考虑超标准洪水作用的沥青心墙坝溃决生命损失评估模型

抗冲刷能力更强的沥青心墙坝一旦遭遇超标准洪水,将面临溃决风险,对下游人民造成严重威胁。现有针对沥青心墙坝的溃决生命损失研究尚属匮乏,亟需开展生命损失评估。本文分析超标准洪水作用下沥青心墙坝的溃决特征,考虑生命损失影响因素之间的相互作用过程,基于溃决洪水致灾机制构建生命损失定量评估模型,实现溃决生命损失的快速定量分析;通过方法对比和敏感性分析,明晰不同影响因素对溃决生命损失的作用规律。将模型应用于新疆射月沟溃决案例发现:溃决洪峰流量为3320 m^(3)/s,溃决历时3.35 h,与实际结果相符;生命损失定量模型分析结果为31人,与实际误差在11%以内,优于其他损失模型;风险人口的敏感性指数I_(max)和I_(min)值最大,分别为1.436、0.486,是射月沟溃决生命损失最重要的影响因素,其他依次为洪水严重性、是否撤离、警报时间、淹没范围。

考虑降雨-洪水-泥沙作用下的淤地坝溃决致灾风险评估

淤地坝一旦遭遇极端降雨极易导致洪水漫顶溃决,将对下游人民群众造成极大威胁,亟需开展淤地坝溃决风险定量评估。现有研究忽略泥沙对溃决致灾过程的影响。本研究通过分析降雨诱发的泥沙对溃决致灾的影响过程,揭示降雨-洪水-泥沙作用下的溃决致灾机制,建立考虑降雨-洪水-泥沙作用下的淤地坝溃决致灾风险定量评估模型,将传统的“降雨-洪水”研究发展为“降雨-洪水-泥沙”,实现溃决坝体的精准判定和风险定量评估。将模型应用于王茂沟流域两次溃决案例,并评估不同重现期降雨量的溃决致灾风险。结果表明:考虑泥沙对溃决致灾过程的影响,判定关地沟3坝、背塔沟坝和康和沟3坝溃决,判定结果与实际溃决情况吻合,忽略泥沙影响则背塔沟坝的溃决判定存在差异。与忽略泥沙对溃决致灾的作用相比,考虑泥沙作用2017-7-26降雨下关地沟3坝、背塔沟坝和康和沟3坝起溃时间分别提前11 min、13 min和7 min,有利于及时发出预警,快速撤离两岸群众,提升了淤地坝预警的准确度。不同重现期降雨量下,关地沟3坝10年一遇溃决流量为4.82 m^(3)/s,200年一遇溃决流量为5.97m^(3)/s。黄柏沟2坝和关地沟4坝在目前淤积情况下,可抵御200年一遇降雨。

考虑淹没区域危险度的溃坝洪灾避难场所选址评价

针对溃坝洪灾避难场所选址中对潜在淹没区域危险程度重视不足的问题,提出了一种新的溃坝洪灾避难场所选址评价模型。首先,在构建危险度评价指标体系的基础上,运用改进突变评价法对潜在淹没区域进行危险度评价和危险等级划分;其次,将避难场所与高级别危险区的距离作为选址评价指标,并考虑避难场所的灾害风险、位置规模、应急保障等条件,通过层次分析法确定权重,运用TOPSIS法对避难场所进行选址评价;最后,以我国陆浑水库下游13个潜在淹没区域和10个备选避难场所为例进行验证。结果表明:危险等级较高的潜在淹没区域中,白元镇为Ⅰ级危险区,彭婆镇、鸣皋镇、城关街道、龙门镇为Ⅱ级危险区,评价较优的备选避难场所能够满足重视高危险度潜在淹没区域的要求。

利比亚德尔纳2023年极端洪水模拟复盘分析

全球气候变化背景下,极端强降雨和洪涝等水文事件的极值屡屡刷新历史记录,造成重大损失。2023年9月10—11日,在地中海飓风“丹尼尔”的影响下,利比亚东北部地区发生罕见特大暴雨,引发德尔纳市上游两座水库接连溃决,造成巨大人员伤亡。本文对德尔纳市极端洪水事件进行了梳理,并以德尔纳市洪灾及受影响区域为研究对象,建立了二维水动力模型,对溃坝洪水进行了模拟和复盘分析。通过哥白尼应急管理服务(Copernicus Emergency Management Service,CEMS)提供的受灾数据对模型结果进行对比验证(CEMS持续监测欧洲和全球即将发生或实时发生的灾难事件)。结果显示,影响德尔纳市的溃坝洪水持续了2 h左右,对城市的破坏主要集中在前30 min。本次复盘分析了德尔纳市溃坝洪水演进与风险分布特征,可为我国城市地区大坝溃决风险防控、早期预警和应急管理提供参考借鉴,同时也可为世界其他地区的大坝溃决风险防控、早期预警和应急管理提供参考借鉴。

考虑人体与水流相互作用的溃坝洪水生命损失评估模型

溃坝洪水会给下游人民群众造成巨大的生命损失,开展溃坝洪水造成的生命损失风险定量评估对应急抢险救灾具有重要的现实意义。本文在已有生命损失贝叶斯网络HURAM1.0模型基础上,引入了人体稳定性物理模型,考虑人体与水流相互作用关系,对处于洪水中的人先进行稳定性判定,并进行溺水判定,运用蒙特卡洛模拟方法,综合了水深和水流速对生命损失的影响,建立HURAM2.0模型;并将该模型应用于唐家山堰塞坝溃坝洪水生命损失分析。结果表明:HURAM2.0模型建立了水流流速对生命损失影响的定量关系,更精确地刻画了人体在水流中的稳定性和求生能力,相比HURAM1.0模型对较强洪水强度条件下的生命损失预测结果更准确。同时,在本文建立的模型中,除水深度、洪水严重程度变化不大,其余变量的敏感性均有所上升,其中居民区住宅层数、在建筑物中庇护情况和溃坝时长等变量对模型计算结果的最大影响程度分别增加142%、95%和93%,加强了模型在低、中、高3类洪水强度下的解释性,与HURAM1.0相比在贝叶斯反演分析中更占优势。在唐家山堰塞坝溃坝风险分析中,HURAM2.0能区分出不同水流速条件下的生命损失,更符合实际情况,即开挖泄流槽前风险大、死亡率高,在现场勘测和开挖泄流槽后风险及死亡人数大大降低,建议结合预警疏散以降低生命损失风险。

崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链演化特征分析及防治对策研究

某沟谷两岸坡面陡峻,沟谷狭窄,纵坡降较大,在地震、降雨等不利因素影响下,其左岸堆积体上方的崩滑堵沟隐患点可能出现失稳,并发展为崩塌滑坡-堰塞湖-溃决洪水-泥石流灾害链。针对此灾害链不同阶段的演化特征,采用相应的数值模拟模型和数值计算方法进行模拟分析和计算,评价其对沟口桥梁工程的影响,并采取相应的防治对策。经分析计算,崩塌滑坡隐患点距沟底高程落差约1 km,岩体体积约8×10^(6)m^(3),平均厚度约26 m,崩塌滑坡堵河可形成最大水深为14.4 m、面积约为7.19×10^(4)m^(2)、方量约为2.74×10^(5)m^(3)的堰塞湖;堰塞湖溃决形成洪水过程中,桥梁处最大水深为4.43 m(不含原始水位),最大流速为7.54 m/s,峰值流量为807 m^(3)/s;在溃决洪水强烈揭底冲刷和侵蚀的条件下,溃决洪水引发的泥石流在桥梁处的最大水深为7.1 m、最大流速为8 m/s、峰值流量为1685.5 m^(3)/s、最大冲刷深度为16.58 m。为减少该灾害链对桥梁工程的影响,采取河道疏通、岸坡防护和监测预警等防治措施。

数字孪生技术助力南四湖防洪调度与二级坝工程管理

数字孪生建设是“十四五”期间推进智慧水利建设的重要内容之一,为提高南四湖流域防洪调度水平和二级坝工程运行管理能力,采用南四湖防洪调度、二级坝泄量纠偏及调度仿真等关键技术,建立和完善二级坝感知体系,提升算力能力建设;建设数据底板,加强算据能力建设;研发多种模型,智能展示数据成果;开发具有“四预”功能的防洪调度和水闸综合管理业务应用等系统。系统的建成可全面提高南四湖防洪调度及二级坝工程管理安全运行管理水平,为后续数字孪生沂沭泗建设提供经验样本和技术模板。

錾高水电站首部枢纽水工模型试验

为了验证錾高水电站泄洪冲沙闸全开和局开、无闸溢流坝溢流等不同工况的过流能力、流态、下游冲刷及防冰凌等设计的合理性,通过对錾高水电站首部枢纽进行几何比尺为1∶50的水工模型试验,并对试验结果进行分析。结果表明:泄流能力满足设计要求;泄洪冲沙闸左侧边孔进口附近易出现强吸气旋涡,消力池出口冲刷较严重;将库水位抬升至1611.42 m可有效防冰凌。该模型试验可为下阶段的工程优化设计提供依据。

基于HEC-RAS的千河流域宝鸡段溃坝洪水风险评估

水库是大量蓄水的水利工程,对生产生活提供便利,但同时溃坝洪水一般具有极高伤害性,进行洪水溃坝风险评估对保障下游居民安全有重要意义.以千河流域宝鸡段的冯家山水库为例,利用HEC-RAS模型,模拟了溃坝洪水淹没进程,并对淹没范围和流速分布进行分析.洪水演进数据结合灾害系统理论构建风险评估模型,从危险性、易损性角度,通过GIS方法实现风险评估并分为五个等级.结果表明:①100年一遇洪水淹没总面积为274.581km^(2),危险水深占全部水深93%,河道最高流速可达到14.34m/s.②洪水危险性自西向东逐渐降低,整体危险性中度偏下.③易损性在河道附近两侧较低,距离河道较远的部分易损性提高,整体是处于中低水平.④溃坝洪水风险水平中等,对淹没区各乡镇风险划分,危险区明显集中,主要在贾村镇、长青镇、千河镇以及揉谷镇.研究成果对千河流域宝鸡段下游洪水避难预警系统建设和人口转移有一定参考意义.

通用型水库洪水全过程预演仿真模型构建技术

水库洪水全过程预演仿真模拟是水利工程防灾减灾领域的重要研究方向,模型是支撑预演仿真模拟的核心,也是构建现代化水库运行管理矩阵重要的支撑技术。从水库洪水灾害链演化过程出发,围绕上游洪水形成过程、库坝区洪水控制过程以及下游洪水演进过程三个阶段,从水库上游的水文产汇流模拟,坝址区域的水库洪水调度模拟、大坝安全性态综合模拟、溃坝过程模拟,以及水库下游的洪水演进模拟、致灾后果分析等角度出发,探讨了各环节的研究近况,梳理了当前各环节模型构建的主要技术和存在问题。围绕当前构建现代化水库运行管理矩阵中对洪水预演仿真模型的需求和建设现状,总结分析了目前平台模型构建运用过程中存在的模型整体性规划不足、缺乏模型和模拟标准、各模型衔接困难等问题。结合工程实践,从加强顶层设计、统一建设标准、模型计算微服务部署等方面提出平台模型构建建议,并对下一步研究进行了展望。

淤地坝排洪渠—溢洪道组合式泄洪过流的物理试验和数值模拟

为探究排洪渠连接溢洪道的过流形式能否适用于满淤积状态下的淤地坝,采用物理模型试验与数值模拟相结合的方法,研究了排洪渠—溢洪道组合形式对淤地坝减蚀、泄洪能力的影响。结果表明,在该连通方式下,坝地及溢洪道内整体水流平稳,仅在溢洪道进口前出现紊乱流态;排洪渠的布设减小了坝地的径流流速,可有效抑制洪水对淤积土体的冲刷侵蚀破坏;在上游来流量较小时,溢洪道的流量系数小于设计值,但随着流量增大,淤地坝泄流能力增强并满足泄洪要求。研究结果可为后续淤地坝的除险加固工程提供参考依据。

梯级水库群溃坝洪水风险分析——以澜沧江上游为例

梯级水库的建设是开发利用我国丰富水能资源、保障国家能源安全、实现减排目标的重要途径.但是由于部分水库结构老化、地势险峻以及近几年极端天气频发等原因,极有可能造成单坝溃决,继而引起梯级连溃,最终使整条流域系统瘫痪,为下游城镇带来不可估量的经济和生命损失.为准确预测梯级连溃发生后的危险程度及影响范围,基于心墙坝漫顶溃坝数学模型和HEC-RAS软件提出了梯级连溃地貌特征演变及洪水演进计算方法,并应用于澜沧江流域梯级水库RM-XW水电站大尺度连溃分析.结果表明,在遭遇1.4倍超标准洪水的情况下,RM水电站发生漫顶溃决,溃决过程中,心墙发生四次折断,并伴随溃口迅速扩张以及溃决流量激增,最高峰值流量达699986.5 m^(3)/s,溃决洪水演进至下游,使WNL-XW水电站相继发生漫顶.河道距离、坝型特征和坝体物理参数是影响梯级连溃过程中溃决流量大小的重要因素.

卡霍夫卡溃坝造成的下游灾情评估

2023年6月6日凌晨乌克兰赫尔松州卡霍夫卡水电站大坝被炸毁。该大坝坐落于第聂伯河下游,上游约有18亿m3水库蓄水,下游有60多个村镇、数10万居民,溃坝洪水对下游产生了巨大影响。基于Sentinel-1遥感影像,利用双极化水体指数与最大类间方差法(OTSU)提取了第聂伯河下游区域受灾前后的水域分布情况;通过对比分析溃坝前后一周内的情况提取受灾区域,结合地物分类数据和交通矢量数据,综合评估了部分重要地物的受灾情况,约170.72 km2的农田、5.14 km2的建筑被淹没,16.63%的道路存在不同程度的淹没情况。

极端工况下梯级水电枢纽群大坝连溃情景分析

为分析极端工况下梯级水电枢纽群可能出现的最大连溃灾难,提出了两种溃坝工况:一种针对土石坝或受损及病险的重力坝与拱坝,认为大坝漫顶即溃,且全溃;另一种针对正常运行的重力坝和拱坝情形,认为漫顶不溃,采用堰流公式计算下泄水量,并采用洪峰展平公式计算两种工况下溃坝洪水向下游的演进过程。以大渡河流域13座梯级水电枢纽群为例展开分析。结果表明:下游泸定、大岗山、瀑布沟大坝能够抵挡和削弱一部分上游溃坝洪水,是流域的控制性大坝;工况一(漫顶即溃)发生时的溃坝影响比工况二(漫顶不溃)发生时的影响更为恶劣,水量更大,持续时间更长,产生的峰顶流量更大;漫顶即溃时的下泄流量过程与库容、距离以及起溃水位有关,而漫顶不溃坝时,下泄流量过程与库容、起溃水位、坝型选择密切相关;“上小下大型”梯级电站布局和以重力坝、拱坝为主的坝型选择将有效降低梯级水电枢纽群发生大坝连溃的风险。研究成果可为梯级水电枢纽群大坝连溃风险分析提供理论支撑及技术参考。

西南山区防洪水库泄洪过饱和总溶解气体预测及影响研究——以江家口水库为例

高坝泄洪会产生总溶解气体(Total Dissolved Gas,TDG)过饱和,将导致坝下鱼类患气泡病甚至死亡。然而,中国西南山区防洪水库泄洪期间过饱和TDG对鱼类影响尚不清楚,开展防洪水库泄洪过饱和TDG生成规律及其对坝下鱼类的影响研究具有重要的研究意义和理论价值。耦合纵向一维水动力模型、过饱和TDG生成模型、混合模型和纵向一维输移释放模型建立了高坝泄洪过饱和TDG影响评估框架。以西南山区防洪水库江家口水库为例,研究了采用表孔溢洪道宣泄2年一遇洪水、表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水、底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水、底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水,4种泄洪情景过饱和TDG的生成和坝下输移释放特性,分析了过饱和TDG对坝下重点保护鱼类的影响。结果表明:4种情景产生的TDG饱和度分别为110.9%、115.4%、113.7%和119.9%;随着坝下TDG的输移耗散,除采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水时坝址—坝下2.7 km河段和采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水时候坝址—通江汇口河段外,各情景各河段的TDG浓度均低于115%;所有泄洪情景均不会对鲢鱼产生不利影响;坝下河段水深均满足岩原鲤的补偿水深,在其利用补偿水深后,岩原鲤不会受到过饱和TDG的影响。研究成果可为高坝泄洪对坝下水生态影响的评估提供技术支撑,可帮助水库管理者制定定点修复的减缓措施。

溃坝洪水演进一维水动力模型

中国是受洪水灾害影响最严重的国家之一。洪水数值模型可准确地反映洪水的演进与致灾过程。本研究针对天然河道洪水过程存在的尺度大、水流流态复杂、河道断面形式多变以及计算建模困难等问题,提出一套基于Godunov格式的有限体积法离散圣维南方程组的一维水动力模型,并采用求解复杂断面水力要素之间关系的方法,提高了一维水动力模型求解的精度与效率,精确地反映了复杂断面河道的水流运动特性。将模型模拟得到的数值解与算例中的解析解或实测数据进行对比,结果表明:(1)构建的一维水动力模型模拟结果与理想算例解析解及实验实测数据吻合程度均较高,所有算例的E NS均大于0.5,说明模型具有良好的稳定性和适应性;(2)将模型应用至金沙江白格堰塞湖溃坝洪水算例中,模拟得到的流量峰值及整体洪水过程均与实测过程吻合较好,在叶巴滩和苏洼龙两个测点处E NS分别为0.633和0.812,证明了模型在实际应用中的适用性与可靠性。结果表明,开发的一维水动力模型对溃坝洪水等水流流态复杂、突发性强的洪水过程具有良好的模拟效果。本研究可为河道及溃坝洪水风险的初步、快速评估等工作提供有效的模拟支撑。

暴雨山洪与山坪塘漫坝多灾害耦合风险分析

为研究强降雨下山洪与漫坝耦合灾害对下游居民的影响程度和范围,应用HEC-RAS软件构建暴雨山洪与山坪塘漫坝多灾害耦合模型。首先,以重庆市巴南区某山坪塘为研究对象,根据巴南区暴雨强度公式设计不同重现期的降雨雨型;其次,借助数字高程数据对山坪塘进行原始构建,采用参数化模型对溃坝楔口参数进行预测,结合物理溃坝机制模拟漫坝过程;最后,选取洪水深度、洪水流速和洪水滞留时间等3个评价指标进行洪水风险分析。研究结果表明,突发强降雨下的山洪形成迅速且山坪塘发生漫坝的机率极大;山坪塘漫坝会加重附近区域的洪水风险等级。

基于数值模拟的大岩山崩塌-堰塞坝-溃决洪水灾害链演化过程分析

河道岸坡在地震和降雨作用下易发生崩滑,从而堵塞河道形成堰塞坝进而引发溃决洪水形成灾害链。为了清晰认识灾害链的演化过程及运动特征,以大岩山崩塌-堰塞坝-溃决洪水灾害链为研究对象,对其进行了全过程数值模拟。通过无人机航测获取了大岩山崩塌周围至下游10 km^(2)的地形数据,利用EDEM离散元数值模拟软件建立大岩山崩塌模型,反演崩塌堆积形成堰塞坝的过程;采用DB-IWHR模拟计算堰塞坝溃坝过程的流量过程线;以流量过程线作为洪水演进的上游边界条件,结合Flo-2D模拟溃决洪水的演进过程。模拟结果表明:大岩山崩塌堆积过程持续33 s,颗粒的最大崩落速度达到46.5 m/s,模拟结果的堆积范围与实际堆积范围吻合度较高;堰塞坝溃坝约1 h后流量达到最大值725 m^(3)/s;溃坝后洪水最大淹没深度为14.37 m,在溃口至下游1.5 km处的淹没深度几乎都在3 m以上,其下游淹没深度逐渐降低。河道岸坡崩滑形成灾害链的演化分析可为防灾减灾和应急救险提供理论依据。

基于HEC-RAS的竹根池水库溃坝洪水风险研究

为避免发生水库漫坝水淹周边电站厂房,采用HEC-RAS对向家坝电站周边的竹根池水库进行二维溃坝洪水模拟计算,分析其演进过程及最大的影响范围。结果表明,溃口洪峰大小取决于溃口底宽、溃决水头及溃决时间;竹根池溃坝对向家坝下游的机电设备仓库及金沙江大桥基本无影响,对几条进厂公路和上坝公路产生轻微影响。该分析结果可为竹根池水库及向家坝电厂的安全运行及防洪应急管理提供科学依据。

考虑防洪风险的混凝土坝变形双控指标拟定方法研究

针对基于典型小概率法拟定大坝监控指标时的失效概率取值偏经验性以及目前变形监控指标未考虑变形变化速率的问题,将大坝变形失效风险与大坝防洪风险(上游来水和泄洪能力)相结合,将失效概率取设计防洪风险,采用典型小概率法拟定了关键测点变形监控指标,再基于设计洪水调洪演算库水位及其对应的变形分量变化速率,从而确定变形速率监控指标,提出了考虑防洪风险的混凝土坝变形和变形速率双监控指标的拟定方法。以某服役期高拱坝为例,拟定了典型测点实测变形和变形速率双监控指标,实测变形数据及其变化速率均小于拟定的变形监控指标和变形速率监控指标,这表明该大坝当前变形性态安全可控。