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

隨著經濟社會的發展，人口資產密度增大，洪水災害給高風險區的人員資產帶來更大的威脅[1-3]。危機時刻，有效的洪水避險轉移可在短時間內更為有效、有序地組織災區民眾進行避難轉移，減少傷亡和損失，以此支撐行業主管部門提高水庫大壩安全管理水平與突發事件應急管理能力[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、工業取水壩段、農業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；根據潰壩缺口規模大小，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定的，而且是分塊校核穩定。這種壩潰決時，壩體一般是一次潰決或數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，當發生千年一遇洪水時，出現特殊事故情況下，漫頂導致的大壩潰壩，下游同時考慮干流發生千年一遇洪水時，主要支流發生相應洪水。

3 潰壩風險數模預測

3.1 計算模型

MIKE11軟件是丹麥水力研究所(DHI)研發的一維水動力、洪水預報、潰壩等方面的專業軟件，其水動力模塊和潰壩模塊具有強大的河流數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為均勻旁側入流；Qc為集中旁側入流；z為水位水量；K為流量模數，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；g為重力加速度。

3.2 相關計算參數選取

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。根據橫斷面測量成果，結合平面圖，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，從而得到需要建立的數學計算模型成果。

3.3 潰壩風險發生時洪水淹沒范圍計算

經分析計算，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生千年一遇洪水時，水庫出現特殊事故而導致的潰壩，因此會出現兩次峰值，第一次為潰壩洪水，洪峰較為陡尖，持續時間較短；第二次為洪水洪峰過程，持續時間較長。壩址處出現兩次洪峰過程反映了計算工況的準確性，符合實際洪水發生情況，同時提醒注意發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，潰壩風險發生時洪水淹沒范圍所涉及街道與鄉鎮范圍基本相同，共涉及13個街道、9個鄉鎮。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，結合淹沒區社會經濟情況，分析評估洪水影響程度。主要考慮淹沒范圍內不同行政區、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據信息。影響人口數據以淹沒區內行政村為單元計算，并結合淹沒區受影響人口進行受影響GDP的統計。通過對淹沒區圖層的疊加可以看出，如發生潰壩洪水，受影響嚴重的地區主要是水庫下游左岸的朝陽市主城區、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，根據洪災損失率關系，即可進行分類洪災直接經濟損失估算，本次洪災損失類別分為城鄉居民住房財產損失、農業損失、鐵路交通損失等。承災體災前價值參照2016年《朝陽統計年鑒》并結合實際調查確定，洪災損失率參照文獻[11]確定，按水深、行政區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果，閻王鼻子水庫潰壩洪水影響區域內洪災損失估算結果見表3。

表2 閻王鼻子不同潰壩方式影響分析結果

表3 洪水影響區域內洪災損失 單位：萬元

4 避險轉移方案

避險轉移分析是在洪水影響分析的基礎上，根據潰壩洪水的淹沒范圍、水深等風險信息，對受淹居民地位置、人口數量、設施、道路和安置區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域的人員、物資以最快的方式疏散到安全區域。

避險轉移是以人員的安全轉移為前提的，因而對受淹區域人口的分析是避險轉移分析的核心環節。避險轉移以行政村和街道為統計單元，通過居民地數據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。轉移路線選取綜合考慮洪水演進過程和淹沒情況、道路狀況、轉移安置人員和財產情況、安置點、便利性等情況。轉移路線的確定主要依據所花時間最短的最優路徑原則，同時考慮道路的通容能力。另外轉移路線重點選擇省道、縣道、鄉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。安置區的劃定以就近、免于洪水威脅、進出道路通暢為主要依據，同時參考相關市縣的防汛應急預案，安置區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，同時再次轉移路徑方便，便于政府組織協調。

淹沒影響區現有路網主要包括高速公路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)，以及數量不等的縣級公路、城區街道、各鄉級公路、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

根據上述原則和現有路網情況，依據不同的工作要素建立不同的工作圖層，結合潰壩風險發生時洪水淹沒范圍圖，劃定危險區域，確定轉移單元，結合收集的資料和現場調查，尋求合適的安置區及轉移路線，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域內風險應急預案見圖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 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，結合淹沒區調查的社會經濟等情況，評估洪水影響。結合潰壩風險發生時洪水淹沒范圍，劃定危險區域，確定轉移單元，尋求合適的安置區及轉移路線，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濟目標風險，提高水庫下游突發事件應對能力，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化。