论文部分内容阅读
摘要：本文以拟建的王庆坨水库为例，对平原地区水库工程的环评中，如何进行坝体溃决的风险评价进行探讨。通过建立溃坝的水力模型，对水库局部和全面溃坝进行模拟，确定洪水演进过程、淹没和冲毁范围。通过对溃坝存在风险和造成后果的预测和评价，可以有针对性的制定预防措施和应急预案，以消除隐患和减少溃坝洪水的危害。
关键词：环境影响评价；水库溃坝；洪水演进；淹没范围；冲毁范围；淹没水深；冲毁水深
中图分类号：P343.3 文献标识码：A 文章编号：
兴建水库，蓄水兴利。但是，也有可能因某些偶然因素使坝体突遭破坏造成严重后果。据国际大坝委员会1974年出版的《坝的失事教训》中统计，水库失事率在5%左右,其中属于坝体溃决的约占一半。从溃坝原因看，约有一半是由于水力学方面因素造成的,例如暴雨漫过坝顶、坝体渗漏、坍岸涌浪过坝、水压力等。其它方面的因素如结构、地质、运行管理、人为破坏,以及工程老化等方面原因也会导致坝体溃决。
本文以天津市王庆坨水库为例，对水库溃坝风险的评价方法进行探讨，提出预测溃坝时洪水淹没范围和冲毁范围的方法，并且预测分析洪水对不同范围内淹没或冲毁的损失程度。
1、水库概况
拟建的王庆坨水库位于天津市武清区王庆坨镇西南，库区位置东北以王庆坨镇为邻，东靠王二淀村，西和南为天津市与河北省省界，北靠津同公路，津保高速公路从水库中间穿过，库区面积6.67km2。水库调节库容4000万m3，属平原中型水库。由于王庆坨水库作为天津市南水北调工程的调节水库，担负干线事故备用任务，失事后将对天津的供水和防洪安全造成巨大影响。
在对王庆坨水库工程进行环境影响评价的过程中，其水库溃坝的风险成为工程和环境的主要风险，在环评中需要对其进行详细预测和评价。
2、溃坝分析及评价思路
合理设计是保证水库运行安全的基本条件，但如果遇到特大洪水、强烈地震、用水调度管理不当等情况，会使水库坝体突然遭到破坏，形成灾难性的溃坝，给水库周边及下游地区造成极其严重的灾害。
水库溃坝会给水库周边地区造成巨大的影响，库内大量水体的涌出会直接冲毁附近的房屋和农田，水体的长时间浸没也会给洪水所到区域正常的生产生活带来显著破坏。特别是对于王庆坨水库，水库东侧紧邻着王庆坨镇，水库北侧和中部横穿两条公路，而且库区周边多数是农田、果园，一旦发生坝体溃决，将会给周围整个地区的安全造成极重的灾害。因此，建库前有必要预测溃坝风险影响，建库后更需多方面注意，保证大坝安全，采取一切措施防止溃坝。
在进行环评的过程中，工程本身对于溃坝可能发生的风险已经进行了详细的论证，环评工作的过程中对工程上的论证进行了分析，并采用相关水力模型对溃坝过程的进行了模拟，从环境角度预测了溃坝对于周边环境的影响范围和程度，分析了在不同条件下，洪水淹没时间、淹没范围以及淹没对土地和生态环境的影响程度，有助于针对性的制定预防措施和应急预案，以消除隐患和减少溃坝洪水的危害。
3、溃坝水力模型
针对王庆坨水库特点，重点考虑其受到瞬时全面溃坝威胁时的影响过程，分别对水库进行局部和全面溃坝的模拟，确定洪水演进过程、洪水淹没范围、冲毁范围，特别是各村庄和重要设施洪水到来的时刻、淹没水深和流速。
模型采用纳维—斯托克斯方程，不计物性参数随温度的变化，有：
（式9-1）
式中，z为水位；H为水深；和为x和y方向的垂向平均流速；f为柯式力系数；C为谢才系数；为总粘性系数，包括分子运动和横向及垂向平均紊流运动的影响。模型计算采用交错网格交替方向隐格式差分法进行计算。
模型定解条件中，可以确定溃坝时的水位—流量关系，而洪水演进的外边界条件由于是事先不确定的，需要通过计算来给出。
4、模型计算及结果
根据水库结构，需要分别模拟水库东侧、西侧、南侧、北侧坝体单独溃决和水库坝体全面溃决五种极端的风险过程。下面以水库东侧坝体溃决和水库坝体全面溃决为例，给出溃坝过程的模拟情况：
东侧溃坝
东侧溃坝后，水库蓄水将从水库东侧倾泻而出，水库溃坝的初始水位定为其设计水位12.4m。根据溃坝影响范围的不同，分别对溃坝后10分钟内和2天内以不同时间步长进行模拟，显示洪水演进的过程。
模拟溃坝10分钟内的情况，可以反映水库泄水初期水库附近区域流速水位的急速变化情况及可能的冲毁情况。模拟结果显示，10分钟内，水库泄水主要集中在水库东侧王庆坨镇及水库东南侧的几个村庄，选取水库东侧王二淀村进行预测，其水位、流速变化如表1。
表1王二淀村水位、流速变化表
王二淀位于水库南库东侧，东部溃坝后，由模拟结果可得，洪水在2分钟后进入王二淀，监测点处洪水水深达到2.30m，7分钟后达到最高3.13m，随后随着淹没范围扩大，水深逐渐减小；监测点流速在溃坝3分钟即达到4.88m/s，到10分钟后仍有2.86m/s。可以看出，在溃坝10分钟内，水库东部南部的王二淀等六个村庄全部被淹，王庆坨镇除北部部分地区外也大部淹没，淹没面积有12平方公里。根据冲毁建筑的水位和流速要求看，可能冲毁的范围主要集中在东部南部的三个村庄，冲毁面积约为3.5平方公里。
2天是水库溃坝到洪水水流基本稳定的时间段。通过对溃坝后2天的模拟，结果显示，洪水淹没了包括王庆坨镇、东沽港镇、杨芬港乡、褚河港乡在内的众多地区，淹没面积约92平方公里，淹没范围见图1（红线包围区域）。
图1 王庆坨水库东侧溃坝淹没范围图
全面溃坝
全面溃坝时，水库的所有围堤在瞬间全部溃决，是水库溃坝的一种极端状态。水库溃坝的初始水位定为其设计水位12.4m。根据溃坝影响范围的不同，分别对溃坝后10分钟内和7天内以不同时间步长进行模拟，显示洪水演进的过程。
模拟溃坝10分钟内的情况，结果显示，10分钟内，水库向各个方向泄水，主要集中在王庆坨镇、东沽港镇及外围的几个村庄，选取王庆坨镇西端点进行预测，其水位、流速变化如表5。
表5王庆坨镇西端监测点水位、流速变化表
全面溃坝2分多钟后，洪水即进入王庆坨镇， 3分钟后洪水水深达到1.87m，随后随着淹没范围扩大，水深逐渐减小；监测点流速在溃坝3分钟时为3.59m/s，随后流速迅速下降 ，10分钟后降至0.25m/s。在溃坝10分钟内，王庆坨镇西南部大部分区域已经淹没，东沽镇东部有部分洪水进入，水库东南侧也有四五个村庄被淹，淹没总面积为21平方公里。根据冲毁建筑的水位和流速要求看，可能冲毁的范围主要集中在水库周边区域，特别是东南侧的两个村庄，总冲毁面积约为4平方公里。
7天是水库溃坝到洪水水流基本稳定的时间段。通过对溃坝后7天的模拟，结果显示，洪水淹没了包括王庆坨镇、东沽港镇、褚河港乡和杨芬港乡在内的众多地区，淹没面积约72平方公里，大体的淹没范围见图2（红线包围区域）。
图2 王庆坨水库全面溃坝淹没范围图
4、溃坝预测结论
根据不同的溃坝方向，对王庆坨水库坝体溃决造成的影响进行预测，本文以水库东侧溃坝和全面溃坝为例得出预测结论：
⑴东部溃坝：洪水运动过程大约持续2天时间，淹没范围包括了王庆坨镇、东沽港镇、褚河港乡和杨芬港乡等诸多乡村，总面积为92平方公里，是各种溃坝可能中淹没范围最大的。从其冲毁范围来看，主要集中在水库的东部、南部，约有冲毁面积3.5平方公里，造成的损害是最为严重的。
⑵全部溃坝：洪水运动过程大约持续7天时间，淹没范围包括了王庆坨镇、东沽港镇、褚河港乡和杨芬港乡等诸多乡村，略小于北部溃坝时，总面积72平方公里。从冲毁范围看，主要集中在水库周边的村庄，面积约4平方公里。
5、结语
水库工程溃坝对生态系统、水质、土壤以及当地的社会经济系统和人民的生命财产等都将造成一定的破坏，在水库工程的环境影响评价中，对水库溃坝风险从各个方面进行考虑，进而确定坝址处溃坝最大流量、溃坝最大流量向下游演进过程和溃坝最大流量到达下游某一断面的洪水位高程与时间。从而预测溃坝时洪水淹没范围和冲毁范围，并且分析洪水对不同范围内淹没或冲毁的损失程度。根据预测的结果，可以针对其最不利因素造成的影响，制定预防措施和应急预案，消除隐患，减少和降低溃坝洪水危害。
参考文獻：
[1] 《坝的失事教训》，国际大坝委员会，1974年
[2] 《关门山水库溃坝风险分析与计算》，李春生、刘照亮、张延，沈阳农业大学学报，2003年
[3] 《浅谈水库工程溃坝风险评价的内容与方法》，李其江，水电站设计，2000年
关键词：环境影响评价；水库溃坝；洪水演进；淹没范围；冲毁范围；淹没水深；冲毁水深
中图分类号：P343.3 文献标识码：A 文章编号：
兴建水库，蓄水兴利。但是，也有可能因某些偶然因素使坝体突遭破坏造成严重后果。据国际大坝委员会1974年出版的《坝的失事教训》中统计，水库失事率在5%左右,其中属于坝体溃决的约占一半。从溃坝原因看，约有一半是由于水力学方面因素造成的,例如暴雨漫过坝顶、坝体渗漏、坍岸涌浪过坝、水压力等。其它方面的因素如结构、地质、运行管理、人为破坏,以及工程老化等方面原因也会导致坝体溃决。
本文以天津市王庆坨水库为例，对水库溃坝风险的评价方法进行探讨，提出预测溃坝时洪水淹没范围和冲毁范围的方法，并且预测分析洪水对不同范围内淹没或冲毁的损失程度。
1、水库概况
拟建的王庆坨水库位于天津市武清区王庆坨镇西南，库区位置东北以王庆坨镇为邻，东靠王二淀村，西和南为天津市与河北省省界，北靠津同公路，津保高速公路从水库中间穿过，库区面积6.67km2。水库调节库容4000万m3，属平原中型水库。由于王庆坨水库作为天津市南水北调工程的调节水库，担负干线事故备用任务，失事后将对天津的供水和防洪安全造成巨大影响。
在对王庆坨水库工程进行环境影响评价的过程中，其水库溃坝的风险成为工程和环境的主要风险，在环评中需要对其进行详细预测和评价。
2、溃坝分析及评价思路
合理设计是保证水库运行安全的基本条件，但如果遇到特大洪水、强烈地震、用水调度管理不当等情况，会使水库坝体突然遭到破坏，形成灾难性的溃坝，给水库周边及下游地区造成极其严重的灾害。
水库溃坝会给水库周边地区造成巨大的影响，库内大量水体的涌出会直接冲毁附近的房屋和农田，水体的长时间浸没也会给洪水所到区域正常的生产生活带来显著破坏。特别是对于王庆坨水库，水库东侧紧邻着王庆坨镇，水库北侧和中部横穿两条公路，而且库区周边多数是农田、果园，一旦发生坝体溃决，将会给周围整个地区的安全造成极重的灾害。因此，建库前有必要预测溃坝风险影响，建库后更需多方面注意，保证大坝安全，采取一切措施防止溃坝。
在进行环评的过程中，工程本身对于溃坝可能发生的风险已经进行了详细的论证，环评工作的过程中对工程上的论证进行了分析，并采用相关水力模型对溃坝过程的进行了模拟，从环境角度预测了溃坝对于周边环境的影响范围和程度，分析了在不同条件下，洪水淹没时间、淹没范围以及淹没对土地和生态环境的影响程度，有助于针对性的制定预防措施和应急预案，以消除隐患和减少溃坝洪水的危害。
3、溃坝水力模型
针对王庆坨水库特点，重点考虑其受到瞬时全面溃坝威胁时的影响过程，分别对水库进行局部和全面溃坝的模拟，确定洪水演进过程、洪水淹没范围、冲毁范围，特别是各村庄和重要设施洪水到来的时刻、淹没水深和流速。
模型采用纳维—斯托克斯方程，不计物性参数随温度的变化，有：
（式9-1）
式中，z为水位；H为水深；和为x和y方向的垂向平均流速；f为柯式力系数；C为谢才系数；为总粘性系数，包括分子运动和横向及垂向平均紊流运动的影响。模型计算采用交错网格交替方向隐格式差分法进行计算。
模型定解条件中，可以确定溃坝时的水位—流量关系，而洪水演进的外边界条件由于是事先不确定的，需要通过计算来给出。
4、模型计算及结果
根据水库结构，需要分别模拟水库东侧、西侧、南侧、北侧坝体单独溃决和水库坝体全面溃决五种极端的风险过程。下面以水库东侧坝体溃决和水库坝体全面溃决为例，给出溃坝过程的模拟情况：
东侧溃坝
东侧溃坝后，水库蓄水将从水库东侧倾泻而出，水库溃坝的初始水位定为其设计水位12.4m。根据溃坝影响范围的不同，分别对溃坝后10分钟内和2天内以不同时间步长进行模拟，显示洪水演进的过程。
模拟溃坝10分钟内的情况，可以反映水库泄水初期水库附近区域流速水位的急速变化情况及可能的冲毁情况。模拟结果显示，10分钟内，水库泄水主要集中在水库东侧王庆坨镇及水库东南侧的几个村庄，选取水库东侧王二淀村进行预测，其水位、流速变化如表1。
表1王二淀村水位、流速变化表
王二淀位于水库南库东侧，东部溃坝后，由模拟结果可得，洪水在2分钟后进入王二淀，监测点处洪水水深达到2.30m，7分钟后达到最高3.13m，随后随着淹没范围扩大，水深逐渐减小；监测点流速在溃坝3分钟即达到4.88m/s，到10分钟后仍有2.86m/s。可以看出，在溃坝10分钟内，水库东部南部的王二淀等六个村庄全部被淹，王庆坨镇除北部部分地区外也大部淹没，淹没面积有12平方公里。根据冲毁建筑的水位和流速要求看，可能冲毁的范围主要集中在东部南部的三个村庄，冲毁面积约为3.5平方公里。
2天是水库溃坝到洪水水流基本稳定的时间段。通过对溃坝后2天的模拟，结果显示，洪水淹没了包括王庆坨镇、东沽港镇、杨芬港乡、褚河港乡在内的众多地区，淹没面积约92平方公里，淹没范围见图1（红线包围区域）。
图1 王庆坨水库东侧溃坝淹没范围图
全面溃坝
全面溃坝时，水库的所有围堤在瞬间全部溃决，是水库溃坝的一种极端状态。水库溃坝的初始水位定为其设计水位12.4m。根据溃坝影响范围的不同，分别对溃坝后10分钟内和7天内以不同时间步长进行模拟，显示洪水演进的过程。
模拟溃坝10分钟内的情况，结果显示，10分钟内，水库向各个方向泄水，主要集中在王庆坨镇、东沽港镇及外围的几个村庄，选取王庆坨镇西端点进行预测，其水位、流速变化如表5。
表5王庆坨镇西端监测点水位、流速变化表
全面溃坝2分多钟后，洪水即进入王庆坨镇， 3分钟后洪水水深达到1.87m，随后随着淹没范围扩大，水深逐渐减小；监测点流速在溃坝3分钟时为3.59m/s，随后流速迅速下降 ，10分钟后降至0.25m/s。在溃坝10分钟内，王庆坨镇西南部大部分区域已经淹没，东沽镇东部有部分洪水进入，水库东南侧也有四五个村庄被淹，淹没总面积为21平方公里。根据冲毁建筑的水位和流速要求看，可能冲毁的范围主要集中在水库周边区域，特别是东南侧的两个村庄，总冲毁面积约为4平方公里。
7天是水库溃坝到洪水水流基本稳定的时间段。通过对溃坝后7天的模拟，结果显示，洪水淹没了包括王庆坨镇、东沽港镇、褚河港乡和杨芬港乡在内的众多地区，淹没面积约72平方公里，大体的淹没范围见图2（红线包围区域）。
图2 王庆坨水库全面溃坝淹没范围图
4、溃坝预测结论
根据不同的溃坝方向，对王庆坨水库坝体溃决造成的影响进行预测，本文以水库东侧溃坝和全面溃坝为例得出预测结论：
⑴东部溃坝：洪水运动过程大约持续2天时间，淹没范围包括了王庆坨镇、东沽港镇、褚河港乡和杨芬港乡等诸多乡村，总面积为92平方公里，是各种溃坝可能中淹没范围最大的。从其冲毁范围来看，主要集中在水库的东部、南部，约有冲毁面积3.5平方公里，造成的损害是最为严重的。
⑵全部溃坝：洪水运动过程大约持续7天时间，淹没范围包括了王庆坨镇、东沽港镇、褚河港乡和杨芬港乡等诸多乡村，略小于北部溃坝时，总面积72平方公里。从冲毁范围看，主要集中在水库周边的村庄，面积约4平方公里。
5、结语
水库工程溃坝对生态系统、水质、土壤以及当地的社会经济系统和人民的生命财产等都将造成一定的破坏，在水库工程的环境影响评价中，对水库溃坝风险从各个方面进行考虑，进而确定坝址处溃坝最大流量、溃坝最大流量向下游演进过程和溃坝最大流量到达下游某一断面的洪水位高程与时间。从而预测溃坝时洪水淹没范围和冲毁范围，并且分析洪水对不同范围内淹没或冲毁的损失程度。根据预测的结果，可以针对其最不利因素造成的影响，制定预防措施和应急预案，消除隐患，减少和降低溃坝洪水危害。
参考文獻：
[1] 《坝的失事教训》，国际大坝委员会，1974年
[2] 《关门山水库溃坝风险分析与计算》，李春生、刘照亮、张延，沈阳农业大学学报，2003年
[3] 《浅谈水库工程溃坝风险评价的内容与方法》，李其江，水电站设计，2000年