李志平,張永勝,沙瑞華
(水利部松遼水利委員會(huì),吉林 長(zhǎng)春 130021)
察爾森水庫(kù)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(kù)控制流域面積為7 780 km2。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,洪水災(zāi)害所造成的損失越來(lái)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(kù)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(wàn)hm2農(nóng)田、32.4萬(wàn)hm2草原、200多萬(wàn)人口的生命財(cái)產(chǎn)安全和平齊、白阿、長(zhǎng)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(guó)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(kù)的潰壩洪水進(jìn)行了模擬,模擬了水庫(kù)大壩潰決后保護(hù)區(qū)內(nèi)洪水的演進(jìn)過(guò)程和淹沒(méi)范圍,為察爾森水庫(kù)防洪風(fēng)險(xiǎn)管理提供了重要依據(jù)。
根據(jù)察爾森水庫(kù)的大壩壩型、壩長(zhǎng)、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(kù)有效下泄庫(kù)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(jiàn)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(guó)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(kù)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(kù)容取潰決水位時(shí)的相應(yīng)庫(kù)容12.53×108m3,計(jì)算得潰決最大流量為52 000 m3/s。
潰壩洪水向下游的演進(jìn)過(guò)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(wú)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(kù)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(kù)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(kù)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(kù);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(kù)以北形成蓄水區(qū)并逐漸流入月亮泡水庫(kù)。根據(jù)水庫(kù)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(kù)—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(kù)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(kù)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(méi)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(kù)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(guò)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(guò)程線分割成河道、左岸、右岸流量過(guò)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(guò)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(kù)~跑水口洪水演進(jìn)
察爾森水庫(kù)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(wàn)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(zhǎng)處時(shí),在該處出現(xiàn)的最大流量,m3/s;W——水庫(kù)潰壩時(shí)的庫(kù)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(wú)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(guò)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(kù)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(guò)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(guò)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(kù)可泄總水量,m3。
根據(jù)上述4個(gè)公式算出水庫(kù)下游各斷面的潰壩洪水流量過(guò)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(guò)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(guò)流能力已比1998年時(shí)有了較大提高,如果水庫(kù)潰壩后進(jìn)行有效的搶險(xiǎn)工作,可以保住洮兒河國(guó)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(kù)。
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(kù)以北形成蓄水區(qū)域,左岸水流流經(jīng)區(qū)域淹沒(méi)平均水深約1.7 m,淹沒(méi)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(méi)平均水深約1.4 m,淹沒(méi)寬度在4~18 km之間。
計(jì)算表明察爾森水庫(kù)潰壩洪水淹沒(méi)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(méi)面積5 695 km2,淹沒(méi)區(qū)內(nèi)人口745 799人,淹沒(méi)耕地919 km2。淹沒(méi)范圍見(jiàn)表2。
以察爾森水庫(kù)保護(hù)范圍作為研究區(qū)域,對(duì)察爾森水庫(kù)潰壩洪水進(jìn)行了模擬,得出了水庫(kù)潰壩后的淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)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(guò)確定的淹沒(méi)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(kù)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(méi)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(kù)潰壩洪水淹沒(méi)范圍及人口統(tǒng)計(jì)成果表