“11·3”金沙江白格堰塞湖水文应急监测预报

摘要：堰塞湖形成后，迅速有效地开展水文应急测报工作对制定处置方案、减少损失起着至关重要的作用。在分析河道特性、沿岸人口和经济社会分布的基础上，从应急监测、应急分析计算、应急预报3个方面对长江水利委员会水文局在“11·3”金沙江白格堰塞湖中的水文应急工作进行了分析总结。全面介绍了此次堰塞湖水文应急监测工作的总体布局和实施情况，水文应急分析计算的方法和成果，水文应急预报方法、共享模式等情况，并对有关问题提出了建议和设想。

关键词：应急监测;水文预报;洪水演进;白格堰塞湖;金沙江

中图法分类号：P33

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.005

文章编号：1001-4179（2019）03-0023-05

2018年11月3日17：00许，西藏自治区昌都市江达县波罗乡白格村境内金沙江右岸继第一次滑坡后再次发生大规模山体滑坡，滑坡堵塞金沙江并形成堰塞湖。堰塞湖水位持续快速上涨，威胁着，上、下游人民群眾的生命财产安全。长江水利委员会水文局（以下简称长江委水文局）迅速集结专业技术队伍开展了水文应急测报工作，为堰塞湖的成功处置做出了突出贡献。

水文应急测报工作是堰塞湖应急处置的关键组成部分，主要由水文应急监测、水文应急分析计算和水文应急预报3个部分组成，其相互关系见图1。

1 水文应急监测

水文应急监测是水文应急工作的基础，为水文应急分析计算及应急预报提供前期基础资料和实时信息。堰塞湖水文应急监测主要包括：应急控制测量、堰塞体监测、水道勘测（库区及下游河道）及水文要素监测等”。此次在准确推算金沙江白格堰塞湖库容的基础上，更加注重堰塞体上、下游水文要素的应急监测，特别是溃决后下游水文测站的应急监测，为堰塞湖的处置、堰塞湖区及溃坝后下游沿岸避险提供支撑，并为后续研究工作提供宝贵的水文数据。

1.1 组建应急监测站网

堰塞湖形成后，长江委水文局根据河道特性及沿岸人口和经济社会分布，充分利用干流现有水文测站组建应急监测站网，分别将岗拖（坝上90km）、巴塘（坝下190km）、奔子栏（坝下382km）、塔城（坝下487km）、石鼓（坝下574km）、上虎跳峡站（坝下619km）等纳入监测站网;并将长江委水文局运行维护的波罗（坝上15km）、叶巴滩（坝下56km）等2个工程专用站纳入。同时，四川水文部门在坝体上、下游3km处分别设立了水位观测站。这些站点相互配套，协同“作战”，构成了“11·3”白格堰塞湖水文应急监测站网。

1.2 编制应急监测方案、开展前期准备工作

根据本次堰塞湖的实际情况，结合各监测点的水文特性，从人员配置、测验技术方案、仪器设备、安全转移等方面逐站编写了《金沙江白格堰塞湖应急监测方案》，确保在测洪能力范围内的水沙资料收集。超标准洪水采用高洪应急预案，灵活应用先进仪器和传统手段，保证洪水水位过程测得到、报得出，并尽量测记流量过程;充分考虑可能出现的各种困难，确保安全生产。

为成功应对溃坝洪水，各监测点积极准备，检查维护现有设施设备，设立高水应急监测设施设备，开展夜测演练、高洪监测演练、无人机浮标投放演练等。考虑溃坝后各站水位涨势猛、涨幅大、洪峰水位高等特点，对现有大断面进行了延测，对临时断面进行大断面补测，并结合历史洪水资料对各站水位流量关系进行了高水延长，为应急分析计算及预报提供支撑。各监测点还积极与地方政府及相关部门联系，协助办理车辆通行证，提供帐篷、电力设施等物资保障，完成水文站重要物资转移，布设紧急撤离安置点等，为实施水文应急监测打下基础。

1.3 水文应急监测实施及成果

堰塞湖形成后，波罗站在第一时间展开了水位观测，期间水位持续大幅上涨，累计上涨60余米。营地共搬迁5次，监测人员在极其艰苦的条件下一直坚守岗位，采用人工和自记水位计结合的方式共观测水位1000余次，为战胜堰塞湖溃坝洪水起到了关键作用。

堰塞体过流后，下泄流量迅速增大，坝上水位迅速降低，出现山体垮塌、道路被毁等情况，下游水位快速.上涨，流速大、漂浮物多、冲刷力极强，同时部分站点遭遇电力通讯中断等情况，自记水位计观测精度不能满足要求，水位以人工观测为主。流量测验主要采用浮标法、电波流速仪法等方法。

溃坝后，叶巴滩站2h多水位，上涨30m，最大1min水位涨幅达3.53m，监测人员采用全站仪免棱镜方式完整报出了水位过程。巴塘站最大1h水位涨幅超过11m，不到12h内共施测19次流量，测验难度大、频率高。奔子栏站在缆道房机绞被淹、观测井倒塌的条件下，测流33次，完整记录了洪水变化过程。塔城、石鼓、上虎跳峡等测站克服漂浮物多、夜测能见度低、江面开阔、人员精力消耗大等困难，连续测报超过10h，监测到了主要水文要素信息。

水文监测数据及时通过公网、卫星报送，水位报送段次涨洪期间5～10min一次，退水期1h一次。

应急监测同时，后方对各监测点应急监测资料开展了实时整编工作，及时发布整编成果。堰塞湖水文应急监测工作结束后，长江委水文局组织四川省水文局、云南省水文局等相关单位对此次堰塞湖溃坝洪水做了专项水文资料整编，进行了单站合理性检查、上下游站综合对照检查及水量平衡分析，经检查各监测断面洪水过程、峰值及出现时间均基本相对应，上下游水量基本平衡，结果合理。

2 水文应急分析计算

水文应急分析计算是应急处置

的前提，通过溃坝洪水分析计算，为堰塞湖处置、危险区人员转移提供决策依据。

2.1溃坝洪峰流量估算

通过基于GIS和DEM网格数据相结合的快速空间信息处理技术，并结合实况信息，推算白格堰塞湖水位-库容曲线成果如图2所示。

从图2可见，堰塞湖水位-库容曲线在高水部分与实测数据更接近，低水部分受限于DEM精度，与实测成果有一定偏差。由于堰塞湖溃决更关注溃决造峰时的高水情况，采用GIS软件估算的堰塞湖水位-库容曲线可有效应用于溃坝洪水研究。

“11·3”白格堰塞湖为渐溃工况，在地形资料缺乏、信息来源不全、应急成果需求急迫等情况下，溃坝最大洪峰流量计算以铁道部科学研究院经验公式2为主，并采用其它溃坝洪水计算方法（黄河水利委员会经验公式、谢任之经验公式等）进行对比分析，计算的关键是确定溃口宽度及深度。本次结合白格“11·3”溃坝情况，经过多种经验公式估算并考虑堰塞体土石比构成，模拟溃口宽度按照100m，坝体1/3溃、1/2溃（对应工况1、2），采用铁道部科学研究院溃坝洪峰流量公式估算溃坝洪峰流量为23700～41700m³/s。后根据动、静库容反推坝址最大下泄洪峰流量约31000m'/s，表明溃坝最大洪峰流量在工况1、2之间，验证了铁道部科学研究院经验公式的实用性。该公式在应急抢险中因时间紧急、现场情形所获资料较少时，能快速地评估溃坝洪水量级，为快速抢险决策提供了重要参考。

2.2 溃坝洪水演进分析

溃坝波为立波，峰型尖瘦，波速较大，摩擦损失与之相比占次要地位，且洪水向下游演进过程中，水流受河槽调蓄影响，流量尖峰部分很快坦化[3-5]，因此本次溃坝洪水演进首先分析提炼GIS、Google获取的地形关键因子，并利用白格“10.10”溃坝洪水对模型参数进行反演率定，然后耦合多种洪峰展平公式（如谢任之公式、李斯特万公式、克曼公式等）进行演算，估算坝址下游水文站的最大洪水流量及水位涨幅情况，估算结果见图3。

从图3可见，坝下各站最大洪峰流量、最大水位涨幅均未超过工况2的对应值，说明以工况2情景对应的洪水预测成果作为溃坝洪水上限是可靠的。但本次估算的石鼓站洪峰预测值和实测值有一定偏差，分析原因为，奔子栏以下尤其是塔城以下至虎跳峡河段，河谷展宽，河道调蓄作用显著。

采用洪峰展平公式估算堰塞体下游测站洪峰流量及水位涨幅，能快速估算堰塞体下游洪灾影响，为前方应急抢险决策提供重要参考。但以上公式都是基于棱柱体河槽、洪水波概化为三角形、忽略惯性项等假定，对于河道地形变化较大，溃坝洪水量级较大、洪水漫滩等情况，需结合水力学方法及地形资料进行复核率定，综合确定洪水演算成果。

3 水文应急预报

崩滑堵江形成的堰塞湖在山区广泛存在，此类堰塞湖溃坝形成和发展过程属于非正常和难预测事件，溃坝后形成的洪水异常凶猛，水流速率大、洪峰量级高、洪量集中、过程变化急骤，洪水准确预报技术难度大。金沙江“11·3”白格堰塞湖各断面洪水演进过程如图4所示。

3.1 入湖来水及水位预报

堰塞湖入湖来水预报是堰塞湖水量预测、水位预报的基础，一般堰塞湖集水区为无控区域，由于缺乏水文气象资料、下垫面信息，通常采用预报模型参数移植、上下游水文站倍比放缩等方法构建来水预报方案体系。随着网格定量降水预报技术以及数字高程信息处理技术的发展，耦合气象数值预报的分布式水文模型成为堰塞湖应急水文预报方案快速构建、率定的新技术。在“11·3”白格堰塞湖处置期间，通过上述传统方法与新技术的结合，较为精准地预报了入湖来水，提前10d预测出11月13日堰塞湖最大蓄水量5.78亿m'（与实况吻合）;提前24h精准预测堰塞湖水位到达引流槽底坎时间;提前6h精准预测堰塞湖最高水位和达到时间，为工程处置进度控制提供了重要技术支撑。

3.2 堰塞湖溃口流量实时分析

溃口流量实时推算是下游洪水演进实时预报的边界输入和关键依据。在实时推流过程中，通过联解水量平衡方程与蓄泄关系，搭建静库容调洪演算模型，根据10，15，30min等不同时间步长的水位变幅，推算多时间尺度的流量过程，综合获取最终的过流过程，最终确定最大过流流量31000m³/s（13日18：00）。同时通过搭建动库容调洪演算模型复核溃口推流计算成果（考虑最远回水端距堰塞体约84km），计算发现，动库容计算成果（溃口最大流量31500m3/s）与实时溃口推流成果基本一致。

3.3 下游实时洪水演算

堰塞湖溃决形成的超标准溃坝洪水，势能大、流速大、短时涨幅大，传统水文学模型难以模拟。在“11·3”白格堰塞湖洪水演算中，搭建了以MIKE11一维水动力学模型为主.马斯京根分段演算模型和汇流系数模型为辅的水文水动力学相结合的预报方案体系，实现多模型同步实时演算、互验。洪水演进预报结果精度总体较高，其中巴塘站预报洪峰水位2494.90m（仅较实况值2494.91m偏低0.01m），奔子栏站预报洪峰水位2019.00m（仅较实况值2018.98m偏高0.02m），具体预报与实况对比见表1。然而，石鼓预报值偏大，该问题将作为关键问题在下文探讨。

3.4 預报会商与服务，

堰塞湖会商处置过程中，准确掌握和分析水雨情、水库调度、减灾进度等信息，是各级决策部门应急处置的重要工作环节。“11·3”白格堰塞湖处置期间，以长江防洪预报调度系统为基础，通过系统模块快速搭建的堰塞湖应急处置会商系统，实现了灾区实况水雨情信息展示、各类技术分析成果汇集等功能，为成功处置堰塞湖险情发挥了支撑作用。

随着水文应急服务的发展，其预报服务形式趋于多样化，面向的受众趋于多元化。服务形式从传统的短信、传真、电话咨询、网页拓展至一些定制化的水情服务，包括前方指挥部应急材料、防汛会商材料、地方水情信息服务、新媒体推送等。这类面向不同对象的定制化预报服务具有常态化趋势，这也对预报工作者关于预报服务形式的创新提出了更高的要求。

3.5 关键技术问题与探讨

“11·3”白格堰塞湖溃坝洪水演进预报分析过程中也遇到了一些问题，其中最为关键的问题有以下3个。

（1） 水位流量關系高水延长线复核。构建白格堰塞体-奔子栏河段的一维水力学模型，下边界采用奔子栏实况水位过程率定模型参数。通过水动力学模型复演各断面洪水过程，复核采用史蒂文斯法、专家经验法确定的水位流量关系外延线，两线基本吻合，以巴塘站水位流量关系为例，见图5。通过洪水期间报汛流量计算洪量，与本次堰塞湖下泄总水量对比，水量基本平衡，表明堰塞体-奔子栏河段重要断面高水外延线基本合理。

（2） 溃决洪水演进过程复演及传播时间分析。采用前述率定的水力学模型，开展“11·3”溃坝洪水复演及传播时间分析工作。程海云等[4.1提出断波概念，其流速较运动波流速明显偏大，是造成河道传播时间缩短的原因之一。梯形明渠的断波流速计算公式，见式（1）。本次溃坝洪水波为急变洪水波，涨落快速，初始流速和摩擦损失可忽略不计，由式（1）得波速计算公式，见式（2）[7-8]，其中m为河谷断面形状参数。本次河道河谷深切可概化成三角形断面，m值取1。根据曼宁公式，概算三角形断面波速与断面平均流速的转换系数为1.33。依据以上概化公式计算河段最大平均流速，见表2。分析表明，此次洪水的实况传播时间较常遇洪水偏快，越接近坝址，传播时间与波速公式计算值越接近，但随着洪水向下游演进，急变洪水波坦化衰减越明显，传播时间越接近常规洪水情况。

（3） 河漫滩槽蓄调节对堰塞湖溃决洪水的影响。“11·3”白格堰塞湖溃决洪水演进至塔城-石鼓江段，洪峰形态发生严重变形，洪水预报值与实测值偏离较大。分析表明，该江段地势趋于平缓，河床比降减小，河漫滩形态发育较好，槽蓄能力明显增强。以洪量为控制变量，通过水文水力学模型模拟洪水演进至石鼓断面过程中假定不受漫滩槽蓄影响的洪水过程（该过程为理论推算过程），并与该断面实测洪水过程对比，发现洪水通过该江段的绝对影响水量约1.4亿m³（如图6所示，W红色=W色=1.4亿m³），同时以网格的数字高程模型为基础，结合沿程洪峰水面线计算成果，初步估算该江段沿程洪峰水面线以下主槽外河漫滩的最大槽蓄能力在1.5亿～2.0亿m3，大于石鼓断面洪峰形态改变的绝对影响水量，表明通过漫滩、平滩归槽等一系列河道槽蓄调节作用后，该江段具备调节并大幅改变本次洪水过程形态的能力。

4 问题与建议

（1）提升堰塞湖水文应急监测能力。水文测验设备经过几十年的发展现代化程度已经较高，但在面对堰塞湖溃坝洪水这种大涨幅、大涨率、大流速、大量漂浮物的极端情况时，所能采取的测验方法仍非常有限。测验难度大、自动化水平低、测验精度难以保证、人员精力消耗大，且危险性较高，应急监测能力亟待提升。

建议采用“产学研用”的模式，结合现有雷达、GNSS、无人机、卫星遥感等较为成熟的技术结合堰塞湖溃坝洪水的特点，开发堰塞湖水文应急监测所适用的技术装备。

（2） 开展堰塞湖溃决机理分析及溃坝洪水快速演算研究。研究溃口形成机理，重点针对土石坝逐渐溃决工况，根据堰塞体土石比构成分析，预估溃口发展形态，并结合溃坝洪水分析经验，快速估算溃坝最大洪峰流量及出现时间。在地形资料和河道水力特性资料匮乏的情景下，考虑采用耦合水文、水力学洪水演进方法，并结合特大洪水率定的演进因子，实时调整溃坝洪水参数，开展溃坝洪水演进研究。

（3） 开展堰塞湖溃坝洪水演进预报、会商分析及预警机制研究。针对堰塞湖溃坝洪水演进信息源缺失、基础资料不完备等问题，开展信息不完备条件下溃坝洪水演进方法研究，实时推演下游沿程水位流量过程。针对堰塞湖应急处置预报调度会商分析等需求，采用洪水预报体系快速搭建与查询分析、预报计算敏捷响应技术，实现水文应急预测预报要素分析展示与会商汇报等功能。针对堰塞湖应急水情预警时效性、准确性等需求，应建立溃坝洪水预报、预判、触发应急预警响应机制，为应急处置水情预报警报提供具有可操作性的发布依据。

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引用本文：程海云.“11·3”金沙江白格堰塞湖水文应急监测预报[J].人民长江，2019，50（3）：23-27.

Hydrology emergency monitoring and forecast on"11 ·3"Baige barrier lake，Jinsha River

CHENG Haiyun

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resource Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract： The rapid and effective implementation of hydrology emergency work on Baige barrier lake played a vital role in pre-paring disposal plan and reducing losses. The Hydrology Bureau of the Changjiang Water Resources Commission carried out the hydrological emergency work in the disposal of "11 · 03" Jinsha River Baige barrier lake. This paper analyzes and summarizes the achievements from three aspects：emergency monitoring，emergency analysis and calculation and emergency forecasting，including the general deployment and implementation，the methods and results of hydrological emergency analysis，the hydrological emergency forecasting methods，data sharing modes. We put forward the suggestions and ideas for related issues of the hydrological emergency monitoring work.

Key words：emergency monitoring;hydrological forecast;flood routing;Baige barrier lake;Jinsha River