堰塞湖信息獲取與潰壩洪水預測

黃 艷1，馬 強，吳 家 陽，張 黎 明

(1.長江勘測規劃設計研究院，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

堰塞湖是降雨、地震、火山活動等原因引起的滑坡、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、災害鏈長等特點，不僅會淹沒土地、堵塞河道，還存在潰決風險，給下游造成巨大損失。我國位于環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，屬于地質災害高發地區，尤其是西南地區，堰塞湖災害時有發生，歷史上有記載的堰塞湖災害就超過了400個，其中85%以上均位于長江上游和瀾滄江、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，至當年6月10日潰決，漲水歷時62 d，累計水位上漲55.36 m，最大水深62.06 m，攔蓄水量30億m3。據估算，下游河谷最大洪峰流量達12.1萬m3/s、最大漲幅42 m，使下游數百千米河道由原來的V型沖成U型，并在下游120 km長的主河道兩岸觸發35處崩塌、滑坡和泥石流災害。日益上漲的易貢湖淹沒了著名的易貢茶廠近2 000畝茶園以及兩岸易貢、八蓋兩鄉，4000余人受災，1000余人被迫搬遷，造成直接經濟損失1.4億元以上。2018年秋，短短一個月內在金沙江白格和雅魯藏布江米林接連發生4次堰塞湖，給當地和下游社會安定、居民安全和經濟發展構成嚴重威脅。因此，如何科學、高效地開展堰塞湖應急處置工作，將堰塞湖潰決洪水風險減至最低，成為歷次堰塞湖搶險救災工作的重中之重。

在堰塞湖應急處置的各環節中，快速、準確地獲取堰塞湖地形、水文等信息和開展堰塞體潰決洪水預測是進行風險評估和應急處置的先決條件。由于堰塞湖多發生在偏遠山區，水路交通不便，加之湖水不斷上漲、處置時間緊迫，倘若無法及時準確收集相關數據并對下游地區洪水量級和風險進行評估，稍有不慎將導致災難性后果，如1933年8月25日，四川疊溪堰塞湖在形成45 d后潰決，潰堰洪水導致了2 500人喪生；2009年高雄堰塞湖潰決，由此引發的山洪災害造成45人死亡。

多年來，我國在堰塞湖應急處置過程中積累了豐富的經驗和技術，特別是在近幾年發生的唐家山、易貢、紅石巖和白格堰塞湖的應急處置中，更是創造了零傷亡的壯舉。這與相關領域研究工作的扎實開展分不開。陳曉清[1]等人考慮同一流域堰塞湖群的聯動效應，對“5.12”汶川大地震誘發的33處堰塞湖進行了潰決危險性評估。呂杰堂[2]等人利用多時相、多平臺的衛星遙感數據，監測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坐標轉換的方法及地形測量作業流程，并將成果應用于“5.12”大地震肖家橋、罐灘堰塞湖的測量中。徐照明[4]等人利用水力學模型對唐家山堰塞湖不同潰決歷時、潰口形狀及發展過程的潰壩洪水進行了計算分析，并對糙率、通口電站滯洪、干流洪水遭遇等條件進行了敏感性分析。楊華等人[5]對勻質細壩、勻質粗壩及分層壩3種堰塞壩分別開展了8次漫頂潰決實驗研究，并擬合出3種堰塞壩最大潰決流量公式。羅利環等人[6]開展水槽實驗研究了入流量、壩體材料、壩后坡度、壩頂寬度及開槽寬度5種因素對漫頂潰決過程的影響?？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的理論研究和技術積累，但是，受限于資料的不確定性和對潰決機理認知的有限，堰塞湖處置在信息獲取、潰決洪水預測、風險評估等方面仍然存在較大的理論技術挑戰。

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，介紹了我國現階段在堰塞湖信息獲取和潰決洪水預測等方面最新的技術經驗，并分析提出了下一步研究和實踐中需關注的重點。

1 我國堰塞湖應急處置現狀及問題

1.1 我國堰塞湖應急處置的現狀

2009年，我國相繼出臺了兩份針對堰塞湖應急處置的行業規范，即《堰塞湖風險等級劃分標準》(SL 450-2009)和《堰塞湖應急處置技術導則》(SL 451-2009)。這充分表明，我國在堰塞湖的應急處置方面已經形成了較為成熟的操作流程，具備了行業內公認的操作標準。

評判一個國家或地區防災減災水平，要從硬實力與軟實力兩方面分析。在技術層面上，由于我國空間測繪技術及水利水電施工技術等屬于世界先進水平，并多次為國內外堰塞湖防災減災工作提供技術支撐，我國堰塞湖應急處置工作具有較強的硬實力。在組織層面上，搶險救災充分體現了社會主義制度的優越性，我國能集中各部門、各個專業能力和資源聯合干大事，在短時間內進行大規模、高強度的人力物力資源調配和技術保障。

同時，從近年來我國堰塞湖多次良好的除險救災結果來看，我國在堰塞湖防災減災、應急處置領域有較先進技術、較強組織能力和較高人力物力，總體水平較為先進。但是，由于流域監測還未完全形成“天空地水”全覆蓋立體監測體系，同時，面對水災這一動態可調控的風險管理和處置形勢，目前的應急搶險處置方式在健全制度、提高技術、提高效率、降低成本等方面還需要進一步的完善。

1.2 我國堰塞湖信息獲取與洪水預測存在的問題

1.2.1堰塞湖現場監測困難

堰塞湖大都分布在高山峽谷、山丘區，如何把人力、裝備快速投送至現場是堰塞湖應急處置的關鍵制約因素。根據處置階段的不同、險情的輕重以及作業環境的優劣，各搶險救援力量因其人員、裝備器材、物資的數量和質量的不同，可采用水路、空中以及陸路等不同方式進行投送，但目前堰塞湖“靠近”方面仍存在不少問題。主要表現在：① 空中運輸能力缺乏；② 陸路輸送困難；③ 水路輸送空白。因此，堰塞湖出現后依賴從現場測量獲得信息來進行分析及處置存在較大困難。

1.2.2堰塞湖應急監測和風險評估

受限于未能建成參數和區域全覆蓋的監測網、缺乏堰塞湖分布基礎數據信息，我國堰塞湖應急搶險工作中還存在監測和預警預報水平不高、在堰塞湖(壩)的潰決和發展監測及預警方面的研究還不成熟等問題，尚未形成一套較完善的堰塞湖(壩)綜合監測體系。主要表現在以下方面：① 堰塞湖影響范圍基礎信息匱乏；② 應急監測手段不足、監測不夠及時；③ 實時動態水情風險分析技術相對滯后；④ 缺少應急指揮可視化平臺；⑤ 預案可操作性不強等。

針對以上不足，筆者在實踐中摸索出了一套多源信息獲取手段，將其與現場監測成果相互驗證，為堰塞湖風險評估及應急處置提供了可靠的技術支持。

2 堰塞湖多源信息獲取技術

堰塞體災變過程預測、潰決洪水演算、風險評估以及應急治理需要大量長期觀測和臨時監測數據資料作支撐，所需信息主要包括：水文氣象、地形地貌、地質、社會經濟等。

堰塞湖災情評估信息空間尺度跨度大，大至流域尺度的災區影響范圍內社會經濟統計數據，小至堰塞體顆粒尺度的物質組成和結構信息，不同尺度的信息需要專業人員進行探測。但是，由于堰塞湖災情多發生在深山峽谷，交通條件惡劣，可用基礎資料匱乏，加之應急監測技術手段明顯不足，導致快速、準確獲取堰塞體相關信息十分困難。因此，如何快速、準確地獲取堰塞湖科學數據是需首要解決的技術難題。

通過多年來的技術研發和經驗積累，并借助我國在空間遙感、無人機探測、水下機器人、信息化等領域的蓬勃發展，堰塞湖信息獲取方面已有較多積累。下面簡要介紹我國近年來在堰塞湖信息獲取領域積累的若干關鍵技術。

2.1 堰塞體結構探測技術

堰體物質組成和結構部分決定了其潰決可能性、潰決方式、潰口發展情況等，利用瞬變電磁法、地震波法、激光掃描儀等技術對堰體物質組成、內部結構、應力場等進行探測，追蹤其裂隙發展，判斷堰塞體發生管涌、潰決的可能性和方式。

2.2 平面和高程控制測量技術

當堰塞湖所在地缺乏平面或高程控制系統，或現有控制系統遭到損毀時，需快速布設堰塞湖應急監測控制網，包括平面、高程應急控制測量，監測層次及精度須滿足應急方案制定需求。圖1為易貢堰塞湖發生后，應急監測水文站網和平面控制網的布設情況。

圖1 易貢堰塞湖應急監測水文站網和平面控制網布設Fig.1 Emergent monitoring control network for hydrology and topography of Yigong barrier lake

2.3 水下地形測量技術

水下地形是堰塞湖洪水計算的重要資料，關系到庫容曲線和湖區洪水動庫容演算精度。應急情況下，可集成無人船、GNSS、多波束水下雷達、避障雷達、無線通訊設備、電子羅盤、動力系統等多種設備為一體的無人船測量系統，以對復雜水下地形、困難水域的水下斷面和地形進行測量。

2.4 遙感災害監測技術

為實現對災害態勢和損失的精準分析和綜合評估，可將衛星遙感、無人機低空遙感及地面調查手段相結合，對堰塞湖災害風險重點區開展雷達干涉或激光掃描測量，提取變化數據，對地質災害體可能造成的堰塞湖災害進行監測和預警。

2.5 堰塞湖水陸空立體探測技術

堰塞湖水陸空立體探測技術主要指解決快速探測堰塞體內部結構，追蹤隱患發展過程的無人、快速探測技術，包括天地空立體動態視覺監測系統、水下聲視一體化探測技術、地面巖土結構智能識別技術、彈性波探測技術、無人值守直流電法陣列探測技術等?？煽焖偬峁┭呷w結構發展變化參數，供應急處置及風險分析參考。

2.6 堰塞湖基礎信息監測難點分析

堰塞湖信息獲取可行技術較多，但仍然存在諸多技術難點亟待研究攻克。例如衛星遙感技術雖然可以全天候、大范圍監測，但其影像更新周期(時間)無法保證，獲取實時影像存在困難，需要建立多種衛星影像獲取渠道，實現多星協同作業；又如無人機遙感雖然靈活機動、響應速度快，但GPS信號不穩定，精度無法保障，需攜帶高精度衛星定位裝置。

3 堰塞湖潰決洪水與風險預測技術

堰塞體潰決與潰決洪水演進模擬和預測是堰塞湖災害風險評估、人員避險和應急處置方案制定的理論基礎。如何快速、準確地預測堰塞體潰壩洪峰流量過程及其演進過程是堰塞湖處置的關鍵一環。

由于堰塞湖應急處置的急迫性和現場監測的困難大，往往難以在短時間內全面、詳實地收集潰堰洪水分析所需的數據資料，加之堰塞體潰決發展方式與河道演變復雜多變，使得潰壩洪水分析難度加大。

堰體潰決過程是一個水、土二相相互作用的過程，持續時間長，且受壩體材料、結構、尺寸和湖容及下游水位等的影響，研究難度較大。理論分析、模型試驗和數值模擬是主要的研究手段。隨著計算機性能和數值算法的迅速發展，數值計算越來越成為潰壩(堰)洪水及其演進分析的重要手段。20世紀中后期，潰壩(堰)洪水模擬研究取得了較大進展，產生了如美國Dambreak、荷蘭Delft、丹麥DHI MIKE11等一系列潰壩洪水計算模型。

堰塞湖潰決洪水與風險預測技術主要包括3方面內容：① 堰塞體潰口洪水過程預測；② 潰決洪水下游演進過程預測；③ 湖區和下游洪水淹沒風險分析。下面分別介紹這3方面的實現方法及主要技術手段。

3.1 潰口流量過程預測

堰塞體潰口流量過程一般采用基于能量守恒方程的潰壩數學模型計算。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算過流量。潰口洪峰流量對潰口發展過程和堰塞湖庫容十分敏感，因此，準確獲取堰塞湖潰口發展過程(堰塞體潰決機理)和堰塞湖水位-容積曲線是堰塞湖潰口洪水過程計算的關鍵。

堰塞體潰口的發展是一個復雜的水、土二相相互作用的過程，且受到堰塞體物質組成和結構、規模、上游來水等條件的控制。從堰塞壩破壞方式來看，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、失穩等。據統計，在各種堰塞壩潰決實例中，漫頂潰決所占比例為71.6%[7]。大量學者對不同壩體材料組成和沖刷條件下的潰口發展進行了分析研究。

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數學模型為例，潰口斷面的發展過程可以通過人為指定3個時間序列來模擬：潰口斷面底寬發展過程B(t)，底高發展過程H(t)，邊坡發展過程S(t)。同時，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。

除潰口斷面發展過程外，潰口流量過程計算還受模型當中對于湖區水體的模擬計算方式的影響。對于河道型水庫，當存在入庫流量時，動庫容往往不能忽略。對于堰塞湖水位-庫容關系的計算，鑒于堰塞湖多發生在深山峽谷地區，為河道型水庫，若采用傳統的靜庫容法計算潰口洪水過程，因為未考慮楔形動庫容以及洪水在庫區的傳播過程，計算的水位-庫容曲線、洪峰流量和峰現時間等均與實際存在不同程度的偏差。因此，若能獲取堰塞湖回水范圍內的河道大斷面資料，應采取動庫容法計算水位-庫容曲線和潰口洪水過程。

動庫容法計算堰塞湖水位-庫容曲線的步驟為：以河道大斷面為界，將堰塞湖庫區分為若干子河段，然后分段計算水位-庫容曲線。在計算潰口洪水過程中，以各分段代表水位查對應的分段水位-庫容曲線，累加后即得到指定壩前水位的總庫容。水動力數學模型在采用動、靜庫容法計算潰口洪水時在建模上存在一定區別。MIKE11模型靜、動庫容計算模型的不同結構為：采用靜庫容法僅需在堰體上游設置水庫結構物，利用堰塞湖水位-庫容曲線概化即可；若采用動庫容法，則需建立整個堰塞湖回水范圍內的河道動力演算，并添加河道斷面、糙率和上游邊界條件等。

3.2 下游洪水演進過程預測

堰塞體一旦潰決，潰決洪水將對下游居民的生命財產造成很大的威脅，因此研究堰塞體潰決洪水沿程水位變化對決策部門發布洪水預警、組織轉移撤離、實施緊急救援等具有十分重要的現實意義。

下游洪水演算一般采取對一維圣維南方程進行差分求解來進行模擬：

(1)

此外，在堰塞壩下游往往存在已建或在建的水利設施，比如白格堰塞體恰好位于金沙江上游水電基地的“一庫十三級”開發布局中，其下游在建水利工程有蘇洼龍、巴塘和葉巴灘水電站。此時需要根據在建水利設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施的連鎖反應。

此外，高烈度地震往往在同一條河流上形成堰塞湖群，堰塞湖群潰決風險高，上游潰堰洪水往往導致下游堰塞體的潰決。因此，有必要對堰塞湖群的連鎖潰決洪水及其演進模擬技術展開研究。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，死傷數千人。

3.3 洪水淹沒風險分析

堰塞湖多發在偏遠的深山峽谷等未設堤防的河段，潰決洪水峰高量大，一旦進入平緩地帶，往往造成河道兩岸大面積淹沒。因此，及時開展潰決洪水淹沒分析，統計受影響區域面積，評估可能造成的社會、經濟損失，對制定人員避險方案，指導下游群眾安全撤離，減小損失等具有指導作用。

由于具有對有關地理信息的快速獲取與處理分析的強大功能，特別是對缺少資料的偏遠地帶，采用遙感與GIS技術能動態獲取堰塞湖庫區的淹沒狀況及其變化過程，為潰決洪水風險分析提供資料和技術支持。

一般對洪水淹沒進行風險分析需要采取2維(2D)水力學演算，計算沿程洪水淹沒深度、過程等。但是，受限于地形資料有限，2D模型建立和計算困難，一般堰塞湖洪水淹沒風險分析可采取上游庫區水平淹沒、下游1D河道演算成果結合GIS技術推算淹沒影響的方式來進行。計算步驟為：根據一維水動力學模型的水面線計算成果，提取河道各斷面的洪水位，疊加數字高程模型，分析獲取洪水淹沒范圍、淹沒影響及淹沒損失。

淹沒影響及損失統計方法為：將得到的淹沒范圍圖層與房屋、道路、土地等社會經濟圖層通過空間地理關系進行拓撲疊加(見圖3)，分析獲取洪水淹沒區內影響人口、社會經濟不同財產類型的價值及其分布等信息。

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

4 白格堰塞湖信息獲取與洪水預測技術應用

2018.10.11西藏波羅鄉發生大規模山體滑坡事件，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生山體滑坡，形成堵江(見圖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 多源信息獲取技術應用

堰塞體潰決前，為了準確獲取對潰決洪水計算至關重要的堰塞湖水位-庫容關系，利用1∶50 000比例尺地形圖(見圖5)，量測了白格堰塞湖的庫容曲線(見圖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水面下槽蓄部分進行了補充移用。

圖5 白格堰塞湖庫區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，為了多方位對堰塞湖災區信息有更直觀的了解，現場采取無人機對堰塞體堵江情況進行了實時動態的拍攝，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GPS信號質量時好時壞，且測區缺乏控制成果資料，無法自檢校。此次無人機航拍坐標基準來源于POS數據，平面精度小于1 m，高程精度小于2 m，故只能較準確地估算堰塞殘留體積，無法準確判斷堰頂高程和湖區水位。

堰塞湖災情發生后，為了及時準確地實施應急水文監測，除了在金沙江上、中游布設的常設水文站點外，還搭建了堰塞體上下游臨時水位、流量監測點，這對長距離洪水演算精度提高和模型驗證、下游水庫調度等提供了寶貴的資料支撐。監測得到的堰塞湖潰決后下游各站洪峰流量過程見圖7和圖8。

4.2 潰決洪水預測

為分析白格堰塞湖險情，采取遙感資料分析獲取的斷面資料和庫容曲線，根據現場發回的數據資料，結合以往應急處置經驗，擬定了不同起潰水位、潰決歷時、潰口底部高程的多種潰決洪水計算方案。在白格“11.3”堰塞湖潰決洪水預測中，還考慮了下游在建蘇洼龍電站圍堰的阻水作用。根據圍堰潰口底部高程和潰口發展歷時，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，結果見表2。

圖7 “10.11”堰塞體潰決洪水下游傳播過程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

由計算結果可知，在白格堰塞湖潰決洪峰流量超過10 000 a一遇的情況下，蘇洼龍圍堰將發生連潰，對經過蘇洼龍的洪水過程造成“放大”作用。因此，為避免“放大”洪水，在堰塞體潰決前，對蘇洼龍圍堰進行了拆除。

同時，在人工開挖泄流槽引流成功后，為了提高洪水預報精度，又以下游各站實測流量過程為計算模型上邊界，滾動模擬洪水向下游的演進過程。圖9為分別以奔子欄、巴塘、葉巴灘水文站的實測流量為模型上邊界計算的石鼓站流量過程。由計算結果可見，隨著模型上游邊界條件向石鼓站靠近，預報洪水過程越加接近實測洪水過程。

圖9 “11.3”堰塞湖洪水演進過程滾動模擬結果Fig.9 Prediction of Shigu discharge using rolling simulations from measurement obtained at upstream hydrological stations in“11.3” Baige barrier lake

為比較堰塞湖區動庫容影響，將模型上邊界延長至堰塞壩以上84 km的庫尾，重新計算11.3白格堰塞體潰口洪水過程，計算成果如圖10所示。其中，靜庫容法選取了應用堰塞湖實測瞬時水位變差水量平衡原理計算(即圖中水量平衡原理計算成果)和以堰塞體為上游邊界不考慮上游水量沿湖區分布的水力學演算兩種方式計算。

圖10 采用動、靜庫容法計算的白格“11.3”堰塞湖潰口流量過程Fig.10 Discharge hydrographs at the barrier body calculated using dynamic and static capacity methods

由圖10可以看出，動庫容計算下潰決洪水洪峰流量較靜庫容法計算成果偏小，但是偏小占比不大，僅為2.8%，對洪水往下游演算影響有限。

4.3 潰決洪水預測分析

為了評估堰塞體潰決后洪水對下游地區的影響，結合一維水動力學模型水面線計算成果和GIS技術應用，在堰塞體潰決前開展了“11.3”堰塞湖庫區和下游影響范圍淹沒分析?？紤]潰口洪峰流量30 000 m3/s，下游石鼓附近洪水淹沒范圍見圖11，洪水淹沒范圍涉及甘孜藏族自治州、昌都地區、迪慶州與麗江市4個市，10個區縣，170余個村莊，面積共約63 km2。同時基于騰訊研發的LBS大數據應用平臺，分析了潰口洪峰流量30 000 m3/s時淹沒范圍內的人群隨時間的分布(見圖12)，為應急避險決策提供了技術支撐。

圖11 白格“11.3”堰塞湖石鼓段淹沒范圍示意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 堰塞湖應急處置效益評估

堰塞體潰決后，為客觀評價白格“11.3”堰塞湖人工干預措施的效益，采用經監測洪水資料重新率定后的水動力模型，對有無人工干預措施下的潰決及洪水演進過程進行計算，并開展了相應條件下下游地區淹沒損失分析。有無人工干預措施下游各站洪峰流量計算成果見表3，無人工干預自然漫潰方案下游各站流量過程見圖13。

表3 白格“11.3”堰塞湖有、無人工干預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”堰塞體無人工干預自然漫潰方案下游各站計算洪峰流量過程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

由計算可知，人工干預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，表明人工干預效果突出。

同理，采用大尺度1D+GIS淹沒分析方法，并將有無人工干預措施下的淹沒范圍圖層與土地、房屋、道路、橋梁等遙感解譯成果進行疊加分析，統計出兩種方案淹沒損失的差異見表4和表5。由分析結果可見，不管是堰塞湖庫區還是下游淹沒區，采取人工干預措施均能大幅減少淹沒損失。例如，采取人工干預措施，下游淹沒居民點減少200個、受影響人口能減少1.7萬人、受淹道路長度減少58 km之多。

表4 白格“11.3”堰塞湖有、無人工干預措施庫區淹沒損失統計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、無人工干預措施下游淹沒損失統計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 語

本文以2018年在金沙江白格和雅魯藏布江米林先后發生的4次堰塞湖為背景，介紹了我國堰塞湖應急處置的現狀，指出我國堰塞湖處置技術較為先進、組織能力強且具有大量人力物力等優勢的同時，也存在應急監測手段缺乏、風險評估技術在應用中的障礙等方面的不足。介紹了堰塞湖應急處置的信息獲取和洪水預測兩方面的技術經驗，其中信息獲取包括了堰塞體結構探測、平面和高程控制測量、水下地形測量、災害及地面監測和水陸空立體探測等技術；洪水預測技術包括了潰口洪水過程計算、洪水演進模擬、洪水淹沒風險分析等。

本文以金沙江白格堰塞湖應急處置中的應用為例，系統介紹了堰塞湖處置中如何獲取有效資料、如何進行潰口處及上下游洪水演進模擬及其在堰塞湖處置不同階段(潰決前、潰決后)的應用。結果表明，采用先進的信息獲取技術、現場監測手段和計算模擬方法，能準確快速地預測堰塞湖潰決洪水過程，評估潰決洪水淹沒影響及損失，為及時、高效地處置堰塞湖險情提供了強有力的技術支撐。

經實際處置發現，快速準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、流域層面監測范圍及深度(參數)不夠、現場監測手段技術不足等困難，因此，下一步需加強堰塞湖相關基礎數據的監測能力建設，研究合理、高效的衛星遙感、非接觸式水文測量等應急動態監測體系；同時，開展基礎數據庫建設，包括構建堰塞湖基礎信息數據庫，以及在流域層面開展基礎數據庫建設，包括開展信息圖測量，采集高分辨率衛星影像數據，獲取人口、經濟社會、重要基礎設施等信息，完善流域河道地形、社會經濟等基礎數據。

分析還發現，堰塞體潰決洪水演進超出常規，需要進一步開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都超過了10 000 a一遇，其沿河道演進過程與常遇洪水演進過程有較大不同，傳播時間更快、坦化更明顯，因此，須從理論層面研究大洪水演進的規律及其特點，提出更加準確的模擬計算方式。

此外，堰塞湖大范圍高強度的影響特性，需要提高和完善目前洪水淹沒風險分析手段。由于二維淹沒模擬實際上很難做到，用一維演進成果進行類二維估算淹沒影響具有較大的不確定性，應研究提高堰塞湖潰決洪水淹沒模擬精度的技術。比如更好地利用一維水力模型結果+高精度空間信息、或者如何快速進行二維淹沒計算等方式，提升洪水淹沒分析成果的準確性。

特別值得注意的是，堰塞體潰口發展過程是影響堰塞體潰口洪水風險及其模擬計算的主要因素之一，比如潰口發展速度，潰口最終寬度、深度，殘留水量等信息。需根據發生的堰塞湖資料，以物理模型+數學模型的方式，研究堰塞湖物質組成、規模參數等與潰口發展過程之間的關系，建立基于潰口發展機理的堰塞湖潰口發展預判模型，為潰口洪水過程模擬提供理論依據及技術支持。