阎王鼻子水库溃坝风险应急预案分析研究

韩靓靓

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

1 概 述

随着经济社会的发展，人口资产密度增大，洪水灾害给高风险区的人员资产带来更大的威胁[1-3]。危机时刻，有效的洪水避险转移可在短时间内更为有效、有序地组织灾区民众进行避难转移，减少伤亡和损失，以此支撑行业主管部门提高水库大坝安全管理水平与突发事件应急管理能力[4-6]。本文以阎王鼻子水库为例，分析研究溃坝情况下阎王鼻子水库的风险应急预案。

阎王鼻子水库位于大凌河干流朝阳县横河子村，坝址距朝阳市25km，坝址以上流域面积9482km2，占全流域的41%。水库是以城市供水及防洪为主，兼顾发电等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。水库大坝采用混凝土重力坝坝型，最大坝高34.5m，坝顶长度为383.0m，坝顶高程217.5m，由挡水坝段、溢流坝段、冲沙闸坝段、工业取水坝段、农业取水坝段和电站坝段组成，水库死水位204.5m，设计水位211.9m，校核水位216.5m。

2 水库溃坝极端风险情况构建

根据水库溃坝过程的时间长短，可分为瞬时溃坝和逐渐溃坝；根据溃坝缺口规模大小，可分为全部溃坝和局部溃坝[7]。对于刚性坝，如重力坝、拱坝、浆砌石坝、支墩坝等，一般是瞬时溃坝而且多出现局部溃坝。阎王鼻子水库大坝主体采用混凝土重力坝，是靠基础摩擦力来维持稳定的，而且是分块校核稳定。这种坝溃决时，坝体一般是一次溃决或数次溃决到坝的基础处。因此，本次计算溃坝模式采用瞬时溃坝模式，按不利情况考虑，假定上游漫坝，横向局部一溃到底。坝段全长383.0m，上游计算水位217.5m，下游为天然河道。依据文献[8]，溃坝位置考虑两种方式：方式一为7～20号坝段溃坝，溃坝宽度265.0m；方式二为9～19号坝段溃坝，溃坝宽度213.0m。阎王鼻子水库校核洪水标准为千年一遇，考虑极端工况，当发生千年一遇洪水时，出现特殊事故情况下，漫顶导致的大坝溃坝，下游同时考虑干流发生千年一遇洪水时，主要支流发生相应洪水。

3 溃坝风险数模预测

3.1 计算模型

MIKE11软件是丹麦水力研究所(DHI)研发的一维水动力、洪水预报、溃坝等方面的专业软件，其水动力模块和溃坝模块具有强大的河流数值模拟和溃坝过程复演和计算的功能[9-10]。本次溃坝洪水采用MIKE11模型系列进行分析，计算采用一维非恒定流模型，同时采用能量方程模拟计算溃口处的水流运动，主要采用如下控制方程组：

式中：S、t分别为空间与时间坐标；A为河道过水断面面积；Q为断面流量；q为均匀旁侧入流；Qc为集中旁侧入流；z为水位水量；K为流量模数，由谢才公式计算。

一维非恒定总流的能量方程为

式中：Z为位置水头；p为动水压强；γ为水的重度；v为断面平均流速；α为动能修正系数；g为重力加速度。

3.2 相关计算参数选取

边界条件：上游采用阎王鼻子水库入库洪水过程线，下游采用白石水库水位，考虑主要支流入流。

地形资料：包括平面图及横断面图两部分，平面图采用1∶10000航拍图，横断面图为近年来辽宁省水利水电勘测设计研究院实测横断面成果。根据横断面测量成果，结合平面图，对横断面进行滩槽划分，同时考虑堤防等建筑物的阻水情况对过水断面宽度等进行局部调整。

洪水复核：大凌河属于多沙河流，床面泥沙颗粒组成细，淤沙又厚，河床在洪水过程中具有涨冲落淤的特性。洪痕验证时糙率的选取不能只考虑河道内床面组成、滩地植被、阻水建筑物等情况，还要考虑洪水过程中的河床特性，并参考水文刊印本中实测糙率成果及以往成果，通过糙率和模型计算参数的选取及验证，最终复核得到与1994年洪痕及水文站实测洪水较为接近的模型参数，从而得到需要建立的数学计算模型成果。

3.3 溃坝风险发生时洪水淹没范围计算

经分析计算，方式一最大溃坝流量为33126m3/s，方式二最大溃坝流量为30243m3/s，不同溃口宽度最大溃口流量相差不大。由于本次计算工况为上游发生千年一遇洪水时，水库出现特殊事故而导致的溃坝，因此会出现两次峰值，第一次为溃坝洪水，洪峰较为陡尖，持续时间较短；第二次为洪水洪峰过程，持续时间较长。坝址处出现两次洪峰过程反映了计算工况的准确性，符合实际洪水发生情况，同时提醒注意发生溃坝后的天然洪水灾害。

溃坝后，洪水向下游传播，洪峰会在传播过程中慢慢衰减，所以溃坝时，坝址处的洪峰值最大，越往下游，洪峰值越小。阎王鼻子水库下游主要断面处溃坝洪水到达时间及洪峰流量见表1。

表1 水库下游主要断面处溃坝洪水到达时间及洪水衰减情况

水库溃坝洪水尽管流量量级大，但是不同溃口宽度对应的最大溃口流量相差不大，因此两种溃坝方式中，溃坝风险发生时洪水淹没范围所涉及街道与乡镇范围基本相同，共涉及13个街道、9个乡镇。具体淹没范围见图1和图2。

图2 溃坝方式2淹没范围

3.4 洪水影响分析

3.4.1 洪水影响

根据阎王鼻子水库各溃坝方式洪水分析得到的淹没范围、淹没水深等要素，结合淹没区社会经济情况，分析评估洪水影响程度。主要考虑淹没范围内不同行政区、不同淹没水深的受淹面积、受淹耕地面积、受影响居民地面积、受灾人口、受影响交通线路长度以及GDP等指标，将淹没图层分别与行政区图层、耕地图层、居民地图层以及道路图层相叠加，得到对应不同洪水方案不同淹没水深等级下的受淹行政区面积、淹没耕地面积、受淹居民地面积以及受淹道路长度等数据信息。影响人口数据以淹没区内行政村为单元计算，并结合淹没区受影响人口进行受影响GDP的统计。通过对淹没区图层的叠加可以看出，如发生溃坝洪水，受影响严重的地区主要是水库下游左岸的朝阳市主城区、朝阳县新县城、燕都新城，右岸的凤凰新城。阎王鼻子水库溃坝洪水影响分析结果见表2。

3.4.2 损失估算

在确定了各类承灾体受淹程度、灾前价值之后，根据洪灾损失率关系，即可进行分类洪灾直接经济损失估算，本次洪灾损失类别分为城乡居民住房财产损失、农业损失、铁路交通损失等。承灾体灾前价值参照2016年《朝阳统计年鉴》并结合实际调查确定，洪灾损失率参照文献[11]确定，按水深、行政区域分别估算在不同溃坝方式下阎王鼻子水库溃坝洪水洪灾损失结果，阎王鼻子水库溃坝洪水影响区域内洪灾损失估算结果见表3。

表2 阎王鼻子不同溃坝方式影响分析结果

表3 洪水影响区域内洪灾损失 单位：万元

4 避险转移方案

避险转移分析是在洪水影响分析的基础上，根据溃坝洪水的淹没范围、水深等风险信息，对受淹居民地位置、人口数量、设施、道路和安置区域等信息进行综合分析，用于指导相关机构或公众将一定区域的人员、物资以最快的方式疏散到安全区域。

避险转移是以人员的安全转移为前提的，因而对受淹区域人口的分析是避险转移分析的核心环节。避险转移以行政村和街道为统计单元，通过居民地数据与淹没范围的空间地理分析，求算出各行政村、街道采取相应避难方式的实际避难人数。转移路线选取综合考虑洪水演进过程和淹没情况、道路状况、转移安置人员和财产情况、安置点、便利性等情况。转移路线的确定主要依据所花时间最短的最优路径原则，同时考虑道路的通容能力。另外转移路线重点选择省道、县道、乡道等沿线居民熟悉的道路，尽量不选择高速、村道、铁路等在转移时利用程度不确定的道路。安置场所要能容纳避难居民且适宜建设避难设施，主要考虑安置场所具体位置，各安置场所的人口容纳能力和各安置场所对外交通容量等。安置区的划定以就近、免于洪水威胁、进出道路通畅为主要依据，同时参考相关市县的防汛应急预案，安置区主要选择在地势较高的大型村庄及县、市政府所在地，选择的地点有充足的社会资源满足灾民安置需要，同时再次转移路径方便，便于政府组织协调。

淹没影响区现有路网主要包括高速公路2条(丹锡高速公路和长深高速公路)，国省干线公路7条(国道主要为北京—沈阳G101，省道包括朝大公路、朝青公路、朝赤公路、朝锦公路、葫六线、鞍羊线)，以及数量不等的县级公路、城区街道、各乡级公路、村级公路等。

图3 溃坝方式一风险应急预案

图4 溃坝方式二风险应急预案

根据上述原则和现有路网情况，依据不同的工作要素建立不同的工作图层，结合溃坝风险发生时洪水淹没范围图，划定危险区域，确定转移单元，结合收集的资料和现场调查，寻求合适的安置区及转移路线，从而得到合理的溃坝风险应急预案，阎王鼻子水库溃坝影响区域内风险应急预案见图3和图4。由图3、图4可见，因两种溃坝方式的淹没范围基本一致，风险应急预案是一样的。

5 结 语

本文采用MIKE11模型进行洪水分析，得到溃坝后不同水深的淹没范围。根据两种溃坝方式洪水分析得到的淹没范围、淹没水深等要素，结合淹没区调查的社会经济等情况，评估洪水影响。结合溃坝风险发生时洪水淹没范围，划定危险区域，确定转移单元，寻求合适的安置区及转移路线，从而得到合理的溃坝风险应急预案。溃坝风险应急预案对降低阎王鼻子水库下游群众及重要经济目标风险，提高水库下游突发事件应对能力，保证水库工程安全，最大程度地保障水库下游人民群众生命安全，减少损失都能起到指导作用。同时考虑到此项工作的复杂性和成熟性，在今后的研究中将进一步改进和优化。