不同長寬比及水深對(duì)水庫潰壩流量過程的影響分析

康國亮

(遼寧省水資源管理集團(tuán)，沈陽 110000)

0 前 言

利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行潰壩洪水計(jì)算簡單易行，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，在我國眾多中小型水庫中應(yīng)用較廣。但此種方法將各種水庫潰壩過程都概化為一種簡單的過程線形式，只考慮庫容及壩前水位情況，沒能考慮不同寬深比及水深對(duì)潰壩流量的影響。重點(diǎn)分析研究同一庫容條件下不同不同寬深比及水深對(duì)于潰壩洪水的影響，以提供更加精準(zhǔn)的潰壩洪水計(jì)算結(jié)果。為廣大采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算潰壩洪水的中小型水庫提供參考，以便制定出更加符合實(shí)際、更利于保護(hù)下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全的防災(zāi)、減災(zāi)措施[1-3]。

1 軟件適用性

MIKE21是專業(yè)的二維自由水面流動(dòng)模擬系統(tǒng)工程軟件包，適用于湖泊、河口、海灣和海岸地區(qū)的水力及其相關(guān)現(xiàn)象的平面二維仿真模擬。主要用于河口、河流、海洋、水庫等地表水體流動(dòng)、波浪、水環(huán)境變化、泥沙運(yùn)移等二維水利專業(yè)工程軟件。目前該軟件在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，如碧流河水庫下游洪水淹沒損失計(jì)算、遼河左岸防洪風(fēng)險(xiǎn)圖的編制，大連理工大學(xué)的王領(lǐng)元利用MIKE21水動(dòng)力模塊對(duì)二維潰壩進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果較符合實(shí)際[4-6]。

2 不同長寬比對(duì)潰壩流量影響分析

2.1 研究方案及模型參數(shù)選擇

應(yīng)用MIKE21中的Flow Model FM模型進(jìn)行模擬，對(duì)水庫進(jìn)行瞬時(shí)潰壩洪水計(jì)算。為了方便計(jì)算，更直觀地得到不同水庫形狀對(duì)于潰壩洪水的影響，在本次研究中,暫時(shí)不考慮水庫上游來流、風(fēng)、浪、潮汐、溫度、鹽度和支流入?yún)R等因素的影響；同時(shí)糙率用曼寧值表示，設(shè)定為常數(shù)M=32m1/3/s；庫區(qū)水深為10m，下游無水。

在保證同一庫容大小、潰口寬度不變情況下，分析庫區(qū)水深變化對(duì)湖泊形和狹長形水庫潰壩洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間產(chǎn)生的不同的影響。以湖泊形水庫為基礎(chǔ)形狀，研究水庫在長寬比(L/B，B不變)及水深變化時(shí)產(chǎn)生的規(guī)律，分析長寬比(L/B)和水深變化兩因素對(duì)水庫潰壩洪水的影響程度。具體方案見表1。

表1 不同長寬比及水深計(jì)算方案

模型參數(shù)：上游庫區(qū)水深為10m，下游水深為0m；下游出口開邊界設(shè)為水位常數(shù)2m；干水深hdry=0.005m，淹沒水深hflood=0.05m，濕水深hwet=0.1m；庫區(qū)底床摩擦力采用曼寧數(shù)表示，設(shè)為定值M=32m1/3/s；渦黏系數(shù)采用Smagorinsky公式確定，Smagorinsky系數(shù)Cs選定為0.28。

2.2 長寬比對(duì)水庫潰壩流量過程影響

2.2.1 對(duì)潰壩峰頂流量及峰現(xiàn)時(shí)間的影響

隨著長寬比的增長，潰壩峰頂流量及峰現(xiàn)時(shí)間的變化規(guī)律如表所示，隨著長寬比的增長，潰壩峰頂流量值變化不大，基本維持在一定值附近。峰頂流量達(dá)到時(shí)間變化也不大。說明在同一水庫深度情況下，庫區(qū)長度變化對(duì)潰壩峰頂流量及峰現(xiàn)時(shí)間的影響不大，見表2。

表2 不同寬深比峰頂流量及達(dá)到時(shí)間

2.2.2 對(duì)流量過程線的分析

隨著長寬比的增大，對(duì)潰壩流量過程線峰前過程影響不大，不同長寬比時(shí)峰前過程線基本重合，峰頂流量及峰現(xiàn)時(shí)間亦基本重合。但對(duì)峰后過程影響較大。當(dāng)L/B=1時(shí)，峰后流量快速下降。隨著L/B值的增大，峰后過程線有明顯的下降后又回升的波動(dòng)，L/B值越大，下降回升后的高流量值持續(xù)時(shí)間越長，待流量在較高位置下降后，過程基本相同。由于長寬比的增大，庫區(qū)越狹長，潰壩初期潰口附近水體迅速向下游傾瀉，而狹長形水庫的水量供應(yīng)主要從水庫上游方向，潰壩負(fù)波未到之處的水體是不受影響的，故潰口附近水體迅速下泄后上游庫區(qū)不能及時(shí)大量供應(yīng)水體，使?jié)瘟髁慨a(chǎn)生短暫的下降過程。隨著潰壩逆行波向上游傳遞，上游水量會(huì)持續(xù)向潰口處涌動(dòng)，從而使流量反彈并持續(xù)，直至庫區(qū)水量減少到一定程度，潰壩流量開始下降至泄空庫容，見圖1。

圖1 不同長寬比流量過程線

3 庫區(qū)水深變化對(duì)水庫潰壩流量過程影響

3.1 研究方案及模型參數(shù)選擇

研究方案：模擬庫容相等的L/B=1(長×寬=200m×200m)湖泊形水庫與L/B=4(長×寬=400m×100m)狹長形水庫在不同水深(10m、20m、30m、40m)、潰口寬度為100m時(shí)的潰壩流量過程，對(duì)比分析兩者隨庫區(qū)水深變化規(guī)律及差異。

模型參數(shù)：上游庫區(qū)水深分別為10m、20m、30m、40m，下游水深為0m；下游出口開邊界設(shè)為水位常數(shù)2m；干水深hdry=0.005m，淹沒水深hflood=0.05m，濕水深hwet=0.1m；庫區(qū)底床摩擦力采用曼寧數(shù)表示，設(shè)為定值M=32m1/3/s；渦黏系數(shù)采用Smagorinsky公式確定，Smagorinsky系數(shù)Cs選定為0.28。

3.2 水深變化對(duì)潰壩峰頂流量及峰現(xiàn)時(shí)間的影響

兩種庫形水庫隨著水深的加深，潰壩后峰頂流量值逐漸加大，峰頂流量到達(dá)時(shí)間提前。同等庫容、相同潰口大小情況下，狹長形(L/B=4)水庫潰壩峰頂流量值小于湖泊形(L/B=1)水庫對(duì)應(yīng)的峰頂流量值，峰頂流量到達(dá)時(shí)間提前于湖泊形水庫，見表3、表4。

表3 L/B=1時(shí)隨水深變化潰壩峰頂流量及到達(dá)時(shí)間

表4 L/B=4時(shí)隨水深變化潰壩峰頂流量及到達(dá)時(shí)間

兩種庫形水庫潰壩峰頂流量隨庫區(qū)水深的加深，峰頂流量差值亦逐漸增大。水庫潰壩峰頂流量隨水深加大呈現(xiàn)冪函數(shù)增長趨勢，湖泊形(L/B=1)形水庫水深與峰頂流量呈y = 3550.2x1.5056增長趨勢，狹長形(L/B=4)形水庫水深與峰頂流量呈y = 2890.9x1.5072增長趨勢，見圖2。

圖2 兩種庫形水庫隨庫區(qū)水深變化峰頂流量變化趨勢

兩種庫形水庫潰壩后峰現(xiàn)時(shí)間隨著水深值加大而逐漸提前，湖泊(L/B=1)形水庫峰現(xiàn)時(shí)間隨水深變化的更快些，呈y = -4.3968Ln(x) + 17.993對(duì)數(shù)函數(shù)趨勢下降。狹長形(L/B=4)形水庫峰現(xiàn)時(shí)間變化小些，呈13.266e-0.0958x指數(shù)函數(shù)趨勢下降。見圖3。

圖3 兩種庫形水庫隨庫區(qū)水深變化峰現(xiàn)時(shí)間變化趨勢

由以上對(duì)長寬比及水深變化對(duì)潰壩流量影響分析可知，同一水庫情況下，水深變化主要影響潰壩后峰頂流量值大小及峰頂流量達(dá)到時(shí)間，長寬比變化主要影響潰壩流量過程線形狀。所以有時(shí)小庫容高水位的水庫比稍大庫容但水深小、面積大的水庫潰壩后造成的損失更巨大。

4 結(jié) 語

在保證同一庫容大小、潰口寬度不變情況下，分析庫區(qū)水深變化及寬深比變化對(duì)水庫潰壩洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間及流量過程線產(chǎn)生的不同的影響，得出如下結(jié)論：

1)庫區(qū)尺寸長寬比變化對(duì)潰壩峰頂流量及峰現(xiàn)時(shí)間影響不大，但對(duì)潰壩峰后過程影響較大；隨著長寬比增大，峰后流量會(huì)有明顯的下降后上升的波動(dòng)，并且峰后高流量過程的持續(xù)時(shí)間會(huì)增長。

2)隨著水深增大，湖泊形與狹長形水庫潰壩峰頂流量呈冪函數(shù)增長趨勢。隨著水深加大，湖泊形水庫峰現(xiàn)時(shí)間呈對(duì)數(shù)函數(shù)趨勢下降，狹長形水庫呈指數(shù)函數(shù)趨勢下降。

3)同一水庫情況下，水深變化主要影響潰壩后峰頂流量值大小及峰頂流量達(dá)到時(shí)間，長寬比變化主要影響潰壩流量過程線形狀。