抽水蓄能電站潰壩過程模擬及應(yīng)急響應(yīng)措施研究
——以梅州抽水蓄能電站為例

周水兵，金 苗，江廷鋒，陳光澤，李東豪

(1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司 運行分公司，廣州 514400；2.梅州蓄能發(fā)電有限公司，廣東 梅州 514600；3.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司 工程建設(shè)管理分公司，廣州 514400；4.珠江水利委員會 珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611)

1 概述

目前，大力發(fā)展清潔可再生能源成為全球應(yīng)對環(huán)境污染和氣候變化的共同選擇。抽水蓄能作為經(jīng)濟最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的一種綠色低碳可再生能源利用方式，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。根據(jù)《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035 年)》，從“十四五”開始，未來我國抽水蓄能電站將持續(xù)增多。隨著近年來氣候變化的加劇，極端水文事件發(fā)生的概率顯著增加，抽水蓄能電站水庫潰壩、產(chǎn)生嚴(yán)重安全事故的風(fēng)險增大。由于潰壩洪水的突發(fā)性和極大破壞性，大壩一旦失事潰決，將對下游地區(qū)人民群眾生命財產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成毀滅性影響[3-5]。

正是由于潰壩洪水的巨大危害性，諸多學(xué)者對潰壩洪水進(jìn)行了研究，其中，潰壩洪水過程模擬和應(yīng)急響應(yīng)措施研究是潰壩洪水風(fēng)險分析和防災(zāi)減災(zāi)的重要手段之一。艾子欣[6]等以紅旗水庫為例，采用經(jīng)驗公式方法計算潰口形式及流量過程，模擬分析不同潰壩工況下的洪水演進(jìn)過程，編制洪水風(fēng)險圖，為編制大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案提供技術(shù)支撐；沈洋等[7]以金牛山水庫為例，采用MIKE軟件耦合的方法，同時考慮不同水庫水位與入庫設(shè)計洪水組合情況，計算潰壩洪水及其演進(jìn)過程；宋利祥[8]基于二維淺水方程和Godunnv型有限體積法，建立了適用于不規(guī)則計算域和地形上的潰壩洪水二維數(shù)學(xué)模型，以漳河水庫為例進(jìn)行了潰壩洪水分析，繪制了最大淹沒水深、洪水到達(dá)時間等洪水風(fēng)險圖。但上述研究均為單庫潰壩模擬和風(fēng)險分析，而在具有上、下水庫的抽水蓄能電站中潰壩模擬研究較少[9]。主要是由于受到抽水蓄能電站雙庫水體輪換、調(diào)度利用計劃等因素影響，使得電站潰壩時機難控、傳遞和疊加機理復(fù)雜，進(jìn)而較難進(jìn)行數(shù)值模擬。

為此，文章以梅州抽水蓄能電站為研究對象(以下簡稱“梅蓄電站”)，結(jié)合電站調(diào)度計劃和電站大壩工程特征，考慮多種潛在潰壩風(fēng)險，研究適合于雙庫抽水蓄能電站的潰壩數(shù)值模擬方法，并分析潰壩洪水影響，制定科學(xué)合理的應(yīng)急響應(yīng)措施，旨在提高電站應(yīng)急響應(yīng)能力，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

2 研究區(qū)概況

梅蓄電站位于梅州市五華縣龍村鎮(zhèn)黃獅村內(nèi)，距廣州市直線距離210 km，系韓江流域琴江支流先水河上游唯一抽水蓄能電站，控制集雨面積為36.38 km2，上下兩庫總庫容為9 180萬m3，裝機容量為2 400 MW(見圖1)。

梅蓄電站主要功能為發(fā)電，由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)和發(fā)電廠房組成，按一等工程、一級建筑物設(shè)計，上下庫兩庫大壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)均分別為500 a和5 000 a。上下兩庫通過引水洞連接，為周調(diào)節(jié)水庫，無防洪庫容，總庫容控制在4 000萬～5 000萬m3。梅蓄電站上庫正常蓄水位為815.50 m，總庫容為4 254萬m3；主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程為820.00 m，壩頂寬度為10.00 m，最大壩高為60.00 m；副壩為均質(zhì)土壩，設(shè)計壩頂高程為820.00 m，壩頂寬度為7.00 m，最大壩高為11.00 m，設(shè)有環(huán)形堰豎井式溢洪道，堰頂高程為815.50 m。下庫正常蓄水位為413.5 m，總庫容為4 926萬m3；主壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程為419.00 m，最大壩高為85.0 m，壩頂長度為317.5 m。副壩右側(cè)為長約400 m的單薄分水嶺，防滲形式采用上墻下幕方式，防滲墻深入強風(fēng)化花崗巖以下1.0 m。設(shè)有表孔溢洪道以及泄放管，溢洪道堰頂高程為413.5 m，正常蓄水位時泄放管泄流能力為67 m3/s。根據(jù)工程區(qū)域DEM數(shù)字高程模型分析結(jié)果，上庫潰壩后其潰壩水流都將流入下庫中。

3 建模理論及方法

潰壩洪水模擬研究主要包括大壩潰決模擬和下游洪水演進(jìn)計算。其中，大壩潰決模擬包括潰口發(fā)展過程模擬和潰口流量過程計算，下游洪水演進(jìn)計算包括一維河道洪水演算和二維地表洪水演算。通過大壩潰決模擬可獲得潰口流量過程，以此作為上邊界提供給下游洪水演進(jìn)模型，最終實現(xiàn)特定水文條件和潰決形式下的潰壩洪水模擬。

3.1 工況設(shè)置

抽水蓄能電站潰壩受多類型因素影響，文章綜合考慮各潰壩因素影響，并結(jié)合梅蓄電站上下水庫總庫容控制計劃，設(shè)定多種潰壩場景。潰壩基本假設(shè)為：① 非汛期時，假定電站遭遇地震、戰(zhàn)爭等極端突發(fā)事件，壩高大、壩頂長、潰壩影響大的下庫混凝土主壩潰決；② 汛期時，假定水庫遭遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或超標(biāo)準(zhǔn)洪水，根據(jù)上下水庫運行條件不同，考慮上下庫連環(huán)潰壩和下庫單獨潰壩。其中，連環(huán)潰壩假定上庫初始為正常蓄水位815.5 m，豎井式溢洪道堵塞，無法正常下泄，以致庫內(nèi)水位上漲，副壩達(dá)最高水位全潰，流入下庫后使得下庫副壩全潰，造成連環(huán)潰壩；下庫單獨潰壩假定下庫初始為正常蓄水位413.5 m，上水庫不下泄，下庫壩前水位達(dá)最高水位時主壩瞬時全潰/副壩全潰。共計設(shè)置6種潰壩工況場景(見表1所示)。

3.2 潰口模型

根據(jù)潰口形成歷時長短，可將潰壩方式分為瞬時潰決和逐漸潰決?；炷翂沃饕紤]瞬時潰決由經(jīng)驗公式方法計算潰口流量[10]，而土石壩的潰決過程是一個隨潰口寬度和深度增加而逐漸潰決的過程，主要通過基于參數(shù)的模型計算方法或基于物理過程的模型計算方法計算，如DAMBR模型、BREACH模型等，相關(guān)研究已較為深入[9]。但使用經(jīng)驗公式方法計算混凝土壩瞬時潰決流量時難以考慮不規(guī)則潰口形狀和下游水位頂托的影響，因此文章采用零維水庫耦合二維河道地表網(wǎng)格的方法進(jìn)行計算。該方法通過特定水庫的水位-庫容關(guān)系曲線對水庫進(jìn)行零維概化，庫區(qū)下游河道及周圍地表則使用全二維模型進(jìn)行概化，通過修正壩址處二維網(wǎng)格節(jié)點底高程概化任意潰口形狀，建立零維水庫和局部二維模型的耦合關(guān)系，使用基于圣維南方程特征線進(jìn)行求解的HLL近似黎曼算子計算潰口流量大小，以適應(yīng)上下游不同的水位、流速。

梅蓄電站上下庫主壩均為混凝土重力壩，副壩均為均質(zhì)土壩。文章潰壩工況設(shè)置中，下庫主壩考慮瞬時全潰，下庫副壩壩長較長，考慮逐漸潰決影響，上庫副壩壩長較短，考慮瞬時全潰。

計算下庫主壩瞬時潰決的潰口流量時，使用零維水庫耦合二維河道地表網(wǎng)格的方法進(jìn)行計算，零維水庫為下水庫，二維計算區(qū)域上游以下庫壩址為界，下游以先水河為界，先水河左、右岸兩側(cè)淹沒區(qū)以地勢較高的山區(qū)坡腳為界，下游采用自由出流邊界，零維水庫與二維模型上邊界進(jìn)行耦合，模型示意見圖2。計算下庫副壩逐漸潰決的潰口流量時，則采用常用的BREACH模型進(jìn)行計算。

圖2 零維—二維耦合潰口流量計算模型范圍示意

3.3 潰壩洪水演進(jìn)模型

文中潰壩洪水演進(jìn)模型為水庫下游一維河道和洪泛區(qū)二維地表側(cè)向耦合聯(lián)解模型，用于模擬潰壩洪水在河道中及漫溢至河道兩岸農(nóng)田、村莊后的演進(jìn)情況。一維河道水流模型采用圣維南方程組作為單一河道非恒定流控制方程，采用有限體積法進(jìn)行方程離散，運用Riemann求解器計算控制體之間的數(shù)值通量以實現(xiàn)模型求解，可解決潰壩水流中干河床、逆坡、復(fù)雜流態(tài)模擬等問題，適應(yīng)性強。二維地表洪水演進(jìn)模型計算采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法，用高性能格式建立適用于不規(guī)則計算域和地形上潰壩洪水淹沒區(qū)淺水流動的數(shù)學(xué)模型。數(shù)值求解方面，運用基于Godunov格式的有限體積法進(jìn)行控制方程離散求解，詳細(xì)過程可參考文獻(xiàn)[8]。一維、二維模型通過耦合邊界的水力連接條件來實現(xiàn)模型聯(lián)解(見圖3)。

圖3 一維—二維模型側(cè)向耦合方式示意

文中一維河道模型范圍為梅蓄電站下水庫壩下、琴江(先水河匯口上)至琴江水口水文站以及五華河城區(qū)段，建模總河長為136.4 km，共布設(shè)109個斷面，斷面間距200～1 000 m，采用近期實測斷面地形資料。一維模型上邊界采用下庫潰口流量過程以及相應(yīng)的琴江干支流洪水過程，下邊界采用琴江水口站實測水位流量關(guān)系曲線。二維地表模型計算區(qū)域上游以梅蓄電站下水庫壩址、琴江先水河匯口上游為界，下游以琴江水口水文站為界，干支流兩側(cè)淹沒區(qū)以地勢較高的上坡腳為界。采用三角網(wǎng)格進(jìn)行剖分，以準(zhǔn)確擬合任意不規(guī)則邊界。模型范圍面積約為327.2 km2，共計剖分161 037個單元、85 048個節(jié)點?；?∶10 000DEM，對河道兩側(cè)可能淹沒區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行高程插值。同時，結(jié)合土地利用類型數(shù)據(jù)，按照下墊面情況進(jìn)行計算區(qū)域糙率賦值，糙率范圍為0.025～0.1。

將上述一維河道模型與二維地表模型進(jìn)行側(cè)向耦合，耦合邊界共計105個，耦合后的水動力模型可用于模擬梅蓄電站不同潰壩場景下潰壩洪水在河道和河道兩岸地表的演進(jìn)過程，一二維耦合水動力模型示意見圖4。

圖4 一二維耦合水動力模型示意

3.4 模型計算與結(jié)果分析

3.4.1潰口流量模擬結(jié)果

非汛期下庫主壩瞬時全潰工況，假定梅蓄電站非汛期遭遇地震、戰(zhàn)爭等極端突發(fā)事件，下庫主壩在正常蓄水位瞬時全潰，不考慮上庫下泄或發(fā)電。以F1為例，t=0 h時，庫水位最高為413.5 m，對應(yīng)庫區(qū)水量為4 264萬m3，大壩潰決，由零維-二維耦合計算模型計算得到下庫最大潰口流量為42 650 m3/s，潰壩流量過程見圖5。

上下庫依次潰壩過程中(F2和F3)，假定上庫溢洪道堵塞，壩前水位達(dá)最高水位時副壩瞬時全潰，受上庫潰壩洪水沖擊影響，下庫達(dá)最高水位時副壩逐漸潰決。以F3為例：t=78 h，庫水位最高達(dá)到416.08 m，對應(yīng)庫區(qū)水量為4 723萬m3，大壩潰決，使用BREACH模型計算得到下庫最大潰口流量為3 082 m3/s，潰壩流量過程見圖6。不同潰壩場景下的潰口流量計算結(jié)果見表2。

圖6 汛期下庫主壩逐漸潰決出入庫洪水過程(F3)示意

表2 各潰壩工況潰口流量計算結(jié)果

3.4.2潰壩洪水演進(jìn)模擬結(jié)果

由上述潰口流量計算模型及水庫下游一二維耦合水動力模型，對不同潰壩場景下梅蓄電站潰壩洪水演進(jìn)過程進(jìn)行模擬。計算結(jié)果表明，潰壩后各特征點的水位過程線總趨勢是靠近壩址處波峰陡峭，沿流程逐漸坦化；由于潰壩洪水量級遠(yuǎn)超河道正常行洪能力，下游兩岸地勢較陡的河段，地形對河道洪水?dāng)U散的約束作用明顯，導(dǎo)致河道洪水位漲落幅度大；地勢平坦區(qū)，潰壩洪水漫過河道向兩側(cè)擴散顯著，減小了洪水沿河道向下游傳播的強度和速度，其水位漲落幅度相對偏小。以5 000 a一遇上下庫副壩依次潰壩方案(F3)為例，當(dāng)發(fā)生5 000 a一遇洪水過程時，上庫豎井式溢洪道堵塞，無法正常下泄，庫內(nèi)水位上漲，水位達(dá)到最高818.40 m時副壩瞬間全潰，瞬時最大潰口流量910 m3/s，受潰口流量的作用，壩前水位迅速下降至最低。而受上水庫急速下落的潰壩洪水影響，下庫水位最高達(dá)到416.08 m，對應(yīng)庫區(qū)水量為4 723萬m3，下水庫最大潰壩流量為3 082 m3/s。下庫潰壩后，下游河道各特征點的水位過程見圖7，由結(jié)果可知，各特征點的水位過程趨勢基本一致，在潰壩發(fā)生后水位突然上升，且距離水庫越近上升幅度越大，模型合理反映了潰壩洪水在河道中的傳播過程。先水河、琴江干流水位包絡(luò)線示意見圖8、圖9，由圖可知，該工況下，先水河中下游地區(qū)存在大片淹沒，尤其是車前寨、榕溪村、硿下等河道兩岸地勢較低的村社區(qū)域，淹沒較大，部分淹沒水深達(dá)到8 m以上。對于琴江，在河道兩岸的河灘地和低洼地區(qū)存在一定的淹沒情況，主要體現(xiàn)在龍村鎮(zhèn)、汕湛高速南北、安流鎮(zhèn)、橫陂鎮(zhèn)以及五華縣城下游地區(qū)。

圖7 特征點的水位過程計算結(jié)果(F3)示意

圖8 先水河最高水面線成果(F3)示意

圖9 琴江最高水面線成果(F3)示意

3.4.3洪水風(fēng)險分析成果

本模型合理模擬了潰壩洪水傳播過程，相關(guān)計算結(jié)果符合洪水演進(jìn)規(guī)律。依據(jù)模型計算結(jié)果，各潰壩方案場景下計算結(jié)論和洪水影響見表3所示。在此基礎(chǔ)上，文章建立了不同潰壩場景下的潰壩風(fēng)險圖，對梅蓄電站潰壩洪水到達(dá)時間、淹沒水深、淹沒范圍及洪水影響等過程特征進(jìn)行預(yù)測，以直觀展示電站潰壩后工程下游區(qū)域受淹沒影響情況和洪水災(zāi)害程度，評估洪水災(zāi)害可能造成的損失，更好地制定防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)對策和措施，由于篇幅受限，文章不一一列出。

表3 各潰壩方案工況計算結(jié)論及洪水影響

當(dāng)先水河流域發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致梅蓄電站水庫潰壩時，潰壩洪水所影響的區(qū)域主要集中在先水河沿河的村莊，遭遇琴江干流洪水后，淹沒總面積呈現(xiàn)隨潰壩洪水量級、琴江干流洪水增大而增大的趨勢，電站下游琴江干支流兩岸龍村、河?xùn)|、水寨、橫陂四鎮(zhèn)為主要的潰壩洪水受災(zāi)區(qū)。以F6為例，最大淹沒水深風(fēng)險示意見圖10。潰壩洪水總淹沒面積為67.36 km2，淹沒深度在1 m以上的面積占比達(dá)68%，洪水所到之處樹木房屋倒塌較多，受淹房屋35 000余棟，受影響人口175 299人，龍村、河?xùn)|、水寨、橫陂四鎮(zhèn)中心遭受毀滅性打擊，受影響人口分別為31 164人、23 065人、61 291人、44 222人。此外，水庫潰壩后，下游G238國道、G325國道、S19興汕高速、G35濟廣高速等基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重受損，交通中斷，給先水河及琴江干流兩岸村莊、基礎(chǔ)設(shè)施等造成嚴(yán)重后果，對沿岸企業(yè)、居民生產(chǎn)生活造成較大影響。

4 應(yīng)急響應(yīng)措施

由上述梅蓄電站潰壩洪水計算分析成果可知，梅蓄電站在超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地震等極端工況下潰壩后，將嚴(yán)重威脅下游人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。為減少災(zāi)害損失和保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全，需要因地制宜地采取切實有效的應(yīng)急響應(yīng)措施。

1)預(yù)先分級，確定應(yīng)急響應(yīng)啟動條件

根據(jù)梅蓄電站上下水庫實際運行情況，將可能出現(xiàn)的超標(biāo)準(zhǔn)洪水、重大工程隱患、地震、水庫運行管理不當(dāng)以及戰(zhàn)爭或恐怖襲擊等重大險情，按照險情的嚴(yán)重程度和影響范圍，以及可能發(fā)生的概率，從高到低分為四級：特別重大(Ⅰ級)、重大(Ⅱ級)、較大(Ⅲ級)和一般(Ⅳ級)，同時確定應(yīng)急響應(yīng)的啟動條件。

2)事先防范，做好險情監(jiān)測及預(yù)警

梅蓄公司工作人員時刻監(jiān)視上下水庫水位變化和降雨量，同時及時關(guān)注梅州市五華縣氣象臺發(fā)布的有關(guān)強降雨信息，及時準(zhǔn)確地進(jìn)行洪水預(yù)報，做好水雨情監(jiān)測；加強對梅蓄電站大壩及各水工建筑物日常監(jiān)測和定期巡視檢查，及時掌握大壩運行動態(tài)。根據(jù)預(yù)報的洪水量級和地震等級不同，啟動不同等級的預(yù)警，由電站防汛辦公室以各種通訊手段向公眾發(fā)布相應(yīng)等級的預(yù)警信息，及時上報主管部門及地方政府等。

3)統(tǒng)一指揮，做好組織保障

梅蓄電站成立由應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急辦公室、現(xiàn)場應(yīng)急處置工作組組成的應(yīng)急組織機構(gòu)。發(fā)生突發(fā)事件時，由應(yīng)急指揮中心統(tǒng)一指揮應(yīng)急處置工作，統(tǒng)籌調(diào)配人力、物力資源，協(xié)調(diào)各相關(guān)部門開展緊急救援工作。應(yīng)急辦公室負(fù)責(zé)收集、分析、傳遞和發(fā)布突發(fā)事件信息，并確保相關(guān)組織部門間聯(lián)絡(luò)通暢?，F(xiàn)場應(yīng)急處置工作組以現(xiàn)場處置組為核心，技術(shù)支持組、綜合后勤保障組及安全監(jiān)督組各保障小組提供支持，負(fù)責(zé)落實梅蓄公司應(yīng)急指揮中心的相關(guān)決策和要求，做好現(xiàn)場應(yīng)急處理和救援工作。

4)應(yīng)急處置，實施搶險救援

按照梅蓄電站工程險情分級啟動相應(yīng)應(yīng)急搶險措施。當(dāng)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水或其他重大險情，可能發(fā)生水庫潰壩時，通過地方防汛搶險指揮部并協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)卣?，根?jù)梅蓄電站潰壩洪水避險轉(zhuǎn)移圖，將工程下游沿河兩岸處在潰壩洪水危險區(qū)內(nèi)的居民進(jìn)行轉(zhuǎn)移，按照就近、安全等原則轉(zhuǎn)移到達(dá)相應(yīng)的安置點，重點轉(zhuǎn)移居民區(qū)為龍村、河?xùn)|、水寨、橫陂四鎮(zhèn)。安置點兼顧行政隸屬，以學(xué)校、政府單位或地勢較高的廣場、公園等作為下游群眾和企事業(yè)單位的主要避護場所，并按照“撤得出、住得下、不挨餓、能救援”的原則進(jìn)行布置，確保人員安全和基本生活。潰壩事件發(fā)生后，及時進(jìn)行災(zāi)后恢復(fù)和重建工作，必要時進(jìn)行損失賠償[11-14]。

5 結(jié)語

文章以梅州抽水蓄能電站為例，對潰壩洪水模擬方法進(jìn)行研究和分析，采用零維水庫耦合二維河道地表網(wǎng)格法進(jìn)行混凝土壩瞬時潰決流量潰口計算，采用BREACH模型法進(jìn)行土石壩逐漸潰決潰口流量計算，建立基于Godunov格式有限體積法的一二維耦合的潰壩洪水演進(jìn)模型，合理模擬了梅蓄電站單庫潰壩、上下水庫連環(huán)潰壩等工況下的洪水演進(jìn)過程，分析了潰壩洪水風(fēng)險并繪制洪水風(fēng)險圖，在此基礎(chǔ)上制定了科學(xué)合理的應(yīng)急響應(yīng)措施。文章對抽水蓄能電站多種可能潰壩因素和場景進(jìn)行了綜合考慮，具有一定的推廣應(yīng)用價值，一些潰壩洪水模擬的關(guān)鍵問題的處理對其他類似潰壩過程洪水模擬也具有一定借鑒意義。