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內，距城區約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），保護農田1 466 hm2，人口2.13萬人，涉及化馬灣、角峪、徂徠鎮3個鄉鎮10個村莊，水庫設計灌溉面積2 346 hm2，有效灌溉面積1 940 hm2。一旦水庫發生潰壩，將對下游城鎮、村莊、耕地以人民的財產安全造成重大影響。

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

結合工程實際，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、戰爭及恐怖事件和其它等因素[1]。水庫的潰決形式一般從規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，潰口形態和潰口流量特征決定著潰壩洪水的破壞[3]。根據《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[4]。

1）潰壩決口長度計算：

式中：b——潰壩決口平均寬度，m；k——與壩體土質有關的系數，根據彩山水庫筑壩材料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。經計算，潰壩最大流量為21 193 m3/s。

3）決口處水深計算：

經計算，決口處水深14.69 m。

4）決口處流速計算：

經計算，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、公路等構筑物的擋水和導流作用。模型的數值計算方法采用有限體積法。

3.2 模型設置

3.2.1 計算區域網格劃分

計算區域以彩山水庫大壩與淘河流域200 m等高線以內圍成的閉合區域為邊界，面積為42.40 km2。采用不規則三角形網格，綜合考慮分區面積、模擬精度、計算時間及軟件性能等因素，共劃分網格2.26萬個，節點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 計算區域插值后的地形圖

為充分考慮計算區域內高于地面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，以體現其阻水及導流作用[5]。計算區域高于地面0.5 m以上的線狀地物主要為公路。計算區域內涉及的道路有：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。綜合該區域下墊面情況、氣候及實測資料，模型中采用的蒸發與下滲值取為8 mm/d。為了體現區域最大淹沒風險，蒸發與下滲起始時間設置為第6天。

計算采用分區糙率。根據《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，無實測資料的地區可根據《水力學計算手冊》確定，或參考采用相似條件地區的糙率。該地區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，對計算區域內的村莊、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，計算區域干濕邊界變化頻繁，為避免模型計算的不穩定，采用“干濕判別”來確定計算區域由于水位變化產生的動邊界。

3.3 模型驗證

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

3.4 計算結果及分析

3.4.1 洪水演進

計算區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化馬灣鄉沙溝村處，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，再至泰安市岱岳區徂徠鎮泉上村、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。在泰安市岱岳區化馬灣鄉沙溝村處的積水逐漸減少，在岱岳區徂徠鎮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。除在泰安市岱岳區化馬灣鄉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。計算區域內洪水隨著流入大汶河和蒸發下滲作用逐漸消退，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

潰口最大流量出現在發生潰決時，為21 193 m3/s，最大流速出現在潰口下游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

根據計算成果，計算區域水深大于0.05 m時的最大淹沒面積為3.75 km2，占計算區域總面積的8.2%。洪水退水以后，洪泛區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個鄉鎮10個村莊及京滬高速公路、泰新公路等。

3.5 風險評價

根據以上模擬結果及分析，彩山水庫發生潰壩時，水庫下游的高風險區有以下幾處：

1）距離潰口較近的區域，如岱岳區化馬灣鄉城前村等，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，村民生命財產安全將受到嚴重威脅；

2）位于洪水流經道路線上，主要受北京-上海高速公路阻礙影響，該區域地勢低洼，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低洼處，澇水及潰堤洪水通過河網或在研究區域的演進，最終蓄積在該區域，導致該區域淹沒歷時長，淹沒水深大。

4 結語

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域?；诖?，可以預測水庫大壩發生潰決后潰壩洪水對下游的影響，為水庫及下游地區制定防洪規劃和轉移方案提供較為明確的參考和判斷依據，便于影響區域內避險轉移安置工作的順利進行，進而減少潰壩洪水對下游地區造成的人口及經濟損失。另外，文中采用的數值模擬計算方法也可為相關問題及其復雜研究提供借鑒。