日照水庫潰壩洪水影響分析

官慶朔 王瑩瑩 侯龍?zhí)?薛 霞

(1.青島市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；3.濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022)

近年來，超標(biāo)準(zhǔn)突發(fā)性強(qiáng)暴雨等極端事件頻發(fā)，暴雨形成的洪水威脅著大壩安全，一旦大壩失事，洪水沖出，四處奔襲，對(duì)其下游的社會(huì)經(jīng)濟(jì)將造成巨大損失[1-3]。而隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，這一過程逐漸可以被人們通過模擬、計(jì)算預(yù)先得到，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行預(yù)防，為大壩安全管理和洪水風(fēng)險(xiǎn)分析提供必不可少的參照及支撐[4]。

1 概述

日照水庫位于濱海水系傅疃河中上游，日照市東港區(qū)駐地以西16 km處，是多年調(diào)節(jié)綜合利用的大(2)型水庫，日照市區(qū)主要的防洪樞紐工程和水源地，控制流域面積548 km2，總庫容33 569萬m3。

日照水庫下游傅疃河流經(jīng)3個(gè)區(qū)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道辦事處，影響著70個(gè)自然村的6.71萬人口、17萬畝耕地，并保護(hù)著204國道、兗石鐵路、日蘭、沈海高速公路以及部分臨港大中型企業(yè)的防洪安全。一旦水庫發(fā)生潰壩，將對(duì)下游城鎮(zhèn)、村莊、耕地以及人民的財(cái)產(chǎn)安全造成重大影響。

本文分析計(jì)算了日照水庫可能發(fā)生的潰壩風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算了不同工況下的潰壩流量過程，并基于MIKE21軟件建立水動(dòng)力模擬模型，模擬日照水庫發(fā)生潰壩時(shí)下游洪水演進(jìn)過程、區(qū)域的淹沒情況等，研究分析其洪水影響，為工程實(shí)踐提供理論參考和判斷依據(jù)。

2 潰壩分析

2.1 潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析

水庫壩體潰決的可能因素主要包括超標(biāo)準(zhǔn)洪水、工程隱患、地震災(zāi)害、上游水庫潰壩、上游大體積漂移物的撞擊事件、戰(zhàn)爭(zhēng)與恐怖事件以及其他等因素。根據(jù)潰壩過程的時(shí)間長短，潰壩可以分為瞬時(shí)潰壩和逐漸潰壩；根據(jù)潰壩缺口規(guī)模大小，潰壩可以分為全部潰壩和局部潰壩[5]。

根據(jù)日照水庫大壩壩型、結(jié)構(gòu)、筑壩材料、施工質(zhì)量、壩基及岸坡的地形等條件，工程隱患和可能導(dǎo)致大壩潰決的主要因素，日照水庫潰壩形式主要有遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水引起的全潰和超設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)地震或遇恐怖襲擊等突發(fā)事件引起的局部潰壩。

2.2 潰壩洪水計(jì)算

1)根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》[6]，對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水引起的全潰時(shí)，在壩體瞬時(shí)全潰條件下的潰壩最大流量計(jì)算公式為：

(1)

其中，Qm為潰壩最大流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2；B為壩址處的庫面寬，通常以壩長表示，m；H0為壩上游水深(靜水頭)，m。

2)對(duì)壩體局部潰決的壩址潰壩最大流量，計(jì)算公式為：

(2)

3)對(duì)于泄空時(shí)間T，由式(3)計(jì)算確定：

(3)

其中，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于四次拋物線，K取4～5，對(duì)于2.5次拋物線，K取3.5。

經(jīng)計(jì)算，對(duì)汛期超標(biāo)準(zhǔn)(5000年一遇)洪水引起的瞬時(shí)全潰，采用日照水庫防浪墻頂高程48.60 m計(jì)算，大壩潰壩全長按1 473 m計(jì)，潰壩時(shí)壩前平均水深23.0 m,最大泄流量150 784 m3/s，總歷時(shí)3.30 h。

對(duì)于汛期超標(biāo)準(zhǔn)(2000年一遇)洪水引起的瞬時(shí)局部潰壩，采用日照水庫2000年一遇最高洪水位46.04 m計(jì)算，潰壩時(shí)壩前平均水深20.44 m，潰口寬度440 m，最大泄流量50 996 m3/s，總歷時(shí)7.84 h。

對(duì)于非汛期由地震、恐怖破壞引起的瞬時(shí)局部潰壩，采用日照水庫目前正常蓄水位43.00 m計(jì)算，潰壩時(shí)壩前水深17.4 m，潰口長度370 m，最大泄流量35 093 m3/s，潰壩總歷時(shí)7.76 h(見圖1)。

3 洪水影響分析

3.1 計(jì)算方法

采用二維水動(dòng)力模型MIKE21進(jìn)行洪水模擬計(jì)算，模型的數(shù)值計(jì)算方法采用有限體積法，可以更加詳盡和準(zhǔn)確的反映潰壩洪水在縱向和橫向上各水力要素的變化規(guī)律[7]。在模擬過程中，本次主要考慮道路、堤防等構(gòu)筑物的擋水和導(dǎo)流作用。

3.2 水庫下游模型設(shè)計(jì)

3.2.1網(wǎng)格劃分

綜合考慮日照水庫下游地形、河網(wǎng)分布、堤防高程及完整情況，確定本次模擬區(qū)域范圍：東側(cè)以海岸線為界，西側(cè)大致以50 m等高線為界，北側(cè)以G1511日蘭高速、新石鐵路為界，南側(cè)以巨峰河左堤為界，總面積289.2 km2，模型范圍共涉及東港區(qū)、嵐山區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等多個(gè)區(qū)縣。模型范圍見圖2。

采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，在地勢(shì)較為平順、地形及地物較為簡(jiǎn)單的區(qū)域，網(wǎng)格可以適當(dāng)加大，以便盡量減少模型的計(jì)算時(shí)間；在河道、堤防等較為重要的地物附近，可以適當(dāng)加密網(wǎng)格，以便提高關(guān)鍵區(qū)域的模擬精度，本次模型所劃分的最大網(wǎng)格面積為5 000 m2，最小網(wǎng)格面積為21 m2，劃分網(wǎng)格總計(jì)17.64萬個(gè)，節(jié)點(diǎn)8.89萬個(gè)(見圖3)。

為充分考慮計(jì)算區(qū)域內(nèi)高于地面的道路、堤防等線狀地物對(duì)洪水演進(jìn)的影響，在模型中采用局部加高的方法對(duì)道路、堤防進(jìn)行概化處理[8]。主要包括：1)鐵路。區(qū)域內(nèi)涉及的鐵路包括兗石鐵路、青日連鐵路、新石鐵路；2)公路。區(qū)域內(nèi)涉及高速公路(G1511日蘭高速、G15沈海高速、S7801日照石臼港區(qū)疏港高速)、國道(G204國道)、省道(S220，S222，S335，S341，S613)等道路；3)堤防。區(qū)域內(nèi)涉及的堤防主要有傅疃河左右堤、南湖河左右堤、崮河左右堤、川子河左右堤、巨峰河左堤等。線狀地物對(duì)洪水演進(jìn)的影響主要體現(xiàn)為其阻水和導(dǎo)流作用，因此，應(yīng)在模型中準(zhǔn)確反映地物頂高程及平面走向。提取高程散點(diǎn)共計(jì)69.7萬個(gè)，模型中地形的插值處理采用自然臨近法，散點(diǎn)分布與插值后的地形如圖4，圖5所示。

3.2.2邊界條件

本次計(jì)算中，將日照水庫大壩設(shè)置為流量邊界，其長度與上述各工況下計(jì)算所得潰口寬度一致，流量采用計(jì)算所得潰壩流量過程，將傅疃河、川子河、繡針河入?？谠O(shè)置為水位邊界。

計(jì)算采用分區(qū)糙率。根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》[9]，一般需采用實(shí)測(cè)洪水資料對(duì)計(jì)算區(qū)域的糙率進(jìn)行分析率定，若該地區(qū)不具備率定條件，可根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》確定，也可參考采用相似條件地區(qū)的糙率。本次計(jì)算區(qū)域無潰堤洪水演進(jìn)實(shí)測(cè)資料，因此采用《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》中的建議值，針對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的村莊、道路、河流、堤防等不同的地物設(shè)置不同的糙率，以此來反映計(jì)算區(qū)域不同下墊面條件對(duì)洪水演進(jìn)的影響。

3.2.3計(jì)算工況及時(shí)間設(shè)置

模型共設(shè)置三種計(jì)算工況，即汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水全潰、汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水局潰、非汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水局潰。模擬時(shí)間為3 d，根據(jù)計(jì)算精度要求，模型主時(shí)間步長設(shè)置為30 s，共8 640步。

3.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型計(jì)算的穩(wěn)定性，導(dǎo)出模型在模擬時(shí)間內(nèi)計(jì)算區(qū)域各個(gè)時(shí)刻的初始水量、積水量、由開邊界出入的水量及其變化情況，以此來得出模型的計(jì)算誤差。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，以上三種計(jì)算工況中所累積的最大計(jì)算誤差為1.72萬m3，約為模型參與計(jì)算總水量的0.03%，模擬誤差滿足計(jì)算精度要求，說明該模型具有良好的物質(zhì)質(zhì)量守恒性，模型運(yùn)算穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果可靠。

3.4 計(jì)算成果及分析

3.4.1計(jì)算區(qū)域最大淹沒水深

經(jīng)模型模擬計(jì)算，以上三種工況下，下游淹沒情況如圖6所示。從圖6中可以看出，由于受地形影響，三種工況下潰壩洪水淹沒范圍差別很小，但淹沒水深有較大差距：汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水全潰>汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水局潰>非汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水局潰。同時(shí)，潰壩流量越大，淹沒水深越大，淹沒情況越嚴(yán)重，對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全與公共基礎(chǔ)設(shè)施等的威脅越大。

3.4.2淹沒區(qū)域影響分析

由計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出，日照水庫大壩發(fā)生潰決時(shí)，下游淹沒范圍主要涉及水庫下游地勢(shì)較為低洼的區(qū)域，具體包括：東港區(qū)的后村鎮(zhèn)、南湖鎮(zhèn)、日照街道、濤雒鎮(zhèn)，經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的奎山街道、北京路街道，嵐山區(qū)的高興鎮(zhèn)等7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道辦事處，90個(gè)自然村的9.06萬人口的安全，以及204國道、兗石鐵路、日蘭和沈海高速公路與青連高鐵等交通干線以及臨港大中型企業(yè)等防洪重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

4 結(jié)語

本文以日照市日照水庫大壩及其下游區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于MIKE21建立水動(dòng)力學(xué)模型，通過計(jì)算其可能出現(xiàn)的潰壩情況及模擬其下游區(qū)域潰壩洪水演進(jìn)過程和淹沒情況，分析得出了下游高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域范圍。由于地形條件影響，不同流量的三種工況下(汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水全潰、汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水局潰、非汛期超標(biāo)準(zhǔn)洪水局潰)潰壩洪水淹沒范圍差別較小，而淹沒水深差別較大。基于此，本文可為日照水庫相關(guān)工程建設(shè)實(shí)踐提供較為明確的參考和判斷依據(jù)，便于日照水庫下游影響區(qū)域內(nèi)避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移安置工作的順利進(jìn)行。文中采用的思路及相應(yīng)的計(jì)算方法也可為相關(guān)問題和更為復(fù)雜的研究提供借鑒。