防洪保护区洪水风险图编制中堤防溃口设置方案探讨

张永胜，邹 浩

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130021)

1 概 述

洪水风险图是直观反映洪水可能淹没区域洪水风险要素空间分布特征或洪水风险管理信息的地图，能反映研究区域洪涝灾害成因、洪水量级、洪水演进特性、危害区域及程度，可以为防汛部门提前作出应对策略、优化防汛方案提供重要数据、技术支持，目前已成为国内防洪减灾工作中重要的非工程类措施之一。

我国洪水风险图编制工作起步较晚，2013年以后，洪水风险图编制工作在全国各流域得到广泛开展，很多方面的工作都还处于探索阶段。在洪水风险图编制过程中，溃口的设置方案至关重要，它是开展洪水分析计算、洪水淹没范围确定、损失评估、避洪转移等工作的基础。溃口设置方案设置是否合理对洪水风险图编制成果质量具有较大影响。本文根据洪水风险图编制项目的特点，对防洪保护区堤防溃口位置、溃口宽度、溃决方式等问题进行深入分析，旨在提高洪水风险图编制质量和应用效果。

2 溃口位置分析

防洪保护区堤防溃决的原因主要有3种：①是管涌等险情发展到一定程度导致堤身塌陷发生堤防溃决；②是洪水位超过堤顶漫溢溃决；③是对于无分洪闸的蓄滞洪区要根据预案主动扒口溃决。由于影响溃口选择的因素众多，并且很多因素具有很强的模糊性，很难作出精确的判断，对于洪水风险图溃口位置的选择，目前还没有形成一个通用的规范。溃口主要依据“可能”、“不利”和“关注”这3个原则选择：“可能”溃口选取以临水堤防、处于水流顶冲位置、大洪水时水流容易淘涮的险工险段为主，由于这些位置的堤防比较薄弱，最有可能在洪水的作用下，造成工程失事而形成溃口；“不利”溃口选取可能淹没重要的城镇、工商业所处位置的堤防段，不同溃口的淹没范围可以相互衔接，表征保护区从下游至下游完整的风险区域，可以由此预估出最严重的灾害影响，即影响大；“关注”溃口可以选取以前发生过溃口的位置，即历史出险位置，以及近年来洪水发生时抗洪抢险比较危机的位置。

溃口位置选择主要考虑河道险工险段、砂基砂堤、穿堤建筑物、堤防溃决后洪灾损失较大等因素，一般方法是：

1) 进行现场调研，查看历史溃痕，并走访河道沿岸的居民和当地防汛部门，了解洪水出险情况，收集洪灾资料。

2) 走访各地统计部门，收集河道沿岸的人口、耕地、村庄、第二产业产值、第三产业产值等各种社会经济资料。

3) 查勘堤防薄弱地段和地势低洼地段以及河势变化较大地段，并对其进行分类统计。

4) 按堤段将各类资料分类汇总，并对危险程度较大的堤段重点标注。

5) 邀请当地防汛部门、工程设计部门、河道管理部门、水文局、统计局等多部门的多位专家，参照资料册，并结合多年工作经验，在相互探讨的基础上初步确定溃口位置。

6) 开展洪水分析计算时，如发现初步确定的溃口位置有不适宜的，需根据洪水计算成果分析调整溃口位置。

以内蒙古西辽河右岸防洪保护区洪水风险图编制为例，探讨溃口位置选择分析方法。内蒙古境内西辽河右岸现有堤防总长度248.6 km，在详细收集、整理堤防险工险段、堤防结构、历史出险情况等资料基础上，现场对西辽河干流沿线堤防、险工险段的工程措施进行实地勘察，与当地水利管理人员就西辽河大洪水时的险情、灾情、目前的防汛抢险重点、存在问题、可能的溃口位置进行调查了解。西辽河右岸防洪保护区目前共有险工21处，险工长度48.8 km，现状已整治长度11.4 km，治理措施多数为丁坝控导挑流工程及土石、块石编织袋坝头，个别险工段落局部采用铅丝石笼平顺护岸结构。右岸防洪保护区各险工是历年防汛工作重点，也是可能出现的溃口位置。

根据实地勘察、调查访问和堤防、险工位置分布以及相关设计资料整理分析成果，对可能出现的溃口位置进行进一步筛选分析。首先，通过绘制水流主河道、堤防位置图及提取最新Google earth卫星影像图(图1)中主河道与堤防的相对位置关系，从平面位置上初步分析河道演变趋势、堤防与主河道距离远近、堤防易于受水流正面冲刷和淘涮位置，结合险工整治措施、历史洪水溃口调查情况、保护区内地形起伏、线状构筑物分布和居民地分布等情况初步选定溃口位置。其次，由堤顶、堤脚测量数据和收集到的西辽河干流治理工程初步设计报告中水面线成果，绘制堤顶、堤脚、水面线纵断面图(图2)，由此分析各量级洪水时堤防堤脚的淹没水深情况，一般而言堤脚水深越大，相对越危险。从绘制的纵断面图上看，堤防桩号4～14.4 km河段和80～105 km河段的堤防堤脚地面高程较高，按50年一遇设计标准洪水水面线计算，设计洪水最高水位均处于堤脚地面高程以下，这两处河段不考虑选择溃口位置。最后，综合两者分析成果初步选定溃口位置，并与地方水利专家进行咨询，最终形成溃口设定方案，西辽河右岸防洪保护区共设置14个溃口。对设定的溃口方案进行洪水分析计算，计算中原确定的高井子溃口因堤外地形较高，受地形阻隔基本不向外跑水，因此对该溃口位置进行了相应调整。

图1 溃口位置选择平面位置分析示意图

图2 溃口位置选择纵断面分析示意图

3 溃口宽度分析

堤防溃决时，溃口垂向、横向发展过程、溃口最终形态特征与河道流量、洪水水流流速及流向、筑堤土体含水率、孔隙率、溃口位置堤身内外地形条件等因素有关。一般而言，河道流量对溃口垂向发展速度基本没有影响，但对溃口横向扩展速度影响较大，溃口上游来流量越大，作用于溃口两侧边壁的流速相应越大，溃口横向扩展速度越快，因此溃口的平均扩展宽度随流量的增大而增大。筑堤土体含水率大、孔隙率小时，土体黏聚力增加，堤防透水性较差，提高土体的抗冲性，从而使溃口垂向、横向扩展速度减缓，易形成矩形溃口；反之，则溃口垂向、横向扩展速度加快，易形成梯形溃口。溃口位置外江侧保护区地形越陡，内江侧水位越高；溃口外江侧流速越大，溃口垂向、横向扩展速度越快。

溃口宽度影响因素众多，很难作出精确的计算分析定量确定。以西辽河流域堤防决口调查数据为例，统计结果见表1。从表1中可以看出，各地点溃口宽度相差较大，从30～500 m不等，且无随上下游变化、洪水量级变化呈现规律性变化。例如，1954年洪水西辽河干流决口，保安村溃口宽度为250 m，金川营子村溃口宽度仅为46 m，二者相差近5倍；西拉木伦河1954年洪水洪峰流量为330 m3/s，义和沙拉村决口宽度为500 m，1963年洪水洪峰流量为461 m3/s，义和沙拉村决口宽度仅为150 m。

表1 西辽河堤防决口调查数据统计表

综上所述，在开展洪水风险图编制工作时，因溃口宽度难于精确计算分析定量确定，一般可根据实际堤防溃口的溃痕和观测资料，并综合专家经验法确定。考虑河道流量、洪水流速对溃口宽度有一定影响，对于某一溃口，如果不同量级洪水的流量、洪水流速对溃口宽度影响不大，不同量级洪水方案可采用同一溃口宽度；反之，则可因地制宜按照不同洪水量级方案拟定不同的溃口宽度，低于防洪标准一个量级的洪水，溃口宽度尺寸相对小一些，超标准洪水时溃口宽度尺寸相对大一些，标准洪水时溃口宽度取中间值。超标准洪水应急处理区和蓄滞洪区的主动扒口溃口宽度应根据分洪需要确定。

如果在上述条件都不具备的情况下，可采用如下经验公式近似计算，并综合专家经验法确定：

在汇流点：

Bb=4.5(log10B)3.5+50

在其余地点：

Bb=1.9(log10B)4.8+20

其中：Bb为溃口宽，m；B为河宽，m。

4 溃决方式分析

堤防溃口主要针对土质堤防，根据土质堤防溃决调查及室内试验数据来看，堤防溃决方式为逐渐溃决。因此，堤防的溃决方式可采用逐渐溃决方案，溃口初始形态和最终形态可根据筑堤土体含水率、孔隙率等特征采用矩形溃口或梯形溃口，溃口的垂向、横向发展过程采用线性溃决方式，即溃口宽度与深度随时间线性扩展，溃口的底高程取溃口所在河段保护区临堤地面高程。

堤防溃决时机可按以下原则确定：若河道最高洪水位大于等于防洪保证水位，则溃决时机取溃口所在位置的洪水位达到防洪保证水位的时刻；若河道最高洪水位小于防洪保证水位，则溃决时机取溃口所在位置的洪水位达到最高水位的时刻。

5 结 语

溃口设置是防洪保护区开展河道洪水分析计算的重要依据条件，对编制区域的洪水淹没范围、淹没水深、淹没历时和洪水流速等风险要素有重要影响，开展洪水风险图编制工作时，要合理进行溃口方案设置。溃口方案设置时，要充分考虑河道险工险段、砂基砂堤、穿堤建筑物、堤防溃决后洪灾损失、河道洪水流量、流速变化等因素，进行充分的现场调研，并在邀请地方相关部门技术人员探讨、咨询的基础上确定溃口设置方案。