王曉松

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

0 引 言

我國是世界上遭受自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，洪水、滑坡、泥石流等各種災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，災(zāi)害種類多、頻率高、強(qiáng)度大、危害程度嚴(yán)重。近年來，自然災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度明顯增加，臺風(fēng)、暴雨、干旱等極端氣象災(zāi)害呈現(xiàn)多發(fā)、并發(fā)趨勢，成為洪澇、地質(zhì)等災(zāi)害的重要誘發(fā)因素。

我國幅員遼闊，江河眾多，約有35%的耕地、40%的人口和70%的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值受到江河洪水的威脅，洪水災(zāi)害損失在各類自然災(zāi)害中位居首位，每年洪災(zāi)的直接經(jīng)濟(jì)損失，少則幾百億元，多則幾千億元。隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，使得單位面積內(nèi)人口、財(cái)富價(jià)值大幅增加，洪水災(zāi)害造成的受災(zāi)面積、受災(zāi)人口和經(jīng)濟(jì)損失居高不下，已經(jīng)成為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素之一。

洪水災(zāi)害按形成機(jī)理和成災(zāi)環(huán)境特點(diǎn)可概括為潰決型、漫溢型、內(nèi)澇型、蓄洪型、山地型、海岸型、城市型等。近年來城區(qū)內(nèi)澇及山區(qū)河流暴露出的問題使防災(zāi)減災(zāi)的任務(wù)更加艱巨。中國半數(shù)以上的行政區(qū)劃涉及山區(qū)河流，山地型洪水災(zāi)害不容忽視，雖然山洪暴發(fā)僅局限在相對較小的區(qū)域內(nèi)，持續(xù)時(shí)間也較短，但其潛在的破壞力不容忽視。未來十年，中小河流治理的首要任務(wù)就是要解決山區(qū)河流中暴雨、山洪及其誘發(fā)的滑坡、泥石流等突發(fā)性災(zāi)害。

公共安全作為國家安全和社會穩(wěn)定的基石，是政府加強(qiáng)社會管理和公共服務(wù)的重要內(nèi)容，也是全面建設(shè)小康社會必須解決的重大戰(zhàn)略問題。加大防災(zāi)減災(zāi)力度，最大限度減少自然災(zāi)害給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來的損失，是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，構(gòu)建和諧社會的重要保證。我國于2005年專門成立了國家減災(zāi)委員會，加強(qiáng)在災(zāi)害監(jiān)測、應(yīng)急預(yù)案等方面的工作，防災(zāi)減災(zāi)科技水平明顯提高。重大自然災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警和應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)也列為 《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020）》中重點(diǎn)領(lǐng)域中的優(yōu)先主題。為貫徹落實(shí)發(fā)展規(guī)劃綱要，提高我國大壩的管理水平，確保大壩安全，降低大壩風(fēng)險(xiǎn)，保障下游公共安全，科技部 “十一五”期間啟動國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目 “水庫大壩安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究”，分8項(xiàng)課題進(jìn)行重點(diǎn)研究，對潰壩洪水問題給以充分重視。

20世紀(jì)90年代初，國際大壩委員會第99號專題報(bào)告（Bulletin 99）對世界（中國除外）潰壩事故作出統(tǒng)計(jì)。1900～1951年共建各種大壩5 286座，其中潰壩117座；1951～1986年共建大壩12 138座，其中潰壩59座。1954～2005年全國共有3 486座水庫垮壩，絕大多數(shù)潰壩屬于小型水庫，約占潰壩總數(shù)的96%。造成水庫潰壩的原因，主要是防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低、工程質(zhì)量差、管理運(yùn)行不當(dāng)以及地震等突發(fā)事件。其中40%的潰壩是由溢洪道設(shè)計(jì)不當(dāng)漫頂所致，33%是由滲透破壞所致，20%是由基礎(chǔ)破壞所致。

我國大壩年均潰壩率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出世界其它國家，同時(shí)潰壩所造成的災(zāi)難也是最大的。河南 “75.8”大水，板橋、石漫灘水庫潰壩失事，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。我國中小水庫眾多，失事率高，加上由于中小河流堤防標(biāo)準(zhǔn)低，防洪措施比較薄弱，因此潰壩帶來的危害更大。

從國內(nèi)外潰壩概況來看，失事率近期小于過去，大庫、高壩小于小庫和低壩，土石壩大于混凝土壩。

盡管水庫的安全管理得到了較高的重視，事故的概率已顯著降低，但大壩安全仍是水庫建設(shè)和管理的核心問題。潰壩洪水具有預(yù)見期短、突發(fā)性強(qiáng)、洪水暴漲暴落、水量集中、破壞力大等特點(diǎn)。如何提高潰壩的預(yù)報(bào)預(yù)測水平，建立洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)，制定區(qū)域防洪應(yīng)急預(yù)案，增強(qiáng)抗御潰壩洪水災(zāi)害的能力，是當(dāng)前我國防洪減災(zāi)工作中亟待解決的突出問題。

1 潰壩問題

潰壩研究是伴隨社會發(fā)展的永恒主題，經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，越需要對大壩安全給予高度重視，更需要開展?jié)斡绊懙娘L(fēng)險(xiǎn)評估和對策研究。隨著技術(shù)進(jìn)步、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對潰壩的研究以及安全管理對策也在不斷地發(fā)生變化。20世紀(jì)90年代末期歐美國家又掀起新一輪的潰壩研究高峰，包括美國國家大壩安全計(jì)劃 （NDSP）、美國土石壩潰壩洪水研究項(xiàng)目及歐共體潰壩洪水研究項(xiàng)目（CADAM）。法國的Malpasset、意大利的Vojont、美國的Teton等典型的潰壩問題作為經(jīng)典問題，得到深入廣泛的研究。

潰壩的潰決方式及潰決過程具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性，決定了潰壩洪水的規(guī)模及影響范圍。研究潰壩洪水，對于掌握潰壩洪水演進(jìn)規(guī)律，啟動應(yīng)急預(yù)案，降低次生災(zāi)害的影響，具有重要意義。目前，潰壩計(jì)算，可以合理地確定堤防的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估、災(zāi)情評價(jià)、環(huán)境與生態(tài)影響評價(jià)。

潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析的關(guān)鍵在于建立科學(xué)合理的潰壩水流分析計(jì)算方法，自上個世紀(jì)初期以來，潰壩水流數(shù)值計(jì)算方法的研究取得了長足進(jìn)展。因潰壩問題的復(fù)雜性，一些關(guān)鍵問題仍未獲得圓滿解決。

歐洲投入巨資對潰壩洪水模型進(jìn)行全面的比較研究，認(rèn)為目前所采用的各種模型仍然存在相當(dāng)大的不確定性。這些問題的進(jìn)一步研究與探討，無論在理論和實(shí)踐上都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

潰壩洪水問題研究的內(nèi)容包括壩的潰決過程、潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等，研究的最終目的歸結(jié)到下游的洪水演進(jìn)問題。

潰口形成是一個逐漸發(fā)展的過程，隨壩高、筑壩材料及水流作用的程度而異。當(dāng)破壞開始形成于壩體的某點(diǎn)時(shí)，由于水流對壩體內(nèi)部的沖刷，導(dǎo)致壩頂?shù)奶涌鞚Q。

潰決方式及潰決過程具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性，對其準(zhǔn)確的掌握直接關(guān)系到對潰壩洪水的規(guī)模及影響范圍的精準(zhǔn)判斷。有各種潰口模擬的模型，主要差異體現(xiàn)在初始潰口形狀的假定和潰口擴(kuò)大演變的方式。目前模擬潰口細(xì)部沖刷、坍塌和擴(kuò)展過程的精確模型還達(dá)不到實(shí)用要求。

潰壩流量過程及峰值泄量等參數(shù)是潰壩風(fēng)險(xiǎn)評估的重要參數(shù)，是潰壩洪水計(jì)算及正確評價(jià)潰決風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。早期的潰壩模擬，通常都是假設(shè)潰壩瞬間破壞的最不利情形，并根據(jù)由此產(chǎn)生的洪水來計(jì)算潰壩下游的洪水演進(jìn)過程。

1871年圣維南（Saint－Venant）在3個基本假設(shè)條件下提出一維非恒定流偏微分方程組，并被推廣到二維。潰壩造成的洪水波稱為潰壩波，它是間斷波，有其特殊性，但仍滿足圣維南方程組［1－4］。

由于圣維南方程組是非線性的雙曲型偏微分方程，至今尚無理論解，人們首先關(guān)注潰壩洪水的近似解，1892年Ritter在一維平底、無阻力、矩形斷面、下游無水、棱柱形無限長明渠等簡化條件下，利用特征理論，推出瞬間潰壩問題的第一個計(jì)算公式。

在計(jì)算機(jī)普遍使用以前，實(shí)際應(yīng)用中都采用簡化計(jì)算，在初邊值條件相當(dāng)簡化的基礎(chǔ)上對Saint－Venant方程進(jìn)行求解分析，其中最典型的為特征線法，將時(shí)間離散和空間離散一起處理，穩(wěn)定性好，計(jì)算精度高，算法符合水流運(yùn)動的物理機(jī)制，能反映出信息沿特征線傳播的性質(zhì)，適宜求解周期短、變化急劇的問題，其結(jié)果對理解潰壩洪水演進(jìn)的機(jī)理有很大的意義。

隨著計(jì)算機(jī)性能和數(shù)值計(jì)算方法的迅速發(fā)展，數(shù)值求解Saint－Venant方程組的Riemann問題逐漸成為了研究潰壩波的主要手段，特別是在計(jì)算域邊值條件和初始條件較為復(fù)雜時(shí)，數(shù)值模擬的優(yōu)越性更為明顯，可在廣泛的參數(shù)范圍內(nèi)較快地給出流場的定量結(jié)果［5］。

求解圣維南方程組的數(shù)值方法很多，常用的方法有特征線法、有限差分法、有限元法、有限體積法等，其中，有限體積法兼有有限差分法物理概念清晰和有限元法非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適應(yīng)復(fù)雜邊界及計(jì)算精度高的特點(diǎn)，有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，涉及新興交叉科學(xué)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法也被逐漸引入到洪水演進(jìn)模型中，信息處理、模式識別和綜合推理能力決定了其能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多對象的輸入和多目標(biāo)的輸出，可應(yīng)用于諸如潰壩洪水等一些非線性問題的預(yù)測、預(yù)報(bào)［6－8］。

2 潰壩模型

大壩風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)發(fā)展很快，特別是在美國、加拿大、澳大利亞和西歐國家發(fā)展迅速，目前主要關(guān)注點(diǎn)是潰壩模式及定量的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，開發(fā)了一系列實(shí)用性較強(qiáng)的潰壩及洪水演算模型。從早期的Cristofano（1965）模型到目前使用的BEED模型、BREECH模型和DAMBRK模型，這些模型的開發(fā)，為潰壩洪水計(jì)算提供了強(qiáng)大的支持。

美國國家氣象局（NWS）開發(fā)的BREACH模型是基于Fread預(yù)報(bào)土壩潰壩洪水過程線而開發(fā)的，模型建立在水力學(xué)、泥沙、土力學(xué)、水庫庫容特性、入庫及下泄流量隨時(shí)間變化的基礎(chǔ)上，可以用來預(yù)測土壩及堆石壩因管涌或漫頂導(dǎo)致的潰壩洪水過程，只進(jìn)行入庫水流和潰口形態(tài)演進(jìn)的模擬，利用水量平衡方程、泥沙輸移方程等來獲取庫水位、潰口出流過程線等數(shù)據(jù)，并不進(jìn)行下游的洪水演進(jìn)計(jì)算。由于土石壩的潰決過程是水流與壩體相互作用的一個復(fù)雜過程，到目前為止，潰壩的潰決機(jī)理還不是十分清楚，因此，在具體計(jì)算時(shí)，潰口尺寸一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)測資料確定，模型精度稍差。

Fread（1984）研究開發(fā)的DAMBRK模型是目前最全面的通用模型，較好地模擬大壩潰決的過程，可以確定潰口底寬、頂寬、邊坡隨時(shí)間和空間的變化，潰決歷時(shí)，潰口泄量、洪水過程及在下游的傳播與演進(jìn)。潰口的形態(tài)主要與壩型和筑壩材料有關(guān)，主要通過近似假定來確定。采用圣維南方程來描述洪水波向下游的傳播，并采用多種方法來演算潰決洪水過程線，應(yīng)用范圍廣，可滿足不同場合的要求。

FLDWAV模型是Fread在DAMBRK模型和BREACH模型基礎(chǔ)上開發(fā)出來的功能更強(qiáng)大的模型。此外，目前可用于進(jìn)行潰壩分析和下游洪水演進(jìn)的計(jì)算軟件還有USACE開發(fā)的HEC－RAS及DHI開發(fā)的Mike Flood商業(yè)軟件。

3 潰壩洪水的數(shù)值模擬

描述潰壩洪水的雙曲型方程由于初始條件及邊界條件有間斷，加上方程本身的數(shù)學(xué)特性，不管初始解如何光滑，解都可能產(chǎn)生間斷，所對應(yīng)的物理現(xiàn)象是流場中所存在的間斷波，這一特性使得潰壩洪水問題的計(jì)算有其特殊的困難。潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算格式要求能有效的捕捉間斷且含有足夠的耗散，使數(shù)值解不出現(xiàn)振蕩。以往的做法是在格式中引入人工粘性，在應(yīng)用中也取得了一定的效果，但人工粘性的引入將梯度抹平，對計(jì)算精度產(chǎn)生影響。許多算法失效，其原因在于所用差分格式不能抑制虛假振蕩且保證足夠的精度，不是過分耗散就是數(shù)值振蕩。

由重力引起的淺水運(yùn)動類似于可壓縮流體的運(yùn)動，因此求解含激波的空氣動力學(xué)問題的方法可用來求解潰壩洪水問題，MacCormack，Bean－Warming，Godunov等差分格式的引入取得良好的效果。

在間斷點(diǎn)，對一無窮小領(lǐng)域建立積分形式的質(zhì)量及動量平衡，得到間跳躍條件（Ranlone－Hugoniot），以此條件代替在該點(diǎn)不成立的微分方程，表達(dá)相同的物理規(guī)律。對于間斷解的求解可通過求解相應(yīng)的黎曼問題來確定。要正確模擬間斷條件，格式必須是守恒的，滿足Rankine－Hugoniot跳躍關(guān)系式的常規(guī)格式很難有效處理。

1959年Godunov考慮了物理流動特性，利用“黎曼間斷解”問題的精確解來計(jì)算網(wǎng)格邊上的物理量，進(jìn)而提出的MUSCL格式開始了高階格式的研究。從傳統(tǒng)的min mod擴(kuò)散性限制器到superbee壓縮性限制器，通過引入通量限制器構(gòu)造出各種高分辨率且無振蕩地捕捉間斷波的高精度格式，TVD格式和ENO格式相繼提出，算例表明此類格式能夠自動俘獲間斷且能消除間斷附近的虛假數(shù)值振蕩。

潰壩洪水演進(jìn)的計(jì)算格式應(yīng)能夠保證計(jì)算的穩(wěn)定性、對間斷有高分辨率、具有滿意的精度、保證解的光滑區(qū)內(nèi)具有二階精度、間斷附近局部降低精度、數(shù)值解收斂于物理解，即在間斷處自動滿足跳躍條件［9－14］。

4 存在的問題

對于潰壩水流這種強(qiáng)間斷的水流，問題難度大，流態(tài)及邊界條件復(fù)雜，影響高精度、高分辨率的計(jì)算模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用。如何處理潰壩洪水長時(shí)間、大范圍、復(fù)雜流動的模擬計(jì)算，各國學(xué)者作了大量研究。潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算中存在一系列模擬的難點(diǎn)問題［15］：

1）潰口過程的控制參數(shù)十分復(fù)雜，潰壩的水位流量過程線存在很大的不確定性，導(dǎo)致模擬困難；

2）一、二維嵌套計(jì)算已成為洪水演進(jìn)分析計(jì)算的主要方法，灘地與主槽水流的相互作用是一個難以處理的問題；

3）底坡和濕周斷面的非棱柱性對計(jì)算精度和穩(wěn)定性的影響不容忽視；

4）潰壩洪水各種流態(tài)共存，對間斷的捕捉要求有高分辨的計(jì)算格式；

5）缺少潰壩洪水的實(shí)測資料，很難對建立的模型用實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證；

6）由于地形和地貌復(fù)雜，糙率難以準(zhǔn)確率定和檢驗(yàn)，非物理振蕩常導(dǎo)致計(jì)算失穩(wěn)；

7）模擬計(jì)算中如何動態(tài)反映各計(jì)算參數(shù)間的相互作用；

8）淺水流動方程的源項(xiàng)包括底坡和摩阻兩項(xiàng)，對格式的單調(diào)性、穩(wěn)定條件和計(jì)算精度有較大影響；

9）潰壩水流對潰口下游的河床沖刷作用使地形發(fā)生較大變化，影響下泄洪水的傳播；

10）由于潰壩水流梯度很大，自由水面的邊界條件往往隨時(shí)間變化較為劇烈，計(jì)算網(wǎng)格難以處理任意幾何形狀的計(jì)算域和地形。

5 工作展望

國外以3S技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐的災(zāi)害評價(jià)應(yīng)用已很廣泛，比較完整和規(guī)范的災(zāi)害評價(jià)體系逐漸形成。

為提高潰壩的預(yù)報(bào)預(yù)測水平，建立洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)，制定區(qū)域防洪應(yīng)急預(yù)案，增強(qiáng)抗御潰壩洪水災(zāi)害的能力。我國防洪減災(zāi)潰壩洪水亟待解決的突出問題是：

1）在借鑒國內(nèi)外有關(guān)潰壩數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)場和室內(nèi)物理模型試驗(yàn)取得的研究成果，針對可能的潰壩模式，進(jìn)一步完善潰壩水流、潰口形態(tài)互相耦合的潰決過程和潰壩洪水波演進(jìn)的數(shù)學(xué)模型；

2）構(gòu)建高精度、高分辨率的滿足實(shí)際需求的潰壩水流數(shù)值計(jì)算模型，精確模擬潰壩洪水在下游演進(jìn)的問題；

3）實(shí)際問題數(shù)學(xué)抽象的表達(dá)十分復(fù)雜，理論研究尚不夠充分，跟不上數(shù)值模擬的進(jìn)展，因而需要就穩(wěn)定性、誤差、收斂性和唯一性等方面進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)值解的可靠性；

4）開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)普適化的一、二維嵌套的潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬模型；

5）進(jìn)行洪水模擬相關(guān)信息的前后處理技術(shù)研究，應(yīng)用GIS和DEM建立河道二維網(wǎng)格快速生成及可視化系統(tǒng)。

［1］譚維炎.計(jì)算淺水動力學(xué)一有限體積法的應(yīng)用 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998.

［2］謝任之.潰壩水力學(xué) ［M］.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［3］P.J.羅奇，鐘錫昌、劉學(xué)宗 〔譯）.氣體動力學(xué) （上下冊）［M］.北京：科學(xué)出版社，1983.

［4］李德元，徐國榮，水鴻壽.二維非定常流體力學(xué)數(shù)值方法［M］.北京：科學(xué)出版社，1987.

［5］朱家鯉.計(jì)算流體力學(xué) ［M］.北京：科學(xué)出版社，1985.

［6］張大偉.基于Godunov格式的潰壩水流數(shù)學(xué)模型［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（2）：167－172.

［7］史宏達(dá)，劉 臻.潰壩水流數(shù)值模擬研究進(jìn)展 ［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006，17（1）：129－135.

［8］魏文禮.二維潰壩洪水波演進(jìn)的數(shù)值模擬 ［J］.水利學(xué)報(bào)，2003（9）：43－47.

［9］胡四一.用TVD格式預(yù)測潰壩洪水波的演進(jìn) ［J］.水利學(xué)報(bào)，1989，7：1－11.

［10］耿艷芬.一維淺水方程的高精度GODUNOV格式［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2005，20（4）：507－512.

［11］王嘉松.瞬間全潰壩波的傳播、反射和繞射的數(shù)值模擬［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2003，18（3）：1－7.

［12］潘存鴻.一維淺水流動方程的GODUNOV格式求解［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2003，14（1）：430－436.

［13］梁峻泓.淺水流動的模擬方法比較 ［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2004，19（4）：953－956.

［14］柏祿海.帶原項(xiàng)淺水方程的高階格式研究 ［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展，2009，24（1）：22－28.

［15］黃金池.潰壩洪水的統(tǒng)一二維數(shù)學(xué)模型 ［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37（2）：222－226.