個模型，最后一個是昂西普坎區(qū)域的獨立模型，第1～5個模型是從布胡山大壩到奧赫拉比斯瀑布依次劃分的5個區(qū)域。最大一塊模型面積大約為200 km2，但這些模型的細節(jié)都是相對總體設(shè)計而言，所以仍需要詳細的防洪堤數(shù)據(jù)來確保模擬洪水過程的精確性。

令DALRRD擔心的一個問題就是，在過去，對防洪堤的建設(shè)，都是由包括農(nóng)民自己在內(nèi)的不同的組織來監(jiān)督管理的，因此，設(shè)計和施工的標準都不相同。在許多情況下，堤壩是由河流附近區(qū)域的沉積物沉積而成，因此很容易出現(xiàn)滑移和坍塌。另外，多數(shù)堤壩都是修建在河岸邊(是為了最大程度地保證耕地)，這樣也很容易出現(xiàn)穩(wěn)定性差和極易被侵蝕的問題。據(jù)悉，在2011年的大洪水中，許多防洪堤在洪水漫堤之前都已潰堤了。

在研究收集的所有數(shù)據(jù)中，也包括利用激光雷達采集到的數(shù)據(jù)。由于沒有有關(guān)防洪堤的正規(guī)記錄，因此，對使用激光雷達采集到的數(shù)據(jù)還需要進行篩選和辨別。

通過監(jiān)測，防洪堤的長度大約有800 km。對于那些按照標準修建和進行正常維護的防洪堤而言，對激光雷達數(shù)據(jù)相對容易確定，但是對那些沒有記錄的防洪堤壩的雷達數(shù)據(jù)，就需要鑒別。在模型校準過程中，對模型模擬精度影響最大的就是那些沒有記錄的數(shù)據(jù)。

雖然不確定的地形和防洪堤對于校準模型而言，是否會造成一定困難，但是,近年來發(fā)生的一場大洪水的詳細記錄數(shù)據(jù)，則有助于模型的校準。

1988年發(fā)生的洪水不僅在奧蘭治河下游地區(qū)造成了大面積破壞，而且還延伸至上游地區(qū)，致使河流兩岸的城鎮(zhèn)、農(nóng)田被淹沒，甚至沖垮了2座大壩。因此，南非需要一個很好的洪水預警系統(tǒng)，以便使生活在下游的居民能夠在洪水來臨之前撤退到更高的安全區(qū)域。

根據(jù)洪水流量的變化，模型能夠模擬不同大小的洪水對灘涂地區(qū)的影響，但是模型只能夠模擬流速在8 000 m3/s以下時的情況，而8 000 m3/s的流量為50a一遇的情況。水務部門的職責是控制沿河的洪水指示燈，以及搜集用于校準模型的數(shù)據(jù)。

4 總體規(guī)劃

校準模型的主要目的在于，隨著對農(nóng)業(yè)用地的重視，需要對沿河區(qū)域洪水管理的總體規(guī)劃進行不斷地修改、補充與改善。因此，應根據(jù)一系列重現(xiàn)期洪水參數(shù)來確定防洪堤的設(shè)計標準。規(guī)劃的結(jié)果與地理信息系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)有關(guān)，DALRRD自己也可以為特定區(qū)域設(shè)計防洪堤標準。

在總體規(guī)劃中，還應突出那些脆弱地區(qū)的問題，目前仍存在沒有防洪堤保護的區(qū)域，還有一些由于上游洪水上漲時可能會造成巨大損失的區(qū)域。這項研究也開始對重現(xiàn)期的選擇提出了疑問，不過,其中沒有考慮到計劃成本和防洪效益的因素。但是當?shù)氐囊恍┺r(nóng)民和有關(guān)人士認為，低要求的防洪標準更易于管理。

防洪堤、河灘地區(qū)洪水泛濫會對更遠的下游地區(qū)產(chǎn)生嚴重的影響，這是人們對該區(qū)域普遍認可的觀點。目前，該項目所面臨的一個挑戰(zhàn)就是，針對上述觀點，應當提出一個有效的解決措施。

洪水過后，灘涂地區(qū)的排水問題也急需解決。因為排水問題如果得不到解決，就會影響洪水的持續(xù)時間并對農(nóng)作物產(chǎn)生嚴重的影響。目前，該河系中的防洪閘很少，即使有,通常也是由鉸鏈門式的結(jié)構(gòu)組成，但是在洪水來臨時，這些鉸鏈門可能起不到作用，有時仍需啟用人工操作的閘門。

5 結(jié) 語

毋容置疑，隨著總體規(guī)劃的不斷修改、補充和完善，還會有很多問題會一一浮現(xiàn)。期望這項研究能夠突出二維水力模型的優(yōu)勢，使模型不僅僅應用于現(xiàn)在，而且還能夠?qū)ξ磥砟M系統(tǒng)的管理發(fā)揮作用。也希望所建立的模型，能夠通過其系統(tǒng)本身的不斷改善和計算機系統(tǒng)的不斷升級,而使其運行速度越來越快，功能也更加強大。

該模型可能是目前所建立的南非最大的模型，其優(yōu)點在實際運用中也日益突出。將來，也可能會將該類模型研究方法應用于非洲的其他一些主要河流的分析研究中。

(徐 嘉 白 韌 編譯)

2015-01-19

1006-0081(2015)05-0031-03

P333.2

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