堰塞湖信息獲取與潰壩洪水預(yù)測(cè)

黃 艷1，馬 強(qiáng)，吳 家 陽(yáng)，張 黎 明

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

堰塞湖是降雨、地震、火山活動(dòng)等原因引起的滑坡、崩塌、泥石流等堵截河道貯水后形成的湖泊，具有蓄水量大、安全威脅大、災(zāi)害鏈長(zhǎng)等特點(diǎn)，不僅會(huì)淹沒(méi)土地、堵塞河道，還存在潰決風(fēng)險(xiǎn)，給下游造成巨大損失。我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，屬于地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)地區(qū)，尤其是西南地區(qū)，堰塞湖災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，歷史上有記載的堰塞湖災(zāi)害就超過(guò)了400個(gè)，其中85%以上均位于長(zhǎng)江上游和瀾滄江、雅魯藏布江等西南諸河。比如2000年4月9日發(fā)生在雅魯藏布江支流易貢湖上的易貢堰塞湖，自4月9日形成堰塞湖后，湖水位以每天1 m的速度上漲，至當(dāng)年6月10日潰決，漲水歷時(shí)62 d，累計(jì)水位上漲55.36 m，最大水深62.06 m，攔蓄水量30億m3。據(jù)估算，下游河谷最大洪峰流量達(dá)12.1萬(wàn)m3/s、最大漲幅42 m，使下游數(shù)百千米河道由原來(lái)的V型沖成U型，并在下游120 km長(zhǎng)的主河道兩岸觸發(fā)35處崩塌、滑坡和泥石流災(zāi)害。日益上漲的易貢湖淹沒(méi)了著名的易貢茶廠近2 000畝茶園以及兩岸易貢、八蓋兩鄉(xiāng)，4000余人受災(zāi)，1000余人被迫搬遷，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1.4億元以上。2018年秋，短短一個(gè)月內(nèi)在金沙江白格和雅魯藏布江米林接連發(fā)生4次堰塞湖，給當(dāng)?shù)睾拖掠紊鐣?huì)安定、居民安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，如何科學(xué)、高效地開(kāi)展堰塞湖應(yīng)急處置工作，將堰塞湖潰決洪水風(fēng)險(xiǎn)減至最低，成為歷次堰塞湖搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的重中之重。

在堰塞湖應(yīng)急處置的各環(huán)節(jié)中，快速、準(zhǔn)確地獲取堰塞湖地形、水文等信息和開(kāi)展堰塞體潰決洪水預(yù)測(cè)是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)急處置的先決條件。由于堰塞湖多發(fā)生在偏遠(yuǎn)山區(qū)，水路交通不便，加之湖水不斷上漲、處置時(shí)間緊迫，倘若無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確收集相關(guān)數(shù)據(jù)并對(duì)下游地區(qū)洪水量級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，稍有不慎將導(dǎo)致災(zāi)難性后果，如1933年8月25日，四川疊溪堰塞湖在形成45 d后潰決，潰堰洪水導(dǎo)致了2 500人喪生；2009年高雄堰塞湖潰決，由此引發(fā)的山洪災(zāi)害造成45人死亡。

多年來(lái)，我國(guó)在堰塞湖應(yīng)急處置過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，特別是在近幾年發(fā)生的唐家山、易貢、紅石巖和白格堰塞湖的應(yīng)急處置中，更是創(chuàng)造了零傷亡的壯舉。這與相關(guān)領(lǐng)域研究工作的扎實(shí)開(kāi)展分不開(kāi)。陳曉清[1]等人考慮同一流域堰塞湖群的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，對(duì)“5.12”汶川大地震誘發(fā)的33處堰塞湖進(jìn)行了潰決危險(xiǎn)性評(píng)估。呂杰堂[2]等人利用多時(shí)相、多平臺(tái)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)了西藏易貢堰塞湖的湖水面積、水位和水量。何秉順[3]等人探討了三維激光掃描儀與GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法及地形測(cè)量作業(yè)流程，并將成果應(yīng)用于“5.12”大地震肖家橋、罐灘堰塞湖的測(cè)量中。徐照明[4]等人利用水力學(xué)模型對(duì)唐家山堰塞湖不同潰決歷時(shí)、潰口形狀及發(fā)展過(guò)程的潰壩洪水進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)糙率、通口電站滯洪、干流洪水遭遇等條件進(jìn)行了敏感性分析。楊華等人[5]對(duì)勻質(zhì)細(xì)壩、勻質(zhì)粗壩及分層壩3種堰塞壩分別開(kāi)展了8次漫頂潰決實(shí)驗(yàn)研究，并擬合出3種堰塞壩最大潰決流量公式。羅利環(huán)等人[6]開(kāi)展水槽實(shí)驗(yàn)研究了入流量、壩體材料、壩后坡度、壩頂寬度及開(kāi)槽寬度5種因素對(duì)漫頂潰決過(guò)程的影響?？傮w而言，目前在堰塞湖信息獲取和潰決洪水演算方面有相當(dāng)?shù)睦碚撗芯亢图夹g(shù)積累，但是，受限于資料的不確定性和對(duì)潰決機(jī)理認(rèn)知的有限，堰塞湖處置在信息獲取、潰決洪水預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面仍然存在較大的理論技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文以2018年金沙江白格和雅魯藏布江米林堰塞湖信息獲取和潰決洪水演算為案例，介紹了我國(guó)現(xiàn)階段在堰塞湖信息獲取和潰決洪水預(yù)測(cè)等方面最新的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，并分析提出了下一步研究和實(shí)踐中需關(guān)注的重點(diǎn)。

1 我國(guó)堰塞湖應(yīng)急處置現(xiàn)狀及問(wèn)題

1.1 我國(guó)堰塞湖應(yīng)急處置的現(xiàn)狀

2009年，我國(guó)相繼出臺(tái)了兩份針對(duì)堰塞湖應(yīng)急處置的行業(yè)規(guī)范，即《堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》(SL 450-2009)和《堰塞湖應(yīng)急處置技術(shù)導(dǎo)則》(SL 451-2009)。這充分表明，我國(guó)在堰塞湖的應(yīng)急處置方面已經(jīng)形成了較為成熟的操作流程，具備了行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的操作標(biāo)準(zhǔn)。

評(píng)判一個(gè)國(guó)家或地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)水平，要從硬實(shí)力與軟實(shí)力兩方面分析。在技術(shù)層面上，由于我國(guó)空間測(cè)繪技術(shù)及水利水電施工技術(shù)等屬于世界先進(jìn)水平，并多次為國(guó)內(nèi)外堰塞湖防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐，我國(guó)堰塞湖應(yīng)急處置工作具有較強(qiáng)的硬實(shí)力。在組織層面上，搶險(xiǎn)救災(zāi)充分體現(xiàn)了社會(huì)主義制度的優(yōu)越性，我國(guó)能集中各部門、各個(gè)專業(yè)能力和資源聯(lián)合干大事，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模、高強(qiáng)度的人力物力資源調(diào)配和技術(shù)保障。

同時(shí)，從近年來(lái)我國(guó)堰塞湖多次良好的除險(xiǎn)救災(zāi)結(jié)果來(lái)看，我國(guó)在堰塞湖防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急處置領(lǐng)域有較先進(jìn)技術(shù)、較強(qiáng)組織能力和較高人力物力，總體水平較為先進(jìn)。但是，由于流域監(jiān)測(cè)還未完全形成“天空地水”全覆蓋立體監(jiān)測(cè)體系，同時(shí)，面對(duì)水災(zāi)這一動(dòng)態(tài)可調(diào)控的風(fēng)險(xiǎn)管理和處置形勢(shì)，目前的應(yīng)急搶險(xiǎn)處置方式在健全制度、提高技術(shù)、提高效率、降低成本等方面還需要進(jìn)一步的完善。

1.2 我國(guó)堰塞湖信息獲取與洪水預(yù)測(cè)存在的問(wèn)題

1.2.1堰塞湖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)困難

堰塞湖大都分布在高山峽谷、山丘區(qū)，如何把人力、裝備快速投送至現(xiàn)場(chǎng)是堰塞湖應(yīng)急處置的關(guān)鍵制約因素。根據(jù)處置階段的不同、險(xiǎn)情的輕重以及作業(yè)環(huán)境的優(yōu)劣，各搶險(xiǎn)救援力量因其人員、裝備器材、物資的數(shù)量和質(zhì)量的不同，可采用水路、空中以及陸路等不同方式進(jìn)行投送，但目前堰塞湖“靠近”方面仍存在不少問(wèn)題。主要表現(xiàn)在：① 空中運(yùn)輸能力缺乏；② 陸路輸送困難；③ 水路輸送空白。因此，堰塞湖出現(xiàn)后依賴從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得信息來(lái)進(jìn)行分析及處置存在較大困難。

1.2.2堰塞湖應(yīng)急監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

受限于未能建成參數(shù)和區(qū)域全覆蓋的監(jiān)測(cè)網(wǎng)、缺乏堰塞湖分布基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，我國(guó)堰塞湖應(yīng)急搶險(xiǎn)工作中還存在監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)水平不高、在堰塞湖(壩)的潰決和發(fā)展監(jiān)測(cè)及預(yù)警方面的研究還不成熟等問(wèn)題，尚未形成一套較完善的堰塞湖(壩)綜合監(jiān)測(cè)體系。主要表現(xiàn)在以下方面：① 堰塞湖影響范圍基礎(chǔ)信息匱乏；② 應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段不足、監(jiān)測(cè)不夠及時(shí)；③ 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水情風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)相對(duì)滯后；④ 缺少應(yīng)急指揮可視化平臺(tái)；⑤ 預(yù)案可操作性不強(qiáng)等。

針對(duì)以上不足，筆者在實(shí)踐中摸索出了一套多源信息獲取手段，將其與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果相互驗(yàn)證，為堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及應(yīng)急處置提供了可靠的技術(shù)支持。

2 堰塞湖多源信息獲取技術(shù)

堰塞體災(zāi)變過(guò)程預(yù)測(cè)、潰決洪水演算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及應(yīng)急治理需要大量長(zhǎng)期觀測(cè)和臨時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料作支撐，所需信息主要包括：水文氣象、地形地貌、地質(zhì)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等。

堰塞湖災(zāi)情評(píng)估信息空間尺度跨度大，大至流域尺度的災(zāi)區(qū)影響范圍內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，小至堰塞體顆粒尺度的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)信息，不同尺度的信息需要專業(yè)人員進(jìn)行探測(cè)。但是，由于堰塞湖災(zāi)情多發(fā)生在深山峽谷，交通條件惡劣，可用基礎(chǔ)資料匱乏，加之應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)手段明顯不足，導(dǎo)致快速、準(zhǔn)確獲取堰塞體相關(guān)信息十分困難。因此，如何快速、準(zhǔn)確地獲取堰塞湖科學(xué)數(shù)據(jù)是需首要解決的技術(shù)難題。

通過(guò)多年來(lái)的技術(shù)研發(fā)和經(jīng)驗(yàn)積累，并借助我國(guó)在空間遙感、無(wú)人機(jī)探測(cè)、水下機(jī)器人、信息化等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，堰塞湖信息獲取方面已有較多積累。下面簡(jiǎn)要介紹我國(guó)近年來(lái)在堰塞湖信息獲取領(lǐng)域積累的若干關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 堰塞體結(jié)構(gòu)探測(cè)技術(shù)

堰體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)部分決定了其潰決可能性、潰決方式、潰口發(fā)展情況等，利用瞬變電磁法、地震波法、激光掃描儀等技術(shù)對(duì)堰體物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行探測(cè)，追蹤其裂隙發(fā)展，判斷堰塞體發(fā)生管涌、潰決的可能性和方式。

2.2 平面和高程控制測(cè)量技術(shù)

當(dāng)堰塞湖所在地缺乏平面或高程控制系統(tǒng)，或現(xiàn)有控制系統(tǒng)遭到損毀時(shí)，需快速布設(shè)堰塞湖應(yīng)急監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，包括平面、高程應(yīng)急控制測(cè)量，監(jiān)測(cè)層次及精度須滿足應(yīng)急方案制定需求。圖1為易貢堰塞湖發(fā)生后，應(yīng)急監(jiān)測(cè)水文站網(wǎng)和平面控制網(wǎng)的布設(shè)情況。

圖1 易貢堰塞湖應(yīng)急監(jiān)測(cè)水文站網(wǎng)和平面控制網(wǎng)布設(shè)Fig.1 Emergent monitoring control network for hydrology and topography of Yigong barrier lake

2.3 水下地形測(cè)量技術(shù)

水下地形是堰塞湖洪水計(jì)算的重要資料，關(guān)系到庫(kù)容曲線和湖區(qū)洪水動(dòng)庫(kù)容演算精度。應(yīng)急情況下，可集成無(wú)人船、GNSS、多波束水下雷達(dá)、避障雷達(dá)、無(wú)線通訊設(shè)備、電子羅盤、動(dòng)力系統(tǒng)等多種設(shè)備為一體的無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)，以對(duì)復(fù)雜水下地形、困難水域的水下斷面和地形進(jìn)行測(cè)量。

2.4 遙感災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害態(tài)勢(shì)和損失的精準(zhǔn)分析和綜合評(píng)估，可將衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)低空遙感及地面調(diào)查手段相結(jié)合，對(duì)堰塞湖災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)區(qū)開(kāi)展雷達(dá)干涉或激光掃描測(cè)量，提取變化數(shù)據(jù)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體可能造成的堰塞湖災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2.5 堰塞湖水陸空立體探測(cè)技術(shù)

堰塞湖水陸空立體探測(cè)技術(shù)主要指解決快速探測(cè)堰塞體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，追蹤隱患發(fā)展過(guò)程的無(wú)人、快速探測(cè)技術(shù)，包括天地空立體動(dòng)態(tài)視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水下聲視一體化探測(cè)技術(shù)、地面巖土結(jié)構(gòu)智能識(shí)別技術(shù)、彈性波探測(cè)技術(shù)、無(wú)人值守直流電法陣列探測(cè)技術(shù)等。可快速提供堰塞體結(jié)構(gòu)發(fā)展變化參數(shù)，供應(yīng)急處置及風(fēng)險(xiǎn)分析參考。

2.6 堰塞湖基礎(chǔ)信息監(jiān)測(cè)難點(diǎn)分析

堰塞湖信息獲取可行技術(shù)較多，但仍然存在諸多技術(shù)難點(diǎn)亟待研究攻克。例如衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然可以全天候、大范圍監(jiān)測(cè)，但其影像更新周期(時(shí)間)無(wú)法保證，獲取實(shí)時(shí)影像存在困難，需要建立多種衛(wèi)星影像獲取渠道，實(shí)現(xiàn)多星協(xié)同作業(yè)；又如無(wú)人機(jī)遙感雖然靈活機(jī)動(dòng)、響應(yīng)速度快，但GPS信號(hào)不穩(wěn)定，精度無(wú)法保障，需攜帶高精度衛(wèi)星定位裝置。

3 堰塞湖潰決洪水與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)

堰塞體潰決與潰決洪水演進(jìn)模擬和預(yù)測(cè)是堰塞湖災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、人員避險(xiǎn)和應(yīng)急處置方案制定的理論基礎(chǔ)。如何快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)堰塞體潰壩洪峰流量過(guò)程及其演進(jìn)過(guò)程是堰塞湖處置的關(guān)鍵一環(huán)。

由于堰塞湖應(yīng)急處置的急迫性和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的困難大，往往難以在短時(shí)間內(nèi)全面、詳實(shí)地收集潰堰洪水分析所需的數(shù)據(jù)資料，加之堰塞體潰決發(fā)展方式與河道演變復(fù)雜多變，使得潰壩洪水分析難度加大。

堰體潰決過(guò)程是一個(gè)水、土二相相互作用的過(guò)程，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且受壩體材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和湖容及下游水位等的影響，研究難度較大。理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬是主要的研究手段。隨著計(jì)算機(jī)性能和數(shù)值算法的迅速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算越來(lái)越成為潰壩(堰)洪水及其演進(jìn)分析的重要手段。20世紀(jì)中后期，潰壩(堰)洪水模擬研究取得了較大進(jìn)展，產(chǎn)生了如美國(guó)Dambreak、荷蘭Delft、丹麥DHI MIKE11等一系列潰壩洪水計(jì)算模型。

堰塞湖潰決洪水與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)主要包括3方面內(nèi)容：① 堰塞體潰口洪水過(guò)程預(yù)測(cè)；② 潰決洪水下游演進(jìn)過(guò)程預(yù)測(cè)；③ 湖區(qū)和下游洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析。下面分別介紹這3方面的實(shí)現(xiàn)方法及主要技術(shù)手段。

3.1 潰口流量過(guò)程預(yù)測(cè)

堰塞體潰口流量過(guò)程一般采用基于能量守恒方程的潰壩數(shù)學(xué)模型計(jì)算。如圖2所示，潰壩模型將堰塞壩分為潰口和溢流壩兩段，分段采用不同的流量公式計(jì)算過(guò)流量。潰口洪峰流量對(duì)潰口發(fā)展過(guò)程和堰塞湖庫(kù)容十分敏感，因此，準(zhǔn)確獲取堰塞湖潰口發(fā)展過(guò)程(堰塞體潰決機(jī)理)和堰塞湖水位-容積曲線是堰塞湖潰口洪水過(guò)程計(jì)算的關(guān)鍵。

堰塞體潰口的發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的水、土二相相互作用的過(guò)程，且受到堰塞體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)、規(guī)模、上游來(lái)水等條件的控制。從堰塞壩破壞方式來(lái)看，主要有壩頂溢流、滲漏、管涌、余震或人為因素造成的壩體滑坡、失穩(wěn)等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各種堰塞壩潰決實(shí)例中，漫頂潰決所占比例為71.6%[7]。大量學(xué)者對(duì)不同壩體材料組成和沖刷條件下的潰口發(fā)展進(jìn)行了分析研究。

圖2 潰決后堰塞體分漫頂和潰口兩部分泄流Fig.2 Discharge through overtopping and breach after dambreaking of the barrier lake

以MIKE 11數(shù)學(xué)模型為例，潰口斷面的發(fā)展過(guò)程可以通過(guò)人為指定3個(gè)時(shí)間序列來(lái)模擬：潰口斷面底寬發(fā)展過(guò)程B(t)，底高發(fā)展過(guò)程H(t)，邊坡發(fā)展過(guò)程S(t)。同時(shí)，MIKE 11也提供了基于Engelund-Hansen沉積物沖刷公式[8]的漫頂潰決和管涌潰決模型。

除潰口斷面發(fā)展過(guò)程外，潰口流量過(guò)程計(jì)算還受模型當(dāng)中對(duì)于湖區(qū)水體的模擬計(jì)算方式的影響。對(duì)于河道型水庫(kù)，當(dāng)存在入庫(kù)流量時(shí)，動(dòng)庫(kù)容往往不能忽略。對(duì)于堰塞湖水位-庫(kù)容關(guān)系的計(jì)算，鑒于堰塞湖多發(fā)生在深山峽谷地區(qū)，為河道型水庫(kù)，若采用傳統(tǒng)的靜庫(kù)容法計(jì)算潰口洪水過(guò)程，因?yàn)槲纯紤]楔形動(dòng)庫(kù)容以及洪水在庫(kù)區(qū)的傳播過(guò)程，計(jì)算的水位-庫(kù)容曲線、洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間等均與實(shí)際存在不同程度的偏差。因此，若能獲取堰塞湖回水范圍內(nèi)的河道大斷面資料，應(yīng)采取動(dòng)庫(kù)容法計(jì)算水位-庫(kù)容曲線和潰口洪水過(guò)程。

動(dòng)庫(kù)容法計(jì)算堰塞湖水位-庫(kù)容曲線的步驟為：以河道大斷面為界，將堰塞湖庫(kù)區(qū)分為若干子河段，然后分段計(jì)算水位-庫(kù)容曲線。在計(jì)算潰口洪水過(guò)程中，以各分段代表水位查對(duì)應(yīng)的分段水位-庫(kù)容曲線，累加后即得到指定壩前水位的總庫(kù)容。水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型在采用動(dòng)、靜庫(kù)容法計(jì)算潰口洪水時(shí)在建模上存在一定區(qū)別。MIKE11模型靜、動(dòng)庫(kù)容計(jì)算模型的不同結(jié)構(gòu)為：采用靜庫(kù)容法僅需在堰體上游設(shè)置水庫(kù)結(jié)構(gòu)物，利用堰塞湖水位-庫(kù)容曲線概化即可；若采用動(dòng)庫(kù)容法，則需建立整個(gè)堰塞湖回水范圍內(nèi)的河道動(dòng)力演算，并添加河道斷面、糙率和上游邊界條件等。

3.2 下游洪水演進(jìn)過(guò)程預(yù)測(cè)

堰塞體一旦潰決，潰決洪水將對(duì)下游居民的生命財(cái)產(chǎn)造成很大的威脅，因此研究堰塞體潰決洪水沿程水位變化對(duì)決策部門發(fā)布洪水預(yù)警、組織轉(zhuǎn)移撤離、實(shí)施緊急救援等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

下游洪水演算一般采取對(duì)一維圣維南方程進(jìn)行差分求解來(lái)進(jìn)行模擬：

(1)

此外，在堰塞壩下游往往存在已建或在建的水利設(shè)施，比如白格堰塞體恰好位于金沙江上游水電基地的“一庫(kù)十三級(jí)”開(kāi)發(fā)布局中，其下游在建水利工程有蘇洼龍、巴塘和葉巴灘水電站。此時(shí)需要根據(jù)在建水利設(shè)施泄水建筑物的泄放能力和大壩或圍堰的擋水作用等，考慮堰塞湖潰決洪水與水利設(shè)施的連鎖反應(yīng)。

此外，高烈度地震往往在同一條河流上形成堰塞湖群，堰塞湖群潰決風(fēng)險(xiǎn)高，上游潰堰洪水往往導(dǎo)致下游堰塞體的潰決。因此，有必要對(duì)堰塞湖群的連鎖潰決洪水及其演進(jìn)模擬技術(shù)展開(kāi)研究。比如1933年疊溪地震形成銀屏崖、大橋和疊溪3座堰塞湖，加上大橋和疊溪間松坪溝3處小堰塞體為“六湖連串”。由于最下游的疊溪海子未及時(shí)排空或引流，余震致使的松坪溝堰塞湖等相繼潰決，潰決洪水使得疊溪堰塞體幾乎整體潰決，死傷數(shù)千人。

3.3 洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析

堰塞湖多發(fā)在偏遠(yuǎn)的深山峽谷等未設(shè)堤防的河段，潰決洪水峰高量大，一旦進(jìn)入平緩地帶，往往造成河道兩岸大面積淹沒(méi)。因此，及時(shí)開(kāi)展?jié)Q洪水淹沒(méi)分析，統(tǒng)計(jì)受影響區(qū)域面積，評(píng)估可能造成的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)制定人員避險(xiǎn)方案，指導(dǎo)下游群眾安全撤離，減小損失等具有指導(dǎo)作用。

由于具有對(duì)有關(guān)地理信息的快速獲取與處理分析的強(qiáng)大功能，特別是對(duì)缺少資料的偏遠(yuǎn)地帶，采用遙感與GIS技術(shù)能動(dòng)態(tài)獲取堰塞湖庫(kù)區(qū)的淹沒(méi)狀況及其變化過(guò)程，為潰決洪水風(fēng)險(xiǎn)分析提供資料和技術(shù)支持。

一般對(duì)洪水淹沒(méi)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析需要采取2維(2D)水力學(xué)演算，計(jì)算沿程洪水淹沒(méi)深度、過(guò)程等。但是，受限于地形資料有限，2D模型建立和計(jì)算困難，一般堰塞湖洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析可采取上游庫(kù)區(qū)水平淹沒(méi)、下游1D河道演算成果結(jié)合GIS技術(shù)推算淹沒(méi)影響的方式來(lái)進(jìn)行。計(jì)算步驟為：根據(jù)一維水動(dòng)力學(xué)模型的水面線計(jì)算成果，提取河道各斷面的洪水位，疊加數(shù)字高程模型，分析獲取洪水淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)影響及淹沒(méi)損失。

淹沒(méi)影響及損失統(tǒng)計(jì)方法為：將得到的淹沒(méi)范圍圖層與房屋、道路、土地等社會(huì)經(jīng)濟(jì)圖層通過(guò)空間地理關(guān)系進(jìn)行拓?fù)浏B加(見(jiàn)圖3)，分析獲取洪水淹沒(méi)區(qū)內(nèi)影響人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)不同財(cái)產(chǎn)類型的價(jià)值及其分布等信息。

圖3 基于GIS的潰決洪水淹沒(méi)損失疊加分析Fig.3 Damage analysis of flood inundation using GIS technology

4 白格堰塞湖信息獲取與洪水預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2018.10.11西藏波羅鄉(xiāng)發(fā)生大規(guī)模山體滑坡事件，滑坡堆積物阻斷金沙江干流河道，形成白格堰塞湖。2018.11.3 金沙江白格堰塞湖右岸再次發(fā)生山體滑坡，形成堵江(見(jiàn)圖4)。

圖4 白格滑坡體先后兩次堵江形成堰塞湖Fig.4 River blocked by landslide bodies of Baige barrier lake in Jinsha River

4.1 多源信息獲取技術(shù)應(yīng)用

堰塞體潰決前，為了準(zhǔn)確獲取對(duì)潰決洪水計(jì)算至關(guān)重要的堰塞湖水位-庫(kù)容關(guān)系，利用1∶50 000比例尺地形圖(見(jiàn)圖5)，量測(cè)了白格堰塞湖的庫(kù)容曲線(見(jiàn)圖6)和沿程河道斷面資料。由于地形資料一般為水面以上信息，因此，在河道斷面資料中，采取已有水文站斷面信息對(duì)水面下槽蓄部分進(jìn)行了補(bǔ)充移用。

圖5 白格堰塞湖庫(kù)區(qū)1∶50 000地形Fig.5 1∶50 000 topographic map of Baige barrier lake

圖6 采用地形圖提取的白格堰塞體庫(kù)容曲線Fig.6 Capacity curve of Baige barrier lake extracted from topographic and DEM data

此外，為了多方位對(duì)堰塞湖災(zāi)區(qū)信息有更直觀的了解，現(xiàn)場(chǎng)采取無(wú)人機(jī)對(duì)堰塞體堵江情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的拍攝，獲得了寶貴的第一手影像資料。但白格堰塞湖所在的高山峽谷地區(qū)GPS信號(hào)質(zhì)量時(shí)好時(shí)壞，且測(cè)區(qū)缺乏控制成果資料，無(wú)法自檢校。此次無(wú)人機(jī)航拍坐標(biāo)基準(zhǔn)來(lái)源于POS數(shù)據(jù)，平面精度小于1 m，高程精度小于2 m，故只能較準(zhǔn)確地估算堰塞殘留體積，無(wú)法準(zhǔn)確判斷堰頂高程和湖區(qū)水位。

堰塞湖災(zāi)情發(fā)生后，為了及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)施應(yīng)急水文監(jiān)測(cè)，除了在金沙江上、中游布設(shè)的常設(shè)水文站點(diǎn)外，還搭建了堰塞體上下游臨時(shí)水位、流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這對(duì)長(zhǎng)距離洪水演算精度提高和模型驗(yàn)證、下游水庫(kù)調(diào)度等提供了寶貴的資料支撐。監(jiān)測(cè)得到的堰塞湖潰決后下游各站洪峰流量過(guò)程見(jiàn)圖7和圖8。

4.2 潰決洪水預(yù)測(cè)

為分析白格堰塞湖險(xiǎn)情，采取遙感資料分析獲取的斷面資料和庫(kù)容曲線，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)回的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合以往應(yīng)急處置經(jīng)驗(yàn)，擬定了不同起潰水位、潰決歷時(shí)、潰口底部高程的多種潰決洪水計(jì)算方案。在白格“11.3”堰塞湖潰決洪水預(yù)測(cè)中，還考慮了下游在建蘇洼龍電站圍堰的阻水作用。根據(jù)圍堰潰口底部高程和潰口發(fā)展歷時(shí)，擬定了0.5 h全潰、3 h半潰、3 h全潰、6 h全潰和不考慮蘇洼龍圍堰阻水作用共5組方案，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖7 “10.11”堰塞體潰決洪水下游傳播過(guò)程Fig.7 Flood propagation process of “10.11” Baige barrier lake

圖8 “11.3”堰塞體潰決洪水下游傳播過(guò)程Fig.8 Flood propagation process of “11.3” Baige barrier lake

表2 白格“11.3”堰塞體下游蘇洼龍電站圍堰影響分析Tab.2 Impact analysis on Suwalong hydropower station cofferdam downstream in “11.3” Baige barrier lake m3/s

由計(jì)算結(jié)果可知，在白格堰塞湖潰決洪峰流量超過(guò)10 000 a一遇的情況下，蘇洼龍圍堰將發(fā)生連潰，對(duì)經(jīng)過(guò)蘇洼龍的洪水過(guò)程造成“放大”作用。因此，為避免“放大”洪水，在堰塞體潰決前，對(duì)蘇洼龍圍堰進(jìn)行了拆除。

同時(shí)，在人工開(kāi)挖泄流槽引流成功后，為了提高洪水預(yù)報(bào)精度，又以下游各站實(shí)測(cè)流量過(guò)程為計(jì)算模型上邊界，滾動(dòng)模擬洪水向下游的演進(jìn)過(guò)程。圖9為分別以奔子欄、巴塘、葉巴灘水文站的實(shí)測(cè)流量為模型上邊界計(jì)算的石鼓站流量過(guò)程。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，隨著模型上游邊界條件向石鼓站靠近，預(yù)報(bào)洪水過(guò)程越加接近實(shí)測(cè)洪水過(guò)程。

圖9 “11.3”堰塞湖洪水演進(jìn)過(guò)程滾動(dòng)模擬結(jié)果Fig.9 Prediction of Shigu discharge using rolling simulations from measurement obtained at upstream hydrological stations in“11.3” Baige barrier lake

為比較堰塞湖區(qū)動(dòng)庫(kù)容影響，將模型上邊界延長(zhǎng)至堰塞壩以上84 km的庫(kù)尾，重新計(jì)算11.3白格堰塞體潰口洪水過(guò)程，計(jì)算成果如圖10所示。其中，靜庫(kù)容法選取了應(yīng)用堰塞湖實(shí)測(cè)瞬時(shí)水位變差水量平衡原理計(jì)算(即圖中水量平衡原理計(jì)算成果)和以堰塞體為上游邊界不考慮上游水量沿湖區(qū)分布的水力學(xué)演算兩種方式計(jì)算。

圖10 采用動(dòng)、靜庫(kù)容法計(jì)算的白格“11.3”堰塞湖潰口流量過(guò)程Fig.10 Discharge hydrographs at the barrier body calculated using dynamic and static capacity methods

由圖10可以看出，動(dòng)庫(kù)容計(jì)算下潰決洪水洪峰流量較靜庫(kù)容法計(jì)算成果偏小，但是偏小占比不大，僅為2.8%，對(duì)洪水往下游演算影響有限。

4.3 潰決洪水預(yù)測(cè)分析

為了評(píng)估堰塞體潰決后洪水對(duì)下游地區(qū)的影響，結(jié)合一維水動(dòng)力學(xué)模型水面線計(jì)算成果和GIS技術(shù)應(yīng)用，在堰塞體潰決前開(kāi)展了“11.3”堰塞湖庫(kù)區(qū)和下游影響范圍淹沒(méi)分析?？紤]潰口洪峰流量30 000 m3/s，下游石鼓附近洪水淹沒(méi)范圍見(jiàn)圖11，洪水淹沒(méi)范圍涉及甘孜藏族自治州、昌都地區(qū)、迪慶州與麗江市4個(gè)市，10個(gè)區(qū)縣，170余個(gè)村莊，面積共約63 km2。同時(shí)基于騰訊研發(fā)的LBS大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，分析了潰口洪峰流量30 000 m3/s時(shí)淹沒(méi)范圍內(nèi)的人群隨時(shí)間的分布(見(jiàn)圖12)，為應(yīng)急避險(xiǎn)決策提供了技術(shù)支撐。

圖11 白格“11.3”堰塞湖石鼓段淹沒(méi)范圍示意Fig.11 Inundation zones of Shigu section in“11.3” Baige barrier lake

圖12 白格“11.3”堰塞體金河村段人口熱力Fig.12 Population hotspot dynamics of Jinhe village in “11.3” Baige barrier lake

4.4 堰塞湖應(yīng)急處置效益評(píng)估

堰塞體潰決后，為客觀評(píng)價(jià)白格“11.3”堰塞湖人工干預(yù)措施的效益，采用經(jīng)監(jiān)測(cè)洪水資料重新率定后的水動(dòng)力模型，對(duì)有無(wú)人工干預(yù)措施下的潰決及洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，并開(kāi)展了相應(yīng)條件下下游地區(qū)淹沒(méi)損失分析。有無(wú)人工干預(yù)措施下游各站洪峰流量計(jì)算成果見(jiàn)表3，無(wú)人工干預(yù)自然漫潰方案下游各站流量過(guò)程見(jiàn)圖13。

表3 白格“11.3”堰塞湖有、無(wú)人工干預(yù)措施下游各站洪峰流量Tab.3 Comparison of discharge at downstream hydrological stations for scenarios of with and without treatment in“11.3” Baige barrier lake m3/s

圖13 白格“11.3”堰塞體無(wú)人工干預(yù)自然漫潰方案下游各站計(jì)算洪峰流量過(guò)程Fig.13 Discharge hydrographs of downstream hydrological stations for the scenarios of natural overtopping dam-break condition in “11.3” Baige barrier lake, i.e. without human intervention

由計(jì)算可知，人工干預(yù)除大大減少了堰塞湖水體總量(由7.70億m3減至5.78億m3),還減少了潰口處洪峰流量約12 000 m3/s，經(jīng)沿程坦化，至石鼓處仍然減少洪峰流量1 700 m3/s，表明人工干預(yù)效果突出。

同理，采用大尺度1D+GIS淹沒(méi)分析方法，并將有無(wú)人工干預(yù)措施下的淹沒(méi)范圍圖層與土地、房屋、道路、橋梁等遙感解譯成果進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)出兩種方案淹沒(méi)損失的差異見(jiàn)表4和表5。由分析結(jié)果可見(jiàn)，不管是堰塞湖庫(kù)區(qū)還是下游淹沒(méi)區(qū)，采取人工干預(yù)措施均能大幅減少淹沒(méi)損失。例如，采取人工干預(yù)措施，下游淹沒(méi)居民點(diǎn)減少200個(gè)、受影響人口能減少1.7萬(wàn)人、受淹道路長(zhǎng)度減少58 km之多。

表4 白格“11.3”堰塞湖有、無(wú)人工干預(yù)措施庫(kù)區(qū)淹沒(méi)損失統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of flood inundation damage in the reservoir area for scenarios of with and without manual human intervention in “11.3” Baige barrier lake

表5 白格“11.3”堰塞湖有、無(wú)人工干預(yù)措施下游淹沒(méi)損失統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of downstream flood inundation damage areas for scenario of with and without manual intervention in “11.3” Baige barrier lake

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以2018年在金沙江白格和雅魯藏布江米林先后發(fā)生的4次堰塞湖為背景，介紹了我國(guó)堰塞湖應(yīng)急處置的現(xiàn)狀，指出我國(guó)堰塞湖處置技術(shù)較為先進(jìn)、組織能力強(qiáng)且具有大量人力物力等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也存在應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段缺乏、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)在應(yīng)用中的障礙等方面的不足。介紹了堰塞湖應(yīng)急處置的信息獲取和洪水預(yù)測(cè)兩方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，其中信息獲取包括了堰塞體結(jié)構(gòu)探測(cè)、平面和高程控制測(cè)量、水下地形測(cè)量、災(zāi)害及地面監(jiān)測(cè)和水陸空立體探測(cè)等技術(shù)；洪水預(yù)測(cè)技術(shù)包括了潰口洪水過(guò)程計(jì)算、洪水演進(jìn)模擬、洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析等。

本文以金沙江白格堰塞湖應(yīng)急處置中的應(yīng)用為例，系統(tǒng)介紹了堰塞湖處置中如何獲取有效資料、如何進(jìn)行潰口處及上下游洪水演進(jìn)模擬及其在堰塞湖處置不同階段(潰決前、潰決后)的應(yīng)用。結(jié)果表明，采用先進(jìn)的信息獲取技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段和計(jì)算模擬方法，能準(zhǔn)確快速地預(yù)測(cè)堰塞湖潰決洪水過(guò)程，評(píng)估潰決洪水淹沒(méi)影響及損失，為及時(shí)、高效地處置堰塞湖險(xiǎn)情提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

經(jīng)實(shí)際處置發(fā)現(xiàn)，快速準(zhǔn)確的信息獲取是堰塞湖處置的重要支撐。但是，目前仍然存在堰塞湖前期信息欠缺、流域?qū)用姹O(jiān)測(cè)范圍及深度(參數(shù))不夠、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段技術(shù)不足等困難，因此，下一步需加強(qiáng)堰塞湖相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，研究合理、高效的衛(wèi)星遙感、非接觸式水文測(cè)量等應(yīng)急動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系；同時(shí)，開(kāi)展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，包括構(gòu)建堰塞湖基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，以及在流域?qū)用骈_(kāi)展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，包括開(kāi)展信息圖測(cè)量，采集高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，獲取人口、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、重要基礎(chǔ)設(shè)施等信息，完善流域河道地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

分析還發(fā)現(xiàn)，堰塞體潰決洪水演進(jìn)超出常規(guī)，需要進(jìn)一步開(kāi)展堰塞湖潰決洪水理論研究。白格11.03洪水上游大部分地區(qū)都超過(guò)了10 000 a一遇，其沿河道演進(jìn)過(guò)程與常遇洪水演進(jìn)過(guò)程有較大不同，傳播時(shí)間更快、坦化更明顯，因此，須從理論層面研究大洪水演進(jìn)的規(guī)律及其特點(diǎn)，提出更加準(zhǔn)確的模擬計(jì)算方式。

此外，堰塞湖大范圍高強(qiáng)度的影響特性，需要提高和完善目前洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析手段。由于二維淹沒(méi)模擬實(shí)際上很難做到，用一維演進(jìn)成果進(jìn)行類二維估算淹沒(méi)影響具有較大的不確定性，應(yīng)研究提高堰塞湖潰決洪水淹沒(méi)模擬精度的技術(shù)。比如更好地利用一維水力模型結(jié)果+高精度空間信息、或者如何快速進(jìn)行二維淹沒(méi)計(jì)算等方式，提升洪水淹沒(méi)分析成果的準(zhǔn)確性。

特別值得注意的是，堰塞體潰口發(fā)展過(guò)程是影響堰塞體潰口洪水風(fēng)險(xiǎn)及其模擬計(jì)算的主要因素之一，比如潰口發(fā)展速度，潰口最終寬度、深度，殘留水量等信息。需根據(jù)發(fā)生的堰塞湖資料，以物理模型+數(shù)學(xué)模型的方式，研究堰塞湖物質(zhì)組成、規(guī)模參數(shù)等與潰口發(fā)展過(guò)程之間的關(guān)系，建立基于潰口發(fā)展機(jī)理的堰塞湖潰口發(fā)展預(yù)判模型，為潰口洪水過(guò)程模擬提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。