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堰塞湖水文应急预报常用方法及实践

        发布时间:2019-02-21 15:39        编辑:北极电力网
 中图法分类号: P338 文献标志码: A 文章编号: 1001-4179(2013) 11-0027-04

Common-used methods in hydrological emergency forecast of dammed lake

ZHENG Jing1,YAN Fuhai2,CHEN Dongping2

Abstract: Some problems exist in the hydrological emergency forecast of dammed lake,including few measured data with weak representativeness,incomplete real-time flood forecast information and lack of data verification.From the view of practical technology of hydrological emergency forecast,the contents and concrete methods of hydrological emergency forecast for dammed lake are demonstrated.In combination with flood routing calculation of static reservoir capacity,relative drawing of rise-difference forecast of reservoir level and hydraulic calculation of discharge of diversion trench,the emergency forecast of Tangjiashan and Zhouqu dammed lakes has been conducted with high forecast precision.The direction of further implementation of hydrological emergency forecast of dammed lake is pointed out,which can provide technical reference for hydrological emergency forecast research.

Key words: dammed lake; hydrological emergency; forecast method; Tangjiashan; Zhouqu

1 研究背景

堰塞湖是由火山熔岩流,或由地震活动等引起山崩滑坡体、泥石流等堵截河谷、河床后贮水而形成的湖泊[1]。堰塞湖的危害主要表现在两个方面: ①对于上游,随着湖水量的增加,湖区淹没范围逐渐扩大,人民的生命财产面临被淹没的威胁; ②对于下游,当堰塞体受到自然侵蚀、冲刷,或湖内蓄水量达到一定程度时,巨大的压力可能致使结构松散的坝体出现渗流、冲刷,最后导致垮塌并形成溃坝洪水。

由于堰塞湖地区水文应急预报工作往往具有较大的突发性,事前难以提前在当地开展站网布设、资料收集和预报方案准备等工作,因此,经常因资料缺乏、预报对象不确定等增加工作难度[2]。在实际防治工作中,多采用工程措施和非工程措施并举的方法,即在加强工程措施治理的同时,开展堰塞湖地区的水文应急保障工作,及时掌握堰塞湖上游的来水等信息,为专家决策提供不可缺少的重要依据。

随着近几年堰塞湖地质灾害的频繁发生,水文应急预报工作受到了广泛关注。近几年在长江流域的堰塞湖抢险防治工程中,如2008 年"5·12"汶川大地震诱发形成的唐家山堰塞湖、2009 年8 月年大渡河汉源附近山体滑坡以及2010 年8 月舟曲泥石流形成的堰塞湖,都及时开展了针对堰塞湖的水文应急预报工作。虽然不同堰塞湖的形成原因和危害程度存在较大差异,以致具体应急预报的内容或技术路线有所不同,但从实际效果来看,水文应急预报可以为堰塞湖除险工作提供强有力的决策依据和参考。

2 堰塞湖水文应急预报内容

堰塞湖一般是受地震或泥石流影响,河道被阻塞以后形成的,发生时间短,对上下游危害都比较大。堰塞湖发生之初,由于其不稳定性,首先要根据监测数据分溃决方式(1 /2 溃、全溃等) 进行溃口洪量预报,预报溃口后下游河段流量、淹没范围和时间等,并制定相应应急撤离方案。堰塞湖溃坝险情排除以后,根据不同情况,预测预报信息应包括入库流量、出库流量、库水位及蓄水量变化等。当有降雨过程或上游来水发生时,还需要进行洪峰流量和峰时预报,必要时要进行与下游洪水遭遇预报,并提出应对建议。

3 堰塞湖水文应急预报方法[3]

开展堰塞湖水文预报时,应根据堰塞湖应急处置对水情预测的要求,编制相应的水情预测方案。当堰塞湖所在流域缺乏水文资料时,可利用邻近地区实测暴雨洪水资料编制预报方案,综合分析比较后修正移用; 也可利用堰塞湖应急监测水文资料、水位容积关系等进行预估。

本文主要介绍常发的由地震、山体滑坡、泥石流等形成的堰塞湖、壅塞体的水文应急预报。

3.1 面临的问题

(1) 开展水文应急预报前,预报对象地区资料代表性差,所建方案精度达不到规定要求。水情预报方案的可靠性取决于编制方案使用的水文资料质量和代表性,当资料代表性差时(系列太短,缺乏足够样本等) ,所造成的误差往往较大。因此,《水文情报预报规范》(GB T 22482-2008) 要求,编制洪水预报方案要使用不少于10 a的水文资料。但堰塞湖地质灾害发生地大多处于水文站网稀少甚至空白的地带,基础资料严重缺乏,所建预测预报方案很难满足规范要求。

(2) 在开展应急作业预报过程中,实时信息掌握不全。由于灾害发生所在地区水雨情站点稀少或者受灾害影响而不能及时报汛,导致不能及时获取水情信息,无法控制降雨中心的雨量,影响预报精度。而且,若所缺信息太多,最初开展的试报成果只能作为估报成果考虑。

(3) 在开展每次应急作业预报过程后,缺乏实测水情资料对应急预报成果进行检验及校核。开展应急水情预测预报的地区一般属于中小河流,缺乏实测水情资料,无法建立完善的水情预报方案,但开展应急预测预报,需根据水情发展变化进行试报,在试报过程中逐步积累经验,对方案进行尽可能的完善。例如2008年开展唐家山堰塞湖水文气象预报应急保障服务时,在对该地水情预报中,唯一"真实"可信赖的数据是治城(唐家山) 的水位值,其余入库流量、库容曲线等均为计算值。

3.2 建立应急预测预报方案[1,3]

应根据所在地区暴雨特性、上游径流和气象预报资料开展水情预测工作。编制水情预测方案采用的方法、系统数学模型或经验相关关系应符合流域水文特性。在收集到一定的水文资料后,应对水情预报方案进行评定。洪水预测采用多种方案和途径,在进行现时校正和综合分析判断的基础上,确定洪水预测数据,以供抢险指挥者决策参考。

(1) 移用邻近流域预报方案。该方案的实施基础是预报流域影响径流的各项因素与被移用的参证流域各项因素极为相似。因此,要选用与该流域地理条件、气象条件及下垫面条件相似、集水面积相差不大、具有较长实测资料的流域作参证流域,并用其洪水资料编制洪水预报方案。若该流域尚有少量资料,就用这些资料对方案进行一定的修正; 若无资料,则立即开展观测,积累一定资料后再对方案进行修正。这种方法是水文预报或洪水分析时常用方法,只是由于缺乏实测资料,不能用本流域洪水进行检验,对其作业预报精度无法评定。由于被移用的参证流域洪水资料齐全,所建立的方案比较完善,包含了峰现时间的预报(峰现时间同样需积累资料后修正) ,在开展水文应急预报时,若有满足条件的邻近流域,则可对邻近流域预报方案进行综合分析比较后修正移用。

(2) 上、下游水文站倍比。如果预报断面上游或下游有水文站,则可先用水文站的洪水预报方案对水文站的洪水进行预报,之后按面积比换算到预报断面。其换算公式为

Q=(F/Fj)nQj  (1)

T=Tj(L/Lj)   (2)

式中,Q,Qj分别为预报断面和邻近上(下) 游水文站的流量预报值,m3 /s; F、Fj分别为预报断面以上和邻近上(下) 游水文站以上集水面积,km2 ; T,L,Tj,Lj分别为预报断面及邻近水文站的传播时间(h) ,及河长(km) ; n 为指数,应根据实测流量数据分析,集水面积量级不同,则n 值不同,若无实测数据分析,对区域代表站一般可取n=2 /3。预见期除了用河长倍比外,还应以水文站预报方案所得预见期为基值,根据估报断面与水文站的相对位置,加上或减去预报断面至水文站间的洪水传播时间(估算) ,即得预报断面的预见期。

3.3 堰址水位及过流流量常规预报法[2]

应用静库容调洪演算方法、库水位涨差预报相关图和水力学计算方法相结合开展堰塞湖(壅塞体) 堰址处的水位预报。堰塞湖水位预报中主要采用静库容调洪演算,即利用已知起调水位,结合库容曲线(可以通过Dem模型计算得到) ,根据预测入湖水量计算未来湖水位。当导流槽开始过流后,因无法获得导流槽过水断面水深、渠宽等参数,采用了明渠均匀流计算方法来估算导流槽过流流量,并应用试错法反推湖水位。利用静库容调洪演算预报库水位。

3.3.1 静库容调洪演算法

主要通过水库水量平衡方程来进行水库调洪演算。水库水量平衡是指在某一时段内,入库水量减去出库水量,应等于该时段内水库增加或减少的蓄水量,水量平衡方程如下:

式中,Q1、Q2为时段Δt 始、末的入库流量,m3 /s; q1、q2为时段Δt 始、末的出库流量,m3 /s; V1、V2为时段Δt 始、末的水库蓄水量,m3 ; Δt 为计算时段,其长短的选择,应以能较准确反映洪水过程线的形状为原则,对于陡涨陡落的来水过程应该取较小Δt,对于来水平缓的来水过程可适当放大Δt。

3.3.2 库水位涨差预报相关图

为校正预报结果,应建立坝前水位、入库流量、坝前水位日涨幅的预报相关图,供实时预报作参考。库水位涨差相关图是以入库流量作纵轴,库水位涨差作横轴,坝前水位为参数的三变数相关图。通过预报的入库流量、坝前水位查算库水位涨差。静库容调洪演算预报的库水位与库水位涨差相关图互为校核,综合分析后再发布。堰塞湖库水位涨差相关图如图1 所示(图中数据取自2008 年开展的唐家山堰塞湖应急水文预报实践) 。

3.3.3 导流槽过流流量的水力学计算法

导流槽在开始过水后,断面不断发生变化,流量也随之发生改变,过水流量的分析预报难度很大,此时需采用动床非恒流水力学模型计算,但导流槽实时的过流断面或水下地形难以及时获取,也很难及时观测到水流的边界条件(特别是下边界) 。因此,在动床非恒流水力学模型计算条件难以满足时,为开展实时预报,需简化计算,采用明渠均匀流水力计算公式计算流量。

明渠均匀流水力计算的基本公式即谢才公式(见下式(4)) ,水力坡度采用水面比降代替:

式中,v 为断面平均流速,m/s; C 为谢才系数,m1/2/s; R为水力半径,m; i 为水面比降; Q 为流量,m3/s; A 为断面面积,m2。

当应用曼宁公式计算谢才系数时,式(4) 可写为

式中,n 为糙率; χ为湿周,m。以上两式在预报中均有采用,以相互印证参数(主要为估计糙率和水面比降)的可靠性。

在计算导流槽流量的过程中,因导流槽断面和水深不断发生变化,需及时根据有限的实测资料(流量、断面、水深等) 进行复核与调整,即对未来断面与水深变化实行外延与预估,再分析预测导流槽过水流量。

4 应用实践与效果分析

4.1 唐家山堰塞湖[4-5]

2008 年5 月12 日,汶川大地震造成北川部分地区被堰塞湖水淹没,唐家山堰塞湖是震后形成的最大堰塞湖,堰塞坝位于北川县城上游6 km处湔江上,集水面积3 550 km2,堰塞湖总容积约3.16 亿m3,坝前湖底高程约为663 m。堰塞体长803.4 m,最大宽度611.8 m,面积30.72 万m2,体积约2 037 万m3。堰塞体最大坝高124.40 m,垭口处坝高82.65 m。因其塌方体方量、库容巨大和威胁人口众多被列为极高危堰塞湖,并引起国内外广泛关注。

唐家山堰塞湖下游北川站5 月1 ~ 12 日来水较为平稳,流量维持在48.8 ~ 80.4 m3 /s 之间,5月12 日形成堰塞湖后,流量快速消退,5 月16 日消退至3.0m3 /s。此外,唐家山堰塞湖上游治城站5月1 ~ 17 日水位维持在706.63 ~ 707.34 m之间波动,18 日起水位快速上涨,6月7 日07: 00 水位740.76 m。唐家山堰塞湖导流槽过流后(6 月7 日07: 08 过流) ,涨率逐渐减小,最高水位743.51 m(6月10 日02: 00) 。6 月10 日0: 00 时起,唐家山堰塞湖下泄流量明显加大,治城站水位也快速下降,6 月11日11: 00 退至714.70m,水位过程见图2。

基于唐家山堰塞湖区域的水文站网信息(最初仅有2 个雨量站,后陆续增加为5 个) ,并考虑到堰前水位是体现堰塞湖应急泄流的重要指标,确定堰塞体坝前(唐家山) 站的水位为该次堰塞湖水文应急预报的对象。由于资料严重短缺,采取借用临近流域(原江油、甘溪、北川至涪江桥区间) 的产汇流预报方案,并进行适当调整; 应用静库容调洪演算方法、库水位涨差预报相关图、水力学计算方法相结合的技术路线,实现对唐家山水位的预报。

按上述技术路线,从5 月20 日至6 月9 日,长江水利委员会水文局共完成唐家山堰塞湖水雨情分析材料28 份。经统计, 12, 24,48,72 h 预见期平均水位预报误差分别为0.08,0.09,0.14,0.23 m,为应急除险决策提供了及时可靠的水文依据。尤其值得一提的是,6月3 日20: 00,提前78 h 预报了唐家山水位达到740.00 m(堰塞体垭口过流高程) 的时间,为堰塞湖应急处理决策赢得了主动。

4.2 舟曲特大泥石流堰塞湖[6]

舟曲县位于甘肃省东南部的白龙江中上游,2010年8 月7 日甘南藏族自治州舟曲县突降强降雨诱发特大泥石流,大量的泥石阻塞白龙江河道,形成顺河向总长1 200 m 的堰塞体,堰塞体上游的堰塞湖最大水深9m,蓄水量约150 万m3。

舟曲以上流域站网稀疏,历史监测资料短缺,不足以满足建立足够精度的水文模型的要求。为此,长江水利委员会水文局集中技术人员立即开展分析研究。根据流域下垫面条件相似则产流机制亦相似的原则,舟曲各预报分区产流借用邻近流域岷江大渡河的参数,并在实际试验预报中持续对参数进行修正,及时编制出舟曲堰塞湖应急水文预报方案。在2010 年8 月12 ~ 31 日期间,共制作了36 期水文应急预报,取得了较高预报精度。尤其是8 月21 日发布的第18 期甘肃舟曲水雨情预报分析中,提前24 h 预报出洪峰流量为300 m3 /s,实测8 月22 日08: 00 最大流量为292 m3 /s。实践证明,经该预报方案作出的预报成果精度较高,为前方堰塞湖除险处置提供了有力支撑。

5 结语

本文通过对近年来唐家山、舟曲等高危堰塞湖排险工作中水情应急预报实践进行分析与总结,提出了针对堰塞湖的水文应急预报常用方法,实践检验证明,本文提出的技术方法能基本满足堰塞湖水文应急预报的要求。

突发性堰塞湖成因的多样性、时间的随机性、地点的特殊性,决定了本文提及的水文应急预报方法应结合当时当地的客观条件和实际情况进行适当调整,并不断补充和完善。今后应加强对无资料地区产汇流理论的摸索和应用探讨,在条件允许的情况下,利用遥感数据开展数字高程模型的研究与应用[7],充分加强水文、气象、地理信息系统等多学科的综合应用研究,提高水文应急预报水平。

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