察爾森水庫潰壩洪水模擬計算

李志平，張永勝，沙瑞華

(水利部松遼水利委員會，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)險研究已成為災(zāi)害研究中的一個重要內(nèi)容。察爾森水庫作為洮兒河干流上唯一的控制性工程，擔負著下游內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省6個旗縣市的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，制定切實有效的防洪減災(zāi)措施，是擺在人們面前的一項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)險圖試點的契機，對察爾森水庫的潰壩洪水進行了模擬，模擬了水庫大壩潰決后保護區(qū)內(nèi)洪水的演進過程和淹沒范圍，為察爾森水庫防洪風(fēng)險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

最終潰口的平均寬度及潰決歷時參考《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》中的水電科學(xué)研究院陸吉康經(jīng)驗公式計算：

式中：Bm——最終潰口的平均寬度，m；Tf——潰決歷時，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成果見表1。

表1 潰口寬度及潰決歷時計算表

2.1.2 潰決最大流量

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

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。

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

2.2 潰壩洪水向下游演進

潰壩洪水向下游的演進過程與潰壩形式、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。本次洪水演進分別采用了一維非恒定流數(shù)值模型、經(jīng)驗公式法、馬斯京根法進行分析。經(jīng)分析一般的非恒定流計算模型不能很好地模擬水庫潰壩洪水的演進，經(jīng)驗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，因此對察爾森水庫潰壩洪水向下游演進采用經(jīng)驗公式法分析計算。

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，不會大面積擴散，出鎮(zhèn)西水文站后順地勢向兩岸逐漸擴散，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。本次分析，跑水口位置按堤頂高程高于控制斷面計算最高水位時的位置，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)西水文站后順地勢向兩岸逐漸擴散，演進至跑水口斷面時，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)分析計算確定跑水口分流原則為：流量小于2 900 m3/s時從河道下泄，大于2 900 m3/s時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。按照上述原則對潰壩洪水演進到跑水口處流量過程線進行分割，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

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，因此對潰壩洪水的分析不考慮區(qū)間洪水。

1）流量計算。采用里斯特萬經(jīng)驗公式：

式中：Qlm——當潰決最大流量演進至距壩址為L處時，在該處出現(xiàn)的最大流量，m3/s；W——水庫潰壩時的庫容，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）潰壩洪水傳播時間和流量過程線。采用黃河水利委員會水利科學(xué)研究所根據(jù)試驗確定的經(jīng)驗公式。

①洪水起漲時間計算公式為

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——潰壩洪水到達前下游計算斷面平均水深，即與基流相應(yīng)的平均水深，m；K1——經(jīng)驗系數(shù)，等于（0.65～0.75）×10-3；T1——洪水起漲時間，s；hm——最大流量時的平均水深，m；K2——經(jīng)驗系數(shù)，等于0.8～1.2；T2——最大流量到達時間，s。

③下游斷面流量過程線計算公式

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

②最大流量到達時間計算公式為

式中：Qlm——計算斷面處最大流量，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，再用曼寧公式計算各斷面的水力要素，最后得出潰壩后下游各斷面的計算成果。

2.2.4 跑水口以下河道洪水

本次進行潰壩洪水分析時，跑水口處河道洪峰流量2 900 m3/s，即與1998年大洪水時鎮(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)計標準，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年時有了較大提高，如果水庫潰壩后進行有效的搶險工作，可以保住洮兒河國堤不決口，因此對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計算方法，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個城區(qū)及270個村屯，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

以察爾森水庫保護范圍作為研究區(qū)域，對察爾森水庫潰壩洪水進行了模擬，得出了水庫潰壩后的淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、到達時間等風(fēng)險指標的空間分布，同時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，為察爾森水庫的潰壩洪水風(fēng)險管理提供了科學(xué)依據(jù)。由計算結(jié)果得知，當發(fā)生潰壩洪水時，下游防護區(qū)將遭受非常嚴重的災(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)計成果表