模拟溃坝过程的水文应急监测

张 白 丁韶辉 冯 峰

（淮河水利委员会水文局（信息中心） 蚌埠 233001）

1 背景

近年来，极端气候、地质灾害和水污染等突发性水事件频繁发生，使各级政府在应急监测和科学减灾方面面临的任务越来越重，压力也越来越大。据美国自然灾害评估报告引用的有关研究表明，针对洪水引发的灾害，如果能在12～24h内开展应急响应，灾害损失就可降低1/5～1/3。水文应急监测通常是指在突发性水事件发生时或发生后，通过对水体要素、水文要素等进行突击性紧急监测，及时取得现场水文基本信息，为启动应急预案和防灾减灾提供信息服务和决策支撑。

按照国务院推进防灾减灾救灾体制机制改革的要求，淮委防汛抗旱办公室牢固树立灾害风险管理和综合减灾理念，坚持以防为主、防抗救相结合的工作方针，通过开展联合实战演练，检验防汛抢险队的抢险装备和准备状况，提高在防汛抢险中的配合协同、快速反应和险情应急处置能力，提升防汛抗洪抢险实战水平。2017年4月，淮委防办协同安徽、江苏两省防办共同组织开展“2017年防汛抢险联合演练”，设置的演练科目包括：堤坝漫溢抢筑板坝挡水子堰、橡胶充水子堰，堤防渗水散浸、管涌、漏洞险情处置，水下摸探、切割、焊接，堤防溃口断面流速分布、流量等测量，气垫船水上救助、冲滩，实时信息卫星传输，后勤餐车保障、帐篷搭设等多项任务，其中淮委水文局承担模拟溃坝险情下溃口断面流速、流量监测任务。

2 防汛演练工程概况防汛演练

场地选择在江苏省防汛抢险训练场，位于南京市六合区瓜埠镇滁河红山窑水利枢纽下游，工程主要包括：演练水池1座；下河坡道1座，宽15m；提水泵站1座，设3台潜水混流泵及进库涵管，设计流量3.66m3/s；泄水槽1座，设计流量30.0m3/s。

演练水池围堤轴线尺寸180m×90m（长×宽），轴线总长540m，设计出险水位10.00m，漫顶出险水位10.50m，最高水位11.00m，最大蓄水深度2.50m，最高水位下库容2.97×104m3。设计堤顶高程11.50m，堤高3.00m，迎水坡坡比 1∶2，背水坡 1∶2.5。

3 应急监测

3.1 监测方案制定

3.1.1 监测断面布设

溃口处口门宽10.0m，下游布置有“U”槽、泄水槽、出口消能设施，“U”槽、泄水槽渠段水流湍急，流态紊乱不宜施测流量，下游无河道且杂草丛生不具备监测条件。溃口上游为演练水池，池底部、边坡均有衬砌，无冲淤变化，水流分布集中，上游断面视野开阔便于仪器设备的操控，同时结构稳定可以确保监测人员安全。监测断面选择在溃口上游。由于发生溃口时的水流流场呈以溃口为中心的收缩状分布，据此水流特性应急监测队制定出以溃口为中心的弧形监测断面（如图1）。

3.1.2 监测设备

监测设备采用遥控船搭载声学多普勒流速剖面仪（ADCP），无需监测人员涉水，即可实现流速、流量信息的实时采集。同时配备外业工作台1套、对讲机6部、备用电源系统、工具、救生衣、雨具等保障用品。

图1 监测路线示意图

表1 溃口流量、流速监测成果表

遥控船：船体内置控制系统、无线传输系统、动力系统，同时集成GPS定位、电子罗盘、高清摄像头等多种高精度传感设备。采用无线传输的方式，在岸基即可实时接收并分析采集数据，支持人工遥控和按规划路径自动巡航两种走航方式，具有便捷、安全、适应性强的特点。

声学多普勒流速剖面仪（ADCP）：ADCP利用换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速。ADCP具有能直接测出断面的流速剖面、不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。目前被广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等。

3.2 应急监测的组织与实施

应急监测队提前到达监测位置，按照预定的工作方案，迅速开展应急监测准备工作。在溃口上游约10m处搭建监测工作台，同时提前组装、测试完成2套无人船测流系统，演练中如果1套系统遭遇突发状况停止工作，另1套系统瞬时即可下水继续监测，保障监测数据的完整性和时效性。

根据监测方案，监测队科学分工，明确队员各自工作职责。1人负责操控无人船系统弧线走航；1人负责操作ADCP测流软件；1人同步记录整理监测数据；1人负责有关信息、影像资料的采集传输；1人负责突发状况的应急处置；监测队长负责现场指挥，保障应急监测有条不紊的顺利进行。在溃坝的45min里，采用遥控船测流系统连续走航，施测溃口流量25次（平均108s测流一次），完整记录了溃口处流速、流量的动态变化过程。

4 应急监测成果及其合理性分析

4.1 应急监测成果

淮委水文局应急监测队凭借科学的监测方案、严谨的工作态度、扎实的工作能力圆满完成演练科目。监测到溃口洪水水量：1.863×104m3，洪峰流量：20.9m3/s。应急监测主要

图2 溃口洪水流量过程线图

图3 实测溃口航迹、流速矢量图

成果包括：溃口流量、流速监测成果表（见表1）、溃口断面流量过程线（见图2）、溃口航迹、流速矢量图（见图3）。

4.2 应急监测成果合理性分析

根据溃坝演练过程可知，下泄水量由以下两部分组成：（1）模拟溃坝演练过程中潜水泵向演练池的补水量W补；（2）溃坝前后演练池的蓄水变量△W。蓄泄水量平衡关系见公式（1）：

4.2.1 蓄水变量ΔW

计算演练水池形状较规则，可以概化为局部四棱锥模型，根据溃坝开始、结束时刻的演练池蓄水位及演练水池的形状系数，按照公式（2）计算出溃坝前后演练池内水体积分别为：

故溃坝前后演练池蓄水变量ΔW=V前-V后=1.210×104m3。

式中：s为相应水位下演练池水面面积；h为演练池底面对应四棱锥的高（取22.96m）。

4.2.2 补水量W补计算

演练场3台潜水泵先后间隔3min开启（关闭时同上），单机抽水流量约为1.1m3/s，溃坝过程中潜水泵的补水量按公式（3）计算：

式中：q为潜水泵抽水流量；t为潜水泵抽水时间（溃坝过程中抽水历时约40min）。

根据溃坝演练过程中水泵机组运行记录及公式（3）计算得：W补=0.6732×104m3。

据此，计算出模拟溃坝理论下泄水量W泄=1.883×104m3；根据水文应急监测的溃口下泄水量1.863×104m3，得水量绝对误差为0.02×104m3，相对误差为1.06%，水量基本平衡（水量分析中未考虑渗水、管涌、漏洞等演练科目造成的水量损失），说明溃口洪水水量监测成果可靠、精度较高。

5 结语

通过开展应急监测，及时、有效地收集监测要素信息情报，为防汛抢险应急预案编制及灾害应急处置提供信息服务和决策支撑。应急监测方案的制定应充分考虑现场监测环境条件，合理编制监测方案，不仅要实事求是，还要与时俱进、勇于创新。遥控船搭载ADCP这种新型测流系统，具备测流历时短、监测精度高、无需涉水更安全、无需缆道等特点，非常适合溃坝等特殊水情条件下水文资料的收集。此次溃口洪水应急监测，就溃口特定水流条件，监测队放弃以往的直线走航路径，创新设计了弧形走航路径，圆满完成监测任务，用事实证明了溃口弧形监测方案的合理性、科学性、实用性■