堰塞湖溃决洪水演进预报方法探讨

曾明 陈瑜彬 邹冰玉

摘要：“11·3”金沙江上游白格堰塞湖的溃决洪水破坏力强，属于非常规、超历史洪水，其中白格堰塞湖奔子栏江段洪水重现期超万年。在缺乏高洪水文、河道地形资料的背景下，长江水利委员会水文局较准确地预报了溃决洪水向下游演进的沿程洪水特征，为应急处置提供了决策支持。通过介绍此次堰塞湖溃决洪水演进预报所采用的技术手段，归纳总结了预报经验和预报模型技术的优缺点，以期为今后堰塞湖突发事件的应急处置提供参考。

关键词：溃决洪水;洪水演进;洪水预报;白格堰塞湖;金沙江

中图法分类号：P338

文献标志码：A

堰塞湖主要是由滑坡、泥石流等堵塞河道所形成的湖泊。堰塞湖形成后，水量不断积蓄造成较高水头差，溃决时由巨大能量形成的洪水常具有突发性强、流速快等特点。洪水特征主要表现为洪峰高、水量集中、洪水涨落迅速、传播快等，对下游沿岸破坏力极强，远大于一般暴雨洪水，且传播时间较一般洪水明显缩短。准确预报堰塞湖溃决洪水在下游沿程演进的洪峰水位、流量以及峰现时间，可为提前转移下游沿岸居民、保障沿岸村落安全提供重要指导依据。

“11·3”金沙江白格堰塞湖溃决洪水期间，长江水利委员会水文局根据实时报汛信息，基于模型适用性分析，不断优化参数，采用多模型计算成果比对，通过实时校正及滚动预报，准确预报了堰塞湖下游沿程各站洪峰水位流量、起涨时间以及峰现时间，并向各级部门及时发布预报成果，为洪水预警、水文应急监测、人员转移、水库调度提供了重要技术支撑。

本文通过对比分析“11·3”堰塞湖应急处置期间采用的洪水预报技术手段，探讨总结了各预报模型的适用性和优缺点，以期为今后应急水文预报技术的选择提供参考。

1堰塞湖及下游洪水演进概况

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。堰塞体上距岗托水文站约90km，距波罗站约15km，下距叶巴滩站约54km，距巴塘水文站约190km。由于堰塞体高、湖内滞蓄水量大，潜在危险大，故采用开挖泄流槽方式对堰塞湖进行引流处置，以降低堰塞湖的威胁。泄流槽于11月12日上午开始过流，经过不断的掏岸、溯源冲刷，过流断面不断扩大，过流流量逐步增加，11月13日18：00过流洪峰流量达到31000m3/s。

此次溃坝洪水为非常规、超历史洪水，对下游破坏力强。下游沿程巴塘、奔子栏站洪水重现期均超万年，塔城站重现期超千年，然而演进至石鼓站时洪水坦化明显，转为常遇洪水，其后经金沙江中游梯级水库调蓄，溃决洪水威胁得以解除。下游沿程各主要断面洪峰特征值见表1。

2溃坝洪水演进预报技术

白格堰塞湖形成于金沙江上游，地处高原山区，河道比降较大，河谷深切，断面形态较稳定。堰塞湖形成和溃决期间，流域内无明显降雨过程，区间来水稳定，下游洪水演进预报主要采用水力学模型、汇流曲线演算法、马斯京根分段连续演算法进行计算及综合分析。还包括对下游沿程巴塘、奔子栏、石鼓、梨园水库作了入库预报。本文分述了3种河道演算方法在“11·3”金沙江白格堰塞湖下游洪水预报中的应用。

2.1预报模型原理

2.1.1水力学模型

水动力学演算法主要基于圣维南（Saint-Venant）方程组的联立求解，MIKE11模型可实现一维河道的水动力学模型演算，并可对连续急变流进行较好的模拟。

MIKE11模型是基于一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态。方程组具体形式为式中，x、t分别表示空间坐标和时间坐标;Q为断面流量，m3/s;h为水位，m;A为断面过流面积，m2;R为水力半径，m;B.为河宽，m;g为单位河长的旁侧人流量，M3/S;C为谢才系数;a为动量修正系数。

MIKE11采用的有限差分格式为六点中心的Abbott-Ionescu格式。将圣维南方程组连续方程、动量方程分别写成以水位点h和流量点Q为中心的形式进行离散，采用追赶法对方程进行求解。

2.1.2马斯京根分段连续演算法

马斯京根分段连续演算法是将演算河段划分为Ⅳ个单元，经过马斯京根分段演算求得出流过程。计算参数有演算段数（单元河段数）Ⅳ，每个单元河段的马斯京根法参数Xe与Ke。该演算法的具体公式为式中，Qi，j是第i河段末第j时段末的流量，m3/s;Qi-l，j是第i-1河段末第/时段末的流量，m3/s;Qi-1，j-1是第i-1河段末第j-l时段末的流量，m3/s;Qi，j.是第i河段末第j-l时段末的流量，m3/S;K为蓄量常数;x为流量比重因素。

2.1.3 汇流曲线演算法

汇流曲线演算法是在加里宁河槽汇流曲线概念的基础上，将流域（河网或河槽）沿程滞蓄作用概化为一系列等效的线性水库和线性渠道，由连续方程和概化的蓄泄方程联立推导演算出口流量的过程。流量演算采用卷积法，汇流曲线公式为式中，k为消退系数;n为阶数，即概化矩形人流的个数;t为时段数。

2.2模型构建

模型构建范围均为白格堰塞体至梨园水库，考虑沿程区间人流，采用2018年“10·10”白格堰塞湖溃坝洪水演进实况过程对预报模型进行参数率定。各模型上边界均采用堰塞体过流流量过程。

2.2.1水力学模型

由于研究區域无河道地形资料，水力学模型断面采用叶巴滩、巴塘、奔子栏、石鼓水文站实测大断面资料，对地形变化剧烈区域采用GIS等空间分析手段切割河道断面，并结合专家经验进行高程校核，同时对河段断面形状进行插补处理。模型下边界采用梨园水库建库前控制断面水位流量关系，并对河道糙率进行分段率定。

2.2.2 马斯京根分段演算模型

马斯京根分段连续演算法需率定的参数为河段单元数Ⅳ、单元演算系数Xe与Ke。分段演算模型将白格堰塞体至梨园水库河段分为堰塞体一叶巴滩、叶巴滩一巴塘、巴塘一奔子栏、奔子栏一石鼓、石鼓一梨园5个计算区间，每个区间划分子计算单元，采用金沙江“10 ·10”白格堰塞湖溃决过程试算得到子计算单元个数和单元演算系数。

2.2.3 汇流曲线演算模型

汇流曲线法根据汇流概化的条件不同，将汇流区域分段划分为汇流单元，根据人出流洪水样本分段率定，在确定各单元汇流曲线系数后，根据汇流曲线系数分段连续演算出流过程。根据报汛站网，将演算河段划分为堰塞体一巴塘、巴塘一奔子栏、奔子栏一石鼓、石鼓一梨园4个计算单元。由于“10·10”白格堰塞湖溃坝洪水期间，巴塘一奔子栏河段存在苏洼龙电站导流洞滞洪，为保障工程安全，“11·3”堰塞湖处置时将苏洼龙电站拆除围堰过流，使其基本接近天然河道。经过分析巴塘一奔子栏汇流曲线参数，参考上河段并考虑洪水衰减坦化，综合得出演算系数。

2.3预报检验及误差分析

3种预报模型均采用堰塞体过流流量过程作为模型上边界输入进行河道洪水演算。2018年11月13日18：00，推算堰塞体过流流量达到最大值后，依据水量平衡原理和“10·10”白格堰塞湖退水形态推求退水过程。采用3种模型并行演算下游洪水演进，滚动实时校正，并综合了3种模型计算结果。对下游巴塘、奔子栏、石鼓、梨园入库起涨时间和洪峰水位、流量、峰现时间作了预报，预报误差分析见表2。由表2可知：①巴塘、奔子栏站各项预报要素与实况基本一致。巴塘站峰现时间预报准确，预报洪峰水位仅低0.01m，流量相对误差0.5%。②奔子栏站预报峰现时间与实况一致，洪峰水位预报偏高0.02 m，流量相对误差4.5%o。③石鼓、梨园入库流量起涨时间较预报时间提前1～2h，峰现时间较预报提前8h左右，洪峰流量明显偏大。主要是由于奔子栏以上沿程河段基本为稳定深切断面，洪水逐渐坦化但形态变化不大。奔子栏一石鼓河段存在多个滩地，“10·10”溃坝洪水量级不大，未达到漫滩水位;此次洪水峰高量大，该河段中出现多个滩地行洪，洪峰受滩地调蓄作用明显坦化，洪水缓慢归槽造成峰现时间较预报时间偏后。

采用3种模型对各站点流量过程模拟情况与实况对比见图1。由图可知，3种模型模拟结果与实况相比均有偏差，越向下游演进，计算误差越大，此次预报成果由3种模型结果综合确定得出。通过比较，水力学模型模拟的峰现时间较实际略有提前，马斯京根分段演算、汇流曲线演算模拟的峰现时间均偏后。原因为：①水力学模型沿程实测断面较少，除地形变化剧烈处增加断面外，其余断面均为内插，造成河道部分渠化，减小了河道调蓄能力，传播加快;②马斯京根分段演算法、汇流曲线演算法的模型参数综合反映了河段传播时间，率定采用的洪水样本较此次溃坝洪水过程传播时间长，造成这两种模型计算的洪水时间较实际偏后。

2.4预报模型优缺点比较

经过此次堰塞湖非常规、超历史洪水的预报实践，3种洪水演进模型在一定程度上能较好地反映出洪水演进过程，3种模型方法的优缺点对比分析如下。

（1）水力学模型属于水力学方法，具有很强的物理意义，全动力波控制方程可满足多种类型河道水力条件的计算需求，但模型资料要求高，沿程河道断面地形资料是构建模型、保障模型精度的基础。在洪水过程模拟计算中，由于事发山区缺少实测资料，且高原峡谷区测量困难，对预报结果的精确度有一定影响。GIS与专家经验校正的切割断面存在主观误差，造成奔子栏至石鼓地区未能较好反映滩槽调蓄作用。

（2）马斯京根分段演算模型属于水文学方法，对区间降雨径流比重小的河道洪水演算具有很强的适应性，但模型参数的率定需要多场次洪水资料，且河段传播时间基本为综合常数，对非常规洪水适用性一般。

（3）汇流曲线法同样属于水文学方法，与马斯京根分段演算法相似，汇流曲线是多场洪水样本的综合参数，是洪水传播时间的综合反映，对传播时间变化大的洪水适用性一般。

3结语

本文以“11·3”白格堰塞湖为例，分析了应急处置时采用的预报技术手段和综合预报过程。实践检验表明，此次采用的3种洪水演进预报模型，对分析计算上游山区河道的非常规超历史洪水具有较高的准确性，参数率定个数较少，能基本满足突发事件下的洪水预报需求。其中，水力学模型能较为准确地综合考虑河道地形和洪水演进坦化变形影响。由于各模型自身物理意义不同，各有优缺点和适用范围，应急预报时仍需综合考虑各模型结果的差异性和可靠性，多模型比较综合预报成果，避免因采用单一模型计算而造成的较大误差。

此次堰塞湖发生在山区，山区性河流涨落快速、水位流量关系单一，预报采用的均为适用山区性河道的洪水演进模型。突发事件的应急处置需快速响应，未来应整理归类不同特性河道（如平原河网、湖泊、水库等）和流域的应急预报模型以及开展模型适用性等方面的研究工作，以便为堰塞湖的应急处置、人员转移避灾提供准确及时的技术支撑。

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