摘要:堰塞湖水文應急預報一般存在實測數據少，代表性差，實時報汛信息不全麵和缺乏實測數據檢驗等問題。從水文應急預報實用技術的角度，闡述了堰塞湖水文應急預報內容及具體方法。結合靜庫容調洪演算法、庫水位漲差預報相關圖和導流槽過流流量水力學計算法，對唐家山、舟曲堰塞湖水位過程進行了應急預報，預報結果精度較高。指出了進一步開展堰塞湖水文應急預報方法研究的方向，為今後開展類似應急搶險和水文應急預報研究提供了技術參考。

關鍵詞:堰塞湖;水文應急;預報方法;唐家山;舟曲

中圖法分類號: P338文獻標誌碼: A文章編號: 1001-4179(2013) 11-0027-04

Common-used methods in hydrological emergency forecast of dammed lake

ZHENG Jing1，YAN Fuhai2，CHEN Dongping2

Abstract: Some problems exist in the hydrological emergency forecast of dammed lake，including few measured data with weak representativeness，incomplete real-time flood forecast information and lack of data verification．From the view of practical technology of hydrological emergency forecast，the contents and concrete methods of hydrological emergency forecast for dammed lake are demonstrated．In combination with flood routing calculation of static reservoir capacity，relative drawing of rise-difference forecast of reservoir level and hydraulic calculation of discharge of diversion trench，the emergency forecast of Tangjiashan and Zhouqu dammed lakes has been conducted with high forecast precision．The direction of further implementation of hydrological emergency forecast of dammed lake is pointed out，which can provide technical reference for hydrological emergency forecast research．

Key words: dammed lake; hydrological emergency; forecast method; Tangjiashan; Zhouqu

1研究背景

堰塞湖是由火山熔岩流，或由地震活動等引起山崩滑坡體、泥石流等堵截河穀、河床後貯水而形成的湖泊［1］。堰塞湖的危害主要表現在兩個方麵:①對於上遊，隨著湖水量的增加，湖區淹沒範圍逐漸擴大，人民的生命財產麵臨被淹沒的威脅;②對於下遊，當堰塞體受到自然侵蝕、衝刷，或湖內蓄水量達到一定程度時，巨大的壓力可能致使結構鬆散的壩體出現滲流、衝刷，最後導致垮塌並形成潰壩洪水。

由於堰塞湖地區水文應急預報工作往往具有較大的突發性，事前難以提前在當地開展站網布設、資料收集和預報方案準備等工作，因此，經常因資料缺乏、預報對象不確定等增加工作難度［2］。在實際防治工作中，多采用工程措施和非工程措施並舉的方法，即在加強工程措施治理的同時，開展堰塞湖地區的水文應急保障工作，及時掌握堰塞湖上遊的來水等信息，為專家決策提供不可缺少的重要依據。

隨著近幾年堰塞湖地質災害的頻繁發生，水文應急預報工作受到了廣泛關注。近幾年在長江流域的堰塞湖搶險防治工程中，如2008年"5·12"汶川大地震誘發形成的唐家山堰塞湖、2009年8月年大渡河漢源附近山體滑坡以及2010年8月舟曲泥石流形成的堰塞湖，都及時開展了針對堰塞湖的水文應急預報工作。雖然不同堰塞湖的形成原因和危害程度存在較大差異，以致具體應急預報的內容或技術路線有所不同，但從實際效果來看，水文應急預報可以為堰塞湖除險工作提供強有力的決策依據和參考。

2堰塞湖水文應急預報內容

堰塞湖一般是受地震或泥石流影響，河道被阻塞以後形成的，發生時間短，對上下遊危害都比較大。堰塞湖發生之初，由於其不穩定性，首先要根據監測數據分潰決方式(1 /2潰、全潰等)進行潰口洪量預報，預報潰口後下遊河段流量、淹沒範圍和時間等，並製定相應應急撤離方案。堰塞湖潰壩險情排除以後，根據不同情況，預測預報信息應包括入庫流量、出庫流量、庫水位及蓄水量變化等。當有降雨過程或上遊來水發生時，還需要進行洪峰流量和峰時預報，必要時要進行與下遊洪水遭遇預報，並提出應對建議。

3堰塞湖水文應急預報方法［3］

開展堰塞湖水文預報時，應根據堰塞湖應急處置對水情預測的要求，編製相應的水情預測方案。當堰塞湖所在流域缺乏水文資料時，可利用鄰近地區實測暴雨洪水資料編製預報方案，綜合分析比較後修正移用;也可利用堰塞湖應急監測水文資料、水位容積關係等進行預估。

本文主要介紹常發的由地震、山體滑坡、泥石流等形成的堰塞湖、壅塞體的水文應急預報。

3．1麵臨的問題

(1)開展水文應急預報前，預報對象地區資料代表性差，所建方案精度達不到規定要求。水情預報方案的可靠性取決於編製方案使用的水文資料質量和代表性，當資料代表性差時(係列太短，缺乏足夠樣本等)，所造成的誤差往往較大。因此，《水文情報預報規範》(GB T 22482-2008)要求，編製洪水預報方案要使用不少於10 a的水文資料。但堰塞湖地質災害發生地大多處於水文站網稀少甚至空白的地帶，基礎資料嚴重缺乏，所建預測預報方案很難滿足規範要求。

(2)在開展應急作業預報過程中，實時信息掌握不全。由於災害發生所在地區水雨情站點稀少或者受災害影響而不能及時報汛，導致不能及時獲取水情信息，無法控製降雨中心的雨量，影響預報精度。而且，若所缺信息太多，最初開展的試報成果隻能作為估報成果考慮。

(3)在開展每次應急作業預報過程後，缺乏實測水情資料對應急預報成果進行檢驗及校核。開展應急水情預測預報的地區一般屬於中小河流，缺乏實測水情資料，無法建立完善的水情預報方案，但開展應急預測預報，需根據水情發展變化進行試報，在試報過程中逐步積累經驗，對方案進行盡可能的完善。例如2008年開展唐家山堰塞湖水文氣象預報應急保障服務時，在對該地水情預報中，唯一"真實"可信賴的數據是治城(唐家山)的水位值，其餘入庫流量、庫容曲線等均為計算值。

3．2建立應急預測預報方案［1，3］

應根據所在地區暴雨特性、上遊徑流和氣象預報資料開展水情預測工作。編製水情預測方案采用的方法、係統數學模型或經驗相關關係應符合流域水文特性。在收集到一定的水文資料後，應對水情預報方案進行評定。洪水預測采用多種方案和途徑，在進行現時校正和綜合分析判斷的基礎上，確定洪水預測數據，以供搶險指揮者決策參考。

(1)移用鄰近流域預報方案。該方案的實施基礎是預報流域影響徑流的各項因素與被移用的參證流域各項因素極為相似。因此，要選用與該流域地理條件、氣象條件及下墊麵條件相似、集水麵積相差不大、具有較長實測資料的流域作參證流域，並用其洪水資料編製洪水預報方案。若該流域尚有少量資料，就用這些資料對方案進行一定的修正;若無資料，則立即開展觀測，積累一定資料後再對方案進行修正。這種方法是水文預報或洪水分析時常用方法，隻是由於缺乏實測資料，不能用本流域洪水進行檢驗，對其作業預報精度無法評定。由於被移用的參證流域洪水資料齊全，所建立的方案比較完善，包含了峰現時間的預報(峰現時間同樣需積累資料後修正)，在開展水文應急預報時，若有滿足條件的鄰近流域，則可對鄰近流域預報方案進行綜合分析比較後修正移用。

(2)上、下遊水文站倍比。如果預報斷麵上遊或下遊有水文站，則可先用水文站的洪水預報方案對水文站的洪水進行預報，之後按麵積比換算到預報斷麵。其換算公式為

Q=(F/F_j)ⁿQ_j(1)

T=T_j(L/L_j) (2)

式中，Q，Qj分別為預報斷麵和鄰近上(下)遊水文站的流量預報值，m3 /s; F、Fj分別為預報斷麵以上和鄰近上(下)遊水文站以上集水麵積，km2 ; T，L，Tj，Lj分別為預報斷麵及鄰近水文站的傳播時間(h)，及河長(km) ; n為指數，應根據實測流量數據分析，集水麵積量級不同，則n值不同，若無實測數據分析，對區域代表站一般可取n=2 /3。預見期除了用河長倍比外，還應以水文站預報方案所得預見期為基值，根據估報斷麵與水文站的相對位置，加上或減去預報斷麵至水文站間的洪水傳播時間(估算)，即得預報斷麵的預見期。

3．3堰址水位及過流流量常規預報法［2］

應用靜庫容調洪演算方法、庫水位漲差預報相關圖和水力學計算方法相結合開展堰塞湖(壅塞體)堰址處的水位預報。堰塞湖水位預報中主要采用靜庫容調洪演算，即利用已知起調水位，結合庫容曲線(可以通過Dem模型計算得到)，根據預測入湖水量計算未來湖水位。當導流槽開始過流後，因無法獲得導流槽過水斷麵水深、渠寬等參數，采用了明渠均勻流計算方法來估算導流槽過流流量，並應用試錯法反推湖水位。利用靜庫容調洪演算預報庫水位。

3．3．1靜庫容調洪演算法

主要通過水庫水量平衡方程來進行水庫調洪演算。水庫水量平衡是指在某一時段內，入庫水量減去出庫水量，應等於該時段內水庫增加或減少的蓄水量，水量平衡方程如下:

式中，Q1、Q2為時段Δt始、末的入庫流量，m3 /s; q1、q2為時段Δt始、末的出庫流量，m3 /s; V1、V2為時段Δt始、末的水庫蓄水量，m3 ;Δt為計算時段，其長短的選擇，應以能較準確反映洪水過程線的形狀為原則，對於陡漲陡落的來水過程應該取較小Δt，對於來水平緩的來水過程可適當放大Δt。

3．3．2庫水位漲差預報相關圖

為校正預報結果，應建立壩前水位、入庫流量、壩前水位日漲幅的預報相關圖，供實時預報作參考。庫水位漲差相關圖是以入庫流量作縱軸，庫水位漲差作橫軸，壩前水位為參數的三變數相關圖。通過預報的入庫流量、壩前水位查算庫水位漲差。靜庫容調洪演算預報的庫水位與庫水位漲差相關圖互為校核，綜合分析後再發布。堰塞湖庫水位漲差相關圖如圖1所示(圖中數據取自2008年開展的唐家山堰塞湖應急水文預報實踐)。

3．3．3導流槽過流流量的水力學計算法

導流槽在開始過水後，斷麵不斷發生變化，流量也隨之發生改變，過水流量的分析預報難度很大，此時需采用動床非恒流水力學模型計算，但導流槽實時的過流斷麵或水下地形難以及時獲取，也很難及時觀測到水流的邊界條件(特別是下邊界)。因此，在動床非恒流水力學模型計算條件難以滿足時，為開展實時預報，需簡化計算，采用明渠均勻流水力計算公式計算流量。

明渠均勻流水力計算的基本公式即謝才公式(見下式(4))，水力坡度采用水麵比降代替:

式中，v為斷麵平均流速，m/s; C為謝才係數，m^1/2/s; R為水力半徑，m; i為水麵比降; Q為流量，m3/s; A為斷麵麵積，m2。

當應用曼寧公式計算謝才係數時，式(4)可寫為

式中，n為糙率;χ為濕周，m。以上兩式在預報中均有采用，以相互印證參數(主要為估計糙率和水麵比降)的可靠性。

在計算導流槽流量的過程中，因導流槽斷麵和水深不斷發生變化，需及時根據有限的實測資料(流量、斷麵、水深等)進行複核與調整，即對未來斷麵與水深變化實行外延與預估，再分析預測導流槽過水流量。

4應用實踐與效果分析

4．1唐家山堰塞湖［4-5］

2008年5月12日，汶川大地震造成北川部分地區被堰塞湖水淹沒，唐家山堰塞湖是震後形成的最大堰塞湖，堰塞壩位於北川縣城上遊6 km處湔江上，集水麵積3 550 km2，堰塞湖總容積約3．16億m3，壩前湖底高程約為663 m。堰塞體長803．4 m，最大寬度611．8 m，麵積30．72萬m2，體積約2 037萬m3。堰塞體最大壩高124．40 m，埡口處壩高82．65 m。因其塌方體方量、庫容巨大和威脅人口眾多被列為極高危堰塞湖，並引起國內外廣泛關注。

唐家山堰塞湖下遊北川站5月1～12日來水較為平穩，流量維持在48．8～80．4 m3/s之間，5月12日形成堰塞湖後，流量快速消退，5月16日消退至3．0m3/s。此外，唐家山堰塞湖上遊治城站5月1～17日水位維持在706．63～707．34 m之間波動，18日起水位快速上漲，6月7日07: 00水位740．76 m。唐家山堰塞湖導流槽過流後(6月7日07: 08過流)，漲率逐漸減小，最高水位743．51 m(6月10日02: 00)。6月10日0: 00時起，唐家山堰塞湖下泄流量明顯加大，治城站水位也快速下降，6月11日11: 00退至714．70m，水位過程見圖2。

基於唐家山堰塞湖區域的水文站網信息(最初僅有2個雨量站，後陸續增加為5個)，並考慮到堰前水位是體現堰塞湖應急泄流的重要指標，確定堰塞體壩前(唐家山)站的水位為該次堰塞湖水文應急預報的對象。由於資料嚴重短缺，采取借用臨近流域(原江油、甘溪、北川至涪江橋區間)的產彙流預報方案，並進行適當調整;應用靜庫容調洪演算方法、庫水位漲差預報相關圖、水力學計算方法相結合的技術路線，實現對唐家山水位的預報。

按上述技術路線，從5月20日至6月9日，長江水利委員會水文局共完成唐家山堰塞湖水雨情分析材料28份。經統計，12，24，48，72 h預見期平均水位預報誤差分別為0．08，0．09，0．14，0．23 m，為應急除險決策提供了及時可靠的水文依據。尤其值得一提的是，6月3日20: 00，提前78 h預報了唐家山水位達到740．00 m(堰塞體埡口過流高程)的時間，為堰塞湖應急處理決策贏得了主動。

4．2舟曲特大泥石流堰塞湖［6］

舟曲縣位於甘肅省東南部的白龍江中上遊，2010年8月7日甘南藏族自治州舟曲縣突降強降雨誘發特大泥石流，大量的泥石阻塞白龍江河道，形成順河向總長1 200 m的堰塞體，堰塞體上遊的堰塞湖最大水深9m，蓄水量約150萬m3。

舟曲以上流域站網稀疏，曆史監測資料短缺，不足以滿足建立足夠精度的水文模型的要求。為此，長江水利委員會水文局集中技術人員立即開展分析研究。根據流域下墊麵條件相似則產流機製亦相似的原則，舟曲各預報分區產流借用鄰近流域岷江大渡河的參數，並在實際試驗預報中持續對參數進行修正，及時編製出舟曲堰塞湖應急水文預報方案。在2010年8月12～31日期間，共製作了36期水文應急預報，取得了較高預報精度。尤其是8月21日發布的第18期甘肅舟曲水雨情預報分析中，提前24 h預報出洪峰流量為300 m3/s，實測8月22日08: 00最大流量為292 m3/s。實踐證明，經該預報方案作出的預報成果精度較高，為前方堰塞湖除險處置提供了有力支撐。

5結語

本文通過對近年來唐家山、舟曲等高危堰塞湖排險工作中水情應急預報實踐進行分析與總結，提出了針對堰塞湖的水文應急預報常用方法，實踐檢驗證明，本文提出的技術方法能基本滿足堰塞湖水文應急預報的要求。

突發性堰塞湖成因的多樣性、時間的隨機性、地點的特殊性，決定了本文提及的水文應急預報方法應結合當時當地的客觀條件和實際情況進行適當調整，並不斷補充和完善。今後應加強對無資料地區產彙流理論的摸索和應用探討，在條件允許的情況下，利用遙感數據開展數字高程模型的研究與應用［7］，充分加強水文、氣象、地理信息係統等多學科的綜合應用研究，提高水文應急預報水平。

參考文獻:

［1］王俊．水文應急實用技術［M］．北京:中國水利水電出版社，2011．

［2］鄭靜，楊文發．唐家山堰塞湖水文氣象預報應急保障實踐［J］．人民長江，2008，39(22) : 36-39．

［3］劉寧，楊啟貴．堰塞湖應急處置技術導則［J］．北京:中國水利水電出版社，2009．

［4］楊文發．長江流域堰塞湖水文應急預報實踐及對策［J］．人民長江，2011，42(6) : 62-63．

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［6］陳瑜彬，馮寶飛，歐陽駿，等．舟曲堰塞湖除險應急水文預報方案編製［J］．人民長江，2011，42(6) : 46-47．

［7］高潔，王光謙．基於數字流域模型的唐家山堰塞湖入流過程應急預報［J］．河海大學學報，2009，37(5) : 569-571．

作者簡介:鄭靜，男，高級工程師，主要從事長江流域水文預報工作。