韭園溝流域淤地壩系綜合風(fēng)險預(yù)警

徐丙翔，于坤霞，李占斌，李 鵬，潘明航，杭鵬磊，黃高花，楊建華，張文景

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，710048，西安；2.水利部水土保持監(jiān)測中心，100055，北京；3.陜西省水土保持和移民工作中心，710004，西安)

黃土高原地區(qū)溝壑縱橫、林草植被稀疏，是我國水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)[1-2]。淤地壩作為黃土高原最主要的溝道治理措施，在控制溝道侵蝕、攔泥淤地、減少洪水和泥沙災(zāi)害方面有重要作用[3-4]。近年來，黃土高原局部地區(qū)特大暴雨頻發(fā)，造成淤地壩大面積的水損、潰壩以及人員的損傷，使解決淤地壩壩系防洪安全問題成為黃土高原地區(qū)壩系建設(shè)成敗的關(guān)鍵[5-7]。

近年來，風(fēng)險預(yù)警的研究得到國內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注，王丹等[8]分析寧夏典型淤地壩系運行的風(fēng)險狀況；張振偉等[9]利用置信結(jié)構(gòu)和灰色關(guān)聯(lián)度理論分析土石壩潰壩的關(guān)鍵風(fēng)險要素；嚴(yán)磊[10]基于改進的區(qū)間層次分析法，識別主要潰壩模式及路徑；黃海鵬[11]利用故障樹分析研究土石壩服役風(fēng)險成因；Li Ping等[12]結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡洛法對單個水庫大壩漫頂潰決進行風(fēng)險分析；Luo Jing[13]根據(jù)斯托克斯方程和平滑粒子流體理論對梯級水庫的潰決洪水進行模擬；但針對壩系潰決后造成的損失風(fēng)險研究不多見。

筆者從損失、結(jié)構(gòu)、洪水和運行管理4個方面建立一套完整的淤地壩風(fēng)險評價體系，綜合分析韭園溝流域淤地壩系的潰決風(fēng)險，整體上實現(xiàn)流域壩系的系統(tǒng)性風(fēng)險評價。加強淤地壩運行風(fēng)險預(yù)警研究，建立淤地壩風(fēng)險預(yù)警體系標(biāo)準(zhǔn)，促進黃河流域高質(zhì)量發(fā)展[14-15]，已經(jīng)成為新時代黃土高原淤地壩建設(shè)和水土保持生態(tài)建設(shè)的急切需求。研究結(jié)果可為量化淤地壩潰決造成的損失風(fēng)險和綜合評價淤地壩運行風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

韭園溝流域(E 110°16′～110°33′，N 37°33′ ～ 37°38′)位于陜西省綏德縣城北5 km處(圖1)，海拔820～1 180 m，是無定河中游左岸的1個一級支流。該流域面積70.7 km2，其主溝長18 km，200 m以上支溝337條，溝道平均比降1.15%，土地貧瘠，土層深厚，植被稀少，水土流失嚴(yán)重，平均土壤侵蝕模數(shù)達到1.4萬t/(km2·a)，雨水多集中在7—9月，多以暴雨的形式出現(xiàn)，是黃河中游多沙粗砂的代表性流域。韭園溝流域1953年被選為試驗、示范小流域，1964年被列為陜西水土保持農(nóng)林牧副業(yè)綜合實施十大樣板之一，1982年被列為全國八大片水土流失重點治理區(qū)無定河流域重點治理小流域。

圖1 韭園溝流域概況圖Fig.1 Overview of Jiuyuangou watershed

2 研究方法

2.1 模糊層次分析法

由于淤地壩系洪災(zāi)潰決風(fēng)險影響因素復(fù)雜，且多個指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，運用層次分析法[16-17]可以定性和定量對各風(fēng)險因子進行綜合判斷，從而更容易對淤地壩系洪災(zāi)風(fēng)險等級進行劃分；但是在指標(biāo)與權(quán)重的選擇方面，人為主觀因素干擾較大，對風(fēng)險評價結(jié)果有一定的影響。因此筆者將模糊理論與層次分析法相結(jié)合，利用模糊層次分析法[18-19]確定淤地壩系洪災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重。

2.2 淤地壩風(fēng)險評價指標(biāo)體系

根據(jù)歷史調(diào)查資料、除險加固資料及受損破壞成因，結(jié)合國內(nèi)外淤地壩相關(guān)研究[20]，分析淤地壩潰決風(fēng)險來源，再經(jīng)過專家打分，從淤地壩的運行管理、結(jié)構(gòu)、功能以及損失來選取得到淤地壩系風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系(表1)，其中一級指標(biāo)4項，二級指標(biāo)10項。

表1 淤地壩系風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系和權(quán)重

表中各指標(biāo)權(quán)重是基于專家打分結(jié)果由模糊層次分析法確定。其中結(jié)構(gòu)風(fēng)險、運行管理風(fēng)險分別基于工程和管理因素來考慮。

2.2.1 損失風(fēng)險 淤地壩損失風(fēng)險是淤地壩潰決前后，洪水淹沒農(nóng)田、房屋、道路、生活區(qū)、工業(yè)區(qū)及生態(tài)區(qū)，造成當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟損失、生態(tài)環(huán)境破壞及生命財產(chǎn)損失。

1)社會經(jīng)濟損失，指淤地壩潰決導(dǎo)致洪水淹沒農(nóng)田、房屋、道路、生活區(qū)及工業(yè)區(qū)等，造成的一系列經(jīng)濟損失。社會經(jīng)濟損失風(fēng)險高低的衡量不僅和造成損失的大小有關(guān)，也跟當(dāng)?shù)亟?jīng)濟水平有關(guān)，也就是損失大小與抗災(zāi)能力的比值，抗災(zāi)能力可以用當(dāng)?shù)乜捎脕砜购榫葹?zāi)的資金來衡量：

(1)

式中：Ra1為淤地壩社會經(jīng)濟損失風(fēng)險指標(biāo)，其取值越大越危險，最大取值為1；SG為社會經(jīng)濟損失，萬元；G為當(dāng)?shù)乜捎脕砜购榫葹?zāi)的資金，萬元。

2)生態(tài)環(huán)境損失，指淤地壩潰決導(dǎo)致洪水淹沒生態(tài)區(qū)或河道兩岸導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，黃土裸露，造成大量水土流失。生態(tài)環(huán)境損失風(fēng)險的大小可以利用恢復(fù)生態(tài)環(huán)境所需資金及當(dāng)?shù)乜捎脕磉M行生態(tài)環(huán)境建設(shè)的資金來衡量：

(2)

式中：Ra2為淤地壩社會經(jīng)濟損失風(fēng)險指標(biāo)，其取值越大越危險，最大取值為1；SU為生態(tài)環(huán)境損失，萬元；U為當(dāng)?shù)乜捎脕磉M行生態(tài)環(huán)境建設(shè)的資金，萬元。

3)生命損失，指淤地壩潰決時，由于人員撤離不及時，導(dǎo)致部分人員遭遇洪水的侵襲，受傷、失蹤或死亡。RESCDAM方法[21]是考慮潰壩警報時間、風(fēng)險人口、洪水嚴(yán)重程度等多個因素的一種用于簡化估算潰壩生命損失的方法。

Ra3=Pfic。

(3)

式中：Ra3為淤地壩生命損失風(fēng)險指標(biāo)，量綱為1；P為風(fēng)險人口，萬人；f為風(fēng)險人口死亡率；i為洪水嚴(yán)重程度；c為淤地壩生命損失修正因子。

2.2.2 洪水風(fēng)險 洪水風(fēng)險指外界自然環(huán)境，如極端暴雨、超標(biāo)準(zhǔn)洪水等對淤地壩運行造成的風(fēng)險，尤其降雨徑流是造成淤地壩潰決的最直接原因。

極端暴雨：指遠超多年平均降雨量或短期連續(xù)降雨量遠超同期平均雨量。在分析極端暴雨指標(biāo)時，假設(shè)雨洪同頻，將降雨轉(zhuǎn)化為徑流，計算壩前洪水過程。極端暴雨風(fēng)險指標(biāo)與洪水過程，泄水設(shè)施及攔洪庫容有關(guān)：

(4)

式中：Rc1為淤地壩超標(biāo)準(zhǔn)洪水預(yù)警指標(biāo)，其取值越大越危險，最大取值為1；T為洪水歷時，h；t為單位時段長度，s；rt為t時段的流量，m3/s；qt為t時段淤地壩泄洪能力——單位時間泄洪設(shè)施平均泄洪量，m3/s；V淤地壩剩余庫容，m3。

2.3 韭園溝流域淤地壩系風(fēng)險等級劃分

筆者采用綜合得分法計算淤地壩風(fēng)險分值，綜合風(fēng)險為一級風(fēng)險的加權(quán)平均值，一級風(fēng)險為對應(yīng)二級風(fēng)險的加權(quán)平均值。結(jié)合相關(guān)研究和合實際情況制定風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)(表2)，計算得到分值越大，則表明發(fā)生潰壩的風(fēng)險越大。

表2 淤地壩風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)險分析

一級指標(biāo)權(quán)重中結(jié)構(gòu)風(fēng)險和運行管理風(fēng)險與暴雨無關(guān)，不隨著降雨重現(xiàn)期變化而變化。損失風(fēng)險和洪水風(fēng)險與降雨重現(xiàn)期有關(guān)。韭園溝流域所調(diào)查的淤地壩結(jié)構(gòu)風(fēng)險和運行管理風(fēng)險，以及10年和300年重現(xiàn)期暴雨下的損失風(fēng)險、洪水風(fēng)險和綜合風(fēng)險計算結(jié)果見圖2。

圖2 韭園溝38座流域淤地壩不同風(fēng)險情況Fig.2 Different risk situations of 38 check dams in Jiuyuangou watershed

結(jié)構(gòu)風(fēng)險與暴雨無關(guān)，淤地壩結(jié)構(gòu)風(fēng)險中重度危險的占7.9%，中度危險占2.6%，輕度危險占47.4%，基本安全占42.1%。根據(jù)實地調(diào)查和勘測淤地壩的基本情況，發(fā)現(xiàn)淤地壩有裂縫、豁口等損毀，輸水洞與壩體結(jié)合部位出現(xiàn)塌陷，豎井周圍有較大面積坍塌。

當(dāng)設(shè)計暴雨由10年一遇提高到300年一遇時，洪水風(fēng)險處于重度危險的淤地壩從47.4%增加到63.2%，輕度危險的淤地壩從18.4%下降到7.9%，基本安全的淤地壩從15.8%下降到10.5%。洪水風(fēng)險偏高是由于部分淤地壩剩余防洪庫容較小和溢洪道、放水建筑物設(shè)施不齊全造成。

運行管理風(fēng)險與暴雨無關(guān)，淤地壩運行管理風(fēng)險處于重度危險的占65.8%，中度危險占2.6%，輕度危險占26.3%，基本安全占5.3%。

當(dāng)設(shè)計暴雨由10年一遇提高到300年一遇時，損失風(fēng)險處于中度危險的淤地壩從2.6%增加到10.5%，輕度危險從39.5%增加到50.0%，基本安全從57.9%降低到39.5%。

綜合風(fēng)險在10年一遇降雨條件下，在調(diào)查的38座淤地壩中處于中度危險的12座，輕度危險的23座，基本安全的3座，分別占所調(diào)查淤地壩的31.6%，60.5%，7.9%；300年一遇降雨條件下，在調(diào)查的38座淤地壩中有2座處于重度危險，18座對中度危險，輕度危險的16座，基本安全的2座，分別占調(diào)查淤地壩的5.3%，47.4%，42.1%和5.3%。重度危險的淤地壩數(shù)量增加2座，輕度危險的淤地壩比率降低30.4%。降雨作為韭園溝流域淤地壩風(fēng)險的最敏感因素，當(dāng)設(shè)計暴雨由10年一遇提升至300年一遇時，韭園溝流域淤地壩系綜合風(fēng)險也增大。

3.2 討論

全球變暖加劇水文循環(huán)，引起降水在時空上的重新分配，導(dǎo)致極端暴雨頻發(fā)。2012年7月15日，陜西省綏德縣韭園溝流域發(fā)生暴雨，暴雨頻率為83年一遇，韭園溝流域內(nèi)共有24座骨干壩和中型壩受到不同程度地?fù)p毀，占流域內(nèi)骨干壩和中型壩總數(shù)的41.38%。降雨強度最大的王茂溝有型淤地壩水毀，壩地高度基本與壩體持平，壩庫已經(jīng)無防洪、滯洪庫容，最終發(fā)生漫頂垮壩[22]。2017年7月25—26日黃土高原無定河中下游地區(qū)遭遇特大暴雨，單站最大24 h，降雨量近100年一遇，無定河白家川水文站洪峰流量為建站以來第二大值，損毀橋梁61座、淤泥壩337座，韭園溝流域受損中型壩和骨干壩占中型壩和骨干壩總數(shù)量的41.79%[23]。

查閱“7·15”和“7·26”大暴雨相關(guān)資料，2次百年一遇的洪水對淤地壩的損毀或輕或重都存在。筆者得出百年一遇暴雨淤地壩風(fēng)險為44.74%。該風(fēng)險預(yù)警結(jié)果比實際情況會高一點。這是綜合考慮不同風(fēng)險的結(jié)果。綜合考慮不同風(fēng)險，更加有利于風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性。加強淤地壩系運行風(fēng)險預(yù)警的研究，已成為新時代黃土高原的淤地壩建設(shè)和水土保持生態(tài)建設(shè)的迫切需求。

4 結(jié)論

1)韭園溝淤地壩風(fēng)險分析結(jié)果表明運行管理風(fēng)險等級最高，為重度危險狀態(tài)，結(jié)構(gòu)風(fēng)險均處于輕度風(fēng)險狀態(tài)。洪水風(fēng)險隨著降雨重視期的增大整體從中度風(fēng)險變?yōu)橹囟蕊L(fēng)險狀態(tài)，損失風(fēng)險隨著降雨重現(xiàn)期的增大從基本安全變?yōu)檩p度危險狀態(tài)。

2)當(dāng)設(shè)計暴雨10年一遇時，在調(diào)查韭園溝流域淤地壩中31.6%的淤地壩綜合風(fēng)險為中度風(fēng)險，60.5%的淤地壩為輕度危險狀態(tài)，7.9%的淤地壩為基本安全。當(dāng)設(shè)計暴雨由10年一遇提高到300年一遇，重度危險的淤地壩比例為5.3%，中度危險的從31.6%增加到47.4%，輕度危險的從60.5%降低到42.1%，基本安全的從7.9%降低到5.3%。韭園溝流域淤地壩系綜合風(fēng)險隨著設(shè)計暴雨的增大而增大。

3)提升淤地壩工程質(zhì)量，強化淤地壩管理體系。加快推進除險加固工作，提高病險淤地壩防洪能力；新建淤地壩時，統(tǒng)籌上下游淤地壩的安全現(xiàn)狀，全面考慮各風(fēng)險因素，優(yōu)化淤地壩系布局，降低淤地壩運行風(fēng)險。要健全淤地壩管理體系，明確淤地壩管護維修責(zé)任，切實落實淤地壩運行管理體制改革，加快建設(shè)淤地壩風(fēng)險動態(tài)識別及快速預(yù)警系統(tǒng)，動態(tài)識別淤地壩風(fēng)險隱患，快速分析淤地壩系安全現(xiàn)狀，切實保證群眾生活及財產(chǎn)安全。