彩山水庫潰壩洪水影響分析

官慶朔，姜鈞耀，吳先敏，王成民，薛 霞

（1.青島市水利勘測設計研究院有限公司，山東濟南250013；2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南250013；3.日照水庫管理中心，山東 日照276800；4.濟南大學，山東 濟南250022）

1 概述

彩山水庫位于山東省泰安市岱岳區(qū)內(nèi)，距城區(qū)約40 km，在大汶河北支牟汶河支流淘河上游，屬黃河流域大汶河水系。彩山水庫控制流域面積37.5 km2，水庫始建于1959年，1978年擴建成中型水庫，2009年進行了除險加固，2010年除險加固后竣工驗收，是一座以防洪為主、兼顧灌溉等綜合利用的中型水庫。下游保護對象有水庫下游0.3 km處的京滬高速公路和1.0 km處的S103公路（泰新公路），保護農(nóng)田1 466 hm2，人口2.13萬人，涉及化馬灣、角峪、徂徠鎮(zhèn)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)10個村莊，水庫設計灌溉面積2 346 hm2，有效灌溉面積1 940 hm2。一旦水庫發(fā)生潰壩，將對下游城鎮(zhèn)、村莊、耕地以人民的財產(chǎn)安全造成重大影響。

因此，本文基于MIKE21軟件建立水動力模擬模型，模擬水庫發(fā)生潰壩時下游洪水演進過程、區(qū)域的淹沒情況等，研究分析其洪水影響，為工程實踐提供理論參考和判斷依據(jù)。

2 潰壩分析

結(jié)合工程實際，可能導致水庫大壩潰決的主要因素有超標準洪水、工程隱患、地震災害、上游水庫潰壩、上游大體積漂移物的撞擊事件、戰(zhàn)爭及恐怖事件和其它等因素[1]。水庫的潰決形式一般從規(guī)模上分為全潰和局部潰決，從時間上分為瞬時潰和逐漸潰。

彩山水庫大壩為土石壩，由于引起潰壩的水流沖擊能力極強，從決口開始時刻到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面，整個時間過程非常短暫，為安全考慮可按瞬時潰壩處理，且對于軍事上的或人為的破壞，任何壩型都可考慮全部瞬時潰決，因此確定彩山水庫潰壩形式為潰決到壩基的橫向局部瞬時潰壩[2]。

在潰決原因和潰決形式確定的基礎上，潰口形態(tài)和潰口流量特征決定著潰壩洪水的破壞[3]。根據(jù)《水力計算手冊》大壩瞬時橫向局部一潰到底的公式計算相關參數(shù)[4]。

1）潰壩決口長度計算：

式中：b——潰壩決口平均寬度，m；k——與壩體土質(zhì)有關的系數(shù)，根據(jù)彩山水庫筑壩材料k取1.3；W——潰壩時蓄水量，萬m3；B——潰壩時壩頂長度，m；H0——潰壩時壩前水深，m。經(jīng)計算，潰壩決口長度為218.50 m。

2）潰壩最大流量計算：

式中：B——壩長，m；b——潰壩決口平均寬度，m；g——重力加速度，g=9.81 m/s2。經(jīng)計算，潰壩最大流量為21 193 m3/s。

3）決口處水深計算：

經(jīng)計算，決口處水深14.69 m。

4）決口處流速計算：

經(jīng)計算，決口處流速為6.6 m/s。

5）壩址流量過程線：

采用四次拋物線式的概化流量過程線如圖1所示。

圖1 彩山水庫瞬時局潰流量過程

3 洪水影響分析

3.1 計算方法

采用二維水動力模型MIKE21進行洪水模擬計算，以滿足洪水演進分析計算的需求。模擬過程中，主要考慮堤防、鐵路、公路等構(gòu)筑物的擋水和導流作用。模型的數(shù)值計算方法采用有限體積法。

3.2 模型設置

3.2.1 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域以彩山水庫大壩與淘河流域200 m等高線以內(nèi)圍成的閉合區(qū)域為邊界，面積為42.40 km2。采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，綜合考慮分區(qū)面積、模擬精度、計算時間及軟件性能等因素，共劃分網(wǎng)格2.26萬個，節(jié)點1.17萬個。地形插值采用自然臨近法，共提取高程散點21.3萬個，插值后的局部地形如圖2所示。

圖2 計算區(qū)域插值后的地形圖

為充分考慮計算區(qū)域內(nèi)高于地面0.5 m以上的線狀地物（堤防、公路、鐵路路基、阻水建筑物等）對洪水演進的影響，采用局部加高的方法對堤防、道路進行概化處理，以體現(xiàn)其阻水及導流作用[5]。計算區(qū)域高于地面0.5 m以上的線狀地物主要為公路。計算區(qū)域內(nèi)涉及的道路有：高速公路，北京—上海高速；國道、省道，棗莊—徐州、濟南—臨沂；縣道，泰安—新泰、茌家莊—孫家瞳。線狀地物對洪水演進的影響主要體現(xiàn)為其阻水和導流作用，因此，應在模型中準確反映地物頂高程及平面走向。

3.2.2 邊界條件

此次計算中，將彩山水庫潰口設置為流量邊界，將淘河入大汶河口處大汶河平均水位設置為水位邊界。綜合該區(qū)域下墊面情況、氣候及實測資料，模型中采用的蒸發(fā)與下滲值取為8 mm/d。為了體現(xiàn)區(qū)域最大淹沒風險，蒸發(fā)與下滲起始時間設置為第6天。

計算采用分區(qū)糙率。根據(jù)《洪水風險圖編制導則》[6]，糙率取值一般應利用實測洪水資料進行率定，無實測資料的地區(qū)可根據(jù)《水力學計算手冊》確定，或參考采用相似條件地區(qū)的糙率。該地區(qū)缺少潰堤洪水演進實測資料，故采用《水力學計算手冊》中的建議值，對計算區(qū)域內(nèi)的村莊、道路、耕地、河流等地物設置不同的糙率，以反映計算區(qū)域下墊面對洪水演進的影響。

3.2.3 其他

模擬起止時間為2020-08-10T0:00—2020-8-20T0:00，共計10 d。主時間步長15 s，共31 680步。時間積分與空間離散方式采用高階。由于模擬過程中，計算區(qū)域干濕邊界變化頻繁，為避免模型計算的不穩(wěn)定，采用“干濕判別”來確定計算區(qū)域由于水位變化產(chǎn)生的動邊界。

3.3 模型驗證

為了驗證模型可靠性，輸出各個時刻計算區(qū)域的積水量、為模型穩(wěn)定而設置的初始水量、由模型開邊界流入或流出計算區(qū)域的水量、降雨及蒸發(fā)水量等，以此分析模型計算誤差。經(jīng)分析，該方案計算誤差為8.21×10-7m3，模擬誤差滿足計算精度要求，具有良好的物質(zhì)質(zhì)量守恒性，滿足水量平衡，模型運算穩(wěn)定，計算結(jié)果可靠。

3.4 計算結(jié)果及分析

3.4.1 洪水演進

計算區(qū)域潰壩洪水演進具體過程如下：

1）潰壩開始。潰水自淘河支流上游，彩山水庫壩肩2/5壩長處附近瞬間潰出，沿淘河支流演進。開始階段，由于北京-上海高速公路的阻礙，潰水集聚在公路和壩址之間，但隨著潰堤洪水不斷涌出，部分洪水沿河道進入淘河干流，流至入大汶河河口處。由于地形的原因，在山與山之間的低洼處、山溝里存在一定的積水。潰水開始集聚在泰安市岱岳區(qū)化馬灣鄉(xiāng)沙溝村處，最大積水深度在5 m以上，隨著潰水隨河道流出，沿河蔓延至下長安村、河東村，再至泰安市岱岳區(qū)徂徠鎮(zhèn)泉上村、喬家莊等村莊。

2）潰堤后1～2 h。潰水逐漸減少，聚集在上游的洪水也隨河道流向下游，在入大汶河河口低洼處形成大量的積水。在泰安市岱岳區(qū)化馬灣鄉(xiāng)沙溝村處的積水逐漸減少，在岱岳區(qū)徂徠鎮(zhèn)蘇家莊處附近有大量的積水。

3）潰堤后2～24 h。無潰水溢出，集聚在上游的積水隨河道流向下游，在下游地勢低洼處形成較大的水面。除在泰安市岱岳區(qū)化馬灣鄉(xiāng)沙溝村處有輕微積水，其余潰水基本不蔓延至村莊。

4）潰堤后1～10 d。計算區(qū)域內(nèi)洪水隨著流入大汶河和蒸發(fā)下滲作用逐漸消退，積水主要集中在山間、河道及河道周邊低洼地處。

3.4.2 流速分析

潰口最大流量出現(xiàn)在發(fā)生潰決時，為21 193 m3/s，最大流速出現(xiàn)在潰口下游525 m處，為6.75 m/s；至潰口下游730 m處流速降至0.4 m/s左右，1.1 km處降至0.3 m/s，1.3 km處降至0.1 m/s，方向沿潰口向外呈放射狀。洪水在平面上演進時，流速一般在0.4～0.5 m/s之間。

3.4.3 淹沒影響分析

根據(jù)計算成果，計算區(qū)域水深大于0.05 m時的最大淹沒面積為3.75 km2，占計算區(qū)域總面積的8.2%。洪水退水以后，洪泛區(qū)尚有部分洪水無法排出，此時，水深大于0.05 m的淹沒面積為1.28 km2，占總面積的2.8%。水庫潰壩時，洪水淹沒范圍包括下游3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)10個村莊及京滬高速公路、泰新公路等。

3.5 風險評價

根據(jù)以上模擬結(jié)果及分析，彩山水庫發(fā)生潰壩時，水庫下游的高風險區(qū)有以下幾處：

1）距離潰口較近的區(qū)域，如岱岳區(qū)化馬灣鄉(xiāng)城前村等，該處距離潰口較近，洪水流速較大，撤離時間短，洪水穿村而過，村民生命財產(chǎn)安全將受到嚴重威脅；

2）位于洪水流經(jīng)道路線上，主要受北京-上海高速公路阻礙影響，該區(qū)域地勢低洼，距離潰口相對較近，撤離時間短，洪水威脅較大；

3）位于淘河下游入大汶河口處兩側(cè)低洼處，澇水及潰堤洪水通過河網(wǎng)或在研究區(qū)域的演進，最終蓄積在該區(qū)域，導致該區(qū)域淹沒歷時長，淹沒水深大。

4 結(jié)語

基于MIKE21建立的水動力模擬模型，計算彩山水庫大壩潰壩情況及模擬下游區(qū)域洪水演進過程、淹沒歷時、淹沒情況等，可以分析得出下游高風險區(qū)域范圍，主要包括距離潰口較近、地勢低洼和淹沒歷時及淹沒水深較大的區(qū)域?；诖?，可以預測水庫大壩發(fā)生潰決后潰壩洪水對下游的影響，為水庫及下游地區(qū)制定防洪規(guī)劃和轉(zhuǎn)移方案提供較為明確的參考和判斷依據(jù)，便于影響區(qū)域內(nèi)避險轉(zhuǎn)移安置工作的順利進行，進而減少潰壩洪水對下游地區(qū)造成的人口及經(jīng)濟損失。另外，文中采用的數(shù)值模擬計算方法也可為相關問題及其復雜研究提供借鑒。