基于潰決機理的堰塞湖潰決快速風險評估方法研究

王 琳,苑鵬飛,鐘啟明,胡 亮,單熠博,薛一峰

(1. 西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048; 2. 南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029;3. 水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室,江蘇 南京 210029; 4. 陜西省水利電力勘測設計研究院, 陜西 西安 710001)

0 引言

堰塞湖是受地震活動、氣候變化、人類活動等影響的一種典型地質(zhì)災害[1-2]。據(jù)統(tǒng)計[3-8],9%的堰塞湖在1 h內(nèi)潰決,34%在1 d內(nèi)潰決,67%在1個月內(nèi)潰決。其一旦潰決,將形成潰決-致災災害鏈,威脅下游沿岸的工程設施及人民群眾生命財產(chǎn)安全。目前,我國堰塞湖潰決災害頻發(fā),例如:2000年4月,易貢堰塞湖[9-11]形成,6月潰決,潰決時峰值流量達到94810 m3/s。2008年最具代表性的唐家山[12-13]和小崗劍堰塞湖[14],潰決洪峰分別達到6500、3950 m3/s,使接近百萬人的生命財產(chǎn)安全受到威脅。2018年白格堰塞湖更是2次堵塞金沙江上游干流[15-17],潰決洪峰流量分別達到10000、31000 m3/s[18-19],10月10日形成的堰塞湖更是在3 d內(nèi)就發(fā)生潰決,11月3日堰塞湖潰決導致下游在建的蘇洼龍水電站圍堰拆除,在建的葉巴灘、拉哇和巴塘等水電站工程延期。堰塞湖應急處置易受到基礎資料收集困難、周邊環(huán)境危險、分析研究時間緊和潰決災害擴大效應強等因素制約,由此導致應急處置難度極大[20-23]。因此,考慮其致災災害鏈效應,基于極其有限的數(shù)據(jù)信息建立堰塞湖潰決風險快速、定量評估方法是目前應急處置亟需解決的難題。

目前,堰塞湖潰決風險評估研究主要分為兩類:統(tǒng)計分析和定量分析。統(tǒng)計分析是基于堰塞湖統(tǒng)計信息,評估潰決災害損失,劃分不同類型災害風險等級,代表性的有水利部行業(yè)標準SL/T 450—2021《堰塞湖風險等級劃分與應急處置技術規(guī)范》[24]。該標準規(guī)定,可根據(jù)堰塞湖壩體規(guī)模、物質(zhì)組成和高度,運用查表法和模糊數(shù)學法將其風險劃分為極高、高、中和低4級。崔鵬等[25]和XU等[26]基于汶川地震堰塞湖潰決實例,根據(jù)堰塞湖壩體高度、庫容和物質(zhì)組成3項指標提出風險等級劃分建議;XU等[27]采用模糊數(shù)學方法對紅石巖堰塞湖的風險等級進行了評估。定量分析模型多基于堰塞湖潰決洪水淹沒情況與損失之間的關系構建評估模型。代表性的有石振明等[28]、SHI等[29]構建的綜合考慮人員疏散情況、生命損失和潰決參數(shù)等因素的定量分析模型。

以上兩類評估方法均可實現(xiàn)潰決風險評估。第一類方法主要是基于經(jīng)驗的定性分析,對堰塞湖風險快速評估具有較好的指導作用,但其主要考慮堰塞湖壩體地貌學特征,未考慮壩體的物質(zhì)組成結構。而目前不同誘因?qū)е卵呷误w級配特征存在極大差異,若未合理考慮其物質(zhì)組成結構,將無法準確評估堰塞湖風險[30]。第二類方法雖然綜合考慮了水力學參數(shù)和災害損失,但其風險評估過程中并未開展壩體穩(wěn)定性快速評價,無法快速實現(xiàn)穩(wěn)定性的量化評估;也并未考慮到潰決機理對潰決特征值變化的影響機制,導致其潰決-致災的災害鏈效應尚未明晰。

本文構建了一套堰塞湖潰決-致災的快速定量評估方法,實現(xiàn)快速定量風險評估。本方法基于極其有限的數(shù)據(jù)信息構建,考慮了堰塞湖和壩體相關物理力學指標、下游河道和影響區(qū)地形數(shù)據(jù)、人口分布情況,實現(xiàn)了考慮顆粒級配組成的穩(wěn)定性快速評價、基于沖蝕特性和崩塌過程的潰口流量變化過程分析、洪水演進過程模擬、生命損失評估預警,明晰了潰決-致災的災害鏈效應。該方法包括五部分:三維地理信息模塊、穩(wěn)定性快速評價模塊、潰口流量快速定量分析模塊、潰決洪水演進模塊和生命損失快速評估模塊,將該方法應用于擁有完整潰決及演進過程實測資料的唐家山堰塞湖案例,一方面驗證了本文模型的可行性,同時也為堰塞湖的風險評估和應急處置提供技術參考。

1 堰塞湖潰決快速風險評估方法

堰塞湖潰決快速定量風險評估方法主要包括:信息收集—穩(wěn)定評價—潰決洪水分析—風險評估—損失預警五部分。詳細步驟如下:①運用HEC-GeoRAS插件快速獲取研究區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù),建立壩體和河道的三維地理信息模塊,實現(xiàn)信息快速收集;②基于邏輯回歸算法,建立考慮堰塞湖壩體形態(tài)特征、物質(zhì)組成和上游堰塞湖水動力條件的穩(wěn)定性快速評價模塊,實現(xiàn)堰塞湖壩體穩(wěn)定性快速評價;③基于堰塞湖潰決機理,開發(fā)基于物理機制并可在1 h內(nèi)快速計算潰決洪峰流量、潰口崩塌過程、潰決時間和潰決庫容等數(shù)據(jù)的潰決洪水分析模塊,實現(xiàn)潰決參數(shù)變化過程快速預測;④將三維地理信息數(shù)據(jù)和潰決洪水定量分析數(shù)據(jù)導入HEC-RAS軟件,構建潰決洪水演進計算模塊,開展風險評估;⑤在地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)中構建可視化潰決洪水淹沒范圍圖,實現(xiàn)風險快速評估預警,揭示潰決洪水影響區(qū)域內(nèi)的生命損失分布特征。

1.1 三維地理信息模塊

基于中科院地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)獲取堰塞湖區(qū)域范圍內(nèi)的高程數(shù)據(jù),運用HEC-GeoRAS插件快速獲取潰決及演進范圍的三維地理信息。主要步驟如下:①基于中科院地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲取堰塞湖具體的經(jīng)緯度信息及其等高線數(shù)據(jù)圖;高程數(shù)據(jù)精度越高,數(shù)據(jù)量幾何倍增加,數(shù)據(jù)處理效率越低,因此,在實際應用時,應根據(jù)具體工程實際選擇所需數(shù)據(jù)精度。對于堰塞湖規(guī)模、下游河道信息和周邊城鎮(zhèn)地區(qū)等數(shù)據(jù),使用精度30M的高程數(shù)據(jù)可滿足應用需求。對于壩體高度、寬度和壩體體積等數(shù)據(jù),可在堰塞湖所在經(jīng)緯度范圍內(nèi)使用精度為12M的高程數(shù)據(jù)。②運用HEC-GeoRAS插件在GIS平臺將河道數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和其它三維地形信息數(shù)據(jù)直接導入并疊加,實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化[31]。迅速獲取堰塞湖的幾何特征、下游影響區(qū)域等關鍵數(shù)據(jù)(1 h內(nèi))。堰塞湖實際應急處置時間非常緊迫,例如唐家山堰塞湖在1個月內(nèi)潰決,10月10日形成的白格堰塞湖更是在3 d內(nèi)發(fā)生潰決。應急處置面臨著基礎資料收集少、分析研究時間緊的困難,在滿足精度的要求下快速處理三維地理信息,能夠為后續(xù)穩(wěn)定性評價-潰決洪水分析等一系列工作提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 穩(wěn)定性快速評價模塊

本模塊采用的穩(wěn)定性快速評價方法,考慮了堰塞湖壩體級配特征、物質(zhì)組成以及上游的水動力條件,而現(xiàn)有評價方法多未考慮堰塞湖壩體物質(zhì)組成。該方法可根據(jù)應急處置時獲取的級配特征(如塊石、礫石、粗細顆粒等),實現(xiàn)精細化和簡化穩(wěn)定性快速評價。具體表達式為

Ls(IVAM)=-0.1981 lg(I)+1.387 lg(Vd)-1.432 lg(Ab)+4.169Mi-8.674

(1)

式中:Ls(IVAM)為堰塞湖壩體穩(wěn)定性評價指標,當Ls(IVAM)<0時,堰塞湖壩體可判定為不穩(wěn)定;當Ls(IVAM)>0時,堰塞湖壩體可判定為穩(wěn)定。I=Hd/W,其中Hd為堰塞湖壩體高度,W為堰塞湖壩體寬度,即順河向距離;Vd為堰塞湖壩體體積,Ab為堰塞湖流域面積;Mi為顆粒特征參數(shù),Mi的取值方法在文獻[32]中具體闡述。

該穩(wěn)定性快速評價方法的絕對準確率、保守準確率、判錯率分別為:88.06%、94.03%、 5.97%,同時與國內(nèi)外同類方法比較[32](BI法[33]、DBI法[34]、Is法和Ia法[35]),結果表明該方法具有可靠性與優(yōu)越性。其具體比較過程已在文獻[32]中詳細說明,文中不再進行贅述。

1.3 潰口流量快速定量分析模塊

堰塞湖潰決風險評估方法中的潰決洪水定量分析模塊多基于歷史上的潰決資料,未考慮潰決機理。雖然參數(shù)模型可利用較短計算時間完成潰決洪峰流量的模擬,但無法獲取潰決流量過程,且未考慮土水耦合作用機制和沖蝕破壞過程[36]。潰決洪水快速定量分析是風險評估和應急處置方案制定的基礎。因此,構建基于潰決機理,考慮壩體材料沖蝕特性和潰口崩塌過程的快速、定量潰決過程計算模型是提高堰塞湖潰決洪水風險評估準確性的必然需求。

本文針對20世紀以來典型的唐家山[37]、易貢[9]、小崗劍[14]、紅石巖[38]和白格[39]等堰塞湖的實測潰決數(shù)據(jù)進行梳理,并在此基礎上提出了基于物理機制的潰決洪水分析模型DB-IWHR(https://github.com/ChenZuyuIWHR/DB-IWHR)免費下載使用,如圖1所示,H為水庫水位(m);t為時間(s);W為庫容(m3);B為潰口寬度(m);m為跌落系數(shù);Z為潰口底高程(m);h為水深(m);C為流量系數(shù)(m1/2);a、b為雙曲線侵蝕模型系數(shù);v、vc分別為流速和初始流速(m/s);γ為容重(kN/m3);c為黏聚力(kPa);φ為摩擦角(deg);m1、m2為雙曲線傾角擴展系數(shù);β、β0分別為潰口傾角和初始傾角(°)。此模型采用寬頂堰公式計算潰決流量,基于圓筒型沖蝕試驗設備(CETA)的試驗數(shù)據(jù)提出雙曲線形式的沖蝕本構模型;在計算潰口崩塌時基于總應力法,采用雙曲線圖表形式,快速確定和模擬潰口崩塌過程。當潰口不斷被沖深時,發(fā)生側向破壞,可通過潰口邊坡穩(wěn)定分析逐級確定臨界坡面和滑裂面[40-41]。DB-IWHR潰決分析程序,可保證工程師在1 h內(nèi)完成目標工況計算,在堰塞湖應急處置時可快速應用。

圖1 堰塞湖潰決洪水分析模型(DB-IWHR)Fig.1 Dam breach analysis model for barrier lake (DB-IWHR)

1.4 洪水演進模塊

將HEC-GeoRAS插件中構建的河道斷面三維模型導入HEC-RAS軟件構建河道模型,將其分為左漫灘、中心區(qū)域和右漫灘3個區(qū)域。確定不同區(qū)域的曼寧系數(shù)以及演進計算的上下游邊界,確定潰決及演進區(qū)域的中心線、河岸線、行洪區(qū)線、區(qū)域面積和糙率等數(shù)據(jù)。潰決演進計算采用開源的HEC-RAS 4.1.0軟件的非恒定流模型計算,實現(xiàn)潰決洪水演進的快速準確模擬。基于非恒定流的方程采用差分法進行求解,通過劃分河道斷面、水流路徑等模擬河道信息,水位-流量關系為邊界條件,時間步長設置為30 s,基于四點隱式差分法進行迭代計算。

非恒定流模擬是基于水流的連續(xù)方程與動量方程展開的,其連續(xù)方程為

(2)

式中:ρ為液體密度;v為流速。

動量方程為

(3)

式中:fi為質(zhì)量力;p為壓力;υ為運動黏滯系數(shù)。

1.5 基于學習機網(wǎng)絡模型的生命損失評估模塊

堰塞湖潰決產(chǎn)生的洪水會對下游地區(qū)造成嚴重損失,其中以生命損失最為重要[42-43]。潰決洪水造成生命損失的致災環(huán)境復雜,亟需在堰塞湖應急處置時開展預警,計算潰決可能造成的損失,及時撤離群眾[44]。目前的生命損失評估方法多存在參數(shù)量化過程不統(tǒng)一,影響因素定義模糊,評估精度不高等問題。本文方法基于極限學習機網(wǎng)絡模型建立風險人口與生命損失間的函數(shù)關系,考慮了主要影響因素與次要影響因素間的作用關系與影響程度;并通過對生命損失影響因素的統(tǒng)一量化,結合前文計算的潰決洪水定量分析數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù),獲取潰決洪水深度、淹沒面積和水位變化過程,繪制淹沒范圍圖,確定潰決洪水到達城鎮(zhèn)時間以及淹沒水深和淹沒范圍。

在堰塞湖災害所造成的生命損失中,風險人口和人口密度等人口統(tǒng)計學變量常作為關鍵參數(shù)參與生命損失模型的計算,如王志軍等[45]的模型。在實際運用中,由于城鎮(zhèn)的人口分布通常較為集中,在城鎮(zhèn)中心區(qū)域的人口密度通常較大,其他區(qū)域人口密度較小,對生命損失計算影響較大。在本模型中,通過潰口流量與洪水演進模塊所計算出的下游淹沒水深,能夠快速預估出下游淹沒范圍,并將該范圍作為生命損失模塊的計算起始條件。在這個范圍內(nèi),根據(jù)人口密度將受災區(qū)域進一步劃分為高密度區(qū)域、低密度區(qū)域[46],不同密度區(qū)域中的修正系數(shù)α、β取值不同。在計算過程中,根據(jù)式(4)對各區(qū)域分別計算求和,最終獲得淹沒范圍內(nèi)的生命損失L為

L=α×β×10A·lgPAR+B·(lgPAR)2

(4)

式中:L為生命損失;α為主要因素修正系數(shù);β為次要因素修正系數(shù);A為人口密度參數(shù);B取0.06。

2 案例分析

2.1 唐家山堰塞湖潰決過程概述

2008年5月12日,受汶川8.0級地震影響,四川通口河右岸發(fā)生特大滑坡,堵塞河流形成唐家山堰塞湖。其距下游北川縣城6 km,綿陽市70 km,下游有將近130萬人民,還有寶成鐵路、輸油管道等重要基礎設施,如圖2所示[12]。為減少唐家山堰塞湖潰決帶來的巨大災害,應急處置開挖了寬為8 m、深為13 m、總長為475 m的引流槽,開挖后的堰塞湖槽底高程為740.4 m。2008年6月8日,槽內(nèi)水深和寬度開始逐步增加,此時上游來流量為80 m3/s,堰塞湖水位逐漸抬升。堰塞湖水位至6月10日01∶30達到最大值743.1 m。從01∶30到09∶30,測量的平均流速值在2.3～2.9 m/s之間,相應的水流剪應力在20～30 Pa之間。堰塞湖潰決時顆粒的啟動流速大約為2.6 m/s。至2008年6月10日12∶36,潰口達到峰值流量,約為6500 m3/s。潰決過程中槽底的平均侵蝕率約為0.5 mm/s,對應的流速為2.4～4.9 m/s,剪應力為20～80 Pa。6月10日20∶00,潰口流速(約2.4 m/s)及流量基本保持不變,表明堰塞湖潰決基本結束,此時堰塞湖水位為720.3 m,整個過程中唐家山堰塞湖的下泄水量約2.3×108m3[12-13]。潰口最終深度為42 m,頂部寬度約為145～235 m,底部寬度約為80～100 m,潰口洪水最大流速為4.96 m/s[47]。6月10日15∶15,洪水到達綿陽市,未出現(xiàn)較大洪峰,排險成功結束。唐家山堰塞湖擁有珍貴的潰決全過程實測資料,為堰塞湖潰決研究提供了翔實的基礎數(shù)據(jù)。堰塞湖相關參數(shù)如表1所示。下游北川(距唐家山壩址7.5 km)、通口(距唐家山壩址31.3 km)、涪江橋(距唐家山壩址78.5 km)等水文站的實測洪水特征值見表2[12]。

表2 唐家山堰塞湖及下游水文站的水文特征值Table 2 Hydrologic characteristics of Tangjiashan barrier lake and downstream gauging stations

根據(jù)前述堰塞湖潰決風險快速定量評估方法,將其應用于唐家山堰塞湖風險評估,具體模擬方法如下。

2.2 三維地理信息模型建立

唐家山堰塞湖位于通口河,沿通口河向下游途經(jīng)北川縣城、通口鎮(zhèn)、含增鎮(zhèn)、青蓮鎮(zhèn)、龍鳳鎮(zhèn)、石馬鎮(zhèn)以及綿陽市[48]等城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn),約有120萬居民。因此,選取的潰決計算及演進計算區(qū)域為唐家山堰塞湖所在地沿通口河至綿陽市的矩形區(qū)域(104°24′E～104°48′E、31°29′N～31°50′N),基于HEC-GeoRAS插件共確定20個斷面,河道中心線長度為84.79 km。

唐家山堰塞湖底高程約為640 m,計算區(qū)域高程急劇下降約200 m,如圖3所示,另外,圖3標注了沿河段的3個典型水文站位置。將基于HEC-GeoRAS插件構建的河道模型導入HEC-RAS軟件,構建潰決洪水演進模型。在唐家山至綿陽市河道選擇20個斷面作為典型斷面,其中1號、4號、19號、20號斷面分別為唐家山堰塞湖、北川水文站、通口水文站、涪江橋水文站和綿陽市如圖4所示。

圖3 通口河段剖面圖

圖4 潰決洪水演進模型構建

2.3 穩(wěn)定性快速評價

唐家山堰塞湖壩體高度為85 m,堰塞湖壩體寬度為802 m、堰塞湖壩體體積為3.26×108m3,堰塞湖流域面積為3550 km2。其顆粒組成以碎石為主,粒徑多小于20 cm,粉質(zhì)黏土達到60%,碎石約為30%～35%,塊石約為5%～10%,顆粒特征參數(shù)Mi取為0.75。將各參數(shù)代入式(1),獲得Ls(IVAM)=-10.87<0,堰塞湖壩體穩(wěn)定性判斷結果為“不穩(wěn)定”,亟需開展?jié)Q洪水模擬分析。

2.4 潰決洪水過程定量分析

采用DB-IWHR開展?jié)Q洪水過程定量分析,輸入?yún)?shù)如表3所示。圖5和表4為潰口流量、堰塞湖水位、潰口水流流速、潰口寬度、潰口底高程的實測值和計算值的對比情況。反演分析結果顯示,6月10日12∶04,潰口出現(xiàn)峰值流量,為7322.79 m3/s,潰決庫容達到2.09×108m3,潰口頂部寬度為131.2 m,潰決水流最大流速為6.36 m/s。若不開挖寬為8 m、深為13 m的引流槽,則在壩頂754 m時堰塞湖將潰決,庫容將達到3.14×108m3,峰值將達到9343.35 m3/s,潰口頂部寬度為151.6 m,潰決最大流速為6.66 m/s。開挖引流槽可使?jié)⒖诜逯盗髁繙p少12.6%,洪量減少36.5%。反演分析的誤差均在12%以內(nèi)[26],因此可以認為反演結果能夠驗證模型的適用性,能夠在保證精度需求的前提下進行快速反演。因此,運用基于物理機制的潰決洪水分析程序可快速、定量地評價堰塞湖潰決過程。

表3 潰決過程反演分析DB-IWHR輸入?yún)?shù)Table 3 DB-IWHR input parameters of inversion analysis of breach process

圖5 唐家山堰塞湖潰決計算結果與實測數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of the measured and calculated data for Tangjiashan barrier lake

表4 唐家山堰塞湖潰決參數(shù)計算結果對比Table 4 Comparison of breach output parameters for Tangjiashan barrier lake

2.5 潰決洪水演進分析

潰決洪水演進分析輸入?yún)?shù)如表5所示。將計算結果與具有實測資料的下游3個水文站資料進行分析對比,驗證洪水演進模塊的可行性。唐家山堰塞湖下游3個水文站反演計算與實測數(shù)據(jù)對比結果如圖6及表6所示。

表5 洪水演進輸入?yún)?shù)表Table 5 Inputs parameters for flood routing model

圖6 唐家山堰塞湖下游3個水文站洪峰流量過程計算與實測數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison of measured and calculated data for three gauging stations downstream of Tangjiashan barrier lake

表6 唐家山堰塞湖下游3個水文站實測與計算結果對比Table 6 Measured and calculated results of three gauging stations downstream of Tangjiashan barrier lake

針對北川水文站,實測北川水文站潰決洪峰時間為6月10日13∶00,潰決流量為6540 m3/s,最高水位為620.29 m。反演分析的潰決洪峰時間為13∶22,潰決流量為6414 m3/s,最高水位為641.00 m。潰決洪峰的誤差為1.9%,最高水位的誤差為3.2%,到達潰決洪峰時間誤差為3.12%。反演分析與實測數(shù)據(jù)間相關系數(shù)為0.9496。

針對通口水文站,實測通口水文站潰決洪峰時間為6月10日13∶00,潰決流量為6210.0 m3/s,最高水位為549.73 m。反演分析的潰決洪峰時間為13∶10,潰決流量為6306.5 m3/s,最高水位為572.50 m。潰決洪峰的誤差為1.6%,最高水深的誤差為4.1%,到達潰決洪峰時間誤差為5.5%。反演分析與預測數(shù)據(jù)間相關系數(shù)為0.9770。

針對涪江橋水文站,實測涪江橋水文站潰決洪峰時間為6月10日15∶18,潰決流量為6100.0 m3/s,最高水位為465.28 m。反演分析的潰決洪峰時間為16∶14,潰決流量為6039.6 m3/s,最高水位為480.50 m。潰決洪峰的誤差為1.0%,最高水深的誤差為3.3%,到達潰決洪峰時間誤差為6.1%。反演分析與實測數(shù)據(jù)間相關系數(shù)為0.9365。

唐家山堰塞湖潰決后,到達下游北川、通口、涪江橋水文站的潰決流量、洪峰到達時間、最大水深等潰決參數(shù)的計算誤差均在10%以內(nèi),且反演數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的相關系數(shù)均到達0.9以上,在洪峰局部與過流全過程均驗證了洪水演進模塊的可行性。計算誤差的來源主要為地形信息誤差、河道糙率數(shù)據(jù)、斷面劃分密度、理論計算依據(jù)等的影響,這是洪水演進研究中不可避免的,且隨著模擬時間與洪水演進,這些缺陷將被不可避免地逐漸放大。

2.6 生命損失風險評估

基于潰決洪水演進分析數(shù)據(jù),在GIS中可視化并構建潰決洪水淹沒范圍圖,獲取潰決后影響區(qū)域的淹沒范圍、淹沒水深和淹沒歷時,評估堰塞湖潰決洪水影響區(qū)域內(nèi)的生命損失分布特征[48]。唐家山堰塞湖潰決后最大淹沒范圍如圖7所示。

圖7 唐家山堰塞湖潰決后最大淹沒范圍Fig.7 The maximum inundation area after the breach of Tangjiashan barrier lake

為規(guī)避面臨的潰決風險,綿陽市大約有27.5萬人在大壩潰決前10 d被安全撤離,并沒有人員喪生[49]。本文主要研究若沒有進行及時疏散,唐家山堰塞湖潰決后將面臨的生命損失。采用生命損失模塊預測實際潰決過程和相應的預警時間。基于洪水演進計算結果,唐家山堰塞湖下游6個城鎮(zhèn)和綿陽市均有可能遭受潰決洪水的威脅,如表7所示。

不同預警條件下的生命損失計算結果,如表8所示。計算結果表明,生命損失與預警時間存在明顯的相關性,若預警時間僅為0.25 h時,生命損失率達到0.25%,當預警時間大于2.0 h時,基本上可做到無生命損失。而唐家山堰塞湖提前10 d預警,保證了無人員喪生。

表7 唐家山堰塞湖下游信息Table 7 Information of the subareas downstream of Tangjiashan barrier lake下游城鎮(zhèn)距離/km河岸高度/m人口數(shù)量/人北川鎮(zhèn)8.0615.830000通口鎮(zhèn)31.0547.57300含增鎮(zhèn)38.0523.410000青蓮鎮(zhèn)45.9493.816300龍鳳鎮(zhèn)55.9474.115000石馬鎮(zhèn)64.0463.020500綿陽市78.0139.01127000表8 不同警報時間下生命損失評估Table 8 Life loss assessment under different alarm time預警時間/h生命損失/人北川鎮(zhèn)通口鎮(zhèn)含增鎮(zhèn)青蓮鎮(zhèn)龍鳳鎮(zhèn)石馬鎮(zhèn)綿陽市0.25512961221791684819290.7539473941381293714841.031559751101033011871.510000032.00000001

3 結論

1)本文提出了在堰塞湖突發(fā)情況下的快速風險評估方法,該方法分為:信息收集—穩(wěn)定評價—潰決洪水分析—風險評估—損失預警共五部分,可實現(xiàn)壩體穩(wěn)定性評價、潰決洪水分析、演進過程快速計算和生命損失分布特征預警的潰決快速定量風險評估。方法考慮了堰塞湖壩體的級配特征,實現(xiàn)精細化和簡化穩(wěn)定性快速評價;考慮潰決機理,建立了基于沖蝕特性和崩塌過程的潰口流量變化過程分析物理模型,實現(xiàn)潰決流量過程快速分析(1 h內(nèi));基于極限學習機網(wǎng)絡模型考慮風險人口與生命損失間的函數(shù)關系,實現(xiàn)了生命損失分布特征預警,明晰了潰決-致災的災害鏈效應。

2)堰塞湖的潰決風險與壩體形態(tài)特征、物質(zhì)組成和堰塞湖水動力條件密切相關,基于有限信息,合理評價堰塞湖壩體的穩(wěn)定性是潰決風險評估的先決條件。構建基于潰決機理,考慮壩體材料沖蝕特性和潰口崩塌過程的快速、定量潰決過程計算模型,獲取水位、潰口流量、潰口寬度、流速和潰口底高程等潰決數(shù)據(jù)的變化過程是堰塞湖風險評估的關鍵。

3)基于GIS技術,可視化構建潰決洪水淹沒范圍圖,迅速獲取潰決后影響區(qū)域的淹沒范圍、淹沒水深和淹沒歷時,是準確開展風險評估的重要保證。根據(jù)潰決洪水的淹沒情況,充分考慮洪水影響區(qū)域內(nèi)的人口分布特征,開展生命損失評估是風險評估和搶險救災的重要目標。

4)在唐家山堰塞湖應急處置中,若不開挖引流槽,則在壩頂754 m時堰塞湖將潰決,庫容將達到3.14×108m3,峰值將達到9343.35 m3/s,潰口寬度為151.6 m,潰決最大流速為6.66 m/s。開挖引流槽可使洪峰流量減少12.6%,洪量減少36.5%。因此,對于庫容較大的堰塞湖,在條件允許的情況下,可通過開挖引流槽降低潰決風險。

5)本文的評估方法基于堰塞湖和壩體的物理力學特性,有效結合三維地理信息,考慮堰塞湖壩體的穩(wěn)定性、沖蝕特性和潰口崩塌,以及復雜條件下的潰決洪水演進過程,可快速、定量評估堰塞湖潰決洪水風險,為堰塞湖的應急處置提供技術支撐。

仍需考慮經(jīng)濟損失和環(huán)境影響等類別的風險后果,需進一步研究考慮致災后果的堰塞湖潰決風險評估方法。