BREACH模型與MIKE21模型在潰壩風險中的耦合分析

楊德瑋，盛金保，彭雪輝，何佳卓

(1.南京水利科學研究院，江蘇南京 210029； 2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京 210029)

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BREACH模型與MIKE21模型在潰壩風險中的耦合分析

楊德瑋1,2，盛金保1,2，彭雪輝1,2，何佳卓1

(1.南京水利科學研究院，江蘇南京 210029； 2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京 210029)

BREACH模型常用來模擬水庫大壩漫頂及管涌潰壩模式并獲取潰口流量與時間關系，MIKE21模型常用來模擬湖泊、河口、海灣等二維水動力學并獲取洪泛區(qū)內(nèi)洪水風險信息要素，兩大模型耦合分析在保障水庫大壩安全運行及風險管理方面發(fā)揮了積極作用。以BREACH模型模擬潰口流量動態(tài)數(shù)據(jù)過程與潰口演變尺寸為基礎，通過ArcGIS預處理地形文件、工程建筑物參數(shù)與水文數(shù)據(jù)，構(gòu)建MIKE21二維水動力學模型并計算網(wǎng)格差值空間，利用Flow Model模塊生成潰壩洪水模擬文件，采用判別潰口流量差值是否滿足精度要求的迭代法來耦合兩大模型，最終結(jié)合所要分析水庫大壩的工程概況，計算不同風險情況下的水庫大壩潰壩洪水淹沒水深與范圍，進而模擬潰壩洪水演進過程。該方法已成功應用于鄭州常莊水庫風險分析，結(jié)果表明，該方法能客觀反映潰壩洪水行洪情況，使用方便，為水庫大壩運行管理與應急處置提供了一定的技術(shù)支持。

BREACH模型； MIKE21模型； 潰壩風險； 耦合分析

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展、人口數(shù)量增長以及城市化水平不斷提高，水庫大壩一旦潰決，后果極其嚴重。因此，進行潰壩洪水模擬研究，探討構(gòu)建平面二維水流數(shù)學模型，分析洪水演進與洪水到達時間特性，可以為制定應急預案、災前預警預報、防洪減災提供技術(shù)參考，對保障水庫大壩安全具有實際意義[1]。目前，國內(nèi)BREACH模型和MIKE21模型已分別應用于土石壩風險分析與洪水演進模擬研究中。周清勇等將BREACH模型成功應用于七一水庫風險分析[2-3]；吳海偉將MIKE21模型成功應用于金盆水庫超標準潰壩洪水二維數(shù)值模擬研究[4]；而BREACH模型和MIKE21模型耦合分析在潰壩洪水中的應用仍處于起步階段。本文以鄭州常莊水庫為例，就BREACH模型和MIKE21模型耦合分析的理論基礎與應用過程作簡要分析。

1 BREACH 模型

BREACH模型是一個基于數(shù)學機理的預測潰口特征(尺寸、形成時間)和潰決土壩引起的泄流水位過程線的數(shù)學模型，該模型原理基于水力學、泥沙運動、土力學、大壩的幾何屬性和材料屬性及水庫屬性(庫容、溢洪道特征和取決于時間的水庫入流速度)[5]。BREACH模擬土質(zhì)大壩的破壞，所模擬大壩可為均質(zhì)土壩或可能含有兩種材料，即具有顯著材料屬性的一個外部區(qū)域和一個內(nèi)部核心區(qū)域。大壩下游面具體劃分為：①給定恰好的站立長度的植被覆蓋層；②與大壩外表部分一樣的材料；③比外表部分粒徑更大的材料。

1.1 潰壩模式

BREACH模型可模擬的潰壩模式為漫頂潰壩和管涌潰壩。

(1)漫頂潰壩模式。漫頂導致潰壩的水流侵蝕，初始時如果沒有草被覆蓋層存在，那么假設沿著坡面存在一條較小的矩形溪流。在大壩下游坡面，逐漸切割形成一條寬度取決于深度的侵蝕河渠。河渠中的水流流量用寬頂堰關系式確定：

Qb=3B0(H-Hc)1.5

(1)

式中：Qb為潰口河渠中的流量；B0為初始矩形形狀河渠的瞬時寬度；H為壩前水位高程；Hc為潰口底部高程。

若大壩下游坡面有一層草被覆蓋層，那么沿草被覆蓋的下游坡面的漫頂水流速率在每個時間步長處用曼尼公式計算。當水流速率超過容許速率時，遭受侵蝕的下游坡面開始破壞，并沿著下游坡面迅速形成一個有三維量綱(1個深度×2個寬度)的單個溪流。當沒有草被覆蓋層時，溪流內(nèi)部的侵蝕便繼續(xù)發(fā)展。沿著下游坡面的水流速率計算如下：

q=3(H-Hc)1.5

(2)

(3)

式中：q為每英尺堰長度的漫頂流量；(H-Hc)為超過堰頂部的靜態(tài)水頭；n′=aqb為草被均勻覆蓋河渠后的曼寧系數(shù)；y為潰口河渠中水流深度；ZD為大壩下游坡比；a和b為網(wǎng)格曲線系數(shù)，BREACH模型建立后自動生成；v=q/y為下游坡面水流速率。

漫頂發(fā)生時，常規(guī)假設初始潰口為矩形，水流沖刷的泥沙輸移公式采用Smart[5]修正公式運算。潰口寬度計算式如下：

B0=Bry

(4)

式中：Br為基于最合適河渠水力有效作用的一個因子;對于漫頂破壞，參數(shù)Br值為2，對于管涌破壞，參數(shù)Br值設置為1.0。

若潰口寬度同時需要考慮潰口處兩邊土體的邊坡角傾斜的穩(wěn)定性，其函數(shù)表達如下：

(5)

(2)管涌潰壩模式。模擬管涌潰決時，須假設初始矩形河渠遭受侵蝕管涌后尺寸的中心線高程，并保證水庫水位大于此中心線高程。同時，管涌通道底部受到向下的垂直向侵蝕，其頂部也存在向上的同樣大小的垂直向侵蝕。潰口寬度見式(4)，進入管涌通道的流量計算式如下：

Qb=A[2g(H-Hp)/(1+fL/D)]0.5

(6)

式中：Qb為通過管涌通道的流量；A為潰口橫斷面面積；g為重力加速度；Hp為中心線高程；(H-Hp)為潰口靜態(tài)水頭；L為管涌通道長度；D為管涌通道直徑或?qū)挾?；f為摩擦因數(shù)。

1.2 模型輸入?yún)?shù)及輸出結(jié)果

BREACH模型輸入?yún)?shù)主要包括：大壩幾何相似尺寸、大壩寬高值、庫水位變化值、材料內(nèi)外屬性值和水力相關參數(shù)等[6]。導入輸入文件運行后，即可得相關輸出文件，文件中含有壩體潰決的各類相關參數(shù)以及大壩潰口流量過程曲線。輸出文件參數(shù)包括：①時間過程下的各出流量；②潰口參數(shù)(潰口頂部寬度、底部高程、底部寬度與最終深度等)。

2 MIKE21模型

MIKE 21可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸與海洋水流、波浪、泥沙及環(huán)境，為工程應用和水庫管理及規(guī)劃提供了完備有效的設計環(huán)境。對于水庫大壩，MIKE21二維水動力學模型主要用于模擬水庫大壩突發(fā)洪水演進、計算洪水淹沒范圍和洪水到達時間[7-8]。

2.1 MIKE21計算參數(shù)與建模過程

構(gòu)建MIKE 21二維水動力學模型需要的基礎數(shù)據(jù)主要包括：①地形數(shù)據(jù)，主要指計算范圍內(nèi)地形地貌。這些數(shù)據(jù)可以是DEM，電子海圖，CAD圖等，但都需要前期處理才能用于MIKE2l中。采用DEM數(shù)據(jù)，通過ArcGIS生成初始地形文件。②工程建筑物參數(shù)，指計算范圍內(nèi)水庫大壩基本尺寸，閘門，溢洪道，涵洞管道以及道路橋梁尺寸。③水文數(shù)據(jù)，包括降雨和上下游邊界數(shù)據(jù)(流量，水位)。④糙率，糙率是一個影響比較大的參數(shù)，如果沒有實測糙率，則需根據(jù)歷史水文數(shù)據(jù)，對結(jié)果進行率定，進而確定糙率。⑤其他，主要包括波浪、風以及潮位等數(shù)據(jù)[9]。MIKE 21模型建模主要步驟如下：①準備地形和水文數(shù)據(jù)等，確定計算范圍。②Mesh Generator生成mesh文件。③在MIKE21中選擇Flow Model(FM)生成模擬文件。④結(jié)果后處理，將MIKE21中的成果轉(zhuǎn)換為ArcGIS可讀shp文件，并在ArcGIS編輯洪水要素后整理出圖[10-11]。

2.2 模型耦合分析

基于水庫大壩的相關參數(shù)，通過Breach 模型計算獲得潰口流量過程與潰口形態(tài)變化，計算所得結(jié)果導入MIKE21模型中作為洪源要素。耦合分析的計算次序是迭代的，進入潰口的水流取決于潰口的底部高程及其寬度，而潰口屬性特征取決于潰口的尺寸和流量。BREACH初次計算出潰口流量與潰口尺寸，作為洪源數(shù)據(jù)導入MIKE21中模擬運行，提取mesh文件中潰口所在網(wǎng)格淹沒水深并得出計算歷時下的潰口流量，若此流量與BREACH計算所得潰口流量差值小于0.5 m3/s，即滿足精度要求，所得結(jié)果可輸出后處理；若差值大于0.5 m3/s，須將潰口流量與初次計算潰口尺寸迭代至BREACH模型中再次模擬計算直至所得結(jié)果滿足精度要求。

3 工程實例

3.1 工程概況與計算工況

常莊水庫位于鄭州市賈魯河支流賈峪河，總庫容1 708萬m3，屬中型水庫，由于水庫地理位置非常重要，按照大型水庫管理。水庫正常蓄水位130.00 m，汛期限制水位127.49 m，死水位118.93 m。洪水標準采用100年一遇設計，設計洪水流量為761 m3/s，相應設計洪水位131.34 m；5 000年一遇校核，校核洪水流量為2 308 m3/s，相應校核洪水位135.07 m。

常莊水庫大壩為均質(zhì)土壩，土料以輕粉質(zhì)壤土為主，其次為重粉質(zhì)沙壤土，防滲措施采用塑性混凝土防滲墻。壩體最大壩高26.28 m，壩頂高程135.80 m，壩頂寬8 m，壩頂長380 m，壩頂防浪墻高0.9 m，墻頂高程136.43 m，墻體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土。上游坡比1∶3.07，并設有邊長25 cm預制六棱塊體護坡；下游坡比1∶2.54，并鋪設草皮護坡。鑒于大壩材質(zhì)與護坡情況，常莊水庫大壩滿足BREACH模擬要求。

依據(jù)《常莊水庫大壩安全管理應急預案》[12]，并結(jié)合常莊水庫工程實際情況，常莊水庫可能發(fā)生的洪水突發(fā)事件如下：①工況1，遭遇100年一遇洪水，主壩發(fā)生管涌潰壩?？赡茉谳斔闯隹诟叱?18.93 m處滲水管涌導致潰壩。②工況2，遭遇5 000年一遇洪水，主壩發(fā)生漫頂潰壩。洪水通過溢洪道和輸水洞下泄，但因閘門出現(xiàn)故障不能全部打開，導致庫水位迅速上漲并漫頂潰壩。

圖1 潰口流量過程Fig.1 Breach flow hydrograph

3.2 潰口流量過程

工況1，潰口破壞模擬總歷時為1.576 h，潰口洪水流量在0.012～0.126 h內(nèi)迅猛增大，到0.126 h時達到峰值流量4 875.40 m3/s，潰口頂部和底部寬度分別為28.65和17.71 m，最大深度為20.31 m，潰口側(cè)邊坡比為0.27。工況2，潰口破壞模擬總歷時也為1.576 h，潰口洪水流量在0～0.172 h內(nèi)迅猛增大，到0.172 h時達到峰值7 206.17 m3/s，潰口頂部和底部寬度分別為49.41和32.32 m，最大深度為25.99 m，潰口側(cè)邊坡比為0.33。潰口流量過程曲線如圖1。

3.3 潰壩洪水模擬

MIKE21建模主要步驟為：①準備地形數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)等，確定計算范圍。②Mesh Generator生成mesh文件。mesh文件由MIKE ZERO建立，包括網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格差值和mesh文件。③建立時間序列文件用作邊界條件。模型主要考慮潰壩洪水作為洪源，將其概化為潰口流量點，通過耦合BREACH模型模擬水庫潰口流量過程。④在MIKE21中選擇Flow Model(FM)生成模擬文件。⑤結(jié)果后處理，將MIKE21中的成果轉(zhuǎn)換為ArcGIS可讀shp文件，并在ArcGIS編輯洪水要素后整理出圖。MIKE21成果文件、shp文件見圖2。

圖2 模型成果文件示意Fig.2 Model results files

經(jīng)MIKE21計算，工況1潰壩洪水淹沒4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、22個村落、8條道路；工況2潰壩洪水淹沒4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、45個村落、13條道路。兩種工況下，洪水淹沒區(qū)域與到達時間如圖3。

圖3 兩種工況下洪水模擬結(jié)果Fig.3 Flood simulated results of two working conditions

根據(jù)現(xiàn)有情況，對常莊水庫避難安置點進行了大致規(guī)劃，淹沒區(qū)居民可以根據(jù)路程情況就近避難。水庫下游沿河道左右兩岸共規(guī)劃了4個安置點。各類突發(fā)事件應急轉(zhuǎn)移可參考相應的洪水到達時間圖，突發(fā)事件發(fā)生前應提前預警，保證充分的轉(zhuǎn)移時間。突發(fā)事件及其建議通知轉(zhuǎn)移時間見表1。

表1 突發(fā)事件及其建議通知轉(zhuǎn)移時間

Tab.1 Emergency and time for personnel transfer

工況轉(zhuǎn)移范圍洪水到達時間建議通知轉(zhuǎn)移時間工況1壩址以北、中原西路以南10min潰壩前5h以上中原西路以北、化工路以南淹沒區(qū)10～30min潰壩前3h以上化工路以北、科學大道以南淹沒區(qū)30min～1h潰壩前科學大道以北、連霍高速以南淹沒區(qū)1～2h潰壩后30min以內(nèi)連霍高速以北淹沒區(qū)2h之后潰壩后1h以內(nèi)工況2壩址以北、中原西路以南10min潰壩前5h以上中原西路以北、化工路以南淹沒區(qū)10～30min潰壩前3h以上化工路以北、科學大道以南淹沒區(qū)30min～1h潰壩前科學大道以北、連霍高速以南淹沒區(qū)1～2h潰壩后30min以內(nèi)天河路以西淹沒區(qū)2h之后潰壩后1h以內(nèi)

4 結(jié) 語

BREACH模型和MIKE21模型耦合分析能準確計算水庫大壩潰口動態(tài)數(shù)據(jù)與潰口尺寸、并有效模擬潰壩洪水演進過程，為編制水庫大壩安全管理與應急預案提供了可靠的洪水風險信息，對洪水預警預報及人員撤離等具有一定參考價值。通過常莊水庫潰壩洪水模擬計算結(jié)果表明，BREACH模型和MIKE21模型耦合分析方法較適合目前水庫大壩突發(fā)洪水模擬的需求。但建模過程繁雜、計算歷時長，如何構(gòu)建BREACH與MIKE21軟件接口并優(yōu)化耦合接駁過程需做進一步研究。

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Coupling analysis of MIKE21 model and BREACH model for dam-break risk

YANG De-wei1,2，SHENG Jin-bao1,2，PENG Xue-hui1,2，HE Jia-zhuo1

(1.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.DamSafetyManagementCenteroftheMinistryofWaterResources,Nanjing210029,China)

The BREACH model is widely used to simulate overtopping and piping dam-break model of the reservoir dams and obtain the relationships between breach flow and time.The MIKE21 model is commonly used to simulate the two-dimensional hydrodynamics of lakes,estuaries,bays and other areas and obtain the flood risk information elements within flood plains.Coupling analysis of two models has a positive effect in the protection of the reservoir dam safety operation and risk management.Based on the analysis of two models application examples in recent years,starting from the modeling principle of BREACH model,simulation of the breach dynamic flow data process and the breach evolution size with BREACH model can obtain the combining input parameters of BREACH model.Through ArcGIS preconditioning terrain file,the engineering structure parameters and hydrological data,a MIKE21 two-dimensional hydrodynamic model is developed,which is divided into the unstructured triangular grid and computational grid difference spaces,and via the Flow Model a two-dimensional hydrodynamic simulation file is generated for the dam-break flood.Coupling the two models by an iterative method to judge the breach flow differences (the differences between the flood flow of the grids where the breach is placed in MIKE21 model and the calculated breach flow in BREACH model) whether to meet the accuracy requirements.Finally,combining with the general engineering situation of the reservoir dams needed to be analyzed,the reservoir dam-break flood submerged water depth,submerged area and flood incoming time are calculated under the different risk conditions,and then the dam-break flood routing process is simulated.This method is successfully applied to the risk analysis and emergency plan preparation for Changzhuang reservoir in Zhengzhou City of Henan Province.The analysis results show that the method can objectively reflect the dam-break flood situations,being easy to use,and provide some technical supports in working out the emergency measures for the operation and management of the reservoir dam.

BREACH model; MIKE21 model; dam break risk; coupling analysis

10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.06.004

楊德瑋，盛金保，彭雪輝，等.BREACH模型與MIKE21模型在潰壩風險中的耦合分析[J].水利水運工程學報,2016(6):23-28.(YANG De-wei,SHENG Jin-bao,PENG Xue-hui,et al.Coupling analysis of MIKE21 model and BREACH model for dam-break risk[J].Hydro-Science and Engineering,2016(6):23-28.)

2015-11-04

水利部公益性行業(yè)科研專項項目(201501033)

楊德瑋(1987—)，男，江蘇南京人，博士，主要從事水利工程風險分析與風險管理研究。 E-mail:694176657@qq.com

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