河道型水庫滑坡涌浪安全評估系統設計與實現

林孝松，羅軍華，王平義，王梅力，喻 濤，龔遠紅

(1.重慶交通大學 建筑與城市規劃學院， 重慶 400074； 2. 重慶交通大學 河海學院， 重慶 400074)

0 引 言

由于特殊的自然地理和復雜的地質環境，三峽庫區滑坡等地質災害發育廣泛且發生較頻繁，對三峽水庫調度運營及當地人民生命財產安全構成嚴重危害。庫岸滑坡除直接對庫區正常航運、旅游、生產生活以及人員財產造成危害外，其產生的次生涌浪災害帶來的損失與危害遠超過原生滑坡災害。如2003年7月13日發生的千將坪滑坡，產生涌浪高達39 m，傳播30 km，打翻船舶22艘，造成14人死亡，10人失蹤，直接經濟損失5 735萬元[1]；2007年6月15日，湖北巴東縣大堰塘滑坡發生大規模塌滑，對岸涌浪爬坡高約50 m，涌浪共造成1人死亡，6人下落不明[2]；2008年11月23日，重慶巫山縣巫峽鎮龍江村長江干流北岸山體發生崩塌，產生10 m高初始涌浪，上游3.5 km處巫峽鎮碼頭、對岸柿子灣煤碼頭都受到涌浪影響，部分船只、沿岸航標、路面、柑橘及灌木等遭到不同程度的破壞[3]；2015年6月24日，重慶巫山江東嘴山體滑坡，引發6 m高涌浪，造成2人死亡，4人受傷，21艘小型船舶翻沉，21艘船舶斷纜漂航。相關學者在滑坡涌浪方面開展了大量的研究工作，主要體現在滑坡涌浪計算方法[4-6]、物理模型試驗[7-13]、數值模擬[14-16]等方面，取得了一系列重要成果。在GIS技術應用于滑坡涌浪方面，紀虹等[17]從致災因子、孕災環境和承災體3方面構建區域滑坡涌浪易損性評價指標體系及計算模型，基于GIS技術對三峽庫區云陽縣滑坡涌浪易損性進行可視化分析；黃波林等[18]引入水波動力學模型，結合GIS技術開發了滑坡涌浪災害快速評價系統。

以三峽庫區萬州段為研究范圍，基于GIS軟件建立研究區水上、水下地形數據和庫岸主要滑坡災害點分布數據，在滑坡涌浪安全評估系統整體設計基礎上，詳細分析評估系統初始涌浪高度計算、涌浪傳播與衰減、固流能量交換、涌浪爬高計算、橫搖角度及涌浪安全評估等核心功能的實現流程、算法及具體操作，研究成果為快速確定滑坡涌浪特征值分布、涌浪災害空間預警以及航道安全評價與管理等提供模擬技術和可視化分析平臺。

1 安全評估系統整體設計

山區河道型水庫滑坡涌浪安全評估系統(safety assessment system for landslide surge in mountain river type reservoir,SASLSMRTR)采用軟件工程原型法進行設計，在滿足系統基本功能的平臺上進行逐步開發建設。系統的設計主要以搭建模擬滑坡涌浪特征值分布及其對航道危害程度綜合評估功能為主，各功能模塊采用并行開發逐步實施。整個系統嚴格按工程化方法進行組織和管理，在系統需求調查、系統設計、軟件開發、系統總調、人員培訓和系統試運行等方面均嚴格遵守信息系統標準化和規范化，做到系統結構合理、功能完善；既充分利用目前已經成熟的先進技術、又做到操作簡單、使用方便，并為系統的后續擴展留有接口，以便在結構和功能上進行擴充。

在山區河道型水庫滑坡涌浪特性試驗研究[5,7-11]基礎上，利用計算機和地理信息系統等技術，建立三峽庫區萬州段基礎空間數據庫和滑坡涌浪專題空間數據庫；基于ArcGIS Engine和Skyline等專業軟件進行開發，建立C/S結構的河道型滑坡涌浪安全評估系統。該系統以三峽庫區萬州段滑坡涌浪安全評估為原型，除需具有標準工具、地圖導航、圖層管理和地圖顯示等基本功能外，還需設計開發初始涌浪高度、涌浪傳播與衰減、固流能量交換、涌浪爬高計算及涌浪安全評估等專題功能。

2 安全評價系統功能實現

2.1 初始涌浪高度計算功能

滑坡初始涌浪高度是指滑坡入水后在滑坡入水點產生的最大波高。該值的大小在一定程度上反映了滑坡涌浪整體能量的大小及涌浪的破壞程度。滑坡初始涌浪高度受滑坡體寬度、厚度、坡度、入水處水深以及滑坡入水前緣角度等因素綜合影響。根據模型試驗結果[8]，系統進行滑坡初始涌浪高度的計算公式為

(1)

式中：H為涌浪初始高度，m；b為滑體寬度,m；h為水深,m；c為滑體厚度,m；β為滑坡坡度，rad。

如果考慮滑坡入水前緣角度，則需要在公式(1)中乘一個系數K，該系數值的計算公式為

K=2.276ln(A)+1.557 5

(2)

式中：A為滑坡入水前緣角度，rad。

滑坡初始涌浪高度計算功能實現的流程如圖1。首先設置滑坡體的寬度和厚度，如需考慮滑坡體前緣角度的影響，則需要設置前緣角度大小；如僅是對單個河段網格進行計算，則設置好滑坡坡度和河段單個網格點的水深后點擊開始計算按鈕即可得到單值點處的初始滑坡涌浪高度(圖2)。在此過程中，對于各類以弧度為單位的坡度或角度值，在系統界面中均輸入以度為單位的角度值，系統在后臺進行計算時自動進行角度到弧度的轉換。

圖1 初始涌浪高度計算功能流程Fig. 1 Flow chart of landslide initial surge height calculation

圖2 滑坡初始涌浪高度計算界面Fig. 2 Interface of landslide initial surge height calculation

同時，系統開發設計有初始涌浪高度批量計算功能，即假設有某一方量規模的滑坡體在研究河段任一點處入水，系統可對整個研究河段按照設定的網格單元(1 m×1 m)進行初始涌浪高度值的批量模擬計算：首先在功能界面中設置當前河段水位高度，系統通過提取河段水下地形高程與該水位進行差值計算，獲取河段內各網格單元的水深值；然后輸入滑體寬度和厚度，點擊地圖分布按鈕計算得到滑坡發生時研究河段內各網格單元的初始涌浪高度值；最后系統根據涌浪高度值進行分級渲染，渲染分級圖如圖3。

圖3 滑坡初始涌浪高度批量計算結果Fig. 3 Batch calculation results of landslide initial surge height

2.2 涌浪傳播與衰減模擬功能

依據模型試驗結果[8]，將滑坡涌浪傳播與衰減分為滑坡體寬度范圍內區域、滑坡體寬度范圍外直道區域、彎曲河道區域和過彎后河道區域等4個區域，每一個區域滑坡涌浪傳播與衰減的規律不同，功能實現的算法也存在差異。其中過彎后河道區域波高傳播衰減系數為常數0.13；滑坡體寬度范圍內區域波高衰減系數的計算公式為

(3)

滑坡體寬度范圍外直道區域波高衰減系數的計算公式為

(4)

彎曲河道區域波高衰減系數的計算公式為

(5)

式中：P為滑坡涌浪衰減系數；H為初始波高,m；h為水深,m；L為傳播距離,m；β為滑坡坡度,rad。

涌浪傳播與衰減功能實現的流程如圖4。在單值計算時，首先輸入滑坡的坡度和滑坡入水點產生的初始涌浪高度值；然后設置水深與傳播距離；最后確定計算涌浪衰減系數分區類型；設置好上述參數后點按開始計算按鈕即可得到滑坡涌浪傳播衰減系數值(圖5)。

在進行涌浪傳播與衰減系數批量計算時，首先需要利用滑坡點按鈕在地圖上定位滑坡點滑落位置及方向，同時利用彎道按鈕在地圖上定義河段彎道位置；然后輸入滑坡體寬度、初始涌浪高度和滑坡坡度等參數；最后點按地圖分布按鈕(圖5)，系統即按照設置的參數自動進行涌浪傳播與衰減規律空間分區，分別計算各區域內網格單元滑坡涌浪的衰減系數值，最終生成滑坡涌浪衰減系數分布圖(圖6)和涌浪高度傳播衰減分布圖。

圖4 涌浪傳播與衰減功能實現流程Fig. 4 Flow chart of swell propagation and attenuation implement

圖6 滑坡涌浪傳播衰減系數分布Fig. 6 Distribution of attenuation coefficient of landslide surge

2.3 涌浪能量交換系數計算功能

滑坡涌浪能量交換系數是滑坡體的勢能與涌浪的波能之間的交換率[5]，反應了能量交換的充分程度。滑坡體的勢能主要由體積、密度、重心高程決定；涌浪的波能包括其動能和勢能。單寬滑體勢能與單寬波峰線上波能之間的交換系數可用式(6)計算：

(6)

式中：W為能量交換系數；h為水深,m；c為滑體厚度,m；β為滑坡坡度,rad。

涌浪能量交換系數計算功能實現的流程如圖7。首先設置滑坡體的厚度和坡度，如果進行單值計算，則設置好水深值后點按開始計算按鈕即可得到交換系數值(圖8)；如需要進行批量計算，則設置河段當前水位值，點按地圖分布按鈕后，系統會利用水位值與研究河段水下地形高程進行相減獲取各網格單元水深值，然后利用公式(6)進行空間分布計算，結果如圖9。

圖7 滑坡涌浪能量交換系數功能實現流程Fig. 7 Flow chart of energy exchange coefficient of landslide surge

圖8 滑坡涌浪能量交換系數計算界面Fig. 8 Interface of energy exchange coefficient of landslide surge>calculation

圖9 滑坡涌浪能量交換系數分布Fig. 9 Distribution of energy exchange coefficient of landslide surge

2.4 滑坡涌浪爬高計算功能

波浪爬高是指波浪在堤壩上上爬高度與靜水面之間的垂直距離[7]。波浪爬高是確定水工建筑物堤頂高程的重要指標之一，它直接關系到堤壩及岸上相關建筑物的安全。滑坡涌浪以巖土體入水處為起始點，沿河道向上、下游傳播，對航道沿岸基礎設施和居民會造成嚴重威脅。涌浪爬高的確定在涌浪對岸坡和壩體危害預測中是一個很重要的參數，它直接影響岸坡和壩體自身結構的穩定性。系統中對其計算公式為

(7)

式中：R為涌浪爬高,m；H為涌浪初始波高,m；h為水深,m；D為爬高測量點與滑坡體入水點距離,m；α為岸坡坡度,rad。

圖10 滑坡涌浪爬高計算功能流程Fig. 10 Flow chart of landslide surge run-up calculation

滑坡涌浪爬高計算功能實現的流程如圖10。首先設置滑坡涌浪的初始高度、岸坡坡度和測點的距離，如果僅進行單值計算，則設置好水深值點按開始計算按鈕即可得到涌浪岸坡爬高值(圖11)；如需進行批量計算，則設置河段當前水位值并利用滑坡點按鈕設置滑坡點所在位置后，點按地圖分布按鈕系統會基于各網格距離和岸坡坡度等相關空間數據，利用公式(7)進行滑坡涌浪爬高空間分布計算，結果如圖12。

圖11 滑坡涌浪爬高計算界面Fig. 11 Interface of landslide surge run-up calculation

圖12 滑坡涌浪爬高分布Fig. 12 Distribution of landslide surge run-up

2.5 橫搖角度計算功能

最大橫搖角度是船舶在風浪中航行安全的重要指標，國際海事組織對船舶在風浪中安全航行的極限橫傾角度規定為40°，橫搖角度大于40°時船舶的穩定特征發生變化，甚至導致災難性的危害。系統設置了滑坡涌浪產生后計算橫搖角度的功能，其計算公式為

(8)

式中：Ω為最大橫搖角度,rad；H為波高,m；L為波長,m；h為水深,m。

滑坡涌浪橫搖角度計算功能實現的流程如圖13。首先設置滑坡涌浪形成后側面波長值，如果僅進行單值計算，則設置好船舶側面波高和相應位置水深后，點按開始計算按鈕即可得到船舶最大橫搖角度值(圖14)；如果需要進行批量計算，則設置庫區當前水位值點按地圖分布按鈕后，系統利用公式(8)進行河段內各網格單元最大橫搖角度值的空間分布計算。

圖13 橫搖角度計算功能流程Fig. 13 Flow chart of roll angle calculation

圖14 船舶最大橫搖角度計算界面Fig. 14 Interface of ship maximum roll angle calculation

圖15 滑坡涌浪航道安全評估分布Fig. 15 Distribution of safety assessment of landslide surge channel

2.6 滑坡涌浪安全評估功能

滑坡涌浪安全評估功能主要利用計算得到的滑坡涌浪高度和橫搖角度兩個分布圖層數據進行綜合評估。如庫岸滑坡產生涌浪后，按照前述功能可計算滑坡涌浪的初始高度、傳播后在河段區域的涌浪高度以及船舶橫搖角度值；系統安全評估功能將研究河段內涌浪高度值大于1.5 m的網格單元或橫搖角度大于15°的網格單元評判為不安全；系統將兩個評估數據進行合并即得到由兩個標準劃分的安全評估結果；系統會按照設定級別進行等級渲染，用不同顏色直觀地展示研究河段內各網格單元的安全評估分布情況(圖15)，以輔助相關管理部門進行滑坡涌浪預警與決策。

3 結 論

1)山區河道型庫岸滑坡及其產生的次生涌浪災害給庫區航運、旅游及人員財產造成巨大威脅和損害。以三峽庫區萬州段為研究范圍，基于ArcGIS 等專業軟件，對山區河道型水庫滑坡涌浪船舶航行安全評估系統進行了整體開發設計。

2)在相關模型試驗結果基礎上，詳細分析了初始涌浪高度、涌浪傳播與衰減系數、固流能量交換系數、涌浪爬高、橫搖角度以及涌浪安全評估等系統核心功能的實現流程、計算算法及具體操作。

3)系統既能快速計算出滑坡產生后某特定地點的涌浪特征值，也能模擬得到研究區河段范圍內所有網格單元的涌浪特征值分布情況，可為滑坡涌浪災害空間預警及航道安全管理評價等提供可視化分析平臺。

4)由于系統是以三峽庫區萬州段為原型的系統，各功能實現的算法均是通過試驗結果擬合得到，其準確性需要進一步驗證；同時今后系統也應引入相關學者通過模型試驗或數值模擬得到的其他相關功能算法，以增加系統功能算法的多樣性，并可進行功能結果的對比驗證。