油羅口水庫潰壩洪水計(jì)算與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

董建良 吳歡強(qiáng) 傅瓊?cè)A

摘要：針對(duì)5000年一遇校核洪水副壩可能發(fā)生管涌導(dǎo)致潰壩的情況，應(yīng)用Breach數(shù)學(xué)模型和River2D二維洪水演進(jìn)計(jì)算軟件，計(jì)算了最初7 h潰口流量與時(shí)間關(guān)系過程線，建立了壩址至下游贛州鈷冶煉廠段有限單元數(shù)值模型，模擬了副壩潰決后研究范圍內(nèi)的洪水演進(jìn)過程，估算了生命損失值，分析了生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，副壩發(fā)生潰壩后，洪水將影響到2個(gè)行政村（鎮(zhèn)）、15個(gè)自然村（區(qū)），受災(zāi)人口達(dá)70 462人，潰壩警報(bào)時(shí)間小于或等于5 h，生命損失值達(dá)百人以上，生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是不可容忍的。該研究成果可作為水庫制定大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：潰壩洪水；洪水演進(jìn)；淹沒范圍；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；數(shù)值模擬；生命損失

中圖分類號(hào)：TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2014）06-0189-03

水庫是防洪體系與水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在防洪、灌溉、供水、發(fā)電和改善生態(tài)與環(huán)境等方面發(fā)揮著巨大的作用，但是水庫也存在著潰壩風(fēng)險(xiǎn)；而隨著社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，洪水災(zāi)害所造成的損失越來越大，洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究已成為災(zāi)害研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。因此模擬潰壩洪水，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)堤壩的潰決過程及其壩下游洪水演進(jìn)，對(duì)于處置潰壩突發(fā)性洪水災(zāi)害，提升應(yīng)對(duì)突發(fā)安全事件能力，具有十分重大的意義。江西省油羅口水庫作為章江流域的控制性工程，擔(dān)負(fù)著下游大余縣城、南康市10余萬人口、2 533.33 hm2農(nóng)田生命財(cái)產(chǎn)安全及京九鐵路、贛韶高速、323國(guó)道等重要設(shè)施的安全重任。本文在已有潰壩洪水?dāng)?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)油羅口水庫潰壩洪水進(jìn)行模擬與分析，旨在為水行政主管部門制定大壩防洪減災(zāi)工作規(guī)劃及水庫大壩管理應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。

1 潰壩洪水?dāng)?shù)值模型

1.1 潰壩壩址處洪水模型

本文采用美國(guó)國(guó)家氣象局基于預(yù)報(bào)土壩洪水過程線而開發(fā)的Breach數(shù)學(xué)模型[1-2]。該模型建立在水力學(xué)、泥沙輸移、土力學(xué)、大壩幾何尺寸與數(shù)學(xué)特征、水庫庫容特征、溢洪道特征及入庫流量隨時(shí)間變化的基礎(chǔ)上，可以模擬均質(zhì)壩或不同特性材料組成的壩殼和心墻壩，因管涌引起的潰壩。

發(fā)生管涌潰壩模式，潰口流量計(jì)算公式如下[3]：

式中：Qb為流量；A為管涌橫斷面積；g為重力加速度；H為上游庫水位；HP為管涌初始平均高程；f為摩擦系數(shù)；L為管涌長(zhǎng)度；D為管涌直徑（寬度）。

式中：NR為雷洛數(shù)，其余符號(hào)含義同式（1）。

1.2 水庫下游洪水演進(jìn)數(shù)值模型

本文研究潰壩洪水流量對(duì)下游的影響，采用基于圣維南方程守恒形式的二維平均水深有限單元數(shù)值模型進(jìn)行模擬[4]?？刂品匠倘缦拢?/p>

式中：H為水深；qx、qy分別為x、y方向與流速相關(guān)的流量強(qiáng)度；U、V分別為x、y方向平均流速；g為重力加速度；ρ為水的密度；Sox、Soy分別為x、y方向河床坡度；Sfx、Sfy分別為x、y方向阻力坡度；τxx、τxy、τyx、τyy為水平方向紊動(dòng)應(yīng)力張量。

2 油羅口水庫大壩潰壩洪水對(duì)下游的淹沒計(jì)算2.1 工程概況

油羅口水庫大壩位于江西省贛州市大余縣城以西章江上游10 km處，1971年建成，是一座以防洪為主，兼供水、發(fā)電、灌溉等綜合效益的大（2）型水庫。主壩為碾壓式黏土心墻壩，最大壩高36.0 m，壩頂長(zhǎng)177.0 m。副壩為碾壓式黏土斜墻壩，位于主壩左岸天然埡口處，最大壩高31.0 m，壩頂長(zhǎng)93.0 m。溢洪道為河岸開敞式，設(shè)在副壩左岸，設(shè)4扇10 m×6.8 m鋼質(zhì)弧形閘門。發(fā)電引水隧洞位于副壩與溢洪道之間，由引水明渠、隧洞及壓力鋼管組成。發(fā)電廠房為壩后式地面廠房，設(shè)2臺(tái)3 000 kW的水輪發(fā)電機(jī)組。

2.2 壩址處潰壩流量計(jì)算

根據(jù)已有資料對(duì)油羅口水庫大壩破壞模式識(shí)別、破壞路徑及潰壩概率的分析，確定大壩潰決形式為漸潰，最大失事可能為5000年一遇校核洪水下副壩212.0 m高程處發(fā)生管涌破壞導(dǎo)致潰壩[5]。按照Breach模型軟件文本輸入格式，輸入相關(guān)計(jì)算參數(shù)（表1、表2），選擇模擬時(shí)間為7 h，計(jì)算出的壩址潰口流量與時(shí)間關(guān)系過程線見圖1。

2.3 水庫下游潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算

2.3.1 有限單元數(shù)值模型的構(gòu)建

本文研究范圍為油羅口水庫大壩壩址至下游贛州鈷冶煉廠處，全長(zhǎng)約12.7 km。研究范圍內(nèi)所有支流等內(nèi)邊界條件資料欠缺，且潰壩情況下影響不大，因此不予考慮，僅考慮

地勢(shì)較高的山包。采用ArcGIS軟件平臺(tái)[6-8]，根據(jù)江西省測(cè)繪局測(cè)量的1∶1萬地形圖，提取相關(guān)邊界和空間信息數(shù)據(jù)生成計(jì)算域，應(yīng)用River2D二維計(jì)算軟件[9-11]，采用三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格生成有限單元數(shù)值模型，見圖2。

2.3.2 計(jì)算參數(shù)

入口邊界條件：以圖1潰口流量過程線來表示。

出口邊界條件：以出口斷面水位流量關(guān)系來表示。

河道糙率系數(shù)：考慮淹沒區(qū)域無實(shí)測(cè)糙率資料，參照有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，河道糙率取為0.034，陸地糙率取為0.04，城市建筑群糙率取為0.3。

2.3.3 潰壩洪水淹沒影響分析

計(jì)算模擬時(shí)間步長(zhǎng)取為10 s，水庫大壩壩址至下游贛州鈷冶煉廠處洪水淹沒水深風(fēng)險(xiǎn)圖，見圖3。

根據(jù)潰壩洪水淹沒水深圖，5000年一遇校核洪水副壩管涌導(dǎo)致潰壩情況下，潰壩洪水影響涉及2個(gè)行政村（鎮(zhèn)）、15個(gè)自然村（區(qū)），總受災(zāi)人口達(dá)70 462人。

2.3.4 潰壩生命損失及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)值估算

根據(jù)研究范圍內(nèi)潰壩下泄洪水的淹沒區(qū)域，考慮潰壩發(fā)生在白天和夜晚兩種不同情況（假定白天從上午7時(shí)到下午5時(shí)，夜晚從下午5時(shí)到早上7時(shí)），采用影響因子法[12]（白天取0.7，夜晚取0.85），計(jì)算出淹沒區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)人口數(shù)，然后依據(jù)潰壩洪水嚴(yán)重性與DV值之間的關(guān)系[13]，對(duì)淹沒區(qū)域內(nèi)的潰壩洪水嚴(yán)重性進(jìn)行定性劃分，并假定油羅口水庫大壩管理單位對(duì)所有淹沒區(qū)域的警報(bào)時(shí)間都是一樣的基礎(chǔ)上，采用李雷-周克發(fā)[14]建議的我國(guó)風(fēng)險(xiǎn)人口死亡率建議表，按照Graham法[15-16]，計(jì)算出在不同的警報(bào)時(shí)間WT情況下，淹沒區(qū)白天和晚上的生命損失值（LOL）及生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)值（fN），見表3。

對(duì)于大型水庫來說，如果潰壩人數(shù)超過100人，則小于1.0×10-6/（a·人）的生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是可接受的，超過1.0×10-5/（a·人）的生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是不可容忍的[12]。從表3可知，當(dāng)警報(bào)時(shí)間小于或等于5 h，研究范圍內(nèi)由潰壩造成的生

命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是不可容忍的。因此，當(dāng)油羅口水庫遭遇5000年一遇校核洪水位發(fā)生副壩潰壩時(shí)，即使是發(fā)生在白天，水庫運(yùn)行管理單位對(duì)研究范圍內(nèi)發(fā)出的警報(bào)時(shí)間須保證大于5 h以上，否則其所造成的生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是不可容忍的。

3 結(jié)語

本文應(yīng)用二維有限單元數(shù)值模型的方法，模擬了油羅口水庫潰壩下游洪水演進(jìn)過程，繪制了研究區(qū)間淹沒水深分布圖，分析了潰壩后造成的生命社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。該研究結(jié)果可在油羅口水庫大壩運(yùn)行管理單位制定大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案時(shí)，為其確定潰壩洪水淹沒范圍及程度的劃定、人員轉(zhuǎn)移（避險(xiǎn)）路線及區(qū)域的設(shè)置等方面提供參考，從而有利于提高預(yù)案的可操作性，增強(qiáng)運(yùn)行管理單位抵御潰壩洪水災(zāi)害的能力。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 康國(guó)亮，郭超，孫露.潰壩計(jì)算問題綜述[J].黑龍江水利科技，2012，40（12）：262-263.（KANG Guo-liang，GUO Chao，SUN Lu.Computational problems summary of the dam failure [J].Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy，2012，40（12）：262-263.（in Chinese））

[2] 李雷，王仁鐘，盛金保，等.大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管理[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.（LI Lei，WANG Ren-zhong，SHENG Jin-bao.Dam risk assessment and risk management[M].Beijing：China Water Power Press，2006.（in Chinese））

[3] D L Fread，Breach.An erosion model of earthen dam failure[R].J.Revision 1，1991.

[4] Steffler P，Blackburn J.Introduction to depth averaged modeling and user's manual[M].University of Alberta，2002，9.

[5] 姜世俊.土石壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.（JIANG Shi-jun.Key technologies of dam-break risk assessment research and application on earth-rock dam[D].Nanchang：Nanchang University，2012.（in Chinese））

[6] 葛小平，許有鵬.GIS支持下的洪水淹沒范圍模擬[J].水科學(xué)進(jìn)展，2007，7，13（4）：456-460.（GE Xiao-ping，XU You-peng.A method for flood submerged area simulation based on GIS[J].Advances In Water Science，2007，7，13（4）：456-460.（in Chinese））

[7] 劉仁義，劉南.基于GIS的復(fù)雜地形洪水淹沒區(qū)計(jì)算方法[J].地理學(xué)報(bào)，2001，56（1）：1-6.（LIU Ren-yi，LIU Nan.A GIS based model for calculating of flood area[J].Acta Geographica Sinica，2001，56（1）：1-6.（in Chinese））

[8] J G Zhou.A lattice boltzmann model for the shallow water equations[J].Comput Merhods Appl Mech Engrg，2002，191：3527-3539.

[9] 崔玲，陳余道，將亞萍.2D模型及其在漓江桂林市區(qū)段的初步應(yīng)用[J].廣西水利水電，2007（3）：6-9.（CUI Ling，CHEN Yu-dao，JIANG Ya-ping.River2D modeling and its preliminary application on the Lijiang river section in Guilin？s downtown area.2007（3）：6-9.（in Chinese））

[10] Steffler P，Blackburn J.Introduction to depth averaged modeling and user s manual[M].University of Alberta，2002，9.

[11] Steffler P，Blackburn J.Bed topography file editor user s manual[M].University of Alberta，2002，9.

[12] 彭雪輝.風(fēng)險(xiǎn)分析在我國(guó)大壩安全上的應(yīng)用[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2003.（PENG Xue-hui.Application of risk analysis in China dam safety[D].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2003.（in Chinese））

[13] 周克發(fā)，李雷，盛金保.我國(guó)潰壩生命損失評(píng)價(jià)模型初步研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007（3）：146-149.（ZHOU Ke-fa，LI Lei， SHENG Jin-bao.Evaluation model of loss life due to dam breach in China[J].Journal of Safety and Envionment，2007（3）：146-149.（in Chinese））

[14] 李雷，周克發(fā).大壩潰壩導(dǎo)致的生命損失估算方法研究現(xiàn)狀[J].水利水電科技進(jìn)展，2006，26（2）：76-80.（LI Lei，ZHOU Ke-fa.Methods for evaluation of life loss induced by dam failure[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2006，26（2）：76-80.（in Chinese））

[15] W J Graham.A procedure for estimating loss of life caused by dam failure [J].Sedimentation & River Hydraulics，1999，6（5）：1-43.

[16] W J Graham.A simple procedure for estimating loss of life from dam failure[R].RES CDAM-LOL，Helsinki，2001，6：1-7.