模擬潰壩過程的水文應(yīng)急監(jiān)測

張 白 丁韶輝 馮 峰

（淮河水利委員會水文局（信息中心） 蚌埠 233001）

1 背景

近年來，極端氣候、地質(zhì)災(zāi)害和水污染等突發(fā)性水事件頻繁發(fā)生，使各級政府在應(yīng)急監(jiān)測和科學減災(zāi)方面面臨的任務(wù)越來越重，壓力也越來越大。據(jù)美國自然災(zāi)害評估報告引用的有關(guān)研究表明，針對洪水引發(fā)的災(zāi)害，如果能在12～24h內(nèi)開展應(yīng)急響應(yīng)，災(zāi)害損失就可降低1/5～1/3。水文應(yīng)急監(jiān)測通常是指在突發(fā)性水事件發(fā)生時或發(fā)生后，通過對水體要素、水文要素等進行突擊性緊急監(jiān)測，及時取得現(xiàn)場水文基本信息，為啟動應(yīng)急預(yù)案和防災(zāi)減災(zāi)提供信息服務(wù)和決策支撐。

按照國務(wù)院推進防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)體制機制改革的要求，淮委防汛抗旱辦公室牢固樹立災(zāi)害風險管理和綜合減災(zāi)理念，堅持以防為主、防抗救相結(jié)合的工作方針，通過開展聯(lián)合實戰(zhàn)演練，檢驗防汛搶險隊的搶險裝備和準備狀況，提高在防汛搶險中的配合協(xié)同、快速反應(yīng)和險情應(yīng)急處置能力，提升防汛抗洪搶險實戰(zhàn)水平。2017年4月，淮委防辦協(xié)同安徽、江蘇兩省防辦共同組織開展“2017年防汛搶險聯(lián)合演練”，設(shè)置的演練科目包括：堤壩漫溢搶筑板壩擋水子堰、橡膠充水子堰，堤防滲水散浸、管涌、漏洞險情處置，水下摸探、切割、焊接，堤防潰口斷面流速分布、流量等測量，氣墊船水上救助、沖灘，實時信息衛(wèi)星傳輸，后勤餐車保障、帳篷搭設(shè)等多項任務(wù)，其中淮委水文局承擔模擬潰壩險情下潰口斷面流速、流量監(jiān)測任務(wù)。

2 防汛演練工程概況防汛演練

場地選擇在江蘇省防汛搶險訓練場，位于南京市六合區(qū)瓜埠鎮(zhèn)滁河紅山窯水利樞紐下游，工程主要包括：演練水池1座；下河坡道1座，寬15m；提水泵站1座，設(shè)3臺潛水混流泵及進庫涵管，設(shè)計流量3.66m3/s；泄水槽1座，設(shè)計流量30.0m3/s。

演練水池圍堤軸線尺寸180m×90m（長×寬），軸線總長540m，設(shè)計出險水位10.00m，漫頂出險水位10.50m，最高水位11.00m，最大蓄水深度2.50m，最高水位下庫容2.97×104m3。設(shè)計堤頂高程11.50m，堤高3.00m，迎水坡坡比 1∶2，背水坡 1∶2.5。

3 應(yīng)急監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方案制定

3.1.1 監(jiān)測斷面布設(shè)

潰口處口門寬10.0m，下游布置有“U”槽、泄水槽、出口消能設(shè)施，“U”槽、泄水槽渠段水流湍急，流態(tài)紊亂不宜施測流量，下游無河道且雜草叢生不具備監(jiān)測條件。潰口上游為演練水池，池底部、邊坡均有襯砌，無沖淤變化，水流分布集中，上游斷面視野開闊便于儀器設(shè)備的操控，同時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可以確保監(jiān)測人員安全。監(jiān)測斷面選擇在潰口上游。由于發(fā)生潰口時的水流流場呈以潰口為中心的收縮狀分布，據(jù)此水流特性應(yīng)急監(jiān)測隊制定出以潰口為中心的弧形監(jiān)測斷面（如圖1）。

3.1.2 監(jiān)測設(shè)備

監(jiān)測設(shè)備采用遙控船搭載聲學多普勒流速剖面儀（ADCP），無需監(jiān)測人員涉水，即可實現(xiàn)流速、流量信息的實時采集。同時配備外業(yè)工作臺1套、對講機6部、備用電源系統(tǒng)、工具、救生衣、雨具等保障用品。

圖1 監(jiān)測路線示意圖

表1 潰口流量、流速監(jiān)測成果表

遙控船：船體內(nèi)置控制系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、動力系統(tǒng)，同時集成GPS定位、電子羅盤、高清攝像頭等多種高精度傳感設(shè)備。采用無線傳輸?shù)姆绞?，在岸基即可實時接收并分析采集數(shù)據(jù)，支持人工遙控和按規(guī)劃路徑自動巡航兩種走航方式，具有便捷、安全、適應(yīng)性強的特點。

聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）：ADCP利用換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號，經(jīng)測定多普勒頻移而測算出流速。ADCP具有能直接測出斷面的流速剖面、不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點。目前被廣泛用于海洋、河口的流場結(jié)構(gòu)調(diào)查、流速和流量測驗等。

3.2 應(yīng)急監(jiān)測的組織與實施

應(yīng)急監(jiān)測隊提前到達監(jiān)測位置，按照預(yù)定的工作方案，迅速開展應(yīng)急監(jiān)測準備工作。在潰口上游約10m處搭建監(jiān)測工作臺，同時提前組裝、測試完成2套無人船測流系統(tǒng)，演練中如果1套系統(tǒng)遭遇突發(fā)狀況停止工作，另1套系統(tǒng)瞬時即可下水繼續(xù)監(jiān)測，保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和時效性。

根據(jù)監(jiān)測方案，監(jiān)測隊科學分工，明確隊員各自工作職責。1人負責操控無人船系統(tǒng)弧線走航；1人負責操作ADCP測流軟件；1人同步記錄整理監(jiān)測數(shù)據(jù)；1人負責有關(guān)信息、影像資料的采集傳輸；1人負責突發(fā)狀況的應(yīng)急處置；監(jiān)測隊長負責現(xiàn)場指揮，保障應(yīng)急監(jiān)測有條不紊的順利進行。在潰壩的45min里，采用遙控船測流系統(tǒng)連續(xù)走航，施測潰口流量25次（平均108s測流一次），完整記錄了潰口處流速、流量的動態(tài)變化過程。

4 應(yīng)急監(jiān)測成果及其合理性分析

4.1 應(yīng)急監(jiān)測成果

淮委水文局應(yīng)急監(jiān)測隊憑借科學的監(jiān)測方案、嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度、扎實的工作能力圓滿完成演練科目。監(jiān)測到潰口洪水水量：1.863×104m3，洪峰流量：20.9m3/s。應(yīng)急監(jiān)測主要

圖2 潰口洪水流量過程線圖

圖3 實測潰口航跡、流速矢量圖

成果包括：潰口流量、流速監(jiān)測成果表（見表1）、潰口斷面流量過程線（見圖2）、潰口航跡、流速矢量圖（見圖3）。

4.2 應(yīng)急監(jiān)測成果合理性分析

根據(jù)潰壩演練過程可知，下泄水量由以下兩部分組成：（1）模擬潰壩演練過程中潛水泵向演練池的補水量W補；（2）潰壩前后演練池的蓄水變量△W。蓄泄水量平衡關(guān)系見公式（1）：

4.2.1 蓄水變量ΔW

計算演練水池形狀較規(guī)則，可以概化為局部四棱錐模型，根據(jù)潰壩開始、結(jié)束時刻的演練池蓄水位及演練水池的形狀系數(shù)，按照公式（2）計算出潰壩前后演練池內(nèi)水體積分別為：

故潰壩前后演練池蓄水變量ΔW=V前-V后=1.210×104m3。

式中：s為相應(yīng)水位下演練池水面面積；h為演練池底面對應(yīng)四棱錐的高（取22.96m）。

4.2.2 補水量W補計算

演練場3臺潛水泵先后間隔3min開啟（關(guān)閉時同上），單機抽水流量約為1.1m3/s，潰壩過程中潛水泵的補水量按公式（3）計算：

式中：q為潛水泵抽水流量；t為潛水泵抽水時間（潰壩過程中抽水歷時約40min）。

根據(jù)潰壩演練過程中水泵機組運行記錄及公式（3）計算得：W補=0.6732×104m3。

據(jù)此，計算出模擬潰壩理論下泄水量W泄=1.883×104m3；根據(jù)水文應(yīng)急監(jiān)測的潰口下泄水量1.863×104m3，得水量絕對誤差為0.02×104m3，相對誤差為1.06%，水量基本平衡（水量分析中未考慮滲水、管涌、漏洞等演練科目造成的水量損失），說明潰口洪水水量監(jiān)測成果可靠、精度較高。

5 結(jié)語

通過開展應(yīng)急監(jiān)測，及時、有效地收集監(jiān)測要素信息情報，為防汛搶險應(yīng)急預(yù)案編制及災(zāi)害應(yīng)急處置提供信息服務(wù)和決策支撐。應(yīng)急監(jiān)測方案的制定應(yīng)充分考慮現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境條件，合理編制監(jiān)測方案，不僅要實事求是，還要與時俱進、勇于創(chuàng)新。遙控船搭載ADCP這種新型測流系統(tǒng)，具備測流歷時短、監(jiān)測精度高、無需涉水更安全、無需纜道等特點，非常適合潰壩等特殊水情條件下水文資料的收集。此次潰口洪水應(yīng)急監(jiān)測，就潰口特定水流條件，監(jiān)測隊放棄以往的直線走航路徑，創(chuàng)新設(shè)計了弧形走航路徑，圓滿完成監(jiān)測任務(wù)，用事實證明了潰口弧形監(jiān)測方案的合理性、科學性、實用性■