河道型水库滑坡涌浪安全评估系统设计与实现

林孝松，罗军华，王平义，王梅力，喻 涛，龚远红

(1.重庆交通大学 建筑与城市规划学院， 重庆 400074； 2. 重庆交通大学 河海学院， 重庆 400074)

0 引 言

由于特殊的自然地理和复杂的地质环境，三峡库区滑坡等地质灾害发育广泛且发生较频繁，对三峡水库调度运营及当地人民生命财产安全构成严重危害。库岸滑坡除直接对库区正常航运、旅游、生产生活以及人员财产造成危害外，其产生的次生涌浪灾害带来的损失与危害远超过原生滑坡灾害。如2003年7月13日发生的千将坪滑坡，产生涌浪高达39 m，传播30 km，打翻船舶22艘，造成14人死亡，10人失踪，直接经济损失5 735万元[1]；2007年6月15日，湖北巴东县大堰塘滑坡发生大规模塌滑，对岸涌浪爬坡高约50 m，涌浪共造成1人死亡，6人下落不明[2]；2008年11月23日，重庆巫山县巫峡镇龙江村长江干流北岸山体发生崩塌，产生10 m高初始涌浪，上游3.5 km处巫峡镇码头、对岸柿子湾煤码头都受到涌浪影响，部分船只、沿岸航标、路面、柑橘及灌木等遭到不同程度的破坏[3]；2015年6月24日，重庆巫山江东嘴山体滑坡，引发6 m高涌浪，造成2人死亡，4人受伤，21艘小型船舶翻沉，21艘船舶断缆漂航。相关学者在滑坡涌浪方面开展了大量的研究工作，主要体现在滑坡涌浪计算方法[4-6]、物理模型试验[7-13]、数值模拟[14-16]等方面，取得了一系列重要成果。在GIS技术应用于滑坡涌浪方面，纪虹等[17]从致灾因子、孕灾环境和承灾体3方面构建区域滑坡涌浪易损性评价指标体系及计算模型，基于GIS技术对三峡库区云阳县滑坡涌浪易损性进行可视化分析；黄波林等[18]引入水波动力学模型，结合GIS技术开发了滑坡涌浪灾害快速评价系统。

以三峡库区万州段为研究范围，基于GIS软件建立研究区水上、水下地形数据和库岸主要滑坡灾害点分布数据，在滑坡涌浪安全评估系统整体设计基础上，详细分析评估系统初始涌浪高度计算、涌浪传播与衰减、固流能量交换、涌浪爬高计算、横摇角度及涌浪安全评估等核心功能的实现流程、算法及具体操作，研究成果为快速确定滑坡涌浪特征值分布、涌浪灾害空间预警以及航道安全评价与管理等提供模拟技术和可视化分析平台。

1 安全评估系统整体设计

山区河道型水库滑坡涌浪安全评估系统(safety assessment system for landslide surge in mountain river type reservoir,SASLSMRTR)采用软件工程原型法进行设计，在满足系统基本功能的平台上进行逐步开发建设。系统的设计主要以搭建模拟滑坡涌浪特征值分布及其对航道危害程度综合评估功能为主，各功能模块采用并行开发逐步实施。整个系统严格按工程化方法进行组织和管理，在系统需求调查、系统设计、软件开发、系统总调、人员培训和系统试运行等方面均严格遵守信息系统标准化和规范化，做到系统结构合理、功能完善；既充分利用目前已经成熟的先进技术、又做到操作简单、使用方便，并为系统的后续扩展留有接口，以便在结构和功能上进行扩充。

在山区河道型水库滑坡涌浪特性试验研究[5,7-11]基础上，利用计算机和地理信息系统等技术，建立三峡库区万州段基础空间数据库和滑坡涌浪专题空间数据库；基于ArcGIS Engine和Skyline等专业软件进行开发，建立C/S结构的河道型滑坡涌浪安全评估系统。该系统以三峡库区万州段滑坡涌浪安全评估为原型，除需具有标准工具、地图导航、图层管理和地图显示等基本功能外，还需设计开发初始涌浪高度、涌浪传播与衰减、固流能量交换、涌浪爬高计算及涌浪安全评估等专题功能。

2 安全评价系统功能实现

2.1 初始涌浪高度计算功能

滑坡初始涌浪高度是指滑坡入水后在滑坡入水点产生的最大波高。该值的大小在一定程度上反映了滑坡涌浪整体能量的大小及涌浪的破坏程度。滑坡初始涌浪高度受滑坡体宽度、厚度、坡度、入水处水深以及滑坡入水前缘角度等因素综合影响。根据模型试验结果[8]，系统进行滑坡初始涌浪高度的计算公式为

(1)

式中：H为涌浪初始高度，m；b为滑体宽度,m；h为水深,m；c为滑体厚度,m；β为滑坡坡度，rad。

如果考虑滑坡入水前缘角度，则需要在公式(1)中乘一个系数K，该系数值的计算公式为

K=2.276ln(A)+1.557 5

(2)

式中：A为滑坡入水前缘角度，rad。

滑坡初始涌浪高度计算功能实现的流程如图1。首先设置滑坡体的宽度和厚度，如需考虑滑坡体前缘角度的影响，则需要设置前缘角度大小；如仅是对单个河段网格进行计算，则设置好滑坡坡度和河段单个网格点的水深后点击开始计算按钮即可得到单值点处的初始滑坡涌浪高度(图2)。在此过程中，对于各类以弧度为单位的坡度或角度值，在系统界面中均输入以度为单位的角度值，系统在后台进行计算时自动进行角度到弧度的转换。

图1 初始涌浪高度计算功能流程Fig. 1 Flow chart of landslide initial surge height calculation

图2 滑坡初始涌浪高度计算界面Fig. 2 Interface of landslide initial surge height calculation

同时，系统开发设计有初始涌浪高度批量计算功能，即假设有某一方量规模的滑坡体在研究河段任一点处入水，系统可对整个研究河段按照设定的网格单元(1 m×1 m)进行初始涌浪高度值的批量模拟计算：首先在功能界面中设置当前河段水位高度，系统通过提取河段水下地形高程与该水位进行差值计算，获取河段内各网格单元的水深值；然后输入滑体宽度和厚度，点击地图分布按钮计算得到滑坡发生时研究河段内各网格单元的初始涌浪高度值；最后系统根据涌浪高度值进行分级渲染，渲染分级图如图3。

图3 滑坡初始涌浪高度批量计算结果Fig. 3 Batch calculation results of landslide initial surge height

2.2 涌浪传播与衰减模拟功能

依据模型试验结果[8]，将滑坡涌浪传播与衰减分为滑坡体宽度范围内区域、滑坡体宽度范围外直道区域、弯曲河道区域和过弯后河道区域等4个区域，每一个区域滑坡涌浪传播与衰减的规律不同，功能实现的算法也存在差异。其中过弯后河道区域波高传播衰减系数为常数0.13；滑坡体宽度范围内区域波高衰减系数的计算公式为

(3)

滑坡体宽度范围外直道区域波高衰减系数的计算公式为

(4)

弯曲河道区域波高衰减系数的计算公式为

(5)

式中：P为滑坡涌浪衰减系数；H为初始波高,m；h为水深,m；L为传播距离,m；β为滑坡坡度,rad。

涌浪传播与衰减功能实现的流程如图4。在单值计算时，首先输入滑坡的坡度和滑坡入水点产生的初始涌浪高度值；然后设置水深与传播距离；最后确定计算涌浪衰减系数分区类型；设置好上述参数后点按开始计算按钮即可得到滑坡涌浪传播衰减系数值(图5)。

在进行涌浪传播与衰减系数批量计算时，首先需要利用滑坡点按钮在地图上定位滑坡点滑落位置及方向，同时利用弯道按钮在地图上定义河段弯道位置；然后输入滑坡体宽度、初始涌浪高度和滑坡坡度等参数；最后点按地图分布按钮(图5)，系统即按照设置的参数自动进行涌浪传播与衰减规律空间分区，分别计算各区域内网格单元滑坡涌浪的衰减系数值，最终生成滑坡涌浪衰减系数分布图(图6)和涌浪高度传播衰减分布图。

图4 涌浪传播与衰减功能实现流程Fig. 4 Flow chart of swell propagation and attenuation implement

图6 滑坡涌浪传播衰减系数分布Fig. 6 Distribution of attenuation coefficient of landslide surge

2.3 涌浪能量交换系数计算功能

滑坡涌浪能量交换系数是滑坡体的势能与涌浪的波能之间的交换率[5]，反应了能量交换的充分程度。滑坡体的势能主要由体积、密度、重心高程决定；涌浪的波能包括其动能和势能。单宽滑体势能与单宽波峰线上波能之间的交换系数可用式(6)计算：

(6)

式中：W为能量交换系数；h为水深,m；c为滑体厚度,m；β为滑坡坡度,rad。

涌浪能量交换系数计算功能实现的流程如图7。首先设置滑坡体的厚度和坡度，如果进行单值计算，则设置好水深值后点按开始计算按钮即可得到交换系数值(图8)；如需要进行批量计算，则设置河段当前水位值，点按地图分布按钮后，系统会利用水位值与研究河段水下地形高程进行相减获取各网格单元水深值，然后利用公式(6)进行空间分布计算，结果如图9。

图7 滑坡涌浪能量交换系数功能实现流程Fig. 7 Flow chart of energy exchange coefficient of landslide surge

图8 滑坡涌浪能量交换系数计算界面Fig. 8 Interface of energy exchange coefficient of landslide surge>calculation

图9 滑坡涌浪能量交换系数分布Fig. 9 Distribution of energy exchange coefficient of landslide surge

2.4 滑坡涌浪爬高计算功能

波浪爬高是指波浪在堤坝上上爬高度与静水面之间的垂直距离[7]。波浪爬高是确定水工建筑物堤顶高程的重要指标之一，它直接关系到堤坝及岸上相关建筑物的安全。滑坡涌浪以岩土体入水处为起始点，沿河道向上、下游传播，对航道沿岸基础设施和居民会造成严重威胁。涌浪爬高的确定在涌浪对岸坡和坝体危害预测中是一个很重要的参数，它直接影响岸坡和坝体自身结构的稳定性。系统中对其计算公式为

(7)

式中：R为涌浪爬高,m；H为涌浪初始波高,m；h为水深,m；D为爬高测量点与滑坡体入水点距离,m；α为岸坡坡度,rad。

图10 滑坡涌浪爬高计算功能流程Fig. 10 Flow chart of landslide surge run-up calculation

滑坡涌浪爬高计算功能实现的流程如图10。首先设置滑坡涌浪的初始高度、岸坡坡度和测点的距离，如果仅进行单值计算，则设置好水深值点按开始计算按钮即可得到涌浪岸坡爬高值(图11)；如需进行批量计算，则设置河段当前水位值并利用滑坡点按钮设置滑坡点所在位置后，点按地图分布按钮系统会基于各网格距离和岸坡坡度等相关空间数据，利用公式(7)进行滑坡涌浪爬高空间分布计算，结果如图12。

图11 滑坡涌浪爬高计算界面Fig. 11 Interface of landslide surge run-up calculation

图12 滑坡涌浪爬高分布Fig. 12 Distribution of landslide surge run-up

2.5 横摇角度计算功能

最大横摇角度是船舶在风浪中航行安全的重要指标，国际海事组织对船舶在风浪中安全航行的极限横倾角度规定为40°，横摇角度大于40°时船舶的稳定特征发生变化，甚至导致灾难性的危害。系统设置了滑坡涌浪产生后计算横摇角度的功能，其计算公式为

(8)

式中：Ω为最大横摇角度,rad；H为波高,m；L为波长,m；h为水深,m。

滑坡涌浪横摇角度计算功能实现的流程如图13。首先设置滑坡涌浪形成后侧面波长值，如果仅进行单值计算，则设置好船舶侧面波高和相应位置水深后，点按开始计算按钮即可得到船舶最大横摇角度值(图14)；如果需要进行批量计算，则设置库区当前水位值点按地图分布按钮后，系统利用公式(8)进行河段内各网格单元最大横摇角度值的空间分布计算。

图13 横摇角度计算功能流程Fig. 13 Flow chart of roll angle calculation

图14 船舶最大横摇角度计算界面Fig. 14 Interface of ship maximum roll angle calculation

图15 滑坡涌浪航道安全评估分布Fig. 15 Distribution of safety assessment of landslide surge channel

2.6 滑坡涌浪安全评估功能

滑坡涌浪安全评估功能主要利用计算得到的滑坡涌浪高度和横摇角度两个分布图层数据进行综合评估。如库岸滑坡产生涌浪后，按照前述功能可计算滑坡涌浪的初始高度、传播后在河段区域的涌浪高度以及船舶横摇角度值；系统安全评估功能将研究河段内涌浪高度值大于1.5 m的网格单元或横摇角度大于15°的网格单元评判为不安全；系统将两个评估数据进行合并即得到由两个标准划分的安全评估结果；系统会按照设定级别进行等级渲染，用不同颜色直观地展示研究河段内各网格单元的安全评估分布情况(图15)，以辅助相关管理部门进行滑坡涌浪预警与决策。

3 结 论

1)山区河道型库岸滑坡及其产生的次生涌浪灾害给库区航运、旅游及人员财产造成巨大威胁和损害。以三峡库区万州段为研究范围，基于ArcGIS 等专业软件，对山区河道型水库滑坡涌浪船舶航行安全评估系统进行了整体开发设计。

2)在相关模型试验结果基础上，详细分析了初始涌浪高度、涌浪传播与衰减系数、固流能量交换系数、涌浪爬高、横摇角度以及涌浪安全评估等系统核心功能的实现流程、计算算法及具体操作。

3)系统既能快速计算出滑坡产生后某特定地点的涌浪特征值，也能模拟得到研究区河段范围内所有网格单元的涌浪特征值分布情况，可为滑坡涌浪灾害空间预警及航道安全管理评价等提供可视化分析平台。

4)由于系统是以三峡库区万州段为原型的系统，各功能实现的算法均是通过试验结果拟合得到，其准确性需要进一步验证；同时今后系统也应引入相关学者通过模型试验或数值模拟得到的其他相关功能算法，以增加系统功能算法的多样性，并可进行功能结果的对比验证。