“11·3”金沙江白格堰塞湖水文應急監測預報

摘要：堰塞湖形成后，迅速有效地開展水文應急測報工作對制定處置方案、減少損失起著至關重要的作用。在分析河道特性、沿岸人口和經濟社會分布的基礎上，從應急監測、應急分析計算、應急預報3個方面對長江水利委員會水文局在“11·3”金沙江白格堰塞湖中的水文應急工作進行了分析總結。全面介紹了此次堰塞湖水文應急監測工作的總體布局和實施情況，水文應急分析計算的方法和成果，水文應急預報方法、共享模式等情況，并對有關問題提出了建議和設想。

關鍵詞：應急監測;水文預報;洪水演進;白格堰塞湖;金沙江

中圖法分類號：P33

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.005

文章編號：1001-4179（2019）03-0023-05

2018年11月3日17：00許，西藏自治區昌都市江達縣波羅鄉白格村境內金沙江右岸繼第一次滑坡后再次發生大規模山體滑坡，滑坡堵塞金沙江并形成堰塞湖。堰塞湖水位持續快速上漲，威脅著，上、下游人民群眾的生命財產安全。長江水利委員會水文局（以下簡稱長江委水文局）迅速集結專業技術隊伍開展了水文應急測報工作，為堰塞湖的成功處置做出了突出貢獻。

水文應急測報工作是堰塞湖應急處置的關鍵組成部分，主要由水文應急監測、水文應急分析計算和水文應急預報3個部分組成，其相互關系見圖1。

1 水文應急監測

水文應急監測是水文應急工作的基礎，為水文應急分析計算及應急預報提供前期基礎資料和實時信息。堰塞湖水文應急監測主要包括：應急控制測量、堰塞體監測、水道勘測（庫區及下游河道）及水文要素監測等”。此次在準確推算金沙江白格堰塞湖庫容的基礎上，更加注重堰塞體上、下游水文要素的應急監測，特別是潰決后下游水文測站的應急監測，為堰塞湖的處置、堰塞湖區及潰壩后下游沿岸避險提供支撐，并為后續研究工作提供寶貴的水文數據。

1.1 組建應急監測站網

堰塞湖形成后，長江委水文局根據河道特性及沿岸人口和經濟社會分布，充分利用干流現有水文測站組建應急監測站網，分別將崗拖（壩上90km）、巴塘（壩下190km）、奔子欄（壩下382km）、塔城（壩下487km）、石鼓（壩下574km）、上虎跳峽站（壩下619km）等納入監測站網;并將長江委水文局運行維護的波羅（壩上15km）、葉巴灘（壩下56km）等2個工程專用站納入。同時，四川水文部門在壩體上、下游3km處分別設立了水位觀測站。這些站點相互配套，協同“作戰”，構成了“11·3”白格堰塞湖水文應急監測站網。

1.2 編制應急監測方案、開展前期準備工作

根據本次堰塞湖的實際情況，結合各監測點的水文特性，從人員配置、測驗技術方案、儀器設備、安全轉移等方面逐站編寫了《金沙江白格堰塞湖應急監測方案》，確保在測洪能力范圍內的水沙資料收集。超標準洪水采用高洪應急預案，靈活應用先進儀器和傳統手段，保證洪水水位過程測得到、報得出，并盡量測記流量過程;充分考慮可能出現的各種困難，確保安全生產。

為成功應對潰壩洪水，各監測點積極準備，檢查維護現有設施設備，設立高水應急監測設施設備，開展夜測演練、高洪監測演練、無人機浮標投放演練等?？紤]潰壩后各站水位漲勢猛、漲幅大、洪峰水位高等特點，對現有大斷面進行了延測，對臨時斷面進行大斷面補測，并結合歷史洪水資料對各站水位流量關系進行了高水延長，為應急分析計算及預報提供支撐。各監測點還積極與地方政府及相關部門聯系，協助辦理車輛通行證，提供帳篷、電力設施等物資保障，完成水文站重要物資轉移，布設緊急撤離安置點等，為實施水文應急監測打下基礎。

1.3 水文應急監測實施及成果

堰塞湖形成后，波羅站在第一時間展開了水位觀測，期間水位持續大幅上漲，累計上漲60余米。營地共搬遷5次，監測人員在極其艱苦的條件下一直堅守崗位，采用人工和自記水位計結合的方式共觀測水位1000余次，為戰勝堰塞湖潰壩洪水起到了關鍵作用。

堰塞體過流后，下泄流量迅速增大，壩上水位迅速降低，出現山體垮塌、道路被毀等情況，下游水位快速.上漲，流速大、漂浮物多、沖刷力極強，同時部分站點遭遇電力通訊中斷等情況，自記水位計觀測精度不能滿足要求，水位以人工觀測為主。流量測驗主要采用浮標法、電波流速儀法等方法。

潰壩后，葉巴灘站2h多水位，上漲30m，最大1min水位漲幅達3.53m，監測人員采用全站儀免棱鏡方式完整報出了水位過程。巴塘站最大1h水位漲幅超過11m，不到12h內共施測19次流量，測驗難度大、頻率高。奔子欄站在纜道房機絞被淹、觀測井倒塌的條件下，測流33次，完整記錄了洪水變化過程。塔城、石鼓、上虎跳峽等測站克服漂浮物多、夜測能見度低、江面開闊、人員精力消耗大等困難，連續測報超過10h，監測到了主要水文要素信息。

水文監測數據及時通過公網、衛星報送，水位報送段次漲洪期間5～10min一次，退水期1h一次。

應急監測同時，后方對各監測點應急監測資料開展了實時整編工作，及時發布整編成果。堰塞湖水文應急監測工作結束后，長江委水文局組織四川省水文局、云南省水文局等相關單位對此次堰塞湖潰壩洪水做了專項水文資料整編，進行了單站合理性檢查、上下游站綜合對照檢查及水量平衡分析，經檢查各監測斷面洪水過程、峰值及出現時間均基本相對應，上下游水量基本平衡，結果合理。

2 水文應急分析計算

水文應急分析計算是應急處置

的前提，通過潰壩洪水分析計算，為堰塞湖處置、危險區人員轉移提供決策依據。

2.1潰壩洪峰流量估算

通過基于GIS和DEM網格數據相結合的快速空間信息處理技術，并結合實況信息，推算白格堰塞湖水位-庫容曲線成果如圖2所示。

從圖2可見，堰塞湖水位-庫容曲線在高水部分與實測數據更接近，低水部分受限于DEM精度，與實測成果有一定偏差。由于堰塞湖潰決更關注潰決造峰時的高水情況，采用GIS軟件估算的堰塞湖水位-庫容曲線可有效應用于潰壩洪水研究。

“11·3”白格堰塞湖為漸潰工況，在地形資料缺乏、信息來源不全、應急成果需求急迫等情況下，潰壩最大洪峰流量計算以鐵道部科學研究院經驗公式2為主，并采用其它潰壩洪水計算方法（黃河水利委員會經驗公式、謝任之經驗公式等）進行對比分析，計算的關鍵是確定潰口寬度及深度。本次結合白格“11·3”潰壩情況，經過多種經驗公式估算并考慮堰塞體土石比構成，模擬潰口寬度按照100m，壩體1/3潰、1/2潰（對應工況1、2），采用鐵道部科學研究院潰壩洪峰流量公式估算潰壩洪峰流量為23700～41700m³/s。后根據動、靜庫容反推壩址最大下泄洪峰流量約31000m'/s，表明潰壩最大洪峰流量在工況1、2之間，驗證了鐵道部科學研究院經驗公式的實用性。該公式在應急搶險中因時間緊急、現場情形所獲資料較少時，能快速地評估潰壩洪水量級，為快速搶險決策提供了重要參考。

2.2 潰壩洪水演進分析

潰壩波為立波，峰型尖瘦，波速較大，摩擦損失與之相比占次要地位，且洪水向下游演進過程中，水流受河槽調蓄影響，流量尖峰部分很快坦化[3-5]，因此本次潰壩洪水演進首先分析提煉GIS、Google獲取的地形關鍵因子，并利用白格“10.10”潰壩洪水對模型參數進行反演率定，然后耦合多種洪峰展平公式（如謝任之公式、李斯特萬公式、克曼公式等）進行演算，估算壩址下游水文站的最大洪水流量及水位漲幅情況，估算結果見圖3。

從圖3可見，壩下各站最大洪峰流量、最大水位漲幅均未超過工況2的對應值，說明以工況2情景對應的洪水預測成果作為潰壩洪水上限是可靠的。但本次估算的石鼓站洪峰預測值和實測值有一定偏差，分析原因為，奔子欄以下尤其是塔城以下至虎跳峽河段，河谷展寬，河道調蓄作用顯著。

采用洪峰展平公式估算堰塞體下游測站洪峰流量及水位漲幅，能快速估算堰塞體下游洪災影響，為前方應急搶險決策提供重要參考。但以上公式都是基于棱柱體河槽、洪水波概化為三角形、忽略慣性項等假定，對于河道地形變化較大，潰壩洪水量級較大、洪水漫灘等情況，需結合水力學方法及地形資料進行復核率定，綜合確定洪水演算成果。

3 水文應急預報

崩滑堵江形成的堰塞湖在山區廣泛存在，此類堰塞湖潰壩形成和發展過程屬于非正常和難預測事件，潰壩后形成的洪水異常兇猛，水流速率大、洪峰量級高、洪量集中、過程變化急驟，洪水準確預報技術難度大。金沙江“11·3”白格堰塞湖各斷面洪水演進過程如圖4所示。

3.1 入湖來水及水位預報

堰塞湖入湖來水預報是堰塞湖水量預測、水位預報的基礎，一般堰塞湖集水區為無控區域，由于缺乏水文氣象資料、下墊面信息，通常采用預報模型參數移植、上下游水文站倍比放縮等方法構建來水預報方案體系。隨著網格定量降水預報技術以及數字高程信息處理技術的發展，耦合氣象數值預報的分布式水文模型成為堰塞湖應急水文預報方案快速構建、率定的新技術。在“11·3”白格堰塞湖處置期間，通過上述傳統方法與新技術的結合，較為精準地預報了入湖來水，提前10d預測出11月13日堰塞湖最大蓄水量5.78億m'（與實況吻合）;提前24h精準預測堰塞湖水位到達引流槽底坎時間;提前6h精準預測堰塞湖最高水位和達到時間，為工程處置進度控制提供了重要技術支撐。

3.2 堰塞湖潰口流量實時分析

潰口流量實時推算是下游洪水演進實時預報的邊界輸入和關鍵依據。在實時推流過程中，通過聯解水量平衡方程與蓄泄關系，搭建靜庫容調洪演算模型，根據10，15，30min等不同時間步長的水位變幅，推算多時間尺度的流量過程，綜合獲取最終的過流過程，最終確定最大過流流量31000m³/s（13日18：00）。同時通過搭建動庫容調洪演算模型復核潰口推流計算成果（考慮最遠回水端距堰塞體約84km），計算發現，動庫容計算成果（潰口最大流量31500m3/s）與實時潰口推流成果基本一致。

3.3 下游實時洪水演算

堰塞湖潰決形成的超標準潰壩洪水，勢能大、流速大、短時漲幅大，傳統水文學模型難以模擬。在“11·3”白格堰塞湖洪水演算中，搭建了以MIKE11一維水動力學模型為主.馬斯京根分段演算模型和匯流系數模型為輔的水文水動力學相結合的預報方案體系，實現多模型同步實時演算、互驗。洪水演進預報結果精度總體較高，其中巴塘站預報洪峰水位2494.90m（僅較實況值2494.91m偏低0.01m），奔子欄站預報洪峰水位2019.00m（僅較實況值2018.98m偏高0.02m），具體預報與實況對比見表1。然而，石鼓預報值偏大，該問題將作為關鍵問題在下文探討。

3.4 預報會商與服務，

堰塞湖會商處置過程中，準確掌握和分析水雨情、水庫調度、減災進度等信息，是各級決策部門應急處置的重要工作環節?！?1·3”白格堰塞湖處置期間，以長江防洪預報調度系統為基礎，通過系統模塊快速搭建的堰塞湖應急處置會商系統，實現了災區實況水雨情信息展示、各類技術分析成果匯集等功能，為成功處置堰塞湖險情發揮了支撐作用。

隨著水文應急服務的發展，其預報服務形式趨于多樣化，面向的受眾趨于多元化。服務形式從傳統的短信、傳真、電話咨詢、網頁拓展至一些定制化的水情服務，包括前方指揮部應急材料、防汛會商材料、地方水情信息服務、新媒體推送等。這類面向不同對象的定制化預報服務具有常態化趨勢，這也對預報工作者關于預報服務形式的創新提出了更高的要求。

3.5 關鍵技術問題與探討

“11·3”白格堰塞湖潰壩洪水演進預報分析過程中也遇到了一些問題，其中最為關鍵的問題有以下3個。

（1） 水位流量關系高水延長線復核。構建白格堰塞體-奔子欄河段的一維水力學模型，下邊界采用奔子欄實況水位過程率定模型參數。通過水動力學模型復演各斷面洪水過程，復核采用史蒂文斯法、專家經驗法確定的水位流量關系外延線，兩線基本吻合，以巴塘站水位流量關系為例，見圖5。通過洪水期間報汛流量計算洪量，與本次堰塞湖下泄總水量對比，水量基本平衡，表明堰塞體-奔子欄河段重要斷面高水外延線基本合理。

（2） 潰決洪水演進過程復演及傳播時間分析。采用前述率定的水力學模型，開展“11·3”潰壩洪水復演及傳播時間分析工作。程海云等[4.1提出斷波概念，其流速較運動波流速明顯偏大，是造成河道傳播時間縮短的原因之一。梯形明渠的斷波流速計算公式，見式（1）。本次潰壩洪水波為急變洪水波，漲落快速，初始流速和摩擦損失可忽略不計，由式（1）得波速計算公式，見式（2）[7-8]，其中m為河谷斷面形狀參數。本次河道河谷深切可概化成三角形斷面，m值取1。根據曼寧公式，概算三角形斷面波速與斷面平均流速的轉換系數為1.33。依據以上概化公式計算河段最大平均流速，見表2。分析表明，此次洪水的實況傳播時間較常遇洪水偏快，越接近壩址，傳播時間與波速公式計算值越接近，但隨著洪水向下游演進，急變洪水波坦化衰減越明顯，傳播時間越接近常規洪水情況。

（3） 河漫灘槽蓄調節對堰塞湖潰決洪水的影響?！?1·3”白格堰塞湖潰決洪水演進至塔城-石鼓江段，洪峰形態發生嚴重變形，洪水預報值與實測值偏離較大。分析表明，該江段地勢趨于平緩，河床比降減小，河漫灘形態發育較好，槽蓄能力明顯增強。以洪量為控制變量，通過水文水力學模型模擬洪水演進至石鼓斷面過程中假定不受漫灘槽蓄影響的洪水過程（該過程為理論推算過程），并與該斷面實測洪水過程對比，發現洪水通過該江段的絕對影響水量約1.4億m³（如圖6所示，W紅色=W色=1.4億m³），同時以網格的數字高程模型為基礎，結合沿程洪峰水面線計算成果，初步估算該江段沿程洪峰水面線以下主槽外河漫灘的最大槽蓄能力在1.5億～2.0億m3，大于石鼓斷面洪峰形態改變的絕對影響水量，表明通過漫灘、平灘歸槽等一系列河道槽蓄調節作用后，該江段具備調節并大幅改變本次洪水過程形態的能力。

4 問題與建議

（1）提升堰塞湖水文應急監測能力。水文測驗設備經過幾十年的發展現代化程度已經較高，但在面對堰塞湖潰壩洪水這種大漲幅、大漲率、大流速、大量漂浮物的極端情況時，所能采取的測驗方法仍非常有限。測驗難度大、自動化水平低、測驗精度難以保證、人員精力消耗大，且危險性較高，應急監測能力亟待提升。

建議采用“產學研用”的模式，結合現有雷達、GNSS、無人機、衛星遙感等較為成熟的技術結合堰塞湖潰壩洪水的特點，開發堰塞湖水文應急監測所適用的技術裝備。

（2） 開展堰塞湖潰決機理分析及潰壩洪水快速演算研究。研究潰口形成機理，重點針對土石壩逐漸潰決工況，根據堰塞體土石比構成分析，預估潰口發展形態，并結合潰壩洪水分析經驗，快速估算潰壩最大洪峰流量及出現時間。在地形資料和河道水力特性資料匱乏的情景下，考慮采用耦合水文、水力學洪水演進方法，并結合特大洪水率定的演進因子，實時調整潰壩洪水參數，開展潰壩洪水演進研究。

（3） 開展堰塞湖潰壩洪水演進預報、會商分析及預警機制研究。針對堰塞湖潰壩洪水演進信息源缺失、基礎資料不完備等問題，開展信息不完備條件下潰壩洪水演進方法研究，實時推演下游沿程水位流量過程。針對堰塞湖應急處置預報調度會商分析等需求，采用洪水預報體系快速搭建與查詢分析、預報計算敏捷響應技術，實現水文應急預測預報要素分析展示與會商匯報等功能。針對堰塞湖應急水情預警時效性、準確性等需求，應建立潰壩洪水預報、預判、觸發應急預警響應機制，為應急處置水情預報警報提供具有可操作性的發布依據。

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]戴榮堯，王群.潰壩最大流量的研究[J].水利學報，1983（2）：15-23.

[3]謝任之.潰壩水力學[M].青島：山東科學技術出版社，1993.

[4]程海云，陳力，許銀山.斷波及其在上荊江河段傳播特性研究[J].人民長江，2016，47（21）：30-34，47.

[5]曾娟.唐家山堰塞湖潰壩洪水模型及應用[J].災害與防治工程，2009（1）：35-40.

[6]李素霞，魏恩甲，何文學，等.明渠非恒定急變流斷波要素的計算

[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2001，29（5）：144-146.

[7]陳春燕，李遠強，吳春耀，等.梯級水庫連續潰壩計算[J].廣東水利水電，2011（9）：40-42.

[8]戴明龍，黃燕，李中平.水庫群潰壩洪水計算[J].人民長江，2008，39（17）：58-60.

引用本文：程海云.“11·3”金沙江白格堰塞湖水文應急監測預報[J].人民長江，2019，50（3）：23-27.

Hydrology emergency monitoring and forecast on"11 ·3"Baige barrier lake，Jinsha River

CHENG Haiyun

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resource Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract： The rapid and effective implementation of hydrology emergency work on Baige barrier lake played a vital role in pre-paring disposal plan and reducing losses. The Hydrology Bureau of the Changjiang Water Resources Commission carried out the hydrological emergency work in the disposal of "11 · 03" Jinsha River Baige barrier lake. This paper analyzes and summarizes the achievements from three aspects：emergency monitoring，emergency analysis and calculation and emergency forecasting，including the general deployment and implementation，the methods and results of hydrological emergency analysis，the hydrological emergency forecasting methods，data sharing modes. We put forward the suggestions and ideas for related issues of the hydrological emergency monitoring work.

Key words：emergency monitoring;hydrological forecast;flood routing;Baige barrier lake;Jinsha River