閻王鼻子水庫潰壩風險應急預案分析研究

韓靚靚

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 概 述

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人口資產(chǎn)密度增大，洪水災害給高風險區(qū)的人員資產(chǎn)帶來更大的威脅[1-3]。危機時刻，有效的洪水避險轉(zhuǎn)移可在短時間內(nèi)更為有效、有序地組織災區(qū)民眾進行避難轉(zhuǎn)移，減少傷亡和損失，以此支撐行業(yè)主管部門提高水庫大壩安全管理水平與突發(fā)事件應急管理能力[4-6]。本文以閻王鼻子水庫為例，分析研究潰壩情況下閻王鼻子水庫的風險應急預案。

閻王鼻子水庫位于大凌河干流朝陽縣橫河子村，壩址距朝陽市25km，壩址以上流域面積9482km2，占全流域的41%。水庫是以城市供水及防洪為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。水庫大壩采用混凝土重力壩壩型，最大壩高34.5m，壩頂長度為383.0m，壩頂高程217.5m，由擋水壩段、溢流壩段、沖沙閘壩段、工業(yè)取水壩段、農(nóng)業(yè)取水壩段和電站壩段組成，水庫死水位204.5m，設計水位211.9m，校核水位216.5m。

2 水庫潰壩極端風險情況構建

根據(jù)水庫潰壩過程的時間長短，可分為瞬時潰壩和逐漸潰壩；根據(jù)潰壩缺口規(guī)模大小，可分為全部潰壩和局部潰壩[7]。對于剛性壩，如重力壩、拱壩、漿砌石壩、支墩壩等，一般是瞬時潰壩而且多出現(xiàn)局部潰壩。閻王鼻子水庫大壩主體采用混凝土重力壩，是靠基礎摩擦力來維持穩(wěn)定的，而且是分塊校核穩(wěn)定。這種壩潰決時，壩體一般是一次潰決或數(shù)次潰決到壩的基礎處。因此，本次計算潰壩模式采用瞬時潰壩模式，按不利情況考慮，假定上游漫壩，橫向局部一潰到底。壩段全長383.0m，上游計算水位217.5m，下游為天然河道。依據(jù)文獻[8]，潰壩位置考慮兩種方式：方式一為7～20號壩段潰壩，潰壩寬度265.0m；方式二為9～19號壩段潰壩，潰壩寬度213.0m。閻王鼻子水庫校核洪水標準為千年一遇，考慮極端工況，當發(fā)生千年一遇洪水時，出現(xiàn)特殊事故情況下，漫頂導致的大壩潰壩，下游同時考慮干流發(fā)生千年一遇洪水時，主要支流發(fā)生相應洪水。

3 潰壩風險數(shù)模預測

3.1 計算模型

MIKE11軟件是丹麥水力研究所(DHI)研發(fā)的一維水動力、洪水預報、潰壩等方面的專業(yè)軟件，其水動力模塊和潰壩模塊具有強大的河流數(shù)值模擬和潰壩過程復演和計算的功能[9-10]。本次潰壩洪水采用MIKE11模型系列進行分析，計算采用一維非恒定流模型，同時采用能量方程模擬計算潰口處的水流運動，主要采用如下控制方程組：

式中：S、t分別為空間與時間坐標；A為河道過水斷面面積；Q為斷面流量；q為均勻旁側(cè)入流；Qc為集中旁側(cè)入流；z為水位水量；K為流量模數(shù)，由謝才公式計算。

一維非恒定總流的能量方程為

式中：Z為位置水頭；p為動水壓強；γ為水的重度；v為斷面平均流速；α為動能修正系數(shù)；g為重力加速度。

3.2 相關計算參數(shù)選取

邊界條件：上游采用閻王鼻子水庫入庫洪水過程線，下游采用白石水庫水位，考慮主要支流入流。

地形資料：包括平面圖及橫斷面圖兩部分，平面圖采用1∶10000航拍圖，橫斷面圖為近年來遼寧省水利水電勘測設計研究院實測橫斷面成果。根據(jù)橫斷面測量成果，結(jié)合平面圖，對橫斷面進行灘槽劃分，同時考慮堤防等建筑物的阻水情況對過水斷面寬度等進行局部調(diào)整。

洪水復核：大凌河屬于多沙河流，床面泥沙顆粒組成細，淤沙又厚，河床在洪水過程中具有漲沖落淤的特性。洪痕驗證時糙率的選取不能只考慮河道內(nèi)床面組成、灘地植被、阻水建筑物等情況，還要考慮洪水過程中的河床特性，并參考水文刊印本中實測糙率成果及以往成果，通過糙率和模型計算參數(shù)的選取及驗證，最終復核得到與1994年洪痕及水文站實測洪水較為接近的模型參數(shù)，從而得到需要建立的數(shù)學計算模型成果。

3.3 潰壩風險發(fā)生時洪水淹沒范圍計算

經(jīng)分析計算，方式一最大潰壩流量為33126m3/s，方式二最大潰壩流量為30243m3/s，不同潰口寬度最大潰口流量相差不大。由于本次計算工況為上游發(fā)生千年一遇洪水時，水庫出現(xiàn)特殊事故而導致的潰壩，因此會出現(xiàn)兩次峰值，第一次為潰壩洪水，洪峰較為陡尖，持續(xù)時間較短；第二次為洪水洪峰過程，持續(xù)時間較長。壩址處出現(xiàn)兩次洪峰過程反映了計算工況的準確性，符合實際洪水發(fā)生情況，同時提醒注意發(fā)生潰壩后的天然洪水災害。

潰壩后，洪水向下游傳播，洪峰會在傳播過程中慢慢衰減，所以潰壩時，壩址處的洪峰值最大，越往下游，洪峰值越小。閻王鼻子水庫下游主要斷面處潰壩洪水到達時間及洪峰流量見表1。

表1 水庫下游主要斷面處潰壩洪水到達時間及洪水衰減情況

水庫潰壩洪水盡管流量量級大，但是不同潰口寬度對應的最大潰口流量相差不大，因此兩種潰壩方式中，潰壩風險發(fā)生時洪水淹沒范圍所涉及街道與鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍基本相同，共涉及13個街道、9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。具體淹沒范圍見圖1和圖2。

圖2 潰壩方式2淹沒范圍

3.4 洪水影響分析

3.4.1 洪水影響

根據(jù)閻王鼻子水庫各潰壩方式洪水分析得到的淹沒范圍、淹沒水深等要素，結(jié)合淹沒區(qū)社會經(jīng)濟情況，分析評估洪水影響程度。主要考慮淹沒范圍內(nèi)不同行政區(qū)、不同淹沒水深的受淹面積、受淹耕地面積、受影響居民地面積、受災人口、受影響交通線路長度以及GDP等指標，將淹沒圖層分別與行政區(qū)圖層、耕地圖層、居民地圖層以及道路圖層相疊加，得到對應不同洪水方案不同淹沒水深等級下的受淹行政區(qū)面積、淹沒耕地面積、受淹居民地面積以及受淹道路長度等數(shù)據(jù)信息。影響人口數(shù)據(jù)以淹沒區(qū)內(nèi)行政村為單元計算，并結(jié)合淹沒區(qū)受影響人口進行受影響GDP的統(tǒng)計。通過對淹沒區(qū)圖層的疊加可以看出，如發(fā)生潰壩洪水，受影響嚴重的地區(qū)主要是水庫下游左岸的朝陽市主城區(qū)、朝陽縣新縣城、燕都新城，右岸的鳳凰新城。閻王鼻子水庫潰壩洪水影響分析結(jié)果見表2。

3.4.2 損失估算

在確定了各類承災體受淹程度、災前價值之后，根據(jù)洪災損失率關系，即可進行分類洪災直接經(jīng)濟損失估算，本次洪災損失類別分為城鄉(xiāng)居民住房財產(chǎn)損失、農(nóng)業(yè)損失、鐵路交通損失等。承災體災前價值參照2016年《朝陽統(tǒng)計年鑒》并結(jié)合實際調(diào)查確定，洪災損失率參照文獻[11]確定，按水深、行政區(qū)域分別估算在不同潰壩方式下閻王鼻子水庫潰壩洪水洪災損失結(jié)果，閻王鼻子水庫潰壩洪水影響區(qū)域內(nèi)洪災損失估算結(jié)果見表3。

表2 閻王鼻子不同潰壩方式影響分析結(jié)果

表3 洪水影響區(qū)域內(nèi)洪災損失 單位：萬元

4 避險轉(zhuǎn)移方案

避險轉(zhuǎn)移分析是在洪水影響分析的基礎上，根據(jù)潰壩洪水的淹沒范圍、水深等風險信息，對受淹居民地位置、人口數(shù)量、設施、道路和安置區(qū)域等信息進行綜合分析，用于指導相關機構或公眾將一定區(qū)域的人員、物資以最快的方式疏散到安全區(qū)域。

避險轉(zhuǎn)移是以人員的安全轉(zhuǎn)移為前提的，因而對受淹區(qū)域人口的分析是避險轉(zhuǎn)移分析的核心環(huán)節(jié)。避險轉(zhuǎn)移以行政村和街道為統(tǒng)計單元，通過居民地數(shù)據(jù)與淹沒范圍的空間地理分析，求算出各行政村、街道采取相應避難方式的實際避難人數(shù)。轉(zhuǎn)移路線選取綜合考慮洪水演進過程和淹沒情況、道路狀況、轉(zhuǎn)移安置人員和財產(chǎn)情況、安置點、便利性等情況。轉(zhuǎn)移路線的確定主要依據(jù)所花時間最短的最優(yōu)路徑原則，同時考慮道路的通容能力。另外轉(zhuǎn)移路線重點選擇省道、縣道、鄉(xiāng)道等沿線居民熟悉的道路，盡量不選擇高速、村道、鐵路等在轉(zhuǎn)移時利用程度不確定的道路。安置場所要能容納避難居民且適宜建設避難設施，主要考慮安置場所具體位置，各安置場所的人口容納能力和各安置場所對外交通容量等。安置區(qū)的劃定以就近、免于洪水威脅、進出道路通暢為主要依據(jù)，同時參考相關市縣的防汛應急預案，安置區(qū)主要選擇在地勢較高的大型村莊及縣、市政府所在地，選擇的地點有充足的社會資源滿足災民安置需要，同時再次轉(zhuǎn)移路徑方便，便于政府組織協(xié)調(diào)。

淹沒影響區(qū)現(xiàn)有路網(wǎng)主要包括高速公路2條(丹錫高速公路和長深高速公路)，國省干線公路7條(國道主要為北京—沈陽G101，省道包括朝大公路、朝青公路、朝赤公路、朝錦公路、葫六線、鞍羊線)，以及數(shù)量不等的縣級公路、城區(qū)街道、各鄉(xiāng)級公路、村級公路等。

圖3 潰壩方式一風險應急預案

圖4 潰壩方式二風險應急預案

根據(jù)上述原則和現(xiàn)有路網(wǎng)情況，依據(jù)不同的工作要素建立不同的工作圖層，結(jié)合潰壩風險發(fā)生時洪水淹沒范圍圖，劃定危險區(qū)域，確定轉(zhuǎn)移單元，結(jié)合收集的資料和現(xiàn)場調(diào)查，尋求合適的安置區(qū)及轉(zhuǎn)移路線，從而得到合理的潰壩風險應急預案，閻王鼻子水庫潰壩影響區(qū)域內(nèi)風險應急預案見圖3和圖4。由圖3、圖4可見，因兩種潰壩方式的淹沒范圍基本一致，風險應急預案是一樣的。

5 結(jié) 語

本文采用MIKE11模型進行洪水分析，得到潰壩后不同水深的淹沒范圍。根據(jù)兩種潰壩方式洪水分析得到的淹沒范圍、淹沒水深等要素，結(jié)合淹沒區(qū)調(diào)查的社會經(jīng)濟等情況，評估洪水影響。結(jié)合潰壩風險發(fā)生時洪水淹沒范圍，劃定危險區(qū)域，確定轉(zhuǎn)移單元，尋求合適的安置區(qū)及轉(zhuǎn)移路線，從而得到合理的潰壩風險應急預案。潰壩風險應急預案對降低閻王鼻子水庫下游群眾及重要經(jīng)濟目標風險，提高水庫下游突發(fā)事件應對能力，保證水庫工程安全，最大程度地保障水庫下游人民群眾生命安全，減少損失都能起到指導作用。同時考慮到此項工作的復雜性和成熟性，在今后的研究中將進一步改進和優(yōu)化。