基于GeoDam-BREACH與Graham法的潰壩生命損失估算

傅志敏，杜汶桐，孟 穎，王志剛

(1. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇南京 210098； 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029； 3. 黃河水利水電開發(fā)總公司，河南濟源 459017)

潰壩往往伴隨著難以控制的超標準洪水，不僅會對社會秩序和環(huán)境造成極大的破壞，更會造成嚴重的生命損失。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，潰壩可能帶來的影響也會愈加嚴重，因此，潰壩生命損失研究越來越受到國內(nèi)外水庫大壩風(fēng)險管理部門的重視[1- 2]。在我國，對于潰壩生命損失的研究還處于起步階段，如何較為準確地估算潰壩造成的下游生命損失是我國大壩風(fēng)險管理與應(yīng)急預(yù)案編制的關(guān)鍵技術(shù)問題[3-5]。李雷等通過分析國內(nèi)外主要潰壩事件造成的生命損失情況，總結(jié)了影響生命損失的幾個重要因素，評價了國外大壩潰決導(dǎo)致生命損失的幾種估算方法[6]，提出應(yīng)找到適合我國實際情況的潰壩生命損失評價模型和風(fēng)險人口死亡率[7]，并針對沙河集水庫大壩、杭州青山水庫等工程實例進行潰壩生命損失估算[8- 9]，對我國大壩風(fēng)險評價及風(fēng)險管理技術(shù)的研究具有參考意義。本文應(yīng)用GeoDam-BREACH中自帶的SMPDAK潰壩洪水模型模擬小井溝水庫下游的潰壩洪水演進過程，確定水庫潰壩下游淹沒范圍并采用Graham法對潰壩導(dǎo)致的生命損失進行估算與分析。

1 工程概況

小井溝水利工程位于四川省自貢市西北部榮縣禮佳場越溪河上，由小井溝水庫、干渠與6條支渠組成。該工程是以城市用水為主兼顧灌溉的大(2)型水利工程。防洪標準按重現(xiàn)期100年洪水設(shè)計，設(shè)計洪水位429.00 m，庫容1.456 3億m3；重現(xiàn)期2 000年洪水校核，校核洪水位430.75 m，相應(yīng)庫容1.659 5億m3。小井溝水庫向雙溪水庫輸水，并與雙溪水庫聯(lián)合調(diào)度，通過雙溪水庫向自貢市供水。

小井溝水庫攔河大壩位于禮佳場上游小井溝峽谷河段上，地理位置在東經(jīng)104°10′，北緯29°24′，壩址控制流域面積587 km2，占全流域面積的22%，河長92 km，設(shè)計流域為東北西南向的狹長形。東高西低，東為榮、威高地西緣，分水嶺高程在700～800 m，西邊分水嶺為500～600 m[10]。

2 潰壩洪水演進計算

2.1 模擬潰壩工況

潰壩是水流與壩體相互作用的一個復(fù)雜過程，一般而言，潰壩過程中的潰口最終底寬及底部最終高程與壩體的材料、施工質(zhì)量及外力等因素有關(guān)。根據(jù)小井溝水利工程現(xiàn)有資料分析認為，可能引起小井溝水庫大壩潰決的主要原因為超標準洪水引起的漫頂潰決，即大壩遇超標準水位，水位接近壩頂，上游水位持續(xù)快速增長，引起洪水漫頂，致使大壩潰決。本文假設(shè)最危險的潰壩工況為：模擬小井溝水庫遇超標準水位且水位接近壩頂高程431.60 m并持續(xù)快速增長，洪水漫頂后堆石體垮塌導(dǎo)致面板折斷，致使大壩潰決。

2.2 潰口洪水計算

利用由美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)開發(fā)的地理空間潰壩、緊急行動計劃和后果風(fēng)險評估(簡稱GeoDam-BREACH)工具包進行潰口洪水計算。主要應(yīng)用的理論模型為SMPDBK模型[11]，這是美國天氣局NWS開發(fā)的簡化計算模型。該簡化模型主要是利用了依據(jù)一維不穩(wěn)定流原理計算的潰壩洪水模型DAMBRK得到的洪水傳播曲線來簡化計算，由以下3部分組成：(1) 用潰口的幾何形狀及水庫的容積計算壩址處的洪峰流量；(2) 用距離加權(quán)法和擬合技術(shù)將下游河道處理為棱柱形河道；(3) 應(yīng)用傳播曲線來計算下游某些預(yù)報點的洪峰及其傳播時間。

SMPDBK模型按以下公式計算壩址處的洪峰流量，需要的主要參數(shù)包括：潰口下切深度、最終潰口寬度以及潰決歷時[12]。

(1)

(2)

式中：Q0為溢洪道、水輪機或漫頂?shù)确菨⒖诹髁?m3/s)；Qbmax為最大潰壩流量(m3/s)；H為潰口的下切深度(m)；Br為潰口最終底寬(m)；tf為潰壩歷時(min)；As為潰壩時水庫水面面積。

計算得到相應(yīng)潰壩工況下潰口的主要參數(shù)為：潰口最終底寬163.20 m, 底部最終高程350.00 m,潰口下切深度81.6 m,潰決歷時26.77 min。

2.3 洪水演進模擬

將潰口形狀參數(shù)輸入SMPDBK潰壩洪水模型，可計算得到小井溝水庫潰壩洪水的下游演進情況以及洪水的峰值流量、流速、水深等。應(yīng)用1∶10 000地形圖在小井溝水庫下游河道設(shè)置計算斷面，模擬河道全長約為33.15 km, 即從壩址處至征遠村為止，大壩下游斷面劃分及計算得到的潰壩洪水淹沒范圍見圖1。上游邊界條件為簡化潰壩模型計算得到的潰壩洪水流量，內(nèi)邊界只考慮大壩條件，支流和橋梁等其他內(nèi)邊界條件, 由于資料欠缺, 且在超標準洪水潰壩情況下影響小，暫不考慮。根據(jù)工程實際情況，山谷糙率取值范圍0.028～0.036，河道糙率取0.026。

圖2為洪水淹沒區(qū)域內(nèi)的水深分布。由圖2可知，臨近水庫下游的河道段水深很大，主要原因是潰壩洪水流量大，且該區(qū)域地勢存在較大落差，洪水水位抬升容易造成淹沒。水庫下游人員聚居區(qū)多集中在河道兩岸地勢平坦區(qū)域，由于河道比較曲折，加之兩岸地勢較低，洪水容易壅出河道，周邊城鎮(zhèn)有受淹的風(fēng)險。

圖1 水庫下游斷面劃分及潰壩洪水淹沒范圍Fig.1 Schematic drawing of downstream cross-section and the inundated map of dam-breached flood

圖2 水庫下游淹沒區(qū)水深分布Fig.2 Schematic drawing of depth of downstream inundated area

3 潰壩生命損失估算

3.1 Graham法估算生命損失

國外在大量潰壩案例的研究基礎(chǔ)上，對潰壩生命損失進行了系統(tǒng)研究，提出了估算潰壩生命損失的常用方法有：Dekay & McClelland法、Graham法、RESCDAM法(簡化Graham法)等，李雷等分析發(fā)現(xiàn)采用Graham法進行生命損失估算更加簡單方便且切實有效[13- 14]，因此本文也采用Graham法對小井溝水利工程的潰壩生命損失進行估算，評價模型如下：

Lol=PAR×f

(3)

式中：生命損失Lol指受到潰壩洪水淹沒而遇害的死亡人數(shù)；風(fēng)險人口PAR指下泄洪水或潰壩洪水淹沒范圍內(nèi)的人數(shù)；f為Graham法的風(fēng)險人口死亡率。相關(guān)研究分析發(fā)現(xiàn)生命損失主要與潰壩洪水嚴重性、警報時間和風(fēng)險人口對潰壩洪水嚴重性的理解程度有關(guān)[7]。

潰壩洪水嚴重性SD是表示洪水對下游居住區(qū)等建筑物損毀程度的參數(shù)，一般來說可用計算斷面的潰壩洪水峰值流量與最大水面寬度之比q值來判定潰壩洪水嚴重性。q的計算式如下：

(4)

式中：Qdf為計算斷面的潰壩峰值流量(m3/s)；Q2.33為該斷面的年平均流量(m3/s)，一般情況下可近似取0；Wdf為 潰壩洪水在該斷面水面寬度的最大值(m)。

根據(jù)洪水毀壞程度及其相應(yīng)的q值，潰壩洪水嚴重性SD定性劃分為以下3個類型：① 低嚴重性：沒有建筑物從基礎(chǔ)上被沖刷掉，大多數(shù)建筑物被淹沒深度小于3 m，q≤4.6 m2/s；② 中等嚴重性：房屋被毀壞，大部分建筑物淹沒深度大于3 m，但仍然可以找到避難的地方，4.612 m2/s。

警報時間WT是指潰壩警報發(fā)布后至下游群眾開始撤退之間的時間，通常劃分為以下3類：①WT≤15 min時，無警報，媒體或政府部門在潰壩洪水到來之前沒有發(fā)布警報；② 15 min60 min時，充分警報，媒體或政府能夠在更早的時間發(fā)布警報。

風(fēng)險人口對潰壩洪水嚴重性的理解程度UD是指在警報發(fā)布時，風(fēng)險人口對潰壩洪水嚴重性是否有明確的理解和反應(yīng)，對應(yīng)采取的逃生必要性、措施、路徑是否了解。一般來說可分為以下兩種情況：① 理解模糊：警報發(fā)布后公眾對于即將發(fā)生或者正在發(fā)生的潰壩過程沒有深刻的理解和反應(yīng)能力，對潰壩引發(fā)的洪水泛濫程度和嚴重后果沒有正確的認識。這種情況下預(yù)計達到的警報效果力度較??；② 理解準確：和①情況相反，警報預(yù)計能夠起到更加強而有力的作用[7]。

3.2 估算結(jié)果分析

根據(jù)小井溝水庫下游居民分布及人口密度，并考慮到潰壩發(fā)生在白天和夜晚的不同情況，淹沒區(qū)風(fēng)險人口PAR可近似等于淹沒區(qū)人口與影響因子的乘積，影響因子白天取0.50，晚上取0.85[15- 16]。

對SMPDBK潰壩洪水模型計算得到的潰壩下泄洪水演進過程進行分析，得到計算斷面的潰壩峰值流量和最大水面寬度，根據(jù)q值確定潰壩洪水嚴重性SD，計算結(jié)果見表1及圖3，由計算結(jié)果可知小井溝水庫下游q值較高，潰壩下泄洪水對下游的影響嚴重。

表1 潰壩洪水嚴重程度SD確定Tab.1 Estimation of SD

圖3 潰壩洪水嚴重程度SD確定

假定警報時間WT為單一式的警報時間，即潰壩洪水淹沒區(qū)域內(nèi)的警報時間均相同。風(fēng)險人口對潰壩洪水嚴重性的理解程度UD因警報時間的長短而變化[8]，如表2所示。根據(jù)潰壩洪水嚴重性、風(fēng)險人口對潰壩洪水嚴重性的理解程度和警報時間，估算生命損失Lol，估算結(jié)果見表2所示。

表2 對潰壩洪水嚴重程度的理解UD和生命損失值估算

4 結(jié) 語

本文應(yīng)用GeoDam-BREACH工具包與Graham法對小井溝水庫潰壩造成的生命損失進行估算，并得到以下結(jié)論：

(1) 小井溝水庫下游潰壩淹沒區(qū)域的風(fēng)險人口死亡率較高，應(yīng)當引起大壩安全管理部門和政府部門的重視，及時做好防洪應(yīng)急預(yù)案工作，減少潰壩生命損失。

(2) 潰壩生命損失隨著警報時間的增加而減少。當政府部門與水庫管理人員及時發(fā)出潰壩警報時，生命損失較無警報減少了約1/3，而當警報時間提前1 h甚至更早發(fā)出時，生命損失已經(jīng)迅速減少到管理部門可以控制的范圍內(nèi)，便于進行風(fēng)險地區(qū)人口轉(zhuǎn)移和應(yīng)急救援工作。由此可見，警報時間和風(fēng)險人口對潰壩洪水嚴重性的理解程度是生命損失的重要影響因素，應(yīng)當加強水庫大壩的日常巡查工作和預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，為風(fēng)險地區(qū)人口的及時疏散和轉(zhuǎn)移做好準備。