城市水庫潰壩耦合極端降雨前后模擬對比分析

王建有 張曼曼 孫奔博 李振坤

摘 要：以探究城市上游水庫潰壩耦合極端降雨及僅潰壩兩種工況下洪水災害程度的變化為目標，確定鄭州市二七區、中原區、金水區及惠濟區為研究區域，結合芝加哥雨型公式及長歷時暴雨強度公式推求設計暴雨，依托“７·２０ 鄭州特大暴雨” 實測數據推求研究區域產匯流特征，建立極端降雨與洪水過程的響應關系。在此基礎上，以鄭州市二七區尖崗水庫為研究對象，構建兩種工況下二維潰壩洪水演進模型，對水情信息進行對比分析。結果表明：相比于僅潰壩，降雨耦合潰壩工況下淹沒范圍更大，其中增加的淹沒范圍內各點的最大水深、流速、洪水嚴重性程度均處于較低等級。在河道兩側，兩種工況下各等級水深、流速及洪水嚴重性淹沒范圍大致相同；地勢較低的區域降雨耦合潰壩工況下淹沒水深和流速增大較多，易澇點水深增加約０．６ ｍ，選取斷面水面線升高約１ ｍ。

關鍵詞：城市水庫；潰壩耦合降雨；極端降雨；淹沒水深；尖崗水庫；鄭州市

中圖分類號：ＴＶ１２２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．０１１

引用格式：王建有，張曼曼，孫奔博，等．城市水庫潰壩耦合極端降雨前后模擬對比分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（５）：６８－７３．

０ 引言

隨著全球氣候變暖趨勢增強，過去百年來氣溫上升了０．９～１．５ ℃，飽和水汽壓隨之增加，極端降雨也呈增多、趨強態勢［１］ 。極端降雨是產生洪水的重要因素［２］ ，極大地增強了洪水的災害性，甚至導致潰壩。目前我國已建成各類水庫大壩９．８８ 萬余座，數量居世界第一［３］ 。１９５４—２０１９ 年我國潰壩共計３ ５４１ 座，年均潰壩５３．７ 座［４］ 。潰壩原因主要有大壩質量問題、洪水漫頂及管理不當等，其中洪水漫頂占５０％以上［５］ ，如１９６３ 年河北省保定市的劉家臺水庫漫頂潰壩［６］ ，１９７５ 年河南省板橋水庫漫頂潰壩［７］ ，２０１８ 年新疆射月溝水庫漫頂潰壩［８］ 。

我國城市化進程加快，２０３０ 年城鎮化水平將超過７０％［９］ ，使得越來越多的水庫進入城區。然而，城市基礎設施建設速度跟不上城鎮化發展步伐，城市硬化面積大幅度提高，下滲減少，糙率降低，導致地表徑流過程峰高量大，加之排水管網建設標準低、排水系統不完善等原因，致使暴雨引發的內澇趨勢增強，極端降雨下一旦城市上游水庫發生潰壩事故，其導致的潰壩洪水與城市內澇疊加具有遠比天然洪水更大的破壞力，影響經濟發展和社會穩定［１０］ 。

當前國內外有關水庫潰壩研究主要集中在潰壩水流理論、潰壩試驗、潰壩模擬及下游洪水演進等方面［１０］ ，目的是為潰壩洪水災害應對提供依據。通過計算潰壩壩址的流量、水位過程線，并向下游模擬洪水演進得到沿程的流量、流速、水位、洪水到達時間等水情信息［１１］ ，評估下游洪水淹沒損失情況，以便采取措施降低洪水風險。然而，水庫潰壩原因多是超標準洪水漫壩，降雨是導致洪水的重要因素，降雨同時也會產生內澇，目前對極端降雨下城市水庫潰壩的研究較少。鑒于此，本文立足于防災減災的實際需求，對僅潰壩和降雨耦合潰壩兩種工況進行洪水演進數值模擬，通過對比分析潰壩模擬結果，為城市洪水災害防治及風險評估提供理論依據。