察爾森水庫潰壩洪水模擬計(jì)算

李志平，張永勝，沙瑞華

(水利部松遼水利委員會(huì)，吉林 長春 130021)

1 問題的提出

察爾森水庫是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大型水利樞紐工程，水庫控制流域面積為7 780 km2。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，洪水災(zāi)害所造成的損失越來越大，洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究已成為災(zāi)害研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。察爾森水庫作為洮兒河干流上唯一的控制性工程，擔(dān)負(fù)著下游內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省6個(gè)旗縣市的14.2萬hm2農(nóng)田、32.4萬hm2草原、200多萬人口的生命財(cái)產(chǎn)安全和平齊、白阿、長白、通讓4條鐵路安全的重任，如何建立高效的防洪安全保障體系，制定切實(shí)有效的防洪減災(zāi)措施，是擺在人們面前的一項(xiàng)既艱巨又重要的使命。借助國家防汛抗旱指揮部辦公室開展洪水風(fēng)險(xiǎn)圖試點(diǎn)的契機(jī)，對(duì)察爾森水庫的潰壩洪水進(jìn)行了模擬，模擬了水庫大壩潰決后保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水的演進(jìn)過程和淹沒范圍，為察爾森水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)管理提供了重要依據(jù)。

2 潰壩洪水模擬

2.1 潰決特征

根據(jù)察爾森水庫的大壩壩型、壩長、筑壩材料等因素分析，確定大壩的潰決形式為漸潰，失事主要形式為漫頂和管涌，口門形態(tài)為梯形。

2.1.1 最終潰口的平均寬度及潰決歷時(shí)

最終潰口的平均寬度及潰決歷時(shí)參考《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》中的水電科學(xué)研究院陸吉康經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：Bm——最終潰口的平均寬度，m；Tf——潰決歷時(shí)，h；K——修正系數(shù)；Vr——水庫有效下泄庫容，m3/s；Hb——潰決有效高度，m。

最終潰口的平均寬度及潰決歷時(shí)成果見表1。

表1 潰口寬度及潰決歷時(shí)計(jì)算表

2.1.2 潰決最大流量

目前國內(nèi)有關(guān)潰壩洪水計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式較多，但缺乏完全確定的模擬方法，本次計(jì)算時(shí)按照不同潰決方式采用不同的經(jīng)驗(yàn)公式做了比較，各種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果差別較大，最后采用在統(tǒng)計(jì)已有土石壩的資料基礎(chǔ)上得到的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式：

式中：QP——潰決最大流量，m3/s；HW——潰口高度，m；VW——可泄庫容m3；g——重力加速度，m/s2。

公式的計(jì)算參數(shù)中，潰口高度取最大壩高，可泄庫容取潰決水位時(shí)的相應(yīng)庫容12.53×108m3，計(jì)算得潰決最大流量為52 000 m3/s。

2.2 潰壩洪水向下游演進(jìn)

潰壩洪水向下游的演進(jìn)過程與潰壩形式、潰決最大流量、區(qū)間蓄水量、下游水位等有關(guān)，尚無統(tǒng)一的推求方法。本次洪水演進(jìn)分別采用了一維非恒定流數(shù)值模型、經(jīng)驗(yàn)公式法、馬斯京根法進(jìn)行分析。經(jīng)分析一般的非恒定流計(jì)算模型不能很好地模擬水庫潰壩洪水的演進(jìn)，經(jīng)驗(yàn)公式法同考慮潰壩洪水傳播速度與調(diào)蓄能力變化后的馬斯京根法成果差別不大，因此對(duì)察爾森水庫潰壩洪水向下游演進(jìn)采用經(jīng)驗(yàn)公式法分析計(jì)算。

察爾森水庫下游鎮(zhèn)西水文站以下為平緩沖積平原地區(qū)，潰壩洪水演進(jìn)至鎮(zhèn)西水文站下游約20 km后從兩岸跑水，跑水后的水流走向較為復(fù)雜，可分為三大部分：一部分洪水沿洮兒河河道經(jīng)三頂召分洪后匯入月亮泡水庫；第二部分右岸洪水沿洮兒河堤防順低洼地勢(shì)同三頂召分洪洪水匯合后匯入查干泡；第三部分左岸洪水沿低洼地帶在月亮泡水庫以北形成蓄水區(qū)并逐漸流入月亮泡水庫。根據(jù)水庫潰壩洪水向下游演進(jìn)及下游地區(qū)跑水情況，分成察爾森水庫—跑水口洪水、跑水口以下河道洪水、左岸洪水、右岸洪水四部分進(jìn)行分析。

2.2.1 跑水口位置分析確定

察爾森水庫以下至鎮(zhèn)西水文站為淺山丘陵區(qū)，鎮(zhèn)西水文站以下約20 km逐漸向平原轉(zhuǎn)化，地形呈喇叭口形狀，再以下則為平原地區(qū)。水庫潰壩后，沿程水位迅速增加，由于受河道地形條件限制，潰壩洪水在察爾森～鎮(zhèn)西水文站區(qū)間沖破或淹沒堤防后仍將沿河谷傳播，不會(huì)大面積擴(kuò)散，出鎮(zhèn)西水文站后順地勢(shì)向兩岸逐漸擴(kuò)散，水位逐漸降低，流速減小，堤防開始露出水面，水流分成河道、左岸、右岸三部分向下游演進(jìn)。本次分析，跑水口位置按堤頂高程高于控制斷面計(jì)算最高水位時(shí)的位置，即堤防露出水面位置確定，按照上述原則推算，分水口位置位于水庫下游距壩址距離約95 km，即在鎮(zhèn)西水文站下游20 km附近，處于洮兒河由山丘區(qū)剛進(jìn)入平原區(qū)的入口河段。

2.2.2 跑水口分流比分析

潰壩洪水出鎮(zhèn)西水文站后順地勢(shì)向兩岸逐漸擴(kuò)散，演進(jìn)至跑水口斷面時(shí)，水面寬度從鎮(zhèn)西水文站附近河段的約5 km增加到21 km，水位逐漸降低，洮兒河堤防開始露出水面，潰壩洪水開始向兩岸跑水。經(jīng)分析計(jì)算確定跑水口分流原則為：流量小于2 900 m3/s時(shí)從河道下泄，大于2 900 m3/s時(shí)扣除河道過流按左岸分流69%、右岸分流31%的比例向兩岸分配，進(jìn)而將跑水口斷面流量過程線分割成河道、左岸、右岸流量過程線。按照上述原則對(duì)潰壩洪水演進(jìn)到跑水口處流量過程線進(jìn)行分割，其中：河道流量為2 900 m3/s，左岸分洪洪峰流量為8 256 m3/s，右岸分洪洪峰流量為3 709 m3/s。

2.2.3 察爾森水庫～跑水口洪水演進(jìn)

察爾森水庫至跑水口距離約為95 km，區(qū)間有支流歸流河匯入，由于潰壩洪水峰高量大，因此對(duì)潰壩洪水的分析不考慮區(qū)間洪水。

1）流量計(jì)算。采用里斯特萬經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Qlm——當(dāng)潰決最大流量演進(jìn)至距壩址為L處時(shí)，在該處出現(xiàn)的最大流量，m3/s；W——水庫潰壩時(shí)的庫容，m3；Qm——壩址處的潰壩最大流量，m3/s；L——下游斷面距壩址距離，m；V——河道洪水期斷面最大平均流速，在有資料的地區(qū)可采用歷史上的最大值，如無資料，一般山區(qū)可采用3.0～5.0 m/s，半山區(qū)可采用2.0～3.0 m/s，平原區(qū)可采用1.0～2.0 m/s；K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)K=1.1～1.5，半山區(qū)K=1.0，平原區(qū) K=0.8～0.9。

2）潰壩洪水傳播時(shí)間和流量過程線。采用黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所根據(jù)試驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)公式。

①洪水起漲時(shí)間計(jì)算公式為

式中：L——下游斷面距壩址距離，m；H0——壩上游水深，m；W——水庫可泄總水量，m3；h0——潰壩洪水到達(dá)前下游計(jì)算斷面平均水深，即與基流相應(yīng)的平均水深，m；K1——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，等于（0.65～0.75）×10-3；T1——洪水起漲時(shí)間，s；hm——最大流量時(shí)的平均水深，m；K2——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，等于0.8～1.2；T2——最大流量到達(dá)時(shí)間，s。

③下游斷面流量過程線計(jì)算公式

求得洪水起漲時(shí)間和最大流量到達(dá)時(shí)間后，根據(jù)基流流量、潰壩最大流量,將流量過程概化為三角形，時(shí)間T3由下式確定：

②最大流量到達(dá)時(shí)間計(jì)算公式為

式中：Qlm——計(jì)算斷面處最大流量，m3/s；W——水庫可泄總水量，m3。

根據(jù)上述4個(gè)公式算出水庫下游各斷面的潰壩洪水流量過程線，再用曼寧公式計(jì)算各斷面的水力要素，最后得出潰壩后下游各斷面的計(jì)算成果。

2.2.4 跑水口以下河道洪水

本次進(jìn)行潰壩洪水分析時(shí)，跑水口處河道洪峰流量2 900 m3/s，即與1998年大洪水時(shí)鎮(zhèn)西水文站洪峰流量相同。雖然河道洪峰流量仍超過現(xiàn)狀堤防的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但同1998年大洪水比較，洪峰流量相同的情況下洮兒河堤防過流能力已比1998年時(shí)有了較大提高，如果水庫潰壩后進(jìn)行有效的搶險(xiǎn)工作，可以保住洮兒河國堤不決口，因此對(duì)跑水口以下河道洪水按不沖毀堤防考慮，河道洪水經(jīng)三頂召分洪后可以安全匯入月亮泡水庫。

2.2.5 左岸洪水

洪水從跑水口向兩岸跑水后，由于洮兒河下游地形復(fù)雜，有山前坡地，平原及沼澤濕地等，不能再采用洪水在河谷中的演進(jìn)計(jì)算方法，跑水后的洪水采用水文學(xué)分析方法。左岸洪水從跑水口跑水后，順地勢(shì)流經(jīng)約78 km后，至月亮泡水庫以北形成蓄水區(qū)域，左岸水流流經(jīng)區(qū)域淹沒平均水深約1.7 m，淹沒寬度在4.8～20 km之間。

2.2.6 右岸洪水

右岸洪水從跑水口跑水后，沿地勢(shì)流經(jīng)約70 km后，至洮南市下游同三頂召分洪洪水匯合，流入查干泡后泄入嫩江。分析時(shí)同樣采用水文學(xué)分析方法，右岸水流流經(jīng)區(qū)域淹沒平均水深約1.4 m，淹沒寬度在4～18 km之間。

2.3 洪水淹沒范圍

計(jì)算表明察爾森水庫潰壩洪水淹沒范圍涉及烏蘭浩特市、白城市洮北區(qū)、洮南市等3個(gè)城區(qū)及270個(gè)村屯，淹沒面積5 695 km2，淹沒區(qū)內(nèi)人口745 799人，淹沒耕地919 km2。淹沒范圍見表2。

3 結(jié)論

以察爾森水庫保護(hù)范圍作為研究區(qū)域，對(duì)察爾森水庫潰壩洪水進(jìn)行了模擬，得出了水庫潰壩后的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時(shí)、到達(dá)時(shí)間等風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的空間分布，同時(shí)通過確定的淹沒范圍內(nèi)影響的城區(qū)及村屯，按照方便就近的原則選擇了安全撤離路線和安置點(diǎn)，為察爾森水庫的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)管理提供了科學(xué)依據(jù)。由計(jì)算結(jié)果得知，當(dāng)發(fā)生潰壩洪水時(shí)，下游防護(hù)區(qū)將遭受非常嚴(yán)重的災(zāi)害，潰壩后主要淹沒的是內(nèi)蒙古自治區(qū)的烏蘭浩特市和吉林省的白城市洮北區(qū)、洮南市。

表2 察爾森水庫潰壩洪水淹沒范圍及人口統(tǒng)計(jì)成果表