特大洪水演变过程及不确定性研究（一）——IMPACT项目背景及前序CADAM项目

崔弘毅编 译

（国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州 310014）

1 概述

水库大坝对人类社会和经济的发展起到了极其重要的推动作用，因此，尽可能充分地了解其结构、强度和弱点等具有非常重要的意义。只有这样，才能对大坝进行持续有效的管理，保障其安全。一旦由于某种原因发生溃坝失事，其对下游所造成的生命和财产损失将无法估量。基于溃坝后果的严重性，世界各国对于大坝安全问题均给予了高度的重视。自19世纪以来，各国学者分别从理论分析、物理模型试验、数值模拟、溃坝洪水计算模型研究、历史资料统计分析等诸多方面对溃坝问题进行了详细的研究，并取得了许多重要的研究成果。近年来，各国政府又着重开展了在溃坝风险评估、大坝监测和预警系统开发、应急预案编制以及溃坝机理等方面的研究。

尽管溃坝问题研究主要以数值模拟及历史资料统计分析为主，但物理模型试验仍是研究溃坝问题不可或缺的技术手段。溃坝模型试验成果不但可以弥补溃坝历史资料在数量及可靠性上的局限性，还可以为数值模拟提供验证数据，并在溃坝机理研究方面具有上述两种手段无可比拟的优越性。溃坝模型试验研究始于19世纪中叶，大致经历了两个阶段：早期（19世纪末至20世纪80年代）主要以溃坝洪水研究为主，而近期（20世纪90年代以来）的研究重点则放在溃坝机理上。溃坝模拟相关行动（以下简称CADAM）和特大洪水演变过程及不确定性研究（以下简称IMPACT）即属于溃坝机理模型试验研究。

2 CADAM项目的背景

近几年中，英国发生了一系列大洪水事件，公众关于洪水风险和影响的意识也相应得到了提高。在这些大洪水事件中，许多防洪设施发生了漫顶，也有一些防洪设施发生了垮塌事故。虽然还没有一座大坝溃决，但发生过大坝漫顶，事故引发人们思考：如果溃坝了，后果会怎么样呢？随着公众相关意识的加强，学界识别和降低洪水和溃坝风险的压力也越来越大。

目前为止，预测大坝或防洪设施溃决事故所带来的潜在影响在英国还不是法定要求的必须项目，但立法正在向这方面前行。《英国水库风险管理导则》（CIRIA，2000）已经出版，早前，英国环境、粮食和农村事务部（Department of Environment,Food and Rural Affairs,DEFRA）赞助了大坝和水库风险评价方法的研究项目。

大坝或防洪设施溃决风险评估的基础是预测溃坝本身条件。风险评估和管理框架将为识别风险和风险排序提供一个机制，但其过程则与其精确性紧密相关，只有达到一定的精确度，才能确定各种溃决模式和其发生过程。就英国目前用来预测洪水和大坝溃决的工具和方法，其可靠性和灵活性，相比于河流模型和施工设计的模拟方法，最多也只能说尚存在其局限性。

由于担心公众对溃坝引起的潜在洪水风险有不良反应，许多这方面的研究仍被严格保密，这也限制了对更新更好的预测方法的复核、评估和开发工作。如果连话题都不能公开讨论，自然不能明确对这些方法的需求。

在CADAM项目中，研究更好的方法和深化这方面知识的需求得到明确。现在的发展趋势是将洪水风险数据向公众公开，当然，向公众提供准确、恰当的溃坝预测的压力也越来越大，但这些研究方法对终端客户（如应急规划）的重要性还是一如既往，丝毫没有减少。

3 CADAM项目的结论

1998～2000年，欧盟资助了一项称为CADAM（Concerted Action on Dambreak Modelling）的溃坝模拟协调行动计划，为期两年，于2000年1月结束。它促成了欧洲溃坝和溃坝模拟的比较，有20多个组织参加。CADAM建立了4个专题研究小组，研究范围包括多个溃坝专题，它们以现场、实验室、个人或国家研究项目所从事的一部分研究工作中采集的数字模拟数据为基础，发表了一个题为《溃坝模拟导则和最佳实践》的指导性文件,并为将来的研究作了一系列重要建议（工程报告）。

CADAM项目一共得出了31条具体结论，以下为精选出的部分结论：

结论9：虽然在预报一般流体动力学条件方面数值模型的精度比其它的溃坝研究方法要好，但是，它模拟复杂水流条件（例如，在城市地区）的能力较差。

结论10：精确度方面没有进展。模型建立者不愿意去定义精确度，因为模型建立过程中有太多未知因素和假设。同样，许多终端用户也不清楚使用工况，特别是立法不涉及的领域，就更不清楚状况了。除非对精确度提出明确的要求程度，否则就无法对精确度进行真正的评估。

结论11：业已证明，在CADAM限制范围内，要识别适合于所有的溃坝水流条件的单个“最好”模型或者模型类型相当困难，如果想要达到这样的水平，则需要开展更多更详细、更深入的数据和模型性态分析。

结论12：溃坝模型建立过程中的不确定性是导致整个溃坝分析不确定性的重要因素。

结论13和15：现在预测溃坝程度和地点的能力非常有限，溃坝模型的精度也非常有限。溃坝洪峰预测大概能达到50%的准确度，而预测的形成时间其准确度则低得多。

结论17：目前，没有单一的推荐溃坝模型。虽然NWS溃坝模型得到了广泛应用，但其有明显的局限性。许多研究人员正在努力改进溃坝模型。为提高该领域的研究水平，将水力学和土力学的知识融入是非常必要的。

结论20：溃坝事件中，很可能伴随发生大规模的残骸和泥沙运动，它将极大地改变山谷地形，尤其是近坝处的地形，还会极大地影响预测的洪水深度。在溃坝分析中，也应该考虑到这种种因素的影响。

结论23：研究者表示，高密度的残骸和泥沙运动将极大地影响洪水的行进速度，需要进一步研究泥沙运动造成的影响。

4 IMPACT项目

针对CADAM项目研究中提炼出来的一些关键技术问题，“IMPACT”欧洲合作工程项目将对其进行研究，IMPACT是CADAM项目的延续。IMPACT（Investigation of ExtreMe Flood Processes And Un-CertainTy）项目意为特大洪水过程及其不确定性的研究。IMPACT根据第五框架计划由欧盟资助，是由德国、比利时、法国、意大利、西班牙、挪威、葡萄牙和英国的许多公司和大学参加的研究项目，有来自10个国家的11位研究人员参与，目的在于增进对影响特大洪水预报可靠性方面的关键领域的认识和了解，以帮助开发新的模拟手段，实施在能源、环境和可持续发展计划内关于“自然和技术危害”的共同行动。该项目由英国的HR Wallingford进行组织协调。

IMPACT项目分3 a进行（2002～2004年），共计安排4次研讨会、1次评审会。

为了有效地管理与尽量减少洪水风险，必须以一种一致而可靠的方法识别危险和易遭致危害的弱点。同样重要的是要知道在紧急情况下建筑物的性能和了解溃坝的潜在后果，以便为了公众安全而制定应急计划。IMPACT项目考虑了不确定性因素开展最大可能洪水条件下的溃坝预测研究，它是一项综合的研究项目，重点在3个关键的洪水过程领域。这3个在CADAM引起反响的问题是：

（1）溃坝形成（WP2）；

（2）洪水传播（WP3）；

（3）泥沙运动（WP4）。

该研究的第四个领域（WP5）是与这些过程有关的不确定性。虽然将工作这样划分为“工作专题”（WPs），但是4个专题之间仍有相互作用。

IMPACT使用了各种不同的方法和联系现场工作、实验室物理模型、桌面分析和计算模型。参与这项工程的人员也与其它国家的和国际之间的类似工程的研究人员联络。在每个工作程序中进行的研究概括如图1。

图1 IMPACT中4个相互关联的专题Fig.1 Four main areas in the IMPACT project

科学目标及其研究手段如下：这一阶段项目的研究目的是为了最大限度地降低最大洪水条件下由不确定性造成的溃坝洪水的损失，特别是在以下4个关键领域里提高其科学性和认知程度、开发预测模型：

（1）溃坝产生引起的泥沙运动（包括可能的污染物）；

（2）土石坝溃决机理与确定溃决位置的参数（包括大坝与堤防）；

（3）模拟山区河道与城市地区的洪水淹没范围；

（4）利用地理信息技术快速评价土石坝或堤防结构的完好性。

研究工作将通过现场试验与实验室内的物理模型试验，并与数学模型计算结果相比较。IM-PACT项目的关键目标是提高对上述几个方面问题中不确定性的认识，这需要由从一个单独的系统（案例分析等）到再现不确定性的真实程度的过程来实现。

成果：IMPACT项目研究有助于人们科学地了解和认识特大洪水以及发生溃决事件以后洪水的传播与演进，特别是在溃坝和溃堤、泥沙运动以及城市洪水模拟等方面。同时，也会提高人们在特大洪水条件下的风险认识和对预测中不确定问题的理解。

项目的研究成果应用于工业方面后，将会极大地降低溃坝的风险（指降低长期的投资），并通过建立应急措施和地区灾害防备达到改善公共安全的目的。

IMPACT项目中共进行了5次大尺度现场试验（坝高4～6 m）及22组室内小比尺试验（模型比尺1∶10～1∶7.5），见表1及表2。

试验中针对不同坝型（均质坝、心墙坝）、不同坝体几何形状（不同坝坡、不同顶宽）、不同筑坝材料（非粘性材料、粘性材料）、不同材料性能（粒径级配、压实程度、含水量）、不同溃决型式（漫顶、管涌）等影响因素进行了详细的研究，取得了丰富的成果。通过现场及室内试验的研究分析，在溃坝机理方面得出以下结论：

（1）无论对何种材料构成的堤坝，在发生漫顶情况下，其下游坝面的冲刷在开始阶段是缓慢渐进的，而当冲刷最终发展到坝顶上游边缘后，溃决过程将十分迅速剧烈。并且溃口首先向下发展到坝脚，随后才向两侧发展；

表1 IMPACT项目现场试验统计Table 1:Field tests description

表2 IMPACT项目室内试验统计Table 2:Laboratory tests description

（2）溃口边壁在溃决过程中几乎是垂直的；

（3）坝体型式（均质、混合结构）、填筑材料性质（粘性、非粘性）、施工方法（压实度、含水量）及溃口发生位置等对溃口发展均有较大影响；

（4）坝体内部的冲刷过程首先从缺陷处开始，且会持续较长时间，直至冲刷发展至坝顶才发生破坏。

美国、新西兰等国家的学者也对土石坝溃决机理进行了相关试验研究，亦得出了与上述类似的结论。

[1]M.莫里斯.IMPACT有效提高洪水风险管理水平[J].国际水力发电,2003,(4):1-4.

[2]M.莫里斯.IMPACT洪水风险管理计划[J].水利水电快报,2003,24(8):25-27.

[3]李云,李君.溃坝模型试验研究综述[J].水科学进展，2009,20(2):304-309.

[4]Final Technical Report of Investigation of Extreme Flood Processes And Uncertainty[R].2005.