防洪保護區(qū)洪水風險圖編制中堤防潰口設置方案探討

張永勝，鄒 浩

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，長春 130021)

1 概 述

洪水風險圖是直觀反映洪水可能淹沒區(qū)域洪水風險要素空間分布特征或洪水風險管理信息的地圖，能反映研究區(qū)域洪澇災害成因、洪水量級、洪水演進特性、危害區(qū)域及程度，可以為防汛部門提前作出應對策略、優(yōu)化防汛方案提供重要數(shù)據(jù)、技術支持，目前已成為國內(nèi)防洪減災工作中重要的非工程類措施之一。

我國洪水風險圖編制工作起步較晚，2013年以后，洪水風險圖編制工作在全國各流域得到廣泛開展，很多方面的工作都還處于探索階段。在洪水風險圖編制過程中，潰口的設置方案至關重要，它是開展洪水分析計算、洪水淹沒范圍確定、損失評估、避洪轉(zhuǎn)移等工作的基礎。潰口設置方案設置是否合理對洪水風險圖編制成果質(zhì)量具有較大影響。本文根據(jù)洪水風險圖編制項目的特點，對防洪保護區(qū)堤防潰口位置、潰口寬度、潰決方式等問題進行深入分析，旨在提高洪水風險圖編制質(zhì)量和應用效果。

2 潰口位置分析

防洪保護區(qū)堤防潰決的原因主要有3種：①是管涌等險情發(fā)展到一定程度導致堤身塌陷發(fā)生堤防潰決；②是洪水位超過堤頂漫溢潰決；③是對于無分洪閘的蓄滯洪區(qū)要根據(jù)預案主動扒口潰決。由于影響潰口選擇的因素眾多，并且很多因素具有很強的模糊性，很難作出精確的判斷，對于洪水風險圖潰口位置的選擇，目前還沒有形成一個通用的規(guī)范。潰口主要依據(jù)“可能”、“不利”和“關注”這3個原則選擇：“可能”潰口選取以臨水堤防、處于水流頂沖位置、大洪水時水流容易淘涮的險工險段為主，由于這些位置的堤防比較薄弱，最有可能在洪水的作用下，造成工程失事而形成潰口；“不利”潰口選取可能淹沒重要的城鎮(zhèn)、工商業(yè)所處位置的堤防段，不同潰口的淹沒范圍可以相互銜接，表征保護區(qū)從下游至下游完整的風險區(qū)域，可以由此預估出最嚴重的災害影響，即影響大；“關注”潰口可以選取以前發(fā)生過潰口的位置，即歷史出險位置，以及近年來洪水發(fā)生時抗洪搶險比較危機的位置。

潰口位置選擇主要考慮河道險工險段、砂基砂堤、穿堤建筑物、堤防潰決后洪災損失較大等因素，一般方法是：

1) 進行現(xiàn)場調(diào)研，查看歷史潰痕，并走訪河道沿岸的居民和當?shù)胤姥床块T，了解洪水出險情況，收集洪災資料。

2) 走訪各地統(tǒng)計部門，收集河道沿岸的人口、耕地、村莊、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值等各種社會經(jīng)濟資料。

3) 查勘堤防薄弱地段和地勢低洼地段以及河勢變化較大地段，并對其進行分類統(tǒng)計。

4) 按堤段將各類資料分類匯總，并對危險程度較大的堤段重點標注。

5) 邀請當?shù)胤姥床块T、工程設計部門、河道管理部門、水文局、統(tǒng)計局等多部門的多位專家，參照資料冊，并結(jié)合多年工作經(jīng)驗，在相互探討的基礎上初步確定潰口位置。

6) 開展洪水分析計算時，如發(fā)現(xiàn)初步確定的潰口位置有不適宜的，需根據(jù)洪水計算成果分析調(diào)整潰口位置。

以內(nèi)蒙古西遼河右岸防洪保護區(qū)洪水風險圖編制為例，探討潰口位置選擇分析方法。內(nèi)蒙古境內(nèi)西遼河右岸現(xiàn)有堤防總長度248.6 km，在詳細收集、整理堤防險工險段、堤防結(jié)構(gòu)、歷史出險情況等資料基礎上，現(xiàn)場對西遼河干流沿線堤防、險工險段的工程措施進行實地勘察，與當?shù)厮芾砣藛T就西遼河大洪水時的險情、災情、目前的防汛搶險重點、存在問題、可能的潰口位置進行調(diào)查了解。西遼河右岸防洪保護區(qū)目前共有險工21處，險工長度48.8 km，現(xiàn)狀已整治長度11.4 km，治理措施多數(shù)為丁壩控導挑流工程及土石、塊石編織袋壩頭，個別險工段落局部采用鉛絲石籠平順護岸結(jié)構(gòu)。右岸防洪保護區(qū)各險工是歷年防汛工作重點，也是可能出現(xiàn)的潰口位置。

根據(jù)實地勘察、調(diào)查訪問和堤防、險工位置分布以及相關設計資料整理分析成果，對可能出現(xiàn)的潰口位置進行進一步篩選分析。首先，通過繪制水流主河道、堤防位置圖及提取最新Google earth衛(wèi)星影像圖(圖1)中主河道與堤防的相對位置關系，從平面位置上初步分析河道演變趨勢、堤防與主河道距離遠近、堤防易于受水流正面沖刷和淘涮位置，結(jié)合險工整治措施、歷史洪水潰口調(diào)查情況、保護區(qū)內(nèi)地形起伏、線狀構(gòu)筑物分布和居民地分布等情況初步選定潰口位置。其次，由堤頂、堤腳測量數(shù)據(jù)和收集到的西遼河干流治理工程初步設計報告中水面線成果，繪制堤頂、堤腳、水面線縱斷面圖(圖2)，由此分析各量級洪水時堤防堤腳的淹沒水深情況，一般而言堤腳水深越大，相對越危險。從繪制的縱斷面圖上看，堤防樁號4～14.4 km河段和80～105 km河段的堤防堤腳地面高程較高，按50年一遇設計標準洪水水面線計算，設計洪水最高水位均處于堤腳地面高程以下，這兩處河段不考慮選擇潰口位置。最后，綜合兩者分析成果初步選定潰口位置，并與地方水利專家進行咨詢，最終形成潰口設定方案，西遼河右岸防洪保護區(qū)共設置14個潰口。對設定的潰口方案進行洪水分析計算，計算中原確定的高井子潰口因堤外地形較高，受地形阻隔基本不向外跑水，因此對該潰口位置進行了相應調(diào)整。

圖1 潰口位置選擇平面位置分析示意圖

圖2 潰口位置選擇縱斷面分析示意圖

3 潰口寬度分析

堤防潰決時，潰口垂向、橫向發(fā)展過程、潰口最終形態(tài)特征與河道流量、洪水水流流速及流向、筑堤土體含水率、孔隙率、潰口位置堤身內(nèi)外地形條件等因素有關。一般而言，河道流量對潰口垂向發(fā)展速度基本沒有影響，但對潰口橫向擴展速度影響較大，潰口上游來流量越大，作用于潰口兩側(cè)邊壁的流速相應越大，潰口橫向擴展速度越快，因此潰口的平均擴展寬度隨流量的增大而增大。筑堤土體含水率大、孔隙率小時，土體黏聚力增加，堤防透水性較差，提高土體的抗沖性，從而使?jié)⒖诖瓜?、橫向擴展速度減緩，易形成矩形潰口；反之，則潰口垂向、橫向擴展速度加快，易形成梯形潰口。潰口位置外江側(cè)保護區(qū)地形越陡，內(nèi)江側(cè)水位越高；潰口外江側(cè)流速越大，潰口垂向、橫向擴展速度越快。

潰口寬度影響因素眾多，很難作出精確的計算分析定量確定。以西遼河流域堤防決口調(diào)查數(shù)據(jù)為例，統(tǒng)計結(jié)果見表1。從表1中可以看出，各地點潰口寬度相差較大，從30～500 m不等，且無隨上下游變化、洪水量級變化呈現(xiàn)規(guī)律性變化。例如，1954年洪水西遼河干流決口，保安村潰口寬度為250 m，金川營子村潰口寬度僅為46 m，二者相差近5倍；西拉木倫河1954年洪水洪峰流量為330 m3/s，義和沙拉村決口寬度為500 m，1963年洪水洪峰流量為461 m3/s，義和沙拉村決口寬度僅為150 m。

表1 西遼河堤防決口調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

綜上所述，在開展洪水風險圖編制工作時，因潰口寬度難于精確計算分析定量確定，一般可根據(jù)實際堤防潰口的潰痕和觀測資料，并綜合專家經(jīng)驗法確定?？紤]河道流量、洪水流速對潰口寬度有一定影響，對于某一潰口，如果不同量級洪水的流量、洪水流速對潰口寬度影響不大，不同量級洪水方案可采用同一潰口寬度；反之，則可因地制宜按照不同洪水量級方案擬定不同的潰口寬度，低于防洪標準一個量級的洪水，潰口寬度尺寸相對小一些，超標準洪水時潰口寬度尺寸相對大一些，標準洪水時潰口寬度取中間值。超標準洪水應急處理區(qū)和蓄滯洪區(qū)的主動扒口潰口寬度應根據(jù)分洪需要確定。

如果在上述條件都不具備的情況下，可采用如下經(jīng)驗公式近似計算，并綜合專家經(jīng)驗法確定：

在匯流點：

Bb=4.5(log10B)3.5+50

在其余地點：

Bb=1.9(log10B)4.8+20

其中：Bb為潰口寬，m；B為河寬，m。

4 潰決方式分析

堤防潰口主要針對土質(zhì)堤防，根據(jù)土質(zhì)堤防潰決調(diào)查及室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)來看，堤防潰決方式為逐漸潰決。因此，堤防的潰決方式可采用逐漸潰決方案，潰口初始形態(tài)和最終形態(tài)可根據(jù)筑堤土體含水率、孔隙率等特征采用矩形潰口或梯形潰口，潰口的垂向、橫向發(fā)展過程采用線性潰決方式，即潰口寬度與深度隨時間線性擴展，潰口的底高程取潰口所在河段保護區(qū)臨堤地面高程。

堤防潰決時機可按以下原則確定：若河道最高洪水位大于等于防洪保證水位，則潰決時機取潰口所在位置的洪水位達到防洪保證水位的時刻；若河道最高洪水位小于防洪保證水位，則潰決時機取潰口所在位置的洪水位達到最高水位的時刻。

5 結(jié) 語

潰口設置是防洪保護區(qū)開展河道洪水分析計算的重要依據(jù)條件，對編制區(qū)域的洪水淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時和洪水流速等風險要素有重要影響，開展洪水風險圖編制工作時，要合理進行潰口方案設置。潰口方案設置時，要充分考慮河道險工險段、砂基砂堤、穿堤建筑物、堤防潰決后洪災損失、河道洪水流量、流速變化等因素，進行充分的現(xiàn)場調(diào)研，并在邀請地方相關部門技術人員探討、咨詢的基礎上確定潰口設置方案。