梯级水库超标准洪水溃坝及避洪转移对策分析

李光锦，李德龙，李 伟

（江西省水利科学院，江西 南昌，330029）

0 引言

在全球气候变化的大环境下，我国因极端天气引发的洪水频繁发生，故深入研究超标准洪水，进行洪水淹没分析，对于保障人民生命和财产安全有着极其重要的意义[1]。我国水库众多，有相当一部分为梯级水库群[2]，梯级水库在面临超标准洪水时，应急处置问题日益凸显。梯级水库大坝的溃决或连溃造成的破坏极其严重，对下游的人民生命财产安全造成极大威胁。1975年8月，淮河上游大洪水，板桥、石漫滩两座大型水库及下游众多水库相继溃决，给下游地区的人民生命财产造成了极其惨重的损失[3]。我国学者在对水库制定超标准防洪应急预案时，多数超标准洪水分析仅考虑了单个水库遭遇超标准洪水大坝溃坝时对下游造成的影响及制定避洪转移措施，并未考虑上游水库溃坝导致下游水库溃坝的情况（即梯级水库）下的洪水分析，实际在梯级水库遭遇超标准洪水溃坝时，考虑单个水库溃坝进行洪水分析及应急处置不够全面，要充分考虑梯级水库的连锁灾害反应。

本文以江西省瑞金市两座小型水库作为研究对象，分别为树背坑一库（小溪云龙河上游）和树背坑二库（小溪云龙河下游），以树背坑二库大坝溃坝和树背坑一库溃坝导致下游树背坑二库溃坝连溃进行洪水分析对比，分析两者对下游区域的影响并制定避洪转移对策。研究成果对于我国防灾减灾工作具有重大意义，对于梯级水库超标准洪水及应急对策分析具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

树背坑一库水库和树背坑二库水库均位于江西省瑞金市谢坊镇大嵊村，座落在赣江流域贡江水系绵江河支流的小溪云龙河上，距离瑞金市约35km，树背坑一库位于树背坑二库上游，水库大坝之间距离约0.38km。

树背坑一库水库坝址以上流域面积为2.39km2，主河长3km，大坝为粘土固化心墙坝，坝顶高程为422.5m（黄海高程，下同），最大坝高24.5m，坝顶长98.03m，坝顶宽4.0m。水库正常蓄水位418.50m，相应库容25.09×104m3；校核洪水位为 421.75m，相应库容为 38.9×104m3。设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇，设计灌溉面积266.67hm2（4 000亩），是一座以灌溉为主结合水产养殖的小（2）型水库。

树背坑二库水库坝址以上控制流域面积2.70km2，主河长3.48km，大坝为粘土心墙坝，坝顶高程407.0m，最大坝高约19.5m，坝顶长度64.5m，坝顶宽4.0m。水库正常蓄水位403.00m，相应库容29.9×104m3，校核洪水位405.50m，相应库容40.0×104m3。设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇。是一座以灌溉为主，兼顾养殖、防洪等综合效益的小（2）型水库。

2 超标准洪水溃坝计算方案

2.1 溃坝洪水计算情形

对以下两种溃坝情形进行洪水分析计算：一是树背坑二库水库在校核洪水位时溃坝；二是树背坑一库在校核洪水位时溃坝，由于下游存在树背坑二库，考虑最不利情况下，当树背坑一库溃坝洪水演进到树背坑二库坝址时，此时树背坑二库也处于校核洪水位，并导致树背坑二库溃坝。

2.2 大坝溃决形式分析

水库大坝的溃决形式一般从结构上可分为局部溃决或全溃；从时间上分为瞬时溃和逐渐溃。树背坑水库坝体为黏土心墙坝，根据坝型特点，选择最不利条件下，树背坑一库和树背坑二库均为达到校核洪水位时，瞬时局部一溃到底的溃坝形式[4-6]。

土坝溃坝决口宽度采用《水力学计算手册》中根据黄河水利委员会水利科学研究院实际资料分析求得的计算公式[7]。其计算公式为：

式中：b为溃坝决口平均宽度，m；K为与坝体有关的系数，依据实际情况及有关经验取1.3；W为溃坝时蓄水量，万m3；B为溃坝时沿坝前水面宽度或坝顶长度，m；H为溃坝时水头或坝前水深，m。

由此可计算出树背坑一库和二库溃坝决口宽度，见表1。

表1 不同水库校核洪水位溃坝决口宽度

2.3 坝址处最大溃坝流量

本次坝址处最大溃坝流量的估算采用瞬时横向局部溃坝到底的溃坝形式，计算方法采用《水力学》中圣维南经验公式[7]：

式中：QM为溃坝时坝址处最大流量，m3/s；B为溃坝时沿坝前水面宽度或坝顶长度，m；b为溃坝决口平均宽度，m；H0为相对应洪水标准下溃坝时水头或坝前水深，m；g为重力加速度，m/s2。本文取主坝长度作为B值。

由此可计算出树背坑一库和二库溃坝时的坝址处溃坝流量，见表2。

表2 不同水库溃坝坝址最大流量

2.4 溃坝下游最大流量

当溃坝洪水向下游演进时，河道会出现一个最大流量，而最大流量的计算则采用《水力学》中溃坝下游流量的经验公式[7]：

式中：QL为溃坝时距坝址L处出现的最大流量，m3/s；W为溃坝时的库容，万m3；QM为溃坝时坝址处最大流量，m3/s；L为距坝址处的距离，m；v为河道洪水期断面最大流速，m/s；一般山区为 3～5m/s，取 4m/s（最大流量下的最大流速）；K为经验系数。

通过以上方法计算可知，当仅树背坑二库校核洪水位溃坝时坝址最大流量2 372.15m3/s；当上游树背坑一库校核洪水位溃坝时坝址最大流量为6 507.08m3/s，当溃坝洪水演进到树背坑二库坝址时，流量为4 465.32m3/s；考虑最不利情况树背坑一库溃坝洪水演进到树背坑二库坝址处时，树背坑二库随即溃坝，此时流量叠加，最大流量即为6 837.47m3/s（实际应小于此流量）。

3 超标准洪水溃坝分析

3.1 河道洪水分析

实际上，当水库达到相应洪水位时便会通过溢洪道及泄水设施进行泄洪，保证大坝安全，同时当水库出现某频率洪水时，水库下游河道也会出现洪水汇流，但根据树背坑一库和树背坑二库水库泄洪设施及下游河道等实际情况，河道汇流洪水相较于水库校核洪水位溃坝的流量很小。为了计算简便，因此本次溃坝计算未考虑河道洪水流量。

3.2 洪水淹没分析

本研究利用瑞金市相关区域1：50000地形图，采用数字化技术，提取高程点图层，构建研究区 DEM 数据。基于GIS空间分析方法，利用克里金差值等多种方法进行洪水分析，计算淹没范围及水深。

当仅树背坑二库校核洪水位溃坝时，洪水淹没范围如图1所示。溃坝洪水将淹没下游地区的下黄下等自然村，影响人数约153人，淹没下游总面积0.33km2。

图1 树背坑二库校核水位溃坝洪水淹没范围及转移安置图

当树背坑一库在校核洪水位溃坝时，导致下游树背坑二库溃坝，洪水淹没范围见图2所示。溃坝洪水将淹没下游地区的下黄下、新屋和河子口等自然村及大嵊背村部分区域，影响人数500人以上，淹没下游总面积0.52km2。

图2 树背坑一库溃坝洪水淹没范围及转移安置图

3.3 人员避洪转移安置

根据上文的洪水分析，分别制定两种情形下人员避洪转移安置的措施，具体见表3。安置场所通常选择高地、学校、敬老院、广场、公园、卫生院等，空旷场所也可进行人口安置。本次转移安置点考虑到洪水区域实际情况及水库溃坝洪水淹没时间较短等因素，选择附近高地空地作为临时人员转移安置避难场所[8-10]，转移路线见图1和图2。

表3 不同水库溃坝人员转移安置表

结合淹没村庄的距离及洪水流速（一般山区为3～5m/s，取4m/s）可确定洪水到达各淹没村庄的时间见表3，受影响村庄居民需在洪水到达之前进行转移安置。

4 结 语

本文通过对树背坑二库溃坝和树背坑一库溃坝导致的树背坑二库溃坝进行洪水分析发现，仅下游树背坑一库溃坝时共影响人口153人，淹没范围0.33km2；树背坑一库溃坝导致下游树背坑二库溃坝共影响人口500人以上，淹没范围0.52km2。由此可知，上游水库的溃坝导致的下游水库溃坝造成的洪水风险相较于下游水库溃坝造成的风险高。故在对梯级水库群进行超标洪水淹没分析时，不仅仅要考虑下游水库单个水库的溃坝洪水分析，同时要进一步考虑上游水库超标洪水溃坝之后导致的下游水库连溃的洪水淹没分析，对于下游人民的生命财产安全保障具有重要的意义。

由于水库溃坝机理比较复杂，不同的计算方法所得出的结果不尽相同，本文所采用的计算方法较为粗略，得出的淹没分析结果可能与实际情况具有一定出入，但可为后续梯级水库溃坝洪水分析的研究提供一定借鉴参考。