山丘區(qū)水庫潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬研究

秦巧麗，李光吉，石　飛

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250014）

山東省昌樂縣利用亞行貸款地下水漏斗區(qū)域綜合治理示范工程主要建設(shè)內(nèi)容為南寨水庫增容，按照亞行的保障政策要求，需要對南寨水庫大壩加高后進(jìn)行風(fēng)險分析及安全評估。據(jù)此，本研究采用Mike 21水動力模塊模擬計算分析并運(yùn)用GIS技術(shù)，開展了以南寨水庫為實(shí)例的山丘區(qū)水庫潰壩分析，以支持該項(xiàng)目的順利實(shí)施。

1　工程概況

南寨水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇；擴(kuò)建后，水庫總庫容1036萬m3，興利庫容820萬m3，死庫容66.1萬m3。在滿足生態(tài)用水的前提下，可攔蓄小丹河徑流量249萬m3，同時還可調(diào)蓄自汶河流域善莊攔河壩年均汛期調(diào)水516萬m3，在2020規(guī)劃水平年可向昌樂城區(qū)日供水1.77萬t，年供水量646萬m3。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、放水洞、取水泵站以及橋梁等部分組成。大壩為壤土均質(zhì)壩，全長1 285 m，壩頂高程118.90 m，防浪墻頂高程119.90 m，壩頂寬7.5 m。

2　潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬

2.1　計算區(qū)域

水庫潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬以1/10 000昌樂縣地形圖為基礎(chǔ)、以南寨水庫擴(kuò)建設(shè)計和指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行相關(guān)的計算。

根據(jù)水庫增容設(shè)計、地形地貌，設(shè)計洪水等確定模擬范圍上游自南寨水庫北側(cè)壩體處，下游至昌樂縣城以北，南北向長度約為16.15 km；左側(cè)自昌樂縣城邊界向東至縣城東部邊界山區(qū)，寬度約為10.8 km，總模擬區(qū)域面積為174.42 km2。

2.2　潰口參數(shù)的確定

潰壩洪水淹沒分析采用二維水動力方程，上游邊界條件為潰口處流量過程，下游及左右邊界條件為陸地邊界。水庫潰壩工況為在校核洪水位條件下發(fā)生潰壩，潰壩底高程為壩體與壩基結(jié)合處。經(jīng)計算，南寨水庫潰口平均寬度為160 m，最大潰壩流量為4 730 m3/s。潰壩流量過程計算成果，見表1。

2.3　潰壩洪水過程數(shù)值模擬計算

本次研究重點(diǎn)為模擬潰壩洪水向下游地區(qū)的傳播狀況以及淹沒范圍的變化，采用丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE21二維水動力學(xué)模型。

1）某時刻模擬計算成果。根據(jù)模型計算結(jié)果提取南寨水庫潰壩后，洪水沿小丹河向下游傳播過程中不同時刻的水深分布情況，如圖1。

2）洪水淹沒范圍分析。根據(jù)Mike 21模擬計算生成成果，利用ArcGIS技術(shù)，采用克里金插值法進(jìn)行插值得出不同時刻的淹沒水深圖及相應(yīng)的等值線圖，并將各水深圖與昌樂縣1/10 000地

表1潰壩流量過程計算成果表形圖進(jìn)行疊加，進(jìn)而得出各時刻的淹沒范圍、包括淹沒的村鎮(zhèn)、道路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施，該成果對南寨水庫下游河道防洪決策具有一定的參考價值。

表1　潰壩流量過程計算成果表

圖1　不同時刻洪水水深分布圖

根據(jù)潰壩洪水模擬過程，南寨水庫約60分鐘后，洪水將到達(dá)昌樂縣縣城，以此時刻為例對潰壩60 min時的洪水淹沒情況進(jìn)行淹沒范圍分析。將MIKE21 HD模塊的模擬計算的60 min時成果進(jìn)行提取，并利用ArcGIS技術(shù)采用克里金插值法生成該時刻的水深分布等直線圖，如圖2示。

圖2　潰壩60 min時水深等值線圖

以圖2為基礎(chǔ)，將等值線圖與昌樂縣城1/10 000地形圖進(jìn)行坐標(biāo)疊加對接，從而生成較為直觀的潰壩60 min時的淹沒范圍圖形。

從淹沒圖上可以直接看出，此刻洪水傳播位置距離潰口11.62 km，最大流速為14.3 m3/s，位于距離潰口7.13 km處；最大水深為21.92 m，距離潰口6.78 km；此刻洪水淹沒范圍達(dá)到7.14 km2。

3　推廣應(yīng)用

山東省目前共建有各類水庫計6 251座，其中山丘區(qū)大中型水庫189座、小型水庫5 281座，這些水庫的建設(shè)無疑在當(dāng)?shù)貐^(qū)域防洪、灌溉等方面發(fā)揮了重要的作用，但同時也為區(qū)域防洪安全帶來一定的風(fēng)險。因此開展水庫潰壩數(shù)值模擬研究，進(jìn)而繪制洪水風(fēng)險圖作為一項(xiàng)有效的非工程措施的戰(zhàn)略地位日益突顯。因此，本次研究成果不僅僅是山東省亞行貸款項(xiàng)目中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，更是對未來山東省大中型水庫洪水風(fēng)險圖的繪制、水庫增容工程的設(shè)計、水庫大壩的安全運(yùn)行管理、制定區(qū)域防洪應(yīng)急預(yù)案等方面都具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義。

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