堰塞湖潰決洪水演進預報方法探討

曾明 陳瑜彬 鄒冰玉

摘要：“11·3”金沙江上游白格堰塞湖的潰決洪水破壞力強，屬于非常規、超歷史洪水，其中白格堰塞湖奔子欄江段洪水重現期超萬年。在缺乏高洪水文、河道地形資料的背景下，長江水利委員會水文局較準確地預報了潰決洪水向下游演進的沿程洪水特征，為應急處置提供了決策支持。通過介紹此次堰塞湖潰決洪水演進預報所采用的技術手段，歸納總結了預報經驗和預報模型技術的優缺點，以期為今后堰塞湖突發事件的應急處置提供參考。

關鍵詞：潰決洪水;洪水演進;洪水預報;白格堰塞湖;金沙江

中圖法分類號：P338

文獻標志碼：A

堰塞湖主要是由滑坡、泥石流等堵塞河道所形成的湖泊。堰塞湖形成后，水量不斷積蓄造成較高水頭差，潰決時由巨大能量形成的洪水常具有突發性強、流速快等特點。洪水特征主要表現為洪峰高、水量集中、洪水漲落迅速、傳播快等，對下游沿岸破壞力極強，遠大于一般暴雨洪水，且傳播時間較一般洪水明顯縮短。準確預報堰塞湖潰決洪水在下游沿程演進的洪峰水位、流量以及峰現時間，可為提前轉移下游沿岸居民、保障沿岸村落安全提供重要指導依據。

“11·3”金沙江白格堰塞湖潰決洪水期間，長江水利委員會水文局根據實時報汛信息，基于模型適用性分析，不斷優化參數，采用多模型計算成果比對，通過實時校正及滾動預報，準確預報了堰塞湖下游沿程各站洪峰水位流量、起漲時間以及峰現時間，并向各級部門及時發布預報成果，為洪水預警、水文應急監測、人員轉移、水庫調度提供了重要技術支撐。

本文通過對比分析“11·3”堰塞湖應急處置期間采用的洪水預報技術手段，探討總結了各預報模型的適用性和優缺點，以期為今后應急水文預報技術的選擇提供參考。

1堰塞湖及下游洪水演進概況

2018年11月3日17：00許，西藏自治區昌都市江達縣波羅鄉白格村境內金沙江右岸再次發生大規模山體滑坡，滑坡堵塞金沙江并形成堰塞湖。堰塞體上距崗托水文站約90km，距波羅站約15km，下距葉巴灘站約54km，距巴塘水文站約190km。由于堰塞體高、湖內滯蓄水量大，潛在危險大，故采用開挖泄流槽方式對堰塞湖進行引流處置，以降低堰塞湖的威脅。泄流槽于11月12日上午開始過流，經過不斷的掏岸、溯源沖刷，過流斷面不斷擴大，過流流量逐步增加，11月13日18：00過流洪峰流量達到31000m3/s。

此次潰壩洪水為非常規、超歷史洪水，對下游破壞力強。下游沿程巴塘、奔子欄站洪水重現期均超萬年，塔城站重現期超千年，然而演進至石鼓站時洪水坦化明顯，轉為常遇洪水，其后經金沙江中游梯級水庫調蓄，潰決洪水威脅得以解除。下游沿程各主要斷面洪峰特征值見表1。

2潰壩洪水演進預報技術

白格堰塞湖形成于金沙江上游，地處高原山區，河道比降較大，河谷深切，斷面形態較穩定。堰塞湖形成和潰決期間，流域內無明顯降雨過程，區間來水穩定，下游洪水演進預報主要采用水力學模型、匯流曲線演算法、馬斯京根分段連續演算法進行計算及綜合分析。還包括對下游沿程巴塘、奔子欄、石鼓、梨園水庫作了入庫預報。本文分述了3種河道演算方法在“11·3”金沙江白格堰塞湖下游洪水預報中的應用。

2.1預報模型原理

2.1.1水力學模型

水動力學演算法主要基于圣維南（Saint-Venant）方程組的聯立求解，MIKE11模型可實現一維河道的水動力學模型演算，并可對連續急變流進行較好的模擬。

MIKE11模型是基于一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態。方程組具體形式為式中，x、t分別表示空間坐標和時間坐標;Q為斷面流量，m3/s;h為水位，m;A為斷面過流面積，m2;R為水力半徑，m;B.為河寬，m;g為單位河長的旁側人流量，M3/S;C為謝才系數;a為動量修正系數。

MIKE11采用的有限差分格式為六點中心的Abbott-Ionescu格式。將圣維南方程組連續方程、動量方程分別寫成以水位點h和流量點Q為中心的形式進行離散，采用追趕法對方程進行求解。

2.1.2馬斯京根分段連續演算法

馬斯京根分段連續演算法是將演算河段劃分為Ⅳ個單元，經過馬斯京根分段演算求得出流過程。計算參數有演算段數（單元河段數）Ⅳ，每個單元河段的馬斯京根法參數Xe與Ke。該演算法的具體公式為式中，Qi，j是第i河段末第j時段末的流量，m3/s;Qi-l，j是第i-1河段末第/時段末的流量，m3/s;Qi-1，j-1是第i-1河段末第j-l時段末的流量，m3/s;Qi，j.是第i河段末第j-l時段末的流量，m3/S;K為蓄量常數;x為流量比重因素。

2.1.3 匯流曲線演算法

匯流曲線演算法是在加里寧河槽匯流曲線概念的基礎上，將流域（河網或河槽）沿程滯蓄作用概化為一系列等效的線性水庫和線性渠道，由連續方程和概化的蓄泄方程聯立推導演算出口流量的過程。流量演算采用卷積法，匯流曲線公式為式中，k為消退系數;n為階數，即概化矩形人流的個數;t為時段數。

2.2模型構建

模型構建范圍均為白格堰塞體至梨園水庫，考慮沿程區間人流，采用2018年“10·10”白格堰塞湖潰壩洪水演進實況過程對預報模型進行參數率定。各模型上邊界均采用堰塞體過流流量過程。

2.2.1水力學模型

由于研究區域無河道地形資料，水力學模型斷面采用葉巴灘、巴塘、奔子欄、石鼓水文站實測大斷面資料，對地形變化劇烈區域采用GIS等空間分析手段切割河道斷面，并結合專家經驗進行高程校核，同時對河段斷面形狀進行插補處理。模型下邊界采用梨園水庫建庫前控制斷面水位流量關系，并對河道糙率進行分段率定。

2.2.2 馬斯京根分段演算模型

馬斯京根分段連續演算法需率定的參數為河段單元數Ⅳ、單元演算系數Xe與Ke。分段演算模型將白格堰塞體至梨園水庫河段分為堰塞體一葉巴灘、葉巴灘一巴塘、巴塘一奔子欄、奔子欄一石鼓、石鼓一梨園5個計算區間，每個區間劃分子計算單元，采用金沙江“10 ·10”白格堰塞湖潰決過程試算得到子計算單元個數和單元演算系數。

2.2.3 匯流曲線演算模型

匯流曲線法根據匯流概化的條件不同，將匯流區域分段劃分為匯流單元，根據人出流洪水樣本分段率定，在確定各單元匯流曲線系數后，根據匯流曲線系數分段連續演算出流過程。根據報汛站網，將演算河段劃分為堰塞體一巴塘、巴塘一奔子欄、奔子欄一石鼓、石鼓一梨園4個計算單元。由于“10·10”白格堰塞湖潰壩洪水期間，巴塘一奔子欄河段存在蘇洼龍電站導流洞滯洪，為保障工程安全，“11·3”堰塞湖處置時將蘇洼龍電站拆除圍堰過流，使其基本接近天然河道。經過分析巴塘一奔子欄匯流曲線參數，參考上河段并考慮洪水衰減坦化，綜合得出演算系數。

2.3預報檢驗及誤差分析

3種預報模型均采用堰塞體過流流量過程作為模型上邊界輸入進行河道洪水演算。2018年11月13日18：00，推算堰塞體過流流量達到最大值后，依據水量平衡原理和“10·10”白格堰塞湖退水形態推求退水過程。采用3種模型并行演算下游洪水演進，滾動實時校正，并綜合了3種模型計算結果。對下游巴塘、奔子欄、石鼓、梨園入庫起漲時間和洪峰水位、流量、峰現時間作了預報，預報誤差分析見表2。由表2可知：①巴塘、奔子欄站各項預報要素與實況基本一致。巴塘站峰現時間預報準確，預報洪峰水位僅低0.01m，流量相對誤差0.5%。②奔子欄站預報峰現時間與實況一致，洪峰水位預報偏高0.02 m，流量相對誤差4.5%o。③石鼓、梨園入庫流量起漲時間較預報時間提前1～2h，峰現時間較預報提前8h左右，洪峰流量明顯偏大。主要是由于奔子欄以上沿程河段基本為穩定深切斷面，洪水逐漸坦化但形態變化不大。奔子欄一石鼓河段存在多個灘地，“10·10”潰壩洪水量級不大，未達到漫灘水位;此次洪水峰高量大，該河段中出現多個灘地行洪，洪峰受灘地調蓄作用明顯坦化，洪水緩慢歸槽造成峰現時間較預報時間偏后。

采用3種模型對各站點流量過程模擬情況與實況對比見圖1。由圖可知，3種模型模擬結果與實況相比均有偏差，越向下游演進，計算誤差越大，此次預報成果由3種模型結果綜合確定得出。通過比較，水力學模型模擬的峰現時間較實際略有提前，馬斯京根分段演算、匯流曲線演算模擬的峰現時間均偏后。原因為：①水力學模型沿程實測斷面較少，除地形變化劇烈處增加斷面外，其余斷面均為內插，造成河道部分渠化，減小了河道調蓄能力，傳播加快;②馬斯京根分段演算法、匯流曲線演算法的模型參數綜合反映了河段傳播時間，率定采用的洪水樣本較此次潰壩洪水過程傳播時間長，造成這兩種模型計算的洪水時間較實際偏后。

2.4預報模型優缺點比較

經過此次堰塞湖非常規、超歷史洪水的預報實踐，3種洪水演進模型在一定程度上能較好地反映出洪水演進過程，3種模型方法的優缺點對比分析如下。

（1）水力學模型屬于水力學方法，具有很強的物理意義，全動力波控制方程可滿足多種類型河道水力條件的計算需求，但模型資料要求高，沿程河道斷面地形資料是構建模型、保障模型精度的基礎。在洪水過程模擬計算中，由于事發山區缺少實測資料，且高原峽谷區測量困難，對預報結果的精確度有一定影響。GIS與專家經驗校正的切割斷面存在主觀誤差，造成奔子欄至石鼓地區未能較好反映灘槽調蓄作用。

（2）馬斯京根分段演算模型屬于水文學方法，對區間降雨徑流比重小的河道洪水演算具有很強的適應性，但模型參數的率定需要多場次洪水資料，且河段傳播時間基本為綜合常數，對非常規洪水適用性一般。

（3）匯流曲線法同樣屬于水文學方法，與馬斯京根分段演算法相似，匯流曲線是多場洪水樣本的綜合參數，是洪水傳播時間的綜合反映，對傳播時間變化大的洪水適用性一般。

3結語

本文以“11·3”白格堰塞湖為例，分析了應急處置時采用的預報技術手段和綜合預報過程。實踐檢驗表明，此次采用的3種洪水演進預報模型，對分析計算上游山區河道的非常規超歷史洪水具有較高的準確性，參數率定個數較少，能基本滿足突發事件下的洪水預報需求。其中，水力學模型能較為準確地綜合考慮河道地形和洪水演進坦化變形影響。由于各模型自身物理意義不同，各有優缺點和適用范圍，應急預報時仍需綜合考慮各模型結果的差異性和可靠性，多模型比較綜合預報成果，避免因采用單一模型計算而造成的較大誤差。

此次堰塞湖發生在山區，山區性河流漲落快速、水位流量關系單一，預報采用的均為適用山區性河道的洪水演進模型。突發事件的應急處置需快速響應，未來應整理歸類不同特性河道（如平原河網、湖泊、水庫等）和流域的應急預報模型以及開展模型適用性等方面的研究工作，以便為堰塞湖的應急處置、人員轉移避災提供準確及時的技術支撐。

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