大中型淤地壩安全度汛“四預”模型的重點主題及其算據

李智廣，王 楠，王英順，樊曉華

（1.水利部水土保持監測中心，100055，北京；2.黃河水利委員會黃河上中游管理局，710021，西安；3.西安黃河規劃設計有限公司，710021，西安）

中共中央、國務院印發的《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》要求“加強中游水土保持”“增強水土保持能力”，指出：建設高標準淤地壩， 加強病險淤地壩除險加固和老舊淤地壩提升改造，實現對重要淤地壩的動態監控和安全風險預警。 為加快推進智慧水利建設，推動新階段水利高質量發展，水利部印發《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》，提出建設黃河流域淤地壩“四預”（預報、預警、預演、預案）能力，研發淤地壩安全度汛“四預”模型，提高淤地壩安全風險主動防御能力?？茖W、高效、針對性地建設大中型淤地壩安全度汛“四預”模型，推進高保真、多維度、全方位的數字模擬，優化選擇淤地壩安全度汛方案與措施，是實現除險務盡、避險及時、搶險有效，保障淤地壩安全度汛的有力支撐。本文基于大中型淤地壩結構特征和相關研究的綜合分析、近期智慧水土保持實施方案的探索，對大中型淤地壩“四預”模型的重點主題（即數學模型）及其支撐數據進行探討。

一、“四預”模型要解決的主要問題

在大中型淤地壩安全度汛“四預”能力建設中，“四預”模型發揮著算法的作用，表征著研究者對淤地壩及其運行規律的認知與把握的水平；反映了算據的質量，體現了淤地壩孿生數據的全面程度和精準程度；所提供的預案可通過預演將預報、預警貫穿起來，全要素、全流程地展現“四預”的功能與效力。 為保證“四預”模型功能全面完整、預演效果真實精準，所提供的預案有良好的適用性和針對性，首先需了解淤地壩及其結構、出現險情發生潰壩的原因、潰壩所造成危害的范圍，然后針對淤地壩結構與安全運行要求，通過預演優化優選預報和預警的指標，提供決策支撐的預案。

1.淤地壩及其控制區和影響區

淤地壩是在黃土高原水土流失區的支、干、毛溝內，為控制侵蝕、滯洪攔泥、淤地造田、減少入河泥沙而修建的水土保持溝道治理工程。 按照《淤地壩技術規范》（SL/T 804—2020，以下簡稱《規范》），大型淤地壩應設置壩體、 放水建筑物和泄洪建筑物“三大件”。 中型淤地壩應設置壩體、放水建筑物或壩體、泄洪建筑物“兩大件”； 對位于大型淤地壩控制區域外的，還應配置泄洪建筑物。

淤地壩工程建設將一條溝道分為上游和下游兩個部分，上游集水區域為淤地壩控制區，下游最大洪水行洪區域為淤地壩影響區。 一條溝道建有多個淤地壩時， 就形成了溝道壩系。 通常情況下（即壩系穩定時），壩系層層設防、節節攔蓄，每座壩都有對應的控制區和影響區。 但是，若上游某個壩體不安全或失事潰壩，將導致下游淤地壩的洪量短時間劇增，超過攔蓄能力造成漫溢壩體，嚴重時造成連鎖潰壩事故。 這就是所謂“穿糖葫蘆”式的壩系連鎖潰決。

2.淤地壩潰壩原因

由于早期施工缺乏技術指導，淤地壩工程建設質量較差，“三大件”設施不齊全、不配套，遇到暴雨，容易出現險情甚至潰壩，如1993 年，以延安市為中心突降大暴雨，洪水災害影響6 個縣（市）50 個鄉（鎮），沖毀1 459座淤地壩，造成重大經濟損失。 據調查， 造成淤地壩潰決的既有自然原因，更有人為因素。 自然原因主要是集中的強降雨、超標準暴雨，加之黃土高原地形起伏大、支離破碎、溝壑縱橫，容易引起洪流急速匯集于溝道的淤地壩中，超出工程滯蓄能力。 人為因素主要包括兩個方面：一是淤地壩工程必需的設施不完整、 不配套、施工質量差，如：只有壩體的“悶葫蘆壩”，大型淤地壩沒有泄洪建筑物，或大中型淤地壩放水建筑物和泄洪建筑物規格不夠， 壩體建筑夯實不夠、密實度差、壩基處理質量差；二是工程技術管理不落實、不科學、不到位，如：日常技術管理不善，放水建筑物和泄洪建筑物檢查與維修不及時、長期帶病，壩體出現裂縫、塌陷、洞穴，迎水坡沖刷嚴重， 壩庫上游存在雜物，汛期未按規定預警并做好響應和預案。

3.“四預”系統建設目標及實現途徑

淤地壩安全度汛“四預”能力，是指按照智慧水利建設的基本要求，針對單個大型和中型淤地壩及其上游控制區、下游影響區，或者壩系小流域，開發和建設“四預”系統、支撐淤地壩安全運行管理的能力。 這種能力集中表現在“四預”系統上，該系統以及時、高精度監測為基礎，以高保真數學預演為支撐，以實施好管護修繕為關鍵，保障淤地壩工程安全運行與生產。

按照水利部總體部署及 《“十四五” 期間推進智慧水利建設實施方案》，大中型淤地壩安全度汛“四預”系統建設，應以數字化、網絡化、智能化為主線， 配置和建安監測設施設備，設計和建設包含全部要素的數據庫， 開發和集成相關評價預報模型，開發和建設管理信息系統，支撐淤地壩安全運行的預報、預警、預演和預案， 實現淤地壩科學運維和安全運行。 系統建設的任務目標：

①建設淤地壩及小流域高精度全要素監測體系。 錨定淤地壩安全運行和生產管理的需求，配置自動化監測設施設備， 構建淤地壩及其控制區、影響區的數字化場景，對相關的自然地理和經濟社會要素進行數字化映射，實現數字對象與實體對象即時對應和同步孿生。

②構建多時空全要素數字孿生淤地壩及小流域。 基于淤地壩工程設計文件、常態化監測數據，建成信息充分完備、空間精準對位、時序精細合理、結構劃分科學、滿足模擬分析的數據庫， 基于BIM、CIM 等建模技術，形成全要素數字淤地壩及其控制區和影響區。

③集成高保真淤地壩防汛安全與除險模擬模型。 建立重點淤地壩安全運用“四預”模型，基于淤地壩控制區的產匯流過程，開展小流域暴雨洪水與水土流失預報，分析淤地壩險情發生、發展并實施預警，模擬淤地壩及其影響區除險搶險演練。

④生成強現勢性與高精準性的除險搶險建議方案。 在孿生淤地壩和模型預演的基礎上，結合決策者研判參數的輸入，生成關于淤地壩工程安全度汛、影響區人員避險和設施除險的對策建議，從技術、組織、人力和物力等方面提供決策支撐。

大中型淤地壩安全度汛 “四預”系統建設的途徑，如圖1 所示。

圖1 淤地壩安全度汛“四預”系統建設途徑

二、高保真“四預”的數學模型庫

大中型淤地壩安全度汛“四預”模型，是指基于淤地壩監測體系建立的數字孿生淤地壩、 壩系及其所在小流域， 基于調查和試驗數據建立的關于淤地壩安全度汛相關主題的數學模型庫， 利用數字化方式試驗性地模擬淤地壩各組成部分的運行狀態、 淤地壩控制區匯水匯沙及其對淤地壩的影響， 虛擬災害所引起的險情及其預警預報， 在此基礎上提出除險搶險和避險的方案。 模型庫主要包括：

1.淤地壩壩庫匯入物總量估算模型

淤地壩壩庫匯入物總量估算模型，包括次降雨的匯入物總量和一定時段降雨的匯入物總量，強調的是估算進入淤地壩的物質總量，包括淤地壩控制區的匯流、匯沙及其他進入壩庫的物質。 匯入物總量與淤地壩剩余庫容的大小關系是預判險情的指示性指標，其模型的函數關系如下：

式中，Fin為淤地壩壩庫匯入物總量；hf為入庫洪水量；hs為入庫泥沙量；ho為入庫其他物質量。若淤地壩壩庫匯入物總量的絕大部分物質為洪水， 可采用《規范》 提出的 “設計洪峰流量計算”“設計洪水總量計算”等進行估算。

2.淤地壩工程穩定性評判模型

淤地壩工程穩定性是指壩體的穩定性。 由于各種原因造成淤地壩壩體殘損， 當殘損程度超過臨界值，壩體在遭遇較高水位水體時將會出現險情。 穩定性評判將為是否需要及時實施淤地壩除險加固提供決策信息。淤地壩工程穩定性模型主要與壩體的狀態密切相關， 如： 壩體裂縫、塌坑、滑坡、動物洞穴，壩面沖刷，壩體滲流等。 淤地壩工程穩定性評判模型的函數關系如下：

式中，Es為淤地壩工程穩定性；cd為淤地壩壩體運行參數；ws為壩面沖刷參數；ds為淤地壩壩體滲流參數；lp為背水坡散浸和集中滲漏、壩肩繞壩滲漏、壩趾流土管涌等參數。

淤地壩工程穩定性評價的要素、模型和方法，可采用《規范》中的“附錄D 穩定性分析”進行設定。

3.淤地壩放水和泄洪建筑物運行狀態評判模型

淤地壩放水和泄洪建筑物運行狀態評判，主要是基于對放水和泄洪建筑物的完好程度、泥沙和其他雜物堆積量的綜合分析來進行。 當放水和泄洪建筑物完好、堵塞程度未達到臨界值時，則為能夠正常運行；當放水和泄洪建筑物受損或堵塞程度達到臨界值時，則為難以正常運行。 淤地壩放水和泄洪建筑物運行狀態評判模型的函數關系分別如下：

式中，Ssb為放水建筑物運行狀態；s-ir為放水建筑物完好程度；s-adso為泥沙和其他雜物堆積量。

式中，Sdt為泄洪建筑物運行狀態；dt-ir為泄洪建筑物完好程度；dt-adso為泥沙和其他雜物堆積量。

淤地壩放水和泄洪建筑物的運行狀態，可參考《規范》中的“7 除險加固”進行評判。

4.淤地壩工程安全狀態評價模型

通過模型預演，對淤地壩工程遭遇暴雨、洪水、強烈地震等突發性、災害性影響甚至破壞時的安全狀態進行評價，實現相應狀況下的淤地壩運行狀況預報，發出相應防汛應急響應級別的預警，為及時采取緊急措施制止險情擴大、搶險避險、避災救災提供決策信息。 淤地壩工程安全狀態既與淤地壩工程穩定性相關，又與暴雨洪水造成的匯入物總量、地震等突然性劇烈影響相關。 安全狀態評價模型的函數關系如下：

式中，SScd為淤地壩工程安全狀態；Fin、Es、Ssb、Sdt為 前 述 的4 個 模 型 評 價結果。

淤地壩工程安全狀態，可參考《規范》中的“附錄D 穩定性分析”“10.5 防汛管理”進行評價。

5.淤地壩下游影響區遇險范圍評價模型

淤地壩下游影響區遇險范圍是指當淤地壩出現險情，大水漫壩甚至潰壩時， 下游影響區遭受險情的范圍。 其評價涉及潰壩流量（最大潰壩流量）、水位（最高水位）、下游地形以及行洪區地表覆被物等。 其中，潰壩流量可參考《規范》中的“附錄A 淤地壩潰壩洪水分析”進行計算。 遇險范圍評價模型的函數關系如下：

式中，DRda為淤地壩下游影響區遇險范圍；MDcdb為潰壩流量（最大潰壩流量）；WMWLcdb為水位 （最高水位）；Tds為下游地形狀況；Cs為行洪區地表覆被物。

6.淤地壩除險搶險支撐模型

當淤地壩出現險情，甚至大水漫壩、出現潰壩風險時，在分析潰壩洪水量和水勢能、下游影響區范圍及遭受損失的基礎上，從搶險技術、組織措施、人力和物力等方面，提出除險搶險、避災救災、制止險情及其蔓延擴大的可選預案。 淤地壩除險搶險技術和組織措施的主要內容，可參考《規范》提出的“防汛管理”“黃河防汛抗旱總指揮部關于印發黃土高原地區淤地壩工程防汛預案編制規定的通知”。 淤地壩除險搶險技術和組織措施支撐模型的函數關系如下：

式中，SPtom為淤地壩除險搶險支撐方案；tm為技術措施；om為組織措施；hr為人力資源；mr為物力資源。

三、“四預”模型的數據庫及其數據

為滿足大中型淤地壩安全度汛“四預”模型預演的真實性、科學性和決策支撐性，針對淤地壩的日常維修養護、汛前檢查除險、汛期搶險避險等數據管理需要，淤地壩安全度汛的數據庫應包括6 類子數據庫。

1.淤地壩工程設計規模子數據庫

主要包括淤地壩工程的樞紐組成及其規模、 建造材料及其性狀、控制區面積、設計總庫容、防洪標準、校核標準、建成（改建）時間等。 對每座大中型淤地壩和每條小流域壩系，應根據這些數據項的數值，編制工程各組成部分的數字圖，構建數字孿生淤地壩， 為淤地壩的后期維護修繕、除險避險和數學預演提供算據。

2.淤地壩工程現狀子數據庫

主要包括當前（某時點）淤地壩工程各組成部分的狀況，如壩體壓實程度、已淤積高程、已淤積庫容、已淤地面積，壩庫滯蓄水位、水量及滲流情況，壩體與岸坡及放水建筑物接合部狀況、放（泄）水建筑物完好程度與淤堵情況等。 對淤地壩工程及其各組成部分的狀況，應通過實地調查和相關監測， 闡明受損情況與完好程度，獲取相關指標的定性描述和定量數值，并同步更新數字孿生淤地壩和孿生壩系， 為淤地壩和壩系維護修繕、除險避險和數學預演提供高現勢性的算據。

3.淤地壩控制區自然與經濟要素子數據庫

主要包括淤地壩控制區的地質、地貌、氣象、水文、土壤、植被等自然地理要素，土地利用、居民、建設設施等主要經濟要素。 這些要素應在控制區基礎地理信息的基礎上，建立對應要素的三維數字模型，形成數字孿生控制區， 既清晰表達控制區的各個要素，又為管理控制區各個要素提供基礎數據。

4.淤地壩下游影響區自然與經濟要素子數據庫

主要包括下游影響區的地形狀態、涉及的鄉村及人數、基本農田面積及種植作物、重要設施及其防洪狀況等。 對淤地壩下游影響區的重要經濟社會要素的位置及其相關屬性，應建成數字孿生影響區，通過電子地圖完整反映，既清晰表達影響區的各個要素，又為管理影響區各個要素提供基礎數據。

上述的數字孿生淤地壩工程、數字孿生控制區和數字孿生影響區是在空間上相互連結、 在功能上相互影響的3 個對象，共同構成了一體化、完整的淤地壩安全運行管理的數字孿生對象，即數字孿生淤地壩小流域。

5.淤地壩防汛預警要素子數據庫

主要包括淤地壩控制區的降水、庫區的水位、壩體滲流與滲透穩定性，壩面沖坑和裂縫的位置、形態、走向、深度與形成原因，以及壩面沖坑和裂縫與岸坡、放水建筑物位置的關系，放水和泄洪建筑物工程的完好程度、淤堵情況等。 這些數據項及其監測點的位置、屬性值等應全部表達在數字孿生淤地壩小流域上，以便一體化進行數據調用、分析和管理。

6.淤地壩搶險避險保障子數據庫

主要包括淤地壩的管護機構、責任人、搶險物資儲備情況等。 這些數據項及其位置、屬性值等應全部表達在數字孿生淤地壩小流域上，以便一體化進行數據調用與分析、管理。

四、結論與建議

黃土高原目前共有淤地壩5.9 萬座， 其中大型、 中型壩分別占10%、20%。 如此巨大數量淤地壩的安全度汛，不僅直接關系淤地壩本身的安全和壩地的安全生產，而且直接關系下游影響區的安全生產生活乃至匯入河流的水沙安全。 大中型淤地壩在小流域壩系中承擔著控制性的 “骨干”作用，其安全度汛對新階段建設高標準淤地壩具有標志性意義。 其“四預”模型的主要內容及其智能化、高保真程度，對保證預演效果及其支撐下的預案發揮著決定性作用。

本研究提出大中型淤地壩安全度汛“四預”模型的重點主題及其必需的孿生數據， 對于優化安全度汛系統的算法， 完善數字孿生淤地壩小流域的算據， 推進實現重要淤地壩動態監控和風險預報預警， 保證和提升高標準淤地壩建設具有一定的支撐作用。 ■