梯級水庫超標(biāo)準(zhǔn)洪水潰壩及避洪轉(zhuǎn)移對策分析

李光錦，李德龍，李 偉

（江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029）

0 引言

在全球氣候變化的大環(huán)境下，我國因極端天氣引發(fā)的洪水頻繁發(fā)生，故深入研究超標(biāo)準(zhǔn)洪水，進行洪水淹沒分析，對于保障人民生命和財產(chǎn)安全有著極其重要的意義[1]。我國水庫眾多，有相當(dāng)一部分為梯級水庫群[2]，梯級水庫在面臨超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，應(yīng)急處置問題日益凸顯。梯級水庫大壩的潰決或連潰造成的破壞極其嚴(yán)重，對下游的人民生命財產(chǎn)安全造成極大威脅。1975年8月，淮河上游大洪水，板橋、石漫灘兩座大型水庫及下游眾多水庫相繼潰決，給下游地區(qū)的人民生命財產(chǎn)造成了極其慘重的損失[3]。我國學(xué)者在對水庫制定超標(biāo)準(zhǔn)防洪應(yīng)急預(yù)案時，多數(shù)超標(biāo)準(zhǔn)洪水分析僅考慮了單個水庫遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水大壩潰壩時對下游造成的影響及制定避洪轉(zhuǎn)移措施，并未考慮上游水庫潰壩導(dǎo)致下游水庫潰壩的情況（即梯級水庫）下的洪水分析，實際在梯級水庫遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水潰壩時，考慮單個水庫潰壩進行洪水分析及應(yīng)急處置不夠全面，要充分考慮梯級水庫的連鎖災(zāi)害反應(yīng)。

本文以江西省瑞金市兩座小型水庫作為研究對象，分別為樹背坑一庫（小溪云龍河上游）和樹背坑二庫（小溪云龍河下游），以樹背坑二庫大壩潰壩和樹背坑一庫潰壩導(dǎo)致下游樹背坑二庫潰壩連潰進行洪水分析對比，分析兩者對下游區(qū)域的影響并制定避洪轉(zhuǎn)移對策。研究成果對于我國防災(zāi)減災(zāi)工作具有重大意義，對于梯級水庫超標(biāo)準(zhǔn)洪水及應(yīng)急對策分析具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

樹背坑一庫水庫和樹背坑二庫水庫均位于江西省瑞金市謝坊鎮(zhèn)大嵊村，座落在贛江流域貢江水系綿江河支流的小溪云龍河上，距離瑞金市約35km，樹背坑一庫位于樹背坑二庫上游，水庫大壩之間距離約0.38km。

樹背坑一庫水庫壩址以上流域面積為2.39km2，主河長3km，大壩為粘土固化心墻壩，壩頂高程為422.5m（黃海高程，下同），最大壩高24.5m，壩頂長98.03m，壩頂寬4.0m。水庫正常蓄水位418.50m，相應(yīng)庫容25.09×104m3；校核洪水位為 421.75m，相應(yīng)庫容為 38.9×104m3。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，設(shè)計灌溉面積266.67hm2（4 000畝），是一座以灌溉為主結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖的?。?）型水庫。

樹背坑二庫水庫壩址以上控制流域面積2.70km2，主河長3.48km，大壩為粘土心墻壩，壩頂高程407.0m，最大壩高約19.5m，壩頂長度64.5m，壩頂寬4.0m。水庫正常蓄水位403.00m，相應(yīng)庫容29.9×104m3，校核洪水位405.50m，相應(yīng)庫容40.0×104m3。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。是一座以灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖、防洪等綜合效益的?。?）型水庫。

2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水潰壩計算方案

2.1 潰壩洪水計算情形

對以下兩種潰壩情形進行洪水分析計算：一是樹背坑二庫水庫在校核洪水位時潰壩；二是樹背坑一庫在校核洪水位時潰壩，由于下游存在樹背坑二庫，考慮最不利情況下，當(dāng)樹背坑一庫潰壩洪水演進到樹背坑二庫壩址時，此時樹背坑二庫也處于校核洪水位，并導(dǎo)致樹背坑二庫潰壩。

2.2 大壩潰決形式分析

水庫大壩的潰決形式一般從結(jié)構(gòu)上可分為局部潰決或全潰；從時間上分為瞬時潰和逐漸潰。樹背坑水庫壩體為黏土心墻壩，根據(jù)壩型特點，選擇最不利條件下，樹背坑一庫和樹背坑二庫均為達到校核洪水位時，瞬時局部一潰到底的潰壩形式[4-6]。

土壩潰壩決口寬度采用《水力學(xué)計算手冊》中根據(jù)黃河水利委員會水利科學(xué)研究院實際資料分析求得的計算公式[7]。其計算公式為：

式中：b為潰壩決口平均寬度，m；K為與壩體有關(guān)的系數(shù)，依據(jù)實際情況及有關(guān)經(jīng)驗取1.3；W為潰壩時蓄水量，萬m3；B為潰壩時沿壩前水面寬度或壩頂長度，m；H為潰壩時水頭或壩前水深，m。

由此可計算出樹背坑一庫和二庫潰壩決口寬度，見表1。

表1 不同水庫校核洪水位潰壩決口寬度

2.3 壩址處最大潰壩流量

本次壩址處最大潰壩流量的估算采用瞬時橫向局部潰壩到底的潰壩形式，計算方法采用《水力學(xué)》中圣維南經(jīng)驗公式[7]：

式中：QM為潰壩時壩址處最大流量，m3/s；B為潰壩時沿壩前水面寬度或壩頂長度，m；b為潰壩決口平均寬度，m；H0為相對應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)下潰壩時水頭或壩前水深，m；g為重力加速度，m/s2。本文取主壩長度作為B值。

由此可計算出樹背坑一庫和二庫潰壩時的壩址處潰壩流量，見表2。

表2 不同水庫潰壩壩址最大流量

2.4 潰壩下游最大流量

當(dāng)潰壩洪水向下游演進時，河道會出現(xiàn)一個最大流量，而最大流量的計算則采用《水力學(xué)》中潰壩下游流量的經(jīng)驗公式[7]：

式中：QL為潰壩時距壩址L處出現(xiàn)的最大流量，m3/s；W為潰壩時的庫容，萬m3；QM為潰壩時壩址處最大流量，m3/s；L為距壩址處的距離，m；v為河道洪水期斷面最大流速，m/s；一般山區(qū)為 3～5m/s，取 4m/s（最大流量下的最大流速）；K為經(jīng)驗系數(shù)。

通過以上方法計算可知，當(dāng)僅樹背坑二庫校核洪水位潰壩時壩址最大流量2 372.15m3/s；當(dāng)上游樹背坑一庫校核洪水位潰壩時壩址最大流量為6 507.08m3/s，當(dāng)潰壩洪水演進到樹背坑二庫壩址時，流量為4 465.32m3/s；考慮最不利情況樹背坑一庫潰壩洪水演進到樹背坑二庫壩址處時，樹背坑二庫隨即潰壩，此時流量疊加，最大流量即為6 837.47m3/s（實際應(yīng)小于此流量）。

3 超標(biāo)準(zhǔn)洪水潰壩分析

3.1 河道洪水分析

實際上，當(dāng)水庫達到相應(yīng)洪水位時便會通過溢洪道及泄水設(shè)施進行泄洪，保證大壩安全，同時當(dāng)水庫出現(xiàn)某頻率洪水時，水庫下游河道也會出現(xiàn)洪水匯流，但根據(jù)樹背坑一庫和樹背坑二庫水庫泄洪設(shè)施及下游河道等實際情況，河道匯流洪水相較于水庫校核洪水位潰壩的流量很小。為了計算簡便，因此本次潰壩計算未考慮河道洪水流量。

3.2 洪水淹沒分析

本研究利用瑞金市相關(guān)區(qū)域1：50000地形圖，采用數(shù)字化技術(shù)，提取高程點圖層，構(gòu)建研究區(qū) DEM 數(shù)據(jù)?；贕IS空間分析方法，利用克里金差值等多種方法進行洪水分析，計算淹沒范圍及水深。

當(dāng)僅樹背坑二庫校核洪水位潰壩時，洪水淹沒范圍如圖1所示。潰壩洪水將淹沒下游地區(qū)的下黃下等自然村，影響人數(shù)約153人，淹沒下游總面積0.33km2。

圖1 樹背坑二庫校核水位潰壩洪水淹沒范圍及轉(zhuǎn)移安置圖

當(dāng)樹背坑一庫在校核洪水位潰壩時，導(dǎo)致下游樹背坑二庫潰壩，洪水淹沒范圍見圖2所示。潰壩洪水將淹沒下游地區(qū)的下黃下、新屋和河子口等自然村及大嵊背村部分區(qū)域，影響人數(shù)500人以上，淹沒下游總面積0.52km2。

圖2 樹背坑一庫潰壩洪水淹沒范圍及轉(zhuǎn)移安置圖

3.3 人員避洪轉(zhuǎn)移安置

根據(jù)上文的洪水分析，分別制定兩種情形下人員避洪轉(zhuǎn)移安置的措施，具體見表3。安置場所通常選擇高地、學(xué)校、敬老院、廣場、公園、衛(wèi)生院等，空曠場所也可進行人口安置。本次轉(zhuǎn)移安置點考慮到洪水區(qū)域?qū)嶋H情況及水庫潰壩洪水淹沒時間較短等因素，選擇附近高地空地作為臨時人員轉(zhuǎn)移安置避難場所[8-10]，轉(zhuǎn)移路線見圖1和圖2。

表3 不同水庫潰壩人員轉(zhuǎn)移安置表

結(jié)合淹沒村莊的距離及洪水流速（一般山區(qū)為3～5m/s，取4m/s）可確定洪水到達各淹沒村莊的時間見表3，受影響村莊居民需在洪水到達之前進行轉(zhuǎn)移安置。

4 結(jié) 語

本文通過對樹背坑二庫潰壩和樹背坑一庫潰壩導(dǎo)致的樹背坑二庫潰壩進行洪水分析發(fā)現(xiàn)，僅下游樹背坑一庫潰壩時共影響人口153人，淹沒范圍0.33km2；樹背坑一庫潰壩導(dǎo)致下游樹背坑二庫潰壩共影響人口500人以上，淹沒范圍0.52km2。由此可知，上游水庫的潰壩導(dǎo)致的下游水庫潰壩造成的洪水風(fēng)險相較于下游水庫潰壩造成的風(fēng)險高。故在對梯級水庫群進行超標(biāo)洪水淹沒分析時，不僅僅要考慮下游水庫單個水庫的潰壩洪水分析，同時要進一步考慮上游水庫超標(biāo)洪水潰壩之后導(dǎo)致的下游水庫連潰的洪水淹沒分析，對于下游人民的生命財產(chǎn)安全保障具有重要的意義。

由于水庫潰壩機理比較復(fù)雜，不同的計算方法所得出的結(jié)果不盡相同，本文所采用的計算方法較為粗略，得出的淹沒分析結(jié)果可能與實際情況具有一定出入，但可為后續(xù)梯級水庫潰壩洪水分析的研究提供一定借鑒參考。