水库溃坝洪水数值模拟与防洪管理对策研究

黄 凌，孙月峰，2，李 颖，周正印

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300072;2.天津工业大学管理学院，天津 300387;3.天津市水利勘测设计院，天津 300204;4.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

水库溃坝洪水数值模拟与防洪管理对策研究

黄 凌1，孙月峰1，2，李 颖3，周正印4

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300072;2.天津工业大学管理学院，天津 300387;3.天津市水利勘测设计院，天津 300204;4.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

目前防洪措施的制定主要基于定性分析与经验判断，防洪措施集中于防洪工程设施的管理与维护、源头控制、法规制定、自然保护区措施、经济手段、洪水预警等方面，缺乏基于定量分析的防洪措施的研究。基于溃坝洪水数值模拟得到的淹没范围、水深和流速等关键信息，对深圳市公明水库的防洪工程与非工程措施进行了研究，为区域防洪决策与规划管理提供了理论依据。

防洪减灾;溃坝洪水数值模拟;防洪措施

一、引 言

我国是一个洪涝灾害严重而频繁的国家。随着人口的增加，社会经济的迅速发展，防洪工程对下游人民生命财产和生态环境的潜在威胁也越大，遏制洪水灾害的影响已成为社会和谐发展的重大任务。大量防洪实践证明，防洪工程与非工程措施相结合的方针提高了防洪效益，减小了洪灾损失。因此，防洪管理对策研究是一个值得深入探索的问题。

随着经济高速发展，治水思路已从“入海为安”转化为“承受适度风险”，从“洪水控制”转化为“洪水管理”，从采用“工程措施”转化为“综合采用工程措施和非工程措施”［1］。20世纪70年代初，美国首先提出非工程措施防洪的概念，随后世界各国在防洪减灾规划上开始将工程措施与非工程措施相结合。刘国纬［2］基于人与洪水的关系，对防洪减灾非工程措施的定义与分类进行了研究;田友［3］从防洪行为主体、客体及行为环境相互作用、相互依存的角度，对防洪体系的结构进行了解析;刘方贵等［4］对防洪非工程措施进行了探讨;杜挺［5］阐述了防洪非工程措施在洪泛区的应用。以上防洪管理措施的研究大多集中于防洪工程措施与非工程措施的定性描述及分析，而基于定量分析方法制定防洪措施的相关研究成果较少。

洪水管理是人类遵循可持续发展原则，以协调人与洪水的关系为目的，理性规范洪水调控行为与增强自适应能力等一系列活动的总称［6］。长期的防洪实践使人们认识到，洪水管理必须将防洪工程措施和非工程措施结合起来［7］。目前防洪工程措施运用已比较成熟，主要包括修建防洪工程、加固大坝、整治河道、建立分洪区等。防洪工程措施的减灾作用最为明显，它是一项必不可少的基础性措施。非工程措施是指为了减少洪水灾害损失，采取颁布和实施法令、政策及防洪工程以外的技术手段等方面的措施。主要包括洪泛区管理、洪水预报、防洪调度、分洪、滞洪、立法、洪水保险等，从而加强防洪管理，顺应洪水的天然特性，达到防洪减灾的目的。防洪非工程措施不仅投资小，见效快，还能为大坝工程安全提供可靠保障。防洪减灾措施体系结构如图1所示［8］。

本文从溃坝洪水数值模拟获得的关键水情信息出发，对防洪减灾对策进行了探讨，以期为工程安全与流域防灾减灾提供科学依据。

图1 防洪减灾措施结构框架

二、溃坝洪水演进数学模型

洪水信息的准确性是防洪减灾对策合理有效的重要前提，因此，基于洪水数值模拟获得淹没范围、流速和水深等关键水情信息，从而制定更为合理的防灾减灾管理对策。

采用耦合VOF方法的紊流模型对溃坝洪水进行数值模拟，是一种比通常采用的一维和二维水面线追踪方法更为精细的方法［9］。模型包括连续方程、动量方程、k方程和ε方程。

连续性方程为

通常，取经验常数 cμ=0.09，σk=1.44，σε=1.92，C1ε=1.0，C2ε=1.3。

VOF方法在模型中引入相体积分数F，F是空间和时间的函数，F=F(x，y，z，t)，F 取值是网格内各流体的体积与能够被流体通过的空间体积的比值。引入F变量后，式(1)～式(4)中的ρ和μ不再是常量，而是与F有关的变量，其表达式为

式中:ρw、ρa分别为水、气两种流体的密度，kg/m3;μw、μa分别为水、气两种流体的分子动力粘性系数，(N·m)/s;dw为水的体积分数，无因次。

通过αw的迭代求解，经过式(5)和式(6)可求得ρ和μ，并将ρ和μ代入式(1)～式(4)进行求解。水气界面的追踪通过下式实现，即

式中:t为时间，s;ui为速度分量，m/s;xi为坐标分量，m。

模型边界条件包括进口边界、出口边界和固体壁面边界，并采用PISO算法对模型进行求解。

三、实例研究

公明水库位于深圳市茅洲河上游公明、光明街道办管辖区，水库设计库容 1.42亿 m3，坝高46.9 m，正常蓄水位56.5 m，属大(2)型水库，是深圳市的重要调蓄工程。

1.水库溃坝洪水演进分析

研究区域不同时刻的VOF分布如图2所示。溃坝初期水流在溃口附近呈线性扩散，随着水量增加，水头锋面开始向前方移动，在前进方向上呈近弧状向各个方向推进。水流从溃口向四周逐渐衰减，随着时间的增加，水流沿两侧的推进速度大于前进速度，在1 100 s时水流侧峰移动到南侧高地边界，3 600 s时水流基本上充满整个研究区域，8 000 s时达到稳定。

图3为不同时刻的水流速度分布，溃坝初期水流自溃口泄出，逐渐向下游扩散，在地面摩擦力及障碍物等的作用下水流速度逐渐降低，部分高地地段出现水流回旋现象，表现为水流的折射、回退及发散。3 600 s时水流充满计算区域，8 000 s时水流流速很小，洪水演进结束。

图2 不同时刻研究区域VOF分布

图3 不同时刻计算区域表面水流速度分布

2.基于溃坝洪水数值模拟的防洪工程与非工程措施

结合溃坝洪水数值模拟得到的研究区域不同时刻的水深和流速，公明水库应采取的工程措施主要包括以下几个方面［10-11］。

(1)推进水库大坝除险加固，强化工程建设质量。通过数值模拟可知，公明水库溃坝导致的淹没影响比较严重。因此，应当对大坝进行除险加固，保证水库的安全;特别要强化建设质量与基础设施建设，保证工程措施的有效性。

(2)对公明水库洪泛区进行科学的规划与管理。公明水库下游人口及企业密集，数值模拟结果表明，一旦发生溃坝将对下游人口及工业区造成严重的影响，破坏下游生态平衡。因此，应根据洪水模拟结果，结合下游区域自然地理条件，对行洪区或低洼易淹区的生态、土地、生产、产业结构和人民生活居住区等进行全面规划，合理布局，适度开发，并从法令条例或经济手段上给予及时指导和限制，减轻溃坝后果。

(3)整治公明水库洪泛区下游河道，束水攻沙，加大对下游河床的冲刷力度。由数值模拟结果可以看出，河道在洪水演进过程中起到了引流作用。因此，整治公明水库下游河道，将宽浅散乱的河道整治为窄深规顺的单一河道，增大河段单宽流量，大幅度提高河段水流输沙能力。为维持下游区域河段较大比降，应对畸形河段进行裁弯。此外，在完成河道整治的基础上，应对局部河段实施挖河疏浚与拖淤疏浚，以利于公明水库溃坝洪水的管理。

(4)加大公明水库上游及周边水土流失治理力度，减少泥沙进入水库，保证水库库容。公明水库所在地以丘陵状的半平原地带为主，附近有众多小山包，泥沙淤积将会影响水库库容。公明水库建成后，暴雨洪水及上游河道来水中的泥沙沉降将会导致库区的泥沙淤积，造成水库库容减小，不利于水库的防洪调蓄。因此，应加大水土流失治理力度，实现水库的安全运行与管理。

(5)在公明水库下游区域修建排水工程。通过在公明水库下游区域修建排水泵站，完善公明水库下游区域的排水系统，及时将溃坝洪水排出，降低洪水造成的损失。

非工程措施主要包括以下几个方面［12］。

(1)加强对公明水库下游公众的教育宣传，强化公众参与。公明水库溃坝将会导致严重的生命损失、经济损失和环境影响。因此，应加强下游风险人口对溃坝严重性的理解，加大宣传教育，使人们认识到溃坝洪水的严重性及其所面临的风险。并发挥下游群众的监督作用，使得风险管理机制发挥其应有作用。

(2)建立科学合理的应急预案，完善公明水库溃坝洪水应急救助措施。模拟结果表明，溃坝约1小时后，洪水即充满研究区域。因此，应完善公明水库下游通讯、道路交通建设，保障基础设施的畅通，尽早发布警报信息;并根据数值模拟结果制定合理的避难路线，使人们能迅速撤离。同时，加强公明水库汛期总结及应对紧急事件经验教训交流，指导完善应急预案与应急救助措施。

(3)健全公明水库大坝风险管理制度。规范公明水库大坝风险评价，建立相应的风险评价规范与应急对策，加强水库风险管理各环节间的联系，专门配置人员负责水库风险管理;加强公明水库洪水演进、风险区规划、风险标准等的研究，为公明水库大坝风险管理的实施提供有效的技术支撑;运用风险分析的结果，总结水库存在的安全隐患，指导风险管理措施的有效实施。

(4)建立公明水库溃坝洪水预报与警报系统。根据模拟分析获得的洪峰流量、水位、流速、洪水到达时间等信息，及时对下游洪泛区发出警报，选择最佳的避难路线，组织人口、财物的疏散撤离，做好抗洪抢险准备，以避免或减少溃坝洪灾损失。

(5)以信息化带动防汛管理现代化，实现公明水库防洪决策科学化。公明水库的防洪决策离不开对水库下游区域的洪水演进分析，基于此建立公明水库溃坝信息管理与决策支持系统。完善公明水库信息采集传输网，建成高效可靠、先进实用、覆盖下游重点防洪区域的防汛指挥系统，实现水情、险情、灾情信息的及时发布，为公明水库防汛指挥提供科学全面的决策支持。

(6)建立稳定的公明水库溃坝防灾投入制度，提高大坝防灾减灾能力。保证按规划建好、管好和用好防洪减灾系统，建立稳定的大坝防灾投入制度，是做好公明水库大坝防洪减灾工作的物质保证。

四、结 语

随着我国治水新思路的转化，防洪工程措施与非工程措施在洪灾管理中占有非常重要的地位。而传统的洪灾管理措施大都基于定性分析和经验方法，难以满足经济高速发展对防洪管理的要求。基于溃坝洪水数值模拟的洪灾管理弥补了经验方法的不足。根据溃坝洪水数值模拟得到洪水淹没范围、水深和流速等关键水情信息，制定合理有效的防洪对策，并以公明水库为例进行了溃坝洪水数值模拟和防洪对策研究，为工程安全和区域公共安全提供了决策依据。

［1］ 李 雷，王仁钟，盛金保，等.大坝风险评价与风险管理［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［2］ 刘国纬.论防洪减灾非工程措施的定义与分类［J］.水科学进展，2003，14(1):98-103.

［3］ 田 友.现代防洪减灾体系探析［J］.中国水利，2003(3):36-37.

［4］ 刘方贵，刘岩峰，高学新，等.防洪非工程措施探讨［J］.水利科技与经济，2009，15(7):565-567.

［5］ 杜 挺.浅议非工程防洪措施在洪泛区的应用［J］.水利科技与经济，2010，16(3):326-327.

［6］ 徐乾清.对中国防洪减灾问题的基本认识和建立具有中国特色的防洪减灾体系的初步设想［J］.水文，2003，23(2):1-7.

［7］ 刘海超.浅论非工程措施在防洪中的作用［J］.西藏科技，2009(2):24-25.

［8］ 赵洪杰.流域防洪体系效果评价研究［D］.南京:河海大学水利水电工程学院，2007.

［9］ 符传军，练继建.溃坝水流在复杂河道中传播的三维数值模拟［J］.水利学报，2007，38(10):1151-1157.

［10］ 赵振武.渭河下游洪水演进数值模拟及防洪减灾对策研究［D］.武汉:武汉大学水利水电学院，2004.

［11］ 黄 凌.基于三维洪水演进数值模拟的溃坝损失评价与对策研究［D］.天津:天津大学建筑工程学院，2010.

［12］ 王少军.溃坝洪水与大坝风险管理［J］.中国减灾，2007(11):30-31.

Numerical Simulation of Dam-Break Flood and Flood Control Countermeasure

HUANG Ling1，SUN Yue-feng1，2，LI Ying3，ZHOU Zheng-yin4
(1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China;
2.School of Management，Tianjin Polytechnic Universtity，Tianjin 300387，China;
3.Tianjin Municipal Water Conservancy Survey and Design Institute，Tianjin 300204，China;
4.School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Most flood control measures are based on qualitative analysis and experiential judgment，which mainly focus on management and maintenance of structural flood control measures，source control，rules formulation，establishing nature reserves，economic means and flood forecasting，but flood control measures based on quantitative analysis are scarce.The structural and non-structural flood control measures of the Gongming reservoir in shenzhen are studied based on flooded area，depth，and velocity by dam-break flood numerical simulation，which provides theory basis for flood control measure decision and planning management.

flood prevention and disaster alleviation;dam-break flood numerical simulation;flood control measure

TV87

A

1008-4339(2011)02-0116-05

2010-07-10.

天津市自然科学基金资助项目(09JCYBJC08700;08JCZDJC25400);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB714101).

黄 凌(1969— )，男，博士研究生.

孙月峰，sunyf 915@163.com.