南非奥兰治河流域洪水风险管理研究

[南非] S.邓斯莫尔 等

试验与研究

南非奥兰治河流域洪水风险管理研究

[南非] S.邓斯莫尔 等

为了解决奥兰治河流域的洪水问题，对洪水风险管理展开了研究。介绍了相关学者在南非展开的研究工作的概况以及奥兰治河流域的基本情况，总结了流域防洪存在的问题。研究指出，需要对流域进行总体规划，通过流域分块，采集和筛选数据、建立二维水力模型，以模拟复杂的洪水过程，在此基础上，建立防洪预警系统。对开展该流域洪水风险管理研究的背景条件、现有防洪堤坝的状况、洪水风险的应对措施以及洪水风险管理研究的过程等作了概述。

流域洪水；风险管理；管理研究；奥兰治河；南非

1 研究背景

为了研究洪水管理，一些国际水资源专家对南非的奥兰治(Orange)河流域展开了研究，通过建立水力模型来寻找洪水管理的最佳解决办法。这个项目的研究范围覆盖了奥兰治河长约350 km的区域，亦即包含从布胡山(Boegoeberg)大坝到昂西普坎(Onseepkans)之间的广大地区。来自南非的几个咨询公司以及英国水利研究院为该项研究工作投资了大约 9 000万美元。

奥兰治河是南非地区最大的河流，其流域面积大约为900 000 km2，它为南非莱索托、纳米比亚、博茨瓦纳等沿河国家提供约20%的淡水资源。在该流域，沿河的年降水量分布极其不均匀，在莱索托的东部地区，年降水量可达1 000 mm，而在大西洋的沿岸地区，其年降水量甚至不足100 mm。因此，奥兰治河流域90%的年均径流量是来自于包含瓦尔(Vaal)河在内的上游地区，而瓦尔河是奥兰治河的主要支流之一。

基于上述情况，奥兰治河上游丰富的水资源为下游干旱地区提供了重要的水源。也正因为如此，自19世纪以来，沿河的农业经济也得到了不断地发展。奥兰治河流域内种植有葡萄、柑橘、开心果、山核桃、蔬菜以及谷物等作物。大部分田地都位于沿河两岸的滩涂地区和岛屿上，并且通过运河、渠道、围堰等灌溉系统进行灌溉。

河流上修建的第一个拦水建筑物是布胡山大坝，坝址在阿平顿(Upington)上游150 km处。19世纪70年代，第一次提出了建造大坝和与之连通的运河的计划，但是其收益与投资不成比例。直到20世纪20年代末，在受到沿河灌溉问题的困扰后，才通过了建造大坝的计划并付诸实施。作为一个历史性的项目，布胡山大坝终于在1932年竣工，坝高9 m，其灌溉面积达7 700 hm2。从那以后，另外又修建了8个属于政府管辖的灌溉系统，以确保下游的灌溉用水，同时还修建了长达400 km的灌溉渠道，使灌溉面积超过了20 000 hm2。

2 防洪堤坝

洪水对农业耕种影响深远，防洪堤坝是控制洪水比较好的方法。在水务部门的档案中，洪水冲毁防洪堤坝的最早记录是发生在1957年的洪水事件。然而，直到1974年发生特大洪水之后，才开始引起水务部门和地方政府的重视并开始修建防洪堤坝网。当时，防洪堤坝的设计洪水位，参考的是发生在1976年一次小洪水事件时所记录的洪水位，但是没有考虑到可能发生洪水的其他一些因素。

后续事件表明，这种欠缺全面、综合考虑的做法导致了严重的后果；此外，设计和施工方案的欠缺也导致了一些防洪坝出现滑移和溃坝事件。

3 解决措施

在2011年发生的一次大洪水造成巨大损失之后，农业部、土地改革部和农村发展部(DALRRD)承诺一定要彻底解决这一问题。经过研究和比选,决定由ILISO咨询公司承担对奥兰治河下游的大面积灌溉系统进行水力分析、概念设计和总体规划的重任;同时，该公司还应协调项目的设计和施工。

研究区域包括从布胡山大坝到奥赫拉比斯瀑布之间大约长达350 km的奥兰治河河段;另外还有一小段长约20 km的河段，延伸到了下游纳米比亚边界的昂西坎普。DALRRD需要借助于一个二维水力模型,以便对该项目进行分析研究。为此，ILISO咨询公司指定第四元素咨询公司来担任二维模型的构建工作，英国水利研究院则为这次模型购建和洪水管理研究项目的专家顾问。

之所以选择二维模型，而不是更为常见的一维模型，是因为该河流系统本身就极具复杂性，并且还要求模型能够尽可能真实地模拟在任何位置发生漫堤时，洪水泛滥整个滩区的过程。河流系统是由一个复杂的网状河系组成，而且这些网状河系中，有的是连通不同地区，有的是用于灌溉，有的则是作为防洪堤坝。

建立的模型覆盖的范围大约为1 000 km2。据了解，在30～45 d的周期内，奥兰治河下游的洪水过程线呈现的是典型的双洪峰过程，即洪峰瘦高，来势较猛。因此，建立的模型不仅要能够模拟在一个洪水周期内的洪水过程线及记录下各项参数，并且还要注意各项细节。

对该项目的研究，是采用城市综合流域排水模型系统(InfoWorks ICM)软件，InfoWorks ICM软件能够很好地处理大型地图数据集合和网状区域。为此，将河流划分为6个模型，最后一个是昂西普坎区域的独立模型，第1～5个模型是从布胡山大坝到奥赫拉比斯瀑布依次划分的5个区域。最大一块模型面积大约为200 km2，但这些模型的细节都是相对总体设计而言，所以仍需要详细的防洪堤数据来确保模拟洪水过程的精确性。

令DALRRD担心的一个问题就是，在过去，对防洪堤的建设，都是由包括农民自己在内的不同的组织来监督管理的，因此，设计和施工的标准都不相同。在许多情况下，堤坝是由河流附近区域的沉积物沉积而成，因此很容易出现滑移和坍塌。另外，多数堤坝都是修建在河岸边(是为了最大程度地保证耕地)，这样也很容易出现稳定性差和极易被侵蚀的问题。据悉，在2011年的大洪水中，许多防洪堤在洪水漫堤之前都已溃堤了。

在研究收集的所有数据中，也包括利用激光雷达采集到的数据。由于没有有关防洪堤的正规记录，因此，对使用激光雷达采集到的数据还需要进行筛选和辨别。

通过监测，防洪堤的长度大约有800 km。对于那些按照标准修建和进行正常维护的防洪堤而言，对激光雷达数据相对容易确定，但是对那些没有记录的防洪堤坝的雷达数据，就需要鉴别。在模型校准过程中，对模型模拟精度影响最大的就是那些没有记录的数据。

虽然不确定的地形和防洪堤对于校准模型而言，是否会造成一定困难，但是,近年来发生的一场大洪水的详细记录数据，则有助于模型的校准。

1988年发生的洪水不仅在奥兰治河下游地区造成了大面积破坏，而且还延伸至上游地区，致使河流两岸的城镇、农田被淹没，甚至冲垮了2座大坝。因此，南非需要一个很好的洪水预警系统，以便使生活在下游的居民能够在洪水来临之前撤退到更高的安全区域。

根据洪水流量的变化，模型能够模拟不同大小的洪水对滩涂地区的影响，但是模型只能够模拟流速在8 000 m3/s以下时的情况，而8 000 m3/s的流量为50a一遇的情况。水务部门的职责是控制沿河的洪水指示灯，以及搜集用于校准模型的数据。

4 总体规划

校准模型的主要目的在于，随着对农业用地的重视，需要对沿河区域洪水管理的总体规划进行不断地修改、补充与改善。因此，应根据一系列重现期洪水参数来确定防洪堤的设计标准。规划的结果与地理信息系统收集的数据有关，DALRRD自己也可以为特定区域设计防洪堤标准。

在总体规划中，还应突出那些脆弱地区的问题，目前仍存在没有防洪堤保护的区域，还有一些由于上游洪水上涨时可能会造成巨大损失的区域。这项研究也开始对重现期的选择提出了疑问，不过,其中没有考虑到计划成本和防洪效益的因素。但是当地的一些农民和有关人士认为，低要求的防洪标准更易于管理。

防洪堤、河滩地区洪水泛滥会对更远的下游地区产生严重的影响，这是人们对该区域普遍认可的观点。目前，该项目所面临的一个挑战就是，针对上述观点，应当提出一个有效的解决措施。

洪水过后，滩涂地区的排水问题也急需解决。因为排水问题如果得不到解决，就会影响洪水的持续时间并对农作物产生严重的影响。目前，该河系中的防洪闸很少，即使有,通常也是由铰链门式的结构组成，但是在洪水来临时，这些铰链门可能起不到作用，有时仍需启用人工操作的闸门。

5 结 语

毋容置疑，随着总体规划的不断修改、补充和完善，还会有很多问题会一一浮现。期望这项研究能够突出二维水力模型的优势，使模型不仅仅应用于现在，而且还能够对未来模拟系统的管理发挥作用。也希望所建立的模型，能够通过其系统本身的不断改善和计算机系统的不断升级,而使其运行速度越来越快，功能也更加强大。

该模型可能是目前所建立的南非最大的模型，其优点在实际运用中也日益突出。将来，也可能会将该类模型研究方法应用于非洲的其他一些主要河流的分析研究中。

(徐 嘉 白 韧 编译)

2015-01-19

1006-0081(2015)05-0031-03

P333.2

A