大中型淤地坝安全度汛“四预”模型的重点主题及其算据

李智广，王 楠，王英顺，樊晓华

（1.水利部水土保持监测中心，100055，北京；2.黄河水利委员会黄河上中游管理局，710021，西安；3.西安黄河规划设计有限公司，710021，西安）

中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》要求“加强中游水土保持”“增强水土保持能力”，指出：建设高标准淤地坝， 加强病险淤地坝除险加固和老旧淤地坝提升改造，实现对重要淤地坝的动态监控和安全风险预警。 为加快推进智慧水利建设，推动新阶段水利高质量发展，水利部印发《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》，提出建设黄河流域淤地坝“四预”（预报、预警、预演、预案）能力，研发淤地坝安全度汛“四预”模型，提高淤地坝安全风险主动防御能力。科学、高效、针对性地建设大中型淤地坝安全度汛“四预”模型，推进高保真、多维度、全方位的数字模拟，优化选择淤地坝安全度汛方案与措施，是实现除险务尽、避险及时、抢险有效，保障淤地坝安全度汛的有力支撑。本文基于大中型淤地坝结构特征和相关研究的综合分析、近期智慧水土保持实施方案的探索，对大中型淤地坝“四预”模型的重点主题（即数学模型）及其支撑数据进行探讨。

一、“四预”模型要解决的主要问题

在大中型淤地坝安全度汛“四预”能力建设中，“四预”模型发挥着算法的作用，表征着研究者对淤地坝及其运行规律的认知与把握的水平；反映了算据的质量，体现了淤地坝孪生数据的全面程度和精准程度；所提供的预案可通过预演将预报、预警贯穿起来，全要素、全流程地展现“四预”的功能与效力。 为保证“四预”模型功能全面完整、预演效果真实精准，所提供的预案有良好的适用性和针对性，首先需了解淤地坝及其结构、出现险情发生溃坝的原因、溃坝所造成危害的范围，然后针对淤地坝结构与安全运行要求，通过预演优化优选预报和预警的指标，提供决策支撑的预案。

1.淤地坝及其控制区和影响区

淤地坝是在黄土高原水土流失区的支、干、毛沟内，为控制侵蚀、滞洪拦泥、淤地造田、减少入河泥沙而修建的水土保持沟道治理工程。 按照《淤地坝技术规范》（SL/T 804—2020，以下简称《规范》），大型淤地坝应设置坝体、 放水建筑物和泄洪建筑物“三大件”。 中型淤地坝应设置坝体、放水建筑物或坝体、泄洪建筑物“两大件”； 对位于大型淤地坝控制区域外的，还应配置泄洪建筑物。

淤地坝工程建设将一条沟道分为上游和下游两个部分，上游集水区域为淤地坝控制区，下游最大洪水行洪区域为淤地坝影响区。 一条沟道建有多个淤地坝时， 就形成了沟道坝系。 通常情况下（即坝系稳定时），坝系层层设防、节节拦蓄，每座坝都有对应的控制区和影响区。 但是，若上游某个坝体不安全或失事溃坝，将导致下游淤地坝的洪量短时间剧增，超过拦蓄能力造成漫溢坝体，严重时造成连锁溃坝事故。 这就是所谓“穿糖葫芦”式的坝系连锁溃决。

2.淤地坝溃坝原因

由于早期施工缺乏技术指导，淤地坝工程建设质量较差，“三大件”设施不齐全、不配套，遇到暴雨，容易出现险情甚至溃坝，如1993 年，以延安市为中心突降大暴雨，洪水灾害影响6 个县（市）50 个乡（镇），冲毁1 459座淤地坝，造成重大经济损失。 据调查， 造成淤地坝溃决的既有自然原因，更有人为因素。 自然原因主要是集中的强降雨、超标准暴雨，加之黄土高原地形起伏大、支离破碎、沟壑纵横，容易引起洪流急速汇集于沟道的淤地坝中，超出工程滞蓄能力。 人为因素主要包括两个方面：一是淤地坝工程必需的设施不完整、 不配套、施工质量差，如：只有坝体的“闷葫芦坝”，大型淤地坝没有泄洪建筑物，或大中型淤地坝放水建筑物和泄洪建筑物规格不够， 坝体建筑夯实不够、密实度差、坝基处理质量差；二是工程技术管理不落实、不科学、不到位，如：日常技术管理不善，放水建筑物和泄洪建筑物检查与维修不及时、长期带病，坝体出现裂缝、塌陷、洞穴，迎水坡冲刷严重， 坝库上游存在杂物，汛期未按规定预警并做好响应和预案。

3.“四预”系统建设目标及实现途径

淤地坝安全度汛“四预”能力，是指按照智慧水利建设的基本要求，针对单个大型和中型淤地坝及其上游控制区、下游影响区，或者坝系小流域，开发和建设“四预”系统、支撑淤地坝安全运行管理的能力。 这种能力集中表现在“四预”系统上，该系统以及时、高精度监测为基础，以高保真数学预演为支撑，以实施好管护修缮为关键，保障淤地坝工程安全运行与生产。

按照水利部总体部署及 《“十四五” 期间推进智慧水利建设实施方案》，大中型淤地坝安全度汛“四预”系统建设，应以数字化、网络化、智能化为主线， 配置和建安监测设施设备，设计和建设包含全部要素的数据库， 开发和集成相关评价预报模型，开发和建设管理信息系统，支撑淤地坝安全运行的预报、预警、预演和预案， 实现淤地坝科学运维和安全运行。 系统建设的任务目标：

①建设淤地坝及小流域高精度全要素监测体系。 锚定淤地坝安全运行和生产管理的需求，配置自动化监测设施设备， 构建淤地坝及其控制区、影响区的数字化场景，对相关的自然地理和经济社会要素进行数字化映射，实现数字对象与实体对象即时对应和同步孪生。

②构建多时空全要素数字孪生淤地坝及小流域。 基于淤地坝工程设计文件、常态化监测数据，建成信息充分完备、空间精准对位、时序精细合理、结构划分科学、满足模拟分析的数据库， 基于BIM、CIM 等建模技术，形成全要素数字淤地坝及其控制区和影响区。

③集成高保真淤地坝防汛安全与除险模拟模型。 建立重点淤地坝安全运用“四预”模型，基于淤地坝控制区的产汇流过程，开展小流域暴雨洪水与水土流失预报，分析淤地坝险情发生、发展并实施预警，模拟淤地坝及其影响区除险抢险演练。

④生成强现势性与高精准性的除险抢险建议方案。 在孪生淤地坝和模型预演的基础上，结合决策者研判参数的输入，生成关于淤地坝工程安全度汛、影响区人员避险和设施除险的对策建议，从技术、组织、人力和物力等方面提供决策支撑。

大中型淤地坝安全度汛 “四预”系统建设的途径，如图1 所示。

图1 淤地坝安全度汛“四预”系统建设途径

二、高保真“四预”的数学模型库

大中型淤地坝安全度汛“四预”模型，是指基于淤地坝监测体系建立的数字孪生淤地坝、 坝系及其所在小流域， 基于调查和试验数据建立的关于淤地坝安全度汛相关主题的数学模型库， 利用数字化方式试验性地模拟淤地坝各组成部分的运行状态、 淤地坝控制区汇水汇沙及其对淤地坝的影响， 虚拟灾害所引起的险情及其预警预报， 在此基础上提出除险抢险和避险的方案。 模型库主要包括：

1.淤地坝坝库汇入物总量估算模型

淤地坝坝库汇入物总量估算模型，包括次降雨的汇入物总量和一定时段降雨的汇入物总量，强调的是估算进入淤地坝的物质总量，包括淤地坝控制区的汇流、汇沙及其他进入坝库的物质。 汇入物总量与淤地坝剩余库容的大小关系是预判险情的指示性指标，其模型的函数关系如下：

式中，Fin为淤地坝坝库汇入物总量；hf为入库洪水量；hs为入库泥沙量；ho为入库其他物质量。若淤地坝坝库汇入物总量的绝大部分物质为洪水， 可采用《规范》 提出的 “设计洪峰流量计算”“设计洪水总量计算”等进行估算。

2.淤地坝工程稳定性评判模型

淤地坝工程稳定性是指坝体的稳定性。 由于各种原因造成淤地坝坝体残损， 当残损程度超过临界值，坝体在遭遇较高水位水体时将会出现险情。 稳定性评判将为是否需要及时实施淤地坝除险加固提供决策信息。淤地坝工程稳定性模型主要与坝体的状态密切相关， 如： 坝体裂缝、塌坑、滑坡、动物洞穴，坝面冲刷，坝体渗流等。 淤地坝工程稳定性评判模型的函数关系如下：

式中，Es为淤地坝工程稳定性；cd为淤地坝坝体运行参数；ws为坝面冲刷参数；ds为淤地坝坝体渗流参数；lp为背水坡散浸和集中渗漏、坝肩绕坝渗漏、坝趾流土管涌等参数。

淤地坝工程稳定性评价的要素、模型和方法，可采用《规范》中的“附录D 稳定性分析”进行设定。

3.淤地坝放水和泄洪建筑物运行状态评判模型

淤地坝放水和泄洪建筑物运行状态评判，主要是基于对放水和泄洪建筑物的完好程度、泥沙和其他杂物堆积量的综合分析来进行。 当放水和泄洪建筑物完好、堵塞程度未达到临界值时，则为能够正常运行；当放水和泄洪建筑物受损或堵塞程度达到临界值时，则为难以正常运行。 淤地坝放水和泄洪建筑物运行状态评判模型的函数关系分别如下：

式中，Ssb为放水建筑物运行状态；s-ir为放水建筑物完好程度；s-adso为泥沙和其他杂物堆积量。

式中，Sdt为泄洪建筑物运行状态；dt-ir为泄洪建筑物完好程度；dt-adso为泥沙和其他杂物堆积量。

淤地坝放水和泄洪建筑物的运行状态，可参考《规范》中的“7 除险加固”进行评判。

4.淤地坝工程安全状态评价模型

通过模型预演，对淤地坝工程遭遇暴雨、洪水、强烈地震等突发性、灾害性影响甚至破坏时的安全状态进行评价，实现相应状况下的淤地坝运行状况预报，发出相应防汛应急响应级别的预警，为及时采取紧急措施制止险情扩大、抢险避险、避灾救灾提供决策信息。 淤地坝工程安全状态既与淤地坝工程稳定性相关，又与暴雨洪水造成的汇入物总量、地震等突然性剧烈影响相关。 安全状态评价模型的函数关系如下：

式中，SScd为淤地坝工程安全状态；Fin、Es、Ssb、Sdt为 前 述 的4 个 模 型 评 价结果。

淤地坝工程安全状态，可参考《规范》中的“附录D 稳定性分析”“10.5 防汛管理”进行评价。

5.淤地坝下游影响区遇险范围评价模型

淤地坝下游影响区遇险范围是指当淤地坝出现险情，大水漫坝甚至溃坝时， 下游影响区遭受险情的范围。 其评价涉及溃坝流量（最大溃坝流量）、水位（最高水位）、下游地形以及行洪区地表覆被物等。 其中，溃坝流量可参考《规范》中的“附录A 淤地坝溃坝洪水分析”进行计算。 遇险范围评价模型的函数关系如下：

式中，DRda为淤地坝下游影响区遇险范围；MDcdb为溃坝流量（最大溃坝流量）；WMWLcdb为水位 （最高水位）；Tds为下游地形状况；Cs为行洪区地表覆被物。

6.淤地坝除险抢险支撑模型

当淤地坝出现险情，甚至大水漫坝、出现溃坝风险时，在分析溃坝洪水量和水势能、下游影响区范围及遭受损失的基础上，从抢险技术、组织措施、人力和物力等方面，提出除险抢险、避灾救灾、制止险情及其蔓延扩大的可选预案。 淤地坝除险抢险技术和组织措施的主要内容，可参考《规范》提出的“防汛管理”“黄河防汛抗旱总指挥部关于印发黄土高原地区淤地坝工程防汛预案编制规定的通知”。 淤地坝除险抢险技术和组织措施支撑模型的函数关系如下：

式中，SPtom为淤地坝除险抢险支撑方案；tm为技术措施；om为组织措施；hr为人力资源；mr为物力资源。

三、“四预”模型的数据库及其数据

为满足大中型淤地坝安全度汛“四预”模型预演的真实性、科学性和决策支撑性，针对淤地坝的日常维修养护、汛前检查除险、汛期抢险避险等数据管理需要，淤地坝安全度汛的数据库应包括6 类子数据库。

1.淤地坝工程设计规模子数据库

主要包括淤地坝工程的枢纽组成及其规模、 建造材料及其性状、控制区面积、设计总库容、防洪标准、校核标准、建成（改建）时间等。 对每座大中型淤地坝和每条小流域坝系，应根据这些数据项的数值，编制工程各组成部分的数字图，构建数字孪生淤地坝， 为淤地坝的后期维护修缮、除险避险和数学预演提供算据。

2.淤地坝工程现状子数据库

主要包括当前（某时点）淤地坝工程各组成部分的状况，如坝体压实程度、已淤积高程、已淤积库容、已淤地面积，坝库滞蓄水位、水量及渗流情况，坝体与岸坡及放水建筑物接合部状况、放（泄）水建筑物完好程度与淤堵情况等。 对淤地坝工程及其各组成部分的状况，应通过实地调查和相关监测， 阐明受损情况与完好程度，获取相关指标的定性描述和定量数值，并同步更新数字孪生淤地坝和孪生坝系， 为淤地坝和坝系维护修缮、除险避险和数学预演提供高现势性的算据。

3.淤地坝控制区自然与经济要素子数据库

主要包括淤地坝控制区的地质、地貌、气象、水文、土壤、植被等自然地理要素，土地利用、居民、建设设施等主要经济要素。 这些要素应在控制区基础地理信息的基础上，建立对应要素的三维数字模型，形成数字孪生控制区， 既清晰表达控制区的各个要素，又为管理控制区各个要素提供基础数据。

4.淤地坝下游影响区自然与经济要素子数据库

主要包括下游影响区的地形状态、涉及的乡村及人数、基本农田面积及种植作物、重要设施及其防洪状况等。 对淤地坝下游影响区的重要经济社会要素的位置及其相关属性，应建成数字孪生影响区，通过电子地图完整反映，既清晰表达影响区的各个要素，又为管理影响区各个要素提供基础数据。

上述的数字孪生淤地坝工程、数字孪生控制区和数字孪生影响区是在空间上相互连结、 在功能上相互影响的3 个对象，共同构成了一体化、完整的淤地坝安全运行管理的数字孪生对象，即数字孪生淤地坝小流域。

5.淤地坝防汛预警要素子数据库

主要包括淤地坝控制区的降水、库区的水位、坝体渗流与渗透稳定性，坝面冲坑和裂缝的位置、形态、走向、深度与形成原因，以及坝面冲坑和裂缝与岸坡、放水建筑物位置的关系，放水和泄洪建筑物工程的完好程度、淤堵情况等。 这些数据项及其监测点的位置、属性值等应全部表达在数字孪生淤地坝小流域上，以便一体化进行数据调用、分析和管理。

6.淤地坝抢险避险保障子数据库

主要包括淤地坝的管护机构、责任人、抢险物资储备情况等。 这些数据项及其位置、属性值等应全部表达在数字孪生淤地坝小流域上，以便一体化进行数据调用与分析、管理。

四、结论与建议

黄土高原目前共有淤地坝5.9 万座， 其中大型、 中型坝分别占10%、20%。 如此巨大数量淤地坝的安全度汛，不仅直接关系淤地坝本身的安全和坝地的安全生产，而且直接关系下游影响区的安全生产生活乃至汇入河流的水沙安全。 大中型淤地坝在小流域坝系中承担着控制性的 “骨干”作用，其安全度汛对新阶段建设高标准淤地坝具有标志性意义。 其“四预”模型的主要内容及其智能化、高保真程度，对保证预演效果及其支撑下的预案发挥着决定性作用。

本研究提出大中型淤地坝安全度汛“四预”模型的重点主题及其必需的孪生数据， 对于优化安全度汛系统的算法， 完善数字孪生淤地坝小流域的算据， 推进实现重要淤地坝动态监控和风险预报预警， 保证和提升高标准淤地坝建设具有一定的支撑作用。 ■