模拟溃坝过程的水文应急监测

■【水旱灾害防治模拟溃坝过程的水文应急监测

张白丁韶辉冯峰

(淮河水利委员会水文局(信息中心）蚌埠233001)

【摘要】溃口洪水监测是水文应急监测主要内容之一，具有突发性、非常规性、复杂性、时效性等突出特点，需监测人员对 水体要素进行突击性紧急监测，及时取得现场水文基本信息，为突害应急处置提供第一手资料。在淮委防汛抗旱办公室组 织的“2017年防汛抢险联合演练”中，淮委水文局应急监测队承担了溃坝险情下溃口断面流速、流量监测任务。借助遥控船 测流系统，成功监测到整个模拟溃坝过程溃口处洪水过程，及时有效地收集了溃坝洪水信息情报，为突发性水事件水文应 急监测积累了成功经验。

【关键词】溃口洪水水文应急监测无人测量机器人

1背景

近年来，极端气候、地质灾害和水污染等突发性水事件 频繁发生，使各级政府在应急监测和科学减灾方面面临的 任务越来越重，压力也越来越大。据美国自然灾害评估报告 引用的有关研究表明，针对洪水引发的灾害，如果能在12~24h内开展应急响应，灾害损失就可降低1/5~1/3。水文 应急监测通常是指在突发性水事件发生时或发生后，通过 对水体要素、水文要素等进行突击性紧急监测，及时取得现 场水文基本信息，为启动应急预案和防灾减灾提供信息服 务和决策支撑。

按照国务院推进防灾减灾救灾体制机制改革的要求，淮委防汛抗旱办公室牢固树立灾害风险管理和综合减灾理 念，坚持以防为主、防抗救相结合的工作方针，通过开展联 合实战演练，检验防汛抢险队的抢险装备和准备状况，提高 在防汛抢险中的配合协同、快速反应和险情应急处置能力，提升防汛抗洪抢险实战水平。2017年4月，淮委防办协同 安徽、江苏两省防办共同组织开展“2017年防汛抢险联合演练”，设置的演练科目包括:堤坝漫溢抢筑板坝挡水子堰、橡胶充水子堰，堤防渗水散浸、管涌、漏洞险情处置，水下摸 探、切割、焊接，堤防溃口断面流速分布、流量等测量，气垫 船水上救助、冲滩，实时信息卫星传输，后勤餐车保障、帐篷 搭设等多项任务，其中淮委水文局承担模拟溃坝险情下溃 口断面流速、流量监测任务。

2防汛演练工程概况防汛演练

场地选择在江苏省防汛抢险训练场，位于南京市六合 区瓜埠镇滁河红山窑水利枢纽下游，工程主要包括:演练水 池1座;下河坡道1座，宽15m;提水泵站1座，设3台潜水 混流泵及进库涵管，设计流量3.66m3/S;泄水槽1座，设计流量 30.0m3/s。

演练水池围堤轴线尺寸180m x90m(长4宽），轴线总 长540m，设计出险水位10.00m，漫顶出险水位10.50m，最高水位11.00m，最大蓄水深度2.50m，最高水位下库容2.97x 104m3。设计堤顶高程11.50m，堤高3.00m，迎水坡坡 比1:2,背水坡1:2.5。

3应急监测

3.1监测方案制定

3.1.1监测断面布设

溃口处口门宽10.0m，下游布置有“U”槽、泄水槽、出口消 能设施，“U”槽、泄水槽渠段水流湍急，流态紊乱不宜施测流 量，下游无河道且杂草丛生不具备监测条件。溃口上游为演练 水池，池底部、边坡均有衬砌，无冲淤变化，水流分布集中，上 游断面视野开阔便于仪器设备的操控，同时结构稳定可以确 保监测人员安全。监测断面选择在溃口上游。由于发生溃口时 的水流流场呈以溃口为中心的收缩状分布，据此水流特性应 急监测队制定出以溃口为中心的弧形监测断面如n图1)。

3.1.2监测设备

监测设备采用遥控船搭载声学多普勒流速剖面仪(ADCP)，无需监测人员涉水，即可实现流速、流量信息的实 时采集。同时配备外业工作台1套、对讲机6部、备用电源 系统、工具、救生衣、雨具等保障用品。

■【水旱灾害防治

表1溃口流量、流速监测成果表

序号时间

流量

(m3/s)

流速

(m/s+

序号时间

流量

(m3/s+

流速

(m/s+

110:05 5.390.0491410:25 6.380.13 210:07 6.130.0521510:27 5.370.11 310:0911.90.111610:28 4.300.11 410:1016.80.181710:30 4.870.10 510:1120.90.231810:31 4.230.089 610:1317.90.211910:33 3.280.070 710:1416.00.192010:34 3.430.079 810:1613.40.182110:36 3.160.068 910:1811.30.182210:38 2.380.053 1010:2010.20.152310:39 3.280.073 1110:219.120.142410:41 2.290.061 1210:228.410.162510:42 1.860.045 1310:247.290.132610:5000

遥控船$船体内置控制系统、无线传输系统、动力系统，同时集成G PS定位、电子罗盘、高清摄像头等多种高精度传感设备。采用无线传输的方式，在岸基即可实时接收并分 析采集数据，支持人工遥控和按规划路径自动巡航两种走 航方式，具有便捷、安全、适应性强的特点。

声学多普勒流速剖面仪（ADCP):ADCP利用换能器发 射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多 普勒频移而测算出流速。ADCP具有能直接测出断面的流速 剖面、不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。目前被 广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等。3.2应急监测的组织与实施

应急监测队提前到达监测位置，按照预定的工作方案，迅速开展应急监测准备工作。在溃口上游约l〇m处搭建监 测工作台，同时提前组装、测试完成2套无人船测流系统，演练中如果l套系统遭遇突发状况停止工作，另l套系统 瞬时即可下水继续监测，保障监测数据的完整性和时效性。

根据监测方案，监测队科学分工，明确队员各自工作职 责。l人负责操控无人船系统弧线走航；l人负责操作ADCP测流软件;l人同步记录整理监测数据；l人负责有关信息、影像资料的采集传输;l人负责突发状况的应急处 置;监测队长负责现场指挥，保障应急监测有条不紊的顺利 进行。在溃坝的45min里，采用遥控船测流系统连续走航，施测溃口流量25次(平均l08s测流一次），完整记录了溃口处流速、流量的动态变化过程。

4应急监测成果及其合理性分析

4.1应急监测成果

淮委水文局应急监测队凭借科学的监测方案、严谨的 工作态度、扎实的工作能力圆满完成演练科目。监测到溃口 洪水水量:l.863x l04m3,洪峰流量:20.9m3/s。应急监测主要

流量极值：20.9

10:00 10:05 10:10 10:15 10:20 10:2J j.|^0:30 10:35 10:40 10:45 10:50 10:55

图2溃口洪水流量过程线图

成果包括:溃口流量、流速监测成果表(见表l)、溃口断面流量过程线(见图2)、溃口航迹、流速矢量图(见图3)。

4.2应急监测成果合理性分析

根据溃坝演练过程可知，下泄水量由以下两部分组成：_)模拟溃坝演练过程中潜水泵向演练池的补水量W g;

(2)溃坝前后演练池的蓄水变量A W。蓄泄水量平衡关系见 公式⑴：

W泄=W补±A W(l) 4.2.l蓄水变量

计算演练水池形状较规则，可以概化为局部四棱锥模 型，根据溃坝开始、结束时刻的演练池蓄水位及演练水池的 形状系数，按照公式(2)计算出溃坝前后演练池内水体积分 别为：

V前=2.33l x l04m3

V后=l.l2l x l04m3

故溃坝前后演练池蓄水变量AW=V前-V后=l.2l0x l04m3。

V=l/3sh(2)

式中:0为相应水位下演练池水面面积;h为演练池底面对应四棱锥的高(取22.96m)。

4.2.2补水量W补计算

演练场3台潜水泵先后间隔3mi.开启(关闭时同上），单机抽水流量约为l.lm3/S，溃坝过程中潜水泵的补水量按 公式(3)计算：

W补=qt(3)

式中:G为潜水泵抽水流量;H为潜水泵抽水时间(溃坝过程中抽水历时约40min)。

根据溃坝演练过程中水泵机组运行记录及公式（3 )计 算得:W补=0.6732x l04m3。

据此，计算出模拟溃坝理论下泄水量W泄=l.883 K l04m3;