洪水波傳播和地下設施洪水泛濫
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M. Oertel & A. Schlenkhoff 水利工程系, 民用工程部,烏珀塔爾大學,德國
摘要
一般來說,防洪措施發生故障可能會造成洪水波產生。洪水傳播區域地下設施很可能會被淹沒，并且使得周圍居民處于高度危險中。因此，必需盡可能獲取較多的關于洪水波特征信息，以便于分析其對地下設施所造成的危害。建立一個有效率洪水波特征模式將有助于擬定相關的防洪對策。為此，烏珀塔爾大學水利工程系的水利實驗室建立一個水工物理模型。
關鍵詞：洪水，故障，地下設施，洪水波傳播，仿真
1. 引言 防洪措施分為三個部分：（1）技術防洪（2）防洪區管理（3）預防措施。此外在洪水事件期間防洪措施操作規范也被提到日程上來（德國減少自然災害委員會，2003）。而相關預防措施必須包括水利現象的詳細數據分析。因此，像上述技術防洪措施發生故障時，這種無法預料的災害將格外的突顯與被重視。目前，調查研究的重點還是放在分析在河堤或堤壩發生破壞后的洪水波傳播過程的水利現象。但是由于對地下設施防洪過程沒有詳細描述，因此需要建立一個水工物理模型，利用仿真軟件模擬在平板上洪水波傳播過程和隨后的地下量注入過程，以監測洪水的主要流動特性。
2. 物理模型
物理模型（見圖1和圖2）的縮放比例從1:20調整到1:13。水工模型是帶有一個完整缺口的水槽，且該缺口是靠著權重系統打開。而在傳播板上可以找到不同幾何邊界條件的六個開口。
3. 結果
3.1 波傳播
由于水槽缺口處流動速度不同，因此波傳播是非對稱的。利用紅外傳感裝置可記錄板上近1000待測點的波形，并通過分析和計算得出水深、速度及隨時間變化的波傳播。其中主要考慮兩個條件：（1）穩態波（2）暫態傳播特性（見圖3和圖4）。波傳播現象可以用來驗證地下洪水流動控制體積的邊界條件。尤其考慮到縮放比例對結果的影響，因此數值模擬需加以詳細分析及描述。
3.2 縮放比例的影響
Briechle (2006) 建立一個波傳播的解析模型，該模型以缺口處為中心軸線并把縮放比例從1:1調整到1:2 。未調整（縮放比例）所獲結果與調整后的具有良好的一致性。
由于水深較淺和流動速度較低，因此可假設結果是不受缺口-軸線的縮放比例影響。Briechle 進行一項關于縮放比例影響的詳細分析，目的是把小比例模型量化。通過分析和計算，獲得傳播板上的雷諾數和韋伯數，之后可根據計算值查出其臨界值（見圖5）。分析表明：除了粘度外，其它任何參數都不會影響其表面張力。因此，利用逆推方法可計算絕對粗糙度數值(k)，這樣可以使粘度影響量化。有關詳情可參閱 Oertel (2007)。圖6 為計算得出的絕對粗糙度結果，特別在其左側，k值越大，縮放比例影響越會發生。
3.3 地下設施洪水流動過程
3.3.1 洪水類型
一般對地下設施來說，洪水分為三種不同類型:
1. 直接、主動洪流(動態)
第一種類型描述洪水直接流入地下設施，主要流動分量是沿徑向并朝著開口方向流動。在地下排水設施容積內，過快升高的水位表征該洪水類型的特點。
其主要變量為：流入地下設施的徑向水深、流動速度及幾何邊界條件。
2. 側向, 主動洪流(動態)
第二種類型當作洪水超過堰板后從側向溢流。一些處理缺口排放調查研究常被用于監測流入地下建筑的排量。
其主要變量：流入地下設施的切向水深、流動速度及幾何邊界條件。
3. 間接, 被動洪流(靜態)
第三種類型是在靜態洪水中發生，并以最低能量水頭流入地下設施,導致其被淹。
其主要變量：流入地下設施的水深及幾何邊界條件。
3.3.2 地下設施內危害
地下設施內主要存在兩種危害：1. 涌入水的強度；2.地下建筑內的不斷升高水位。危害一：常常發生于入口區域，并且其危害超出居民抵抗力的極限。RESCDAM (2000)研究分析了大水槽內抵御流動水沖擊的可能性，從而給出了所謂的乘積數或落差數算式，其是以流速v及水深h乘積給定的，方程式如下：
一般來說，人可以抵御落差數SN在0.64 m2/s和1.26 m2/s之間(RESCDAM, 2000)。危害二：常常發生于地下建筑里，當不斷升高水位到達一個hkrit1.5m臨界水深時，這增加人被淹沒的危險。因此，地下建筑內危險性依賴于與流入量 Qfill 及底面積 Ap相關的臨界注滿時間 tkrit，其方程式如下：
3.3.3 洪水類型（一）：結果
目前所呈現的波傳結果可用于定義第一類洪水造成地下設施損壞的危險性級別。在把測量值轉換為自然變數后(Froude-model, 見圖8和圖9)，可以計算落差數SN和臨界注滿時間。特別在其附近可以看到被記錄的大落差數，并且導致臨界注滿時間的記錄結果小于一分鐘。此外需估算出沖擊力大小，用來獲取是否打開緊急出口門可能性的信息。這也對現有風險有重要影響，但不會在本文詳細討論（見Oertel,2008）。
3.3.4 洪水類型（二）：結果
如上所述，類型二是對側向缺口排泄的詳細研究。德國人提供一個簡單的解決方法，主要是利用溢流系數來計算堰板后側向排泄量。Disse et al. (2003) 更詳細觀察該問題，并給出一個方程式用來計算通過缺口處的排泄量。此方程用于類型二的流入地下設施側向流量，方程式如下：
其中，
Qfill 為流入地下設施的流量，σst為側向溢流系數，μ*為標準溢流系數，g為重力，hs為街道峽谷處水深，bOe為開口寬度， vs為街道峽谷處速度。
當街道峽谷處vs為低速時，側向溢流最大值會產生（見圖10）。對Fr > 0.75來說，推薦用法也被證明。實驗結果與FLOW-3D數值模擬進行了比較，并運用類型一進行驗證其可用。對比兩者，可發現其具有良好的一致性，這使得利用FLOW-3D數值模擬來取代實際水工實驗來計算排泄量成為可能。為了驗證方程式3的可用性，利用不同邊界條件的數學模型運行已經完成。結果顯示在數值模擬與分析的解決方案間具有良好的一致性。通過觀察結果中落差數SN，不難發現，在街道峽谷處沒有對速度vs產生重要的影響（圖11）。數值模擬表明：利用Disse et al. (2003)分析方法，可以針對類型二計算流入地下設施的流量。由此可以計算入口區域處的落差數，并可估計出臨界注滿時間。
3.3.5 洪水類型(三)：結果 對于類型三而言，流入地下設施的流量取決于距離開口處被定義的靜態水位hl 。在溢流區處當流速為vgr時最低能率將導致更低的水位（hgr = 2/3hl ），從而得出落差數SN，并在圖12中給出。
3.3.6 危險等級
依照瑞士政府標準（見圖13）并結合不同幾何及水利邊界條件的表格，可以將所有計算結果轉化為危險等級。為此，一個名為RoFUF (Risk of Flooding Underground Facilities) 的風險評估工具被開發出來，用于計算基于表格數據的風險及危險性(www.rofuf.de, for free non-commercial use, Fig. 14)。針對三種不同洪水類型的邊界條件，軟件可給出地下設施的危險等級。值得一提的是綠色只用來表示“NO RISK”沒有危險的時刻。而針對一些小危險，本文并沒有利用該顏色來顯示危害分布。在防洪薄弱區中用顏色綠色很容易被非專業人員誤解（綠色=沒有風險），尤其在公共區對洪水危險及危害分布圖使用上，這需要人們避免。
Table 1. Example results for flood-type 2
4 結論
研究表明：洪水事件期間在入口處或地下設施內存在局部高危險。通過給定流速和水深參數，可對不同幾何及水利邊界條件的地下建筑物進行分類，從而定義危險或危害級別。尤其是在洪水傳播附近區域及入口處高水位地區，可以評估出防止高危險的防洪措施。因此，可以在危險或危害分布圖中給出對地下設施綜合分析的建議。按照不同洪水流動過程，可分為三種洪水類型。對于每種洪水類型來說，通過給定重要水利邊界條件的依據，用來確定所造成的危險級別。所有結果放在RoFUF這種風險評估的輔助決策系統中執行。
5 參考文獻
Briechle, S. (2006) Flood Wave Propagation on a Plate after Malfunction of Flood Protections Measures. Original title: Die fl?chenhafte Ausbreitung der Flutwelle nach Versagen von Hochwasserschutz-einrichtungen an Flie?gew?ssern, PhD Thesis, RWTH Aachen, Germany.
Disse, M.; Kamrath, P.; Wilhelmi, J. and K?ngeter, J. (2003) Simulation of Floodwave and Propagation in matters of Dike Breaking. Original title: Simulation des Hochwasserwellenablaufes und der Ausbreitung von überflutungsfl?chen unter Berücksichtigung von Deichbrüchen,WasserWirtschaft 5/2003, DWA, Hennef, Germany. DKKV (2003) Lessons Learned. German Committee for Disaster Prevention (DKKV), Bonn, Germany.
Oertel, M. (2007) Scaling Effects on Flood Wave Propagation by Physical Modeling. Original title: Ma?stabseffekte bei der physikalischen Modellierung fl?chenhafter Flutwellenausbreitungen, Meeting of jung Scientists (JuWi) 2007, Kassel, Germany. Oertel, M. (2008) Analyzing Flooding Processes of Underground Facilities in Urban River Areas after Malfunction of Flood Protection Measures. Original title: Analye der Flutung unterirdischer Bauwerke in flussnahen urbanen Regionen nach Versagen von Hochwasserschutz-einrichtungen, Dissertation, University of Wuppertal.
RESCDAM (2000) The Use of Physical Models in Dam-Break Flood Analysis. Final Report of Helsinki University of Technology, Finnland.
M. Oertel & A. Schlenkhoff 水利工程系, 民用工程部,烏珀塔爾大學,德國
摘要
一般來說,防洪措施發生故障可能會造成洪水波產生。洪水傳播區域地下設施很可能會被淹沒，并且使得周圍居民處于高度危險中。因此，必需盡可能獲取較多的關于洪水波特征信息，以便于分析其對地下設施所造成的危害。建立一個有效率洪水波特征模式將有助于擬定相關的防洪對策。為此，烏珀塔爾大學水利工程系的水利實驗室建立一個水工物理模型。
關鍵詞：洪水，故障，地下設施，洪水波傳播，仿真
1. 引言 防洪措施分為三個部分：（1）技術防洪（2）防洪區管理（3）預防措施。此外在洪水事件期間防洪措施操作規范也被提到日程上來（德國減少自然災害委員會，2003）。而相關預防措施必須包括水利現象的詳細數據分析。因此，像上述技術防洪措施發生故障時，這種無法預料的災害將格外的突顯與被重視。目前，調查研究的重點還是放在分析在河堤或堤壩發生破壞后的洪水波傳播過程的水利現象。但是由于對地下設施防洪過程沒有詳細描述，因此需要建立一個水工物理模型，利用仿真軟件模擬在平板上洪水波傳播過程和隨后的地下量注入過程，以監測洪水的主要流動特性。
2. 物理模型
物理模型（見圖1和圖2）的縮放比例從1:20調整到1:13。水工模型是帶有一個完整缺口的水槽，且該缺口是靠著權重系統打開。而在傳播板上可以找到不同幾何邊界條件的六個開口。
3. 結果
3.1 波傳播
由于水槽缺口處流動速度不同，因此波傳播是非對稱的。利用紅外傳感裝置可記錄板上近1000待測點的波形，并通過分析和計算得出水深、速度及隨時間變化的波傳播。其中主要考慮兩個條件：（1）穩態波（2）暫態傳播特性（見圖3和圖4）。波傳播現象可以用來驗證地下洪水流動控制體積的邊界條件。尤其考慮到縮放比例對結果的影響，因此數值模擬需加以詳細分析及描述。
3.2 縮放比例的影響
Briechle (2006) 建立一個波傳播的解析模型，該模型以缺口處為中心軸線并把縮放比例從1:1調整到1:2 。未調整（縮放比例）所獲結果與調整后的具有良好的一致性。
由于水深較淺和流動速度較低，因此可假設結果是不受缺口-軸線的縮放比例影響。Briechle 進行一項關于縮放比例影響的詳細分析，目的是把小比例模型量化。通過分析和計算，獲得傳播板上的雷諾數和韋伯數，之后可根據計算值查出其臨界值（見圖5）。分析表明：除了粘度外，其它任何參數都不會影響其表面張力。因此，利用逆推方法可計算絕對粗糙度數值(k)，這樣可以使粘度影響量化。有關詳情可參閱 Oertel (2007)。圖6 為計算得出的絕對粗糙度結果，特別在其左側，k值越大，縮放比例影響越會發生。
3.3 地下設施洪水流動過程
3.3.1 洪水類型
一般對地下設施來說，洪水分為三種不同類型:
1. 直接、主動洪流(動態)
第一種類型描述洪水直接流入地下設施，主要流動分量是沿徑向并朝著開口方向流動。在地下排水設施容積內，過快升高的水位表征該洪水類型的特點。
其主要變量為：流入地下設施的徑向水深、流動速度及幾何邊界條件。
2. 側向, 主動洪流(動態)
第二種類型當作洪水超過堰板后從側向溢流。一些處理缺口排放調查研究常被用于監測流入地下建筑的排量。
其主要變量：流入地下設施的切向水深、流動速度及幾何邊界條件。
3. 間接, 被動洪流(靜態)
第三種類型是在靜態洪水中發生，并以最低能量水頭流入地下設施,導致其被淹。
其主要變量：流入地下設施的水深及幾何邊界條件。
3.3.2 地下設施內危害
地下設施內主要存在兩種危害：1. 涌入水的強度；2.地下建筑內的不斷升高水位。危害一：常常發生于入口區域，并且其危害超出居民抵抗力的極限。RESCDAM (2000)研究分析了大水槽內抵御流動水沖擊的可能性，從而給出了所謂的乘積數或落差數算式，其是以流速v及水深h乘積給定的，方程式如下：
一般來說，人可以抵御落差數SN在0.64 m2/s和1.26 m2/s之間(RESCDAM, 2000)。危害二：常常發生于地下建筑里，當不斷升高水位到達一個hkrit1.5m臨界水深時，這增加人被淹沒的危險。因此，地下建筑內危險性依賴于與流入量 Qfill 及底面積 Ap相關的臨界注滿時間 tkrit，其方程式如下：
3.3.3 洪水類型（一）：結果
目前所呈現的波傳結果可用于定義第一類洪水造成地下設施損壞的危險性級別。在把測量值轉換為自然變數后(Froude-model, 見圖8和圖9)，可以計算落差數SN和臨界注滿時間。特別在其附近可以看到被記錄的大落差數，并且導致臨界注滿時間的記錄結果小于一分鐘。此外需估算出沖擊力大小，用來獲取是否打開緊急出口門可能性的信息。這也對現有風險有重要影響，但不會在本文詳細討論（見Oertel,2008）。
3.3.4 洪水類型（二）：結果
如上所述，類型二是對側向缺口排泄的詳細研究。德國人提供一個簡單的解決方法，主要是利用溢流系數來計算堰板后側向排泄量。Disse et al. (2003) 更詳細觀察該問題，并給出一個方程式用來計算通過缺口處的排泄量。此方程用于類型二的流入地下設施側向流量，方程式如下：
其中，
Qfill 為流入地下設施的流量，σst為側向溢流系數，μ*為標準溢流系數，g為重力，hs為街道峽谷處水深，bOe為開口寬度， vs為街道峽谷處速度。
當街道峽谷處vs為低速時，側向溢流最大值會產生（見圖10）。對Fr > 0.75來說，推薦用法也被證明。實驗結果與FLOW-3D數值模擬進行了比較，并運用類型一進行驗證其可用。對比兩者，可發現其具有良好的一致性，這使得利用FLOW-3D數值模擬來取代實際水工實驗來計算排泄量成為可能。為了驗證方程式3的可用性，利用不同邊界條件的數學模型運行已經完成。結果顯示在數值模擬與分析的解決方案間具有良好的一致性。通過觀察結果中落差數SN，不難發現，在街道峽谷處沒有對速度vs產生重要的影響（圖11）。數值模擬表明：利用Disse et al. (2003)分析方法，可以針對類型二計算流入地下設施的流量。由此可以計算入口區域處的落差數，并可估計出臨界注滿時間。
3.3.5 洪水類型(三)：結果 對于類型三而言，流入地下設施的流量取決于距離開口處被定義的靜態水位hl 。在溢流區處當流速為vgr時最低能率將導致更低的水位（hgr = 2/3hl ），從而得出落差數SN，并在圖12中給出。
3.3.6 危險等級
依照瑞士政府標準（見圖13）并結合不同幾何及水利邊界條件的表格，可以將所有計算結果轉化為危險等級。為此，一個名為RoFUF (Risk of Flooding Underground Facilities) 的風險評估工具被開發出來，用于計算基于表格數據的風險及危險性(www.rofuf.de, for free non-commercial use, Fig. 14)。針對三種不同洪水類型的邊界條件，軟件可給出地下設施的危險等級。值得一提的是綠色只用來表示“NO RISK”沒有危險的時刻。而針對一些小危險，本文并沒有利用該顏色來顯示危害分布。在防洪薄弱區中用顏色綠色很容易被非專業人員誤解（綠色=沒有風險），尤其在公共區對洪水危險及危害分布圖使用上，這需要人們避免。
Table 1. Example results for flood-type 2
4 結論
研究表明：洪水事件期間在入口處或地下設施內存在局部高危險。通過給定流速和水深參數，可對不同幾何及水利邊界條件的地下建筑物進行分類，從而定義危險或危害級別。尤其是在洪水傳播附近區域及入口處高水位地區，可以評估出防止高危險的防洪措施。因此，可以在危險或危害分布圖中給出對地下設施綜合分析的建議。按照不同洪水流動過程，可分為三種洪水類型。對于每種洪水類型來說，通過給定重要水利邊界條件的依據，用來確定所造成的危險級別。所有結果放在RoFUF這種風險評估的輔助決策系統中執行。
5 參考文獻
Briechle, S. (2006) Flood Wave Propagation on a Plate after Malfunction of Flood Protections Measures. Original title: Die fl?chenhafte Ausbreitung der Flutwelle nach Versagen von Hochwasserschutz-einrichtungen an Flie?gew?ssern, PhD Thesis, RWTH Aachen, Germany.
Disse, M.; Kamrath, P.; Wilhelmi, J. and K?ngeter, J. (2003) Simulation of Floodwave and Propagation in matters of Dike Breaking. Original title: Simulation des Hochwasserwellenablaufes und der Ausbreitung von überflutungsfl?chen unter Berücksichtigung von Deichbrüchen,WasserWirtschaft 5/2003, DWA, Hennef, Germany. DKKV (2003) Lessons Learned. German Committee for Disaster Prevention (DKKV), Bonn, Germany.
Oertel, M. (2007) Scaling Effects on Flood Wave Propagation by Physical Modeling. Original title: Ma?stabseffekte bei der physikalischen Modellierung fl?chenhafter Flutwellenausbreitungen, Meeting of jung Scientists (JuWi) 2007, Kassel, Germany. Oertel, M. (2008) Analyzing Flooding Processes of Underground Facilities in Urban River Areas after Malfunction of Flood Protection Measures. Original title: Analye der Flutung unterirdischer Bauwerke in flussnahen urbanen Regionen nach Versagen von Hochwasserschutz-einrichtungen, Dissertation, University of Wuppertal.
RESCDAM (2000) The Use of Physical Models in Dam-Break Flood Analysis. Final Report of Helsinki University of Technology, Finnland.
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