日照水庫潰壩洪水影響分析

官慶朔 王瑩瑩 侯龍潭 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.濟南大學，山東 濟南 250022)

近年來，超標準突發性強暴雨等極端事件頻發，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，對其下游的社會經濟將造成巨大損失[1-3]。而隨著計算機和數值模擬技術的發展，這一過程逐漸可以被人們通過模擬、計算預先得到，進而采取相應的措施進行預防，為大壩安全管理和洪水風險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，日照市東港區駐地以西16 km處，是多年調節綜合利用的大(2)型水庫，日照市區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3個區7個鄉鎮、街道辦事處，影響著70個自然村的6.71萬人口、17萬畝耕地，并保護著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的防洪安全。一旦水庫發生潰壩，將對下游城鎮、村莊、耕地以及人民的財產安全造成重大影響。

本文分析計算了日照水庫可能發生的潰壩風險，計算了不同工況下的潰壩流量過程，并基于MIKE21軟件建立水動力模擬模型，模擬日照水庫發生潰壩時下游洪水演進過程、區域的淹沒情況等，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。

2 潰壩分析

2.1 潰壩風險分析

水庫壩體潰決的可能因素主要包括超標準洪水、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、戰爭與恐怖事件以及其他等因素。根據潰壩過程的時間長短，潰壩可以分為瞬時潰壩和逐漸潰壩；根據潰壩缺口規模大小，潰壩可以分為全部潰壩和局部潰壩[5]。

根據日照水庫大壩壩型、結構、筑壩材料、施工質量、壩基及岸坡的地形等條件，工程隱患和可能導致大壩潰決的主要因素，日照水庫潰壩形式主要有遇超標準洪水引起的全潰和超設防標準地震或遇恐怖襲擊等突發事件引起的局部潰壩。

2.2 潰壩洪水計算

1)根據《水力計算手冊》[6]，對超標準洪水引起的全潰時，在壩體瞬時全潰條件下的潰壩最大流量計算公式為：

(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)對壩體局部潰決的壩址潰壩最大流量，計算公式為：

(2)

3)對于泄空時間T，由式(3)計算確定：

(3)

其中，K為經驗系數，對于四次拋物線，K取4～5，對于2.5次拋物線，K取3.5。

經計算，對汛期超標準(5000年一遇)洪水引起的瞬時全潰，采用日照水庫防浪墻頂高程48.60 m計算，大壩潰壩全長按1 473 m計，潰壩時壩前平均水深23.0 m,最大泄流量150 784 m3/s，總歷時3.30 h。

對于汛期超標準(2000年一遇)洪水引起的瞬時局部潰壩，采用日照水庫2000年一遇最高洪水位46.04 m計算，潰壩時壩前平均水深20.44 m，潰口寬度440 m，最大泄流量50 996 m3/s，總歷時7.84 h。

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

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，模型的數值計算方法采用有限體積法，可以更加詳盡和準確的反映潰壩洪水在縱向和橫向上各水力要素的變化規律[7]。在模擬過程中，本次主要考慮道路、堤防等構筑物的擋水和導流作用。

3.2 水庫下游模型設計

3.2.1網格劃分

綜合考慮日照水庫下游地形、河網分布、堤防高程及完整情況，確定本次模擬區域范圍：東側以海岸線為界，西側大致以50 m等高線為界，北側以G1511日蘭高速、新石鐵路為界，南側以巨峰河左堤為界，總面積289.2 km2，模型范圍共涉及東港區、嵐山區、經濟開發區等多個區縣。模型范圍見圖2。

采用不規則三角形網格，在地勢較為平順、地形及地物較為簡單的區域，網格可以適當加大，以便盡量減少模型的計算時間；在河道、堤防等較為重要的地物附近，可以適當加密網格，以便提高關鍵區域的模擬精度，本次模型所劃分的最大網格面積為5 000 m2，最小網格面積為21 m2，劃分網格總計17.64萬個，節點8.89萬個(見圖3)。

為充分考慮計算區域內高于地面的道路、堤防等線狀地物對洪水演進的影響，在模型中采用局部加高的方法對道路、堤防進行概化處理[8]。主要包括：1)鐵路。區域內涉及的鐵路包括兗石鐵路、青日連鐵路、新石鐵路；2)公路。區域內涉及高速公路(G1511日蘭高速、G15沈海高速、S7801日照石臼港區疏港高速)、國道(G204國道)、省道(S220，S222，S335，S341，S613)等道路；3)堤防。區域內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。線狀地物對洪水演進的影響主要體現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。提取高程散點共計69.7萬個，模型中地形的插值處理采用自然臨近法，散點分布與插值后的地形如圖4，圖5所示。

3.2.2邊界條件

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

計算采用分區糙率。根據《洪水風險圖編制導則》[9]，一般需采用實測洪水資料對計算區域的糙率進行分析率定，若該地區不具備率定條件，可根據《水力學計算手冊》確定，也可參考采用相似條件地區的糙率。本次計算區域無潰堤洪水演進實測資料，因此采用《水力學計算手冊》中的建議值，針對計算區域內的村莊、道路、河流、堤防等不同的地物設置不同的糙率，以此來反映計算區域不同下墊面條件對洪水演進的影響。

3.2.3計算工況及時間設置

模型共設置三種計算工況，即汛期超標準洪水全潰、汛期超標準洪水局潰、非汛期超標準洪水局潰。模擬時間為3 d，根據計算精度要求，模型主時間步長設置為30 s，共8 640步。

3.3 模型驗證

為了驗證模型計算的穩定性，導出模型在模擬時間內計算區域各個時刻的初始水量、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算誤差。經統計，以上三種計算工況中所累積的最大計算誤差為1.72萬m3，約為模型參與計算總水量的0.03%，模擬誤差滿足計算精度要求，說明該模型具有良好的物質質量守恒性，模型運算穩定，計算結果可靠。

3.4 計算成果及分析

3.4.1計算區域最大淹沒水深

經模型模擬計算，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：汛期超標準洪水全潰>汛期超標準洪水局潰>非汛期超標準洪水局潰。同時，潰壩流量越大，淹沒水深越大，淹沒情況越嚴重，對下游人民的生命財產安全與公共基礎設施等的威脅越大。

3.4.2淹沒區域影響分析

由計算結果統計得出，日照水庫大壩發生潰決時，下游淹沒范圍主要涉及水庫下游地勢較為低洼的區域，具體包括：東港區的后村鎮、南湖鎮、日照街道、濤雒鎮，經濟開發區的奎山街道、北京路街道，嵐山區的高興鎮等7個鄉鎮、街道辦事處，90個自然村的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等防洪重點保護對象。

4 結語

本文以日照市日照水庫大壩及其下游區域為研究對象，基于MIKE21建立水動力學模型，通過計算其可能出現的潰壩情況及模擬其下游區域潰壩洪水演進過程和淹沒情況，分析得出了下游高風險區域范圍。由于地形條件影響，不同流量的三種工況下(汛期超標準洪水全潰、汛期超標準洪水局潰、非汛期超標準洪水局潰)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工程建設實踐提供較為明確的參考和判斷依據，便于日照水庫下游影響區域內避險轉移安置工作的順利進行。文中采用的思路及相應的計算方法也可為相關問題和更為復雜的研究提供借鑒。