西葦水庫不同標(biāo)準(zhǔn)洪水對下游淹沒影響分析

鄭言峰，王 猛，盧 岳，趙 宇，于西達(dá)

(青島市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

我國處于從控制洪水向洪水管理的轉(zhuǎn)變時(shí)期，區(qū)域洪水淹沒特征涉及洪澇模擬、洪水避難、災(zāi)害預(yù)警、災(zāi)情評估和公眾洪水風(fēng)險(xiǎn)意識等方面，是進(jìn)行洪水管理的科學(xué)依據(jù)之一[1-2]。目前，基于MIKE 21軟件建立的二維水動(dòng)力模型已成為模擬水庫洪水對下游淹沒影響的主要方法之一[3-4]。本文以西葦水庫為研究對象，建立了基于MIKE 21的二維水動(dòng)力模型，模擬分析了西葦水庫發(fā)生不同標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)的淹沒范圍及最大淹沒水深，并進(jìn)行了分類匯總統(tǒng)計(jì)分析，為西葦水庫防洪減災(zāi)、群眾轉(zhuǎn)移提供決策依據(jù)。

1 工程概況

西葦水庫在山東省濟(jì)寧市鄒城市東城區(qū)，位于白馬河支流大沙河中段，屬淮河流域南四湖水系，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧城區(qū)供水等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。西葦水庫始建于1959年10月，1960年6月基本竣工。2008年西葦水庫除險(xiǎn)加固工程完成后，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到100 a一遇設(shè)計(jì)，10 000 a一遇洪水校核。水庫總庫容為1.019 4億m3，防洪庫容為0.531 8億m3，興利庫容為0.411 1億m3，死庫容為0.076 5億m3，工程等別為Ⅱ等。但鑒于水庫加固后工程未經(jīng)高水位考驗(yàn)，現(xiàn)狀校核防洪標(biāo)準(zhǔn)按1 000 a一遇。水庫下游是鄒城市區(qū)、國家重點(diǎn)保護(hù)文物“兩孟”、104國道、京滬鐵路、兗礦集團(tuán)六個(gè)煤礦和兩個(gè)電廠(鄒縣電廠、里彥電廠)等工礦重地，有著極其重要的保護(hù)作用，對保障鄒城經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)社會(huì)生態(tài)平衡起著巨大的促進(jìn)作用，水庫防洪作用非常重要。

2 不同標(biāo)準(zhǔn)洪水分析

2.1 潰壩前不同標(biāo)準(zhǔn)洪水計(jì)算

西葦水庫水文站設(shè)立于1960年6月，具有連續(xù)的實(shí)測洪峰流量資料。根據(jù)流量法，分析計(jì)算得到了不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪峰及洪量，計(jì)算結(jié)果為：100 a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量1 491 m3/s，相應(yīng)最大72 h洪量為4 096萬m3；1 000 a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量2 702 m3/s，相應(yīng)最大72 h洪量為6 807萬m3；10 000 a一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量3 755 m3/s，相應(yīng)最大72 h洪量為9 114萬m3(見表1)。

表1 西葦水庫不同標(biāo)準(zhǔn)洪水成果表

2.2 潰壩洪水分析計(jì)算

西葦水庫大壩為土石壩，該壩型潰壩原因主要是洪水漫頂和基礎(chǔ)管涌、滲漏，由于引起潰壩的水流沖擊能力極強(qiáng)，從決口開始時(shí)刻到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面時(shí)，整個(gè)時(shí)間過程非常短暫，為安全考慮，確定西葦水庫潰壩形式為潰決到壩基的橫向局部瞬時(shí)潰壩，根據(jù)《水力計(jì)算手冊》(第二版)[5]，潰壩水力理論進(jìn)行計(jì)算。潰壩最大流量按照大壩瞬時(shí)橫向局部一潰到底場合進(jìn)行計(jì)算，采用公式：

其中，B為大壩總長，m；b為潰壩決口平均寬度，m；g為重力加速度,g=9.81 m/s2。經(jīng)計(jì)算，潰壩最大流量為96 808 m3/s。

3 淹沒影響分析

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)西葦水庫不同標(biāo)準(zhǔn)洪水可能影響區(qū)域的地形特點(diǎn)，建立基于MIKE 21的二維水動(dòng)力模型，采用有限體積法(又稱控制體積法)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其基本思路是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程，其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。

3.2 模型設(shè)置

1)計(jì)算范圍。根據(jù)水庫下游地形，考慮到超標(biāo)準(zhǔn)洪水或潰壩洪水可能的淹沒范圍，本次模型范圍選取北側(cè)以日蘭高速、沂河左堤為界，南側(cè)以103 m等高線(溢洪閘底板頂高程)為界，西側(cè)以新石鐵路、G237、泗河左堤為界，東側(cè)以西葦水庫主副壩、103 m等高線、沂河左堤為界。南北向長度約46.3 km，東西向?qū)挾燃s41.8 km，模擬區(qū)域總面積889.6 km2(見圖1)。

2)網(wǎng)格劃分。選用MIKE 21水動(dòng)力模型中以三角形網(wǎng)格為基礎(chǔ)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，以適應(yīng)不規(guī)則邊界形狀的變化。重點(diǎn)區(qū)域如深槽、灘地水深變化較大和邊界形態(tài)變化較大的地方對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以更好的表達(dá)區(qū)域地形條件，適應(yīng)邊界突變引起的水力要素變化；非重點(diǎn)區(qū)域使用較大網(wǎng)格，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格劃分疏密須過渡均勻，無突變現(xiàn)象。選用的最大網(wǎng)格面積為10 000 m2，網(wǎng)格局部分區(qū)域加密，共包含網(wǎng)格19.8萬個(gè)(見圖2)。

3)地形插值。在地形圖中提取高程散點(diǎn)109.6萬個(gè)，生成模擬區(qū)域mesh文件(見圖3)。

4)邊界條件。選擇西葦水庫溢洪道出口處為上游邊界，給定不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的泄洪流量。模型下游邊界為白馬河入南四湖河口處，給定上級湖正常蓄水位34.50 m。

5)糙率設(shè)置。本次采用分區(qū)糙率，對計(jì)算區(qū)域內(nèi)的居民地、道路、耕地、河流等地物設(shè)置不同的糙率(見圖4)，以反映保護(hù)區(qū)下墊面對洪水演進(jìn)的影響。

3.3 淹沒分析

根據(jù)西葦水庫不同標(biāo)準(zhǔn)洪水分析成果，模擬計(jì)算下游淹沒影響情況。當(dāng)西葦水庫發(fā)生潰壩時(shí)，下游淹沒影響范圍最大，包括鄒城市的千泉街道辦事處、北宿鎮(zhèn)、石墻鎮(zhèn)、郭里鎮(zhèn)、唐村鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、鋼山街道辦事處、鳧山街道辦事處、中心店鎮(zhèn)等鎮(zhèn)街；微山縣的馬坡鎮(zhèn)、兩城鎮(zhèn)、魯橋鎮(zhèn)等鎮(zhèn)；曲阜市的陵城鎮(zhèn)、小雪街道、息陬鎮(zhèn)、尼山鎮(zhèn)等鎮(zhèn)街；兗州市的興隆莊街道等鎮(zhèn)街，共計(jì)129萬人左右。不同標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒范圍見圖5～圖8，不同標(biāo)準(zhǔn)洪水不同淹沒水深時(shí)的淹沒面積統(tǒng)計(jì)匯總表詳見表2，表3，不同

表2 西葦水庫不同標(biāo)準(zhǔn)洪水不同淹沒水深時(shí)的淹沒面積(區(qū)間) km2

表3 西葦水庫不同標(biāo)準(zhǔn)洪水不同淹沒水深時(shí)的淹沒面積(累計(jì)) km2

標(biāo)準(zhǔn)淹沒曲面圖及折線圖見圖9～圖12。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，淹沒水深為0.0 m～1.0 m時(shí)不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的淹沒面積從21.80 km2～167.10 km2，占各自總淹沒面積的比例為72%～53%；淹沒水深為1.0 m～2.0 m時(shí)不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的淹沒面積從7.09 km2～87.83 km2，占各自總淹沒面積的比例為23%～28%；淹沒水深為小于2.0 m時(shí)不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的淹沒面積占各自總淹沒面積的比例為95%～81%，大于2.0 m時(shí)不同標(biāo)準(zhǔn)洪水的淹沒面積所占比例較小。

1 000 a一遇洪水淹沒面積基本為100 a一遇洪水淹沒面積的3倍，10 000 a一遇洪水淹沒面積基本為1 000 a一遇洪水淹沒面積的1.3倍，潰壩洪水淹沒面積基本為10 000 a一遇洪水淹沒面積的2.0倍～2.5倍。

因此，對于西葦水庫來說，洪水防控重點(diǎn)在于100 a和10 000 a兩個(gè)關(guān)鍵洪水標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)洪水標(biāo)準(zhǔn)超過100 a一遇時(shí)，洪水淹沒急劇增大；對于土石壩來說，當(dāng)發(fā)生10 000 a一遇洪水時(shí)，防控稍有疏漏極易造成水庫潰壩，屆時(shí)不僅水庫西南方向的下游兩岸遭受重大損失，水庫北面及西北方向也將遭受重大損失，因此必須做好10 000 a一遇洪水的應(yīng)急搶險(xiǎn)，避免潰壩發(fā)生。此外，當(dāng)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，轉(zhuǎn)移地點(diǎn)至少應(yīng)高于地面2.0 m以上，以減少淹沒損失。

4 結(jié)語

本文以西葦水庫為研究對象，建立了基于MIKE 21的二維水動(dòng)力模型，模擬分析了西葦水庫發(fā)生不同標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)的淹沒范圍及最大淹沒水深，并進(jìn)行了分類匯總統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明洪水防控重點(diǎn)在于100 a和10 000 a兩個(gè)關(guān)鍵洪水標(biāo)準(zhǔn)；此外，當(dāng)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，轉(zhuǎn)移地點(diǎn)至少應(yīng)高于地面2.0 m以上，以減少淹沒損失。

隨著超標(biāo)洪水發(fā)生概率的增加，水庫超標(biāo)洪水防洪預(yù)案的指導(dǎo)意義愈加凸顯。本文通過對西葦水庫不同標(biāo)準(zhǔn)洪水淹沒水深及淹沒面積的分析，不僅能提高大壩應(yīng)急管理水平，也可以為下游河道及城區(qū)洪水防御重點(diǎn)提供參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。