基于MIKE FLOOD 數學模型的邯鄲市婁里水庫建設前后對下游防洪效果研究

楊翠巧

(邯鄲市水利水電勘測設計研究院,河北 邯鄲 056001)

受季風氣候的影響,邯鄲市汛期(6～9 月)降雨量占全年降雨量的70%以上,豐水年汛期降雨量比重更大,且多以暴雨的形式出現,大暴雨頻率較高,使得洪澇災害發生概率大大增加,對洺河下游產生巨大的經濟損失。婁里水庫的建設可以有效控制山區99%的控制流域面積,通過攔截上游山洪,控制下泄流量、可有效減輕洺河流域的防洪壓力。

1 工程概況

婁里水庫壩址位于永年區婁里村西500m,距下游臨洺關水文站約10.2km,壩址控制流域面積為2203km2；臨洺關水文站控制流域面積為2278km2,區間流域面積僅為75km2不及壩址以上面積的3%,且中間無支流匯入。壩址上游由南、北洺河及馬會河三條主要支流組成,現狀5 座中型水庫的設計標準為50～100 年,校核標準為500～1000 年,五座水庫均是以興利為主的水庫,防洪庫容很小,對于中小洪水具有一定的調蓄作用。婁里水庫主要防洪保護對象為壩址下游永年城區、洺河兩岸的村鎮和耕地,同時可減輕下游大陸澤和寧晉泊緩滯洪區防洪壓。

2 基于MIKE FLOOD 數學模型的防洪效果分析模型建立

2.1 模型范圍確定

洺河：洺河流域上大、下小,流量大小懸殊較大,婁里水庫至龍泉緩洪區攔洪閘區間河道過流能力較大。尤其時婁里至東洺陽攔洪閘段過流能力達7000m3/s；東洺陽至龍泉段已經按照2649m3/s 河道進行治理,但2016 年“7.19”洪水時,最大洪峰流量為5780m3/s(大于本次50年一遇流量5708m3/s),該段河道強迫行洪,兩堤岸基本上無洪水漫溢。故本次模擬范圍直接采用龍泉閘以下進行。為了確保模型的穩定運行,本次以京港澳高速上游1.4km 為一維模型中河道的起始斷面,終點為邢臨高速。

二維區域：通過現狀行洪能力分析,洺河婁里水庫壩址到京港澳高速段基本上可以滿足50 年一遇洪水,因此本次二維模型上游段以京港澳高速為邊界；邯鄲境內的下邊界以邢臨高速為邊界；南側以S036 為界；東側以留壘河左堤為界；總面積496.8km2。大陸澤面積525.7km2,寧晉泊面積為1541.0km2。如圖1 所示。

圖1 邯鄲市境內模型模擬范圍

2.2 邊界條件

邯鄲境內洺河建庫后采用水文調洪演算30 日的洪水過程線,時段間隔為1h；大陸澤的入流邊界中洺河采用邯鄲境內的出流過程,其余河道采用規劃成果。邯鄲市境內上游及大陸澤入流邊界洪量匯總如表1所示。

表1 邯鄲市與大陸澤入流邊界洪量匯總

3 不同重現期洪水婁里水庫建設后的防洪效果分析

3.1 婁里水庫低標準洪水削減比例及計算工況

5 年、10 年、20 年和50 年一遇低標準洪水下,通過婁里水庫、東洺陽、龍泉緩洪區的聯合調度,對洪水的攔洪、緩洪,可使洪峰流量大大削減。

通過分析計算可知,5 年洪峰由1112m3/s 削減至110m3/s,削峰比例達到90.1%；10 年洪峰由2037m3/s 削減至110m3/s,削峰比例達到94.6%；20 年洪峰由3416m3/s 削減至260m3/s,削峰比例達到92.4%；50 年洪峰由5708m3/s 削減至2649m3/s,削峰比例達到53.6%。具體成果見表2 所示。

表2 婁里水庫低標準洪水削減比例表

按婁里水庫建庫前后兩種工況,結合防洪對象防洪標準,運用MIKEFLOOD 數學模型對壩址下游5 年、10年、20 年、50 年一遇洪水進行演進分析,結合不同工況下的邯鄲境內以及大陸澤、寧晉泊洪水淹沒范圍、淹沒對象分析比較,說明興建項目的防洪效果。

3.2 計算結果分析

3.2.1 現狀工況分析

現狀工況下,5 年一遇的設計洪峰為1112m3/s,由于下游雞澤段河道斷面較小,過流能力不足5 年一遇,當發生5 年及其以上頻率洪水時,河道局部出現漫溢。通過計算分析,邯鄲邊界的末端出流流量基本上等于入流流量,因此來洪量一部分漫溢到二維網格中,一部分填充河道斷面的低洼處(河道中蓄水量較小),大部分洪量從出流邊界流出,不同計算方案淹沒面積統計情況如表3 所示。

3.2.2 建庫后工況分析

河道橫斷面為河道治理后的規劃斷面,5 年一遇、10年一遇、20 年一遇洪水不發生漫溢,洪水全部通過河道下泄至大陸澤；50 年一遇洪水時,部分河道過流能力不能滿足,發生漫溢,洪水進入河道外側二維區域。50 年一遇時,建庫后工況下總淹沒面積為1507.2km2,其中邯鄲市境內淹沒面積為218.2km2；洪水進入二維區域。50 年一遇時,建庫后工況下淹沒面積為218.2km2,規劃工況下,不同防洪標準淹沒面積統計成果如表3 所示。

表3 現狀及規劃工況下淹沒范圍對比表

4 典型洪水婁里水庫建設后的防洪效果分析

1963 年8 月上旬,河北省大部地區,尤其是京廣鐵路以西山區迎風坡,普降特大暴雨。本次暴雨籠罩面積之廣、歷時之長、雨量和強度之大,為歷史上所罕見。臨洺關站8 月4 日第一次洪峰流量9800m3/s,至6 日又出現第二次洪峰,洪峰流量12300m3/s,超過了以往記錄以來的歷史洪水。近20 年來,洺河流域發生了“96.8”、“00.7”和2016 年“7.19”三場大洪水,洺河下游兩岸受災嚴重。尤其是2016 年“7.19”洪水,上游山洪來勢兇猛,洺河臨洺關半小時洪水流量由6.2m3/s 陡漲到2450m3/s,1 個半小時達到5780mm3/s,遠超洺河下游70～150m3/s 的行洪能力,下游河道洪水宣泄不及,形成本區域1963 年以來最嚴重的一次洪災。

為此,基于MIKE FLOOD 數學模型重點分析婁里水庫建設后對以上幾場大洪水的攔洪、調蓄作用及對下游的防洪效果分析,計算結果如圖2 所示。從圖2a 中可以看出,“63.8”洪水峰高量大,臨洺關實測最大洪峰流量為12300m3/s,洪峰流量約為200～400 年一遇,通過婁里水庫、東洺陽緩洪區和龍泉緩洪區的聯合調度,攔洪、緩洪,可使洪峰流量削減至10984m2/s,削峰比例達到10.7%；從圖2b 中可以看出,“96.8”洪水峰高量大,臨洺關站實測最大洪峰流量為3460m2/s,最大24h 洪量為1.68 億m3,最大三日洪量為2.01 億m3,該場洪水相當于20 年一遇；通過婁里水庫、東洺陽緩洪區和龍泉緩洪區的聯合調度,攔洪、緩洪,可使洪峰流量削減至260m3/s,削峰比例達到92.5%；從圖2c 中可以看出,“00.7”洪水峰高量小,臨洺關站實測最大洪峰流量為2700m3/s,最大24h 洪量為0.91 億m3,最大三日洪量為1.07 億m3,該場洪水洪峰相當于20 年一遇；通過婁里水庫、東洺陽緩洪區和龍泉緩洪區的聯合調度,攔洪、緩洪,可使洪峰流量削減至110m3/s,削峰比例達到96.3%；從圖2d 中可以看出,2016 年“7.19”洪水高度集中,陡漲陡落,峰高量小臨洺關水文站19 日23 時起漲,流量6.21m3/s,20 日0 時48 分達到最大洪峰流量5780m3/s,相當于50 年一遇,而最大24h 洪量為1.88 億m3,大于20 年一遇；最大三日洪量為2.08 億m3,不足20 年一遇。通過婁里水庫、東洺陽緩洪區和龍泉緩洪區的聯合調度,攔洪、緩洪,可使洪峰流量削減至260m3/s,削峰比例達到95.5%。

圖2 典型洪水婁里水庫建設后的防洪效果分析

5 結論

以邯鄲市永年區婁里水庫建設前后的防洪效果分析為例,運用MIKEFLOOD 數學模型對壩址下游5 年、10年、20 年、50 年一遇洪水進行演進分析,得到以下幾個結論：

5.1 低標準洪水婁里水庫建設后的防洪效果分析表明,5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇洪水不發生漫溢,建庫后工況下對50 年一遇洪水進行了削減,使下游淹沒范圍減小,邯鄲境內50 年一遇淹沒范圍由現狀的321km2減少至218km2,減少了約32%,效果比較明顯；

5.2 對4 場典型大洪水“63.8”、“96.8”、“00.7”和2016年“7.19”分析表明,通過婁里水庫、東洺陽緩洪區和龍泉緩洪區的聯合調度,攔洪、緩洪,均可實現洪峰流量削減。